DE10126150A1

DE10126150A1 - Verfahren zur thermischen Aushärtung von Compositmaterialien durch Strahlungshärtung

Info

Publication number: DE10126150A1
Application number: DE2001126150
Authority: DE
Inventors: Helmut Schmieder; Rainer Foerster; Detlev Geiss; Oliver Thamm
Original assignee: POLYSTAL COMPOSITES GmbH
Current assignee: POLYSTAL COMPOSITES GmbH
Priority date: 2001-05-30
Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2002-12-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung unidirektional verstärkter Faserverbundformteile durch thermische Aushärtung eines mit wärmeaushärtbarem Kunstharz imprägnierten Faserstranges mittels Infrarot-Strahlungsheizung. Dabei ist festzustellen, dass sich gegenüber einer Umluftheizung sowohl die Verweilzeit in der Heizstrecke signifikant vermindert als auch die Wasseraufnahme des Compositmaterials absinkt. Die reduzierte Wasseraufnahme soll die Beständigkeit des Compositmaterials gegenüber feuchten Medien verbessern.

Description

Beim Duroplastpultrusionsverfahren werden die Verstärkungsfilamente über Führungsele ment vereinzelt und zur Imprägnierung durch ein Harzbad gezogen, wo sie möglichst voll ständig mit Matrixmaterial benetzt werden. Nach der Verformung erfolgt der Einlauf in eine Heizstrecke, in der eine Heißhärtung des Duroplastes stattfindet. Die Erfindung befasst sich mit dem Verfahren des Aufheizprozesses des Duroplastpultrutates durch Infrarotstrahlung und den unerwarteten Eigenschaften des unidirektional verstärkten Compositmaterials nach dem Aushärtprozess. Die Erwärmung von Reaktanten im Infrarotstrahlungsfeld wird bereits vielfältig z. B. bei Trocknungsprozessen angewendet.

Wärme geht dabei durch den leeren oder gasgefüllten Raum als Strahlung, von heißen Kör pern ausgestrahlt, von getroffenen Körpern teilweise absorbiert und in Wärme rückverwan delt. Wärmestrahlung ist somit nicht an stoffliche Wärmeträger gebunden. Eine Aufheizung entsteht durch Schwingungen der Atome im Raumgitter fester Körper oder durch Schwingung und Rotation ganzer Moleküle. Dieser Sachverhalt bewirkt, dass die emittierte Strahlung bei der Übertragung auf das zu erwärmende Medium nur dort eine Erwärmung bewirken kann, wo die Schwingungsfrequenz der Strahlung mit den Anregungsfrequenzen im Molekularbe reich des zu erwärmenden Mediums übereinstimmt. Strahlungsanteile, die diesen Anforde rungen nicht entsprechen, bewirken keine direkte Erwärmung sondern transmittieren oder werden reflektiert.

Die hauptsächlich enthaltenen organischen Stoffe wie Polyester, Aromaten und Urethane zei gen Absorptionsbanden unterhalb von 3, bei 3,0; 3,4; 4,4; 5,8; 6,8; 7,9; 8,0; 8,2; 9,0 Mikro meter. Außerhalb dieser Absorptionsbanden dringt diese Strahlung relativ unbehindert in den Verbund ein und wird vom Glas reflektiert, gestreut und in Wärme gewandelt.

Reines Silikatglas absorbiert oberhalb einer Wellenlänge der Strahlung von 5 Mikrometer praktisch vollständig. Unterhalb dieser Wellenlänge liegt die Infrarotdurchlässigkeit (Trans mission) bis 90%.

Deshalb ist es möglich, in der Zeiteinheit durch Strahlungsheizung wesentlich größere Wär memengen auf einen harzbeaufschlagten Glasfaserroving zu übertragen, ohne diesen ther misch zu überhitzen.

Als Infrarotstrahlersystem werden Hochtemperatur-Quarzstrahler und die bei niedrigerer Temperatur wirkenden Keramikstrahler verwendet. Beide unterscheiden sich durch Strah lungscharakteristik, Eindringtiefe in das Compositmaterial und Absorptionsvermögen am wärmehärtbaren Kunstharz und am Verstärkungsfaserstrang.

Quarzstrahler

Der Quarzstrahler besteht aus Halogenleuchten, deren Lampenkolben aus Quarzglas bestehen. Die Strahlertemperatur liegt in der Größenordnung von 2000°K. Die Wellenlänge der höchsten Strahlungsintensität sollte bei etwa 1 Mikrometer liegen. Der aus Quarzglas beste hende Lampenkolben, der den Strahlungsanteil über 5 Mikrometer praktisch vollständig ab sorbiert, wird sich erheblich aufheizen und als Strahlungsquelle niedrigerer Temperatur mit der sich bei dieser Temperatur ergebenden Strahlungsspektrum zusätzlich wirken. Bei Ab kühlung der Oberflächentemperatur des Glaskolbens durch einen Luftstrom mit konvektiver Wärmeabführung ist nur der Strahlungsanteil bis 5 Mikrometer wirksam.

Keramikstrahler

Infolge der niedrigeren Strahlertemperatur und der für den Prozess besonders geeigneten Strahlungscharakteristik sollte bei 800°K die Wellenlänge der höchsten Strahlungsintensität bei etwa 3 Mirkometer liegen. Das sich aus diesen Daten ergebende Strahlungsspektrum wird sowohl vom Glasroving als auch von der Harzmatrix gut absorbiert und in Wärme umgesetzt. Starke Absorption eines IR-Strahlungsanteils bedingt Absorption und eine kurze Wegstrecke im der Strahlung zu erwärmenden Material.

Die Wasseraufnahme des thermisch ausgehärteten Compositmaterials wird in der Weise be stimmt, dass die Gewichtszunahme bei Wasserlagerung von Probekörpern bis zur Gewichts konstanz verfolgt wird. Die Wasseraufnahme ist ein Maß für den Fehlstellengehalt im Com positmaterial und beeinflusst die Stabilität des Compositmaterials in feuchten Medien.

Ausführungsbeispiel

Profil: Durchmesser 3,0 mm
Faseranteil: 64 Vol.% = 80 Material%
Kunstharzanteil: 36 Vol.% = 20 Material%
Härtungsverfahren: Konvektive Wärmeübertragung durch aufgeheizten Luftstrom
Temperaturbereich: 100°C bis 180°C
Verweilzeit: 130 Sekunden
Wasseraufnahme: ca. 1 Material%
Härtungsverfahren: Strahlungshärtung durch Infrarotstrahlung

Versuchsbedingungen

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von unidirektional verstärkten Faserverbundformteilen durch thermische Aushärtung eines mit einem wärmeaushärtbarem Kunstharz impräg nierten Faserstranges ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragung aus schließlich durch Infrarotstrahlung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, das dass wärmeaushärtbare Kunstharz ein Gemisch ist aus:

A) einem ethylenisch ungesättigtem Polyester oder einem endständig ungesättig ten Vinylester
B) ethylenisch ungesättigte mit A copolymerisierbare Monomeren
C) mindestens 50 Vol.% bezogen auf A + B eines undirektionalen faserförmigen Verstärkungsmittels
D) 1,0 bis 3,0 Gew.-% bezogen auf A + B organische Peroxide
E) übliche, die Oberflächenklebrigkeit und Haftung verbessernde Mittel auf Basis Isocyanat und Härtungsbeschleuniger

3. Verfahren nach Anspruch 1-2 dadurch gekennzeichnet, dass die undirektionalen Fa serstränge in einem Strangziehverfahren mit dem wärmeaushärtbarem Kunstharz be aufschlagt über Kalibierdüsen geformt und mit einem Schrumpffaden umwickelt in einer nachfolgenden Infrarotheizstrecke thermisch ausgehärtet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3 ist dadurch gekennzeichnet, das die infrarot-thermi sche Aushärtung durch ein Strahlensystem eines Halogen-Quarz-Hellstrahlers und ei nes Keramik-Dunkelstrahlersystems oder durch ein Keramik-Dunkelstrahlersystems allein erfolgt.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1-4 ist dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Heizstrecke durchlaufende, mit dem wärmeaushärtbaren Kunstharz beaufschlagte Strang stufenweise, durch Regelung der Heizleistung der Infrarotstrahlungsquellen aufgeheizt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1-5 ist dadurch gekennzeichnet, dass die nach dem Verfahren gehärteten Faserstränge gegenüber konvektiv durch Umluftwärmeübertra gung thermisch ausgehärtete Faserstränge eine um mindestens 30% niedrigere Was seraufnahme aufweisen.

7. Verfahren nach Anspruch 1-6 dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit des Fa serstranges im Infrarotheizsystem bei vergleichbaren mechanischen Kennwerten ge genüber dem durch Umluftwärmeübertragung ausgehärteten Faserstrang auf etwa 1/3 sinkt.