DE102005007380A1 - Textiles Halbzeug mit dreidimensionaler Struktur - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein textiles Halbzeug mit dreidimensionaler Struktur, welches als Basismaterial für faserverstärkte Werkstoffe mit beispielsweise thermoplastischen, duroplastischen bzw. anorganischen Matrixmaterialien kombiniert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Halbzeug aus einer Verbundstruktur (3) aus zwei Vliesstoffbahnen (1, 2) besteht, die in einem Abstand zueinander durch nahtartige Verbindungen (4) miteinander verbunden sind, so dass zwischen den Vliesstoffbahnen (1, 2) Hohlräume (5) und Faserbrücken (6) vorhanden sind, wobei in den Hohlräumen (5) Funktionselemente (7) angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein textiles Halbzeug mit dreidimensionaler Struktur, welches als Basismaterial für faserverstärkte Werkstoffe mit beispielsweise thermoplastischen, duroplastischen bzw. anorganischen Matrixmaterialien kombiniert wird. Anwendung finden diese faserverstärkten Werkstoffe vorzugsweise für die Fertigung von Bauteilen zur Isolierung, Dämmung und Bewehrung im Fahrzeugbau, der Luft- und Raumfahrt, im Schiffs- und Bootsbau, Behälterbau sowie zur Betonarmierung.
  • Aus der DE 196 35 170 C1 und DE 199 10 785 B4 sind dreidimensionale Flächengebilde bekannt, die auf Basis von textilen Gewirken, einen funktionalisierten Verbundstoff beschreiben. Aus der DE 27 14 901 B2 ist ein Wärmetauschelement auf der Basis eines Abstandsgewebes bekannt, wobei der innen liegende Hohlraum thermische Funktionen wahrnimmt. EP 0 617 152 B1 beinhaltet die Struktur von Abstandsgeweben und -gewirken als Ersatz für Polsterstoffe.
  • Das in DE 196 35 214 dargestellte dreidimensionale textile Flächengebilde betrifft einen mehrschichtigen Folien-Dämmstoff für Wärmeisolation und Schallschutz, der auf Flockbasis hergestellt wird
  • Die DE 101 33 773 A1 beschreibt ein dreidimensionales strukturiertes Flächengebilde, das aus verschweißten Vliesstofflagen besteht. Aus DE 44 22 585 C1 sind luftschallabsorbierende Halbzeuge aus Vliesstofflagen bekannt, die durch Hohlräume charakterisiert und durch ein Prägewerkzeug hergestellt sind, wobei durch Stanzwerkzeuge eine kostengünstige Herstellung der Formteile ausgeführt wird. Der Prägevorgang selbst wird als nachteilig beurteilt, da die Variationen durch das Prägewerkzeug stark eingeschränkt sind. Die DE 41 30 343 C2 hat ein Verbundvliesmaterial zum Inhalt, das eine Vielzahl von regelmäßigen Hohlräumen aufweist, die durch eine Prägestation definiert werden.
  • Das in der DE 44 22 585 C1 beschriebene luftschallabsorbierende Formteil besteht aus zwei Halbzeugen, die jeweils mindestens aus einer Vliesstofflage gebildet sind, wobei die Halbzeuge in Richtung des auftretenden Luftschalls unter Bildung von zumindest eines Hohlraumes mit Abstand benachbart zueinander angeordnet sind, um unterschiedliche Strömungswiderstände zu erreichen, die eine stufenweise Luftschallabsorption bewirken. Dabei ist mindestens ein Halbzeug mit einem wellenförmigen Querschnitt versehen, um Hohlräume zu erzeugen, die entsprechend der funktionstechnischen Anwendung nicht mit Füllmaterial versetzt werden können.
  • Nachteilig bei diesen bisher bekannten textilen Halbzeugen ist, dass diese meist gezielt für nur einen bestimmten Anwendungsfall entwickelt wurden, indem das für den Anwendungsfall bestimmte Füllmaterial in eine spezielle Struktur des Verbundes eingelagert ist, um die erforderliche Funktion optimal zu gewährleisten. Der Einsatz für andere Anwendungsgebiete ist deshalb nicht oder nur sehr begrenzt möglich. Die sich daraus ergebende Einschränkung in der Anwendbarkeit der Halbzeuge sowie die teilweise sehr zeit- und kostenaufwendige Einbringung von Füllpartikeln bzw. Füllkörpern in diese Strukturen ist ein weiterer wesentlicher Nachteil.
  • Die bekannten textilen Verbundstoffe sind wegen ihrer aufwendigen Herstellung, einem niedrigen Variationsvermögen innerhalb der textilen Struktur und ungenügender Kombinationsfähigkeit mit anderen Materialien für den Einsatz in den benannten Einsatzgebieten den heutigen Anforderungen nicht gewachsen.
  • Zudem haben die bekannten Verstärkungsstrukturen in Form von Geweben/Gewirken den Nachteil, dass die Verstärkungselemente selbst (Fäden/Rovings) während der Verarbeitung durch Reibung, Umlenkung, hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten usw. einer potentiellen Schädigungsgefahr unterliegen.
  • Besonders schwierig gestaltet sich bei diesen Materialien das Handling. Bei der Verarbeitung, insbesondere beim Zuschnitt der Bauteilgeometrie, besteht die Gefahr, dass sich Fadenlagen verschieben und/oder Schnittkanten ausfransen.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein textiles Halbzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem bislang nicht kombinierbare Eigenschaften durch Einlagerung und Anordnung definierbarer Füllelemente und/oder Füllmaterial möglich sind, so dass eine Verwendung für möglichst viele unterschiedliche Anwendungsgebiete bei gleichzeitiger Verbesserung der Gebrauchseigenschaften gewährleistet ist und das einfach und in wirtschaftlicher Hinsicht kostengünstiger herstellbar ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
  • Das erfindungsgemäße textile Halbzeug weist die besonderen Vorteile auf, dass es einerseits durch Auswahl unterschiedlicher Vliesschichten für die erforderlichen textilen Funktionseigenschaften und andererseits durch gezielte Einlagerung funktionsbedingter Füllelemente und/oder Füllmaterial im Querschnittsbereich auf sehr einfache Art und Weise allen erforderlichen funktionalen Eigenschaften für eine breite Palette von Anwendungsgebieten Rechnung tragen kann.
  • Die Kombination des textilen Halbzeuges mit zusätzlichen textilen und/oder nichttextilen Bahnen, wie beispielsweise Gewebe, Gewirke, Gelege, Verbundstoffe oder Folien als Abdeckbahnen und der möglichen Verbindungstechnik aller Schichten führt zusätzlich zu einer Erweiterung und Verbesserung der Nutzung des erfindungsgemäßen Halbzeuges.
  • Die Einlagerung definierter Füllelemente in speziell geformten Hohlräumen bringt es mit sich, dass die Kernschicht bildenden Funktionselemente zwischen den Außenschichten fixiert werden, so dass diese an einem wesentlichen Verschieben in der Erstreckungsebene des Halbzeuges während des Gebrauchs gehindert werden.
  • Die erfindungsgemäße Lösung für ein textiles Halbzeug beinhaltet die Kombination von mindestens zwei Vliesschichten mit einer hohlraumbildenden Querschnittsstruktur, in der Füllelemente und/oder Füllmaterial formschlüssig integriert sind. Das neue textile Halbzeug besteht aus einer dreidimensionalen Verbundstruktur aus zwei Vliesstoffbahnen, die in einem Abstand zueinander angeordnet und durch nahtartige Verbindungen miteinander verbunden sind. Die nahtartigen Verbindungen bestehen aus Fasern bzw. Faserteilen der Vliesstoffbahnen, die zwischen den Vliesstoffbahnen aufrechtstehende Faserbrücken bilden. Die vertikal angeordneten Faserbrücken gewährleisten innerhalb der Verbundstruktur einen konstanten Abstand der Vliesstoffbahnen über die gesamte Fläche. Anzahl und Abstand der nahtartige Verbindungen in Längs- und Querrichtung sind abhängig vom gewählten Abstand der Vliesstoffbahnen und den für die Vliesstoffbahnen eingesetzten Flächengebilde variierbar. Da die einzelnen Fasern in den Vliesstoffbahnen eine bestimmte Mindestlänge aufweisen und frei beweglich sind, können die verbindenden Fasern in einem definierten Abstand der Vliesstoffbahnen ein- oder doppelseitig eingetragen werden.
  • Zwischen den einzelnen Faserbrücken sind Hohlräume angeordnet, die im Querschnitt des Halbzeuges eine Hohlraumstruktur erzeugen, in die Funktionselemente integriert sind. Die Ausbildung der zur Aufnahme dienenden Hohlraumstruktur zwischen den Vliesschichten erfolgt abhängig vom Einsatzgebiet und den dafür erforderlichen Funktionseigenschaften, die durch Einlagern spezieller Füllelemente und/oder Füllmaterials realisiert werden. Dabei lässt sich Form und Größe der vorgesehenen Hohlräume in Abhängigkeit von der Menge, Art und Anordnung des Füllmaterials oder der Füllelemente im Halbzeug genauso variieren wie deren Anzahl bezüglich der räumlichen Anordnung im Flächenquerschnitt. Für bestimmte Anwendungsgebiete besteht auch die Möglichkeit, die dreidimensionale Struktur ohne Füll- bzw. Funktionselemente als textiles Halbzeug einzusetzen. Auf Grund der umfangreichen Variierbarkeit der Möglichkeiten für die Einlagerung sowie dem vielfachen Einsatz verschiedener Füllelemente und/oder Füllmaterialien in sehr unterschiedlicher Konzentration über einen bestimmten Flächen- bzw. Querschnittsbereich ist es möglich, diese textilen Halbzeuge für sehr viele unterschiedliche Einsatzgebiete auf einfache Art und Weise kostengünstig zur Verfügung zu stellen.
  • Für die verwendeten Vliesschichten kann entsprechend dem Verwendungszweck des textilen Halbzeuges und der daraus resultierenden Form, Dichte und Funktion der eingelagerten Füllelemente und/oder des Füllmaterials verfestigtes und/oder unverfestigtes Vliesmaterial eingesetzt werden. Das Vliesmaterial kann dabei aus Spezialfasern (z.B. Glasfasern, Kohlenstofffasern, Basaltfasern), polymeren Faserstoffen (z.B. Polypropylenfasern, Polyesterfasern, Polyamidfasern, Polyethylenfasern, Aramidfasern) oder Mischungen daraus bestehen. Die einzelnen Vliesschichten können gleiche oder unterschiedliche Faser- und/oder Querschnittsstrukturen aufweisen.
  • Die Verbindung der Vliesschichten zu einer schichtenartigen Verbundstruktur erfolgt in vorzugsweise Längsrichtung verlaufenden nahtartigen Verbindungen nach der Nadeltechnologie. Der Abstand der einzelnen Verbindungsnähte zueinander kann abhängig von der Form und Größe des textilen Halbzeuges sowie der Art und Menge der eingelagerten Füllelemente und/oder des Füllmaterials variiert werden. Mit der Anzahl der Verbindungen lässt sich die Festigkeit des Halbzeuges bzw. dessen Stabilität beeinflussen. Dabei können die Vliesschichten sowohl ganzflächig, streifenförmig oder auch nur abschnittsweise miteinander verbunden werden.
  • Je nach Beschaffenheit der Vliesschichten und der eingeschlossenen Füllelemente kann das textile Halbzeug in sehr unterschiedlichen Abmessungen gefertigt und eingesetzt werden. Beispielsweise kann das Halbzeug in einer bahn- oder bandförmigen Meterware verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Herstellung eines mattenförmigen Halbzeuges in vorbestimmten Abmessungen.
  • Welche Füllelemente und/oder Füllmaterialien im Halbzeug enthalten sind, wird weitestgehend vom jeweiligen Einsatzgebiet bestimmt. Je nachdem, welche Funktionseigenschaften zu erfüllen sind, werden Beschaffenheit, Füllmenge und flächenförmige Anordnung entsprechender Füllelemente und/oder Füllmaterialien zugeordnet. Als Füllelemente und/oder Füllmaterial können textile oder nichttextile Stränge, flexibel oder starr als Hohl- oder Vollprofil eingesetzt werden. Die Verwendung von Fasern, Granulat, Pellets oder andere riesel- bzw. schüttfähigen Materialien aus textilem und/oder nichttextilem Material ist ebenfalls möglich.
  • Eine sehr vorteilhafte Ausführung des Halbzeuges kann auch mit dem Einsatz von geometrischen Hohlkörpern erreicht werden. Derartige Füllkörper sind zweckmäßigerweise in der hohlraumbildenden Struktur zweier gegenüberliegender Trägervliesschichten verankert, die jeweils zwischen zwei verbindenden Faserbrücken im Halbzeug fixiert sind. Die Füllkörper können im Halbzeug neben einer homogenen Aufteilung über die gesamte Fläche auch reihen- oder inselförmig eingelagert werden. Die Anordnung von einzelnen Füllkörpern an bestimmten Bereichen, wie beispielsweise in den Randbereichen oder im Zentrum des Halbzeuges ist ebenfalls möglich.
  • So lässt sich beispielsweise mit dem Einsatz von strangförmigen Füllelementen, wie z.B. Fäden, Seile oder Stränge aus Metall oder Kunststoff, die in einem gespannten oder nichtgespannten Zustand im Halbzeug integriert werden, ein Halbzeug herstellen, das eine erhöhte Festigkeit in Längsrichtung besitzt.
  • Des weiteren können Verstärkungselemente in unterschiedlichen Mengen und Stärken besonders schonend zugeführt werden, welche durch die Verbundlagen geschützt und immobilisiert sind. Bei Herstellung von Verstärkungsstrukturen ergeben sich dadurch entscheidende Vorteile für die Weiterverarbeitung des Halbzeuges.
  • Durch die Einlagerung in den Hohlräumen (Gassen) kommt es beim Zuschnitt entsprechend der gewünschten Bauteilgeometrie nicht zum Verschieben oder Ausfransen von Verstärkungselementen (Fäden, Rovings). Gleiches ist für den Fall sichergestellt, dass mehrere Lagen übereinander gestapelt werden müssen (Laminieren), um beispielsweise multiaxiale, beanspruchungsgerechte Strukturen zu fertigen.
  • Durch eine gezielte Nachbehandlung der Halbzeuge, wie Tränken, Kaschieren, Beschichten oder dgl. sind deren Eigenschaften für konkrete Anwendungsbereiche weiter modifizierbar.
    •
  • 1. Ausführungsbeispiel
  • Das textile Halbzeug wird von einer dreidimensionalen Struktur gebildet, die aus mindestens zwei im Abstand zueinander verbundenen Flächengebilden gefertigt ist. Als Flächengebilde kommen Nadelvliesstoffe aus Polypropylenfasern mit einer Flächemasse von 120 g/m2 zum Einsatz. Die Schichtdicke eines Flächengebildes beträgt 3 mm. Die Verbindung der Nadelvliesstoffe erfolgt durch nahtartig angeordnete Faserbrücken, die aus Fasern der Nadelvliesstoffe gebildet sind. Der konstante Abstand zwischen den Nadelvliesstoffen beträgt 4 mm. Der theoretische Querschnitt der zwischen jeweils zwei Faserbrücken gebildeten Hohlräume beträgt 4 mm2. In den Hohlräumen sind Glas-Rovings von 2450 tex als Funktionselement integriert. Die Anordnung der Glas-Rovings erfolgt regelmäßig über die gesamte Fläche des Halbzeuges. Das textile Halbzeug besitzt eine Flächenmasse von 600 g/m2 und eine Schichtdicke von 8 mm.
  • 2. Ausführungsbeispiel
  • Die Struktur des textilen Halbzeuges entspricht der nach Ausführungsbeispiel 1. Als Flächengebilde werden Maliwatt-Nähgewirke verwendet, die aus Glasfaserschnitzel bestehen. Die Länge der Glasschnitzel beträgt 50 mm und einer Feinheit von 2400 tex. Die Maliwatt-Flächengebilde besitzen eine Flächenmasse von 900 g/m2 und eine Schichtdicke von 2,16 mm. Die Verbindung der Flächengebilde wird durch die zwischen den Flächengebilden angeordneten Faserbrücken aus Glasfasern realisiert. Die zwischen den Faserbrücken vorhandenen Hohlräume weisen einen theoretischen Querschnitt von 40 mm2 auf, in denen keine Funktionselemente vorhanden sind. Die Flächenmasse dieses textilen Halbzeuges besitzt eine Flächenmasse von 1600 g/m2 und eine Schichtdicke von 17 mm.

Claims (14)

  1. Textiles Halbzeug mit dreidimensionaler Struktur, welches als Basismaterial für faserverstärkte Werkstoffe mit beispielsweise thermoplastischen, duroplastischen bzw. anorganischen Matrixmaterialien kombiniert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Halbzeug aus einer Verbundstruktur (3) aus zwei Vliesstoffbahnen (1, 2) besteht, die in einem Abstand zueinander durch nahtartige Verbindungen (4) miteinander verbunden sind, so daß zwischen den Vliesstoffbahnen (1, 2) Hohlräume (5) und Faserbrücken (6) vorhanden sind, wobei in den Hohlräumen (5) Funktionselemente (7) angeordnet sind.
  2. Textiles Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliesstoffbahnen (1, 2) aus Spezialfasern, (z.B. Glasfasern, Kohlenstofffasern, Basaltfasern) bestehen.
  3. Textiles Halbzeug nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstoffe der Vliesstoffbahnen aus polymeren Faserstoffen (wie z.B. Polyesterfasern, Polyethylenfasern, Polypropylenfasern, Polyamidfasern, Aramidfasern) bestehen.
  4. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliesstoffbahnen aus Mischungen nach Anspruch 2 und 3 bestehen.
  5. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliesstoffbahnen (1, 2) voneinander unterschiedliche Faser- oder Querschnittsstruktur aufweisen.
  6. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Vliesschichten (1 oder 2) aus einem gewebten, gewirkten oder nach einem anderen Verfahren gefertigten Flächengebilde ersetzt wird.
  7. Textiles Halbzeug nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Vliesstoffbahnen (1, 2) variierbar ist.
  8. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei nahtartigen Verbindungen (4) gleich oder unterschiedlich ist.
  9. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Hohlräume (5) und Faserbrücken (6) zwischen den Vliesstoffbahnen (1, 2) variierbar ist.
  10. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die Hohlräume (5) eingebrachten Funktionselemente (7) textiler oder nicht textiler Natur sind, flexibel oder starr sind, hohl oder voll sind, streufähig (z.B. Pulver, Granulat) oder verfestigter Natur sind.
  11. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die nach Anspuch 10 beschriebenen Funktionselemente (7) in den Hohlräumen (5) vollständig ausfüllend angeordnet, regulär wiederholend angeordnet, variabel in ihrer Anordnung oder nicht vorhanden sind.
  12. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Hohlräumen (5) verschiedene/unterschiedliche nach Anspuch 10 beschriebene Funktionselemente (7) variabel angeordnet sind.
  13. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug ein- oder beidseitig zusätzlich mit textilen und/oder nichttextilen Bahnen, wie beispielsweise Gewebe, Gewirke, Gelege, Verbundstoffe oder Folien abgedeckt ist.
  14. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbundstruktur (3) mit Matrixmaterial vollständig, partiell oder nicht getränkt ist.
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