Technisches Anwendungsgebiet Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leichtbauteilen aus einem Faser- verbundwerkstoff, bei dem Holzfasern mit einem Thermoplast vermischt zur Formung des Leichtbauteils extrudiert werden. Die Erfindung betrifft ferner Leichtbauprofile, die mit dem Verfahren herstellbar sind.

Faserverbundwerkstoffe, so genannte Komposite, werden in zunehmendem Maße als Ersatz für reines Holz bei der Herstellung von flächigen Bauteilen eingesetzt.

So gibt es bereits einen großen Markt für so genannte Decking-Materialien, die im Bereich des Gebäudebaus zum Einsatz kommen. Die Faserverbundwerkstoffe setzen sich dabei im Wesentlichen aus einem Thermoplast zusammen, in den faserartige Stoffe zur Verstärkung eingebracht sind. Die Konsistenz der Verstärkungsstoffe hat erwartungsgemäß einen großen Einfluss auf mechanische Kennwerte des aus dem Faserverbundwerkstoff hergestellten Bauteils. Beispiele für mechanische Kennwerte sind Zug-und Biegeeigenschaften sowie die Schlagzähigkeit.

Stand der Technik Für hochbelastbare Bauteile aus einem Faser- verbundwerkstoff auf Basis eines Thermoplasten sind Glasfasern heutzutage noch immer das gebräuchlichste Verstärkungsmaterial. Zunehmend werden an Stelle von Glasfasern jedoch auch organische Fasermaterialien, beispielsweise aus Holz oder Einjahrespflanzen, zur Verstärkung der Thermoplaste eingesetzt. Diese Füll- stoffe führen zu einer verbesserten Recyklier-bzw.

Entsorgbarkeit der Verbundwerkstoffe, durch das geringere Gewicht der organischen Fasern im Vergleich zu Glasfasern zu einer Gewichtseinsparung bei den Bauteilen und durch die geringere Abrasivität zu deutlich verbesserten Standzeiten der Verarbeitungs- maschinen für die Herstellung der Bauteile.

So ist beispielsweise in der EP 1172404 AI ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff angegeben, bei dem faserartige Partikel aus einem Holzmaterial, insbesondere aus Weich-oder Hartholz, mit einem Thermoplast vermischt werden, um ein Basismaterial für die Herstellung des Leichtbauteils zu erhalten. In dieser Druckschrift wird angegeben, dass bevorzugt Holzpartikel mit einem Aspektverhältnis von 4 bis 80 bei einer Länge von 2 bis 6 mm eingesetzt werden sollen. Allerdings wird kein Hinweis auf den Erhalt und die Handhabung von Holz- partikeln mit den hohen Aspektverhältnissen gegeben. Im konkreten Ausführungsbeispiel werden vielmehr Holz- partikel mit einer Länge von maximal 3 mm und einem Aspektverhältnis von 4 eingesetzt, d. h. Holzpartikel wie sie in der Regel in Form von Holzspänen anfallen.

Diese Holzpartikel werden mit dem Thermoplasten vermischt direkt im Extruder verarbeitet.

Aus der WO 97/30838 AI ist es bekannt, ein natürliches Cellulose-Fasermaterial mit dem Thermoplast zu vermischen und diese Mischung direkt zum Bauteil zu extrudieren. Die WO 02/083824 A1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus einem Thermoplast, dem Cellulosefasern aus Holz oder anderen pflanzlichen Produkten beigemischt werden.

Den positiven Effekten beim Einsatz von organischen Fasermaterialien als Füllstoffe stehen allerdings bisher schlechtere mechanische Kennwerte dieser Verbundmaterialien im Vergleich zu Glasfaser- Verbundwerkstoffen gegenüber. Höhere Füllgrade der Verbundmaterialien im Vergleich zu Glasfaser-Verbunden verbessern zwar die mechanischen Kennwerte, verringern jedoch den Vorteil der Gewichtseinsparung. Ein weiteres Risiko beim Einsatz von Naturfasern, wie beispielsweise Flachs oder Hanf, liegt in der schwankenden Qualität der zur Verfügung stehenden Produkte. Das Verstärkungs- potential der Fasern wird u. a. durch Herkunft, klima- tische Bedingungen und die verschiedenen Faser- Gewinnungstechnologien beeinflusst. Grundsätzlich ist die Verwendung von Fasern mit einem größeren Aspekt- verhältnis hinsichtlich der mechanischen Kennwerte zwar von Vorteil, allerdings lassen sich derart lange Fasern bisher nicht oder nur unter erheblichem Aufwand mit einem Thermoplast extrudieren, so dass in der Regel lediglich kürzere Fasern oder Faserpartikel als Füllstoffe eingesetzt werden. Aufgrund der genannten Nachteile der Verbundmaterialien mit organischen Verstärkungsfasern werden diese heutzutage nur in

Bauteilen mit geringen mechanischen Ansprüchen, wie Türverkleidungen oder Hutablagen im Automobilbau, verwendet.

Die DE 101 34 995 A1 beschreibt einen Füllstoff auf Basis von Holzfasern zur Herstellung von Kunst- stoff-Formkörpern. Der Füllstoff besteht aus natürlichen Fasern auf Cellulosebasis und wird in Granulatform bereitgestellt. Als Fasern werden in erster Linie Holzfasern eingesetzt, die durch Fibrillieren von Holz gewonnen werden und somit eine eher spanartige Geometrie aufweisen. Die Späne werden mit einem höchstens 20% igen Kunststoffanteil mit einem Schmelzindex > 50 zu Pellets verarbeitet und dann durch Brechen der Pellets in eine Granulatform gebracht.

Die DE 102 47 711 betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines thermoplastischen Naturfaserprodukts.

Die Naturfaserkomponenten werden bei diesem Verfahren vorab durch Reißen, Brechen, Scheren oder Schneiden fein zerkleinert, um beispielsweise Holz-Pellets zu formen. Durch Vermischen der Holz-Pellets mit einem thermoplastischen Kunststoff werden wiederum entsprechende Pellets als Ausgangs-oder Rohmaterial für eine weitere Fertigung gelagert oder einer Einrichtung zum Herstellen von Formteilen, bspw. einem Extruder zugeführt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Leicht- bauteilen anzugeben, die gegenüber Bauteilen aus Glasfaser-Verbundwerkstoffen ein geringeres Gewicht

sowie vergleichbare oder bessere mechanische Kennwerte aufweisen.

Darstellung der Erfindung Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Patentanspruch 16 gibt ein Leichtbauprofil an, das die gewünschten Eigenschaften aufweist und mit dem Verfahren herstellbar ist.

Beim vorliegenden Verfahren zur Herstellung von Leichtbauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff werden Holzfasern mit einem Thermoplast vermischt zur Formung des Leichtbauteils extrudiert. Das vorliegende Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mit einem thermomechanischen Refiner-Verfahren erhaltene Holz- fasern, so genannte Refiner-Fasern, mit einer mittleren Faserlänge von 2-20 mm bei einem Aspektverhältnis von 2 5 eingesetzt und zunächst zu dosierfähigen Faser- Agglomeraten verarbeitet werden, die dann zur Formung des Leichtbauteils extrudiert werden.

Refiner-Fasern sind aus der MDF-Platten-Produktion bekannt. Dabei wird in einem thermomechanischen Verfahren (TMP-Verfahren) Holz mit Wasserdampf behandelt und anschließend in Scheibenmühlen (Refiner) unter Überdruck zerfasert. Im Unterschied zu extrudiertem Holz werden bei diesem thermomechanischen Refiner-Verfahren Einzelfasern (Tracheiden) mit einem hohen Aspektverhältnis (Länge/Breite = 5->100) erhalten. Bei der Herstellung von MDF-Platten werden diese Refiner-Fasern im Warmluftstrom getrocknet, beleimt und im Streuverfahren zu Gelegen verarbeitet, welche zu den MDF-Platten verpresst werden.

Eine Direktverarbeitung eines solchen stark verfilzenden Fasermaterials in einem Extruder ist auf Grund der nicht gegebenen Dosierbarkeit allerdings nicht möglich.

Durch den vorliegenden Einsatz derartiger Refiner- Fasern lassen sich aufgrund des hohen Aspektverhält- nisses der Fasern hochbelastbare Formteile aus dem Faserverbundwerkstoff herstellen, die in ihren mechanischen Kennwerten dem Vergleich mit Glasfaser- Verbunden standhalten und dabei zusätzliche Vorteile wie Recyklierbarkeit, Gewichtsreduzierung und geringere Abrasivität an den Ausrüstungen bei der Herstellung zeigen.

Das oben genannte Problem der mangelnden Dosier- barkeit der Refiner-Fasern wird beim vorliegenden Verfahren durch einen Agglomerierungs-Schritt gelöst, durch den sich die stark verfilzenden Refiner-Fasern, die als lose Faserschüttung vorliegen, überraschender- weise in eine dosierbare Form überführen lassen, ohne die für die Verstärkungswirkung notwendige Faser- geometrie zu beeinträchtigen oder die mechanischen Kennwerte durch thermische Schädigung zu reduzieren.

Dabei wurde herausgefunden, dass sich die Refiner- Fasern mit einem Thermoplast vorteilhaft in einem zweistufigen Verfahren zu rieselfähigen Agglomeraten verarbeiten lassen, ohne dass sich die Faserstruktur ändert. Die Faser-Agglomerate können dann problemlos zu einem homogenen Faser-Schmelzegemisch in einem Extruder erhitzt und mit den speziellen Werkzeugen zu den gewünschten Leichtbauteilen geformt werden.

Vorzugsweise werden die Fasern und der Thermoplast in einem Heißmischer mit einem speziellen Werkzeug in einem Verhältnis von 1 : 1 bis 10 : 1, vorzugsweise 1 : 1 bis 3 : 1 bei langsamer Aufheizung, d. h. 10-16 grd/min, gemischt. Entscheidend ist der durch zunehmende Friktion erzeugte abschließende schnelle Temperatur- anstieg auf 150 bis 180°C, durch den der Thermoplast in eine Schmelze übergeht und die Fasern umhüllt. Zu lange Verweilzeiten der Fasern bei Temperaturen > 150°C sollten hierbei vermieden werden, um eine thermische Schädigung der Fasern auszuschließen.

In einem zweiten, nachfolgenden Schritt wird das entstandene Komposit bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens unmittelbar danach in einem Kühlmischer auf eine Temperatur von 80 bis 20°C, vorzugsweise auf 50 bis 30°C abgekühlt, wobei sich das Thermoplast verfestigt und das rieselfähige Agglomerat entsteht. Die Konstruktion und Arbeitsweise der eingesetzten Mischer gewährleistet, dass möglichst geringe Scherkräfte auf die Fasern wirken und somit die Fasern mit ihrem hohen Verstärkungspotential während der Agglomerierung nicht zerstört werden.

Die erhaltenen dosierfähigen Refiner-Faser- Agglomerate werden anschließend zur Formung des Leichtbauteils in einem Extruder extrudiert. Auch der Extruder ist so ausgelegt, dass eine gute Dispergierung der eingetragenen Materialien bei geringst möglichen Scherkräften erfolgt, um die Fasern nicht durch Scherung zu zerkleinern. Die Werkzeuggeometrie ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sich die in das Thermoplast eingebrachten Verstärkungsfasern bevorzugt

in Extrusionsrichtung ausrichten. Dabei wird eine hohe Verstärkungswirkung in Längsrichtung erzielt, die es ermöglicht, die erforderlichen Wanddicken des Bauteils auf ein Minimum zu reduzieren.

Für das erfindungsgemäße Verfahren können Thermo- plaste eingesetzt werden, wie sie beispielsweise in den eingangs genannten Druckschriften WO 97/30838 AI und WO 02/083824 AI angeführt sind. Insbesondere sind Poly- olefine, Polyvinylchlorid, Polyester oder Polystyren, vorzugsweise aber Polyolefine und bevorzugt Poly- propylen oder Polyethylen für das vorliegende Verfahren geeignet. Auch Recyclingmaterial der genannten Stoffe ist nutzbar. Die Auswahl der Polyolefine muss so erfolgen, dass eine ausreichende und schnelle Wärmeerzeugung durch Friktion erreicht wird und dass die Schmelze die Fasern vollständig umhüllt. Obwohl anzunehmen ist, dass die vollständige Umhüllung gerade mit niederviskosen Thermoplasten erreicht wird, wurde überraschenderweise festgestellt, dass sich das vorliegende Verfahren besonders vorteilhaft mit hochviskosem Polypropylen mit Schmelzindizes (MFI) von 0,1 bis 10,0 g/lOmin, vorzugsweise von 0,5 bis 3,0 g/10 min, durchführen lässt. Überraschenderweise wurde weiterhin festgestellt, dass sich die Verwendung von Polypropylenpulvern vorteilhaft auf eine anforderungs- gerechte Agglomerierung auswirkt. Die notwendige Verarbeitungstemperatur wurde deutlich schneller erreicht, so dass die thermische Belastung der Fasern minimiert werden konnte. Der Einsatz dieser Thermo- plasten führt zu Leichtbauteilen mit sehr guten mechanischen Kennwerten.

Um das Verstärkungspotential der Fasern voll- ständig nutzen zu können, sollten auch Haftvermittler, wie sie beispielsweise in der WO 02/083824 AI genannt sind, eingesetzt werden. Diese Haftvermittler lagern sich an der Grenzfläche von Faser zu umhüllendem Thermoplast an und führen aufgrund ihrer Funktionalität zu festen chemischen und/oder physikalischen Bindungen, durch die eine verbesserte Übertragung der auf das Bauteil einwirkenden Kräfte auf die Refiner-Fasern ermöglicht wird. Bewährte Haftvermittler sind carboxylierte Polyolefine. Bevorzugt werden beim vorliegenden Verfahren mit Acrylsäure-oder Malein- säureanhydrid gepfropfte Polyolefine als Haftvermittler eingesetzt. Um eine Teilvernetzung der thermoplastischen Matrix zu erreichen, werden epoxigruppenhaltige Verbindungen, vorzugsweise die Harzkomponente handelsüblicher Epoxidharzsysteme sowie ggfs. übliche Epoxidharz-Härterkomponenten eingesetzt.

Durch diese Art der Haftvermittlung und Teilvernetzung der thermoplastischen Komponente werden die mechanischen Eigenschaften des Komposits wesentlich verbessert. Die Fasergehalte betragen bevorzugt 50 bis 85 % Massenanteil des Komposits. Es handelt sich somit um mit Refiner-Fasern hoch gefüllte Thermoplasten.

Die mit dem vorliegenden Verfahren hergestellten Leichtbauprofile zeichnen sich durch ein hohe mechanische Festigkeit aus. Verbunden mit dem geringeren Gewicht, der Recyklierbarkeit und besseren Verarbeitbarkeit der erfindungsgemäßen Komposite aus Thermoplast und Refiner-Faser ergeben sich daraus neue Möglichkeiten, glasfaserverstärkte Kunststoffe durch diese Materialien auch in hochwertigen Einsatzfeldern

zu ersetzen. Die mit dem vorliegenden Verfahren her- stellbaren Leichtbauprofile weisen ein Flächengewicht von 1 bis 8 kg/m2, vorzugsweise 2 bis 5 kg/m2 und Steg- und Gurtbreiten von 1-6 mm, vorzugsweise von 2-4 mm auf. Die hierbei eingesetzten Refiner-Fasern weisen mittlere Faserlängen von 2-20 mm bei einem Aspekt- verhältnis von ä 5 auf.

Wege zur Ausführung der Erfindung Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Hohlkammerplatte aus einem Faserverbundwerkstoff gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellt. Für die Herstellung werden zunächst in einer ersten Verfahrensstufe 60% Refiner-Fasern (Länge 2-16 mm, Breite 0,1-0, 6 mm) mit 40% Polypropylen (MFI 100) in einem Heißmischer mit Sichelwerkzeug gemischt, bis bei 185°C das Polypropylen vollständig geschmolzen ist und die Fasern benetzt hat. Anschließend wird die Schmelze- mischung in einen Kühlmischer überführt und innerhalb von 10 Minuten auf 40°C abgekühlt. Dabei bilden sich die Faser-Agglomerate aus.

Diese rieselfähigen Faser-Agglomerate werden anschließend in einer zweiten Verfahrensstufe in einem Verhältnis von 98% Faser-Agglomeraten und 2% eines Maleinsäureanhydrid-gepfropften Polypropylens als Haftvermittler in einen konischen Doppelschnecken- extruder dosiert, zu einer homogenen Schmelze aufgearbeitet und zur Hohlkammerplatte extrudiert. Die Schneckengeometrie ist so ausgelegt, dass eine gute Dispergierung der eingetragenen Materialien bei geringst möglichen Scherkräften erfolgt, um die Fasern nicht durch Scherung zu zerkleinern. Die Extrusion erfolgt bei einer Massetemperatur von 190°C, einem

Massedruck von 20 MPa sowie einem Massedurchsatz von 120 kg/h. Das spezielle Extrusionswerkzeug für Stegplatten weist eine Trockenkalibriereinheit von 250 bis 500 mm Länge sowie eine 4000 mm lange Nasskalibriereinheit mit Vakuumtank auf. Die Trockenkalibrierung wird bei 60°C durchgeführt.

Zum Vergleich wird ein übliches einstufiges Verfahren des Standes der Technik zur Herstellung einer Hohlkammerplatte aus einem Faserverbundwerkstoff durchgeführt, bei dem 60% Holzspäne (Lignocell P Super, Länge 1,5-10 mm, Breite 0,5-3 mm), 38% Polypropylen (MFI 100) und 2% Haftvermittler (maleinsäuregepfropftes Polypropylen) unter ansonsten gleichen Bedingungen mit dem Extruder zur Hohlkammerplatte extrudiert werden.

Die jeweils mit beiden Verfahren hergestellte Hohlkammerplatte ist in der Figur dargestellt. Sie weist 13 Kammern mit Wandungsdicken von 4 mm auf. Die Bauteildicke beträgt 37 mm, die Bauteilbreite 425 mm.

Die mechanischen Kennwerte der nach den oben beschriebenen Beispielen hergestellten Komposite können der folgenden Tabelle entnommen werden, die einen Vergleich zwischen dem vorliegenden Verfahren und dem bekannten Verfahren des Standes der Technik zeigt. Aus dieser Tabelle ist insbesondere die hohe Biege- festigkeit und Schlagzähigkeit der hergestellten Hohlkammerplatte ersichtlich. Selbstverständlich lassen sich mit dem vorliegenden Verfahren auch andere Leichtbauteile, insbesondere Leichtbauprofile, mit guten mechanischen Kennwerten herstellen.

Die Bruchlast der hergestellten Hohlkammerplatte aus dem Refiner-Faser-Komposit beträgt quer zur Profilierung 1300 N und längs zur Profilierung : 3200 N.

Kennwerte PP + 60% Refiner-PP + 60% Lignocell P Faser Super Dichte 1,1 1,1 in g/cm3 Zugfestigkeit 32 35 in N/mm2 Zug-E-Modul 4600 5000 in N/mm2 Biegefestigkeit 76 39 in N/mm2 Biege-E-Modul 5800 4540 in N/mm2 Charpy-12,6 4,2 Schlagzähigkeit in kJ/m2