DE102008038295A1

DE102008038295A1 - Granulierung und Stabilisierung von Harzsystemen zur Verwendung bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen

Info

Publication number: DE102008038295A1
Application number: DE102008038295A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. Luinge; Oliver Meyer
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-08-18
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2010-02-25
Anticipated expiration: 2028-08-19
Also published as: US20100040886A1; DE102008038295B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein die Herstellung von Faserverbundbauteilen durch Infiltration eines Fasermaterials mit einem Kunstharz und nachfolgende Aushärtung. Um die erforderliche Bereitstellung eines flüssigen oder zähflüssigen Harzsystems zu verbessern, ist gemäß der Erfindung insbesondere eine Kunstharzgranulat (10, 12) sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung vorgesehen, umfassend den Schritt einer Stabilisierung des Kunstharzgranulats (10') durch Zugabe von Nanopartikeln (12'), die sich an der Oberfläche der Granulatpartikel (10) anlagern. Das somit blockfreie Granulat (10, 12) lässt sich gut handhaben, z. B. absacken, fließfördern und dosieren. Vorteilhaft haben die Nanopartikel keinen negativen Einfluss auf die Infiltrationseigenschaften des Harzes und auf die Bauteileigenschaften.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein die Herstellung von Faserverbundbauteilen, wie sie vor allem wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht) in vielen Anwendungsbereichen interessant sind.
Ein Faserverbundwerkstoff ist ein Mischwerkstoff, der im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten besteht, nämlich einer Matrix und darin eingebetteten Fasern. Bei der Matrix handelt es sich in der Regel um ein thermisch aushärtbares Kunstharz, gegebenenfalls mit speziellen Zusätzen (”Harzsystem”).
Insbesondere betrifft die Erfindung die Bereitstellung eines Harzsystems zur Infiltration eines Fasermaterials im Rahmen der Herstellung von Faserverbundbauteilen.
Bei bekannten Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen unter Einsatz eines Harzinfiltrationsverfahrens muss das im Hinblick auf die Haltbarkeit bevorzugt in fester Form bevorratete Kunstharz aufgeschmolzen und dosiert werden, um es in einer gut definierten Menge dem Infiltrationsvorgang zuzuführen.
Typische Lagerungstemperaturen von Kunstharzmaterial der hier interessierenden Art liegen oftmals unter 0°C, insbesondere um eine unerwünschte vorzeitige Vernetzung zu verhindern und die Haltbarkeitsdauer zu verlängern. Da das Kunstharz nicht mehrfach aufgewärmt (verflüssigt) werden sollte, weil es dadurch an Qualität verliert, sind die bekannten Aufschmelzverfahrens eines bei tiefer Temperatur gelagerten Kunstharzkörpers problematisch. Dies gilt auch dann, wenn das Kunstharz nur partiell aufgeschmolzen wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben erläuterte Problematik zu beseitigen, um die Herstellung von Faserverbundbauteilen im Hinblick auf die Bereitstellung eines flüssigen oder zähflüssigen Harzsystems zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung im Wesentlichen durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kunstharzgranulats nach Anspruch 1 bzw. ein nach diesem Verfahren hergestelltes Kunstharzgranulat gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kunstharzgranulats zur Verwendung für ein Harzinfiltrationsverfahren bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehen, umfassend den Schritt einer Stabilisierung des Kunstharzgranulats durch Zugabe von Nanopartikeln.
Ein derartiges Granulat, beispielsweise bestehend aus Granulatpartikeln mit Abmessungen im Millimeterbereich oder auch im Zentimeterbereich, lässt sich gut handhaben, z. B. absacken, fließfördern und dosieren. Es kann also insbesondere einem Harzinfiltrationsprozess in gut definierter Menge zugeführt werden. Die Stabilisierung (Blockfreiheit) des Granulats wird hierbei durch die Zugabe von Nanopartikeln realisiert, die sich an oder in den Oberflächen der Granulatpartikel anlagern und somit als Trennmittel fungieren. Vorteilhaft haben die Nanopartikel keinen negativen Einfluss auf die Infiltrationseigenschaften des Harzes und auf die Bauteileigenschaften.
Die Erfindung ermöglicht es, das Harz in gefrorenem Zustand als Granulat zu dosieren. Damit kann ein mehrfaches Aufwärmen des Materials vermieden werden. Die Granulierung und Stabilisierung kann z. B. unmittelbar bei der Herstellung des Harzes bzw. als letzter Schritt einer derartigen Herstellung vorgesehen sein. Das zur Verwendung für ein Harzinfiltrationsverfahren geeignete Kunstharzgranulat (z. B. Bruchstücke mit mittleren Ausdehnungen im Bereich von etwa 1–2 cm) kann in dieser Form z. B. in Säcke abgefüllt und bevorratet werden.
Die Zugabe der Nanopartikel zur Stabilisierung des Granulats ist in der Praxis von essentieller Bedeutung. Harzsysteme der hier interessierenden Art würden nämlich nach einem konventionellen Granulieren oftmals ein Granulat liefern, welches auch in gefrorenem Zustand (Lagerzustand) zu einer Verklebung bzw. Verklumpung neigt.
Dennoch kann die bei der Erfindung vorgesehene Granulierung als solche vorteilhaft nach an sich bekannten Verfahren bzw. unter Verwendung an sich bekannter ”Granulatoren” bewerkstelligt werden. Lediglich beispielhaft sei hierzu der so genannte Stranggranulator genannt, der im Bereich der Kunststofftechnik zur Zerkleinerung thermoplastischer Kunststoffstränge eingesetzt wird. Eine solche Vorrichtung arbeitet wie viele andere Granulatorkonstruktionen auf Basis einer mechanischen Zerkleinerung eines größeren Materialstücks durch Schneiden, Mahlen, Zerspanen etc.
Im Hinblick auf die Temperaturempfindlichkeit vieler bei der Faserverbundherstellung gebräuchlicher Kunstharze sind insbesondere so genannte ”Gefriergranulierverfahren” besonders interessant, bei denen der verwendete Granulator bzw. das damit verarbeitete Material aktiv gekühlt wird. Außerdem erlangen viele der hier interessierenden Kunstharze erst bei Temperaturen unter 0°C, insbesondere z. B. bei etwa oder unter –10°C eine zum mechanischen Zerkleinern durch Schneiden erforderliche Festigkeit.
Bevorzugt wird das Kunstharz mit einem Standardverfahren, wie es beispielsweise aus der Lebensmitteltechnik (z. B. für Spinat oder Soßen) bekannt ist, zu einem gefrorenen Granulat verarbeitet und dann mit den Nanopartikeln stabilisiert. Die sich an der Oberfläche der Granulatpartikel anlagernden Nanopartikel gewährleisten, dass das Granulat blockfrei bleibt.
Die Nanopartikel können als Pulver zugegeben werden. Insbesondere kann die Zugabe unmittelbar an einer Abgabestelle eines verwendeten Granulators erfolgen, an welcher ein Granulatpartikelstrom den Granulator verlässt. Gemäß einer Weiterbildung werden die Nanopartikel in einer Abgabepassage des Granulators zugegeben, beispielsweise mittels eines (z. B. gekühlten) Luftstromes injiziert, und durch die Bewegung der einzelnen Granulatpartikel in dieser Abgabepassage und/oder eine aktive Vermischung bzw. Verwirbelung in dieser Abgabepassage gleichmäßig verteilt. Damit kann eine entsprechend gleichmäßige Verteilung der Nanopartikel an der Granulatoberfläche bzw. in einer oberflächennahen Schicht des Granulatmaterials erzielt werden.
Für das bei der Erfindung zu verwendende Harzsystem kann vorteilhaft auf an sich bekannte Kunstharzzusammensetzungen zurückgegriffen werden. Insbesondere kommt ein Epoxid-, Polyester- oder Phenolharz in Betracht.
Die Erfindung ist vor allem für wärmehärtende Kunstharze interessant, deren Gelierung bereits bei Raumtemperatur oder etwas darüber liegenden Temperaturen nennenswert einsetzt. Ein Beispiel hierfür ist das unter dem Handelsnamen ”RTM6” vertriebene Kunstharz, bei welchem es sich um ein Epoxidharzsystem handelt, dessen Haltbarkeit bei Raumtemperatur auf etwa zwei Wochen begrenzt ist und welches bei einer Temperatur von 140°C in weniger als zwei Stunden geliert.
Die verwendeten Nanopartikel können insbesondere wenigstens annähernd sphärische Nanopartikel sein, beispielsweise mit einem mittleren Durchmesser im Be reich von etwa 5 bis 50 nm, weiter bevorzugt im Bereich von etwa 10 nm bis 20 nm.
Es hat sich herausgestellt, dass zur Erzielung des Vorteils der Blockfreiheit eine vergleichsweise geringe Menge an Nanopartikeln genügt. In einer Ausführungsform ist dementsprechend vorgesehen, dass die Nanopartikel in einer Menge von etwa 0,01 bis 1 Gew.-% zugegeben werden.
Die Nanopartikel können beispielsweise aus Kohlenstoff, einem Metalloxid, einem Halbleiter oder einem Metall bestehen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass Metalloxid-Nanopartikel zugegeben werden. Gute Ergebnisse wurden beispielsweise mit einem Pulver aus Silikat-Nanopartikeln erzielt (z. B. unter dem Handelsnamen ”Aerosil” vertriebenes Nanopartikel-Pulver auf Basis von amorphem Siliziumdioxid).
Die bei dem Verfahren hergestellten Granulatpartikel besitzen bevorzugt eine maximale Ausdehnung im Bereich von 1 mm bis 30 mm, weiter bevorzugt im Bereich von 5 mm bis 20 mm und werden bevorzugt unmittelbar nach ihrer Stabilisierung durch die Nanopartikel in Vorratsbehältnisse (z. B. Säcke) gefüllt.
Gemäß eines zweiten Aspekts der Erfindung ist ein Kunstharzgranulat zur Verwendung für ein Harzinfiltrationsverfahren bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehen, wobei das Kunstharzgranulat in der oben bereits beschriebenen Weise hergestellt ist bzw. Nanopartikel an der Granulatoberfläche und/oder in einer oberflächennahen Schicht umfasst.
Hinsichtlich der Art des Kunstharzes und der Art und Menge der Nanopartikel können die oben bereits erläuterten Besonderheiten bzw. speziellen Ausführungen vorgesehen sein. Insbesondere kann es sich um ein auf Basis eines Epoxidharzes hergestelltes Granulat handeln, welches mit sphärischen Metalloxid-Nanopartikeln eines Durchmessers von etwa 12 nm stabilisiert ist.
Vorteilhaft bleibt das Harzgranulat auch im gefrorenen Zustand (Lagerzustand) dosierbar. Die Nanopartikel dienen als Trennmittel und zeigen in bisherigen Studien keine negativen Auswirkungen auf die Eigenschaften des Harzes im Hinblick auf dessen Verwendung bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen.
Gemäß eines dritten Aspekts der Erfindung ist ein Harzinfiltrationsverfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehen, umfassend den Schritt eines Schmelzens von Kunstharzgranulat, welches in oben bereits beschriebener Weise hergestellt oder ausgebildet ist, um ein infiltrationsfähiges, d. h. hinreichend flüssiges oder zähflüssiges Kunstharzmaterial bereitzustellen.
Für die konkrete Gestaltung des Infiltrationsprozesses als solchem kann vorteilhaft auf die aus der Faserverbundtechnologie an sich bekannten Verfahren zurückgegriffen werden. Beispielhaft seien etwa folgende Standardverfahren genannt:
Spritzpressen (RTM, ”resin transfer moulding”), Vakuum-Infusion (z. B. VAP, VARI etc.) und deren Weiterentwicklungen (z. B. SLI, LRI, DP-RTM) etc.
Ein zu infiltrierendes Fasermaterial kann in Form von einzelnen Faserabschnitten während und/oder als Faserhalbzeug (z. B. Gewebe, Gelege, Geflechte, Fasermatten etc.) vor der Infiltration in ein geeignetes Werkzeug eingebracht werden. in einem solchen Infiltrationswerkzeug kann gegebenenfalls auch eine Formung sowie eine zumindest teilweise Aushärtung erfolgen. Bei Infiltration eines Epoxidharzes kann, je nach Harzbeschaffenheit, eine Aushärtung z. B. thermisch in einem Temperaturbereich etwa zwischen Raumtemperatur und 200°C erfolgen. In einem insbesondere bei der Herstellung von Bauteilen im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik üblichen Infiltrations- und Aushärtezyklus erfolgt die eigentliche Aushärtung typischerweise bei etwa 180°C +/– 5°C (für etwa 1, 5 bis 2 Stunden).
Gemäß eines vierten Aspekts der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehen, umfassend ein Harzinfiltrationsverfahren der vorstehend beschriebenen Art.
Dieses Verfahren unterliegt keinen besonderen Einschränkungen hinsichtlich der Art des verwendeten Fasermaterials (z. B. einzelne Fasern, Rovings, flächige Faserhalbzeuge etc.) sowie hinsichtlich der Art des verwendeten Harzsystems (Matrix). Beispielsweise können Kohlenstofffasern, Glasfasern, synthetische Kunststofffasern, Stahlfasern oder Naturfasern vorgesehen sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem hergestellten Faserverbundbauteil um ein in der Fahrzeugtechnik oder der Luft- und Raumfahrttechnik einzusetzendes Strukturbauteil.
Lediglich beispielhaft seien hierzu Verstärkungsprofile (wie z. B. T-Träger) und flächige (schalenartige) Strukturbauteile genannt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
1 eine schematische Darstellung einer Herstellung eines Kunstharzgranulats, und
2 eine schematische Darstellung einer Verwendung eines Kunstharzgranulats.
1 veranschaulicht die Herstellung und Abfüllung eines Kunstharzgranulats 10, 12.
Hierfür wird ein größerer Materialblock bzw. Materialstrang oder Materialstrangabschnitt 10'' eines Kunstharzes einem Granulator 20 zugeführt (Pfeil A).
Der Granulator 20 liefert abgabeseitig einen Granulatpartikelstrom 10', welchem mittels einer Pulverdosiereinrichtung 30 ein Nanopartikelstrom 12' beigemischt wird. Durch Anlagerung der Nanopartikel 12' auf der Oberfläche und/oder in der Grenzschicht der Oberfläche des Harzgranulats 10' entsteht ein stabilisiertes (blockfreies bzw. gut schüttfähiges) Granulat bestehend aus Kunstharzpartikeln 10, beispielsweise mit einer Ausdehnung im cm-Größenbereich, und oberflächlich daran angelagerten bzw. eingelagerten Nanopartikeln 12, beispielsweise mit einer Ausdehnung von einigen nm.
Das somit stabilisierte Kunstharzgranulat 10, 12 wird z. B. mittels einer Fördereinrichtung in einzelne Portionen konfektioniert und jede Portion in ein Vorratsbehältnis eingefüllt (Pfeil B). Bei dem Vorratsbehältnis kann es sich z. B. um einen Vorratssack 40 handeln.
Der gesamte in 1 dargestellte Herstellungs- und Abfüllungsprozess erfolgt unter Kühlung des verarbeiteten Kunstharzes 10'', 10' bzw. 10, dessen Temperatur über den gesamten Prozess unter 0°C gehalten wird (z. B. unter –10°C). Das zugeführte (Pfeil A) und das abgeführte (Pfeil B) Material besitzt im dargestellten Beispiel eine Temperatur von etwa –20°C.
Die somit mit dem Granulat 10, 12 gefüllten Vorratssäcke können vorteilhaft als gut handhabbare Vorratseinheiten zur Bereitstellung von Kunstharz dienen, welches bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen, insbesondere unter Einsatz eines Harzinfiltrationsverfahrens, benötigt wird. Besonders vorteilhaft kann das Granulat 10, 12 in einfacher Weise bedarfsgerecht einem Infiltrationsprozess zugeführt werden. Eine derartige Verwendung wird unten mit Bezug auf 2 beschrieben.
In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgen die Schritte der Granulierung und Stabilisierung unmittelbar im Anschluss an die Herstellung des betreffenden Kunstharzes. Die Herstellung von Kunstharzen erfolgt üblicherweise in flüssiger Phase, so dass, abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel, auch eine Gefriergranuliereinrichtung zum Einsatz kommen könnte, welcher das Kunstharz (unmittelbar aus dem Herstellungsprozess kommend) in flüssiger Form zugeführt wird, wobei die Verfestigung und Stabilisierung dann in einem einzigen Prozessschritt erfolgen. Bei dieser Variante erübrigen sich die Schritte einer Bildung eines festen Kunstharzes (durch Abkühlung) und eines späteren Aufschmelzens.
2 zeigt einen beispielsweise mittels des in 1 dargestellten Verfahrens bereitgestellten Vorratssack 40 enthaltend Kunstharzgranulat 10 mit Nanopartikeln 12 an der Granulatoberfläche.
Das stabilisierte Granulat 10, 12 wird in aktuell benötigter Menge (dosiert) einem Extruder 50 zugeführt (Pfeil C), welcher ein Aufschmelzen des Kunstharzes bewirkt und zähflüssiges Kunstharzmaterial abgibt.
Der Aufschmelzprozess beeinträchtigt vorteilhaft nicht das gegebenenfalls im Vorratssack 40 verbleibende Granulatmaterial.
Schließlich wird das vom Extruder 50 (oder einer anderen Aufschmelzvorrichtung) abgegebene Kunstharz in ein Werkzeug 60 eindosiert (Pfeil D). Bei dem Werkzeug 60 kann es sich z. B. um ein Formwerkzeug handeln, in welches zuvor z. B. ein mit dem Kunstharz zu infiltrierendes Fasermaterialhalbzeug (nicht dargestellt) eingelegt wurde. Nach Infiltration mit dem Kunstharz, gegebenenfalls Formung, und Aushärtung entsteht in an sich bekannter Weise das gewünschte Faserverbundbauteil (nicht dargestellt). Eine solche Formung und gegebenenfalls auch die Aushärtung können im gleichen Werkzeug 60 durchgeführt werden. Alternativ wird für diese Prozessschritte wenigstens ein weiteres Werkzeug verwendet.
Zusammenfassend ist die vorliegende Erfindung vorteilhaft einsetzbar bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen durch Infiltration eines Fasermaterials mit einem Kunstharz und nachfolgende Aushärtung. Um die erforderliche Bereitstellung eines flüssigen oder zähflüssigen Harzsystems zu verbessern, ist insbesondere ein Kunstharzgranulat sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung vorgesehen, umfassend den Schritt einer Stabilisierung des Kunstharzgranulats durch Zugabe von Nanopartikeln, die sich im Bereich der Oberfläche der Granulatpartikel anlagern.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kunstharzgranulats (10, 12) zur Verwendung für ein Harzinfiltrationsverfahren bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils, umfassend den Schritt einer Stabilisierung des Kunstharzgranulats (10') durch Zugabe von Nanopartikeln (12').
Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines Epoxidharzgranulats (10, 12).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Nanopartikel (12') in einer Menge von etwa 0,01 bis 1 Gew.-% zugegeben werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Metalloxid-Nanopartikel (12') zugegeben werden.
Kunstharzgranulat (10, 12) zur Verwendung für ein Harzinfiltrationsverfahren bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils, umfassend Nanopartikel (12) im Bereich der Granulatoberfläche.
Kunstharzgranulat (10, 12) nach Anspruch 5, ausgebildet als Epoxidharzgranulat.
Kunstharzgranulat (10, 12) nach Anspruch 5 oder 6, enthaltend 0,01 bis 1 Gew.-% an Nanopartikeln (12).
Kunstharzgranulat (10, 12) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, enthaltend Metalloxid-Nanopartikel (12).
Harzinfiltrationsverfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, umfassend den Schritt eines Schmelzens von Kunstharzgranulat (10, 12) nach einem der Ansprüche 5 bis 8 zur Bereitstellung eines infiltrationsfähigen Kunstharzmaterials.
Harzinfiltrationsverfahren nach Anspruch 9, ausgebildet als RTM-Verfahren oder als ein Vakuum-Infusionsverfahren.
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, umfassend ein Harzinfiltrationsverfahren nach Anspruch 9 oder 10.
Verfahren nach Anspruch 11, zur Herstellung eines Strukturbauteils im Bereich der Fahrzeugtechnik oder Luft- und Raumfahrttechnik.