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Dokumentenidentifikation DE60106798T2 27.10.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001136216
Titel Faserverstärkte thermoplastische Harzpellets und Verfahren zu dessen Herstellung
Anmelder Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho, Kobe, Hyogo, JP
Erfinder Kadowaki, Ryosaku, Nishi-ku, Hyogo 651-2271, JP;
Hirano, Yasuo, Nishi-ku, Hyogo 651-2271, JP;
Asai, Toshihiro, Nishi-ku, Hyogo 651-2271, JP
Vertreter Müller-Boré & Partner, Patentanwälte, European Patent Attorneys, 81671 München
DE-Aktenzeichen 60106798
Vertragsstaaten DE, ES, FR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 13.03.2001
EP-Aktenzeichen 011054491
EP-Offenlegungsdatum 26.09.2001
EP date of grant 03.11.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.10.2005
IPC-Hauptklasse B29B 9/14

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft faserverstärkte thermoplastische Harzpellets, bei denen als Verstärkungsfasern diskontinuierliche Naturfasern verwendet werden, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung Kraftfahrzeugteile, die unter Verwendung der Pellets hergestellt werden.

In letzter Zeit wurde ein faserverstärktes Harz, bei dem pflanzliche Fasern wie z.B. Holzpulpe, Hanf und Hanfpalme als Verstärkungsfasern verwendet werden, aktiv entwickelt. Heutzutage nimmt das Bewusstsein bezüglich einer Verschmutzung durch Abfälle zu. Der Grund dafür wird nachstehend beschrieben. Eine Naturfaser verursacht selbst dann keine Verschmutzung durch Abfälle, wenn sie zur Deponierung verwendet wird, da es sich um ein umweltfreundliches Material handelt. Wenn eine Naturfaser verbrannt wird, erzeugt sie darüber hinaus eine hohe Verbrennungsenergie, was eine gute Energierückgewinnung ermöglicht, ohne dass eine Sekundärverschmutzung wie z.B. eine Restasche- oder Abgasverschmutzung verursacht wird.

Eine Naturfaser ist jedoch eine diskontinuierliche Faser, die sich von kontinuierlichen Fasern wie z.B. Glasfasern, Kohlefasern, Metallfasern und verschiedenen synthetischen Fasern unterscheidet, die herkömmlich als Verstärkungsfasern für ein faserverstärktes Harz verwendet worden sind. Insbesondere ist eine spezielle Technik zur Herstellung von Formharzpellets erforderlich, die mit einer Naturfaser gemischt sind, welche die Eigenschaften einer langen Faser aufweist. Beispielsweise wird ein kontinuierlicher Faserstrang kontinuierlich in einem Bad mit geschmolzenem Harz imprägniert und stranggezogen und anschließend gekühlt, um das Harz zu verfestigen, und dann zu Pellets mit einer willkürlichen Länge geschnitten. Dieses Verfahren wird verbreitet verwendet, um faserverstärkte Harzpellets kontinuierlich mit hoher Produktivität herzustellen. Selbst wenn diskontinuierliche Naturfasern zu Garnen verdreht werden, ist die Festigkeit der Spinngarne jedoch zur Verarbeitung in einem Bad mit geschmolzenem Harz unzureichend und Spinngarne aus diskontinuierlichen Fasern reißen aufgrund der Freisetzung der diskontinuierlichen Fasern in dem Harzbad häufig, wenn die Spinngarne in dem Bad mit dem geschmolzenen Harz imprägniert und stranggezogen werden. Dies erschwert einen stabilen Betrieb.

Beispielsweise wurden die nachstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Harzpellets unter Verwendung diskontinuierlicher Naturfasern als Verstärkungsfasern beschrieben, jedoch weisen diese Verfahren sowohl Vorteile als auch Nachteile auf.

  • (1) Ein Verfahren, bei dem eine Naturfaser unter Verwendung eines Walzenkneters geknetet wird, um sie homogen in ein geschmolzenes thermoplastisches Harz einzumischen, und dann das Gemisch zum Verfestigen gekühlt wird, und das Produkt zur Bildung von Harzpellets zerkleinert wird (JP-A-108161/1982). Durch den Einsatz dieses Verfahrens wird ein Formmaterial erhalten, in dem diskontinuierliche Fasern homogen in der Harzmatrix dispergiert sind. Das Formmaterial weist jedoch den Nachteil auf, dass die Handhabung, einschließlich im Formverfahren, schwierig ist und die Stabilität der Qualität des Formprodukts aufgrund einer Unregelmäßigkeit bei der Größe des Harzpellets schlecht ist.
  • (2) Ein Verfahren, bei dem diskontinuierliche Fasern zur Bildung eines Spinngarns gesponnen werden, das Spinngarn zur Bildung von Stoffen oder Geweben, Faservliesen oder Fasermatten verarbeitet wird, das verarbeitete Produkt in einem Bad mit geschmolzenem Harz imprägniert und dann zur Verfestigung gekühlt wird, und das gekühlte Produkt zu dem Produkt mit einer geeigneten Konfiguration und Größe geschnitten wird, um Harzpellets zu bilden (JP-A-28307/1983, 7307/1991, 30916/1991 und 41280/1997). Dieses Verfahren ist für Anwendungen geeignet, bei denen das Produkt für ein Sekundärformmaterial verwendet wird, wie z.B. als Harz-imprägnierte Platte. Wenn das Produkt jedoch in Form eines Pellets verwendet wird, wird das Produkt, das gekühlt und verfestigt worden ist, zu Pellets mit einer geeigneten Konfiguration und Größe geschnitten und der Schneidvorgang erfordert viel Arbeit und führt zu einer niedrigen Produktivität. Ferner weist der Schneidvorgang ein Problem eines großen Verlusts auf und Staub, der bei dem Schneidvorgang erzeugt wird, verursacht eine Verschmutzung der Arbeitsumgebung.
  • (3) Ein Verfahren, bei dem ein geschmolzenes Harz und diskontinuierliche Fasern unter Verwendung eines Kneters oder eines Knetextruders geknetet werden und dann das geschmolzene Gemisch extrudiert, gekühlt und unter Bildung eines Stabprodukts verfestigt wird, worauf das Stabprodukt in Pellets mit einer willkürlichen Länge geschnitten wird (JP-A-146945/1987, 146947/1987 und 290453/1991). Dieses Verfahren weist Nachteile dahingehend auf, dass es schwierig ist, eine baumwollartige Faser in einen Knetextruder einzuspeisen, und dass die Verstärkungsfaser einer thermischen Zersetzung unterworfen wird, wenn das Harz zum Schmelzkneten erhitzt wird, und dass die Verstärkungsfaser einer mechanischen Beschädigung aufgrund der Knetkraft unterworfen wird. Als Folge davon ist der Verstärkungseffekt schlecht. Insbesondere da die Wärmezersetzung im Fall von pflanzlichen Fasern wie z.B. Holzpulpe und Leinen üblicherweise bei einem Temperaturbereich von 150 bis 180°C beginnt, muss ein thermoplastisches Harz, das keine derartigen Probleme verursacht, zur Verbundbildung abhängig vom Fasertyp und der Knetzeit ausgewählt werden. Daher ist die Freiheit bei der Auswahl der Harzmatrix eingeschränkt. Da ferner ein solches Harz mit einem niedrigen Schmelzpunkt im Allgemeinen nicht fest ist, ist die Anwendung des faserverstärkten Harzformprodukts natürlich beschränkt.
  • (4) Ein Verfahren, bei dem Verbundfaserstränge gebildet werden, die ein Verstärkungsspinngarn und thermoplastische Harzfasern umfassen, und der Verbundfaserstrang erhitzt wird, um die thermoplastischen Harzfasern zu schmelzen, und gekühlt und verfestigt wird, und das verfestigte Produkt anschließend in Pellets mit einer geeigneten Länge geschnitten wird (JP-A-163002/1992). Um dieses Verfahren einzusetzen wird eine thermoplastische Harzfaser im Vorhinein hergestellt oder ein Mischgarn, das Verstärkungsfasern und thermoplastische Harzfasern enthält, wird hergestellt, das Herstellungsverfahren ist sehr arbeitsaufwändig und dieses Verfahren ist mühsam. Ferner kann eine unzureichende Imprägnierung stattfinden, die abhängig von den Wärmeschmelzbedingungen zum Schmelzen der thermoplastischen Harzfasern Hohlraumdefekte verursacht.
  • (5) Ein Verfahren, bei dem ein Verstärkungsfaserstrang mit einem geschmolzenen thermoplastischen Harz imprägniert, gekühlt und verfestigt wird und dann zu Pellets mit einer geeigneten Länge geschnitten wird (z.B. JP-B-37694/1988, 57407/1994 und JP-A-178411/1989, 119807/1992). Diese Veröffentlichungen beschreiben einen Fall, bei dem Jute (Leinenfaser) als Verstärkungsfaser verwendet werden kann, jedoch sind darin vorwiegend Fälle beschrieben, bei denen kontinuierliche Fasern als Verstärkungsfasern verwendet werden. Diese Veröffentlichungen zeigen keinerlei Probleme, die auftreten, wenn diskontinuierliche Fasern als Verstärkungsfasern mit einem thermoplastischen Harz gemischt werden, um ein Verbundmaterial zu bilden.

Die DE-A-197 11 247 beschreibt die Verwendung von hybriden Vorgarnen aus Naturfasern und niedrigschmelzenden Matrixfasern zur Herstellung langer Faserpellets.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung sind an einer diskontinuierlichen Naturfaser interessiert, die als Verstärkungsfaser unter den vorstehend genannten bekannten Umständen viel Beachtung gefunden hat, und haben eine Technik zur Herstellung von thermoplastischen Harzpellets entwickelt, die mit diskontinuierlichen Fasern verstärkt sind, welche die Probleme herkömmlicher Harzpellets lösen, wie sie vorstehend beschrieben und in dem Herstellungsverfahren des Formens thermoplastischer Harzpellets verursacht worden sind, die aus einem Verbundmaterial bestehen, das Verstärkungsfasern in einem thermoplastischen Harz enthält. Insbesondere müssen alle Probleme in dem kontinuierlichen Herstellungsverfahren, bei der Stabilität der Qualität (homogene Imprägnierung und Verhinderung der Zersetzung einer Verstärkungsfaser) und bei den Festigkeitseigenschaften des Formprodukts gelöst werden.

Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, thermoplastische Harzpellets, die mit diskontinuierlichen Fasern verstärkt sind und welche die Bedingungen für eine kontinuierliche Herstellung, eine Stabilität der Qualität des Formmaterials (homogene Imprägnierung und Verhinderung einer Zersetzung der Verstärkungsfasern) und die Festigkeitseigenschaften des Formprodukts erfüllen, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen.

Erfindungsgemäß werden naturfaserverstärkte thermoplastische Harzpellets bereitgestellt, die ein thermoplastisches Harz und einen Strang umfassen, welcher eine Vielzahl von in einem Bereich von 10 bis 200 Drehungen/m verdrehten Spinngarnen aus Naturfaser umfasst, wobei das Spinngarn im Durchmesser 172,24 × 10–6 kg/m bis 2756 × 10–6 kg/m (Nr. 5 bis 80 Feinheit) ist.

Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung von naturfaserverstärkten thermoplastischen Harzpellets bereitgestellt, umfassend die Schritte: einen Imprägnierschritt zum Imprägnieren einer Vielzahl von Spinngarnen aus Naturfaser, welche im Durchmesser 172,24 × 10–6 kg/m bis 2756 × 10–6 kg/m (Nr. 5 bis 80 Feinheit) sind, in einem Bad mit thermoplastischem Harz, einen Pultrusionsschritt zum Strangziehen der Spinngarne mit Verdrehungen von 10 bis 200 Drehungen/m, um naturfaserverstärktes thermoplastisches Harz zu erhalten, und einen Pelletierschritt zum Pelletieren des naturfaserverstärkten thermoplastischen Harzes.

Darüber hinaus werden aus naturfaserverstärktem thermoplastischen Harz hergestellte Kraftfahrzeugteile bereitgestellt, die unter Verwendung von naturfaserverstärkten thermoplastischen Harzpellets als Formmaterial hergestellt worden sind.

Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den beigefügten Ansprüchen ersichtlich.

Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird in der vorliegenden Erfindung ein geschmolzenes thermoplastisches Harz in die diskontinuierliche Naturfasern imprägniert und die imprägnierte Faser wird stranggezogen und dann zu faserverstärkten thermoplastischen Harzpellets mit einer geeigneten Länge geschnitten. In dem Herstellungsverfahren wird vorteilhaft ein Spinngarn verwendet, das durch Verdrehen von Naturfasern gebildet wird, wobei die Garnfeinheit des Spinngarns spezifiziert ist, eine Mehrzahl von Spinngarnen zur Bildung eines parallel angeordneten Garns parallel angeordnet wird, das parallel gemachte Garn zweckmäßig verdreht und mit einem thermoplastischen Harz imprägniert wird, das imprägnierte Garn stranggezogen und gekühlt und verfestigt wird und dann zu faserverstärkten Harzpellets mit einer geeigneten Länge geschnitten wird. Durch den Einsatz dieses Verfahrens werden lange faserverstärkte thermoplastische Harzpellets, bei denen eine diskontinuierliche Naturfaser als Verstärkungsfaser verwendet wird, kontinuierlich mit hoher Produktivität hergestellt.

Die erfindungsgemäßen faserverstärkten thermoplastischen Harzpellets, die mit diesem Verfahren erhalten werden, sind auf der Basis der Merkmale des vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahrens dahingehend charakteristisch, dass eine Mehrzahl von Spinngarnen aus diskontinuierlichen Fasern, die zweckmäßig verdreht worden sind, in einem thermoplastischen Harz eingebettet ist.

Beispiele für die Naturfaser, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, umfassen Flachs, Ramie, Abaca, Sisal, Jute, Hanf, Kenaf, Boemeria Nipponivea-Faser von japanischer Ramie, Kokosfaser, Baumwolle, Kapokfaser, Hanfpalme, Reisstroh, Weizenstroh, Ananasfaser, Wolle und Seide. Diese Fasern werden einzeln verwendet oder eine Mehrzahl dieser Fasern wird gegebenenfalls in einer Kombination verwendet. Wenn eine Mehrzahl von Naturfasern kombiniert verwendet wird, kann ein Mischgarn verwendet werden, das durch Mischen von Fasern in einem Spinnverfahren gebildet wird, oder ein Mischstrang, der durch Mischen verschiedener Spinngarne in einem Parallelisierungsverfahren gebildet wird. Ferner ist es möglich, eine Mehrzahl von Spinngarnarten zu kombinieren, wenn ein thermoplastisches Harz in eine Mehrzahl von Spinngarnen (Bündel) unter Bildung eines Verbunds imprägniert wird. Ferner ist es möglich, gegebenenfalls eine geringe Menge diskontinuierlicher synthetischer Fasern mit Naturfasern zu mischen.

Die Dicke des Spinngarns, das verwendet wird, beträgt vorzugsweise 172,24 × 10–6 kg/m bis 2756 × 10–6 kg/m (eine Nr. 5 bis 80 Feinheit) (ein Spinngarn mit einem Gewicht von 1 kg und einer Länge von 29029 m weist eine Nr. 1 Feinheit auf), repräsentiert durch eine Jutegarnfeinheit gemäß JIS L0101 (auf der Basis einer gegebenen Länge), wobei im Hinblick auf ein gutes Eindringen des thermoplastischen Harzes vorzugsweise ein dünnes Spinngarn von 241,14 × 10–6 kg/m bis 2756 × 10–6 kg/m (eine Nr. 7 bis 80 Feinheit) oder vorzugsweise von 344,48 × 10–6 kg/m bis 1378 × 10–6 kg/m (eine Nr. 10 bis 40 Feinheit) verwendet wird.

Wenn ein Garn verwendet wird, das dünner ist als 172,24 × 10–6 kg/m (eine Nr. 5 Feinheit), ist die Festigkeit des einzelnen Garns zu gering, um der Zugkraft zu widerstehen und das Garn kann aufgrund der Zugspannung reißen, was Schwierigkeiten bezüglich einer stabilen kontinuierlichen Herstellung verursacht. Wenn andererseits ein Garn verwendet wird, das dicker ist als 2756 × 10–6 kg/m (eine Nr. 80 Feinheit), ist die Imprägnierung des Harzes unzureichend und wenn der imprägnierte Strang unter Verwendung einer Pelletiervorrichtung geschnitten wird, führt die Flusenbildung zu einer verschmutzten Arbeitsumgebung, oder aufgrund der Flusen am Trichter findet eine Verbrückung von Pellets statt, was zu einer schlechten Produktivität des Formprodukts und unzureichenden mechanischen Eigenschaften des Formprodukts führt, wenn das erhaltene Harzpellet verwendet wird.

Als nächstes wird das genaue Herstellungsverfahren beschrieben. Diskontinuierliche Naturfasern werden zur Bildung eines Spinngarns verdreht, eine Mehrzahl von Spinngarnen wird parallel angeordnet, die parallel angeordneten Garne werden durch ein Bad mit geschmolzenem thermoplastischen Harz geführt, in den das von einem Extruder extrudierte thermoplastische harz eingefüllt ist. Die Mehrzahl von Spinngarnen wird in dem Bad mit geschmolzenem thermoplastischen Harz zur Bildung eines Strangs verdreht. In dem Bad mit geschmolzenem thermoplastischen Harz wird das geschmolzene thermoplastische Harz in den Spinngarnstrang imprägniert. Das mit dem thermoplastischen Harz imprägnierte Spinngarn wird durch eine Düse stranggezogen und gekühlt und geschnitten, um faserverstärkte thermoplastische Harzpellets zu bilden, die eine diskontinuierliche Naturfaser mit einer bestimmten Länge enthalten.

Zu diesem Zeitpunkt ist es bevorzugt, die Imprägnierungsdauer von dem Zeitpunkt, bei dem der Spinngarnstrang in das Bad mit geschmolzenem thermoplastischen Harz eintritt, bis zu dem Zeitpunkt, an dem der Spinngarnstrang durch die Düse stranggezogen wird, auf weniger als 10 s oder vorzugsweise weniger als 5 s einzustellen. Wenn die Imprägnierungsdauer übermäßig lang ist, ist auch die Zeitdauer lang, während der die Naturfaser der Wärme in dem Bad mit geschmolzenem thermoplastischen Harz ausgesetzt wird, und es kann eine Wärmezersetzung der Faser verursacht werden. Wenn die Imprägnierungsdauer andererseits übermäßig kurz ist, ist die Imprägnierung nicht ausreichend. Die Zeit beträgt vorzugsweise 0,1 s oder mehr oder noch besser 0,15 s oder mehr.

Während des Verfahrens, bei dem der Spinngarnstrang in dem Bad imprägniert, durch das Bad geführt und aus dem Bad stranggezogen wird, werden die parallel angeordneten Spinngarne mit einer Ganghöhe von 10 bis 200 Drehungen/m, vorzugsweise 15 bis 150 Drehungen/m oder noch besser 20 bis 120 Drehungen/m verdreht. Das geschmolzene thermoplastische Harz dringt aufgrund der zweckmäßigen Verdrehung in den Spinngarnstrang ein und die zweckmäßige Verdrehung führt zu einer guten Imprägnierung. Selbst wenn sich einige Spinngarne partiell ablösen, so dass ein freigesetztes Garn resultiert, werden solche Garne zusammen mit anderen Spinngarnen verdreht, so dass ein Strang gebildet wird. Daher wird der Spinngarnstrang in dem Imprägnierungsbad nicht reißen und stabil stranggezogen, so dass ein harzimprägnierter kontinuierlicher Strang gebildet wird. Das kontinuierliche Herstellungsverfahren wird keine Blockierungsprobleme aufweisen.

Spinngarne können Z-verdrehte Garne oder S-verdrehte Garne sein, gewöhnlich werden jedoch Z-verdrehte Garne verwendet. Wenn in der vorliegenden Erfindung z.B. Z-verdrehte Garne verwendet werden, ist es bevorzugt, dass die parallel angeordneten Z-verdrehten Garne in dem Bad mit geschmolzenem thermoplastischen Harz S-verdreht werden, da Z-verdrehte Garne während des Imprägnierungsvorgangs geringfügig aufgedreht werden und das geschmolzene Harz leicht in den Spinngarnstrang eindringt. Wenn jedoch Spinngarne mit einer geringeren Garnfeinheit verwendet werden, ist es bevorzugt, dass parallel angeordnete Z-verdrehte Garne Z-verdreht werden, um eine ausreichende Festigkeit sicherzustellen, da das Aufdrehen des Spinngarns zu einer unzureichenden Festigkeit führen kann. Diesbezüglich ist es bevorzugt, dass das Z-Verdrehen für Spinngarne mit 172,24 × 10–6 kg/m bis 688,97 × 10–6 kg/m (Nr. 5 bis 20 Feinheit) eingesetzt wird, um die unzureichende Festigkeit zu verbessern, und dass andererseits ein S-Verdrehen für Spinngarne mit 723,41 × 10–6 kg/m bis 2756 × 10–6 kg/m (Nr. 21 bis 80 Feinheit) eingesetzt wird, um das Eindringen zu verbessern.

Der imprägnierte Strang wird stromabwärts nach dem Strangziehen gekühlt, um das imprägnierte thermoplastische Harz zu verfestigen, und dann geschnitten, um faserverstärkte Harzpellets zu bilden, die diskontinuierliche Naturfasern mit einer geeigneten Länge enthalten. Die faserverstärkten Harzpellets, die so erhalten wurden, wie es vorstehend beschrieben worden ist, enthalten ein Naturfaser-Spinngarn und einen verdrehten Strang, der aufgrund der Eigenschaften des Herstellungsverfahrens eine Mehrzahl von Spinngarnen in einer verfestigten thermoplastischen Harzmatrix enthält. Eine solche Verteilung von Naturfasern in Pellets unterscheidet sich von derjenigen von Verstärkungsfasern in bekannten, mit kontinuierlichen langen Fasern verstärkten Harzpellets und in einer anderen Art von faserverstärkten Harzpellets, die durch ein Verfahren gebildet wird, bei dem ein gewebter oder gestrickter Stoff, der unter Verwendung eines Spinngarns mit diskontinuierlichen Fasern gebildet wird, mit einem Harz imprägniert und dann zur Bildung von Harzpellets geschnitten wird.

In den erfindungsgemäßen faserverstärkten Harzpellets ist eine diskontinuierliche Naturfaser in dem Harz doppelt verdreht. Daher ist die Länge der in einem Pellet enthaltenen Naturfaser aufgrund der doppelten Verdrehung bezogen auf die Pelletlänge etwas größer. Daher ist eine vorteilhafte Handhabung von Pellets möglich, die längere Naturfasern als Verstärkungsmaterial enthalten (gewöhnlich verursachen lange Pellets an einem Einfülltrichter im Formverfahren ein Verbrücken).

Wenn die Anzahl der Verdrehungen bei dem vorstehend genannten Imprägnier- und Ziehverfahren weniger als 10 Drehungen/m ist, ist die Verbesserung der Zugfestigkeit aufgrund des Verdrehens unzureichend, kurze Fasern werden von dem Spinngarn freigesetzt und in das Bad mit geschmolzenem Harz eingemischt, so dass ein erhöhter Ziehwiderstand und ein Reißen des Naturfaserspinngarnstrangs verursacht werden. Wenn andererseits die Anzahl der Verdrehungen mehr als 200 Drehungen/m beträgt, ist das Eindringen des Harzes in das Spinngarn unzureichend und führt zu einer schlechten Qualität der faserverstärkten Harzpellets und schlechten Eigenschaften des Formprodukts.

Die Art des thermoplastischen Harzes, das als Harzmatrix in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist nicht speziell beschränkt und es kann ein beliebiges thermoplastisches Harz verwendet werden. Beispielsweise kann ein Polyolefinharz wie Polypropylen (PP), Polyethylen mit hoher Dichte (HDPE), lineares Polyethylen mit niedriger Dichte (LLDPE), Polyethylen mit niedriger Dichte (LDPE); ein Polyamidharz wie Polyamid 4, Polyamid 6, Polyamid 66, Polyamid 6, Polyamid 10, Polyamid 11, Polyamid 12 und ein aromatisches Polyamid; ein Polyesterharz wie Polyethylenterephthalat (PET) und Polybutylenterephthalat (PBT); ein Polycarbonatharz; ein Polystyrolharz; ein Acrylharz; ein ABS-Harz; ein PPS-Harz; ein POM-Harz in Form von Homopolymeren oder Copolymeren oder in Form von Mischpolymeren verwendet werden, die zwei oder mehr Polymere enthalten. Das thermoplastische Harz, das verwendet werden soll, kann unter Berücksichtigung der erforderlichen Eigenschaften des faserverstärkten Harzformprodukts, das als Endprodukt erhalten wird, beliebig ausgewählt werden.

Da jedoch in der vorliegenden Erfindung, in der Naturfasern als Verstärkungsfasern verwendet werden, die Naturfasern thermisch zersetzt und abgebaut werden, wenn die Naturfasern während des Formens einer hohen Temperatur ausgesetzt werden, was zu einer beschädigten Verstärkungsfunktion des Materials führt, ist es bevorzugt, ein thermoplastisches Harz mit einer Schmelz- oder Erweichungstemperatur von weniger als 220°C, mehr bevorzugt von weniger als 220°C und insbesondere von weniger als 180°C einzusetzen.

Von den vorstehend genannten thermoplastischen Harzen kann im Hinblick auf die Ausgewogenheit zwischen den Produkteigenschaften und den Kosten ein Polyolefinharz wie Polypropylen (PP), Polyethylen mit hoher Dichte (HDPE), lineares Polyethylen mit niedriger Dichte (LLDPE), Polyethylen mit niedriger Dichte (LDPE), ein Polymer aus einem &agr;-Olefin wie 1-Buten, 1-Hexen und 1-Octen oder ein Copolymer dieser Olefine, ein modifiziertes Polyolefinharz, das mit einer ungesättigten Carbonsäure oder Derivaten davon modifiziert ist; ein Ethylen-Vinylacetat-Harz (EVA); oder Mischharze verwendet werden, die zwei oder mehr der vorstehend genannten Polymere enthalten.

Beispiele für die vorstehend genannte ungesättigte Carbonsäure oder Derivate davon, die zur Modifizierung verwendet werden, umfassen Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Itaconsäure, Fumarsäure, Ester dieser Säuren, Maleinsäureanhydrid und Itaconsäureanhydrid. Von diesen Substanzen ist es bevorzugt, Maleinsäureanhydrid und Glycidylmethacrylat zu verwenden.

Dem thermoplastischen Harz können verschiedene modifizierte Harze zugesetzt werden, die mit Naturfasern und dem thermoplastischen Harz verträglich sind, um die Haftung an der Naturfaser zu verbessern. Effektive Beispiele des modifizierten Harzes umfassen bezüglich eines Polyolefinharzes z.B. ein Polyolefin, das mit Maleinsäureanhydrid modifiziert ist, ein Polyolefin, das mit Oxazolin modifiziert ist, und ein Polyolefin, das mit Glycidylmethacrylat modifiziert ist. Die Eigenschaften des Formprodukts können durch Zugeben einer angemessenen Menge dieser Substanzen weiter verbessert werden. Die bevorzugte Zugabemenge des modifizierten Polyolefinharzes beträgt 0,1 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 bis 12 Gew.-% und insbesondere 0,5 bis 10 Gew.-%.

Abhängig von der Anwendung des Formprodukts und den erforderlichen Eigenschaften kann bzw. können dem vorstehend beschriebenen thermoplastischen Harz ein anorganischer Füllstoff oder verschiedene Zusätze zugesetzt werden. Beispiele für den anorganischen Füllstoff umfassen Talk, Calciumcarbonat, Calciumhydroxid, Bariumsulfat, Glimmer, Calciumsilikat, Ton, Kaolin, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Wollastonit, Magnesiumcarbonat, Magnesiumhydroxid, Titanoxid, Zinkoxid und Zinksulfid. Diese Materialien können gegebenenfalls einzeln oder in einer Kombination verwendet werden.

Beispiele für verschiedene Zusätze umfassen Dispergiermittel, Gleitmittel, flammenhemmende Mittel, Antioxidationsmittel, Antistatikmittel, Lichtschutzmittel, UV-Absorptionsmittel, Ruß, Kristallisationsbeschleuniger (Keimbildner), Weichmacher, Wasserabsorptionsmittel, Pigmente und Farbstoffe. Diese Materialien können einzeln oder in einer Kombination verwendet werden.

Die Pelletlänge des erfindungsgemäßen faserverstärkten thermoplastischen Harzpellets ist nicht speziell beschränkt, jedoch wird im Hinblick auf die Formbarkeit und die Eigenschaften des Formprodukts vorzugsweise eine Pelletlänge von 2 bis 24 mm verwendet. Eine Pelletlänge von weniger als 2 mm führt zu einem Formprodukt mit unzureichenden Eigenschaften aufgrund der geringen Faserlänge der Verstärkungsfaser. Andererseits verursacht eine Pelletlänge von mehr als 24 mm während des Formverfahrens ein Verbrücken an einem Einfülltrichter und führt zu Schwierigkeiten beim Formverfahren. Im Hinblick auf diese Vorteile und Nachteile beträgt die Pelletlänge vorzugsweise 3 bis 18 mm und mehr bevorzugt 3 bis 15 mm.

Der Pelletdurchmesser ist nicht speziell beschränkt, liegt jedoch im Hinblick auf die Produktivität und die Handhabung der Pellets während des Formverfahrens im Bereich von 1 bis 5 mm, vorzugsweise von 2 bis 4 mm.

Die bevorzugte Beziehung zwischen der Pelletlänge (L) und dem Pelletdurchmesser (D) wird durch das Seitenverhältnis angegeben. Bevorzugte L/D-Werte liegen im Bereich von 1 bis 6. Ein L/D-Wert von weniger als 1 führt zu einem vertikalen Brechen des Pellets während des Pelletierens, was zu einer Flusenbildung der Verstärkungsnaturfaser und zu Schwierigkeiten bei der Handhabung führt. Andererseits führt ein L/D-Wert von mehr als 6 nicht nur zu einer verminderten Pelletproduktivität, da das Pellet zu lang und dünn ist, sondern auch zu einem Brechen des Pellets aufgrund eines Blockierens von Pellets in einer Schnecke, wenn diese zum Spritzgießen verwendet werden. Die Verstärkungsnaturfaser wird aufgrund des Brechens verkürzt und das Brechen führt zu schlechten mechanischen Eigenschaften des Formprodukts. Im Hinblick auf die vorstehenden Erläuterungen liegt der bevorzugte L/D-Wert im Bereich von 2 bis 5.

Die Naturfaser, die in der vorliegenden Erfindung als Verstärkungsfaser verwendet wird, neigt im Allgemeinen bei einer Temperatur von 150°C oder höher zu einer thermischen Zersetzung, obwohl dies von der Art der Naturfaser abhängt. Daher ist es bevorzugt, dass auf eine Verhinderung der thermischen Zersetzung der Naturfaser geachtet wird, wenn ein thermoplastisches Harz mit einem hohen Schmelzpunkt oder Erweichungspunkt verwendet wird. Eine niedrige Temperatur des geschmolzenen Harzes ist bevorzugt, wenn das thermoplastische Harz in Naturfasern imprägniert wird, und eine geeignete Temperatur sollte im Hinblick auf die Ausgewogenheit zwischen dem Eindringen des Harzes in die Naturfaser und die Schmelzviskosität des Harzes ausgewählt werden, welche die Ziehgeschwindigkeit des Strangs (faserverstärkter Harzstrang, der mit einem Harz imprägniert ist) beeinflusst.

Wenn ein thermoplastisches Harz ausgewählt wird, wird ein thermoplastisches Harz mit einer Schmelzviskosität ausgewählt, die zum Imprägnieren in einen Naturfaserstrang geeignet ist, und das thermoplastische Harz wird auf eine ausreichend hohe Temperatur im erlaubten Bereich erhitzt, so dass die Schmelzviskosität ausreichend niedrig wird. Ferner sollte die Art des thermoplastischen Harzes im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften des Formprodukts ausgewählt werden. Beispielsweise liegt der Schmelzindex (MFR: 230°C, 21,17 N (2,16 kgf)) im Fall eines Polypropylenharzes im Bereich von 10 g/10 min bis 200 g/10 min, vorzugsweise im Bereich von 20 g/10 min bis 150 g/10 min und insbesondere im Bereich von 30 g/10 min bis 100 g/10 min. Die Temperatur des geschmolzenen Harzes liegt im Bereich von 230 bis 280°C, vorzugsweise im Bereich von 240 bis 260°C und insbesondere im Bereich von 245 bis 255°C.

Ein MFR des Polypropylenharzes unter dem vorstehend genannten Bereich führt zu einer verminderten Produktivität von Pellets, die Naturfasern enthalten, und zu einer unzureichenden Imprägnierung des Harzes in die Naturfasern, obwohl die Pellets hergestellt werden können. Dabei werden die Naturfasern teilweise von den erhaltenen Harzpellets freigesetzt, was zu einer schlechten Handhabung und zu einer unzureichenden Dispergierung der Naturfaser in der Harzmatrix bei der Herstellung des Formprodukts führt und die Streuung der Eigenschaften wird signifikant. Andererseits führt ein MFR über dem vorstehend genannten Bereich zu dem Nachteil einer schlechten Materialleistung wie z.B. einer schlechten Festigkeit, einem schlechten Modul und einer schlechten Wärmebeständigkeit.

Der bevorzugte Gehalt der Naturfasern in dem thermoplastischen Harz beträgt erfindungsgemäß 10 bis 65 Vol.-% und mehr bevorzugt 12 bis 60 Vol.-%. Wenn der Gehalt an Naturfasern kleiner als 10 Vol.-% ist, ist die absolute Menge an Naturfasern unzureichend und die Funktion der Eigenschaftsverstärkung ist unzureichend. Wenn der Gehalt an Naturfasern andererseits höher als 65 Vol.-% ist, besteht eine Tendenz dahingehend, dass die Imprägnierung des Harzes in die Naturfasern unzureichend ist und dass die Naturfasern von den Harzpellets freigesetzt werden, wodurch ein Problem bei der Handhabung und ein Problem des Verbrückens an einem Teil eines Einfülltrichters einer Spritzgießmaschine verursacht werden. Ferner verursacht ein hoher Gehalt an Naturfaser eine unzureichende Dispergierung von Verstärkungsfasern in dem Formprodukt und die Streuung von Eigenschaften wird signifikant.

Wenn die erfindungsgemäßen Harzpellets als Formmaterial verwendet werden, kann ein Verfahren eingesetzt werden, bei dem Verbundharzpellets mit einem hohen Gehalt an Verstärkungsfasern, die als Masterbatch verwendet werden, mit Harzpellets trocken gemischt werden, die aus dem gleichen Harz wie die Harzmatrix der Verbundharzpellets oder aus einem davon verschiedenen Harz gebildet sind, das mit der Harzmatrix des Verbundharzes verträglich ist, um den Gehalt an Verstärkungsfasern auf den gewünschten Wert einzustellen.

Die erfindungsgemäßen Harzpellets werden zweckmäßig zur Herstellung von Kraftfahrzeugteilen (beispielsweise Innenverkleidungen) verwendet, durch die eine große Abfallmenge erzeugt wird. Die Kraftfahrzeugteile, die gemäß der vorstehenden Beschreibung erhalten werden, weisen eine hervorragende Festigkeit auf und unterstützen bei der Verminderung einer Verschmutzung durch Abfall.

Beispiel

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Beispiele detailliert beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die nachstehenden Beispiele beschränkt und kann modifiziert werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, und diese Modifizierungen sind vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.

Beispiel

100 Gewichtsteile eines Homo-Polypropylenharzes mit einer Dichte von 0,91 g/cm3, einem MFR (230°C, 21,17 N (2,16 kgf)) von 60 g/10 min und einem Schmelzpunkt von 165°C wurden mit 3 Gewichtsteilen eines Maleinsäureanhydrid-modifizierten Polypropylenharzes [ein Produkt von Sanyo Kasei Kogyo, Markenname: Umex 1001] mit einer Säurezahl von 26 mg KOH/g, einer Dichte von 0,95 g/cm3 und einem Molekulargewicht von 40000 (Gewichtsmittel des Molekulargewichts, bestimmt mittels GPC) gemischt, um Mischharzpellets zu bilden.

Ein Jute-Spinngarn mit 103,34 × 10–6 kg/m, 241,14 × 10–6 kg/m, 516,72 × 10–6 kg/m, 1240 × 10–6 kg/m, 2067 × 10–6 kg/m und 3445 × 10–6 kg/m (Nr. 3, 7, 15, 36, 60 und 100 Feinheit) des ersten Typs D, der in JIS L2401 spezifiziert ist, wurde als Naturfaser verwendet.

Ein Spinngarnstrang wurde in einem Bad imprägniert, das ein geschmolzenes Harz enthielt, das durch Schmelzen der vorstehend genannten Harzpellets bei 250°C erhalten wurde, wobei der Spinngarnstrang unter den in der Tabelle 1 angegebenen Bedingungen verdreht und mit einer Anlagengeschwindigkeit von 15 m/min stranggezogen wurde (die Harzbaddurchlaufzeit des Spinngarns betrug etwa 0,8 s). Das erhaltene faserverstärkte Harz wurde gekühlt und verfestigt und auf eine Länge von 9 mm geschnitten. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wurden faserverstärkte Harzpellets mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Länge von 9 mm hergestellt und eine einstündige kontinuierliche Herstellung (Strangziehen eines Strangs) wurde bewertet. Ferner wurde der Imprägnierungsgrad des Harzes in das faserverstärkte Harzpellet durch visuelle Untersuchung bewertet und auch die Freisetzung von Fasern von dem Querschnitt jedes Pellets wurde untersucht, um den Imprägnierungsgrad zu bewerten. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 angegeben.

Harzimprägnierung

☉: Es liegt ein nicht-imprägnierter Abschnitt vor und es tritt keine Freisetzung von Fasern von dem Querschnitt auf.

&shwhcir;: Es liegt offensichtlich ein nicht-imprägnierter Abschnitt vor, jedoch tritt eine geringfügige Freisetzung von Fasern von dem Querschnitt auf.

x: Ein nicht-imprägnierter Abschnitt ist offensichtlich und es tritt eine beträchtliche Freisetzung von Fasern von dem Querschnitt auf.

Alle in der Tabelle 1 angegebenen Beispiele erfüllen die Bedingungen, die in der vorliegenden Erfindung spezifiziert sind. Der Strang war während eines einstündigen kontinuierlichen Betriebs nicht gerissen, faserverstärkte Harzpellets wurden glatt hergestellt und die Harzimprägnierung der erhaltenen Pellets war gut. Andererseits war der Strang in den Vergleichsbeispielen 1 und 4, bei denen ein Naturfaserspinngarn mit einer unzureichenden Garnfeinheit verwendet wurde, aufgrund der unzureichenden Festigkeit des Spinngarnstrangs, die nicht ausreichend war, um der Imprägnierzugkraft zu widerstehen, gerissen und der kontinuierliche Betrieb wurde unterbrochen, obwohl die Harzimprägnierung gut war. In den Vergleichsbeispielen 2, 3 und 6, bei denen ein Naturfaserspinngarn mit einer übermäßig großen Garnfeinheit verwendet wurde, ergab sich eine unzureichende Harzimprägnierung.

Im Vergleichsbeispiel 5, bei dem ein Spinngarn mit einer geeigneten Garnfeinheit verwendet wurde, der Spinngarnstrang jedoch während des Imprägniervorgangs nicht verdreht wurde, war der Strang gerissen. Wenn der Spinngarnstrang andererseits übermäßig verdreht wurde (Vergleichsbeispiel 7), zeigte sich deutlich eine unzureichende Harzimprägnierung, obwohl die Stabilität des Imprägniervorgangs hervorragend war.

Eine flache Platte mit einer Dicke von 3,2 mm, einer Breite von 100 mm und einer Länge von 200 mm wurde unter Verwendung einer Spritzgießmaschine (Japan Steel Works, Markenname: „JSW J200SA") wurde bei einer Harztemperatur von 180°C und einer Formwerkzeugtemperatur von 50°C unter Verwendung der in dem vorstehend beschriebenen Beispiel 1 erhaltenen faserverstärkten Harzpellets als Formmaterial hergestellt. Die Biegeeigenschaften und die Schlagzähigkeitseigenschaften wurden gemäß dem nachstehend beschriebenen Messverfahren getestet und es wurden die in der Tabelle 2 angegebenen Ergebnisse erhalten.

Als Referenzbeispiel wurde eine flache Platte mit der gleichen Größe, wie sie vorstehend beschrieben worden ist, mit einem Verfahren hergestellt, bei dem 20% Glasfasern, die so behandelt worden sind, dass sie zweckmäßig für ein Polypropylenharz verwendet werden können, mit einem Polypropylenharz gemischt wurden, das mit dem vorstehend beschriebenen Polypropylenharz identisch war und als Harzmatrix diente, und das Mischharzmaterial wurde zur Herstellung von glasfaserverstärkten Polypropylenharzpellets unter Verwendung eines Knetextruders verwendet, und die Harzpellets wurden als Formmaterial zur Herstellung der flachen Platte verwendet. Die flache Platte wurde dem gleichen Test unterworfen, wie er in der Tabelle 1 angewandt worden ist.

Bewertungsverfahren
Tabelle 2

Die vorliegende Erfindung weist den vorstehend beschriebenen Aufbau auf, wobei eine diskontinuierliche Naturfaser, die zur Verwendung als Verstärkungsfaser Beachtung erlangt hat, verwendet wird, und faserverstärkte thermoplastische Harzpellets, welche die Stabilität der Qualität eines Formmaterials (homogene Imprägnierung, Verhinderung einer Zersetzung der Verstärkungsfasern) und die Festigkeitsleistung des Formprodukts erfüllen, kontinuierlich mit hervorragender Produktivität hergestellt werden können.

Die vorliegende Erfindung wurde bezüglich bevorzugter Ausführungsformen beschrieben. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass es viele Variationen solcher Ausführungsformen gibt. Solche Variationen sollen innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung und den beigefügten Ansprüchen liegen.


Anspruch[de]
  1. Naturfaserverstärkte thermoplastische Harzpellets, umfassend ein thermoplastisches Harz und einen Strang, welcher eine Vielzahl von in einem Bereich von 10 bis 200 Drehungen/m verdrehten Spinngarnen aus Naturfaser umfaßt, wobei das Spinngarn im Durchmesser 172,24 × 10–6 kg/m bis 2.756 × 10–6 kg/m (Nr. 5 bis 80 Feinheit) ist.
  2. Verfahren zur Herstellung von naturfaserverstärkten thermoplastischen Harzpellets, umfassend die Schritte:

    einen Imprägnierschritt zum Imprägnieren einer Vielzahl von Spinngarnen aus Naturfaser, welche im Durchmesser 172,24 × 10–6 kg/m bis 2.756 × 10–6 kg/m (Nr. 5 bis 80 Feinheit) sind, in einem Bad mit thermoplastischem Harz,

    einen Pultrusionsschritt zum Strangziehen der Spinngarne mit Verdrehungen von 10 bis 200 Drehungen/m, um naturfaserverstärktes thermoplastisches Harz zu erhalten, und

    einen Pelletierschritt zum Pelletieren des naturfaserverstärkten thermoplastischen Harzes.
  3. Verwendung der naturfaserverstärkten thermoplastischen Harzpellets nach Anspruch 1 als die Formmasse zur Herstellung eines aus naturfaserverstärktem Harz hergestellten Kraftfahrzeugteils.
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