Entwicklung und Generierung von faserverstärkten Formmassen auf der Basis eines neuartigen Melaminetherharzes

Abstract

Melaminharze und ihre Formmassen sind seit langem eingeführte Materialien, die sich durch eine hohe Oberflächenhärte, einen charakteristischen Oberflächenglanz sowie eine uneingeschränkte Einfärbbarkeit auszeichnen. Die derzeit am Markt erhältlichen Formmassen basieren auf unveretherten oder partiell veretherten Melamin-Formaldehyd-Harzen, die den Nachteil einer erhöhten Formaldehydfreisetzung haben. Der Einsatz neuartiger nahezu vollständig veretherter Melaminfestharze führt zu einer signifikanten Reduktion der Formaldehydfreisetzung. Darüber hinaus weisen die verwendeten Melaminetherharze einen Temperaturbereich auf, in dem sie aufgrund einer reduzierten Reaktivität thermoplastisch verarbeitbar sind. Das Eigenschaftsprofil der Melaminetherharze erlaubt es, im Gegensatz zu Standard-Formaldehyd-Harzen, einen gleichsinnig drehenden Doppelschneckenextruder zur Generierung härtbarer Formmassen einzusetzen. Die modular aufgebauten Schnecken und Zylindergehäuse sowie die variablen Düsengeometrien dieses Aufbereitungsaggregates bilden wichtige Instrumente, um qualitativ hochwertige Formmassen mit komplexen Formulierungen in einem Prozessschritt effizient aufzubereiten. Der gleichsinnig drehende Doppelschneckenextruder ist als Mischaggregat sowohl für die Aufbereitung von mineralischen als auch naturfaserverstärkten Melaminharzformmassen geeignet. Die wichtigsten Maßnahmen zur schonenden Filamentisierung von Naturfaserbündeln oder Glasfasern und einer hinreichend homogenen Inkorporierung von anderen Komponenten, wie beispielsweise Adsorbentien, Füllstoffen und Katalysatoren, umfassen die Entwicklung einer optimierten Schneckengeometrie, die Durchführung einer geeigneten Fasermodifizierung und -präparation sowie den gezielten Einsatz von Prozessadditiven. Die Auslegung des Aufbereitungsprozesses erfolgt in enger Abstimmung mit den spezifischen rheologischen und kinetischen Eigenschaften der gefüllten Melaminetherharze. Zu den Besonderheiten im Fließverhalten von hochgefüllten Melaminharzformmassen zählt das ausgeprägte Wandgleitverhalten bei kleinen und mittleren Schergeschwindigkeiten. Als dominierende Einflussfaktoren auf die Reaktionskinetik haben sich der pH-Wert der Formmasse sowie die Entstehung von Reibungswärme bei der Inkorporierung sehr feinteiliger Füllstoffpartikel erwiesen. Naturfasern führen zu einer Absenkung des pH-Wertes in der Formmasse und wirken demzufolge als Katalysator. Die Minimierung der Verweilzeit von katalytisch wirkenden Formmassekomponenten im Extruder sowie eine Anpassung der Formulierung der Formmasse an die Verarbeitungsbedingungen sind wesentliche Voraussetzungen zur Erzielung einer hinreichenden Prozessstabilität und zur Vermeidung vorzeitiger Härtungsreaktionen im Extruder. Im Falle der Naturfasern kann die katalytische Wirkung durch eine Fasermodifizierung mit den Säurefängern Triisopropanolamin oder Borax abgeschwächt und damit gleichzeitig eine verbesserte Faserdispergierbarkeit bewirkt werden. Die optimale Verarbeitungsmethode hängt von den Eigenschaften der jeweiligen Formmasse ab. Zur Ausformung der erzeugten Melaminharzformmassen zu technischen Bauteilen bietet sich aufgrund des kinetischen Eigenschaftsprofils das Kompressionsformverfahren an. Mit einer auf Zeolith und Glasfasern basierende Melaminharzformmasse ist zudem eine geeignete Formulierung gefunden, die sich für eine automatisierte Spritzgießverarbeitung eignet.

Melamine resins and their moulding compounds have been used for almost 70 years. The main advantages of these materials comprise outstanding surface properties such as, high scratch resistance, high gloss and the possibilty of dyeing. Today, available moulding materials are produced from unetherified or partially-etherified melamin-formaldehyde resins that exhibit an increased formaldehyde release. In contrast, the use of novel solid and fully-etherified melamine resins leads to a significant decrease of formaldehyde release. Moreover, due to a weak reactivity in a temperature range between glass transition and 140°C, compounding and moulding of these fully-etherified melamine resins can be carried out by means of thermoplastic processing methods. In comparison with high reactive standard-formaldehyde resins, a corotating twin screw extruder can be utilised to generate hardenable moulding materials based on etherified melamine resins. Owing to the modular screw and barrel design and the exchangeable die, a corotating twin screw extruder facilitates a targeted shear energy input and, thus, allows for compounding of complex formulations by deploying a singlephase process. In the present work the generation of mineral and natural fibre reinforced melamine resins was investigated. Both, the dispersion of glass and natural fibre bundles as well as a homogenious incorporation of additional components, such as adsorbents, catalysts and fillers, are achieved by developing an optimised screw configuration, a suitable fibre modification and preparation and a well directed application of specific process additives. The investigated compounding process were designed in accordance with the crosslink kinetic and rheological properties of the moulding materials. In particular, highly filled melamine resins show a distinct wall slip behaviour at low and medium shear rates that might hamper the mixing process. Kinetic properties are mainly influenced by the pH value of the moulding material and heat dissipation originating from friction between finely ground fillers. Natural fibres, for example, cause a decrease of the ruling pH value and, thus, have a catalytic impact on curing of the melamine resin. In order to avoid premature crosslink reactions within the extruder, the residence time of catalytic acting components is to be minimized. Furthermore, the formulation of the moulding material is to be optimised with a view to the thermal energy the compound is exposed to. In case of natural fibres, the catalytic impact can be compensated by a fibre modification with borax or triisopropanolamine. As a positive side effect, such fibre modification leads to a better dispersion of the incorporated fibres and an increase of fibre matrix interactions. The produced moulding compounds are made into technical components by means of compression or injection moulding. Due to their crosslink behaviour, most of the produced melamine compounds are capable of being used for compression moulding. Moreover, a formulation based on zeolithe and glass fibres has been developed that meets the requirements of automated injection moulding.