DE4112172A1 - Verfahren zur herstellung eines wiederaufbereitbaren faserverbundwerkstoffs aus thermoplastischem kunststoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines wiederaufbereitbaren Faserverbundwerkstoffs mit einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff und mit aus Fasern aufgebauten Verstärkungseinlagen.

Zur Herstellung insbesondere technischer Bauteile werden heute vielfach faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt, deren Festigkeitseigenschaften durch Einlagerung hochfester Fasern - beispielsweise aus Glas, Kohlenstoff oder Metall - in den Matrix-Werkstoff wesentlich verbessert werden. Ein Nachteil dieser konventionell faserverstärkten Kunststoffe besteht darin, daß sie, im Vergleich zu unverstärkten thermoplastischen Kunststoffen, allenfalls mit erhöhtem oder sogar nicht vertretbarem Aufwand wiederaufbereitet (recycliert) werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines wiederaufbereitbaren Faserverbundwerkstoffs zu ermöglichen. Der Faserverbundwerkstoff soll dabei in der Weise beschaffen sein, daß nach der Wiederaufbereitung keine Mischung aus unterschiedlichen, eventuell störenden Bestandteilen, sondern ein sortenreiner Kunststoff vorliegt; dieser sollte derartige Eigenschaften aufweisen, daß er ggf. auch als Matrix-Werkstoff für die Neubildung eines Faserverbundwerkstoffs Verwendung finden kann.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, als Verstärkungseinlagen Synthesefasern aus einem thermoplastischen Kunststoff - dessen Struktur derjenigen des Matrix-Werkstoffs zumindest sehr ähnlich ist - in einen Reaktor einzubringen und sie in diesem mit einem reaktiven Gemisch mit zumindest einem Monomer zu tränken, welches erst anschließend vollständig auspolymerisiert und dabei die Matrix bildet.

Die Erfindung baut dabei auf der Erkenntnis auf, daß die untere und obere Temperaturgrenze des Schmelzbereichs der Synthesefasern aufgrund des höheren Orientierungsgrades der Fasermoleküle jeweils höher liegt als die untere bzw. obere Temperaturgrenze des Matrix-Werkstoffs bei sich allenfalls teilweise überlappenden Temperaturbereichen der beiden Schmelzbereiche. Durch eine an die Kunststoffeigenschaften angepaßte Wärmezufuhr und Temperaturführung bei der Wiederaufbereitung (Recycling) kann der Matrix-Werkstoff daher ggf. in der Weise aufgeschmolzen werden, daß die Faserstruktur der eingelagerten Synthesefasern nicht völlig verloren geht. Der Aufbereitungswerkstoff kann dementsprechend u. U. auch bessere Festigkeitseigenschaften aufweisen als der Matrix-Werkstoff allein vor der Wiederaufbereitung.

Als thermoplastische Kunststoffe für den Matrix-Werkstoff und die Synthesefasern kommen insbesondere Kunststoffe in Frage, die derselben Familie zuzurechnen sind. Allgemein sollten die beiderseitigen Kunststoffe einander derart ähnlich sein, daß sich durch Wiederaufbereitung des Faserverbundwerkstoffs der bereits erwähnte sortenreine Kunststoff erzeugen läßt.

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs, bei denen Fasern in einem Reaktor mit einem flüssigen, reaktiven Gemisch (mit zumindest einem Monomer) getränkt werden, welches erst anschließend vollständig auspolymerisiert und dabei die Matrix bildet, sind bereits bekannt (Dr.-Ing. Michael Begemann, technisch­ wissenschaftlicher Bericht des Instituts für Kunststoffverarbeitung an der Technischen Hochschule Aachen "Langfaserverstärkung im RIM-Verfahren", 1989, bzw. Druckschrift "Reaktive Extrusion - Polymersynthese im Kunststoffbetrieb" des Instituts für Kunststoffverarbeitung an der Technischen Hochschule Aachen). Als in Frage kommende Verstärkungseinlagen werden dabei Glas-, Kohlenstoff-, Metallfasern, hochfeste polymere Fasern und Standard-Filamente erwähnt (vgl. dazu Seite 23 der erstgenannten Veröffentlichung).

Im Rahmen der Erfindung können ggf. Zusätze zur Anwendung kommen (beispielsweise Aktivatoren, Katalysatoren, Füllstoffe, Farbstoffe) unter der Voraussetzung, daß sie sich im Hinblick auf die Wiederaufbereitbarkeit nicht störend auswirken, sich also insoweit möglichst neutral oder inert verhalten.

Im Hinblick auf die Festigkeitseigenschaften des wiederaufbereitbaren Faserverbundwerkstoffs ist die Durchführung des Verfahrens mit Synthesefasern besonders vorteilhaft, deren Schmelzbereich vollständig oberhalb des Schmelzbereichs des Matrix-Werkstoffs liegt (Anspruch 2). Auf diese Weise läßt sich ggf. durch Recyclieren ein Aufbereitungswerkstoff gewinnen, welcher hinsichtlich seiner Festigkeitseigenschaften (insbesondere Elastizitätsmodul, Schlagzähigkeit, Zugfestigkeit) mit dem Matrix-Werkstoff im Ausgangszustand vergleichbar ist oder diesen sogar übertrifft.

Das Verfahren kann weiterhin in der Weise ausgestaltet sein, daß das reaktive Gemisch in den Reaktor injiziert wird, nachdem in diesen zuvor die Synthesefasern eingebracht worden sind (Anspruch 3). Die Synthesefasern können dabei in den unterschiedlichsten, ggf. auch miteinander kombinierten Erscheinungsformen im Reaktor vorliegen, beispielsweise als Endlosfasern in Form mehrdimensionaler Gewebe, als unidirektionale oder multiaxiale Gelege oder Gewirke, als gerichtet oder statistisch verteilte Kurz-, Mittel- oder Langschnittfasern.

Eine andersartige Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Synthesefasern zumindest zum Teil mit dem reaktiven Gemisch in den Reaktor injiziert werden (Anspruch 4). Der wiederaufbereitbare Faserverbundwerkstoff läßt sich dabei in der Weise erzeugen, daß die Synthesefasern geschnitten oder als Endlosfasern über eine Zuführeinrichtung, insbesondere in Gestalt einer Beschickungsschnecke, dem reaktiven Gemisch zugeführt werden. In Verbindung mit Kolbenaggregaten kann eine Verarbeitung durch Spritzgießen oder Blasformen erfolgen.

Eine kombinierte Vorgehensweise ergibt sich dadurch, daß die Synthesefasern jeweils teilweise in den Reaktor eingebracht (Anspruch 3) bzw. mit dem reaktiven Gemisch in diesen injiziert werden (Anspruch 4).

Abweichend von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann der wiederaufbereitbare Faserverbundwerkstoff auch mittels eines eines Extrusionsvorgangs hergestellt werden (Anspruch 5), beispielsweise durch Behandlung der Synthesefasern und des reaktiven Gemischs in einem Zweischneckenkneter.

Theoretisch kann der Anteil an Synthesefasern im Faserverbundwerkstoff sehr hoch sein (d. h. bis zu 99 Gew.-% betragen).

Falls der wiederaufbereitbare Faserverbundwerkstoff für die Herstellung technischer Bauteile bestimmt ist, sollten die Synthesefasern derart eingebracht werden, daß ihr Anteil zwischen 15 bis 60 Gew.-% des Faserverbundwerkstoffs beträgt (Anspruch 6).

Als den Matrix-Werkstoff und die Synthesefasern bildende thermoplastische Kunststoffe kommen insbesondere thermoplastische Polyester (PET, PBT, PC), Polyamide (z. B. Polyamid 6, Polyamid 6.6) oder Polystyrol in Frage.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Fließschemas erläutert. Als monomere Ausgangskomponente 1 kommt dabei ε-Caprolactam zur Anwendung, welches nebst Aktivator 2 und Katalysator 3 in einen Reaktor 4 eingebracht wird, welcher aus Polyamid hergestellte Synthesefasern 5 enthält.

Im Reaktor 4 läuft eine anionische Polymerisation ab, in welcher das reaktive Gemisch aus den Bestandteilen 1 bis 3 vollständig auspolymerisiert und dabei den mit den Synthesefasern 5 verbundenen Matrix-Werkstoff bildet. Der den Reaktor 4 verlassende Faserverbundwerkstoff 6 besteht aus mit Polyamidfasern verstärktem Polyamid 6.

Dieses Erzeugnis ist im Sinne der erfindungsgemäßen Lehre insoweit wiederaufbereitbar, als die Synthesefasern 5 und der im Reaktor 4 gebildete Matrix-Werkstoff der gleichen Kunststoffamilie angehören und dementsprechend nach dem Recycling einen sortenreinen Kunststoff bilden; dieser läßt sich - abhängig von den geforderten Eigenschaften - erneut ggf. auch als Matrix-Werkstoff einsetzen.

Im Hinblick auf die Wiederverwendung günstige Eigenschaften lassen sich durch das Zusammenwirken von Matrix-Werkstoffen und Synthesefasern mit zumindest sehr ähnlicher Struktur erzielen, deren Schmelzbereiche voneinander getrennt liegen. Falls also die untere und obere Temperaturgrenze des Schmelzbereichs des Matrix-Werkstoffs unterhalb der unteren Temperaturgrenze des Schmelzbereichs der Synthesefasern liegt, kann der Matrix-Werkstoff im Rahmen eines Wiederaufbereitungsvorgangs aufgeschmolzen werden, wobei die durch die eingelagerten Synthesefasern vorgegebene Faserstruktur (zumindest teilweise) erhalten bleibt. Der dann vorliegende Aufbereitungswerkstoff weist u. U. Festigkeitseigenschaften auf, welche besser sind als diejenigen des Matrix-Werkstoffs allein im Ausgangszustand.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines wiederaufbereitbaren Faserverbundwerkstoffs mit einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff und mit aus Fasern aufgebauten Verstärkungseinlagen, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungseinlagen Synthesefasern aus einem thermoplastischen Kunststoff - dessen Struktur derjenigen des Matrix-Werkstoffs zumindest sehr ähnlich ist - in einen Reaktor eingebracht werden, wobei die untere und obere Temperaturgrenze des Schmelzbereichs der Synthesefasern jeweils höher liegt als die untere bzw. obere Temperaturgrenze des Schmelzbereichs des Matrix-Werkstoffs bei sich allenfalls teilweise überlappenden Temperaturbereichen der beiden Schmelzbereiche, und daß die Synthesefasern in dem Raktor mit einem reaktiven Gemisch mit zumindest einem Monomer getränkt werden, welches erst anschließend vollständig auspolymerisiert und dabei die Matrix bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Synthesefasern eingebracht werden, deren Schmelzbereich vollständig oberhalb des Schmelzbereichs des Matrix-Werkstoffs liegt.

3. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Gemisch in den Reaktor injiziert wird, nachdem in diesen zuvor die Synthesefasern eingebracht worden sind.

4. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Synthesefasern zumindest zum Teil mit dem reaktiven Gemisch in den Reaktor injiziert werden.

5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Synthesefasern und das reaktive Gemisch einem Extrusionsvorgang unterworfen werden.

6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Synthesefasern derart eingebracht werden, daß ihr Anteil zwischen 15 bis 60 Gew.-% des Faserverbundwerkstoffs beträgt.