Die Erfindung betrifft gut dosierbare cellulosische Formkörper mit nichtrundem Querschnitt und deren Verwendung in Verbundwerkstoffen, wobei sie insbesondere mittels Mischaggregaten in Schmelzen eindosiert werden.

Cellulosische Fasern werden in zunehmendem Maße zur Verstärkung von Matrixmaterialien wie Polypropylen oder anderen Polymeren in

Verbundwerkstoffen verwendet und ersetzen dort beispielsweise Glasfasern. Die Vorteile von cellulosischen Fasern gegenüber Glasfasern liegen in deren geringerem spezifischen Gewicht sowie in der verbesserten Entsorgbarkeit, da sie sich beispielsweise zusammen mit dem Matrixmaterial leicht verbrennen lassen oder im Falle biologisch abbaubarer Matrixmaterialien zusammen mit diesen abgebaut werden.

Geeignete cellulosische Fasern können auf unterschiedlichem Wege hergestellt werden. Am einfachsten ist die Verwendung von Baumwolle und anderen Naturfasern wie Hanf oder Flachs, die bereits von Natur aus faserförmig vorliegen. Problematisch ist dabei jedoch die den Naturprodukten inhärente Ungleichmäßigkeit der Fasern bei Dicke, Länge und Oberflächenbeschaffenheit. Diese Ungleichmäßigkeiten verursachen eine aufwendigere Verarbeitung. So müssen sie gegebenenfalls auf eine gleichmäßige Länge geschnitten werden. Abgesehen von der Baumwolle sind die Naturfasern für Hochleistungsverbundwerkstoffe außerdem zu grob, so dass sich keine einheitliche Verteilung im Matrix-Werkstoff und keine ausreichende Oberfläche zwischen Faser und Matrix ergibt. Viele der Naturfasern neigen zusätzlich zu starkem Vergilben oder weisen einen unangenehmen Geruch auf.

Ebenso ist die Verwendung von Zellstofffasern möglich, die auf bekanntem Wege mittels Zellstoffkochverfahren aus Holz hergestellt werden. Handelsübliche Zellstoffe werden jedoch nach der Herstellung in Blätter bzw. Rollen verpreßt und getrocknet. Die Fasern lassen sich anschließend sehr schlecht aus dem verpreßten Blatt vereinzeln. Zudem hängt die Reinheit des Zellstoffes von der Art der Kochung ab sowie davon, ob Papier- oder Chemiezellstoff verwendet wird. Dies wiederum wirkt sich auf die Festigkeiten sowohl der Einzelfaser als auch des fertigen Verbundwerkstoffs aus. Lignin als Begleitstoff insbesondere in billigen Zellstoffen stört, da sich ein so hergestellter Verbundwerkstoff dunkelbraun verfärben kann. Weiterhin zersetzt sich das Lignin, das thermisch nur bis etwa 150 ⁰ C im Verformungsprozess stabil ist, und führt zu Emissionen, welche diese

Verbundwerkstoffe von vielen Anwendungen, z.B. im Automotive Innenraum, ausschließen.

Durch ebenfalls bekannte Spinnverfahren lassen sich dagegen besser definierte und in ihren Eigenschaften verbesserte und an den

Verwendungszweck angepasste cellulosische Kunstfasern wie Viskose oder

Lyocell herstellen.

Die cellulosischen Fasern werden üblicherweise über eine Dosierschnecke in einen Extruder eingebracht und dort mit dem Polymer gemischt. Aufgrund der guten Faser-Faser-Haftung sind die einzelnen Fasern jedoch nur schlecht rieselfähig und es kann beispielsweise zur sogenannten Brückenbildung im

Dosiertrichter der Dosierschnecke und nachfolgender Verstopfung kommen.

Das hat zur Folge, dass die Fasern nur sehr ungleichmäßig dosiert werden können, was wiederum zur Folge hat, dass es erhebliche Qualitätsschwankungen beim faserverstärkten Polymer gibt.

Es gab daher bereits Ansätze zur Verbesserung der Dosierfähigkeit dieser cellulosischen Fasern. So beschreibt beispielsweise die WO 2006/032406 die Behandlung eines Spinnfaserstrangs mit einer wässrigen Dispersion zum Aufbringen einer Schlichte. Mit dieser Schlichte wird ein Zusammenhalt der einzelnen Fasern geschaffen. Anschließend wird dieser schlichtehaltige Strang zu rieselfähigen Faserbündeln zerkleinert. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass mit den Faserbündeln ein zusätzlicher Stoff, nämlich die Schlichte, in die Verbundwerkstoffe eingebracht wird. Dort kann sie die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Faser-Matrix- Wechselwirkungen, die für die Wirksamkeit der Faserverstärkung wesentlich sind, in unerwünschtem Maß beeinflussen. Zudem erfordert das Verfahren der WO 2006/032406 umfangreiche Eingriffe direkt an der Spinnmaschine wie beispielsweise das Aufbringen und Trocknen der Schlichte oder das Zusammenführen und Verdrillen mehrerer Spinnfaserstränge vor der Schneidemaschine. Durch das Verdrillen verschlechtert sich die Öffnungswilligkeit der Bündel.

Die EP 1436130 sowie die WO 03/016011 offenbaren sogenannte

Pultrusionsverfahren, in denen ein Spinnfaserstrang zunächst gemeinsam mit dem Matπxpolymer durch eine Düsenöffnung austritt, dabei mit dem Matrixpolymer ummantelt wird und der erstarrte Strang anschließend zu Granulat zerkleinert wird, das sich gut dosieren lassen soll. Diese Pultrusionsverfahren erfordern neben einem erheblichen Aufwand für die Pultrusionseinheit auch eine frühe Festlegung auf das Matrix-Polymer, dem die cellulosische Faser zugemischt werden soll.

Eine weitere Variante zur Herstellung von leicht dosierbaren Granulaten, die sowohl Verstärkungsfasern als auch ein thermoplastisches Matrix-Polymer enthalten, ist in EP 1097033 beschrieben. Hierbei wird ein Strang, der sowohl das Verstärkungsfasermaterial, beispielsweise cellulosische oder auch mineralische Fasern als auch das Matrixpolymer jeweils in Form endloser Filamente enthält, durch eine beheizte Öffnung gezogen, so dass die Matrixfilamente (teilweise) schmelzen und die Verstärkungsfasern in die geschmolzene Masse eingebunden werden. Gleichzeitig wird der Faserstrang beim Durchziehen verdreht, so dass die Verstärkungsfasern spiralförmig in dem anschließend zu Granulat geschnittenen Strang vorliegen. Diese spiralförmige Lage bewirkt, dass die Verstärkungsfasern eine größere Länge aufweisen als die einzelnen Granulatteilchen selbst. Dieses Verfahren soll im Vergleich zum einfachen Pultrusionsverfahren energetisch günstiger sein, hat aber ansonsten die gleichen prinzipiellen, oben bereits genannten Nachteile. In der Literatur finden sich auch Erwähnungen von cellulosischen Kunstfasern mit bändchenförmigem, also vermutlich rechteckigem Querschnitt. So betrifft beispielsweise die Erfindung gemäß DD 247 928 eine Großspinneinrichtung zum Verspinnen von Viskose zur Herstellung von Fäden, Fasern und Bändchen. Ein Ausführungsbeispiel für ein Bändchen oder ein anderer konkreter Hinweis darauf, dass dies jemals realisiert wurde, ist jedoch nicht enthalten. In der DE 0969389 wurde im Beispiel 4 ein Bändchen nach dem Viskoseverfahren hergestellt.

In den Lenzinger Berichten 76/1997 ist auf S.127, die Möglichkeit erwähnt, bändchenförmige Filamente nach dem Lyocell-Verfahren herzustellen. Diese sollen für Bindegarne und Netzverpackungen eingesetzt werden. In Chemiefasern/Textilindustrie, 44796. Jahrgang, 1994, S. 701 werden ebenfalls Bändchenfasern aus Lyocell als mögliche Entwicklung erwähnt. Sonstige Anwendungen für cellulosischen Kunstfasern mit rechteckigem Querschnitt finden sich in der Literatur jedoch nicht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand daher darin, cellulosische Formkörper in einer solchen Art und Weise zur Verfügung zu stellen, dass die cellulosischen Formkörper im Vergleich zum bekannten Stand der Technik besser dosierbar sind und gleichzeitig die Verstärkungseigenschaften dieser Formkörper im Verbundmaterial verbessert werden.

Diese Aufgabe konnte überraschend gelöst werden durch cellulosische Formkörper mit nichtrundem Querschnitt, bevorzugt mit rechteckigem Querschnitt zur Verstärkung in Verbundmaterialien. Besonders günstig für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist es, wenn das Kantenverhältnis a/b des Querschnitts mindestens 2:1 , bevorzugt mindestens 4:1 beträgt.

Die Formkörper können vor der weiteren Verwendung mit einer Gleitavivage überzogen werden. Dabei ist auf einen möglichst geringen Avivagegehalt zu achten, um wie oben beschrieben die späteren Verbundmaterialeigenschaften möglichst wenig zu beeinflussen. Im Allgemeinen sollte ein Avivagegehalt von 0,2 bis 2,5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse der avivierten Formkörper nicht überschritten werden. Außerdem richtet sich die Art der Gleitavivage nach dem jeweils vorgesehenen Matrixpolymeren. So ist beispielsweise eine apolare Avivage für die Verwendung in apolaren thermoplastischen Matrixpolymeren sehr gut geeignet. Insbesondere zur Herstellung von

Verbundmaterialien mit einer Matrix aus Polyolefinen ist als Gleitavivage ein Silikonöl gut geeignet.

Die cellulosischen Formkörper können grundsätzlich nach jedem der hierfür allgemein bekannten Verfahren ersponnen werden, wobei je nach gewünschter Querschnittsform geeignete Düsen verwendet werden müssen. Nach den jeweils erforderlichen Koagulations-, Wasch- und eventuell weiteren Nachbehandlungsschritten wird der Formkörperstrang mittels dem Fachmann bekannter Schneidmaschinen auf die gewünschte Länge geschnitten und auf den erforderlichen Feuchtegehalt getrocknet. Je nach den Gegebenheiten vor Ort werden die Formkörper, beispielsweise für einen Transport, auch auf geringe Feuchtegehalte getrocknet und vor dem Verpressen wieder auf den notwendigen Wert befeuchtet, beispielsweise durch Besprühen. Je nach Erfordernis wird auf die Formkörper eine Gleitavivage aufgebracht.

Bevorzugt werden die cellulosischen Formkörper nach dem Viskose-, Modaloder Lyocell-Verfahren hergestellt. Auch Mischungen aus mindestens zwei dieser Faserarten können beispielsweise gemeinsam zu Pressungen verarbeitet werden.

Die erfindungsgemäßen cellulosischen Formkörper weisen bevorzugt einen Titer im Bereich 0,1 bis 15,0 dtex, bevorzugt zwischen 1 ,3 und 9,0 dtex und eine Schnittlänge im Bereich 0,5 bis 15,0 mm, bevorzugt zwischen 3,0 und 10,0 mm auf.

Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass aufgrund der guten Verteilung der Einzelformkörper im Matrix-Polymeren eine geringere Menge an Einzelformkörpern notwendig ist, um die gleichen mechanischen Eigenschaften zu erzielen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung der oben beschriebenen cellulosischen Formkörpern zur Verstärkung in polymerhaltigen Verbundmaterialien, wobei die Formkörper mittels einer Dosiervorrichtung in eine Schmelze des Polymeren eingebracht und anschließend mit der Polymerschmelze vermischt werden. Bevorzugt erfolgt diese Einmischung in einem entsprechend ausgerüsteten Extruder oder Kneter. Geeignete Apparate hierfür sowie geeignete Dosiereinrichtungen sind dem Fachmann bekannt. Als Dosiereinrichtungen eignen sich vor allem gravimetrisch arbeitende, für Granulate ausgelegte Geräte, beispielsweise gravimetrische Schneckendosierer.

Insbesondere die mit einer Gleitavivage versehenen erfindungsgemäßen Formkörper lassen sich wesentlich besser in einer üblichen Dosiereinheit dosieren als ansonsten vergleichbare Fasern, die aber einen runden Querschnitt aufweisen. Eine Pelletierung ist für die erfindungsgemäßen Formkörper nicht zwingend notwendig.

In einer weiteren, bevorzugten Form der erfindungsgemäßen Verwendung werden die cellulosischen Formkörper vor dem Einfüllen in die Dosiereinheit zu Pressungen, sogenannten Pellets, geformt.

Die Länge der Presslinge ist für den Erfolg der Erfindung nicht entscheidend. Bei dem unten beschriebenen Verfahren zur Herstellung der Presslinge entstehen diese jedoch meist in einer Länge von 1,0 - 30,0 mm. Da sie nicht durch Bindemittel oder Schlichte zusammengehalten werden, können sie sogar zu Stäbchen kürzerer Länge zerbrechen, ohne dass dies die spätere Dosierfähigkeit beeinträchtigt.

Die Stabilität der Pellets kann, falls gewünscht, insbesondere durch das Zumischen von etwa 0,01 bis 25 Gew.-% eines handelsüblichen

Schmelzklebers zu den Fasern erhöht werden. Der Schmelzkleber kann in Pulverform vor dem Pelletieren mit den Fasern vermischt werden. Im späteren Verbundwerkstoff wirken sich diese geringen Mengen an Schmelzkleber erfahrungsgemäß nicht negativ aus.

Für spezielle Anwendungen kann bereits vor oder während der Herstellung der Presslinge ein Anteil eines Polymeren und/oder auch eines oder mehrerer anderer Additive wie beispielsweise Haftvermittler zugegeben werden. Auch wenn die erfindungsgemäßen Formkörper ohne zwischenzeitliche Pelletierung in das Matrixpolymer eingemischt werden sollen, können sie mit einem Haftvermittler versehen werden.

Als Haftvermittler zwischen Cellulose und Polypropylen eignet sich unter anderem MAPP (Maleinsäureanhydrid-gepfropftes Polypropylen). Weitere Beispiele für mögliche Additive sind alle in der Kunststoffverarbeitung üblichen Zusatzstoffe, wie z.B. Stabilisatoren, Farbstoffe, UV-Schutz, Pigmente und Eigenschaftsverbesserer wie z.B. Schlagzähigkeitsmodifikatoren.

Hauptsächlich betrifft die Erfindung jedoch Presslinge, die noch keinen Anteil eines Matrixpolymeren enthalten.

Dieses Verfahren besteht darin, dass cellulosische Formkörper mit einem Titer im Bereich 0,1 bis 15,0 dtex und einer Schnittlänge im Bereich 0,5 bis 15,0 mm in einer Formgebungseinrichtung durch Formgebungskanäle gepresst werden. Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das L/D-Verhältnis dieser Formgebungskanäle. Es sollte zwischen 1 :1 und 4:1, bevorzugt zwischen 1 :1 und 3:1 betragen, wobei L die Länge und D der Durchmesser des zylindrischen Teils eines

Formgebungskanals ohne Einlauf- und Entlastungskonus ist. Dieses L/D- Verhältnis beeinflusst wesentlich die Verdichtung, die die Formkörper im Pressung erfahren. Dies hat Auswirkungen auf die Wiederauflösbarkeit der Presslinge sowie auf die beim Pressen stattfindende Formkörperschädigung. Die erhaltenen Presslinge weisen einen Durchmesser von 2,0 bis 10,0 mm sowie eine Länge von meistens 1 ,0 - 30,0 mm auf. Um die Schädigung der Formkörper gering und die Wiederauflösbarkeit beim Einmischen in das Matrix-Polymer hoch zu halten, ist in den Formkörpern vor dem Pelletiervorgang eine Feuchte von 30 bis 80 Gew.-% Wasser einzustellen. Das Wasser wird nur zur Herstellung der Pellets verwendet. Es dient sozusagen als Weichmacher für die Fasern. Das Wasser trocknet teilweise beim Pelletiervorgang, der aufgrund der wirkenden mechanischen Kräfte und Reibung Wärme entwickelt, wieder ab. Die Pellets werden im Anschluß auf Konditionierfeuchte getrocknet.

Wenn die Formkörpern vor dem Pelletiervorgang mit einer Gleitavivage, insbesondere einem Silikonöl, versehen wurden, ist eine derartige Befeuchtung nicht notwendig, da bereits die Avivage die Formkörperschädigung gering und die Wiederauflösbarkeit hoch hält.

Die Kurzschnittformkörper können mit einer grob arbeitenden

Dosiereinrichtung, deren Genauigkeit und Gleichmäßigkeit nicht für die Herstellung von Verbundwerkstoffen geeignet wäre, die aber gegen Verstopfungen durch die Formkörper nicht empfindlich ist, in die Formgebungseinrichtung eindosiert werden. Als Formgebungseinrichtung ist beispielsweise eine Flachmatrizenpresse geeignet, wobei die Formkörper, zum Beispiel mittels eines Kollergangs durch eine Matrize, d. h. eine Platte mit regelmäßig angeordneten Formgebungskanälen gepresst werden.

In einer solchen Flachmatrizenpresse werden die zu pelletierenden Formkörper in den Pressenraum gegeben und bilden auf der Matrize eine Materialschicht. Durch die Rollen des Kollergangs wird die Formkörperschicht vorverdichtet und in die Formgebungskanäle gedrückt. In diesen Formgebungskanälen findet die Verdichtung zu den Pellets statt. Der Abstand zwischen den Rollen des Kollergangs und der Matrize sollte verstellbar sein, um eine Anpassung auf unterschiedliche Formkörper sowie einen Ausgleich der Materialabnutzung zu ermöglichen. In den Formgebungskanälen werden die Formkörper weiter verdichtet und zu zylindrischen Strängen geformt, die unterhalb der Matrize austreten. Dort wird der Strang, beispielsweise durch ein rotierendes Messer auf die gewünschte Länge abgeschnitten und die so erhaltenen Pellets aus der Formgebungseinrichtung ausgetragen.

Um größere Mengen der erfindungsgemäßen Pellets herzustellen, ist eine sogenannte Ringmatrizenpresse noch besser geeignet als die Flachmatrizenpresse.

Die aus der Formgebungseinrichtung austretenden Presslinge können unmittelbar oder nach geeigneter Zwischenlagerung, Transport etc. mittels bekannter Dosiereinrichtungen für. Granulate etc. in einen Schmelzextruder eindosiert und dort mit dem jeweiligen Matrixpolymer gemischt werden. Durch die in einem solchen Extruder auftretenden Scherkräfte werden die Presslinge schnell vollständig zerteilt und die Einzelfasern können dadurch sehr homogen im Matrixpolymer verteilt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels beschrieben. Die Erfindung ist jedoch ausdrücklich nicht auf dieses Beispiel beschränkt, sondern umfasst auch alle anderen Ausführungsformen, die auf dem gleichen erfinderischen Konzept beruhen.

Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel):

Lyocellfasern mit einem Titer von 6,7 dtex wurden auf die bekannte Weise ersponnen und im Faserkabel gewaschen, nachbehandelt, mit einer Silikonavivage behandelt und getrocknet. Erst im getrockneten Zustand wurden diese Fasern mit einer Guillotine-Schneidmaschine auf eine Stapellänge von 6 mm geschnitten. Dadurch wurden sogenannte Stapel erhalten. Das sind Faserbündel, die an der Schnittstelle durch die Schneidmaschine so weit verpresst sind, dass sich ein gewisser Zusammenhalt der Einzelfasern ergibt. Diese Stapel ließen sich zwar deutlich schlechter dosieren als die erfindungsgemäß hergestellten Pellets, aber eine Dosierung war mit der eingesetzten Versuchsvorrichtung immerhin grundsätzlich möglich. Diese Stapel wurden daher ohne zwischengeschaltetes Verpressen bei ansonsten gleichbleibenden Versuchsbedingungen in den Schmelzextruder dosiert, unter Zugabe eines von 3 Gew.-% Haftvermittler, bezogen auf die Gesamtmasse des Verbundwerkstoffs, mit einer Schmelze eines handelsüblichen Polypropylens vermischt und Probekörper für Zugversuche hergestellt. Tabelle 1 zeigt die Messergebnisse („Faser").

Beispiel 2 (erfindungsgemäß):

Unter ansonsten gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 wurden unter Verwendung von schlitzförmigen Düsen mit einem Kantenverhältnis von 1000 : 80 Lyocellformkörper mit einem Titer von 6,7 dtex, einer Schnittlänge von 6 mm und rechteckigem Querschnitt hergestellt (a= 61 μm, b= 8 μm, d. h. Kantenverhältnis a:b = 7:1) ersponnen und Probekörper für Zugversuche hergestellt. Tabelle 1 zeigt die Messergebnisse („Bändchen").

Tabelle 1