DE69824793T2

DE69824793T2 - Geformter Gegenstand aus faserverstärktem thermoplastischem Harz

Info

Publication number: DE69824793T2
Application number: DE69824793T
Authority: DE
Inventors: Takeo Takatsuki-shi Kitayama; Shigeyoshi Osaka-shi Matsubara
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 1997-07-15
Filing date: 1998-07-13
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2018-07-14
Also published as: DE69824793D1; JPH1135701A; EP1260347A2; KR19990013726A; US6159408A; EP1260347A3; EP0893228B1; EP0893228A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen geformten Gegenstand bzw. Formartikel aus faserverstärktem thermoplastischem Harz bzw. Thermoplastmaterial.
Mit Fasern, z. B. Glasfasern, verstärkte Formartikel aus Thermoplastharz sind bekannt. Außerdem ist ein Verfahren zum Herstellen eines Formartikels aus faserverstärktem Thermoplastharz bekannt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Kneten des Thermoplastharzes im geschmolzenen Zustand (Schmelzkneten) mit den Verstärkungsfasern in einem Extruder, um Pellets aus faserverstärktem Thermoplastharz herzustellen, wobei die Verstärkungsfasern im Thermoplastharz enthalten sind; Zuführen der Pellets in einen Injektor, um sie erneut zu schmelzen und zu kneten, um ein geknetetes Material herzustellen; und Zuführen des gekneteten Materials in eine Form zum Herstellen eines vorgegebenen Formartikelss aus dem Material. Als Verfahren zum Herstellen der Pellets aus dem faserverstärkten Thermoplastharz durch Schmelzkneten des Thermoplastharzes mit den Verstärkungsfasern ist ein Verfahren bekannt, das die Schritte aufweist: Bereitstellen eines Extruders mit einer ersten Öffnung zum Aufnehmen des Thermoplastharzes und einer stromabwärtsseitig von der ersten Öffnung angeordneten zweiten Öffnung zum Aufnehmen der Verstärkungsfasern; Zuführen des Thermoplastharzes über die erste Öffnung in den Extruder, um es in einem Schmelzbereich des Extruders zu plastifizieren; Hinzufügen der Verstärkungsfasern zum Thermoplastharz, das die zweite Öffnung er reicht hat, über die zweite Öffnung; Kneten des plastifizierten Thermoplastharzes und der Verstärkungsfasern in einem Abschnitt des Extruders zwischen der zweiten Öffnung und dem Auslaß des Extruders; und Herstellen von Pellets aus dem gekneteten Material. Bei diesem Verfahren besteht jedoch ein Problem darin, daß eine große Vorrichtung mit einer komplexen Struktur erforderlich ist, weil der Extruder die Öffnung zum Aufnehmen des Thermoplastharzes und die davon getrennte Öffnung zum Aufnehmen der Verstärkungsfasern aufweist. Außerdem ist das vorstehend erwähnte Verfahren, in dem die zuvor erzeugten Pellets aus dem faserverstärkten Thermoplastharz erneut im Extruder geschmolzen und geknetet werden, dahingehend problematisch, daß durch die Verwendung des durch das Verfahren hergestellten gekneteten Materials normalerweise ein Formartikel aus dem faserverstärkten Thermoplastmaterial erhalten wird, der Fasern mit einer sehr kurzen Länge enthält und unerwünschte mechanische bzw. physikalische Eigenschaften aufweist, weil das Material im Extruder und getrennt davon im Injektor, also insgesamt zweimal, geknetet wird.
Es sind auch verschiedene Verfahren zum Herstellen eines Formartikels aus faserverstärktem Thermoplastharz ohne die Verwendung der Pellets aus dem faserverstärkten Thermoplastharz bekannt. In der JP-A-2-153714 wird beispielsweise ein Verfahren beschrieben, das die Schritte aufweist: Bereitstellen eines Injektors mit einer ersten Öffnung zum Aufnehmen des Thermoplastharzes und einer stromabwärtsseitig von der ersten Öffnung angeordneten zweiten Öffnung zum Aufnehmen der Verstärkungsfasern; Zuführen des Thermoplastharzes über die erste Öffnung in den Injektor, um es in einem Schmelzbereich des Injektors zu schmelzen; Zuführen der Verstärkungsfasern über die zweite Öffnung in den Injektor; Kneten des geschmolzenen Thermoplastharzes und der Verstär kungsfasern im Injektor; und direktes Zuführen des gekneteten Materials in eine Form, um einen Formartikel daraus herzustellen. In der JP-A-6-8278 wird ein Verfahren beschrieben, das die Schritte aufweist: Bereitstellen eines Injektors mit einer einzelnen Öffnung zum Aufnehmen von Roh- oder Ausgangsmaterialien; gleichzeitiges Zuführen sowohl der Verstärkungsfasern als auch des Thermoplastharzes über die Öffnung in den Injektor; Kneten der Materialien im Injektor; und direktes Zuführen der gekneteten Materialien in eine Form, um einen Formartikel daraus herzustellen. Die mechanischen bzw. physikalischen Eigenschaften, z. B. die Schlagfestigkeit, der Formartikel, die aus dem durch das vorstehende Verfahren erhaltenen faserverstärrkten Thermoplastharz hergestellt werden, sind jedoch nicht immer zufriedenstellend, weil der Formartikel lediglich Verstärkungsfasern mit einer Länge von höchstens 400–500 μm enthält.
Die US-A-3577494 betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines extrudierbaren Kunstharzmaterials. Es wird eine verbesserte Zufuhr eines granulatförmigen Kunstharzmaterials in Schneckenextrudern erhalten, und das Brechen der Fasern wird wesentlich reduziert, indem zerhackte Glasfasern und extrudierbares Harz in einem Extruder mit einer Schraube mit größerem Arbeitsvolumen gemischt werden. Das Produkt hat eine deutlich erhöhte Schlagfestigkeit.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Formartikel aus faserverstärktem Thermoplastmaterial bereitzustellen, wobei der Formartikel ausgezeichnete mechanische bzw. physikalische Eigenschaften, wie z. B. Schlagfestigkeit, besitzt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Eine Ausführungsform kann ein Formartikel aus faserverstärktem Thermoplastmaterial sein, der die Verstärkungsfa sern in einem Verhältnis einer auf das Gewicht bezogenen mittleren Länge zu einer auf die Anzahl bezogenen mittleren Länge von mindestens 1,1 enthält. Eine andere Ausführungsform kann ein Formartikel aus faserverstärktem Thermoplastmaterial sein, wobei der Anteil der Verstärkungsfasern innerhalb eines Bereichs von etwa 20 Gew.-% bis etwa 75 Gew.-% liegt. Eine noch anderen Ausführungsform kann ein Formartikel aus faserverstärktem Thermoplastmaterial sein, der Verstärkungsfasern mit einem Durchmesser von etwa 6 μm bis etwa 25 μm aufweist.
Nachstehend wird der Formartikel aus faserverstärktem Themoplastmaterial als "faserverstärkter Formartikel" bezeichnet.
1 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Beispiels einer zum Herstellen des erfindungsgemäßen faserverstärkten Formartikels verwendbaren Maschine;
2 zeigt eine Beziehung zwischen einer Roving-Schneidvorrichtung und der Zuführwalzen, die in 1 dargestellt sind;
3 zeigt ein Diagramm zum Darstellen einer spezifischen Struktur einer in 1 dargestellten Zufuhr-/Dosiervorrichtung;
4 zeigt ein Diagramm eines in 1 dargestellten Schnecken-Injektors;
5 zeigt Ablaufdiagramme eines Beispiels eines zum Herstellen des erfindungsgemäßen faserverstärkten Formartikels verwendbaren Verfahrens; und
6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines erfindungsgemäßen faserverstärkten Formartikels.
Das erfindungsgemäß verwendete Thermoplastmaterial kann ein für herkömmliche Formungsverfahren, z. B. Spritzgießen, Spritz-Preßgießen, Stranggießen und Prägeformen, geeignetes Thermoplastmaterial sein. Beispiele solcher Thermoplastmaterialien sind Thermoplastharze, wie beispielsweise Polyolefine, z. B. Polyethylen und Polypropylen, Polystyrol, Polycarbonat, Acrylnitril-Styrol-Butadien-Blockcopolymer, Thermoplastelastomere, wie beispielsweise Ethylen-Propylen-Blockcopolymer und Styrol-Butadien-Blockcopolymer; und thermoplastische Polymerlegierungen.
Das Thermoplastmaterial kann Zusatzstoffe enthalten, die üblichererweise bei der Verarbeitung von Thermoplastmaterialien verwendet werden, wie beispielsweise Füllstoffe, z. B. Talk, Pigmente, Antistatikmittel und Antioxydantien.
Die erfindungsgemäß verwendeten Verstärkungsfasern sind nicht eingeschränkt, insofern sie in der Lage sind, das Thermoplastmaterial zu verstärken, und können Fasern sein, die zum Verstärken von Thermoplastmaterialien üblicherwiese verwendet werden, wie beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aluminiumoxidfasern und Aramidfasern.
Eine auf das Gewicht bezogene mittlere Länge der im erfindungsgemäßen faserverstärkten Formartikel enthaltenen Verstärkungsfasern beträgt etwa 2 mm oder mehr und vorzugsweise etwa 2 mm bis etwa etwa 50 mm. Ein faserverstärkter Formartikel, der Verstärkungsfasern mit einer derartigen auf das Gewicht bezogenen mittleren Länge enthält, hat ausgezeichnete mechanische bzw. physikalische Eigenschaften, wie z. B. Schlagfestigkeit. Die auf das Gewicht bezogene mittlere Länge der im faserverstärkten Formartikel enthaltenen Verstärkungsfasern kann durch folgendes Verfahren bestimmt werden. Ein vom faserverstärkten Formartikel geschnittenes Stück wird in einer direkten Flamme verbrannt, um das Thermoplastmaterial zu entfernen. Etwa 130 bis 150 Fasern werden zufällig gesammelt, um sowohl das Gewicht als auch die Länge jeder Faser zu messen. Basierend auf dem gemessenen Gewicht und der gemessenen Länge wird die auf das Gewicht bezogene mittlere Länge der Verstärkungsfasern gemäß der folgenden Gleichung (1) berechnet Lw = Σ(Li × Wi)/ΣWi (1)wobei L_w eine auf das Gewicht bezogene mittlere Länge (mm) der Verstärkungsfasern bezeichnet. L_i und W_i bezeichnen eine Länge (mm) bzw. ein Gewicht (g) der i-ten Faser. Der erfindungsgemäße faserverstärkte Formartikel mit einem Verhältnis der auf das Gewicht bezogenen mittleren Länge zu der auf die Anzahl bezogenen mittleren Länge von etwa 1,1 oder mehr, vorzugsweise von etwa 1,1 bis etwa 2, hat eine ausgezeichnete Schlagfestigkeit und ein ausgezeichnetes Erscheinungsbild. Die auf die Anzahl bezogene mittlere Länge der Verstärkungsfasern kann gemäß der folgenden Gleichung (2) bestimmt werden: Ln = Σ(Li × Ni)/ΣNi (2)wobei L_n die auf die Anzahl bezogene mittlere Länge (mm) der Verstärkungsfasern und N_i die Anzahl der Verstärkungsfasern mit einer Länge von L_i (mm) bezeichnet. Der Anteil der Verstärkungsfasern im faserverstärkten Formartikel ist nicht besonders eingeschränkt, er liegt hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des faserverstärkten Formartikels jedoch vorzugsweise im Bereich von etwa 20 Gew.-% bis etwa 75 Gew.-%. Außerdem enthält der faserverstärkte Formartikel vorzugsweise Verstärkungsfasern mit einem Durchmesser von etwa 6 μm bis etwa 25 μm.
Der erfindungsgemäße faserverstärkte Formartikel kann durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten hergestellt werden:
Bereitstellen einer Formmaschine mit einer Plastifizierungsvorrichtung, die eine Öffnung zum Aufnehmen von Roh- oder Ausgangsmaterialien aufweist, einer Vorrichtung zum Zu führen der Roh- oder Ausgangsmaterialien zur Plastifiziervorrichtung und einer Formvorrichtung mit einem Hohlraum;
gleichzeitiges Zuführen des Thermoplastmaterials in einem festen Zustand und der Verstärkungsfaasern mit einer Länge von etwa 3 mm bis etwa 50 mm über die Öffnung von der Zufuhrvorrichtung in die Plastifiziervorrichtung;
Schmelzen des Thermoplastmaterials und Kneten des Thermoplastmaterials und der Verstärkungsfasern in der Plastifiziervorrichtung, um ein geknetetes Material zu erzeugen, das das Thermoplastmaterial und die Verstärkungsfasern aufweist;
Zuführen des gekneteten Materials von der Plastifiziervorrichtung zur Formvorrichtung; und
Formen des gekneteten Materials im Hohlraum zu einem Formartikel. Nachstehend wird die in der Plastifiziervorrichtung vorgesehene Öffnung zum Aufnehmen der Roh- oder Ausgangsmaterialien als Materialzufuhröffnung bezeichnet.
Die Größe und die Form des Thermoplastmaterials im festen Zustand sind nicht eingeschränkt, insofern es der Plastifiziervorrichtung zugeführt und geknetet werden kann. Erfindungsgemäß kann normalerweise Thermoplastmaterial in der Form von Pellets, Granulaten oder Pulvern verwendet werden.
Die Form der der Plastifiziervorrichtung zuzuführenden Verstärkungsfasern ist nicht besonders eingeschränkt, insofern sie eine Länge von etwa 3 mm bis etwa 50 mm aufweisen. Vorzugsweise werden zerhackte Faserstränge verwendet, die durch Schneiden eines Faserstrangs (eines kontinuierlichen Strangs) hergestellt werden, der mehrere hundert oder mehrere tausend Monofilamente mit einem Durchmesser von etwa 6 μm bis etwa 25 μm enthält, die durch ein Bindemittel in einer Länge von etwa 3 mm bis etwa 50 mm gebündelt sind. Erfindungsgemäß können entweder zerhackte Faserstränge verwendet werden, die zuvor geschnitten worden sind und dann gelagert wurden, oder es können zerhackte Faserstränge verwendet wer den, die durch eine in der Nähe der Materialzufuhröffnung der Plastifiziervorrichtung angeordnete Roving-Schneidvorrichtung direkt in die vorgegebene Länge geschnitten werden. Die mit einer Roving-Vorrichtung zu bearbeitenden Faserstränge werden vorzugsweise mit einem Oberflächenhaftmittel behandelt, um die Haftfestigkeit ihrer Oberfläche bezüglich des Thermoplastmaterials zu erhöhen. Die Art des Oberflächenhaftmittels kann im wesentlichen abhängig von der Art des verwendeten Thermoplastmaterials geeignet ausgewählt werden.
Vorzugsweise wird ein modifiziertes Thermoplastmaterial verwendet, das sich mit den Verstärkungsfasern so verbinden kann, daß eine feste Verbindung zwischen dem Thermoplastmaterial und den Verstärkungsfasern erhalten wird. Außerdem wird vorzugsweise ein Modifiziermittel, das dazu dient, das Thermoplastmaterial so zu modifizieren, daß es sich mit den Verstärkungsfasern verbinden kann, der Plastifiziervorrichtung zusammen mit dem Thermoplastmaterial und den Verstärkungsfasern zugeführt. Beispielsweise wird in Fällen, in denen Polypropylen und Glasfasern als Thermoplastmaterial bzw. Verstärkungsfasern verwendet werden, mit Maleinsäure modifiziertes Polypropylen als das Propylen verwendet werden. Außerdem werden der Plastifiziervorrichtung vorzugsweise unmodifiziertes Polypropylen, Glasfasern und Maleinsäure als Modifiziermittel zusammen zugeführt. Obwohl das Modifiziermittel häufig in Form von Pellets verwendet wird, kann es auch in der Form von Granulaten oder Pulvern verwendet werden, um eine gute Dispersion des Modifiziermittels im Thermoplastmaterial zu erreichen. Normalerweise wird das Modifiziermittel mit dem Thermoplastmaterial im festen Zustand trockengemischt, woraufhin das erhaltene Gemisch zusammen mit den Verstärkungsfasern der Plastifiziervorrichtung zugeführt wird, und anschließend werden in der Plastifiziervorrichtung die Schmelz- und Knetschritte ausgeführt. Um zu erreichen, daß die Verstärkungsfasern in der Plastifiziervorrichtung eine große Länge beibehalten, wird vorzugsweise ein starker Knetvorgang vermieden. Zu sanftens Kneten führt jedoch sowohl zu einer unzureichenden Dispersion des Modifiziermittels im Thermoplastmaterial als auch zu einer unerwünschten oder unzulänglichen Wirkung des Modifiziermittels. Vorzugsweise wird ein Modifiziermittel mit einer relativ kleinen Partikelgröße verwendet, um auch dann eine gewünschte Wirkung des Modifiziermittels zu erhalten, wenn der Knetvorgang schwach oder sanft ist. Die Verwendung eines Thermoplastmaterials, in dem das Modifiziermittel im voraus beigemischt worden ist, ist ebenfalls bevorzugt. Die Menge des beigemischten Modifiziermittels variiert in Abhängigkeit z. B. von der Menge und der Art der Verstärkungsfasern und von der Art des Thermoplastmaterials, sie liegt jedoch normalerweise im Bereich von etwa 1 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% basierend auf dem Gewicht des Thermoplastmaterials.
In einem unter Verwendung der vorstehend erwähnten Roh- oder Ausgangsmaterialien hergestellten faserverstärkten Formartikel ist es außerdem bevorzugt, daß nahezu jeder Strang in Monofilamente gelockert bzw. getrennt wird, die sich im Thermoplastmaterial gleichmäßig verteilen, und daß der Formartikel wenig Hohlstellen aufweist. Ungelockerte bzw. nicht getrennte Stränge und Hohlstellen können die mechanischen bzw. physikalischen Eigenschaften des faserverstärkten Formartikels beeinträchtigen.
Der erfindungsgemäße faserverstärkte Formartikel kann durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten hergestellt werden:
Bereitstellen einer Formmaschine mit einer Plastifizierungsvorrichtung, die eine Öffnung zum Aufnehmen von Roh- oder Ausgangsmaterialien aufweist, einer Vorrichtung zum Zu führen der Roh- oder Ausgangsmaterialien zur Plastifiziervorrichtung und einer Formvorrichtung mit einem Hohlraum;
gleichzeitiges Zuführen des Thermoplastmaterials in einem festen Zustand und der Verstärkungsfasern mit einer Länge von etwa 3 mm bis etwa 50 mm über die Öffnung von der Zufuhrvorrichtung in die Plastifiziervorrichtung;
Schmelzen des Thermoplastmaterials und Kneten des Thermoplastmaterials und der Verstärkungsfasern in der Plastifiziervorrichtung, um ein geknetetes Material herzustellen, das das Thermoplastmaterial und die Verstärkungsfasern aufweist;
Zuführen des gekneteten Materials von der Plastifiziervorrichtung zur Formvorrichtung; und
Formen des gekneteten Materials im Hohlraum zu einem Formartikel. Nachstehend werden mehrere Beispiele eines Verfahrens zum Herstellen eines erfindungegemäßen faserverstärkten Formartikels beschrieben, wobei der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung durch die Beispiele jedoch nicht eingeschränkt werden soll.
1 zeigt ein Beispiel einer zum Herstellen des erfindungsgemäßen faserverstärkten Formartikels verwendbaren Formmaschine. Die Formmaschine weist eine Plastifiziervorrichtung B, eine Formvorrichtung C und eine Vorrichtung A zum Zuführen von Roh- oder Ausgangsmaterialien in die Plastifiziervorrichtung B auf. Die in 1 dargestellte Roh- oder Ausgangsmaterialzufuhrvorrichtung A weist eine Roving-Schneidvorrichtung 1 zum Ausgeben von Verstärkungsfasern mit einer vorgegebenen Länge, eine Zufuhr-/Dosiervorrichtung 2 zum Ausgeben des Thermoplastmaterials im festen Zustand und einen Trichter 4 zum Zuführen der Verstärkungsfasern von der Roving-Schneidvorrichtung 1 und des Thermoplastmaterials von der Zufuhreinrichtung 2 in die Platifiziervorrichtung B auf. Die Plastifiziervorrichtung B kann ein Schnecken-Injektor 3 mit einer Materialzufuhröffnung sein, die sich zum Trichter hin öffnet. Die Plastifiziervorrichtung kann auch ein andersartiger Injektor oder ein Extruder sein. Die Formvorrichtung C kann eine Form 8 und eine Preßvorrichtung 7 mit einem Klemm- oder Schließmechanismus aufweisen. An Stelle der Roving-Schneidvorrichtung 1 kann die Zufuhr-/Dosiervorrichtung zum Ausgeben der zerhackten Stränge verwendet werden, die zuvor in eine vorgegebene Länge geschnitten worden sind. Die Zufuhr-/Dosiervorrichtung 2 zum Ausgeben des Thermoplastmaterials kann durch eine andere Vorrichtung ersetzt werden, die das Thermoplastmaterial dosiert ausgeben kann. Die Verstärkungsfasern von der Roving-Schneidvorrichtung 1 und das Thermoplastmaterial von der Zufuhr-/Dosiervorrichtung 2 werden in den Trichter 4 eingeführt und über die gemeinsame Materialzufuhröffnung gleichzeitig dem Injektor 3 zugeführt. Im in 1 dargestellten Beispiel ist über dem Trichter 4 ein Innenrohr 5 angeordnet. Die durch die Roving-Schneidvorrichtung 1 in die vorgegebene Länge geschnittenen Verstärkungsfasern werden im Inneren des Innenrohrs 5 zugeführt. Die Zufuhr-/Dosiervorrichtung 2 weist eine Rutsche 6 auf. Das von der Zufuhr-/Dosiervorrichtung 2 ausgegebene Thermoplastmaterial bewegt sich auf der Rutsche 6 von selbst nach unten und wird einem Raum zwischen einer Innenwand des Trichters 4 und einer Außenwand des Innenrohrs 5 zugeführt. Der Injektor 3 weist die sich zum Trichter hin öffnende Materialzufuhröffnung auf. Die dem Trichter zugeführten Verstärkungsfasern werden über die Materialzufuhröffnung dem Injektor zugeführt. Ein äußeres Ende des Injektors 3 ist mit der Form 8 verbunden. Das im Injektor 3 hergestellte geknetete Material kann über einen in der Form 8 ausgebildten Kanal 9 dem Hohlraum zugeführt werden.
Nachstehend wird die vorstehend in groben Zügen dargestellte Vorrichtung näher beschrieben.
[Roving-Schneidvorrichtung 1]
Die Roving-Schneidvorrichtung 1 weist, wie in 2 schematisch dargestellt ist, eine erste Zuführwalze 111 und eine zweite Zuführwalze 112 auf, um Fasern L zu transportieren, während sie gespreizt werden, und eine an der Austrittseite der Zuführwalzen angeordnete Schneidwalze 12 mit einer Breite, die größer ist als die Spreizbreite der durch die Zuführwalzen gepreizten Fasern L. Die Schneidwalze 12 weist mindestens ein Schneidmesser auf, das durch eine Drehbewegung der Schneidwalze mit der zweiten Zuführwalze 112 in Kontakt kommen kann. Die Fasern L werden durch das Schneidmesser und die zweite Zuführwalze 112 in eine vorgegebene Länge geschnitten und fallen im Innenrohr 5 nach unten. Die Schneidwalze 12 ist so konstruiert, daß die geschnittenen Verstärkungsfasern L1 im Inneren des Innenrohrs 5 nach unten fallen. Die Länge der geschnittenen Verstärkungsfasern L1 kann in Abhängigkeit von der Teilung bzw. vom Abstand des auf der Schneidwalze 12 angeordneten Schneidmessers bzw. der Schneidmesser festgelegt werden. Die Teilung bzw. der Abstand wird so festgelegt, daß die Verstärkungsfasern in eine Länge von etwa 3–50 mm, vorzugsweise 3–25 mm, geschnitten werden. Im in 2 dargestellten Beispiel werden sechs Glasfasern von 2400 tex einem durch eine erste Zuführwalze 111 und eine zweite Zuführwalze 112 definierten Walzenspalt zugeführt und in eine Länge von 14 mm geschnitten. In diesem Beispiel werden die geschnittenen Verstärkungsfasern L1 von der Roving-Schneidvorrichtung mit einer Rate von 2,2 kg pro Minute ausgegeben. Die Feinheit und die Anzahl der der Roving-Schneidvorrichtung zuzuführenden Fasern und die Ausgabegeschwindigkeit der geschnittenen Verstärkungsfasern von der Roving-Schneidvorrichtung können geeignet geändert werden. In diesem Beispiel wurde Polypropylen als Thermoplast material verwendet, und mit einer Roving-Vorrichtung bearbeitete Glasfasern, deren Oberfläche mit modifiziertem Polypropylen behandelt worden war, wurden verwendet, um die Haftfähigkeit zwischen Polypropylen und den Verstärkungsfasern zu erhöhen
[Zufuhr-/Dosiervorrichtung 2]
Die Zufuhr-/Dosiervorrichtung 2 weist, wie in 3 schematisch dargestellt ist, einen Trichter 21 zum Sammeln des Thermoplastmaterials im festen Zustand, und ein Transportband 22 zum Transportieren des vom Trichter 21 zugeführten Thermoplastmaterials auf. Die Rate, mit der das Thermoplastmaterial von der Zufuhr-/Dosiervorrichtung 2 abgegeben wird, kann durch Einstellen der Drehgeschwindigkeit eines Motors zum Antreiben des Transportbandes 22 gesteuert werden. Das von der Zufuhr-/Dosiervorrichtung 22 ausgegebene Thermoplastmaterial rutscht auf einer mit der Zufuhr-/Dosiervorrichtung verbundenen Rutsche nach unten und wird einem Raum zwischen der Innenwand des Trichters 4 und der Außenwand des Innenrohrs 5 zugeführt.
Das Modifiziermittel und andere Zusatzstoffe können der Zufuhr-/Dosiervorrichtung zusammen mit dem Thermoplastmaterial zugeführt werden. Beispielsweise können das Thermoplastmaterial, das Modifiziermittel und die Zusatzstoffe trockengemischt und anschließend der Zufuhr-/Dosiervorrichtung zugeführt werden. In diesem Beispiel wurden Pellets aus Polypropylenharz (Handelsbezeichnung Sumitomo Noblen AK568, hergestellt durch Sumitomo Chemicals Co., Ltd.) als das Thermoplastmaterial und ein Modifiziermittel mit einem Partikeldurchmesser von 1,5 mm oder weniger (Handelsbezeichnung Umex, hergestellt durch Sanyo Chemical Industries, Ltd.) trockengemischt, und dann wurde das Gemisch der Zufuhr- /Dosiervorrichtung zugeführt, wobei eine Zufuhrrate für die Polypropylenpellets 5,1 kg/min betrug.
[Trichter 4]
Der Trichter 4 ist ein Element, das es ermöglicht, daß die Verstärkungsfasern L1, die durch die Roving-Schneidvorrichtung 1 in die vorgegebene Länge geschnitten und ausgegeben wurden, und das von der Zufuhr-/Dosiervorrichtung 2 ausgegebene Thermoplastmaterial miteinander in Kontakt kommen und vermischt werden und der Materialzufuhröffnung des Injektors 3 zugeführt werden.
Obwohl der Trichter 4 aus einem beliebigen Material hergestellt sein kann, ist der Trichter vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das auch dann kaum statische Elektrizität erzeugt, wenn es mit den Verstärkungsfasern und mit dem Thermoplastmaterial kollidiert oder in Kontakt kommt. Der Trichter 4 kann einen Schwingungserzeuger 43 aufweisen, so daß die Verstärkungsfasern nicht am Trichter anhaften. Es kann Luft auf einen Teil des Trichters 4 geblasen werden, wo die Verstärkungsfasern aufgrund statischer Elektrizität tendenziell anhaften.
Durch konstantes Sammeln der Verstärkungsfasern und des Thermoplastmaterials im Trichter 4 in einer Menge innerhalb eines vorgegebenen Bereichs wird eine stabile Plastifizierungsrate erhalten. Daher weist der Trichter 4 vorzugsweise eine Einrichtung zum Steuern der Menge der gesammelten Verstärkungsfasern und des Thermoplastmaterials auf. Als eine derartige Einrichtung sind in diesem Beispiel ein oberer Schalter 41 zum Erfassen einer oberen Grenze bzw. eines oberen Füllstandes einer Oberfläche der gesammelten Materialien und ein unterer Schalter 42 zum Erfassen einer unteren Grenze bzw. eines unteren Füllstandes der Oberfläche der gesammelten Materialien am Trichter 4 angeordnet. Wenn die Ober fläche der gesammelten Materialien im Trichter 4 den unteren Schalter erreicht, weil dem Injektor 3 Material zugeführt wird, werden die Roving-Schneidvorrichtung 1 und die Zufuhr-/Dosiervorrichtung 2 eingeschaltet, und die Zufuhr der Verstärkungsfasern und des Thermoplastmaterials zum Trichter 4 beginnt. Wenn die Oberfläche der gesammelten Materialien im Trichter 4 den oberen Schalter 41 erreicht, werden die Roving-Schneidvorrichtung 1 und die Zufuhr-/Dosiervorrichtung 2 ausgeschaltet, und die Zufuhr der Verstärkungsfasern und des Thermoplastmaterials wird gestoppt. Ein Winkel θ zwischen der Innenwand des Trichters 4 und einer vertikalen Linie beträgt normalerweise 45° oder weniger, insbesondere 30° oder weniger und typischerwise 15° oder weniger.
In diesem Beispiel wird als Trichter 4 ein Trichter aus rostfreiem Stahl verwendet, der mit einer Polyethylenterephthalatschicht mit einer Dicke von 0,4 mm beschichtet ist. Der Trichter 4 wurde mit dem oberen Schalter 41 und dem unteren Schalter 42 ausgestattet, die in einem Abstand von 150 mm voneinander angeordnet waren. Der Trichter 4 hatte in einer horizontalen Richtung einen ovalen Querschnitt, und ein Winkel zwischen seiner Innenwand und der vertikalen Linie betrug 10°.
[Innenrohr 5]
Das im Trichter 4 angeordnete Innenrohr 5 führt die von der Schneidwalze 12 herabfallenden Verstärkungsfasern L1 in die Nähe der Mitte des Trichters 4. Obwohl das Innenrohr 5 aus einem beliebigen Material hergestellt sein kann, ist es vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das auch dann kaum statische Elektrizität erzeugt, wenn es mit den Verstärkungsfasern und mit dem Thermoplastmaterial kollidiert oder in Kontakt kommt.
Die Durchmesser einer oberen Öffnung 51 und einer unteren Öffnung 52 des Innenrohrs 5 können gleich oder voneinander verschieden sein. Die obere Öffnung bildet einen Einlaß des Innenrohrs zum Aufnehmen der Verstärkungsfasern L1. Die untere Öffnung bildet einen Auslaß des Innenrohrs zum Ausgeben der Verstärkungsfasern. Der Durchmesser der unteren Öffnung 52 ist jedoch normalerweise kleiner als derjenige der oberen Öffnung 51. Ein Winkel θ' zwischen der Innenwand des Innenrohrs 5 und einer vertikalen Linie beträgt 30° oder weniger und vorzugsweise 15° oder weniger. Indem das Innerohr 5 in Schwingung versetzt wird, wird verhindert, daß die Verstärkungsfasern an der Innenwand des Innenrohrs 5 anhaften, wodurch das Innenrohr 5 verstopfen würde. Das Innenrohr 5 kann durch einen Schwingungserzeuger in Schwingung versetzt werden. Alternativ kann, wenn die Thermoplastmaterialpellets dem Trichter 4 zugeführt werden, das Innenrohr 5 durch die Kollision der Pellets mit der Außenwand des Innerohrs in Schwingung versetzt werden.
In diesem Beispiel wird als Innenrohr 5 ein Rohr aus rostfreiem Stahl verwendet, dessen Innenfläche mit einer Polyethylenterephthalatschicht mit einer Dicke von 0,4 mm beschichtet war. Die Durchmesser der oberen Öffnung 51 und der unteren Öffnung 52 betrugen jeweils 65 mm. Die Thermoplastmaterialpellets wurden dem Trichter 4 so zugeführt, daß sie mit der Außenwand des Innenrohrs 5 kollidierten und diese in Schwingung versetzten.
[Schnecken-Injektor 3]
Der Schnecken-Injektor 3 weist, wie in 4 dargestellt, eine Öffnung zum Aufnehmen der Verstärkungsfasern und des Thermoplastmaterials in einem festen Zustand auf. Die Öffnung wird als "Materialzufuhröffnung" bezeichnet.
Hinsichtlich der Schnecke 31 des Injektors 3 ist es bevorzugt, wenn ein Teil der Schnecke unter der Materialzufuhröffnung die folgende Ungleichung (3) erfüllt: {(p/2)2 × π – (q/2)2 × π} × r ≥ 350 (3)um zu verhindern, daß die Verstärkungsfasern brechen, und zu erreichen, daß die Verstärkungsfasern im gekneteten Material eine relativ große Länge beibehalten, während das Thermoplastmaterial und die Verstärkungsfasern im Injektor geknetet werden. In der Ungleichung (3) bezeichnen p, q bzw. r einen Innendurchmesser (cm) einer Trommel, einen Durchmesser (cm) der Schnecke an ihrem Nutenboden und einen Schraubengang (cm) der Schnecke. Wenn der Nutenboden der Schnecke abgerundet ist, wird der Wert des kleinsten Teils zwischen den Schraubengängen als Wert für q gewählt. Obwohl der Durchmesser der Materialzufuhröffnung normalerweise dem Durchmesser der Trommel gleich gesetzt wird, wird der Schraubengang r in der Ungleichung (3) durch den Durchmesser der Materialzufuhröffnung ersetzt, wenn der Durchmesser dieser Öffnung kleiner ist als r.
Im Injektor zieht sich die Schnecke mit ihrer Drehbewegung zurück, so daß ein Teil der Schnecke unter der Materialzufuhröffnung sich mit der Drehbewegung der Schnecke ändert. Die Ungleichung (3) ist vorzugsweise für alle Teile der Schnecke erfüllt, die auf eine Position unter der Materialzufuhröffnung eingestellt werden können. In diesem Beispiel betrugen der Durchmesser der Materialzufuhröffnung 12 cm, p = 12, q = 8,7 und r = 10,8. Daher betrug der Wert der linken Seite der Ungleichung (3) 579.
Um den Schneidvorgang der Verstärkungsfasern während des Schritts zum Kneten des Thermoplastmaterials und der Verstärkungsfasern zu steuern, während das Thermoplatmaterial im Injektor 3 plastifiziert wird, ist die Schnecke 31 vorzugsweise eine endlose Schnecke. Am vorderen Endabschnitt der Schnecke ist vorzugsweise ein Mischkopf mit einem Stellringmechanismus angeordnet. In diesem Beispiel wird eine endlose Schnecke mit einem Mischkopf 32 an ihrem vorderen Ende verwendet.
Die Schnecke 3 kann von ihrem hinteren Ende zu ihrem vorderen Ende in drei Bereiche geteilt sein, einschließlich eines Zufuhrbereich 311, eines Verdichtungsbereich 312 und eines Dosierbereich 313. Bei der in diesem Beispiel verwendeten Schnecke betrug die Nutentiefe des Zufuhrbereichs 311 16,5 mm, und die Nutentiefe des Dosierbereichs betrug 5,25 mm. Die Nutentiefe des Verdichtungsbereichs 312 nahm von 16,5 mm auf 5,25 mm ab. Das Längenverhältnis zwischen dem Zufuhrbereich 311, dem Verdichtungsbereich 312 und dem Dosierbereich 313 betrug 2 : 1 : 1. Der Schraubengang der Schnecke 31 betrug in ihrem Endlosschneckenabschnitt 120 mm, wobei dieser Wert dem Durchmesser der Schnecke entsprach. Das Verdichtungsverhältnis der Schnecke 31 beträgt vorzugsweise 4 oder weniger. Ein scheinbares Geschwindigkeits- bzw. Schergefälle beträgt vorzugsweise 10 s^–1 oder weniger. Das Verdichtungsverhältnis und das scheinbare Schergefälle sind durch die folgenden Gleichungen (4) bzw. (5) gegeben. Verdichtungsverhältnis = (Nutentiefe des Zufuhrbereichs)/(Nutentiefe des Dosierbereichs) (4) Scheinbares Schergefälle = (π × D × n)/(60 × H) (5)wobei D, n und H den Durchmesser (mm) der Schnecke 31, die Schneckendrehzahl (Umin^–1) bzw. die Nutentiefe (mm) bezeichnen. Die Schnecke kann durch eine Schneckenantriebsvorrichtung 33 gedreht und in ihrer axialen Richtung hin- und hergehend bewegt werden. In diesem Beispiel betrug das Verdichtungsverhältnis der Schnecke 3, 14. Das scheinbare Scherge fälle der Schnecke betrug 71,8 s^–1, wenn die Schnecke mit einer Schneckendrehzahl von 60 Umin^–1 gedreht wurde.
Die vorstehend erwähnte Roh- oder Ausgangsmaterialzufuhreinrichtung A und die Plastifiziervorrichtung B werden beispielsweise durch einen Computer gemäß dem in 5 dargestellten Ablaufdiagramm gesteuert. Ein Beispiel einer Verarbeitung zum Herstellen des erfindungsgemäßen faserverstärkten Formartikels unter Verwendung einer Formmaschine mit der Roh- oder Ausgangsmaterialzufuhreinrichtung A und der Plastifiziervorrichtung B sowie die Formmaschine werden nachstehend beschrieben.
Der Betrieb der Formmaschine beginnt durch Starten der Roving-Schneidvorrichtung 1 und der Zufuhr-/Dosiervorrichtung 2. Die Thermoplastmaterialpellets werden zusammen mit dem Modifiziermittel, die zuvor trockengemischt wurden, dem Trichter 21 der Zufuhr-/Dosiervorrichtung 2 zugeführt und dann dem Transportband 2 zugeführt. Die Thermoplastmaterialpellets werden durch das Transportband 2 zur Rutsche 6 transportiert. Die Pellets gleiten auf der Rutsche nach unten und werden dem Trichter 4 zugeführt. Gleichzeitig werden die durch die Roving-Schneidvorrichtung 1 geschnittenen Verstärkungsfasern über das Innenrohr 5 dem Trichter 4 zugeführt. Die Thermoplastmaterialpellets und die Verstärkungsfasern werden im Trichter 4 gesammelt.
Wenn die Oberfläche der gesammelten Materialien den am Trichter 4 angeordneten oberen Schalter 41 erreicht, werden die Roving-Schneidvorrichtung 1 und die Zufuhr-/Dosiervorrichtung 2 ausgeschaltet und gestoppt, so daß die Zufuhr der Verstärkungsfasern und der Thermoplastmaterialpellets in den Trichter 4 gestoppt wird.
Nachdem sichergestellt wurde, daß die Oberfläche der gesammelten Materialien im Trichter 4 den oberen Schalter 41 erreicht hat und die Schnecke 31 an einer vorgegebenen Posi tion im Injektor 31 angeordnet ist, beginnt die Dreh- und Rückzugbewegung der Schnecke. Die Plastifizierung des Thermoplastmaterials und das Kneten des Thermoplastmaterials und der Verstärkungsfasern werden fortgesetzt, um im Injektor 3 das geknetete Material zu erzeugen, das das Thermoplastmaterial und die Verstärkungsfasern enthält, bis sich die Schnecke zu einer anderen vorgegebenen Position zurückzieht. Wenn die Schnecke sich zurückzieht, werden die Verstärkungsfasern und die Thermoplastmaterialpellets, die im Trichter 4 gesammelt sind, dem Injektor 3 zugeführt, so daß die Menge bzw. der Füllstand dieser Materialien im Trichter 4 abnimmt. Wenn die Oberfläche der gesammelten Materialien im Trichter 4 den unteren Schalter 42 erreicht, werden die Roving-Schneidvorrichtung 1 und die Zufuhr-/Dosiervorrichtung 2 eingeschaltet oder gestartet, um die Zufuhr der Verstärkungsfasern und der Thermoplastmaterialpellets zu starten. Die Zufuhr dieser Materialien wird fortgesetzt, bis die Oberfläche der gesammelten Materialien im Trichter 4 den oberen Schalter 41 erreicht.
Nachdem sichergestellt wurde, daß die Schnecke 31 im Injektor 3 sich auf die vorgegebene Position zurückgezogen hat und die Formvorrichtung C mit der Form 8 und der Preßvorrichtung 7 auf einen vorgegebenen Zustand eingestellt sind, wird das geknetete Material vom Injektor 3 über einen in der Form 8 ausgebildeten Kanal 9 in einen Hohlraum X eingeleitet. Das in den Hohlraum eingeleitete geknetete Material wird im Hohlraum in eine vorgegebene Form geformt. Nach einem geeigneten Abkühlvorgang wird der faserverstärkte Formartikel aus der Form entnommen.
Nachdem das geknetete Material vom Injektor 3 ausgegeben und sichergestellt wurde, daß die Oberfläche der gesammelten Materialien den oberen Schalter 41 erreicht hat und die Schnecke 3 an der vorgegebenen Position angeordnet ist, wird die vorstehende Folge von Arbeitsschritten wiederholt.
Im vorstehenden Beispiel wurden die Verstärkungsfasern und die Thermoplastmaterialpellets dem Trichter 4 dosiert zugeführt. Im Trichter ist ein großer Teil der Verstärkungsfasern in der Nähe der Mitte des Trichters angeordnet und von einer großen Menge der Thermoplastmaterialpellets umgeben. Daher wurde, weil in der Nähe der Innenwand des Trichters 4 nur wenig Verstärkungsfasern angeordnet sind, die zum gleichmäßigen Verteilen der Verstärkungsfasern im Thermoplastmaterial erforderliche Zeit konstant, und der Anteil der Verstärkungsfasern im faserverstärkten Formartikel wurde ebenfalls konstant.
In diesem Beispiel wurden Glasfasern bzw. Polypropylenharz als Verstärkungsfasern und Thermoplastmaterial verwendet. Die Glasfasern mit einer Länge von 14 mm wurden mit einer Rate von 2,2 kg/min von der Roving-Schneidvorrichtung 1 über das Innenrohr 5 dem Trichter 4 zugeführt. Die Polypropylenharzpellets wurden dem Trichter 4 mit einer Rate von 5,1 kg/min zugeführt, wobei sie mit der Außenwand des Innenrohrs 5 kollidierten. Vom Start der Drehbewegung der Schnecke bis zum Abschluß der Herstellung von 2,2 kg geknetetem Material, das sowohl Glasfasern als auch Polypropylenharz enthielt, wurden 18 s benötigt. Die Zeit vom Start der Drehbewegung der Schnecke bis zum Abschluß der Herstellung des gekneteten Materials wird als Plastifizierzeit bezeichnet. Das geknetete Material wird als plastifiziertes faserverstärktes Polypropylenharz bezeichnet.
Das Gewicht des glasfaserverstärkten Formartikels und die Plastifizierzeit waren für jeden wiederholten Formzyklus annähernd konstant. Die Glasfasern und die Polypropylenharzpellets wurden glatt und gleichmäßig in den Trichter 4 eingeleitet, ohne daß sie den Trichter 4 verstopften.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht des in diesem Beispiel erhaltenen faserverstärkten Formartikels. Ein Biegetest gemäß JIS K 7203 und ein Izod-Schlagtest gemäß JIS K 7110 wurden für Testproben ausgeführt, die von einem Mittenabschnitt des Formartikels geschnitten wurden. Die auf das Gewicht bezogene mittlere Länge und die auf die Anzahl bezogene mittlere Länge der im faserverstärkten Formartikel enthaltenen Verstärkungsfasern wurden unter Verwendung der Testproben bestimmt. Der Anteil der Glasfasern betrug 31,0 Gew.-%. Das vorstehende Beispiel wird als Beispiel 1 bezeichnet. Die Testergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
In Beispiel 2 wurde der glasfaserverstärkte Polypropylenharz-Formartikel auf die gleiche Weise hergestellt wie in Beispiel 1, außer daß die Glasfasern durch die Roving-Schneidvorrichtung 1 in eine Länge von 6 mm geschnitten wurde. Der Biegetest und der Izod-Schlagtest wurden ausgeführt, und die auf das Gewicht bezogene mittlere Länge und die auf die Anzahl bezogene mittlere Länge der Verstärkungsfasern wurden auf die gleiche Weise erhalten wie in Beispiel 1. Der Anteil der Glasfasern betrug 30,5 Gew.-%. Die Testergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1 Testergebnisse
Der erfindungsgemäße faserverstärkte Formartikel aus Thermoplastharz hat sehr gute mechanische bzw. physikalische Eigenschaften, wie z. B. Schlagfestigkeit, weil er Verstärkungsfasern mit einer Länge von etwa 3 mm bis etwa 50 mm enthält.

Claims

Formartikel aus faserverstärktem Thermoplastmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß der Formartikel Verstärkungsfasern (L1) mit einer auf das Gewicht bezogenen mittleren Länge (L_w) von etwa 2 mm oder mehr enthält; und die im Formartikel enthaltenen Verstärkungsfasern (L1) ein Verhältnis einer auf das Gewicht bezogenen mittleren Länge (L_w) zu einer auf die Anzahl bezogenen mittleren Länge (L_n) von 1,1 oder mehr aufweisen, wobei L_w = Σ(L_i × W_i)/ΣW_i und L_n = Σ(L_i × N_i)/ΣN_i ist, wobei L_i eine Länge (mm), W_i ein Gewicht (g) und N_i eine Anzahl der Verstärkungsfasern bezeichnen.
Faserverstärkter Formartikel nach Anspruch 1, wobei der Anteil der Verstärkungsfasern (L1) im Formartikel im Bereich von etwa 20 Gew.-% bis etwa 75 Gew.-% liegt.
Faserverstärkter Formartikel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die im Formartikel enthaltenen Verstärkungsfasern (L1) einen Durchmesser von etwa 6 μm bis etwa 25 μm haben.