Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung thermoplastischer Kunststoffe mit Anteilen nativer Fasern und verbesserten mechanischen Eigenschaften und ist insbesondere geeignet Granulate von derartig modifizierten Kunststoffen als Halbzeug für im Spritzgießverfahren hergestellte Produkte zu erzeugen.

Während für flächige Formkörper aus Kunststoffen mit Anteilen nativer Fasern wie Innenverkleidungsteile für Kraftfahrzeuge Naturfasern eingearbeitet werden, indem wie beispielsweise in der DE OS 19836313.3 beschrieben, Naturfaserverbundmatten die mindestens eine Naturfaserschicht und mindestens eine thermoplastische Kunststoffschicht aufweist, durch Erhitzen und Pressen in einem Presswerkzeug zu einem Formteil geformt werden, ist es bei komplizierter geformten Teilen sinnvoller faserverstärkte Polymeren insbesondere Faserverstärkte, thermoplastisch verarbeitbare Polymeren überwiegend in Spritzgießverfahren zu verarbeiten.

Ein solches Verfahren benötigt in der Regel Halbzeug, die bereits die fertige Mischung von Fasern und Polymer aufweisen, wobei diese Halbzeug für Spritzgießverfahren in der Regel als Granulat, Agglomerat oder Pellets eingesetzt werden.

Dazu müssen die Fasern in einem Compoundierprozeß mit dem Polymer gemischt, verschmolzen und zu Granulat, Agglomerat oder Pellets geformt werden.

Zur Herstellung und Aufbereitung solcher faserverstärkter Halbzeuge aus Polymer werden häufig Extruder eingesetzt.

Dabei werden rieselfähige Fasern in eine Schmelze eines thermoplastisch verarbeitbaren Polymers eindosiert, was z. B. bei Glasfasern ein sehr homogenes Polymer-Faser-Gemisch ergibt.

Diese Compoundierung ist für glatte Faserstoffe in der DE PS 43 14 852.2 am Beispiel eines Verfahren zur Herstellung flammwidriger thermoplastischer Kunststoffe mit verbesserten mechanischen Eigenschaften beschrieben und bei Verwendung von Glasfasern oder ähnlich glatten Fasern gut beherrschbar.

Beim Einsatz von Naturfasern ist eine solche Vorgehensweise nur sehr eingeschränkt möglich, da die Naturfasern durch ihre unregelmäßige Gestalt und ihre raue Oberfläche nur bedingt rieselfähig. sind. Um auch bei Naturfasern eine gute Rieselfähigkeit zu erreichen, müssen diese sehr auf eine Länge eingekürzt werden, die erlaubt, sie gleichmäßig zu dosieren. In diesem Falle reicht ihre Länge jedoch nicht mehr aus, um eine befriedigende Verstärkungswirkung des Verbundwerkstoffes zu erzielen. Um längere Faserabschnitte einzuarbeiten, wurden bereits einige Vorschläge unterbreitet.

Die PS 19822051.0 stellt hierfür eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Dosierung von leichten Schnittfasern mit mäßiger bis schlechter Rieselfähigkeit für die Herstellung von thermoplastischen Kunststoffen bzw., faserverstärkten Compounds mittels Extrusion oder Compoundierung vor.

Mit der Vorrichtung werden Schnittfasern (Kohlenstoffasern, Aramidfasern, LCP-Fasern, konventionelle Synthesefasern wie PA, PAN, PP PET u, a. sowie Celluloseregegerat-und Naturfasern) mit weitgehender konstanter Menge pro Zeiteinheit aus dem unteren Ende eines Vorratsbehälters durch eine drehzahlgesteuerte Stiftwalze abgezogen. Durch einen ständigen Wägvorgang einer Differentialwaage, auf der die Dosiereinrichtung steht, erfolgt die Steuerung der Abzugsvorrichtung der Schnittfasern, so dass die Schnittfaserentnahme weitgehend konstant gehalten wird. Die durch eine Stiftwalze abgezogenen Fasern sollen anschließend durch einen Fallschacht in eine Extruder-oder Compoundieranlage fallen. Damit in diesem zwangsläufig trichterförmigem Schacht nicht sofort wieder Brücken entstehen, die die

Aufnahme durch den Extruder verhindern ist, wie leicht einzusehen ist, das Einsatzgebiet auf relativ feste und glatte Fasern eingeschränkt. Insbesondere die Auswahl der Naturfasern ist hiermit sehr beschränkt.

Raue oder stark gewellte Fasen wie Hanf oder Baumwollfasern lassen sich nur eingeschränkt oder in geringfügigen Mengen verarbeiten.

Denkbar wäre, die Fasereigenschaften durch ein Verfahren wie in der OS 19835983.7 vorgeschlagen zu behandeln, und die cellulosischen Naturfasern vor dem Einbringen in den thermoplastischen Kunststoff mit einem anderen organischen Stoff beschichtet um somit Festigkeit und Oberflächenglätte in die nähe von Kunstfasern zu bringen, in dem eine Beschichtung mit mindestens einem harzartigen Duroplast erfolgt, welches auf den cellulosischen Naturfasern aushärtet.

Eine weitere mit relativ hohen maschinentechnischem Aufwand verbundene Lösung schlägt die OS 19834132.6 vor. Diese Vorrichtung zur Herstellung und Aufbereitung von Verbundwerkstoffen, insbesondere aus thermoplastischem Kunststoff und Naturfasern, weist eine Zuführeinrichtung für Strangförmiges Material auf. Diese Zuführeinrichtung mündet axial in einen Ringraum, der an seinem Umfang von einer ringförmigen, außenseitig von wenigstens einem Messer bestrichenen Lochmatrize begrenzt ist. In dem Ringraum rotiert mindestens ein Reibflügel, dessen wirksame Flanke mit der Innenwand der Lochmatrize eine um laufende Plastifizierkammer bildet. Die Plastifizierkammer verengt sich entgegen der Umlaufrichtung des Reibflügels und wird in Umlaufrichtung des Reibflügels von einem Dichtsegment abgeschlossen. Die ringförmige Lochmatrize ist rotationsbeweglich um den Reibflügel ausgeführt und die Drehzahl und Drehrichtung der Lochmatrize und des Reibflügels sind unabhängig voneinander einstellbar. Faserstrang und Kunststoff werden im Innenraum durch die Fördereinrichtungen gemischt und durch die Lochmatrize gepresst. Erst mit dem Abscheiden der Granulatstränge erfolgt das Kürzen der Fasern. Abgesehen vom Aufwand, einen lauffähigen Faserstrang herzustellen, besteht hier bei höheren Faserstoffanteilen eine große Gefahr der Wickel- und/oder Knäuelbildung die dann zu Betriebsstörungen führen können.

Aufgabe der Erfindung ist somit, ein Verfahren zur Herstellung thermoplastischer Kunststoffe, insbesondere solcher auf Basis von modifiziertem Polypropylen und modifizierten Polyamiden aus 0- Aminocaprolactam oder Polyoxymethylen und/oder Acryl-Butyldien-Styrol (ABS) zu schaffen, durch das diese Kunststoffe durch Beimischung nativer Fasern insbesondere vom Typ Bastfasern mit guten mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitiger Massenreduzierung ausgestattet werden können. insbesondere soll durch das Verfahren ermöglicht werden, relativ langfaserige Fibrillen in den Kunststoff mit einzuarbeiten um damit eine ausreichende Festigkeiten zu erreichen. Der maschinentechnische Aufwand soll der bei der Verarbeitung von Glasfasern vergleichbar sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelost. Die weiteren Ansprüche 2 bis 7 beschreiben sinnvolle Ausgestaltungen des Verfahrens durch Angabe der im Verfahren vorzugsweise einzusetzenden Materialien und Parameter.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung thermoplastischer Kunststoffe mit Anteilen nativer Fasern und verbesserten mechanischen Eigenschaften, geht davon aus, dass die rieselfähigen native Fasern oder Faseragglomerate durch einen Vortrockenprozess von vorhandener Restfeuchte befreit werden.

Als native Fasern werden erfindungsgemäß neben gegebenenfalls zu verwendenden geschnittene Pflanzenfasern in rieselfähigen Faserlängen auch Treber-oder Bagassefasern vorgeschlagen. Insbesondere der Einsatz der nativen Fasern in Form rieselfähiger Faseragglomerate ist als besonders wirksamer Schritt zur Einbindung größerer Textilanteile zu berücksichtigen.

Neben den als rieselfähige Faseragglomerate beanspruchten Fadenabschnitten, Faser-Pellets, Faser-Prepegs, Faser-Granulate oder kleine Gewebeabschnitte aus nativen Fasern können hierzu alle nicht aufgezähiten Faserverbindungen eingesetzt werden, bei denen die Fasern in rieselfähigen Körpern überwiegend mechanisch so verbunden sind, dass der Verband eine kleine möglichst glatte Oberfläche aufweist.

Weitere Voraussetzung ist, dass der Verband durch die mechanische Belastung, die beim mischen und homogenisieren auftritt vollständig aufgelöst werden kann.

Die Fasern und rieselfähigen Faseragglomerate werden nach der Trocknung über eine gravimetrische Dosierung einem bekannten Stopfwerk der Mischkammer zugeführt und dort mit einem gegebenenfalls durch Zusatz von Additiven modifiziertes Polymer oder Polymerengemisch unter Zusatz eines Haftvermittlers in einem Extruder mit einer Temperatur, die 1 bis 5 °C über dem Schmelzpunkt des modifizierten Polymers oder Polymerengemisches liegt, aufgeschmolzen und gemischt.

In der Regel werden hierbei die Fasern durch das Stopfwerk der Knetzone des Extruders zugeführt und mit dem modifizierten Polymer oder Polymerengemisch unter Ausbildung netzartig verwirbelter Strukturen gemischt.

Indem die Steigung der Knetschnecke um 10 bis 50 % geringer als bei Knetschnecken für die Beimischung von Glasfasern ausgeführt ist, wird gewährleistet, dass die Zeit in der die Fasern der höchsten Thermischen Belastung ausgesetzt sind wesentlich verkürzt werden kann.

Indem das Faser-Polymergemisch in den der Knetzone folgenden Heizstufen bei stetig fallender Temperatur homogenisiert wird, wird die Viskosität des Polymeranteiles und damit die für die Auflösung der Faseragglomerate mechanisch Wirkung verbessert.

Das Faser-Polymergemisch verläßt dann nach einer Verweilzeit von 2,0-3,0 Minuten seit Beginn der Beimischung der Fasern zu einen oder vorzugsweise mehreren Strängen die Mischeinrichtung. Dabei trägt zur Verkürzung der Durchlaufzeit und damit der thermischen Entlastung der Fasen wesentlich bei, wenn eine Düsenplatte eingesetzt wird, die gegenüber den in der Produktion von herkömmlichen Polymergranulaten verwendeten um mindestens 10 % größere Düsenöffnungen aufweist. Die so ersponnenen Strängen können mit bekannten Vorrichtungen granuliert werden.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist es möglich, dem modifizierten Polymer oder Polymerengemisch zwischen 4 und 30 % native Fasern berechnet auf das Endprodukt beigemischt werden.

Obwohl auch andere Stopfwerke für das Verfahren denkbar und als im Rahmen der Erfindung liegend zu betrachten sind, ist die Erfindung insbesondere zu realisieren, indem als Stopfwerk ein bekannter Schneckenförderer mit um die Förderschnecke angeordneten, überwiegend parallel zur Achse der Förderschnecke verlaufenden Leitschienen verwendet wird.

Je nach dem Einsatzzweck des Produktes ist kann das modifizierte Polymer oder Polymerengemisch eine oder mehreren der Substanzen Polyamid, Polypropylen, Polyoxymethylen und/oder Acryl-Butyidien-Styrol (ABS) als Grundsubstanz oder Mischungskomponente enthalten.

Beim Einsatz des Verfahrens hat es sich weiterhin als sinnvoll erwiesen, wenn als Haftvermittler Maleinsäureanhydrid eingesetzt wird.

Die Erfindung soll im Folgenden in Form dreier Ausführungsbeispiele beschrieben werden.

Beispiel 1 Zur Herstellung vom Spritzgussteilen wird eine Polypropylen-Hanffaser- Mischung wie folgt hergestellt.

Modifiziertes Polypropylen mit einer Schmelztemperatur von 190 °C wird mit Maleinsäureanhydrid im Verhältnis 18 : 1 gemischt, über eine erste Dosiereinheit der ersten Heizzone eines Zweischneckenextuders zugeführt und dort bei 193 °C aufgeschmolzen.

Über eine zweite Dosiereinheit werden dem Extruder gepresste Hanffaserpellets zugeführt, die zuvor auf eine Restfeuchte unter 0,3 % getrocknet wurden. Die Faser-Pellets werden durch die Knetschnecke zur Faser aufgelöst und Ausbildung netzartig verwirbelter Strukturen mit dem Polypropylen gemischt. Die Steigung der Knetschnecke wird um 30 % geringer als bei Knetschnecken für die Beimischung von Glasfasern ausgeführt

Indem das Faser-Polymergemisch in den der Knetzone folgenden Heizstufen bei stetig fallender Temperatur homogenisiert wird, wird die Viskosität des Polymeranteiles und damit die für die Auflösung der Faseragglomerate mechanische Wirkung verbessert.

Das Faser-Polymergemisch wird über 8 Heizzonen unter Absenkung der Temperatur auf 193 °C geführt und verläßt dann nach einer Verweilzeit von 2,0 Minuten seit Beginn der Beimischung der Fasern den Extruder. Durch eine Düsenplatte mit acht Düsen mit einem Durchmesser von 5 mm wird die Mischung zu zylindrischen Strängen geformt, gekühlt und zu einem Granulat mit einer Teilchengröße von 6 * 6 mm gehäckselt. Die damit zu erreichendentechnischen Parameter sind sowohl im Zug-E-Modul als auch bei der Charpy-Kerbschlagzähigkeit denen einer Mischung unter Verwendung von Glasfasern vergleichbar und in der folgende Tabelle neben den Parametern der folgenden Ausführungsbeispiele zusammengefasst dargestellt. Eigenschaft Einheit Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 Rohdichte G/cm3 0, 970 Zug-E-Modul MPa 2. 470 2. 940 1980 Zu s annun MPa 39, 2 63, 6 29, 5 Streckdehnung % 3, 63 3, 55 4, 15 BiegespannungMPa 39, 2 61 29, 3 Biegedehnung % 3, 67 6, 04 4, 36 Charpy-Schlagzähigkeit % 22, 3 39, 1 15, 7 Charpy-Kerbschlagzähigkeit KJ/m2 3, 46 6, 0 2, 43 Formbeständigkeitemperatur °C 77 54 60, 6 Vicaterweichungstemperatur °C 119 191 102 MFR G/10 min 0, 79 45, 9 MVI Beispiel 2 Zur Herstellung vom Spritzgussteilen wird eine Polypropylen-Hanffaser- Mischung wie folgt hergestellt.

Polypropylen mit einer Schmelztemperatur von 170 °C wird über eine erste Dosiereinheit der ersten Heizzone eines Zweischneckenextuders zugeführt und dort bei 175 °C aufgeschmolzen.

Über eine zweite Dosiereinheit werden dem Extruder Treberfasern aus der Hanfbierproduktion, die mit einem Haftvermittler benetzt wurden, zugeführt, die zuvor auf eine Restfeuchte unter 0,3 % getrocknet wurden. Die Fasern werden in der 6. Heizzone des Extruders durch zwei seitlich angeordnete Zuführschnecken eingetragen und unter Ausbildung netzartig verwirbelter Strukturen mit dem Polypropylen gemischt. Die Steigung der Knetschnecke wird um 20 % geringer als bei Knetschnecken für die Beimischung von Glasfasern ausgeführt Indem das Faser-Polymergemisch in den der Knetzone folgenden Heizstufen bei stetig fallender Temperatur homogenisiert wird, wird die Viskosität des Polymeranteiles und damit die für die Auflösung der Faseragglomerate mechanische Wirkung verbessert.

Das Faser-Polymergemisch verlässt dann nach einer Verweilzeit von 2,4 Minuten seit Beginn der Beimischung der Fasern. Durch eine Düsenplatte mit acht düsen mit einem Durchmesser von 4,5 mm wird die Mischung zu zylindrischen Strängen geformt, gekühlt und zu einem Granulat mit einer Teilchengröße von 6 * 6 mm gehäckselt. Die damit zu erreichenden technischen Parameter sind in der voranstehenden Tabelle zusammengefasst dargestellt.

Beispiel 3 Zur Herstellung vom Spritzgussteilen wird eine Polyamid-Leinfaser-Mischung wie folgt hergestellt.

Polypropylen mit einer Schmelztemperatur von 215 °C wird mit Maleinsäureanhydrid im Verhältnis 16 : 1 gemischt, über eine erste Dosiereinheit der ersten Heizzone eines Zweischneckenextuders zugeführt und dort bei 220 °C aufgeschmolzen.

Über eine zweite Dosiereinheit werden dem Extruder Schnitzel eines gechinzten Leinengewebes mit einer durchschnittlichen Kantenlänge von 8 mm zugeführt. Die Fasern werden in der 7. Heizzone des Extruders eingetragen und unter Ausbildung netzartig verwirbelter Strukturen mit dem Polypropylen

gemischt. Die Steigung der Knetschnecke wird um 30 % geringer als bei Knetschnecken für die Beimischung von Glasfasern ausgeführt und wie in Beispiel 1 weiterverarbeitet. Die verwendeten Gewebeabschnitte sind aufgrund der Oberflächenbehandlung des Gewebes äußerst gut rieselfähig. Hiermit können besonders lange Faserabschnitte eingearbeitet werden.