Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen umfassend eine thermoplastische Formmasse A und wenigstens eine Lage aus Verstärkungsfasern B, wobei die thermoplastische Formmasse A als Matrix in die wenigstens eine Lage der Verstärkungsfasern B eingebettet wird, wobei das Einbetten durch eine Relativbewegung der Formmasse zu den Verstärkungsfasern B innerhalb eines Konsolidierungsschrittes stattfindet, bei dem die Verstärkungsfasern B bis auf einen eindimensionalen Produktionsvorschub unbeweglich bleiben und die thermoplastische Formmasse A wenigstens eine chemisch reaktive Funktionalität aufweist und die Oberfläche der Verstärkungsfasern B mit einer Schlichte behandelt ist und die Konzentration an funktionellen Gruppen für die chemisch reaktiven Funktionalitäten der Formmasse A mindestens 0,3 Mol% aufweist.

Faserverbundwerkstoffe, in flacher oder ebener Form auch als Organobleche bezeichnet, weisen eine thermoplastische Kunststoffmatrix auf, in die ein oder mehrere Fasergewebe und/oder ein oder mehrere Fasergelege eingebettet sind. Bei den zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen verwendeten Fasern handelt es sich typischerweise um Glasfasern, Aramidfasern oder Kohlenstofffasern, die als Endlosfasern oder Langfasern in die thermoplastische Kunststoff matrix eingebracht werden. Die Faserlänge der Langfasern liegt dabei im Bereich von 1 bis 50 mm, wobei Fasern, die länger als 50 mm sind, als Endlosfasern bezeichnet werden. Faserverbundwerkstoffe basierend auf Endlosfasern besitzen im Vergleich zu Faserverbundwerkstoffen mit kürzeren Fasern die höchsten Steifigkeits- und Festigkeitswerte.

Faserverbundwerkstoffe basieren zumeist aus einer Vielzahl von Verstärkungsfasern, die in einer Polymer-Matrix eingebettet sind. Die Einsatzbereiche von Faserverbundwerkstoffen sind vielfältig. Vorzugsweise kommen Faserverbundwerkstoffe im Fahrzeug- und Luftfahrt-Bereich zum Einsatz. In diesem Anwendungsbereich sollen die Verstärkungsfasern das Zerreißen oder sonstige Fragmentierungen der Polymer-Matrix verhindern, um somit die Unfallgefahr durch Bauteilfetzen zu vermindern. Viele Faserverbundwerkstoffe sind in der Lage bei Belastung vergleichsweise hohe Kräfte aufzunehmen, bevor es zum totalen Versagensfall kommt. Gleichzeitig zeichnen sich Faserverbundwerkstoffe gegenüber herkömmlichen, nicht verstärkten Materialien durch eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig niedriger Dichte und weiteren vorteilhaften Eigenschaften, insbesondere guter Alterungs- und Korrosionsbeständigkeit aus. Der Vorteil von Faserverbundwerkstoffen besteht ferner darin, dass Festigkeit und Steifigkeit der Faserverbundwerkstoffe an die Belastungsrichtung und Belastungsart anpassbar sind. Hierbei sind in erster Linie die Verstärkungsfasern für die Festigkeit und für die Steifigkeit eines Faserverbundwerkstoffs verantwortlich. Zudem bestimmt die Anordnung der Fasern im Faserverbundwerkstoff dessen mechanische Eigenschaften. Die Matrix wiederum dient dagegen meist primär zum Einleiten der aufzunehmenden Kräfte in die einzelnen Verstärkungsfasern und zur Beibehaltung der räumlichen Anordnung der Verstärkungsfasern in der gewünschten Orientierung. Um eine optimierte Kraftübertragung zu gewährleisten, sollten die Verstärkungsfasern dabei möglichst geradlinig, d.h. ohne Verzug in der Polymermatrix vorliegen. Da sowohl die Verstärkungsfasern als auch die Matrix-Materialien variierbar sind, kommen für den Fachmann bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen zahlreiche Kombinationsmöglichkeiten von Verstärkungsfasern und Matrixmaterialien in Betracht.

Eine technische Herausforderung besteht darin, dass bei Eintritt des totalen Versagensfalls ein Faserverbundwerkstoff einen Sprödbruch erleiden kann, d.h. dass im Versagensfall Splitter entstehen können, die sich mit hohen Geschwindigkeiten von der Bruchstelle entfernen können. Folglich kann von Faserverbundwerkstoff basierten Erzeugnissen, die einer hohen oder einer plötzlichen Belastung ausgesetzt sind, eine erhebliche Unfallgefahr ausgehen, wenn diese zerreißen oder zersplittern.

Daher ist es wünschenswert, Faserverbundwerkstoffe mit einem weiten Belastungsbereich, bei dem der totale Versagensfall unwahrscheinlich ist, bereitzustellen. Gewünscht sind zudem gute optische Eigenschaften sowie die Möglichkeit, mittels der Faserverbundwerkstoffe verschiedene Elemente mit glatten Oberflächen herstellen zu können.

In EP 1 923 420 B1 werden Faserverbundwerkstoffe mit einer Matrix aus thermoplastischem Kunststoff beschrieben worin Lagen von Verstärkungsfasern eingebettet sind. Eine erste Gruppe von Verstärkungsfasern ist über eine erste Faser- Matrix-Haftung mit der Matrix gekoppelt. Eine zweite Gruppe von Verstärkungsfasern ist über eine zweite Faser-Matrix-Haftung ebenfalls mit der Matrix gekoppelt. Die zweite Faser- Matrix-Haftung ist dabei geringer als die erste Faser-Matrix-Haftung. Durch unterschiedliche Faser-Matrix-Haftungen wird im totalen Versagensfall ein verbessertes Bruchverhalten erzielt. Als Matrixmaterialien werden in EP 1 923 420 B1 Duroplasten wie Polyester und die Thermoplasten Polyamid und Polypropylen vorgeschlagen. Die EP 1 923 420 B1 fokussiert sich deshalb bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen auf die Verbindung von Verstärkungsfasern und Polymer-Matrix, die sogenannte Faser-Matrix-Haftung.

Zur Optimierung einer Faser-Matrix-Haftung und um eine "geringe chemische Ähnlichkeit" zwischen den Verstärkungsfaseroberflächen und der sie umgebenden Polymer-Matrix auszugleichen, werden Verstärkungsfasern regelmäßig einer Vorbehandlung unterzogen. Bewährt haben sich hierzu sogenannte Schlichten, denen vorzugsweise sogenannte Haftvermittler zugesetzt werden. Eine Schlichte bzw. ein Schlichte-/Haftvermittlermittel wird regelmäßig bereits während der Faserherstellung auf die Verstärkungsfaser aufgebracht, um die Weiterverarbeitbarkeit derselben, insbesondere durch Weben, Legen oder Nähen, zu verbessern. Wenn die Schlichte für die spätere Weiterverarbeitung von Verstärkungsfasern unerwünscht ist, muss sie in einem zusätzlichen Verfahrensschritt erst wieder entfernt werden, vorzugsweise durch Herunterbrennen.

Es kann aber auch vorteilhaft sein, zusätzlich zur Schlichte einen Haftvermittler in einem zusätzlichen Verfahrensschritt auf zu verarbeitende Verstärkungsfasern aufzubringen. Schlichte und/oder Haftvermittler bilden auf der Oberfläche von Verstärkungsfasern eine Schicht, welche die Wechselwirkung der Verstärkungsfasern mit der Umgebung wesentlich bestimmen kann. Heute steht eine Vielzahl unterschiedlicher Schlichten und Haftvermittler zur Verfügung. Der Fachmann kann je nach Anwendungsgebiet, zu verwendender Matrix und zu verwendender Verstärkungsfasern eine geeignete Schlichte und einen geeigneten Haftvermittler auswählen, der mit der Matrix und mit den Verstärkungsfasern kompatibel ist.

WO 2016/170131 A1 lehrt die Verwendung eines Faserverbundwerkstoffs W mit Sandwichstruktur aufgebaut aus A) einer Thermoplastschicht w, enthaltend als Komponenten a) eine thermoplastische Formmasse A als Matrix, b) eine Lage aus Verstärkungsfasern B, und c) optional Additiv C, wobei die Verstärkungsfaserlage B in die Matrix der thermoplastischen Formmasse A eingebettet ist und die thermoplastische Formmasse A bei der Herstellung der Materialschicht w mindestens eine chemisch reaktive Funktionalität aufweist die wiederum mit chemischen Gruppen der Oberfläche der Verstärkungsfasern B reagiert; und B) eine weitere thermoplastische Schicht T und/oder eine Schaumschicht S, wobei die weitere Schicht T und/oder S dauerhaft mit der Materialschicht w verbunden ist und damit zu einer erhöhten mechanischen Stabilität daraus herzustellender Formteile führt.

DE 10 2016 102081 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils, mit den Schritten: Einlegen von Fasern (16) in eine Gussform (10), die einen bewegbaren Einsatz (12) aufweist, Eingießen eines Matrixmaterials (22) in die Gussform (10) und beim Einspritzen des Matrixmaterials (22) Bewegen des Einsatzes (12) in eine Bewegungsrichtung (B). Gemäß DE 10 2016 102081 A1 ist vorgesehen, dass die Fasern (16) vor dem Einspritzen des Matrixmaterials (22) in einer Richtung quer zur Bewegungsrichtung (B) relativ zum Einsatz (12) eingeführt werden.

EP 3 286 258 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen umfassend eine thermoplastische Formmasse A und mindestens eine Lage aus Verstärkungsfasern B, wobei die mindestens eine Lage der Verstärkungsfasern B in die Matrix mit der thermoplastischen Formmasse A eingebettet wird und wobei die thermoplastische Formmasse A mindestens eine chemisch reaktive Funktionalität aufweist, die Oberfläche der Verstärkungsfasern B mit einer Silan-Schlichte behandelt ist und die Konzentration an funktionellen Gruppen für die chemisch reaktive Funktionalität mindestens 0,3 Mol% aufweist. EP 3 286 258 B1 berücksichtigt nicht den bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen auftretenden Faserverzug! Dieser wird durch das in EP 3 286 258 B1 beschriebene Verfahren nicht verhindert.

WO 2016 170104 A1 betrifft die Verwendung eines thermoplastischen Faserverbundwerkstoffs, enthaltend a) mindestens eine thermoplastische Formmasse A als Matrix, b) mindestens eine Schicht aus Verstärkungsfasern B und c) gegebenenfalls mindestens einen Zusatzstoff C, wobei mindestens eine Schicht aus Verstärkungsfasern B in die Matrix der thermoplastischen Formmasse eingebettet ist und die thermoplastische Formmasse A mindestens eine chemisch reaktive Funktionalität aufweist, die während des Herstellungsprozesses des Faserverbundes mit chemischen Gruppen der Oberfläche der Komponente B reagiert Material für die Herstellung von weißer Ware wie Haushaltsgeräten, wodurch leichte Produkte ermöglicht werden.

Verstärkungsfasern, insbesondere Glasfasern, werden im Stand der Technik häufig mit Schlichte behandelt, um die Verstärkungsfasern bei auftretender Reibung aneinander gegenseitig zu schützen. So zeigt DE-A 2160778 Glasfaser verstärkte Styrol-Polymere auf Basis Schlichte-behandelter Verstärkungsfasern. Ein gegenseitiges Beschädigen durch Abrieb soll verhindert werden und beim gegenseitigen mechanischen Einwirken soll es nicht zur Querfragmentierung (Bruchbildung) kommen.

Mittels einer Schlichte kann zudem der Schneidevorgang von Verstärkungsfasern erleichtert werden, um gleiche Stapellängen zu erhalten. Daneben kann durch eine Schlichte eine Agglomeration der Verstärkungsfasern vermieden werden. Die Dispergierbarkeit von Kurzfasern in Wasser kann mittels einer Schlichte verbessert werden womit es möglich wird, gleichmäßige Flächengebilde nach dem Nasslegeverfahren zu erhalten.

Eine Schlichte kann auch dazu beitragen, dass ein verbesserter Zusammenhalt zwischen Glasfasern und Polymer-Matrix hergestellt wird, in der die Glasfasern als Verstärkungsfasern wirken. Dieses Prinzip findet vor allem bei Glasfaser verstärkten Kunststoffen (GFK) Anwendung.

Zusätzlich zum oben bereits erwähnten Haftvermittler enthalten die für Glasfasern einzusetzenden Schlichten vorzugsweise eine große Anzahl weiterer Bestandteile, besonders bevorzugt Filmbildner, Gleitmittel oder Netzmittel.

Filmbildner schützen Glasfasern oder Glasfilamente vor gegenseitiger Reibung und können zusätzlich eine Affinität zu Kunstharzen verstärken, um somit die Festigkeit und den Zusammenhalt eines Glasfaser basierten Faserverbundwerkstoffs zu fördern. Bevorzugt einzusetzende Filmbildner sind Stärkederivate, Polymere und Copolymere von Vinylacetat und Acrylestern, Epoxidharz-Emulsionen, Polyurethanharze und Polyamide. Filmbildner werden vorzugsweise mit einem Anteil von 0,5 bis 12 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Schlichte eingesetzt.

Gleitmittel verleihen Glasfasern und den auf Glasfasern basierenden Produkten, insbesondere Geweben, Geschmeidigkeit und vermindern die gegenseitige Reibung der Glasfasern untereinander bzw. aneinander. Oftmals wird jedoch die Haftung zwischen Glasfaser und Kunstharz durch die Verwendung von Gleitmitteln beeinträchtigt. Bevorzugt als Gleitmittel werden Fette, Öle oder Polyalkylenamine eingesetzt. Diese Gleitmittel werden vorzugsweise in einer Menge im Bereich von 0,01 bis 1 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Schlichte, eingesetzt.

Netzmittel bewirken eine Herabsetzung der Oberflächenspannung und eine verbesserte Benetzung der Glasfasern bzw. Glasfilamente mit der Schlichte. Für wässrige Schlichten sind vorzugsweise Polyfettsäureamide mit einer Menge von 0,1 bis 1 ,5 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Schlichte, als Netzmittel zu nennen.

Zur Verbesserung der Adhäsion von Polymeren an den Verstärkungsfaseroberflächen werden vorzugsweise als Haftvermittler organofunktionelle Silane eingesetzt. Besonders bevorzugt als Haftvermittler einzusetzende organofunktionelle Silane sind Aminopropyltriethoxysilan, Methacryloxypropyltrimethoxysilan, oder Glycidyloxy- propyltrimethoxysilan. Diese Silane, welche einer wässrigen Schlichte zugesetzt werden, werden dabei zumeist zu Silanolen hydrolysiert. Diese Silanole können dann mit reaktiven Verstärkungsfaseroberflächen reagieren und somit eine Haftmittelschicht, vorzugsweise mit einer Dicke von ca. 3 nm, bilden.

Im Falle des Einsatzes von Glasfasern als Verstärkungsfasern können dann niedermolekulare, funktionale Agenzien aus dem Matrixkunststoff mit den Silanolgruppen auf der Glasfaseroberfläche reagieren, wobei diese niedermolekularen Agenzien anschließend weiterreagieren (insbesondere in Epoxidharzen) und dabei für eine chemische Anbindung der Glasfaser an die Polymer-Matrix sorgen. Ein solcher Prozess ist jedoch zeitaufwändig und dauert bis zur vollständigen Aushärtung der Polymere (insbesondere der oben genannten Epoxidharze) ungefähr zwischen 30 Minuten bis zu über einer Stunde.

Auch ist eine Funktionalisierung der Silanschlichte durch Umsetzung mit Polymeren bekannt. Durch Funktionalisierung niedermolekularer Polycarbonat-Typen gelingt es, Glasfasergewebe oder Glasfasergelege mit Polycarbonat gut zu imprägnieren/tränken und durch Reaktion der funktionellen Gruppen im Polycarbonat mit der Glasfaseroberfläche eine "Pfropfung" herbeizuführen. Eine solcher Prozess hat jedoch den Nachteil, dass er nicht generell auf Polycarbonat (PC) angewandt werden kann. Nur niedermolekulares, d.h. niedrigviskoses Polycarbonat ist auf diese Weise einsetzbar, das wiederum eine äußerst schlechte Gebrauchstauglichkeit sowie eine geringe Resistenz gegenüber Spannungsriss auslösenden Agenzien, insbesondere polaren Lösungsmitteln, aufweist.

Ausgehend vom Stand der Technik und somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Verstärkungsfasergewebe basierten Faserverbundwerkstoffen bereitzustellen, wodurch der Faserverbundwerkstoff und daraus herzustellende Formkörper gegenüber dem oben zitierten Stand der Technik, jedoch auf demselben Matrixpolymer basierend, verbesserte Eigenschaften insbesondere hinsichtlich seiner Biegefestigkeit erhält.

Der erfindungsgemäß herzustellende Faserverbundwerkstoff und daraus herzustellende Formkörper soll auf einem leicht zu verarbeitenden, gegen herkömmliche Lösemittel weitgehend inerten, gut spannungsrissbeständigen, festen Verbund (quantifizierbar durch seine Biegefestigkeit) von Verstärkungsfasergewebe und Matrixkunststoff basieren und möglichst geringen Faserverzug aufweisen.

Faserverzug im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet jegliche Abweichung von der idealen in DIN ISO 9354 definierten Gewebeform. In einem erfindungsgemäß als Flächengebilde F einzusetzenden idealen Gewebe liegen die Fasern ideal parallel und gestreckt vor, wobei zumeist Endlosfasern eingesetzt werden. Ein geringer Faserverzug bzw. verzugsfrei im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass die Abweichung der Mittellinie eines Fadens in Relation zur Fadenlänge in der zweidimensionalen Projektion des Glasfasergewebes in Gewebeebene maximal 15% beträgt.

Erfindungsgemäß als Flächengebilde F einzusetzende Glasfasergewebe können physikalisch-technisch niemals ideal hergestellt werden. Sie entstehen durch das Verweben von Endlosfasern, insbesondere durch das Verweben von Rovings. Das Verweben von Glasfasern geht zwangsläufig mit einer Ondulation der Fasern einher. Die Ondulation bewirkt insbesondere eine Absenkung der faserparallelen Druckfestigkeit. Die Ondulation zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Fasern in Bezug auf die Ebene des Flächengebildes F, wechselweise nach oben und nach unten bewegen und so nicht ideal parallel und gestreckt vorliegen. Betrachtet man die zweidimensionale Projektion eines ondulierten Gewebes, liegen die Fasern in Richtung der Kett- und Schussrichtung des Gewebes ideal und gestreckt vor. Die ideale Parallelität ist entscheidend für die optimale Kraftübertragung der Fasern. Wird eine thermoplastische Polymer-Matrix erfindungsgemäß in das Flächengebilde F eingebettet, kann die ideale Parallelität der Fasern beibehalten werden. Die Abweichung von der idealen Parallelität wird als Faserverzug bezeichnet und wird gemäß DIN EN ISO 13015 mittels optischer Kontrolle, z.B. mit Hilfe geeigneter Lehren oder kamerabasierten Systemen gemessen. Dabei wird die Lage der Fadenmittellinie in Hauptorientierung in Bezug auf die Fadenlänge bestimmt. Als Faden ist dabei ein Bündel aus Fasern definiert, das auch als Roving, Garn, Faserbündel oder Filamentbündel bezeichnet wird.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs enthaltend eine thermoplastische Formmasse A als Polymer-Matrix M, Verstärkungsfasern B umfassend die Schritte i) Bereitstellen wenigstens eines Flächengebildes F in Form eines Gewebes aus mit Silan-Schlichte behandelten Verstärkungsfasern B, ii) Bereitstellen einer als Matrix M dienenden thermoplastischen Formmasse A die mindestens 0,3 Mol-%, bezogen auf Komponente A, einer chemisch reaktiven Funktionalität in Form funktioneller Monomere aufweist, iii) gegebenenfalls Einarbeitung wenigstens eines Additivs C in die thermoplastische Formmasse A, iv) Einbringen der als Matrix M dienenden thermoplastischen Formmasse A in das wenigstens eine Flächengebilde F durch Einbetten der thermoplastischen Formmasse A in die Verstärkungsfasern B mittels einer Relativbewegung, bei der die Verstärkungsfasern B bis auf einen kontinuierlichen oder diskontinuierlichen eindimensionalen Produktionsvorschub unbeweglich bleiben, und Konsolidieren dieses Verbunds aus wenigstens einem Flächengebilde F und der Matrix M, v) Reaktion der chemisch reaktiven Funktionalitäten der thermoplastischen Formmasse A mit den polaren Gruppen an der Oberfläche der mit einer Silan- Schlichte behandelten Verstärkungsfasern B, vi) Abkühlen des Faserverbundwerkstoffs und gegebenenfalls weitere Verfahrensschritte, wobei die chemisch reaktive Funktionalität der thermoplastischen Formmasse A auf Komponenten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Maleinsäureanhydrid, N- Phenylmaleinimid und Glycidyl(meth)acrylat basiert und die Schritte iv) bis vi) bei einer Temperatur von mindestens 150°C und die Schritte v) bis vi) durch Anpressen bei Überdruck durchgeführt werden.

Überraschenderweise erhält man durch das erfindungsgemäße Verfahren einen besonders verzugsfreien Faserverbundwerkstoff.

Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Einbringung der Matrix M in das wenigstens eine Flächengebilde F. Dabei fließt die Matrix M in die Zwischenräume der mit einer Silan-Schlichte behandelten Verstärkungsfasern B. Überschüssige Schlichte wird dabei aus den Rovings, Garnen, Faserbündeln oder Filamentbündeln der Verstärkungsfasern B verdrängt. Der erfindungsgemäß herzustellende Faserverbundwerkstoff ist gekennzeichnet durch eine vollständige Ummantelung aller Einzelfasern mit der Matrix M. Diese erzeugt sowohl eine optimierte Faser-Matrix-Haftung, als auch eine verbesserte Fixierung der Verstärkungsfasern in ihrer räumlichen Ausrichtung infolge dessen ein erfindungsgemäß herzustellender Faserverbundwerkstoff gegenüber einem gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik herzustellenden Faserverbundwerkstoff geringeren Faserverzug aufweist.

Das Einbringen der Matrix M in das mindestens eine Flächengebilde F im Verfahrensschritt iv) erfolgt vorzugsweise über Schmelzen der thermoplastischen Formmasse A und In- Kontakt-Bringen dieser mit mindestens einem Flächengebilde F aus Verstärkungsfasern B, wie sie in Verfahrensschritt i) bereitgestellt werden.

Das Schmelzen der thermoplastischen Formmasse A und das In-Kontakt-Bringen dieser Schmelze mit den Verstärkungsfasern B, kann auf jede hierzu geeignete Weise erfolgen. Bei einer solchen Imprägnierung wird die auf thermoplastischer Formmasse A basierte Matrix M in einen fließfähigen Zustand überführt und die Verstärkungsfasern B unter Ausbildung einer Grenzschicht benetzt.

Verfahrensschritte iii), iv), v) und vi) können auch gleichzeitig durchgeführt werden. Erfindungsgemäß enthält die wenigstens eine thermoplastische Formmasse A mindestens 0,3 Mol-%, bezogen auf Komponente A, einer chemisch reaktiven Funktionalität in Form funktioneller Monomere. Vorzugsweise weist die wenigstens eine thermoplastische Formmasse A mindestens ein Copolymer A-1 auf, das Monomere A-l umfasst, die mit den polaren bzw. funktionellen Gruppen B-l der Verstärkungsfasern B kovalente Bindungen eingehen. Unmittelbar beim In-Kontakt-Bringen der wenigstens einen thermoplastischen Formmasse A mit den Verstärkungsfasern B erfolgt beim gleichzeitigen Durchführen der Verfahrensschritte iv), v)und vi) eine chemische Reaktion, bei der die Monomere A-l mit der Oberfläche der Verstärkungsfasern B (in der Regel über eine Bindung an die funktionellen Gruppen B-l) eine kovalente Bindung ausbilden. Vorzugsweise ist dies eine Veresterung, insbesondere eine Veresterung von Maleinsäureanhydrid-Monomeren mit Silanolgruppen einer Verstärkungsfaser. Alternativ kann die Ausbildung einer kovalenten Bindung auch in einem gesonderten Schritt initiiert werden, insbesondere durch Temperaturerhöhung, durch Radikalstarter oder durch Photoinitiation oder einer Kombination dieser Verfahren. Dies kann bei jeder geeigneten Temperatur durchgeführt werden.

Die Schritte iv) bis vi) werden bei einer Temperatur von mindestens 150°C, bevorzugt von mindestens 175°C, besonders bevorzugt von mindestens 200°C, insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 230°C bis 300°C durchgeführt. Hierbei ist bevorzugt darauf zu achten, dass möglichst keine Pyrolyse auftritt und die eingesetzten Edukte bzw. die verwendeten Komponenten thermisch nicht zersetzt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt bei der Durchführung der Schritte iv) bis vi) die Verweildauer bei Temperaturen von > 200°C nicht mehr als 10 min, bevorzugt nicht mehr als 5 min, besonders bevorzugt nicht mehr als 2 min, insbesondere bevorzugt nicht mehr als 1 min. Oftmals genügen für die Verfahrensschritte iv) bis vi) und die dabei erfolgende thermische Behandlung 1 bis 60 Sekunden.

Das Verfahren, insbesondere die Schritte iv) bis vi), kann grundsätzlich bei beliebigem Druck durchgeführt werden. Vorzugsweise werden die Verfahrensschritte v) und vi) bei Überdruck durchgeführt, wodurch die Eigenschaften des herzustellenden Faserverbundwerkstoffs verbessert werden können. Insbesondere das Erscheinungsbild der Oberfläche konnte überraschenderweise auf diese Weise verbessert werden. Versuche im Rahmen der vorliegenden Erfindung zeigten, dass insbesondere wenn Verfahrensschritt vi) nicht bei Überdruck durchgeführt wird, die Oberflächenrauheit sowie der Anteil der Lufteinschlüsse im Faserverbundwerkstoff zunahm.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden daher die Verfahrensschritte iv) bis vi) bei einem Druck im Bereich von 5 bis 100 bar und einer Presszeit im Bereich von 1 bis 60 s, besonders bevorzugt bei einem Druck im Bereich von 10 bis 30 bar und einer Presszeit im Bereich von 2 bis 40 s, durchgeführt.

Vorzugsweise werden mit mindestens einer chemisch reaktiven Funktionalität (A-l) versehene Polypropylene, als thermoplastische Formmasse A in der Matrix M verwendet. Durch den Einsatz amorpher Thermoplaste, insbesondere Styrol-Copolymere oder Polycarbonate, kann die Oberflächenqualität der zu fertigenden Faserverbundwerkstoffe wesentlich gesteigert werden, da durch die geringere Schwindung der amorphen Thermoplaste die Oberflächentopologie, aufgrund der faserreichen (Kreuzungspunkt bei Geweben) und faserarmen Regionen, im Vergleich zu teilkristallinen Thermoplasten verbessert wird. Wird Verfahrensschritt vi) erfindungsgemäß bei Überdruck durchgeführt ist überraschenderweise eine vergleichbare Oberflächenqualität auch mit teilkristallinen Thermoplasten erreichbar!

Im Verfahrensschritt v) und insbesondere während der Konsolidierung im Verfahrensschritt vi) wird durch die Relativbewegung der thermoplastischen Formmasse A in Relation zu den Verstärkungsfasern B die zwischen den Verstärkungsfasern befindliche Luft verdrängt, wodurch Lufteinschlüsse im zu fertigenden Faserverbundwerkstoff vermindert und eine gute Verbindung zwischen thermoplastischer Formmasse A und Verstärkungsfasern B hergestellt wird. Bevorzugtes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, nach Imprägnierung und Konsolidierung einen (möglichst weitgehend) porenfreien Materialverbund zu erhalten. Porenfrei im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, wenn ein Faserverbundwerkstoff weniger als 5 VoL-% Luft oder Vakuolen enthält, was mittels optischer Messverfahren, Röntgenaufnahmen, Dichtemessungen oder Veraschungen, insbesondere gemäß ASTM D2734-09, nachgewiesen werden kann.

Alternativ können die Verfahrensschritte in getrennter Abfolge ausgeführt werden. Beispielsweise können zunächst Lagen aus Verstärkungsfasern B mit unterschiedlich vorbereiteten Verstärkungsfasern B vorbereitet werden, wobei eine Imprägnierung der Verstärkungsfasern B mit der Matrix M aus thermoplastischer Formmasse A stattfindet. Danach können imprägnierte Lagen mit Verstärkungsfasern B mit unterschiedlicher Faser- Matrix-Haftung vorliegen, die in einem weiteren Arbeitsschritt zu einem Materialverbund als Faserverbundwerkstoff konsolidiert werden können. Bevor die Lagen aus Verstärkungsfasern B mit der Matrix M aus thermoplastischer Formmasse A laminiert werden, kann wenigstens ein Teil der Verstärkungsfasern B einer Vorbehandlung unterzogen werden, in deren Verlauf die spätere Faser-Matrix-Haftung beeinflusst wird. Die Vorbehandlung kann vorzugsweise einen Beschichtungsschritt, einen Ätzschritt, einen Wärmebehandlungsschritt oder einen mechanischen Oberflächenbehandlungsschritt umfassen. Insbesondere kann aber auch durch Erhitzen eines Teils der Verstärkungsfasern B ein bereits aufgebrachter Haftvermittler teilweise entfernt werden.

Die Verstärkungsfaserlagen können beim als Laminieren bezeichneten erfindungsgemäßen Herstellverfahren vollständig miteinander verbunden werden. Derartige Faserverbundwerkstoff-Matten bieten optimierte Festigkeit und Steifigkeit in Verstärkungsfaserrichtung und können besonders vorteilhaft weiterverarbeitet werden.

Besonders bevorzugte Ausführungsformen und Edukte des Verfahrens

Verfahrensschritt i)

Vorzugsweise basiert das in Verfahrensschritt i) bereitzustellende wenigstens eine Flächengebilde F auf Gewebe aus Endlosfasern, einschließlich Fasern die das Produkt einer Einzelfaserverdrillung sind. Bei Verstärkungsfasern, insbesondere Glasfasern, unterscheidet man gemäß „http://de.wikipedia.org/wiki/Faser-Kunststoff-Verbund“ geschnittene Fasern, auch als Kurzfasern bezeichnet, mit einer Länge im Bereich von 0,1 bis 1 mm, Langfasern mit einer Länge im Bereich von 1 bis 50 mm und Endlosfasern mit einer Länge L > 50 mm.

Die zu Gewebe verarbeiteten Verstärkungsfasern B sind daher erfindungsgemäß bevorzugt keine Kurzfasern ("chopped fibers"); der erfindungsgemäß herzustellende Faserverbundwerkstoff ist deshalb vorzugsweise kein kurzfaserverstärkter Faserverbundwerkstoff. Erfindungsgemäß bevorzugt weisen mindestens 50% der Verstärkungsfasern B eine Länge von mindestens 5 mm, besonders bevorzugt mindestens 10 mm oder mehr als 100 mm, auf, wobei die Länge der Verstärkungsfasern B auch von der Größe des aus dem Faserverbundwerkstoff F herzustellenden Formteils T abhängt.

Erfindungsgemäß in Verfahrensschritt i) einzusetzende Gewebe basieren vorzugsweise auf Endlosfasern, die vor der Verarbeitung zum Gewebe in Form von Roving, Garn, Faserbündel oder Filamentbündel vorliegen. Besonders bevorzugt werden deshalb Rovinggewebe, Garngewebe oder Filamentgewebe eingesetzt. Vorzugsweise werden die im Verfahrensschritt i) als Flächengebilde F einzusetzenden Gewebe schichtweise eingesetzt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Gegenstand der vorliegenden Erfindung deshalb auch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs mit schichtartigem Aufbau und wenigstens zwei Schichten von Geweben im Flächengebilde F.

Vorzugsweise können die Schichten gleichartig oder voneinander andersartig aufgebaut sein. In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung deshalb ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs der schichtartig aufgebaut ist und mehr als zwei, besonders bevorzugt mehr als drei Gewebeschichten enthält. Vorzugsweise können alle Schichten gleichartig, oder manche der Schichten können andersartig aufgebaut sein, wobei andersartig sich auf die Gewebeart, die Gewebebindung sowie auf die Gewebematerialien bezieht. Wie Schussfäden sich mit Kettfäden abwechseln, in welchen Abständen sie untereinander oder übereinander hinweg verlaufen, bestimmt die Bindung eines Gewebes.

Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellender Faserverbundwerkstoff ist von wenigstens einem Flächengebilde F durchzogen, vorzugsweise weitgehend durchzogen. Weitgehend durchzogen bedeutet hierbei, dass das wenigstens eine Flächengebilde F mehr als 50%, bevorzugt mindestens 70%, insbesondere mindestens 90%, der Länge des erfindungsgemäß herzustellenden Faserverbundwerkstoffs durchziehen. Die Länge des Faserverbundwerkstoffs ist hierbei die größte Ausdehnung in einer der drei Raumrichtungen. Besonders bevorzugt durchzieht das wenigstens eine Flächengebilde F mehr als 50%, ganz besonders bevorzugt mindestens 70%, insbesondere bevorzugt mindestens 90%, der Fläche des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellenden Faserverbundwerkstoffs. Die Fläche ist hierbei die Fläche der größten Ausdehnung in zwei der drei Raumrichtungen.

Vorzugsweise werden durch das erfindungsgemäße Verfahren flächige oder ebene Faserverbundwerkstoffe hergestellt. Bei erfindungsgemäß bevorzugt flächigen oder ebenen Faserverbundwerkstoffen verläuft die Fadenmittellinie der Einzelfäden eines Flächengebildes F bzw. der für die Gewebe einzusetzenden Endlosfasern innerhalb eines Fensters mit einer Höhe < 15%, bevorzugt maximal < 10%, insbesondere maximal < 5% entlang der Länge des ebenen Faserverbundwerkstoffs.

Die Ebenheit eines erfindungsgemäß herzustellenden Faserverbundwerkstoffs wird über dessen Dicke bestimmt. Ein Faserverbundwerkstoff ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eben, wenn die Dicke einer 300mm x 300mm Platte des Faserverbundwerkstoffs an keiner Stelle mehr als 10% vom Mittelwert der Plattendicke abweicht, wobei die Plattendicke an mindestens 4 Stellen, die mehr als 100mm voneinander entfernt liegen, mit einer Dickenmessschraube mit flachem Messkopf gemessen wird. Bei kleineren Plattenmaßen gilt ein Faserverbundwerkstoff im Sinne der vorliegenden Erfindung als eben, wenn die genannten Grenzen mit dem Verhältnis des kleineren Plattenmaßes zu dem Plattenmaß 300mm x 300mm skaliert und mit der gleichen Messmethodik gemessen werden.

Vorzugsweise ist das in Verfahrensschritt i) bereitzustellende wenigstens eine Flächengebilde F basierend auf wenigstens einem Gewebe aus mit einer Silan-Schlichte behandelten Verstärkungsfasern B. Besonders bevorzugt werden als Verstärkungsfasern B Glasfasern eingesetzt, die als chemisch reaktive Funktionalität Silangruppen an der Oberfläche aufweisen.

Ganz besonders bevorzugter Gegenstand der Erfindung ist im Verfahrensschritt i) die Bereitstellung wenigstens eines Flächengebildes F basierend auf wenigstens einem Gewebe aus Glasfasern, die als chemisch reaktive Funktionalität Silanolgruppen an der Oberfläche aufweisen.

Vorzugsweise werden bezogen auf 100 Massenanteile des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu fertigenden Faserverbundwerkstoffs 5 bis 80 Massenanteile, besonders bevorzugt 10 bis 75 Massenanteile, ganz besonders bevorzugt 20 bis 70 Massenanteile, insbesondere 25 bis 68 Massenanteile Verstärkungsfasern B eingesetzt.

Die Verstärkungsfasern B werden als Flächengebilde F eingesetzt. Die Verstärkungsfasern B können jede Faser sein, deren Oberfläche funktionelle Gruppen B-l aufweist, die mit den Monomeren A-l der Komponente A eine kovalente Bindung eingehen können.

Bekanntermaßen werden die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Verstärkungsfaser basierten Faserverbundwerkstoffen, insbesondere Glasfaser basierten Faserverbundwerkstoffen, und Harzen durch die Affinität, durch die Haftung und folglich durch die Scherfestigkeit an der Phasengrenze von Verstärkungsfasern bzw. Glasfasern und Polymermatrix beeinflusst. Die Aufgabe einer Schlichte besteht darin, sowohl einen kompatiblen Verbund zwischen Verstärkungsfasern, insbesondere Glasfasern, und dem umgebenden Harz herzustellen, als auch die Herstell- und Verarbeitbarkeit eines Rovings oder Vorgarns zu gewährleisten.

Verstärkungsfasern, insbesondere Glasfasern, sind unabhängig von ihrer chemischen

Zusammensetzung knick- und scheuerempfindlich. Schon während des Faserziehprozesses muss deswegen durch Schlichteauftrag Vorsorge getroffen werden, um Verstärkungsfasern oder Glasfasern gegen die Scheuerwirkung von Glas auf Glas und somit vor der Gefahr einer mechanischen Beschädigung zu schützen.

Die Zusammensetzung einer Schlichte beeinflusst nicht nur den Geschlossenheitsgrad, die Härte, die Steifigkeit, die Oberflächenbeschaffenheit von Verstärkungsfaser oder Glasfaser basierten Produkten, insbesondere Geweben, sondern auch technologische Prozesse wie z.B. den Faserziehprozess (Fadenspannung), das Wickeln (Spulenaufbau) und den Trocknungsprozess (Trocknungstemperatur Trocknungszeit) und insbesondere die Weiterverarbeitbarkeit.

Schlichten für Verstärkungsfasern, insbesondere Glasfasern, bestehen vorwiegend aus einem oder mehreren Filmbildnern, einem Gleitmittel, einem Netzmittel und einem oder mehreren Haftvermittlern (Kupplungsmitteln). Ein Filmbildner verleiht dem Gesamtfaden, insbesondere einem Roving, die erforderliche Integrität, schützt die Glasfilamente vor gegenseitiger Reibung und kann zur Affinität zum Kunstharz und damit zur Festigkeit eines erfindungsgemäß zu fertigenden Faserverbundwerkstoffs beitragen. Durch das Auflösen der Filmbildnerschicht in der Matrix durch eventuelle chemische Reaktionen mit der Polymermatrix kann die Haftung und die Scherfestigkeit an der Phasengrenze von Verstärkungsfasern bzw. Glasfasern und Kunstharz und folglich die Festigkeit und die Schlagzähigkeit eines Verbundwerkstoffs erhöht werden.

Als Filmbildner werden vorzugsweise Stärkederivate, Polymere und Copolymere von Vinylacetat und Acrylestern, Epoxidharzemulsionen, Epoxypolyesterharze (siehe: EP-A-0 027 942], Polyurethanharze, Polyolefinharze oder Mischemulsionen von Polyvinylacetat und Polystyrol in Mengen im Bereich von 0,1 bis 12,0 Massenanteilen bezogen auf 100 Massenanteile der gesamten Schlichte eingesetzt.

Ein Gleitmittel in der Schlichte verleiht dem Produkt, insbesondere einem damit zu behandelnden Textilglasroving, die notwendige Geschmeidigkeit und setzt die gegenseitige Reibung der Verstärkungsfasern, vorzugsweise der Glasfasern, sowohl während der Herstellung derselben, als auch während der Weiterverarbeitung, insbesondere durch Weben, herab. Viele Gleitmittel beeinträchtigen jedoch die Haftung zwischen Verstärkungsfaser, insbesondere Glasfaser, und Harz. Als Gleitmittel werden insbesondere Fette, Öle, Wachse oder Polyalkylenamine in einer Menge im Bereich von 0,01 bis 1 ,0 Massenanteilen, bezogen auf 100 Massenanteile der gesamten Schlichte, eingesetzt. Ein Netzmittel als Schlichtekomponente setzt die Oberflächenspannung von Wasser herab und verbessert die Benetzung von Verstärkungsfasern, vorzugsweise Glasfasern, mit der Schlichte. Als Netzmittel werden in die wässrige Schlichte, die vorzugsweise als Emulsion vorliegt, insbesondere Polyfettsäureamide in einer Menge im Bereich von 0,1 bis 1 ,5 Massenanteilen, bezogen auf 100 Massenanteile der gesamten Schlichte eingesetzt.

Die meisten als Matrix einzusetzenden Polymere weisen keine oder nur geringe Affinität zu Glas und damit zu den erfindungsgemäß bevorzugt als Verstärkungsfasern einzusetzenden Glasfasern auf. Durch Haftvermittler wird zwischen Glasfaser und Polymer eine Brücke geschaffen, die eine vollständige Kraftübertragung im Faserverbundwerkstoff bzw. Composite ermöglicht. Haftvermittler erhöhen die Adhäsion von Polymeren an der Glasfaseroberfläche. Als Haftvermittler werden erfindungsgemäß bevorzugt organo- funktionelle Silane, insbesondere y-Aminopropyltriethoxysilan, y-Methacryloxy- propyltrimethoxysilan, y-Glicydyloxypropyltrimethoxysilan eingesetzt. Vorzugsweise werden bei Glasfasern diese Haftvermittler in der Schlichte in Mengen im Bereich von 0 bis 1 ,0 Massenanteilen, bezogen auf 100 Massenanteile der gesamten Schlichte eingesetzt.

Bevor die als Haftvermittler einzusetzenden Silane der wässrigen Schlichte zugesetzt werden, werden sie vorzugsweise zu Silanolen hydrolysiert. Eine solche Hydrolysatlösung ist nur begrenzt stabil und neigt zur Kondensation. Haftvermittler-haltige Schlichten, sogenannte Kunststoffschlichten, können noch andere Zusätze enthalten, vorzugsweise Primer, Antistatika oder Emulgatoren, wodurch spezielle Wirkungen erreicht werden sollen.

Die in Schlichten einzusetzenden Hilfskomponenten sind allgemein bekannt und beispielsweise in K. L. Löwenstein - The Manufacturing Technology of Continuous Glass Fibres, Elsevier Scientific Publishing Corp. Amsterdam - Oxford - New York, 1983, beschrieben.

Erfindungsgemäß ist die Oberfläche der einzusetzenden Verstärkungsfasern B, insbesondere Glasfasern, mit einer Silan-Schlichte behandelt. Diese Schlichte dient insbesondere beim Weben der Verstärkungsfasern B bzw. Glasfasern als Schmierstoff und kann optional nach dem Weben chemisch entfernt werden. Besonders bevorzugt werden als Verstärkungsfasern B Glasfasern eingesetzt, die Hydroxygruppen in Form von Silanolgruppen als chemisch reaktive Funktionalität B-l an ihrer Oberfläche aufweisen.

In einer Ausführungsform kann die Oberfläche der Verstärkungsfasern B oder Glasfasern weitere funktionelle Gruppen B-Il, insbesondere Hydroxy-, Ester- oder Amino-Gruppen, aufweisen. Die Verstärkungsfasern B oder Glasfasern können als Flächengebilde F in beliebiger Orientierung und Anordnung im Faserverbundwerkstoff eingebettet sein. Sie liegen dann im erfindungsgemäß herzustellenden Faserverbundwerkstoff nicht statistisch gleichverteilt vor, sondern als Flächengebilde, d.h. in Ebenen mit höherem und Ebenen mit niedrigerem Anteil, also als mehr oder weniger separate Lagen. Vorzugsweise wird von einem laminatartigen oder laminaren Aufbau des erfindungsgemäß herzustellenden Faserverbundwerkstoffs ausgegangen.

Bereits bei der Herstellung der Verstärkungsfasern B, insbesondere Glasfasern, kann der Haftvermittler als Teil der Schlichte aufgebracht werden. Es kann jedoch auch ein zusätzlicher Vorgang des thermischen Entschlichtens oder sonstiger Entschlichtung vorgesehen werden, der eine bereits aufgebrachte Schlichte zerstört oder entfernt. Anschließend kann dann die Verstärkungsfaser oder Glasfaser mit einem Finish beschichtet werden, die den Haftvermittler enthält und auf die jeweilige Matrix und die gewünschte Faser-Matrix-Haftung abgestimmt ist. Alternativ können auch Kunststoffschichten verwendet werden. In einer Ausführungsform können auf das Matrixpolymer angepasste Haftvermittler verwendet werden, die vernetzungsfähige Polyetherurethan- und/oder Polyesterurethan-Polymere enthalten, welche als Filmbildner wirken, zusammen mit einem Aminosilan-Haftvermittler.

Vorzugsweise sind gefinishte Verstärkungsfasern oder Glasfasern, insbesondere in Form von Geweben, mit modifizierten Silanschlichten wie dem Finish FK 800 ausgerüstet; siehe R&G Glasfilamentgewebe Leinwand 25g/m ² FK 800 Glasgewebe R & G Köper 1901005, der R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH in 711 11 Waldenbuch, Deutschland. Solche Gewebe sind sehr anschmiegsam und fransen beim Schneiden kaum aus.

Die Flächengebilde F der Verstärkungsfasern B liegen erfindungsgemäß als Gewebe vor. Die auf erfindungsgemäße Weise aus den Geweben von Verstärkungsfasern B erhältlichen flächigen Laminate enthalten vorzugsweise schichtweise aufgebaute Verbünde aus flächigen Verstärkungsfaserlagen B und Lagen der diese flächigen Verstärkungsfaserlagen B benetzenden und zusammenhaltenden, als Matrix dienenden thermoplastischen Formmasse A. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Matrix wiederum schichtweise in die Verstärkungsfaser(lage)n B eingebettet und bildet so den erfindungsgemäß zu fertigenden Faserverbundwerkstoff.

Erfindungsgemäß als Flächengebilde F einzusetzende Gewebe entstehen durch das Verweben von Endlosfasern, insbesondere durch das Verweben von Rovings. Das Verweben von (Endlos)Fasern geht zwangsläufig mit einer Ondulation der Fasern/Verstärkungsfasern einher. Die Ondulation bewirkt insbesondere eine Absenkung der faserparallelen Druckfestigkeit. Die Ondulation zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Fasern/Verstärkungsfasern in Bezug auf die Ebene des Flächengebildes F, wechselweise nach oben und nach unten bewegen und so nicht ideal parallel und gestreckt vorliegen. Betrachtet man die zweidimensionale Projektion eines ondulierten Gewebes, liegen die Fasern in Richtung der Kett- und Schussrichtung des Gewebes ideal und gestreckt vor. Die ideale Parallelität ist entscheidend für die optimale Kraftübertragung der Fasern. Wird die als Matrix M dienende thermoplastische Formmasse A in das Flächengebilde F eingebettet, kann die ideale Parallelität der Fasern/Verstärkungsfasern beibehalten werden. Die Abweichung von der idealen Parallelität wird als Faserverzug bezeichnet und wird gemäß DIN EN ISO 13015 mittels optischer Kontrolle, insbesondere mit Hilfe geeigneter Lehren oder kamerabasierten Systemen, gemessen. Dabei wird die Lage der Fadenmittellinie in Hauptorientierung in Bezug auf die Fadenlänge bestimmt. Als Faden ist dabei ein Bündel aus Fasern definiert, das auch als Roving, Garn, Faserbündel oder Filamentbündel bezeichnet wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weicht im erfindungsgemäß herzustellenden Faserverbundwerkstoff die Fadenmittellinie maximal 15%, vorzugsweise maximal 10%, besonders bevorzugt maximal 5% bezogen auf die Länge des Faserverbundwerkstoffs bzw. des daraus hergestellten Formteils T von der idealen geradlinigen, d.h. verzugsfreien Form ab.

Vorzugsweise führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einem Faserverbundwerkstoff mit einem nach DIN 1310 definierten Volumenanteil an Verstärkungsfasern B in Form von Flächengebilden F im Bereich von 25 bis 65%, besonders bevorzugt im Bereich von 30 bis 55%.

Vorzugsweise führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einem Faserverbundwerkstoff mit einem nach ASTM D2734-09 zu bestimmenden Volumenanteil an Luft von maximal 5%, wobei das verbleibende Volumen vorzugsweise von der Formmasse A vollständig ausgefüllt wird.

Verfahrensschritt ii)

Verfahrensschritt ii) betrifft das Bereitstellen einer als Matrix M dienenden thermoplastischen Formmasse A die mindestens 0,3 Mol-%, bezogen auf Komponente A, einer chemisch reaktiven Funktionalität in Form funktioneller Monomere aufweist. Eine chemisch reaktive Funktionalität aufweisend oder durch eine chemisch reaktive Funktionalität modifiziert bedeutet, dass das (Co)polymer Monomere (als Baustein) enthält, die im (Co)polymer zu reaktiven chemischen Gruppen führen.

Diese chemisch reaktive Funktionalität reagiert während des Herstellungsprozesses des erfindungsgemäß herzustellenden Faserverbundwerkstoffs mit chemischen Gruppen an der Oberfläche der Verstärkungsfasern B. Vorzugsweise wird eine als Matrix dienende thermoplastische Formmasse A auf Basis eines (Co)Polymers eingesetzt. Vorzugsweise umfasst ein solches (Co)polymer mindestens ein funktionelles Monomer A-l, dessen Funktionalität während des Herstellungsprozesses des Faserverbundwerkstoffs mit chemischen Gruppen an der Oberfläche der Verstärkungsfasern B reagiert. Das Monomer A-l umfassende (Co)polymer wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch als Polymerkomponente (A-a) bezeichnet.

Optional kann die thermoplastische Formmasse A noch zusätzlich ein oder mehrere (Co)polymere enthalten, die wahlweise auch frei von einer solchen chemisch reaktiven Funktionalität sind (daher kein funktionales Monomer A-l enthalten) und somit während des Herstellungsprozesses des Faserverbundwerkstoffs nicht mit chemischen Gruppen an der Oberfläche der Verstärkungsfasern B reagieren. Ein solches (Co)polymer wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch als Polymer-Komponente (A-b) bezeichnet.

Vorzugsweise basiert die thermoplastische Formmasse A für die Matrix M auf amorphem oder teilkristallinem Kunststoff. Besonders bevorzugt wird die als Matrix M einzusetzende thermoplastische Formmasse A in Form eines teilkristallinen Polymers eingesetzt. Einen Feststoff, welcher sowohl kristalline als auch amorphe Bereiche (Domänen) enthält, bezeichnet man als teilkristallin. Kühlt man die Schmelze eines Polymers ab, so bewegen sich die Ketten der Polymere immer weniger und beginnen sich regelmäßig anzuordnen bzw. zu kristallisieren. Da sie aber ineinander verschlauft sind (englisch entangled), kann dieser Prozess nicht in der gesamten Schmelze stattfinden, sondern nur in Domänen. Im Rest der Schmelze erstarren die Ketten ungeordnet (amorph). Polymere kristallisieren umso mehr, je langsamer die Schmelze abgekühlt wird. Polymere mit kleinen Seitenketten kristallisieren besser als solche mit langen Seitenketten. Vernetzte oder verzweigte Polymere hingegen kristallisieren eher nicht. Gemäß DE 10 2011 084 519 A1 haben teilkristalline Polyamide eine Schmelzenthalpie von mehr als 25 J/g, gemessen mit der DSC-Methode gemäß ISO 11357 beim zweiten Aufheizen und Integration des Schmelzpeaks, wobei diese Definition auch auf andere teilkristalline Polymere anzuwenden ist. Im Verfahrensschritt ii) wird die Matrix M in Mengen eingesetzt, dass ein erfindungsgemäß herzustellender Faserverbundwerkstoff mit vorzugsweise 10 bis 95 Massenanteilen, besonders bevorzugt 20 bis 50 Massenanteilen, ganz besonders bevorzugt 23 bis 40 Massenanteilen, und insbesondere 27 bis 38 Massenanteilen Matrix M, bezogen auf 100 Massenanteile des Faserverbundwerkstoffs, basiert.

Die im Verfahrensschritt ii) als Matrix M bereitzustellende thermoplastische Formmasse A, basiert vorzugsweise aufs wenigstens einem Polymer der Gruppe Polyolefine, Polyamide, thermoplastischen Elastomere, Polycarbonate, Polybutadienterephtalate, Polylactide, Polyphenylensulfide und Styrolcopolymere.

Bevorzugte Styrolcopolymere sind Styrol-Acrylnitril-Copolymere (SAN), a-Methylstyrol- Acrylnitril-Copolymere (AMSAN), schlagzäh modifizierte Styrol-Acrylnitril-Copolymere, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS), Styrol-Methylmethacrylat-Copolymere (SMMA), Methacrylat-Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (MABS) oder Acrylester- Styrol-Acrylnitril-Copolymere (ASA), wobei die Styrolcopolymere mit Monomere (A-l) modifiziert sind.

Auch Blends der zuvor genannten Copolymere mit Polycarbonat oder mit teilkristallinen Polymeren, insbesondere mit Polyamid, sind geeignet, vorausgesetzt, der Anteil teilkristalliner Mischkomponenten an der Komponente A ist kleiner als 50 Gew.%.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist mindestens eine der Polymer-Komponenten in der thermoplastischen Formmasse A mit Monomer A-l modifiziert (Polymer-Komponente (A-a). Beliebige weitere Polymer-Komponenten, vorzugsweise Styrol-Copolymere, insbesondere solche wie vorstehend genannt, können optional zusätzlich in der thermoplastischen Formmasse A enthalten sein, die optional nicht mit Monomer A-l modifiziert sind (Polymer- Komponente (A-b)).

Ganz besonders bevorzugt werden SAN-(M-I)-Copolymere (mit Modifizierung durch Monomere A-l) als (optional auch als einziger polymerer Bestandteil) Bestandteil der thermoplastischen Formmasse A eingesetzt.

Erfindungsgemäß ist mindestens eine der (Co)polymer-Komponenten der thermoplastischen Formmasse A ein (Co)polymer, das mindestens eine chemisch reaktive Funktionalität aufweist (Polymer-Komponente (A-a)). Jede der im vorangehenden Absatz zu Verfahrensschritt ii) genannten Copolymer-Komponenten kann demnach zusätzlich zu den explizit genannten Monomeren auch eine reaktive Funktionalität aufweisen, die während der Herstellung des Faserverbundwerkstoffs mit der Oberfläche der Verstärkungsfasern B reagieren kann. Somit kann jedes der vorstehend genannten (Co)polymere auch eine Polymer-Komponente (A-a) darstellen.

Entsprechend werden die vorstehend genannten Polymer-Komponenten in ihrer Verwendung als Polymer-Komponente (A-a) in der Regel auch mindestens ein Monomer A-l, das die chemisch reaktive Funktionalität (daher die Reaktion mit Verstärkungsfasern B) vermittelt, umfassen. Dann können diese vorzugsweise auch bezeichnet werden als Polystyrol-(A-I)-Copolymer, Styrol-Acrylnitril-(A-I)-Copolymer, a-Methylstyrol-Acrylnitril-(A- I)-Copolymer, schlagzäh modifiziertes Acrylnitril-Styrol-(A-I)-Copolymer, Acrylnitril- Butadien-Styrol-(A-I)-Copolymer (ABS-(A-I)) und Acrylnitril-Styrol-Acrylester-(A-I)- Copolymer (ASA-(A-I)). Auch Blends der genannten Copolymere mit Polycarbonat oder Polyamid sind möglich.

Optional können die vorstehend genannten Polymer-Komponenten in ihrer Verwendung als Polymer-Komponente (A-a) auch noch zusätzlich ein zweites Monomer (oder sogar noch ein drittes Monomer) umfassen, das die chemisch reaktive Funktionalität aufweist.

Insbesondere können daher die vorstehend genannten Polymer-Komponenten (in ihrer Verwendung als Polymer-Komponente (A-a)) im Falle der Verwendung von Maleinsäureanhydrid (MA) als Monomer A-l auch bezeichnet werden als Polystyrol- Maleinsäureanhydrid-Copolymer, Styrol-Acrylnitril-Maleinsäureanhydrid-Copolymer, a- Methylstyrol-Acrylnitril-Maleinsäureanhydrid-Copolymer, schlagzäh modifiziertes Acrylnitril- Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymer, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Maleinsäureanhydrid- Copolymer (ABS-MA) oder Acrylnitril-Styrol-Acrylester-Maleinsäureanhydrid-Copolymer (ASA-MA). Auch Blends der genannten Copolymere mit Polycarbonat oder Polyamid sind möglich. Entsprechendes gilt auch für andere Monomere A-l.

In einer Ausführungsform können im Verfahrensschritt ii) ein oder mehrere beliebige weitere (Co)polymere ohne eine solche Funktionalität (als Polymer-Komponente (A-b)) zusätzlich zu der einen oder den mehreren Polymer-Komponente(n) (A-a) eingesetzt werden. Auch hier können vorzugsweise die vorstehend genannten (Co)polymere Polystyrol, Styrol- Acrylnitril-Copolymere, a-Methylstyrol-Acrylnitril-Copolymere, schlagzäh modifizierte Acrylnitril-Styrol-Copolymere, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS) und Acrylnitril- Styrol-Acrylester-Copolymere (ASA), sowie Blends der genannten (Co)polymere mit Polycarbonat oder Polyamid, dann jedoch ohne die Funktionalität (daher ohne reaktives Monomer A-l), eingesetzt werden. Besonders bevorzugt werden als thermoplastische Formmasse A Polyolefine, ganz besonders bevorzugt Polypropylen (PP) oder auch Hochdruck-Polyethylen (HDPE), eingesetzt. Bevorzugt enthält die thermoplastische Formmasse A in einem solchen Fall mehr als 50% Polypropylen oder eines Copolymers (A-1 ). Gemäß einer Ausführungsform enthält eine solche thermoplastische Formmasse A mindestens 90% Copolymer A-1. Die thermoplastische Formmasse A kann in einem solchen Fall auch nur aus Copolymer A-1 bestehen.

Erfindungsgemäß bevorzugt enthält mindestens eine der Komponenten der thermoplastischen Formmasse A ein (Co)polymer, das mindestens eine chemisch reaktive Funktionalität wie hierin beschrieben aufweist und als Polymer-Komponente (A-a) bezeichnet wird. Besonders bevorzugt ist, dass mindestens eine der vorstehend genannten Polymer-Komponenten Polypropylen und/oder mindestens ein Copolymer A-1 (Styrol- Copolymer, insbesondere SAN, SMMA, ABS und ASA)) mindestens ein Monomer A-l umfasst.

Im insbesondere bevorzugten Fall der Verwendung von Maleinsäureanhydrid (MA) als Monomer A-l, enthält das Polypropylen ein Polypropylen-Maleinsäureanhydrid-Copolymer und das Copolymer A-1 ist insbesondere bevorzugt Styrol-Acrylnitril-Maleinsäureanhydrid- Copolymer (SAN-MA), Styrol-Methylmethacrylat-Maleinsäureanhydrid-Copolymer (SMMA- MA), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymer (ABS-MA) oder Acrylester-Styrol-Acrylnitril-Maleinsäureanhydrid-Copolymer (ASA-MA).

Optional können zusätzlich zur mindestens einen Polymer-Komponente (A-a) ein oder mehrere beliebige weitere (Co)polymere ohne eine solche Funktionalität als Polymer- Komponente (A-b) eingesetzt werden. Vorzugsweise kann das Polystyrol, SAN, SMMA, ABS und/oder ASA (jeweils kein Monomer A-l umfassend) sein.

Die thermoplastische Formmasse A ist in einer alternativen Ausführungsform vorzugsweise eine amorphe Formmasse, wobei amorpher Zustand der thermoplastischen Formmasse (Thermoplast) bedeutet, dass die Makromoleküle ohne regelmäßige Anordnung und Orientierung, d.h. ohne gleich bleibenden Abstand, völlig statistisch angeordnet sind.

Bevorzugt weist in einem solchen Fall die gesamte thermoplastische Formmasse A amorphe, thermoplastische Eigenschaften auf, ist daher schmelzbar und (weitgehend) nicht kristallin. Dadurch ist der Schrumpf der thermoplastischen Formmasse A, und daher auch des gesamten Faserverbundwerkstoffs, vergleichsweise gering. Es können besonders glatte Oberflächen bei den aus den erfindungsgemäß herzustellenden Faserverbundwerkstoffen zu fertigenden Formteilen T erzielt werden.

Als vorzugsweise amorphe Formmasse enthält die Komponente A einen teilkristallinen Anteil von weniger als 50 Massenanteilen, besonders bevorzugt weniger als 40 Massenanteilen, bezogen auf 100 Massenanteile von Komponente A. Teilkristalline Thermoplasten bilden sowohl chemisch regelmäßige, als auch geometrische Bereiche aus, d. h. es gibt Bereiche, in denen sich Kristallite bilden. Kristallite sind Parallelbündelungen von Molekülabschnitten oder Faltungen von Molekülketten. Einzelne Kettenmoleküle können dabei teilweise den kristallinen oder den amorphen Bereich durchlaufen. Sie können manchmal sogar mehreren Kristalliten gleichzeitig angehören.

Die thermoplastische Formmasse A kann auch ein Blend von amorphen thermoplastischen Polymeren und teilkristallinen Polymeren sein.

Vorzugsweise ist die thermoplastische Formmasse A ein Blend eines Styrol-Copolymers A- I, insbesondere ein Blend von SAN, mit einem oder mehreren Polycarbonat(en) und/oder einem oder mehreren teilkristallinen Polymeren, insbesondere Polyamid, wobei der Anteil teilkristalliner Mischkomponenten an der Komponente A weniger als 50 Massenanteile, bevorzugt weniger als 40 Massenanteile in Bezug auf 100 Massenanteile der thermoplastischen Formmasse A beträgt.

Erfindungsgemäß bevorzugt enthält die thermoplastische Formmasse A mindestens ein Copolymer A-1 , das Monomere A-l umfasst, die mit den funktionellen Gruppen B-l der eingebetteten Verstärkungsfasern B kovalente Bindungen eingehen. Der Anteil an Monomeren A-l in der thermoplastischen Formmasse A kann variabel gewählt sein. Je höher der Anteil an Monomeren A-l und der funktionellen Gruppen (B-l) ist, desto stärker kann auch die Bindung zwischen der thermoplastischen Formmasse A und den Verstärkungsfasern B sein. Monomere A-l können in Copolymer A-1 noch als Monomere vorliegen, oder in das Copolymer A-1 integriert sein. Vorzugsweise sind die Monomere A-l in das Copolymer A-1 integriert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Copolymer A aufgebaut mit einem Anteil an Monomeren A-l von mindestens 0,3 Massenanteilen, besonders bevorzugt von mindestens 0,5 Massenanteilen, ganz besonders bevorzugt von 0,5 bis 5 Massenanteilen, insbesondere bevorzugt von mindestens 1 Massenanteil, insbesondere ganz besonders bevorzugt von 1 bis 5 Massenanteilen, bezogen auf 100 Massenanteile von Copolymer A. Die Konzentration an funktionellen Gruppen (chemisch reaktive Funktionalität) beträgt vorzugsweise mindestens 0,3 Mol%, besonders bevorzugt mindestens 0,5 Mol%, ganz besonders bevorzugt 1 Mol%, insbesondere bevorzugt 1 bis 5 Mol%, bezogen auf 100 Mol% Monomere, welche zur Herstellung der thermoplastischen Formmasse A eingesetzt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind funktionelle Gruppen der thermoplastischen Formmasse A ausgewählt aus der Gruppe der Anhydrid-, Ester-, Carboxy-, Amid-, Imid-, Acrylat- und Glycidyl-Gruppen. Als Monomere A-l, die mit den funktionellen Gruppen B-l der Verstärkungsfasern B kovalente Bindungen eingehen können, kommen alle Monomere in Frage, die derartige Eigenschaften aufweisen. Bevorzugt sind dabei als Monomere A-l solche, die durch Reaktion mit Hydroxy- oder Aminogruppen kovalente Bindungen eingehen können.

Bevorzugt, weisen die Monomere A-l auf:

(a) mindestens eine Funktionalität, die geeignet ist, mit den funktionellen Gruppen B-l der Oberfläche der Verstärkungsfasern B, vorzugsweise durch Reaktion mit Hydroxyl- und/oder Aminogruppen, kovalente Bindungen einzugehen; und

(b) mindestens eine zweite Funktionalität, die geeignet ist, in das Copolymer A-1 eingebunden zu werden, vorzugsweise eine Doppelbindung, besonders bevorzugt eine endständige Doppelbindung, die vorzugsweise mittels radikalischer Polymerisation in das Copolymer A-1 eingebunden wird.

Optional kann das Copolymer A-1 oder auch ein anderes in der thermoplastischen Formmasse A enthaltenes (Co)Polymer ein oder mehrere weitere Monomere enthalten, die geeignet sind, mit den Verstärkungsfasern B kovalente oder nichtkovalente Bindungen einzugehen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Monomere A-l auszuwählen aus der Gruppe Maleinsäureanhydrid (MA), N-Phenylmaleimid (PM), tert.-Butyl(meth)acrylat und Glycidyl(meth)acrylat (GM). Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Monomere A-l auszuwählen aus der Gruppe Maleinsäureanhydrid (MA), N- Phenylmaleimid (PM) und Glycidyl(meth)acrylat (GM). Es können auch zwei dieser Monomere A-l im Copolymer A-1 enthalten sein.

Das Copolymer A-l der thermoplastischen Formmasse A kann optional weitere funktionelle Monomere A-Il beinhalten. Bevorzugte Copolymere A-1 sind Styrol/Maleinsäureanhydrid, Styrol/Acrylnitril/Maleinsäureanhydrid, Styrol/Glycidylmethacrylat, Styrol/N-Phenyl- maleimid, Styrol/Acrylnitril/N-Phenylmaleimid, Methylmethacrylat/N-Phenylmaleimid, Methylmethacrylat/Maleinsäureanhydrid, Methylmethacrylat/Maleinsäureanhydrid/N- Phenylmaleimid, Acrylnitril/Styrol/ tert.-Butyl(meth)acrylat, Acrylnitril/Butadien/Styrol/ tert.- Butyl(meth)acrylat und Acryl-nitril/Butylacrylat/Styrol/tert.-Butyl(meth)acrylat. Besonders bevorzugte Copolymere A-l sind Styrol/Maleinsäureanhydrid, Styrol/Acrylnitril/ Maleinsäureanhydrid, Sty-rol/Glycidylmethacrylat, Styrol/N-Phenylmaleimid, Styrol/ Acrylnitril/N-Phenylmaleimid, Methyl-methacrylat/N-Phenylmaleimid und Methyl- methacrylat/Maleinsäureanhydrid/N-Phenylmaleimid.

Bevorzugter Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine thermoplastische Formmasse A aus Polystyrol, insbesondere glasklares Polystyrol "PS" oder schlagfestes Polystyrol oder High Impact Polystyrol "HIPS". Vorzugsweise werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit glasklarem Polystyrol (teilweise) lichtdurchlässige oder transparente Faserverbundwerkstoffe hergestellt.

In besonders bevorzugter Ausführungsform basiert die Polymer-Komponente (A-a) der erfindungsgemäß einzusetzenden thermoplastischen Formmasse A auf einem Polypropylen. In diesem Fall umfasst das Polypropylen zusätzlich ein Monomer A-l, das während des Herstellungsprozesses mit der Oberfläche der Verstärkungsfasern B reagiert.

Das Merkmal „durch eine chemisch reaktive Funktionalität modifiziert" oder „eine chemisch reaktive Funktionalität aufweisend“ bedeutet erfindungsgemäß insbesondere den Einbau von Maleinsäureanhydrid-Monomeren in die Polymerkette des erfindungsgemäß einzusetzenden (Co)Polymers.

Ganz besonders bevorzugt ist ein Verfahren bei dem die chemisch reaktive Funktionalität der thermoplastischen Formmasse A auf Komponenten ausgewählt aus der Gruppe Maleinsäureanhydrid, N-Phenylmaleinimid, tert.-Butyl(meth)acrylat und Glycidyl(meth)acrylat basiert, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe Maleinsäureanhydrid, N-Phenylmaleinimid und Glycidyl(meth)acrylat.

Ein erfindungsgemäß insbesondere bevorzugt als thermoplastische Formmasse A einzusetzendes, modifiziertes Polypropylen wird hergestellt aus, bezogen auf 100 Massenanteile des modifizierten Polypropylens, 90 bis 99,7 Massenanteilen unmodifiziertem Polypropylen, vorzugsweise 95 bis 99 Massenanteilen unmodifiziertem Polypropylen und 0,3 bis 10 Massenanteilen, vorzugsweise 1 bis 5 Massenanteilen, Maleinsäureanhydrid. Besonders bevorzugt liegt der Gehalt an Maleinsäureanhydrid in der Komponente A im Bereich von 0,1 bis 6 Massenanteilen, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 5 Massenanteilen, insbesondere im Bereich von 3 bis 4 Massenanteilen, bezogen auf 100 Massenanteile modifiziertem Polypropylen.

Auch Mischungen aus Styrol-Acrylnitril-Copolymer mit a-Methyl-Styrol-Acrylnitril- Copolymer sind zu nennen. Ein erfindungsgemäß bevorzugt als thermoplastische Formmasse A einzusetzendes Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer wird nach bekannten Methoden hergestellt aus Styrol, Acrylnitril, Butadien und einem funktionellen weiteren Monomer A-l, insbesondere Methylmethacrylat.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist mindestens eine der (Co)Polymer-Komponenten der thermoplastischen Formmasse A ein (Co)Polymer, das mindestens eine chemisch reaktive Funktionalität wie beschrieben aufweist (Polymer-Komponente (A-a)). Dies kann auch eine Polymer-Komponente wie vorstehend beschrieben sein, die in der genannten Formmasse mindestens ein funktionales Monomer A-l enthält. Optional können ein oder mehrere beliebige weitere (Co)Polymere ohne eine solche Funktionalität (als Polymer-Komponente (A-b)) eingesetzt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Matrix M aus mindestens zwei voneinander unterschiedlichen thermoplastischen Formmassen A bestehen. Diese verschiedenen Formmassetypen können sich vorzugsweise durch einen unterschiedlichen Schmelzflussindex (MFI) auszeichnen, und/oder andere Co-Monomere oder Additive aufweisen.

Gemäß der Erfindung kann der Begriff Molekulargewicht (Mw) im weitesten Sinne als die Masse eines Moleküls oder als der Bereich eines Moleküls, insbesondere ein Polymerstrang, ein Blockpolymer oder ein kleines Molekül, verstanden werden, welches in g/mol (Da) und kg/mol (kDa) angegeben werden kann. Vorzugsweise ist das Molekulargewicht (Mw) das Gewichtsmittel, welches über die im Stand der Technik bekannten Verfahren bestimmt werden kann.

Bevorzugt weisen die erfindungsgemäß in Verfahrensschritt ii) einzusetzenden thermoplastischen Formmassen A ein Molekulargewicht Mw im Bereich von 10.000 bis 800.000 g/mol auf, besonders bevorzugt im Bereich von 20.000 bis 600.000 g/mol, wobei Mw durch Lichtstreuung in Tetrahydrofuran bestimmt werden kann (GPC mit UV-Detektor). Das Molekulargewicht Mw der thermoplastischen Formmassen A kann in einem Bereich von +/- 20% variieren. Siehe: A. Müller, Polymer Charakterisierung, Hanser Verlag 1996. Vorzugsweise enthält die thermoplastische Formmasse A ein durch eine chemisch reaktive Funktionalität modifiziertes Polypropylen, welches bis auf den Zusatz der Monomere A-l, im Wesentlichen aus denselben Monomeren aufgebaut ist wie das "normale Polypropylen", wobei der Monomergehalt +/- 5%, das Molekulargewicht +/- 20% und der Schmelzflussindex bestimmt bei einer Temperatur von 230°C und einer Beladung von 2,16 kg gemäß ISO 1133 +/- 20% abweichen. Unter ISO 1133 wird erfindungsgemäß bevorzugt DIN EN ISO 1133-1 :2012-03 verstanden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Schmelzflussrate (Melt Volume Rate, MVR) gemessen nach ISO 1133 der als Polymermatrix einzusetzenden thermoplastischen Polymerzusammensetzung A im Bereich von 0,1 bis 400 cm ³ /10min, besonders bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 200 cm ³ /10min, insbesondere besondere bevorzugt im Bereich von 1 bis 150 cm ³ /10 min bei 230°C/2,16kg.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt die Schmelzflussrate (Melt Volume Rate, MVR) gemessen nach ISO 1133 der als Polymermatrix einzusetzenden thermoplastischen Polymerzusammensetzung A im Bereich von 50 bis 200 cm ³ /10min, besonders bevorzugt im Bereich von 70 bis 150 cm ³ /10min, insbesondere bevorzugt im Bereich von 85 bis 125 cm ³ /10 min bei 230°C/2,16kg.

Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist das Verfahren, wenn die thermoplastische Formmasse bezogen auf 100 Massenanteile Polypropylen zusätzlich 0,1 bis 6 Massenanteile Maleinsäureanhydrid enthält. Ganz besonders bevorzugt liegt der Massenanteil an Maleinsäureanhydrid bezogen auf 100 Massenanteile Polypropylen im Bereich von 0,2 bis 5 Massenanteilen, insbesondere bevorzugt im Bereich von 1 bis 4 Massenanteilen, insbesondere ganz besonders bevorzugt im Bereich von 3 bis 4 Massenanteilen.

Verfahrensschritt iii)

Verfahrensschritt iii) betrifft das optionale Einarbeiten mindestens eines Additivs C in die als Matrix M dienende thermoplastische Formmasse A. Vorzugsweise enthält eine erfindungsgemäß einzusetzende Matrix M auf 100 Massenanteile der thermoplastischen Formmasse A 0,01 bis 40 Massenanteile wenigstens eines Additivs C, besonders bevorzugt 0,01 bis 30 Massenanteile, ganz besonders bevorzugt 0,01 bis 25 Massenanteile, insbesondere bevorzugt 1 bis 20 Massenanteile, wobei das Additiv C verschieden ist zum Basispolymer der thermoplastischen Formmasse A und zu den Verstärkungsfasern B. Vorzugsweise werden als Additiv C teilchenförmige mineralische Füllstoffe, Verarbeitungshilfsmittel, Stabilisatoren, Oxidationsverzögerer, Mittel gegen Wärmezersetzung, Mittel gegen Zersetzung durch ultraviolettes Licht, Gleit- und Entformungsmittel, Flammschutzmittel, Farbstoffe, Pigmente oder Weichmacher eingesetzt. Gemäß der vorliegenden Erfindung können vorzugsweise auch zwei oder mehr dieser Additive eingesetzt werden.

Bevorzugte teilchenförmige mineralische Füllstoffe werden ausgewählt aus der Gruppe amorphe Kieselsäure, Carbonate, insbesondere Magnesiumcarbonat, Calciumcarbonat (Kreide), gepulverter Quarz, Glimmer, Silikate, insbesondere Tone, Muskovit, Biotit, Suzoit, Zinnmaletit, Talkum, Chlorit, Phlogopit, Feldspat und Calciumsilikate, insbesondere Wollastonit oder Kaolin. Kaolin ist ein ganz besonders bevorzugter mineralischer Füllstoff.

Bevorzugte UV-Stabilisatoren werden ausgewählt aus der Gruppe der substituierten Resorcine, Salicylate, Benzotriazole und Benzophenone.

Bevorzugte Oxidationsverzögerer, auch bekannt als Wärmestabilisatoren, werden ausgewählt aus der Gruppe der sterisch gehinderten Phenole, Hydrochinone, sekundären aromatischen Amine, gegebenenfalls in Verbindung mit phosphorhaltigen Säuren bzw. deren Salze, und Mischungen dieser Verbindungen.

Bevorzugte Gleit- und Entformungsmittel werden ausgewählt aus der Gruppe Stearinsäure, Stearylalkohol, Stearinsäurealkylester, Stearinsäureamide, insbesondere Irganox®, und Ester des Pentaerythrits mit langkettigen Fettsäuren. Es können die Calcium-, Zink- oder Aluminiumsalze der Stearinsäure sowie Dialkylketone, insbesondere Distearylketon, eingesetzt werden. Weiterhin können auch Ethylenoxid-Propylenoxid-Copolymere als Gleit- und Entformungsmittel verwendet werden. Ferner könne natürliche sowie synthetische Wachse verwendet werden. Zu nennen sind Polypropylen-Wachse, Polyethylen-Wachse, Polyamid-Wachse, gepfropfte Polyolefin-Wachse, HDPE-Wachsen, PTFE-Wachse, EBS- Wachse, Montanwachs, Carnauba- und Bienenwachse.

Flammschutzmittel können sowohl halogenhaltige als auch halogenfreie Verbindungen sein. Geeignete Halogenverbindungen, wobei bromierte Verbindungen den chlorierten vorzuziehen sind, bleiben bei der Herstellung und Verarbeitung der erfindungsgemäßen Formmasse stabil, so dass keine korrosiven Gase freigesetzt werden und die Wirksamkeit dadurch nicht beeinträchtigt wird. Bevorzugt werden jedoch halogenfreie Verbindungen, besonders bevorzugt Phosphorverbindungen, insbesondere Phosphinoxide und Derivate von Säuren des Phosphors und Salze von Säuren und Säurederivaten des Phosphors, als Flammschutzmittel eingesetzt. Besonders bevorzugt enthalten Phosphorverbindungen Ester-, Alkyl-, Cycloalkyl- und/oder Aryl-Gruppen. Ebenfalls geeignet sind Oligomere Phosphorverbindungen mit einem Molekulargewicht kleiner 2000 g/mol, wie zum Beispiel in EP-A 0 363 608 beschrieben.

Als Additiv einzusetzende Pigmente und Farbstoffe sind allgemein bekannt, siehe zum Beispiel R. Gächter und H. Müller, Taschenbuch der Kunststoffadditive, Carl Hanser Verlag, 1983, S. 494 bis 510. Bevorzugte Pigmente sind Weißpigmente der Gruppe Zinkoxid, Zinksulfid, Bleiweiß, Lithopone, Antimonweiß und Titandioxid. Von den beiden gebräuchlichsten Kristallmodifikationen des Titandioxids, (Rutil- und Anatas-Typ, wird insbesondere die Rutilform zur Weißfärbung der erfindungsgemäß einzusetzenden thermoplastischen Formmassen eingesetzt.

Schwarze Farbpigmente, die ebenfalls als Additiv erfindungsgemäß eingesetzt werden können, sind Eisenoxidschwarz (FesO^, Spinellschwarz (Cu(Cr,Fe)2O4), Manganschwarz (= Mischung aus Mangandioxid, Siliciumoxid und Eisenoxid), Kobaltschwarz und Antimonschwarz sowie besonders bevorzugt Ruß, der meist in Form von Furnace- oder Gasruß eingesetzt wird (siehe hierzu G. Benzing, Pigmente für Anstrichmittel, Expert- Verlag (1988), S. 78ff). Selbstverständlich können zur Einstellung bestimmter Farbtöne anorganische Buntpigmente wie Chromoxidgrün oder organische Buntpigmente, insbesondere Azopigmente und Phthalocyanine, erfindungsgemäß eingesetzt werden. Derartige Pigmente sind allgemein im Handel erhältlich. Weiterhin kann es von Vorteil sein, die genannten Pigmente bzw. Farbstoffe in Mischung einzusetzen, insbesondere Ruß mit Kupferphthalocyaninen, wodurch allgemein die Farbdispergierung in den Thermoplasten erleichtert wird.

Vorzugsweise erfolgt das Einarbeiten wenigstens eines Additivs C in die thermoplastische Formmasse A durch Compoundieren. Die Compoundierung wiederum erfolgt vorzugsweise in Extrudern, insbesondere in gleichläufigen Doppelschneckenextrudern, gegenläufigen Doppelschneckenextrudern, in Planetwalzenextrudern oder im Ko-Kneter. Eine Compoundierung umfasst die Verfahrensoperationen Fördern, Aufschmelzen, Dispergieren, Entgasen, Druckaufbau und Extrusion (Ausstößen).

Verfahrensschritte iv) bis vi)

Nach der optionalen Einarbeitung mindestens eines Additivs C in die als Matrix M dienende thermoplastische Formmasse A wird dieselbe in das in Verfahrensschritt iv) bereitgestellte wenigstens eine Flächengebilde F eingebracht. Im Verfahrensschritt v) erfolgt die Reaktion der chemisch reaktiven Funktionalitäten der thermoplastischen Formmasse A mit den polaren Gruppen an der Oberfläche der mit einer Silan-Schlichte behandelten Verstärkungsfasern B, bevor im Verfahrensschritt vi) der Faserverbundwerkstoff abkühlt und sich gegebenenfalls weitere Verfahrensschritte anschließen.

Das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere die Verfahrensschritte iv) und v) oder gegebenenfalls auch Verfahrensschritt vi) werden vorzugsweise auf einer Doppelbandpresse, Intervallheizpresse oder auf einer statischen Presse durchgeführt. Insbesondere eine Doppelbandpresse ist in der Lage, quasi-kontinuierlich einen Faserverbund aus Pulver basierter oder Folien basierter thermoplastischer Formmasse durch Überführen in eine Schmelze herzustellen.

Das Einbringen der als Matrix M dienenden thermoplastischen Formmasse A in das wenigstens eine Flächengebilde F erfolgt durch Einbetten der thermoplastischen Formmasse A in die Verstärkungsfasern B mittels einer Relativbewegung, bei der die Verstärkungsfasern B bis auf einen eindimensionalen Produktionsvorschub unbeweglich bleiben, und anschließendem Konsolidieren dieses Verbunds aus wenigstens einem Flächengebilde F und der Matrix M.

Durch die Relativbewegung der thermoplastischen Formmasse A in Relation zu den Verstärkungsfasern B wird die zwischen den Verstärkungsfasern F befindliche Luft verdrängt. Als Folge dessen werden Lufteinschlüsse im Faserverbundwerkstoff vermindert und eine gute Verbindung zwischen thermoplastischer Formmasse A und Verstärkungsfasern B verhindert, insbesondere wenn es sich um schichtenweise eingebettete Formmasse A handelt. Erfindungsgemäß bevorzugt ist es, nach Imprägnierung und Konsolidierung einen (möglichst weitgehend) porenfreien Materialverbund zu erhalten.

Die Relativbewegung der thermoplastischen Formmasse A in Relation zu den Verstärkungsfasern B erzielt man durch die Fixierung der Verstärkungsfasern B in Richtung der Relativbewegung. Diese Fixierung wird erzeugt, indem die Verstärkungsfasern B vor und hinter dem Bereich, in dem die Bewegung der thermoplastischen Formmasse A durch einen Flächendruck > 10 bar bei einer Temperatur von mindestens 10°C oberhalb der Kristallitschmelztemperatur bzw. Glasübergangstemperatur bei amorphen Thermoplasten erzeugt wird, mittels mechanischer Klemmung, Wicklung oder mit Hilfe von Befestigungselementen gehalten wird und diese Halterung durch entgegengesetzte Kraftbeaufschlagung unter konstanter Spannung gehalten wird. Die Verstärkungsfasern B werden auf diese Weise in ihrer Position fixiert, dass die Spannung in Längsrichtung eine Bewegung in alle Raumrichtungen verhindert. Werden die Verstärkungsfasern derart fixiert und wird die thermoplastische Formmasse für mindestens 1 Sekunde der Temperatur und Druck wie oben beschrieben ausgesetzt, wird die thermoplastische Formmasse in die Zwischenräume zwischen die Verstärkungsfasern bewegt. Nachdem die thermoplastische Formmasse ihre Bewegung abgeschlossen hat, werden die Verstärkungsfasern aus dem Druck- und Temperaturbereich entfernt.

Die Verstärkungsfaser bleibt dabei bis auf einen kontinuierlichen oder diskontinuierlichen eindimensionalen Produktionsvorschub unbeweglich. Erfindungsgemäß bevorzugt werden die Verstärkungsfasern B in Form von Geweben vor dem Bereich der Temperatur- und Druckbeaufschlagung rollenförmig auf gebremsten Abwickelwalzen und hinter dem Bereich der Temperatur- und Druckbeaufschlagung als konsolidierter Stapel durch ein automatisches Abzugssystem fixiert und auf Spannung gehalten.

Die mit Verfahrensschritt iv) einhergehende Konsolidierung ist neben dem eindimensionalen Produktionsvorschub entscheidend für das erfindungsgemäße Verfahren. Es handelt sich bei der Konsolidierung im weiteren Sinne um einen Verbindungsprozess, bei dem es durch physikalische Abläufe zu einer Ausbildung von Festigkeit an der Fügestelle von Matrix M mit dem wenigstens einen Flächengebilde F kommt. Grundsätzlich laufen bei der Konsolidierung vier wesentliche Mechanismen ab, ggf. die Imprägnierung der Fasern, die Laminatverdichtung, die molekulare Durchdringung und die Verfestigung.

Die Imprägnierung der erfindungsgemäß einzusetzenden Verstärkungsfasern B im Flächengebilde F findet im Zuge der Konsolidierung dann keine Anwendung, wenn vorimprägnierte Faserhalbzeuge, sogenannte Prepregs oder „preimpregnated fibers“, und keine trockenen Faserhalbzeuge als Flächengebilde F, eingesetzt werden. Häufig wird in der Literatur nicht zwischen den Begriffen Konsolidierung und Imprägnierung unterschieden, weil Laminatverdichtung und molekulare Durchdringung nur einen kleinen Teil der gesamten Konsolidierungszeit beanspruchen. Dieser Anteil von Laminatverdichtung und molekulare Durchdringung am Gesamtverfahren wird zumeist auf die Größenordnung von etwa 1% quantifiziert. Demzufolge kann der Konsolidierungsprozess ggf. auch direkt als Imprägnierungsprozess bezeichnet werden. Kurze Zykluszeiten bei der Verarbeitung sind somit vor allem durch den Einsatz von bereits vorimprägnierten Halbzeugen bzw. Flächengebilden erzielbar.

Im Zuge der Laminatverdichtung werden bei der Konsolidierung die Oberflächen von thermoplastischer Formmasse als Matrixkunststoff und den Verstärkungsfasern B des Flächengebildes F unter hohem Konsolidierungsdruck und bei hoher Temperatur aneinander gefügt, bis sich ein vollständiger inniger Kontakt ausgebildet hat. Hierbei können sich problematische Lufteinschlüsse ergeben. Nur durch Beaufschlagung mit dem Konsolidierungsdruck sowie und/oder gegebenenfalls Vakuum können Luft- oder andere Gaseinschlüsse minimiert werden. Der sich bei der Laminatverdichtung ausbildende innige Kontakt bedeutet, dass idealerweise Oberflächenrauheiten der Fügepartner, hier Matrixpolymer und Flächengebilde, eingeebnet werden, damit sich der Kontakt auch über die gesamte Oberfläche ausbilden kann. Ein guter Kontakt zwischen den Fügepartnern ist wichtig, da nur in den Kontaktbereichen eine mechanisch belastbare Verbindung erzeugt werden kann. Der vollständige, innige Kontakt könnte zwar auch mit geringen Konsolidierungsdrücken erreicht werden, dies würde jedoch die Prozesszeiten verlängern.

Erst dann beginnt in den Bereichen, wo sich bereits ein inniger Kontakt von Matrixpolymer und Flächengebilde F ausgebildet hat, die molekulare Durchdringung des Flächengebildes F. Durch thermische Aktivierung und die damit einhergehende erhöhte Beweglichkeit der Moleküle in der Matrix kommt es bei der molekularen Durchdringung zu einer Interdiffusion von Polymerketten in benachbarte Lagen, wodurch die Kettenenden des als Matrix einzusetzenden Polymers der thermoplastischen Formmasse neue Verhakungen und Verschlaufungen mit Ketten des /der Polymere der benachbarten Lage bilden können.

Die molekulare Durchdringung infolge der Diffusion von Polymerketten und damit die Ausbildung einer Autohäsion ist nicht nur zeitabhängig, sie benötigt i. d. R. auch Fließeffekte als treibende Kraft, insbesondere Mikrofließbewegungen aufgrund des anliegenden Konsolidierungsdrucks. Nach erfolgter molekularer Durchdringung wird das Laminat im letzten Schritt abgekühlt und somit formstabil (Verfestigung). Das entstandene, durch die Beaufschlagung mit dem Konsolidierungsdruck minimierte Porenvolumen bleibt nun am Ende der Konsolidierungsphase aufgrund der Abkühlung im Wesentlichen erhalten.

Doch auch prozessbedingte, thermisch induzierte Eigenspannungen und Deformationen können dann im Faserverbundwerkstoff eingefroren bleiben. Wichtig ist ebenfalls, dass amorphe Thermoplaste bei Abkühlung jene Molekülorientierung behalten, die sie im Zuge der Diffusion zuletzt eingenommen haben, während teilkristalline Thermoplaste bei der Abkühlung aus dem schmelzflüssigen Zustand rekristallisieren. Dabei bestimmt verschiedentlich auch die Abkühlrate den Kristallisationsgrad und die Ausbildung von Sphärolithen im Verfahrensschritt iv). Der Kristallisationsgrad ist dabei der Anteil der thermoplastischen Molekularstruktur, der in kristalliner Form vorliegt. Von diesem hängen die mechanischen und chemischen Eigenschaften (Lösungsmittelbeständigkeit etc.) von Verbindungen teilkristalliner Thermoplaste letztendlich wesentlich ab. Die Konsolidierung erfindungsgemäß als Matrix M einzusetzender thermoplastischer Werkstoffe ist somit ein in hohem Maße nichtlinearer Prozess, da er die erwähnten unterschiedlichen physikalischen Abläufe beinhaltet, die teilweise zeitgleich auftreten. Diese Abläufe haben einen wesentlichen Einfluss auf die letztendliche Verbundqualität und damit auf den erfindungsgemäß herzustellenden Faserverbundwerkstoff.

Eine unzureichende Konsolidierung kann so Folgewirkungen wie eingeschlossene Poren, Eigenspannungen, Deformationen, insbesondere Verzug, und in manchen Fällen zu frühzeitigem mechanischen Versagen des Faserverbundwerkstoffes führen. Um eine genaue Vorhersage über die Konsolidierung zu ermöglichen, sind deshalb aussagekräftige Modelle für die dabei ablaufenden Prozesse unerlässlich. Solche Prozessmodelle liefern eine Input-Output-Beziehung zwischen den Prozessparametern und der Qualität des aus einem erfindungsgemäß herzustellenden Faserverbundwerkstoff zu fertigenden Formteils T, wodurch kostenintensive „Trial and Error“ - Optimierungen an den erfindungsgemäß einzusetzenden technischen Anlagen verringert werden können. Eine aus der Simulation gewonnene, zuverlässige Vorhersage über die Qualität eines Formteils T bietet so einen effektiven Weg zur Optimierung des Verfahrensschritts iv) bzw. der Verfahrensschritte (iv) bis (vi). Damit lässt sich ermitteln, ob die Konsolidierungsqualität den an das zu fertigende Formteil F angelegten Maßstäben genügt. Eine vollständige Simulation des Konsolidierungsprozesses berücksichtigt also die Laminatverdichtung, die Kompaktierung der Poren, die geometrische Deformation, die molekulare Durchdringung, den thermischen Abbau, die Kristallisation sowie Eigenspannungen und Verzug. Mathematische Modelle können physikalische Experimente zwar nicht vollständig ersetzen, aber in Kombination erlauben sie eine einfache Parameterstudie, die verfahrenswesentliche Informationen liefert, die ansonsten nicht oder nur sehr schwer und zeitaufwändig direkt gemessen werden können.

Verfahrensschritte iv) und v), insbesondere die Konsolidierung, werden bei Temperaturen von mindestens 200°C, vorzugsweise bei Temperaturen von mindestens 250°C und besonders bevorzugt bei Temperaturen von mindestens 300°C durchgeführt.

Verfahrensschritte iv) und v), insbesondere die Konsolidierung, werden bei Drücken im Bereich von 1 bar bis 1000 bar, vorzugsweise im Bereich von 5 bar bis 500 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 10 bar bis 50 bar durchgeführt.

Verfahrensschritte iv) und v) werden vorzugsweise mit einer Verweildauer über einen Zeitraum von 1 bis 60 Sekunden durchgeführt. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Verweildauer während der Prozessschritte ii) bis v) von maximal 10 Minuten bei Temperaturen von mindestens 200°C, bevorzugt von maximal 5 Minuten, besonders bevorzugt von maximal 2 Minuten und insbesondere bevorzugt von maximal 1 Minute durchgeführt. Für höhere Temperaturen gelten entsprechend kürzere Verweilzeiten die der Fachmann in Abhängigkeit des jeweils einzusetzenden Thermoplasten wählen muss.

Für die im Verfahrensschritt v) einsetzende Reaktion der chemisch reaktiven Funktionalitäten der thermoplastischen Formmasse A in der Matrix M mit den Verstärkungsfasern B sind die polaren Gruppen an der Oberfläche der mit einer Silan- Schlichte behandelten Verstärkungsfasern B von Bedeutung.

Die zu diesem Zweck auf die Verstärkungsfasern aufgetragene Schlichte ist eine Imprägnierflüssigkeit, welche auf die Verstärkungsfasern B insbesondere durch Sprühen oder Tauchen vor deren Weiterverarbeitung zum erfindungsgemäß einzusetzenden Gewebe aufgebracht wird. Eine beschlichtete Faser ist geschmeidiger und widerstandsfähiger gegen mechanische Belastung. Ohne Beschlichtung kann ein Kettfaden durch die ständige Reibung am Schussfaden leicht brüchig werden und schließlich reißen.

Bei der Herstellung von Glasfasern werden diese vorzugsweise mit hoher Geschwindigkeit aus der Schmelze gezogen. Die Dicke der Fasern wird hierbei durch die Größe der Düsen und die Abzugsgeschwindigkeit bestimmt. Die heißen Fasern werden durch Besprühen mit Wasser abgekühlt, über eine Tauchrolle mit Schlichte benetzt und die Einzelfilamente unmittelbar anschließend zu Rovings gebündelt. Die Schlichte hat mehrere Funktionen. Die Rovings werden durch die Schlichtebindemittel verklebt und erhalten damit ausreichende Stabilität gegen Abrieb beim Transport sowie gegen Ausreißen von einzelnen Fasern aus dem Roving oder Bruch. Da die Schlichte gewöhnlich Wasser als Verdünnungsmittel enthält, müssen die Rovings getrocknet werden. Hierzu werden sie entweder zu sogenannten „cakes“ nass aufgewickelt und dann getrocknet, oder nass verarbeitet und später getrocknet. Die so erhaltenen Glasfasern können dann zur Verstärkung in thermoplastische Kunststoffe eingearbeitet werden. In der Regel liegt der Gewichtsanteil von Schlichte an der getrockneten Glasfaser im Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-%.

Verfahrensschritt vi)

Im Verfahrensschritt vi) wird der Faserverbundwerkstoff abgekühlt und gegebenenfalls schließen sich weitere Verfahrensschritte an. Weitere Verfahrensschritte sind vorzugsweise die Herstellung eines Formteils T. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren dann als weiteren Verfahrensschritt eine dreidimensionale Formgebung zu einem Formteil T.

Die dreidimensionale Formgebung kann auf beliebige Art erfolgen, etwa durch mechanische Formgebung durch einen Formgebungskörper, der auch eine Walze mit Prägung sein kann. Bevorzugt wird der mit Verfahrensschritt vi) erhältliche abgekühlte Faserverbundwerkstoff in einem weiteren Verfahrensschritt konfektioniert, insbesondere mittels handelsüblicher Schneidverfahren, vorzugsweise Scher- Wasserstrahl-, Laser- oder Ultraschallschneiden, dann auf eine Temperatur erwärmt, dass der Faserverbundwerkstoff formbar wird und die thermoplastische Formmasse A (teilweise) geschmolzen vorliegt und im Formgebungskörper, insbesondere einem zweiteiligen Stahlwerkzeug, geformt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein ausgehärteter Faserverbundwerkstoff kaltgeformt werden.

Bevorzugt wird am Ende des Verfahrens nach Verfahrensschritt vi) eine (weitgehend) feste Faserverbu ndwerkstoff-platte erhalten .

Weitere Verfahrensschritte oder sogar eine Abkühlung unter Überdruck können zu einem späteren Zeitpunkt oder an einem anderen Ort erfolgen. Optional kann das Formteil T noch nachbearbeitet werden, insbesondere entgratet, poliert oder gefärbt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Verfahrensschritten i) bis vi) kann kontinuierlich, semikontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren als kontinuierliches Verfahren durchgeführt, insbesondere als kontinuierliches Verfahren zu Herstellung von glatten oder dreidimensionalen Faserverbundwerkstoffplatten.

Alternativ können auch Formteile T semi- oder diskontinuierlich hergestellt werden. Im Falle von Faserverbundwerkstoffen auf Basis einer amorphen, thermoplastischen Matrix M können diese in einem Spritzgießverfahren mit einer Verrippung versehen werden, oder auf einen geschäumten, thermoplastischen Kern oder auf einen Wabenkern als Deckschichten aufkaschiert (verschweißt) werden. Eine Verbesserung der Bauteilsteifigkeit durch eine Verrippung (Bildung einer gerippten Struktur) wird durch die Vergrößerung des Flächenträgheitsmomentes begründet. Generell beinhaltet eine optimale Rippendimensionierung produktionstechnische, ästhetische und konstruktive Gesichtspunkte. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Faserverbundwerkstoffs, wobei Komponente A hergestellt wird aus 90 bis 99,7% Polypropylen und 0,1 bis 10% Maleinsäureanhydrid, wobei das Flächengebildes F ein Gewebe ist und die Verweildauer zur Herstellung des Faserverbundwerkstoffs bei Temperaturen von mindestens 150°C bei maximal 10 Minuten liegt.

Bevorzugter Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs enthaltend eine thermoplastische Formmasse A als Polymer- Matrix M, Verstärkungsfasern B umfassend die Schritte i) Bereitstellen wenigstens eines Flächengebildes F in Form eines Gewebes aus mit Silan-Schlichte behandelten Verstärkungsfasern B, ii) Bereitstellen einer als Matrix M dienenden thermoplastischen Formmasse A die mindestens 0,3 Mol-%, bezogen auf Komponente A, einer chemisch reaktiven Funktionalität in Form funktioneller Monomere aufweist, iii) gegebenenfalls Einarbeitung wenigstens eines Additivs C in die thermoplastische Formmasse A, iv) Einbringen der als Matrix M dienenden thermoplastischen Formmasse A in das wenigstens eine Flächengebilde F durch Einbetten der thermoplastischen Formmasse A in die Verstärkungsfasern B mittels einer Relativbewegung, bei der die Verstärkungsfasern B bis auf einen kontinuierlichen oder diskontinuierlichen eindimensionalen Produktionsvorschub unbeweglich bleiben, und Konsolidieren dieses Verbunds aus wenigstens einem Flächengebilde F und der Matrix M, v) Reaktion der chemisch reaktiven Funktionalitäten der thermoplastischen Formmasse A mit den polaren Gruppen an der Oberfläche der mit einer Silan- Schlichte behandelten Verstärkungsfasern B, vi) Abkühlen des Faserverbundwerkstoffs und gegebenenfalls weitere Verfahrensschritte, wobei die chemisch reaktive Funktionalität der thermoplastischen Formmasse A auf Maleinsäureanhydrid, basiert und die Schritte iv) bis vi) bei einer Temperatur von mindestens 150°C und die Schritte v) bis vi) durch Anpressen bei Überdruck durchgeführt werden und die thermoplastische Formmasse 90 bis 99,7 Gew.-% Polypropylen und 0,1 bis 10 Gew.-% Maleinsäureanhydrid sowie 0 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 25 Gew.-% wenigstens eines Additivs C enthält. Vorzugsweise werden dabei auf 10 bis 95 Gew.-% der thermoplastischen Formmasse A 5 bis 90% der Flächengebilde F aus Verstärkungsfasern B eingesetzt.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass weitere Gruppen von Verstärkungsfasern B über weitere abweichende Faser-Matrix-Haftungen mit der Matrix M gekoppelt sind. Werden drei oder mehr Gruppen von Verstärkungsfasern B mit unterschiedlichen Faser-Matrix-Haftungen verwendet, kann das Verhalten des Faserverbundwerkstoffs weiter gezielt und höchst individuell beeinflusst und dem jeweiligen Einsatz des Faserverbundwerkstoffs angepasst werden. Dabei können jeweils unterschiedliche Faserarten oder gleiche Faserarten verwendet werden.

Ebenfalls können Kett- und Schussfäden aus unterschiedlichen Verstärkungsfasern bestehen und/oder sich in der Dicke unterscheiden. Ferner können die Kett- und Schussfäden mit unterschiedlicher Schlichte oder verschiedenen Konzentrationen der Schlichte behandelt worden sein.

Gruppen von Verstärkungsfasern B können jeweils mit verschiedenen Haftvermittler- Kompositionen versehen sein, welche die verschiedenen Faser-Matrix-Haftungen bewirken. Die unterschiedlichen Kompositionen können sich ausschließlich in den Konzentrationen unterscheiden oder auch andere Zusammensetzungen aufweisen. Wesentlich ist, dass durch die unterschiedlichen Haftvermittler-Kompositionen signifikant verschiedene Faser-Matrix-Haftungen eingestellt werden.

Die Erfindung wird in den nachfolgenden Beispielen, Figuren und Ansprüchen näher beschrieben.

Figuren

Fig. 1 zeigt einen Faserverbundwerkstoff (1 ), der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wurde. Die Länge des Faserverbundwerkstoffs (1 ) ist die Ausdehnung in Richtung (2), wobei (2) gleichzeitig die Hautrichtung der im Flächengebilde F eingesetzten Endlosfasern darstellt. (3a) und (3b) sind Beispiele für den Verlauf einer Endlosfaser, die sich innerhalb des Fensters (4) bewegt. Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältliche Faserverbundwerkstoff (1 ) ist charakterisiert durch die Höhe des Fensters (4) von maximal 15%, besonders bevorzugt von maximal 5%, der Länge (2) des Faserverbundwerkstoffs (1 ).

Fig. 2 zeigt ein Flächengebilde F, das den durch relative Bewegungen der Fasern typischen Faserverzug aufweist. Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäß erhältlichen Faserverbundwerkstoff, bei dem die relativen Bewegungen der Verstärkungsfasern B des Flächengebildes F verhindert wurden, indem die thermoplastische Formmasse in die Verstärkungsfasern durch eine Relativbewegung, bei der die Verstärkungsfaser B bis auf einen eindimensionalen Produktionsvorschub unbeweglich blieb, eingebettet wurde und dieser Verbund konsolidiert wurde.

Beispiele

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf einer Doppelband-, Intervall- oder statischen Presse durchgeführt werden, welche in der Lage ist, quasi-kontinuierlich einen Faser/Folienverbund aus Polymerfolie, Schmelze oder Pulver herzustellen.

Herstellbare Laminat-Dicke: 0,1 bis 15,0 mm

Ausstoß: 0,1 - 1000 m/h, abhängig von Qualität und Bauteildicke

Werkzeugdruck: Presseinheit 2 bis 60 bar, für minimale und maximale Werkzeuggröße stufenlos regelbar (optional)

Werkzeugtemperierung: mindestens eine Heiz- und mindestens eine Kühlzone Werkzeugtemperatur: bis 500°C

Die Biegefestigkeit wurde nach DIN 14125:2011 -05 im Dreipunktbiegeversuch oder Vierpunktbiegeversuch bestimmt.

Siehe: https://de.wikipedia.org/wiki/Biegefestigkeit

Komponenten:

A1 : Polypropylen mit einer Schmelzflussrate (Melt Volume Rate, MVR) von 100 cm ³ /10 min bei 230°C/2,16kg (gemessen nach IS01 133).

A2: Maleinsäureanhydrid (MSA)

A3: Mischung aus A1 und A2, Konzentration an funktionellen Gruppen: 3% MSA

B1 : Glasfaser-Köpergewebe 2/2 mit Flächengewicht = ca. 600 g/m ² , Schuss + Kette = 1200tex [beispielsweise GW123-580K2 von P-D Glasseiden GmbH]

Die Kombination aus A1 und B1 sowie aus A3 und B1 wird in der Tab. 1 hinsichtlich der erreichten Biegesteifigkeit miteinander verglichen. Beide Kombinationen wurden mit identischen Verarbeitungsparametern (Druck, Zeit & Temperatur) hergestellt. Die Biegesteifigkeit ist ein Kennwert, mit dem die Güte der Faser-Matrix-Haftung und damit die mechanische Bauteilqualität bewertet wird. Bei den Kombinationen A1 + B1 und A3a + B1 a wurden die geprüften Platten auf einer statischen Presse hergestellt, wobei die Verstärkungsfasern gemäß dem Stand der Technik und damit nicht verzugsfrei verarbeitet wurden (dargestellt durch „a“). Die Kombination A3b + B1 b wurde mit einer Produktionstechnik hergestellt, die gemäß Verfahrensschritt iv) des hiermit beanspruchten Verfahrens den verzugsfreien Zustand der Verstärkungsfasern sicherstellte (dargestellt durch „b“). Tab. 1

Es zeigte sich, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Faserverbund(werkstoff) erzielt werden konnte, der hinsichtlich seiner Biegefestigkeit einem Faserverbund(werkstoff) auf Basis derselben Matrix und derselben Verstärkungsfasern, jedoch nicht mit Verfahrensschritt iv) sondern gemäß dem Verfahren in EP 3 286 258 B1 hergestellt, um 26% überlegen war.

Optionale Weiterverarbeitung

Es konnte auch experimentell gezeigt werden, dass die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Faserverbundwerkstoffe gut zu dreidimensionalen Halbzeugen umformbar waren, wie beispielsweise zu halbschalenförmigen Halbzeugen. Es zeigte sich zudem, dass die erhaltenen Faserverbundwerkstoffe bedruckbar und kaschierbar waren.

Zusammenfassung der Versuchsergebnisse

Die Evaluierung im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat gezeigt, dass in ihrer Biegefestigkeit verbesserte Faserverbundwerkstoffe, also Organobleche und daraus herzustellende Halbzeuge, mit dem Verfahrensschritt iv) reproduzierbar hergestellt werden konnten. Erfindungsgemäße Faserverbund(werkstoff)e konnten sowohl farblos oder farbig hergestellt werden. Die Faserverbund(werkstoff)e zeigten zudem gute bis sehr gute optische, haptische und mechanische Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich ihrer Biegefestigkeit. Ein im Flächengebilde F üblicherweise auftretender Faserverzug konnte mit dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren erfolgreich verhindert werden, wodurch der Faserverbund(werkstoff) nur geringen Faserverzug aufwies. Die erfindungsgemäß erhältlichen Faserverbund(werkstoff)e ließen sich halb- bzw. vollautomatisch mittels eines Endlosverfahrens herstellen. Die erfindungsgemäß erhältlichen Faserverbund(werkstoff)e (Organobleche) ließen sich gut zu dreidimensionalen Halbzeugen umformen.