PROCESS FOR PRODUCING COMPOSITE MATERIALS FROM ALIGNED REINFORCING FIBRES EMBEDDED IN A THERMOPLASTIC MATRIX

Abstract: 1. A method of producing composite materials from aligned reinforcement fibres embedded in a thermoplastic matric, in which a lay-up of the aligned reinforcement fibres and thermoplastic material is produced and the thermoplastic material is heated to a temperature above its melting point, characterised in that a) the thermoplastic material is used in the form of short out fibres, b) the short cut thermoplastic fibres are mixed with short cut reinforcement fibres, and then c) from the mixture a lay-up made of aligned short cut thermoplastic fibres and aligned short cut reinforcement fibres is formed.

Description: Verfahren zur Herstellung von Gelegen für thermoplastische Verbundwerkstoffe mit ausgerichteten Verstärkungsfasern Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Gelegen, aus denen Verbundwerkstoffe aus einer Matrix, die aus thermoplastischem Material besteht und aus ausgerichteten Verstärkungsfasern in der Matrix herstellbar sind, indem das thermoplastische Material zur Bildung der Matrix auf eine Temperatur oberhalb dessen Schmelzpunkt erwärmt wird. Es ist bekannt, verstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe dadurch herzustellen, dass kurzgeschnittene Verstärkungsfasern, wie Glas- oder Kohlenstoffasern, mit pulverförmigem thermoplastischen Material vermischt werden, beispielsweise in einem Extruder, wobei das so erhaltene Extrudat zu Granulat verarbeitet wird, das dann zu dem gewünschten Formkörper verarbeitet werden kann. Die Fasern liegen dabei in dem Formkörper völlig unausgerichtet vor. Auch ist es zur Bildung eines faserverstärkten Querschnittsprofiles bekannt, einen Filamentstrang mit pulverförmigem therrcpla'stischen Material zu imprägnieren und nach dem Er wärmen durch eine Formdüse zu führen (CH-PS 518 165). Mattenförmige Verbundwerkstoffe, aus denen sich beliebige Formkörper herstellen lassen, sind nach diesem Verfahren jedoch nicht herstellbar. Zur Herstellung von mattenförmigen Verbundwerkstoffen mit einer Matrix aus thermoplastischem Material und darin eingebetteten, ausgerichteten Glasfasern ist bereits vorgeschlagen worden, als Gelege ein kettstarkes Glasfasergewebe, d. h. ein Gewebe, bei dem die Hauptmenge der Fasern in Kettrichtung vorliegt, also der Anteil der Fasern in Schussrichtung gering ist, oder Glasfasergewebe mit Leinenbindung als Webart einzusetzen und dieses Gewebe mit aufgeschmolzenem thermoplastischen Material zu durchtränken. Der daraus gebildete Verbundwerkstoff weist jedoch mehrere Nachteile auf, und zwar aus folgenden Gründen. Neben der Ausrichtung der Glasfasern spielt deren Volumenanteil ¯- eine wesentliche Rolle für die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes, d. h., das Glasfasergewebe muss bei diesem Verfahren sehr engmaschig sein. Andererseits weist geschmolzenes thermoplastisches Material eine sehr hohe Viskosität und damit eine entsprechende schlechte Fliessfähigkeit auf, so dass bei sehr engmaschigen Glasfasergeweben die Durchdringung mit dem geschmolzenen thermoplastischen Material nur noch unzureichend erfolgt, und zwar innerhalb der einzelnen Maschen und ganz besonders schlecht zwischen den einzelnen Monofilamenten der Fasern. Es können daher nur relativ weitmaschige Glasfasergewebe eingesetzt werden, d. h. mit diesem Verfahren lässt sich nur ein Faservolumengehalt von etwa 20 % erreichen. Bedingt durch die hohe Viskosität des geschmolzenen Materials, wird bei diesem Verfahren auch die Ausrichtung der Fasern beeinträchtigt, d. h., es kommt zur Bildung sogenannter Locken. Auch treten unverstärkte Matrix-Nester auf. Ein weiterer wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass, wenn beim Umformen des mattenförmigen Verbundwerkstoffs stärkere Krümmungsänderungen auftreten, die Fasern*#eissen, wodurch sich insbesondere an den Formteilkanten Harznester bilden. Demgegenüber lassen sich duroplastische Materialien mit einem sehr hohen Gehalt an ausgerichteten Verstärkungsfasern herstellen. Dazu wird beispielsweise eine Suspension aus kurzgeschnittenen Verstärkungsfasern einer Siebtrommel zugeführt, auf deren Trommelmantel eine durchlässige Folie angeordnet ist und in deren Inneren ein Unterdruck herrscht, wodurch die Träger- oder Suspensionsflüssigkeit in das Trommelinnere fliesst, während sich die kurzgeschnittenen Verstärkungsfasern auf der Folie ausgerichtet ablagern. Die Folie mit dem Gelege aus ausgerichteten Verstärkungsfasern wird dann abgenommen, von Resten der Suspensionsflüssigkeit gereinigt, getrocknet und dann mit einer Lösung des wärmehärtbaren duroplastischen Materials getränkt. Nach dem Entfernen des Lösungsmittels liegt dann das mit dem noch nicht ausgehärteten duroplastischen Material getränkte Gelege in Form soge nannter"Prepregs"vor, aus denen die Formteile unter Erwärmung gepresst werden (DE-PS 21 63 799 und DE-OS 28 50 833). Gegenüber thermoplastischem Material weisen derartige verstärkte duroplastische Materialien jedoch entscheidende Nachteile auf. Zum einen sind die "Prepregs" nur begrenzt lagerfähig. Auch erfolgt das Aushärten oder die Polymerisation des duroplastischen Materials erst in der *) überdehnt werden und Form, d. h., die Prepregs benötigen eine Verweilzeit oft von mehreren Stunden in der Form, wobei die Form darüber hinaus aufgeheizt werden muss. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Gelegen anzugeben, aus denen sich zu Formteilen verarbeitbare, thermoplastische Verbundwerkstoffe herstellen lassen, die einen hohen Gehalt an ausgerichteten Verstärkungsfasern aufweisen und bei denen auch stärkere Krümmungsänderungen beim Umformen zu keiner Beeinträchtigung der Festigkeit führen, d. h., aus denen auch Formteile mit komplizierter Geometrie pressbar sind. Als Verstärkungsfasern kommen beim erfindungsgemässen Verfahren vor allem Glas- und Kohlestoffasern in Betracht. Als thermoplastische Materialien, die erfindungsgemäss verwendet werden können, sind zu nennen Polyamid, Polyäthylen, Polypropylen, Polystyrol und Polyvinylchlorid. Das erfindungsgemässe Verfahren ist jedoch nicht auf diese namentlich genannten Verbindungen beschränkt, vielmehr sind sämtliche thermoplastische Materialien verwendbar. Thermoplastische Materialien sind in Form von Fäden im Handel erhältlich. Diese Fäden werden vorzugsweise mit einem Durchmesser eingesetzt, der dem Durchmesser der Verstärkungsfasern etwa entspricht. Die obere Grenze des Durchmessers der thermoplastischen Fäden, die bei etwa 500 r liegt, wird im wesentlichen dadurch bedingt, dass oberhalb dieser Grenze sich keine Verbundwerkstoffe mehr herstellen lassen, die einen hinreichenden Verstärkungsfaservolumengehalt besitzen. Die thermoplastischen Fäden werden ähnlich wie die Verstärkungsfasern mittels Schneidpistolen auf eine Länge von beispielsweise etwa 3 mm ge schnitten Entsprechend dem gewünschten Verstärkungs faservolumengehalt im Verbundwerkstoff werden dann die kurzgeschnittenen thermoplastischen Fasern mit den geschnittenen Verstärkungsfasern vermischt. Der Anteil der Verstärkungsfasern kann dabei sehr hoch sein, wobei sich eine Mischung von ca. 50 Vol.-S kurzgeschnittener thermoplastischer Fasern und etwa 50 Vol.-% kurzgeschnittener Verstärkungsfasern als besonders geeignet herausgestellt hat. Die Ausrichtung der miteinander vermischten kurzgeschnittenen thermoplastischen Fasern und Verstärkungsfasern kann dann nach einem Verfahren erfolgen, wie es zur Ausrichtung kurzgeschnittener Verstärkungsfasern bei der Herstellung von duroplastischen Verbundwerkstoffen bereits bekannt ist. Derartige Verfahren werden beispielsweise beschrieben in der DE-PS 21 63 799, der DE-OS 28 50 833, der DE-PS 17 60 073 sowie der GB-PS 14 00 530. Insbesondere das Verfahren nach der DE-PS 21 73 799 sowie der DE-OS 28 So 833 bietet bei dem erfindungsgemässen Verfahren zur Huxtellung eines Geleges aus miteinander vermischten, kurzgeschnittenen, ausgerichteten thermoplastischen und Verstärkungsfasern als brauchbar an. Danach wird das Gemisch aus kurzgeschnittenen thermoplastischen Fasern sowie kurzgeschnittenen Verstärkungsfasern in einem flüssigen Trägermedium, beispielsweise Glyzerin, suspendiert und dann die Suspension einer rotierenden Siebtrommel zugeführt, in deren Innerem ein Unterdruck herrscht. Auf einer durchlässigen Folie, die auf dem Trommelmantel angeordnet ist, lagern sich dann die Fasern ausgerichtet ab, worauf das aus den ausgerichteten Fasern aufgebaute Gelege mitsamt der Folie abgenommen, von an haftenden Resten des Trägermediums gereinigt und getrocknet wird. Das Gelege wird dann von der Folie abgenommen. Es können mehrere Gelege in unterschiedlichen Richtungen aufeinander abgelegt werden. Durch Erwärmen des oder der Gelege, gegebenenfalls bei-*# Pressen des Formteils, auf eine Temperatur oberhalb-des Schmelzpunkts des thermoplastischen Materials, werden dann die ausgerichteten kurzgeschnittenen thermoplastischen Kurzfasern unter Bildung der Matrix des Verbundwerkstoffes aufgeschmolzen. Erfin dungsgemäss sind also Bauteile sehr grosser mechanischer Festigkeit bei sehr geringen Umformzeiten herstellbar. Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch und vergrössert: Figur 1 einen Querschnitt durch ein Gelege mit aus gerichteten kurzgeschnittenen thermoplasti schen Fasern sowie ausgerichteten kurzge schnittenen Verstärkungsfasern vor dem Ver pressen bzw. dem Erwärmen des thermoplasti schen Materials auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunktes; Figur 2 eine Draufsicht auf das Gelege gemäss Fig. 1; und Figur 3 ein Gelege durch den Verbundwerkstoff nach dem Verpressen bzw. nach der Erwärmung des thermoplastischen Materials auf eine Tempera tur oberhalb dessen Schmelzpunkt und anschlies sendern Pressen. Gemäss Fig. 1 und 2 sind in einem Gelege, das aus einem Gemisch aus kurzgeschnittenen thermoplastischen Fasern und *) oder vor dem kurzgeschnittenen Verstärkungsfasern, beispielsweise nach dem Verfahren der DE-PS 21 63 799 hergestellt worden istfmehrere Schichten vorhanden, die aus ausgerichteten thermoplastischen Kurzfasern 1 und ausgerichteten Ver stärkrngskurzfasern 2 bestehen. Nach dem Verpressen bzw. dem Erwärmen des Geleges auf eine Temperatur, die oberhalb des Schmelzpunkts des thermoplastischen Materials liegt, aus denen die thermoplastischen Kurzfasern 1 bestehen, sind, wie in Fig. 3 gezeigt, die thermoplastischen Kurzfasern 1 zur Matrix 3 aufgeschmolzen worden und in die Matrix 3 die Verstärkungskurzfasern 2 eingebettet.

Claims: PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung von Gelegen, aus denen Verbund werkstoffe aus einer Matrix, die aus thermoplastischem Material besteht, und aus ausgerichteten Verstärkungafasern in der Matrix herstellbar sind, indem das thermoplastische Material zur Bildung der Matrix auf eine Temperatur ober halb dessen Schmelzpunkt erwärmt wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass a) das thermoplastische Material in Form kurzgeschnittener Fasern eingesetzt wird, b) die kurzgeschnittenen thermoplastischen Fasern mit kurzgeschnittenen Verstärkungafasern vermischt werden, und dann c) aus dem Gemisch ein Gelege aus ausgerichteten, kurzge schnittenen thermoplastischen Fasern und ausgerichteten, kurzgeschnittenen Verstärkungafasern gebildet wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die kurzgeschnittenen thermoplastischen Fasern durch Zerschneiden von Monofilamenten gebildet werden. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Mischungsverhältnis der kurzge schnittenen Verstärkungafasern zu den kurzgeschnittenen thermoplastischen Fasern, in dem Verbundwerkstoff bezogen auf das Volumen, mindestens 20:80, höchstens 65:35 beträgt. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verstärkungsfasern einen Durchmesser-von 1 bis 100 p und die thermoplastischen Fasern einen Durchmesser von 1 bis 500 P aufweisen. 5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Verhältnis der Länge zum Durchmesser der kurzgeschnittenen thermoplasti schen Fasern sowie der kurzgeschnittenen Verstärkungafasern 100:1 bis 1000:1 beträgt. 6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass man zur Bildung des Gele ges aus ausgerichteten kurzgeschnittenen thermoplastischen Fasern und ausgerichteten kurzgeschnittenen Verstärkungs fasern das Gemisch aus kurzgeschnittenen thermoplastischen Fasern und kurzgeschnittenen Verstärkungsfasern in einem flüssigen Trägermedium suspendiert, die Suspension zur Aus richtung der Fasern über eine Ablaufrinne strömen lässt, und man- die Suspension dann auf eine poröse Wandung strömen lässt, an der das Trägermedium mittels eines Druckgefälles hindurch tritt und auf der sich die gerichteten kurzgeschnittenen thermoplastischen Fasern und Verstärkungafasern als Gelege ablagern. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die poröse Wandung durch eine rotierende, innen mit Unterdruck beaufschlagte Siebtrommel gebildet wird, auf deren Trommelmantel eine durchlässige Folie oder ein Vlies angeordnet ist, auf der sich die ausgerichteten Fasern ab lagern, worauf das aus den ausgerichteten Fasern aufgebaute Gelege mitsamt der Folie abgenommen und von anhaftenden Resten des Trägermediums gereinigt wird, worauf das Gelege von der Folie abgenommen wird.

Inventors: HERKERT, CLAUS-MICHAEL, DIPL.-ING.
Applicants: MESSERSCHMITT-BOLKOW-BLOHM GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG
Application year: 1982
Main classification: C08J5
IPC codes: B29C70, D04H1, B29C57, C08J5, C08L25, B29K105, B29B15, C08K7, B29B11