BE1014678A3

BE1014678A3 - Samengesteld composietmateriaal en structuur gevormd hiermee.

Info

Publication number: BE1014678A3
Application number: BE2002/0146A
Authority: BE
Inventors: Raemdonck Van Joris
Original assignee: Raemdonck Van Joris
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2004-03-02

Abstract

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vast verbinden van een thermoset matrix composietmateriaal met een thermoplast matrix composietmateriaal welke de volgende stappen omvat: - het voorzien van gaten in een thermoset matrix composietmateriaal, - het aan de onderzijde en bovenzijde van het thermoset matrix composietmateriaal voorzien van een thermoplast matrix composietmateriaal zodanig dat de holte wordt afgesloten, en -het veroorzaken van een vaste verbinding tussen het thermoset matrix composietmateriaal en het thermoplast matrix composietmateriaal. De uitvinding heeft tevens betrekking op een samengesteld composietmateriaal verkregen met deze werkwijze en een structuur gevormd hiermee.

Description

Samengesteld composietmateriaal en structuur gevormd hiermee
De uitvinding heeft in een eerste aspect betrekking op een werkwijze voor het vast verbinden van twee soorten composietmateriaal en het verkregen samengesteld composietmateriaal.

In een tweede aspect heeft de uitvinding betrekking op een structuur gevormd met het samengesteld composietmateriaal waarvan de postmanifactuurmodulatie een belangrijk gegeven vormt.

Stand der techniek
Composietmaterialen zijn algemeen bekend en wijd verspreid. Mede om hun materiaaltechnische eigenschappen worden deze composietmaterialen als structuurelementen voor bouwwerken, frames voor voertuigen en dergelijke aangewend. In het algemeen is een composietmateriaal samengesteld uit een matrix welke voorzien wordt van een wapening. De matrix is in hoofdzaak samengesteld uit een bij voorkeur homogeen hars van polymeermateriaal. Twee belangrijke soorten matrixen zijn bekend, namelijk een thermoset matrix en een thermoplast matrix. Voor de matrix kunnen zowel thermoplastische als thermoset harsen worden gebruikt, evenals metalen, keramieken en glasmaterialen. De verschillende soorten matrixen zijn in de stand der techniek bekend.

De taak van de matrix is zeer complex, hij moet onder andere de stijfheid van het materiaal waarborgen door de onderlinge afstand en de oriëntatie van de vezels te bewaren, zorgen dat de verbinding van de vezels verzekerd is, de spanningen die op de structuur worden uitgeoefend overbrengen op de vezels, het materiaal beschermen tegen de niet mechanische omgeving zoals vocht, chemische producten en de kleur van het oppervlak, zijn uiterlijk, bepalen.

Voor deze matrix kunnen er vele verschillende harsen in aanmerking komen zoals polyesters, polyurethanen, vinylester, epoxys, siliconen, polyiliden.

De wapening van deze composietmaterialen wordt gevormd door sterkere en in het algemeen stijvere materialen die gebonden worden met de matrix ter verbetering van de mechanische eigenschappen. Deze wapening wordt in het algemeen gevormd door vezels welke een complex of enkelvoudige textielpatroon kunnen vormen welke in één of meerdere welbepaalde richtingen liggen. Deze wapening kan uit glasvezel, koolstofvezel, metaal, organisch of anorganisch materiaal bestaan.

Composietmaterialen kunnen op verschillende manieren versterkt worden. De grote taaiheid is de voornaamste mechanische eigenschap van de gebruikte vezels. In de vezels kan men drie types onderscheiden, namelijk minerale vezels waaronder glasvezels, koolstofvezels en siliciumvezels, organische vezels waaronder aramidevezels, plantaardige vezels en synthetische vezels en metallische vezels waaronder aluminiumvezels, boornitraatvezels en titaanvezels.

De vezels die momenteel op grote schaal worden toegepast zijn voornamelijk glasvezels, koolstofvezels en aramidevezels. Als er niet één maar verschillende soorten vezels als versterking worden gebruikt dan spreekt men van hybride-versterking.

De voornaamste voordelen van koolstofvezels zijn uitstekende mechanische eigenschappen bij zowel trek als druk, goede thermische weerstand (geen uitzetting), lage dichtheid. goede chemische stabiliteit. Nadelen zijn zeer dure kostprijs, breekbaarheid, gevoeligheid voor schokken en zwakke slijtage weerstand.

Als men een thermoplastisch materiaal op hoge temperatuur brengt, dan wordt dit materiaal plastisch. Door het materiaal terug te laten afkoelen worden de oorspronkelijke eigenschappen opnieuw bekomen. Enkele veel voorkomende thermoplasten met hun eigenschappen en toepassingen zijn polyethyleen, polyamides, teflon en PVC.

Polyethyleen is gevormd door de polimerisatie van ethyleen. Polyethyleen heeft een laag soortelijk gewicht en wordt vaak zuiver toegepast in o. a. buizen, verpakkingsmateriaal,..

Polyamides zijn beter gekend onder de naam nylon. Naast het gebruik als synthetische vezel wordt het ook dikwijls toegepast voor mechanische doeleinden omwille van zijn grote mechanisch weerstand en van de zelfsmerende eigenschappen.

Teflon is het materiaal met de kleinste wrijvingscoëfficiënt. Verder is het zeer goed bestand tegen chemische weerstand en verdraagt het zeer goed hoge en lage temperaturen ( tot 350 C ).

PVC (polyvinylchloride) is ongetwijfeld de meest gebruikte plastic, dit heeft het te danken aan de vormgeving die uitermate gemakkelijk is. Het vindt zijn toepassingen in de meest uiteenlopende domeinen.

Door het toevoegen van een weekmaker kunnen de fysische eigenschappen van de thermoplasten aanzienlijk gewijzigd worden. Deze weekmaker zal als intern smeermiddel op microscopisch niveau dienst doen. Dit zal het glijden van de lineaire moleculaire ketting ten opzichte van elkaar vergemakkelijken. De thermoplasten hebben een groot gebied van plastische vervorming. Een weekmaker op basis van CAPA polycaprolactones (Solvay), de technische implementatie en het toevoegen van weekmakers aan thermoplast harsen is in de

stand der techniek bekend. De technische aspecten en de concentraties kunnen worden teruggevonden op de website van Solvay.

Thermoharders hebben hun naam te danken aan het feit dat ze onder invloed van de warmte uitharden. Dit is een onomkeerbaar proces. Enkele voorbeelden zijn bakeliet dat ontstaat door polycondensatie van fenol en formol en dat toegepast wordt voor de fabricage van schakelaars. Epoxyhars is het polyadditieprodukt van een epoxyde en een amine, polyesterhars is het polycondesatieproduct van een zuur met een alcohol.

In het algemeen is een thermoplastisch hars een hars welke geen crosslink verbindingen omvat. In het algemeen kan een thermoplastische hars worden hersmolten en gerecycleerd, indien noodzakelijk. Een thermoset hars omvat in het algemeen, in tegenstelling tot een thermoplastisch hars, crosslink verbindingen in de polymeerketens. In tegenstelling tot een thermoplast kan een thermoset niet worden gesmolten en gerecycleerd doordat de crosslink verbinding een drie-dimensionaal netwerk vormt. Deze composietmaterialen worden omwille van toepasbaarheid veelal in de vorm van platen, weefsels of georiënteerde vezelsystemen aangeleverd al dan niet op een separate tijdelijke drager welke drager wordt verwijderd wanneer het composietmateriaal wordt toegepast.

In een composiet kan men de volgende verschillende elementen onderscheiden. De matrix is een macromoleculair materiaal dat de verschillende versterkende vezels met elkaar verbindt en de spanningen van de struktuur verdeelt en op de vezels overdraagt. De versterking zijn meestal zeer fijne vezels die in de matrix ingewerkt zijn en zo de structuur meer mechanische sterkte geven. Voor de verbinding van de vorige twee elementen wordt gezorgd door de interface matrix-versterking. Belasting en additieven zijn verschillende producten die aan het materiaal bijkomende eigenschappen geven omwille van prestatie eisen of uit kostenoverweging.

Voor het produceren van composietmaterialen kunnen er diverse technieken worden toegepast. Bij praktisch al deze technieken wordt het eindproduct opgebouwd door het systematisch aanbrengen van verschillende lagen vezelversterking-kunststof op een mal.

Deze mal kan uit diverse materialen zijn opgebouwd zoals hout, aluminium, polyester,...

Naargelang de mal de binnen- of buitenafmetingen van het eindproduct heeft worden de lagen in of op de mal aangebracht. Het aantal lagen dat wordt aangebracht is niet alleen bepalend voor de dikte van het stuk maar ook voor de sterkte ervan. Bij de verschillende produktietechnieken zijn er vijf gemeenschappelijke basisbewerkingen die steeds terugkomen.

Het aanbrengen van vezelversterking in de mal. Deze versterking kan bestaan uit een van de versterkingen die besproken werden in de vorige paragrafen. De impregnatie of het verzadigen van de vezelversterking met hars door het hars op de vezels aan te brengen.

Het ontluchten van de verzadigde vezellaag. Door het herhalen van de vorige stappen kan er een product worden opgebouwd dat uit meerdere lagen bestaat. Nadat het hars is uitgehard, dit kan bij kamertemperatuut maar ook door opwarming of onder druk, kan de verharde composiet van de mal worden losgemaakt.

De belangrijkste productieprocessen zijn onder andere: - de hand lay-up methode ; - het wikkelen; - de spray-up methode ; - het koud- en warmpersen; - de vacuümvorming; - de autoclaaf; - de pultrusie; - het centrifugaal gieten; - de harsinjectie; en - het gieten - polybeton.

De uitvinding beoogt een samengesteld composietmateriaal te verschaffen waarbij een vaste verbinding wordt gevormd tussen enerzijds een thermoset matrix composietmateriaal en anderzijds een thermoplast matrix composietmateriaal. Verbindingen zoals naden, verlijmingen en dergelijke zijn bekend mede door het verschil in de mechanische en chemische eigenschappen van een thermoset matrix ten overstaan van een thermoplast matrix blijken geen van deze vandaag bekende verbindingen voor een geschikte vaste verbinding te zorgen, in het bijzonder voor een verbinding waarbij het thermoplast matrix composietmateriaal na de vaste verbinding nog moduleerbaar dient te zijn.

De uitvinding beoogt tenminste een of meerdere van de hierboven genoemde problemen op te lossen en verschaft daartoe een werkwijze voor het vast verbinden van een thermoset matrix composietmateriaat met een thermoplast matrix composietmateriaal welke de volgende stappen omvat: - het voorzien van gaten in een thermoset matrix composietmateriaal, - het aan de onderzijde en bovenzijde van het thermoset matrix composietmateriaal voorzien van een thermoplast matrix composietmateriaal zodanig dat het gat wordt afgesloten, en

- het uitharden van deze verbinding middels een druk- en/of vacuüm- en/of temperatuursbehandeling.

Geschikte technieken volgens de uitvinding zijn: - het koud- en warmpersen: bij deze technieken zal het uitharden gebeuren in een gesloten ruimte. Dit kan op verschillende manieren. Bij het drukproces wordt de bovenkant van de vorm afgesloten met een contravorm en wordt er hierop een druk uitgeoefend.

Hierdoor bekomt men een hoog glasgehalte, een hoge sterkte en vooral een glad oppervlak.

Afhankelijk van de temperatuur waarbij dit persen gebeurd spreekt men van koud- of warmpersen.

- vacuümvorming: bij het vacuumproces zal de vorm met een sandwich foliecomplex worden afgesloten maar in plaats van er druk op uit te oefenen zal men er een vacuum onder creëren. Hiertoe wordt het complex langs de zijkant op de vorm gekleefd en zal men in de folie een aansluitstuk voor een darm voorzien langs dewelke het geheel kan vacuum gezogen worden.

- autoclaaf: bij de verwerking in de autoclaaf maakt men gebruik van zowel druk, vacuum als temperatuur.

Het aanbrengen van gaten kan door het zagen, boren, frezen of prikken van de thermoset matrix composietmateriaal welke een zodanige diameter dient te hebben dat tijdens het verbinden het hars van de thermoplast matrix de gaten opvult en aldus zal zorgen voor een vaste verbinding van de twee door het thermoset matrix composietmateriaal gescheiden thermoplast matrix composietmaterialen. De verbinding die als zodanig wordt verkregen kan aangepast worden door de diameter van het gat en eventueel het aantal gaten. Om in het algemeen een uniforme structuur te verkrijgen, worden ook deze gaten uniform in het thermoset matrix composietmateriaal aangebracht.

De aldus verkregen structuur verschaft een vaste, stevige en betrouwbare verbinding tussen enerzijds het thermoset matrix composietmateriaal en anderzijds het thermoplast matrix composietmateriaal welke de voordelen van de beide materialen kan combineren in een samengestelde structuur.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van een dergelijke structuur is een constructie welke gedeeltelijk postmanifactuur dient te worden gemoduleerd. Het thermoplast matrix composietmateriaal zal eenvoudig moduleerbaar zijn middels verhoging van de temperatuur via bijvoorbeeld lucht of warm water waarna de vervorming kan worden aangebracht welke stabiel blijft na een eventuele temperatuursdaling. In concreet kan dit worden verkregen door warme lucht of warm water over het thermoplast matrix composietmateriaal te brengen. Het

deel van het thermoset matrix composietmateriaal zal niet meer moduleerbaar zijn na manufactuur.

Een bijzondere uitvoeringsvorm van de structuur volgens de uitvinding is de vervaardiging van schoenen, waarbij de zool uit een thermoset matrix composietmateriaal is vervaardigd en waarbij de andere delen van de schoen, in het bijzonder de hielverbinding, uit een thermoplast matrix composietmateriaal zijn vervaardigd. Bij het aanpassen van de schoen kan de hielverbinding en eventueel andere moduleerbare delen van de schoen persoonlijk worden aangepast.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een werkwijze voor het verbinden van een thermoset matrix composietmateriaal met een thermoplast matrix composietmateriaal waarbij de beide matrix composietmaterialen aan elkaar worden genaaid of gestikt door middel van een flexibele draad welke doorheen de beide matrix composietmaterialen penetreert. In het algemeen kan een dergelijke naai- en/of stikbewerking worden uitgevoerd met elke bekende flexibele draad. Een voorkeursvorm van een draad is bijvoorbeeld een kevlar draad.

In een ander aspect heeft de uitvinding betrekking op een schoen of een binnenschoen, bijvoorbeeld voor rolschaatsen, ijsschaatsen, skischoenen, langlaufschoenen, veiligheidschoenen, waarbij de zool uit een in hoofdzaak stijf materiaal is vervaardigd, zoals bijvoorbeeld leder en stijve composietvezels, en waarbij de aan de zool gefixeerde delen, zoals het hielstuk, het teenstuk of het wreefstuk uit een postmanifactuur moduleerbaar materiaal is vervaardigd. De beide type materialen kunnen aan elkaar gekoppeld of gehecht worden, zoals reeds hierboven beschreven. Deze koppeling kan gebeuren zowel middels kleine openingen te voorzien in een stijf materiaal, ofwel via het naaien of het stikken van de beide materialen aan elkaar. Een voorkeursuitvoeringsvorm voor het postmanifactuur moduleerbare materiaal zijn composiet matrix materialen met een thermoplastische matrix.

Deze thermoplastische matrix omvat bij voorkeur caprolactones of andere bekende weekmakers.

Het voordeel van een dergelijke binnenschoen is dat bij het aanpassen een aanpassing aan de voet kan gebeuren door het tijdelijk vervormbaar maken van het vervormbare materiaal. Dit kan bijvoorbeeld door de temperatuur of de druk op het vervormbare materiaal te verhogen, waardoor het soepel wordt gemaakt. Dit vervormbare materiaal wordt dan vervolgens aan de voet aangedrukt, waarbij de voet fungeert als mal voor het vervormbare materiaal. Bij afkoeling of druknormalisatie zal het vervormbare materiaal opnieuw stijf worden en in deze stijve positie gehandhaafd blijven. Aldus wordt een uniek exemplaar schoen of binnenschoen afgeleverd.

De uitvinding wordt hieronder toegelicht aan de hand van een aantal schematische tekeningen waarin tonen: figuur 1 een dwarsdoorsnede aanzicht van het sandwich complex volgens de uitvinding, figuur 2 een dwarsdoorsnede aanzicht van het sandwich complex volgens de uitvinding nadat de verbinding gevormd is, figuur 3 een bovenaanzicht van het sandwich complex volgens de uitvinding, en figuur 4 een perspectivisch aanzicht van een structuur gevormd uit een samengesteld composietmateriaal volgens de uitvinding.

Een samengesteld composietmateriaal 5 volgens de uitvinding wordt verkregen door het sandwichen van een thermoset matrix composietmateriaal 2 waarin gaten of holten 4 zijn voorzien tussen twee thermoplast matrix composietmaterialen. Na een uitharding welke door temperatuurverhoging, drukverhoging, vacuümvorming en/of een combinatie van deze technieken kan worden verkregen, zal het hars aanwezig in het thermoplast matrix composietmateriaal een overbrugging maken tussen de thermoplast matrix composietmaterialen 1 en 3 en aldus het thermoset materiaal volledig opsluiten. Mogelijke druk- en vacuümaanbrenging kan gebeuren door 1kg druk te voorzien waarbij het complex een temperatuurverhoging ondergaat van # 60-120 C gedurende een periode van 5 tot 15 minuten. Eventueel dient een hogere temperatuur en een langere tijd te worden doorgebracht in de autoclaaf.

Een voorbeeld volgens de uitvinding van een structuur welke uit een samengesteld composietmateriaal volgens de uitvinding is samengesteld is een binnenschoen 9 welke voorzien is van een zool 7 welke langs zijn omtrek voorzien is van gaten 8. Deze gaten 8 zijn gesandwiched door twee thermoplast matrix composietmaterialen 6' en 6". De strook 6" vormt een aansluitende ribbe langs de omtrek van de zool. De delen 6' vormen postmanifactuur moduleerbare schoendelen. Een dergelijke schoen maakt het mogelijk om de desbetreffende verbeterde eigenschappen voor de zool te ontlenen aan een thermoset matrix composietmaterial en de moduleerbare eigenschappen aan het thermoplast matrix composietmateriaal. Zo kan een schoen gemoduleerd worden na manifactuur bij de schoenverdeler zelf.

Geschikt volgens de uitvinding zijn dergelijke schoenen voor schaatsen en skeelers waarbij een eenduidige pasvorm belangrijk is. Proeven hebben aangetoond dat deze verbinding vast bleef na verscheidene postmoduleringen gedurende een aanzienlijke tijd.

In een ander aspect van de onderhavige uitvinding wordt een thermoset matrix composietmateriaal, bijvoorbeeld een koolstofvezel materiaal aan een thermoplast matrix composietmateriaal, bijvoorbeeld eveneens een koolstofvezel composiet aan elkaar genaaid of gestikt door middel van een flexibele draad. Deze flexibele draad zal in het algemeen door middel van een naald doorheen de twee composietmaterialen worden geregen. Een voorkeursuitvoeringsvorm van de draad is een kevlar draad van een voldoende dikte om de beide composietmaterialen aan elkaar te kunnen verbinden.

Claims

Conclusies 1. Werkwijze voor het vast verbinden van een thermoset matrix composietmateriaal met een thermoplast matrix composietmateriaal welke de volgende stappen omvat: - het voorzien van gaten in een thermoset matrix composietmateriaal, - het aan de onderzijde en bovenzijde van het thermoset matrix composietmateriaal voorzien van een thermoplast matrix composietmateriaal zodanig dat de holte wordt afgesloten, en - het veroorzaken van een vaste verbinding tussen het thermoset matrix composietmateriaal en het thermoplast matrix composietmateriaal.
2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de verbinding wordt verkregen middels een vacuümvormingproces.
3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de verbinding wordt verkregen middels een drukbewerking.
4. Werkwijze volgens conclusie 1,2 of 3, met het kenmerk, dat de verbinding wordt verkregen middels een temperatuursvehoging.
5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, temperatuurverhoging hoger of gelijk aan het smeltpunt van de thermoplast hars.
6. Werkwijze volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat de temperatuursverhoging hoger of gelijk is aan het smeltpunt van de thermoset hars.
7. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies 1-6, waarbij in het thermoset matrix composietmateriaal een serie van gaten wordt voorzien die aan de beide doorgang wordt afgedekt met een thermoplast matrix composietmateriaal voorzien.
8. Samengesteld composietmateriaal verkregen volgens de werkwijze volgens één van de vorige conclusies 1-7 of conclusie 15. <Desc/Clms Page number 10>
9. Samengesteld composietmateriaal volgens conclusie 8, waarbij het thermoset matrix composietmateriaal voorzien is van gaten die worden opgevuld door de hars van het thermoplast matrix composietmateriaal.
10. Samengesteld composietmateriaal volgens conclusie 8 of 9, waarbij het thermoplast matrix composietmateriaal voorzien is van een weekmaker.
11. Samengesteld composietmateriaal volgens conclusie 10, waarbij de weekmaker word gekozen uit de groep omvattende
12. Structuur gevormd uit een samengesteld composietmateriaal volgens één der conclusies 8-11 waarbij het deel uit thermoplast matrix composietmateriaal na de manufactuur kan worden gemodelleerd.
13. Structuur volgens conclusie 12, waarbij het thermoset matrix composietmateriaal een vlak lichaam vormt en het thermoplast matrix composietmateriaal een driedimentioneel lichaam is.
14. Structuur volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat het vlak lichaam een zoollichaam is en het driedimentioneel lichaam een hielverbinding voor een sportschoen, zoals een schaats of skeeler schoen.
15. Werkwijze voor het vast verbinden van een thermoset matrix composietmateriaal met een thermoplast matrix composietmateriaal waarbij de beide materialen aan elkaar worden genaaid of gestikt door middel van een flexibele draad.