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Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines verstärkten Kunststoffbauteils - Dokument DE10038553C2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10038553C2 05.06.2003
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines verstärkten Kunststoffbauteils
Anmelder Möller Plast GmbH, 33649 Bielefeld, DE
Erfinder Beckmann, Friedhelm, Dipl.-Ing., 32120 Hiddenhausen, DE
Vertreter BOEHMERT & BOEHMERT, 33605 Bielefeld
DE-Anmeldedatum 03.08.2000
DE-Aktenzeichen 10038553
Offenlegungstag 21.02.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 05.06.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.06.2003
IPC-Hauptklasse B29C 70/00
IPC-Nebenklasse B29B 7/90   B29B 15/10   C08J 5/04   
IPC additional class // B29K 105:08,311:10  

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines verstärkten Kunststoffbauteils, insbesondere durch Spritzgießen, Extrudieren oder Extrusionsblasen, bei dem ein thermoplastisches Basismaterial als Schmelze aufbereitet und ein aus pflanzlichen Materialien gewonnenes Verstärkungsmaterial eingebracht wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Herstellen eines verstärkten Kunststoffbauteils, insbesondere zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahren, mit einer Zuführungsstation zum Zuführen von aufzubereitendem thermoplastischen Basismaterial und einer Plastifizierungs- und Mischstrecke zum Plastifizieren und Homogenisieren des Basismaterials.

Bei der Herstellung von Bauteilen aus einem thermoplastischen Basiswerkstoff werden meist die für thermoplastische Werkstoffe üblichen Verarbeitungsverfahren wie Spritzgießen, Extrusionsblasen, Profilextrusion usw. eingesetzt. Derartige Bauteile kommen in den verschiedensten Branchen zum Einsatz, bspw. der Automobilindustrie, der Bauindustrie und der Elektoindustrie. Meist werden Bauteile verlangt, die über eine große Bauteilsteifigkeit verfügen. In solchen Fällen können als Verstärkungsmaterial Glasfasern als Kurzglasfasern mit einer Länge zwischen 1 mm und 4 mm oder als Langglasfasern mit einer Länge von 10 mm bis 12 mm zugegeben werden, bspw. beim Spritzgießverfahren und beim Extrusionsblasverfahren. Da Glasfasern jedoch ungünstige Recyclingeigenschaften haben und beim thermischen Recycling zu umweltbelastenden Reststoffen führen, ist versucht worden, Glasfasern durch Naturfasern zu ersetzen, bspw. von Flachs, Hanf, Jute, Sisal, Kenaf, Ramie oder Nesselpflanzen. Da die Faserlänge für die Verwendung bei den genannten Verfahren begrenzt ist, besteht ein großes Problem darin, die Fasern homogen in eine Kunststoffschmelze einzubringen.

Eine mögliche Vorgehensweise besteht darin, daß durch Parallelisieren der Fasern zunächst ein Kardenband erzeugt wird und dieses anschließend durch Verdrillung zu einem Garn versponnen wird, welches dann in einer Extrusionsanlage mit einer Kunststoffschmelze imprägniert und in einem anschließenden Schneidwerk auf eine gewünschte Länge geschnitten wird. Dieses Verfahren ist aufwendig und teuer.

Eine direkte Zuführung von Naturfasern in eine Schmelze ist nicht möglich, da die Naturfasern verfilzen bzw. verknäulen und nicht homogen in eine Schmelze eingemischt werden können.

Aus der DE 100 32 804 A1 ist es bekannt, Fasern bzw. eine aus Schäben und Fasern bestehendes Material zu verpressen. Das Verpressen von Fasern und/oder Schäben führt zu einer Schädigung beider Produkte, da diese mechanisch hoch beansprucht und im Falle von Schäben bleibend verdichtet werden, was den Gewichtsvorteil bei der Verwendung besonders leichter Schäben in Frage stellt. Die nach diesem Verfahren hergestellten Granulate lassen sich bei der Herstellung von Extrusionsprodukten nur unvollständig wieder auflösen, so daß eine homogene Materialstruktur nicht erreichbar ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, womit es möglich ist, ein aus pflanzlichen Materialien gewonnenes Verstärkungsmaterial in möglichst einfacher Weise homogen in ein plastifiziertes Basismaterial einzumischen.

Die Aufgabe der Erfindung wird in verfahrensmäßiger Hinsicht in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, daß als Verstärkungsmaterial in schütt- und rieselfähige Form ungepreßte zerkleinerte Schäben, insbesondere von Einjahrespflanzen, und/oder derart (d. h. in schütt- oder rieselfähige Form) zerkleinerte holzige Bestandteile von Chinaschilf der Schmelze des Basismaterials zugeführt und homogen in diese eingemischt werden, wobei das Verstärkungsmaterial keine oder die Schütt- oder Rieselfähigkeit nicht wesentlich beeinträchtigende Anteile von (Rest-)Fasermaterial enthält.

Die Zerkleinerung der Schäben bzw. der holzigen Bestandteile des Chinaschilfs kann entweder vorab oder unmittelbar im Zusammenhang mit der Aufbereitung des thermoplastischen Basismaterials und der Herstellung von Bauteilen erfolgen.

Bevorzugt ist vorgesehen, daß Schäben aus grünem Ausgangsmaterial verwendet werden. Unter grünem Ausgangsmaterial wird hierbei pflanzliches Material verstanden, bspw. Stroh von Flachs oder Hanf, das nach der Ernte einige Tage, z. B. fünf bis acht Tage, im Freien bzw. auf dem Feld verbleibt und somit im Gegensatz zur sogenannten Feldröste, bei der das Material ca. fünf bis acht Wochen auf dem Feld verbleibt, bei den Grünschäben nahezu die volle Ursprungsfestigkeit erhalten bleibt.

Vorzugsweise besitzen die Schäben eine Länge zwischen 0,5 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 0,5 mm und 5 mm und weiter bevorzugt zwischen 0,5 mm und 3 mm.

Vorzugsweise werden Schäben von Flachs und/oder Hanf und/oder Kenaf verwendet.

In Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß (insbesondere in einem separaten Arbeitsgang) zusätzliche Verstärkungsmaterialien, wie Glasfasern und/oder Naturfasern eingesetzt werden.

Es kann vorgesehen sein, daß Verträglichkeitsmacher eingesetzt werden, insbesondere mit einem Anteil von zwischen 0,5 und 3%, bspw. bei Polypropylen als Basismaterial.

Es kann vorgesehen sein, daß als thermoplastisches Basismaterial ein thermoplastischer Kunststoff und/oder ein biologischer Werkstoff verwendet wird, wie z. B. Lignin oder PHP.

Da Schäben eine poröse, schwammartige Struktur aufweisen, die einem hohem Druck, wie er bspw. bei der Extrusion auftritt, nicht standhält und insbesondere in Kombination mit höheren Temperaturen, wie sie bei der Verarbeitung von thermoplastischen Materialien unumgänglich sind, zu einer Kompaktierung und zu einem unerwünschten teilweisen Verlust des Gewichtsvorteils führt, kann in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen sein, daß vor dem Einbringen des Verstärkungsmaterials (in Form von zerkleinerten Schäben bzw. zerkleinerten holzigen Bestandteilen von Chinaschilf) in einen thermoplastischen Basiswerkstoff ein stabilisierendes Material in die Poren des Verstärkungsmaterials eingebracht und/oder das Verstärkungsmaterial mit dem stabilisierenden Material ummantelt wird, so daß das Verstärkungsmaterial eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Komprimierung aufweist.

Es kann vorgesehen sein, daß Poren und Hohlräume des Verstärkungsmaterials weitestgehend mit dem stabilisierenden Material ausgefüllt werden. Dies kann bspw. durch Eintauchen des Materials in ein entsprechend flüssiges stabilisierendes Material erfolgen. Alternativ kann das Verstärkungsmaterial im wesentlichen ausschließlich ummantelt werden. Dies kann bspw. durch Aufsprühen eines stärker viskosen Materials erfolgen, welches möglichst rasch ausgehärtet wird.

Das stabilisierende Material kann durch Aufsprühen und/oder Tauchimprägnieren aufgebracht werden.

Es kann vorgesehen sein, daß ein schäumbares stabilisierendes Material verwendet wird. Dadurch kann der Gewichtsvorteil bspw. von Schäben weitgehend beibehalten werden.

Es kann vorgesehen sein, daß in einem ersten Schritt ein erstes stabilisierendes Material und in mindestens einem weiteren Schritt mindestens ein weiteres stabilisierendes Material aufgebracht wird.

Als stabilisierendes Material kann Wasserglas, Epoxidharz, expandierbares Epoxidharz und/oder lackartige Substanzen verwendet werden.

Es können synthetische und/oder biologische Werkstoffe als stabilisierendes Material verwendet werden.

Eine Aushärtung des stabilisierenden Materials kann thermisch bei einer Temperatur zwischen etwa 100°C und 220°C, bevorzugt zwischen etwa 120°C und 200°C und weiter bevorzugt zwischen etwa 120°C und 150°C erfolgen.

In einer konkreten Ausführungsform kann bspw. Wasserglas verwendet werden, das auf Schäben im Sprühverfahren oder durch Tauchimprägnierung aufgebracht wird. Die schwammartige Struktur der Schäben saugt die Wasserglaslösung aufgrund der hohen Hygroskopizität bzw. durch Kapillarwirkung auf, wobei die Dosiermenge durch das Sprühverfahren selbst oder durch die Verweilzeit in einem Tauchbad vorgegeben werden kann.

Alternativ kann ein expandierbares Epoxidharz in ähnlichen Verfahrensschritten auf die Schäben aufgebracht werden und in einer nachgeschalteten Beheizungsstrecke oder durch sonstige Energiezufuhr expandiert und ausreagiert werden. Dabei dringt das Harz in die Porenstrukturen ein und umhüllt die Schäben gleichzeitig mit einer schützenden Schicht.

Alternativ oder zusätzlich können lackartige Substanzen oder dünnflüssige synthetische und/oder biologische Werkstoffe wie Lignin oder PHP aufgetragen werden, die ebenfalls zu stabilisierenden Schichten führen.

Die Auswahl des stabilisierenden Materials kann unter dem Gesichtspunkt erfolgen, daß eine Einbettung der Schäben entweder in ein biologisches Basismaterial zur Herstellung von Bauteilen erfolgt, so daß auch eine biologische Basis für das stabilisierende Material gegeben sein sollte, oder daß das Verstärkungsmaterial (z. B. Schäben) in eine Kunststoffschmelze eingebracht wird, wobei dann das stabilisierende Material ein gleiches oder verträgliches Kunststoffmaterial sein kann. In jedem Falle sollte das stabilisierende Material zu einer erhöhten Widerstandsfähigkeit führen, so daß poröse Materialien wie insbesondere Schäben bei einer Verarbeitung wie bspw. einer Extrusion weniger leicht zusammengedrückt werden, wobei auch eine Temperaturbeständigkeit bis zu etwa 200°C gegeben sein sollte.

In vorrichtungsmäßiger Hinsicht wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 gelöst.

Anschließend (stromab) an die Plastifizierungs- und Mischstrecke kann eine Mischeinrichtung zum homogenen Einmischen des Verstärkungsmaterials in das Basismaterial angeordnet sein.

Es kann vorgesehen sein, daß eine Zerkleinerungseinrichtung zum Zerkleinern von Schäben auf eine Größe von zwischen 0,5 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 0,5 mm und 5 mm und weiter bevorzugt zwischen 0,5 mm und 3 mm, vorhanden ist.

Vorzugsweise werden Schäben von Flachs und/oder Hanf und/oder Kenaf verwendet. Es kann vorgesehen sein, daß zusätzliches Verstärkungsmaterial wie Glasfasern und/oder Naturfasern enthalten ist.

Zweckmäßigerweise besteht das thermoplastische Basismaterial aus thermoplastischem Kunststoff und/oder aus einem biologischen Werkstoff wie Lignin oder PHP. Diese biologischen Materialien verbinden sich auch ohne Haftvermittler sehr gut mit den Schäben. Besonders Lignin zeichnet sich durch gute Werkstoffeigenschaften in Bezug auf hohe Festigkeit, Schlagzähigkeit und Steifigkeit aus. Lignin fällt in großen Mengen als Nebenprodukt der Zellstoffgewinnung an und steht somit kostengünstig und in ausreichenden Mengen zur Verfügung.

Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß das Verstärkungsmaterial bereits bei der Aufbereitung bzw. Plastifizierung und Homogenisierung eines thermoplastischen Ausgangsmaterials in Form einer Schmelze direkt in den Schmelzestrom eingemischt werden kann, so daß ein zusätzlicher kostenträchtiger Arbeitsgang vermieden wird. Hierbei ist Voraussetzung, daß keine oder nur geringfügige Anteile von Fasermaterial in den Schäben enthalten sind, so daß die rieselfähige bzw. schüttfähige Konsistenz erhalten bleibt. Bei Chinaschilf handelt es sich bereits um ein reines bzw. faserfreies Produkt, das lediglich zerkleinert werden muß und in dem keine Restfaseranteile enthalten sind.

Eine Einmischung von Verstärkungsmaterial in der erfindungsgemäßen Weise kann z. B. in einer Spritzgieß-, Extrusions- oder Extrusionsblasmaschine erfolgen, wobei im Bereich einer oder anschließend an bzw. stromab einer Plastifizierungs- und Mischstrecke eine zweite Zuführungseinrichtung für das schütt- oder rieselfähige Verstärkungsmaterial angeordnet ist. Aufgrund der schütt- oder rieselfähigen Konsistenz des Verstärkungsmaterials besteht keine Neigung zum Verklumpen oder Verfilzen, so daß die unmittelbare Zuführung in einen Schmelzestrom sehr gut dosierbar ist und das Material gleichmäßig von der Schmelze aufgenommen wird und damit homogen vermischt werden kann. Zweckmäßigerweise sollte sich an die zweite Zuführungsstation noch ein Teil der Plastifizierungs- bzw. Mischstrecke des Extruders anschließen oder eine nachgeschaltete Misch- bzw. Homogenisierungsstrecke angeordnet sein, um eine homogene Vermischung zu gewährleisten.

Zusätzlich kann vorgesehen sein, daß an der Vorrichtung eine Zerkleinerungseinrichtung zum Zerkleinern der Schäben auf die genannte Größe angeordnet ist, sofern diese nicht bereits in dem benötigten zerkleinerten Zustand angeliefert werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Herstellen eines verstärkten Kunststoffbauteils durch Spritzgießen, Extrudieren oder Extrusionsblasen, bei dem ein thermoplastisches Basismaterial als Schmelze aufbereitet und ein aus pflanzlichen Materialien gewonnenes Verstärkungsmaterial eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungsmaterial in schütt- und rieselfähige Form zerkleinerte ungepreßte Schäben, insbesondere von Einjahrespflanzen, und/oder derart zerkleinerte holzige Bestandteile von Chinaschilf der Schmelze des Basismaterials zugeführt und homogen in diese eingemischt werden, wobei das Verstärkungsmaterial keine oder die Schütt- oder Rieselfähigkeit nicht wesentlich beeinträchtigende Anteile von Fasermaterial enthält.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schäben aus grünem Ausgangsmaterial verwendet werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schäben eine Länge von zwischen etwa 0,5 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 0,5 mm und 5 mm und weiter bevorzugt zwischen etwa 0,5 mm und 3 mm aufweisen.
  4. 4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schäben von Flachs und/oder Hanf und/oder Kenaf verwendet werden.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Verstärkungsmaterialien wie Glasfasern und/oder Naturfasern eingesetzt werden.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Verträglichkeitsmacher bzw. Haftvermittler, insbesondere mit einem Anteil zwischen 0,5% und 3%, eingesetzt werden.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als thermoplastisches Basismaterial ein thermoplastischer Kunststoff und/oder ein biologischer Werkstoff wie Lignin oder PHP verwendet wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einmischen des Verstärkungsmaterials in Form von zerkleinerten Schäben und/oder zerkleinerten holzigen Bestandteilen von Chinaschilf ein stabilisierendes Material in die Poren des Verstärkungsmaterials eingebracht und/oder das Verstärkungsmaterial mit dem stabilisierenden Material ummantelt wird, so daß das Verstärkungsmaterial eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Komprimierung aufweist.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Poren und Hohlräume des Verstärkungsmaterials weitestgehend mit dem stabilisierenden Material ausgefüllt werden.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial im wesentlichen ausschließlich ummantelt wird.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das stabilisierende Material durch Aufsprühen und/oder Tauchimprägnieren aufgebracht wird.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein schäumbares stabilisierendes Material, insbesondere Epoxidharz, verwendet wird.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt ein erstes stabilisierendes Material und in mindestens einem weiteren Schritt mindestens ein weiteres stabilisierendes Material aufgebracht wird.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserglas, Epoxidharz, expandierbares Epoxidharz und/oder lackartige Substanzen als stabilisierendes Material verwendet werden.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß synthetische und/oder biologische Werkstoffe als stabilisierendes Material verwendet werden.
  16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aushärtung des stabilisierenden Materials thermisch bei einer Temperatur zwischen etwa 100°C und 220°C, bevorzugt zwischen etwa 120°C und 200°C und weiter bevorzugt zwischen etwa 120°C und 150°C erfolgt.
  17. 17. Vorrichtung zum Herstellen eines verstärken Kunststoffbauteils, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Zuführungsstation zum Zuführen von aufzubereitendem thermoplastischem Basismaterial und einer Plastifizierungs- und Mischstrecke zum Plastifizieren und Homogenisieren des Basismaterials, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Plastifizierungs- und Mischstrecke eine Zerkleinerungseinrichtung zum Zerkleinern von Schäben auf eine Größe von zwischen 0,5 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 0,5 mm und 5 mm und weiter bevorzugt zwischen 0,5 mm und 3 mm, und eine zweite Zuführungsstation für schütt- oder rieselfähiges Verstärkungsmaterial in Form von zerkleinerten Schäben und/oder holzigen Bestandteilen von Chinaschilf angeordnet ist.
  18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend an die Plastifizierungs- und Mischstrecke eine Mischeinrichtung zum homogenen Vermischen des Verstärkungsmaterials mit dem Basismaterial angeordnet ist.






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