DE19711247A1 - Thermoplastic pellets reinforced with natural fibres - Google Patents

Thermoplastic pellets reinforced with natural fibres

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Abstract

Pellets containing long fibres, especially with natural fibre reinforcement, are made by heating hybrid slivers of reinforcement fibres and matrix fibres, compacting them by twisting and forming a continuous strand.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Langfasergranulat auf der Basis von Hybridbändern.The invention relates to a method for producing long fiber granules based on hybrid tapes.

Langfasergranulate oder auch Langfaserpellets werden seit ca. 10 Jahren am Markt angeboten. Aufgrund der großen Faserlängen, die im Idealfall der Granulatlänge entsprechen, können mit langfaserverstärkten Thermoplasten höhere mechanische Eigenschaften als mit thermoplastischen Kurzfaserver­ bunden erzielt werden. Vor allem das große Energieaufnahmevermögen bei schlag- oder stoßartiger Beanspruchung und das sichere Bruchverhalten (kein Splitterbruch) zeichnen die langfaserverstärkten Thermoplaste aus. Die Herstellung von Langfasergranulaten bzw. Langfaserpellets wird haupt­ sächlich mit Hilfe des Schmelze-Pultrusionsverfahren realisiert. Grund­ prinzip dieses Verfahrens ist der kontinuierliche Einzug von Verstärkungs­ fasersträngen (Rovings) in ein Werkzeug unter gleichzeitiger Zuführung von geschmolzenem Matrixmaterial. Die Rovings werden im Werkzeug aufgespreizt, um eine gute Tränkung zu sichern. Im Idealfall durchdringt die Polymer­ schmelze die Rovings und die Einzelfilamente werden mit einem Schmelzefilm umhüllt. Am Ausgang des Werkzeuges wird der Strang durch eine Düse ge­ führt, wodurch ein definierter Querschnitt entsteht. Im Anschluß daran erfolgt die Abkühlung des Matrixmaterials und die Ablängung des Material­ stranges. Die Faserlänge in einem so erzeugten Granulat entspricht, durch die gestreckte Lage der Fasern, der Granulatlänge.Long fiber granules or long fiber pellets have been around for about 10 years Market offered. Because of the large fiber lengths, which ideally the Granulate length can match with long fiber reinforced thermoplastics higher mechanical properties than with thermoplastic short fiber comp can be achieved. Above all, the large energy absorption capacity sudden or sudden stress and safe breaking behavior The long fiber reinforced thermoplastics are characterized by no broken fragments. The production of long fiber granules or long fiber pellets becomes main Realized using the melt pultrusion process. Reason the principle of this process is the continuous pulling in of reinforcement fiber strands (rovings) in a tool with simultaneous feeding of molten matrix material. The rovings are spread out in the tool, to ensure a good watering. Ideally, the polymer penetrates melt the rovings and the single filaments with a melt film envelops. At the exit of the tool, the strand is passed through a nozzle leads, which creates a defined cross-section. After that the matrix material is cooled and the material is cut to length stranges. The fiber length in a granulate produced in this way corresponds to the stretched position of the fibers, the length of the granules.

Das Schmelze-Pultrusionsverfahren ist in einer Vielzahl von Varianten bekannt und wird sowohl zur Herstellung von Langfasergranulat als auch zur Fertigung von Halbzeugen eingesetzt (siehe JP-PS 08047924, JP-PS 06320536, US-PS 3.993.726, GB-PS 1.439.327, JP-PS 06315931).The melt pultrusion process is in a variety of variants is known and is used both for the production of long-fiber granules and Production of semi-finished products used (see JP-PS 08047924, JP-PS 06320536, US-PS 3,993,726, GB-PS 1,439,327, JP-PS 06315931).

Weiterhin sind auch Pultrusionsverfahren zur Prepregverarbeitung bekannt. Bei diesen speziellen Pultrusionsverfahren kann die Zuführung von ge­ schmolzenem Polymermaterial entfallen. Voraussetzung dafür ist die Verwen­ dung von vorimprägnierten Verstärkungsfaserrovings (Prepregs). Die Impräg­ nierung der Verstärkungsfasern mit dem Matrixmaterial kann auf verschie­ dene Art und Weise erfolgen. Die gebräuchlichsten Methoden zur Prepreg­ herstellung sind Schmelze-, Lösungs- und Pulverimprägnierverfahren sowie die Hybridgarntechnik. Pultrusion processes for prepreg processing are also known. With these special pultrusion processes, the supply of ge molten polymer material are eliminated. Use is a prerequisite for this of pre-impregnated reinforcing fiber rovings (prepregs). The imprint Nation of the reinforcing fibers with the matrix material can be different that way. The most common methods of prepreg manufacturing are melt, solution and powder impregnation processes as well the hybrid yarn technology.  

Bei der Pultrusion von vorimprägnierten Verstärkungsfaserrovings wird der Roving zunächst in einer Vorheizzone aufgeheizt. Dadurch wird das Matrix­ material aufgeschmolzen. Anschließend erfolgt die Ausformung in einer be­ heizten Formdüse. Zur Konsolidierung und Abkühlung passiert das Material noch eine Kühldüse. Im Anschluß daran kann der Strang einem Granulator zugeführt und zu Pellets abgelängt werden. Die Herstellung von Halbzeugen wie z. B. Rohre oder Profile ist nach dem selben Prinzip ebenfalls möglich (vgl. Müller, W.: "Pultrusion von Faserverbundwerkstoff" Kunststoffbera­ ter 12/1991, S. 22-30; Michaeli, W.: "Fertigung von Bauteilen im Pultru­ sions- und Wickelverfahren" Kunststoffberater 6/1995, S. 29-33).In the pultrusion of pre-impregnated reinforcing fiber rovings, the Roving is first heated in a preheating zone. This will make the matrix material melted. Then the molding takes place in a be heated mold nozzle. The material passes through for consolidation and cooling another cooling nozzle. Subsequently, the strand can be a granulator fed and cut into pellets. The production of semi-finished products such as B. pipes or profiles is also possible according to the same principle (cf. Müller, W .: "Pultrusion of fiber composite material" Kunststoffbera ter 12/1991, pp. 22-30; Michaeli, W .: "Production of components in the Pultru sions- and winding process "Kunststoffberater 6/1995, S. 29-33).

Voraussetzung zur Verarbeitung von Faserverbunden im Pultrusionsprozeß ist jedoch in jedem Fall ein strangförmiges Fasermaterial-Halbzeug (Roving oder Fasergarn), welches höhere Zugkräfte (≧ 10 N) übertragen kann. Bei Einsatz von Verstärkungsfaserstoffen wie Glas-, Aramid- und Kohlenstoff­ fasern ist das kein Problem, da die Verstärkungsfasern bei der Herstellung kontinuierlich aus Düsen abgezogen und zu Rovings gefacht werden. Derar­ tige Rovings können bei der Pultrusion von Spulen abgewickelt und mit hohen Zugkräften beaufschlagt werden.The prerequisite for processing fiber composites in the pultrusion process is however in any case a strand-like semi-finished fiber material (roving or fiber yarn), which can transmit higher tensile forces (≧ 10 N). At Use of reinforcing fibers such as glass, aramid and carbon Fibers is not a problem because the reinforcing fibers are used in the production continuously withdrawn from nozzles and folded into rovings. Derar rovings can be unwound during pultrusion and with high tensile forces are applied.

Neben den synthetischen Verstärkungsfasern sind jedoch auch Naturfasern wie z. B. Flachs-, Hanf-, Nessel-, Jute- u. a. Pflanzenfasern zur Verstär­ kung von Kunststoffen geeignet. Aufgrund ihres natürlichen Ursprungs kön­ nen die Naturfasern aber nur mit einer begrenzten Faserlänge aufgeschlos­ sen werden. Aus diesem Grund ist der Einsatz derartiger Fasermaterialien in kontinuierlichen Verarbeitungsprozessen wie z. B. dem Wickel- und Pul­ trusionsverfahren problematisch. Zur Erzeugung eines endlosen textilen Halbzeuges aus Naturfasern ist erst eine Band- und anschließend eine Garn­ erzeugung erforderlich. Die Zugfestigkeit derartiger Fasergarne hängt neben den Fasereigenschaften vor allem von der Anzahl der erteilten Dre­ hungen ab. Fasergarne mit wenig Drehung haben in der Regel nur geringe Zugfestigkeiten (< 10 N) und eignen sich nicht für die Verarbeitung im Pultrusionsverfahren. Höherfeste Garne können durch die Erteilung einer starken Drehung erzeugt werden, sind aber durch die zunehmende Kompaktie­ rung des Materials nur schwer aufschmelzbar. Außerdem ist der Herstel­ lungsprozeß aufwendig und teuer.In addition to the synthetic reinforcing fibers, there are also natural fibers such as B. flax, hemp, nettle, jute u. a. Plant fibers for reinforcement suitable for plastics. Due to their natural origin, However, the natural fibers are only unlocked with a limited fiber length will be. For this reason, the use of such fiber materials in continuous processing processes such as B. the winding and pul trusion process problematic. To create an endless textile Semi-finished products made of natural fibers are first a ribbon and then a yarn generation required. The tensile strength of such fiber yarns depends in addition to the fiber properties, especially the number of Dre given depended. As a rule, fiber yarns with little twist have only minor twists Tensile strengths (<10 N) and are not suitable for processing in Pultrusion process. Higher strength yarns can be obtained by issuing a strong rotation are generated, but are due to the increasing compactness The material is difficult to melt. In addition, the manufacturer development process complex and expensive.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Herstel­ lung von Langfasergranulat auf der Basis von Hybridbändern aus Stapel­ fasern zu realisieren, die Dadurch kann der aufwendige und teure Garnherstellungsprozeß eingespart werden.The present invention is therefore based on the object, the manufacturer Long fiber granulate based on hybrid tapes from stacks to realize fibers This saves the time-consuming and expensive yarn manufacturing process will.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Hybridband (2) aus einer Fasermischung von Verstärkungs- und Matrixfasern in einer Vor­ heizzone (4) aufgeheizt und somit das Matrixmaterial aufgeschmolzen wird. Nach Verlassen der Vorheizzone durchläuft der aufgeheizte Materialstrang eine Heizdüse (5), die eine Kalibrierung des Strangquerschnittes bewirkt. Im Anschluß daran wird dem Materialstrang durch ein Drehorgan (6) eine be­ stimmte Anzahl Drehungen erteilt (10-150 Drehungen/m). Die Drehung des Materialstranges setzt sich durch die Heizdüse bis in die Vorheizzone fort und wird durch das Abzugswalzenpaar (3) begrenzt. Nach Verlassen der Heiz­ düse und Erteilung der Drehung durchläuft der Materialstrang eine Kühl­ strecke (7), um das geschmolzene Matrixmaterial abzukühlen und zu konsoli­ dieren. Dabei wird die dem Materialstrang erteilte Drehung über die Länge der Kühlstrecke durch ein zweites, gleich schnell rotierendes Drehorgan (8) konstant gehalten. Im Anschluß daran wird der Strang mit Hilfe eines Granulators (9) zu Pellets (Langfasergranulat) abgelängt.According to the invention this object is achieved in that a hybrid tape ( 2 ) from a fiber mixture of reinforcing and matrix fibers in a pre-heating zone ( 4 ) is heated and thus the matrix material is melted. After leaving the preheating zone, the heated strand of material passes through a heating nozzle ( 5 ), which calibrates the cross-section of the strand. Subsequently, the material strand is given a certain number of rotations (10-150 rotations / m) by means of a rotating member ( 6 ). The rotation of the material strand continues through the heating nozzle into the preheating zone and is limited by the pair of draw rollers ( 3 ). After leaving the heating nozzle and issuing the rotation, the strand of material runs through a cooling section ( 7 ) in order to cool and consolidate the molten matrix material. The rotation imparted to the strand of material is kept constant over the length of the cooling section by a second rotating element ( 8 ) rotating at the same speed. The strand is then cut into pellets (long-fiber granules) with the aid of a granulator ( 9 ).

Vorteil des Verfahrens ist die Möglichkeit, durch die Drehungserteilung (bei gleichzeitiger Aufheizung) auch Faserbänder aus Stapelfasern in einem kontinuierlichen Prozeß zu einem konsolidierten Strang auszuformen. Die Verstärkungsfasern werden durch die Drehungserteilung mit dem aufgeschmol­ zenen Matrixmaterial kontaktiert und verklebt. Der so erzeugte Strang kann deutlich höhere Zugkräfte übertragen als ein Faserband.The advantage of the procedure is the possibility of turning (with simultaneous heating) also slivers of staple fibers in one Form continuous process into a consolidated strand. The Reinforcing fibers are melted by the rotation with the zenen matrix material contacted and glued. The strand so produced can transfer significantly higher tensile forces than a sliver.

Dadurch können auch Naturfasern mit begrenzter Faserlänge (30 mm ≦ l ≦ 200 mm) in Verbindung mit niedrigschmelzenden Matrix-Fasern, wie z. B. Poly­ propylen- oder Polyethylenfasern, zur Langfasergranulaterzeugung einge­ setzt werden.This means that natural fibers with a limited fiber length (30 mm ≦ l ≦ 200 mm) in connection with low-melting matrix fibers, such as. B. Poly propylene or polyethylene fibers, used for long fiber granulate production be set.

Derartig hergestellte Langfasergranulate haben gegenüber konventionellen langfaserhaltigen Pellets außerdem noch den Vorteil, daß die Verstärkungs­ fasern, bedingt durch die Drehung des Materialstranges, spiralförmig ange­ ordnet sind. Die erzielbare Faserlänge in einem Granulatpartikel ist dadurch größer als die Granulatlänge.Long fiber granules produced in this way have compared to conventional ones Long fiber-containing pellets also have the advantage that the reinforcement fibers, due to the rotation of the strand of material, spiraled are arranged. The achievable fiber length in a granulate is therefore larger than the length of the granules.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Ein Hybridband aus Flachs- und Polypropylenfasern mit einer Bandfeinheit von 8 ktex, einer mittleren Faserlänge der Flachs- und polypropylenfasern von 40 mm und einem Flachsfasergehalt von 30 Gew.-% wird über eine 1,5 in lange Vorheizstrecke auf eine Temperatur von 200°C erhitzt. Nach Verlas­ sen der Vorheizstrecke durchläuft das Faserband eine auf 200°C geheizte Düse mit einem Durchmesser von 3 mm. Nach Verlassen der Düse werden dem Faserband 50 Drehungen/in erteilt. Anschließend wird das Material in einer nachgeschalteten Kühlstrecke auf 50°C abgekühlt und konsolidiert. Dabei wird die erteilte Drehung über die Länge der Kühlstrecke konstant gehal­ ten. Schließlich wird der Materialstrang mit Hilfe eines Granulators zu Pellets mit einer Länge von 20 mm abgelängt.A hybrid ribbon made of flax and polypropylene fibers with a ribbon fineness of 8 ktex, an average fiber length of flax and polypropylene fibers of 40 mm and a flax fiber content of 30 wt .-% is about a 1.5 in long preheating section heated to a temperature of 200 ° C. After leaving the preheating section, the sliver passes through a heated to 200 ° C Nozzle with a diameter of 3 mm. After leaving the nozzle Sliver 50 turns / in granted. Then the material is in a downstream cooling section cooled to 50 ° C and consolidated. Here the rotation given is kept constant over the length of the cooling section Finally, the strand of material is closed using a granulator Pellets cut to a length of 20 mm.

Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2

Ein Hybridband aus Hanf- und Polyproplenfasern mit einer Bandfeinheit von 10 ktex, einer mittleren Faserlänge der Hanf- und Polypropylenfasern von 60 mm und einem Hanffasergehalt von 20 Gew.-% wird über eine 1,5 m lange Vorheizstrecke auf eine Temperatur von 200°C erhitzt. Nach Verlassen der Vorheizstrecke durchläuft das Faserband eine auf 200°C geheizte Düse mit einem Durchmesser von 4 mm. Nach Verlassen der Düse werden dem Faserband 80 Drehungen/m erteilt. Der Materialstrang wird in der nachgeschalteten Kühlstrecke auf 50°C abgekühlt, konsolidiert und nach Verlassen der Kühl­ strecke zu Pellets mit einer Länge von 30 mm abgelängt.A hybrid tape made of hemp and polypropylene fibers with a tape size of 10 ktex, an average fiber length of the hemp and polypropylene fibers from 60 mm and a hemp fiber content of 20 wt .-% is about a 1.5 m long Preheating section heated to a temperature of 200 ° C. After leaving the The sliver passes through a preheating section through a nozzle heated to 200 ° C a diameter of 4 mm. After leaving the nozzle, the sliver 80 turns / m granted. The material strand is in the downstream Cooling section cooled to 50 ° C, consolidated and after leaving the cooling stretch to pellets with a length of 30 mm.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von Langfasergranulat, insbesondere mit Naturfaserverstärkung, dadurch gekennzeichnet, daß Hybridbänder aus Verstärkungsfasern und Matrixfasern aufgeheizt, durch eine Drehungs­ erteilung kompaktiert und zu einem Strang ausgeformt werden.1. A process for the production of long-fiber granules, in particular with natural fiber reinforcement, characterized in that hybrid tapes of reinforcing fibers and matrix fibers are heated, compacted by a rotation and formed into a strand. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der erteilen Drehungen in einem Bereich von 10 bis 150 Umdrehungen pro m liegt.2. The method according to claim 1, characterized in that the number of give rotations in a range of 10 to 150 revolutions per m lies. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixfasern einen Schmelzpunkt 210°C haben.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the Matrix fibers have a melting point of 210 ° C. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Natur­ faseranteil im Hybridband zwischen 10 und 60 Gew.-% liegt.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the nature fiber content in the hybrid belt is between 10 and 60% by weight. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Natur­ fasern im Hybridband eine mittlere Faserlänge zwischen 30 und 200 mm haben.5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the nature fibers in the hybrid belt have an average fiber length between 30 and 200 mm to have. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Band­ feinheit in einem Bereich von 5 bis 30 ktex liegt.6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that the band fineness is in a range from 5 to 30 ktex.
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