-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von
Kernmaterial welches bei Wabenmaterialien verwendet wird um dort
die Festigkeiten der Kernmaterialien zu erhöhen.
-
Stand der Technik
-
Wabenkernmaterialien
zur Herstellung von Schichtplatten nach 1 sind grundsätzlich
aus dem Stand der Technik bekannt. Bei diesen bekannten Verfahren
werden Kernmaterialien verwendet die aus papierartigen Faservlieslagen
hergestellt sind. Beispiele hierzu sind Kraftpapier aus Cellulose
gebildet, aber auch Faservlieslagen aus Glas-, Kohle-, Quarz- und
Keramikfasern. Ein häufig verwendetes Faservliesmaterial
zur Herstellung von Kernmaterial ist ein Poly (m-phenylenisophtalamid)
der Fa. DuPont de Nemours (USA) oder eine Mischung mit Poly (p-phenylenterephtalamid)
der Hersteller DuPont de Nemours (USA) oder AKZO Chemie Deutschland.
Diese Wabenkernmaterialien können bereits an sich für
eine Wabenherstellung eingesetzt werden, weisen aber nicht die gewünschten
hohen Festigkeiten bezüglich ihrer Zug-Druck- und Schubfestigkeitsverhalten
bei der Herstellung von Schichtplatten auf.
-
Um
die Festigkeiten der Schichtplatten zu erhöhen ist es bekannt,
das Wabenkernmaterial mit einem duroplastischen Harz zu beschichten.
Beispiele hierfür werden in der
DE-A-4003249 offenbart. Eine
weitere Festigkeitserhöhung verbunden mit einer höheren
Steifigkeit der Wabenstruktur wurde durch das Einmischen von unlöslichen
polymeren Teilchen aus thermoplastischen und/oder duroplastischen
Teilchen in den die wabenförmigen Zellen beschichteten
duroplastischen Harz in der
DE 696 10 830 T2 offenbart. Es wurde beschrieben,
dass die Aufnahme unlöslicher Polymerteilchen aus einer
großen Vielzahl von duroplastischen oder thermoplastischen
Polymeren ausgewählt werden kann. Beispielhafte Polymere
wie Polyolefin, Polyamid, Polyamid, Polyamidimid, Polyetherimid,
Polyester, Polysulfon, Polyarylensulfid, Polyethersulfon, Polycarbonat,
Polyketon und Polyetheretherketon und aus der Klasse der duroplastischen
Polymerteilchen die Epoxy, Cyanatester und Bis-Maleinimide dann
ausgewählt, und Einzeln oder in Kombination der Teilchen,
in den duroplastischen Basis-Beschichtungsharz eingemischt werden.
-
Das
zum Beschichten der Wabe verwendete Basisharz ist vorzugsweise ein
Phenolformaldehyd, Epoxy, Cyanatester oder Bis-Maleinimid-Harz.
Vorzugsweise wird ein Phenolformaldehydharz welches ein Resol- oder
Novolakharz sein kann, eingesetzt.
-
Für
diese Basisharze können als Lösungen oder Dispersionensmedien
Wasser, Aceton, Butanol, Ethylacetat, Ethanol und Toluol verwendet
werden. Lösungsmittel werden wie dem Fachmann bekannt in
ausreichender Menge beigegeben um eine Basisharzlösung
bereitzustellen die nach den bekannten Verfahren, leicht auf den
Wabenkern aufgebracht werden.
-
Die
dem Basisharz zugesetzten unlöslichen Polymerteilchen aus
einer überaus großen Anzahl von duroplastischen
und/oder thermoplastischen Polymeren ausgewählt, führen
wie die
DE 696 10
830 T2 lehrt, zwar zu einer Erhöhung der Schubfestigkeit
und des Schubmodul an den jeweils geprüften Schichtplatten,
die ermittelte Druckfestigkeit ist aber bei dem Wabenmaterial selbst,
oder bei den geprüften Schichtplatten im wesentlichen unverändert.
-
Die
beschriebenen Verfahren haben somit den wesentlichen Nachteil, dass
bei vielen Anwendungen von Schichtplatten die in der Luftfahrt-Transportfahrzeug-
und Schifffahrtindustrie gewünschte hohe Druckfestigkeit
verbunden mit einer hohen Schubfestigkeit und Schubmodul, nur ungenügend
erreicht wird.
-
Aufgabenstellung
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte und günstig
herstellbare Beschichtungsharze zu entwickeln die zu Verstärkung
der Wabenkernmaterialien benutzt werden können. Die neuen
Harzformulierungen sollen die Festigkeiten des Wabenkerns erhöhen,
um damit zumindest einen Teil der aus dem Stand der Technik bekannte
Nachteile, ausschließt.
-
Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die erfindungsgemäße
Wabenstruktur mit einem Überzug versehen ist der die Oberflächen
der einzelnen Wabenzellen bedeckt und die Festigkeiten der Wabenzellen erhöht.
Der Überzug kann aus einem duroplastischen Harz, oder ein
in Lösung gebrachter thermoplastischer Polymer bestehen,
in welchem Multi Wall Nano Tubes (MWNT) oder Single Wall Nano Tubes
(CNT) eingebracht sind. Die im Überzug eingebrachten MWNT
oder auch CNT sind nanoskalige Partikel.
-
Ein
besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es neben der Erhöhung
der mechanischen Eigenschaften eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit,
deutlich geringere Feuchtigkeitsaufnahme, bessere Medienbeständigkeit,
hervorragende elektrische Leitfähigkeit, bessere Schlag-
und Stoßfestigkeit, Frequenzabschirmung, Mikrowellen Absorption
und Transmission im G; C; J; X; P; K und Ka-Band, sowie eine hohe
Wärmeableitfähigkeit solcher, mit diesem Überzug
versehenen Wabenzellen zu erreichen.
-
Eine
Variante ist, dass die MWNT in einem zum Beschichten der Wabe eingebracht
werden, bei welchem das Basisharz ein duroplastische Harz vorzugsweise
ein Phenolformaldhydharz ist. Dabei kann dieses Harz ein Resol oder
Novolakharz sein.
-
In
einer weiteren bevorzugte Variante sind die MWNT in dem zum Beschichten
der Wabe verwendeten thermoplastischen Harz eingebracht. Diese in
Lösung gebrachten, thermoplastischen Basisharze aus Polymerwerkstoffe,
können folgende, beispielhafte Polymere umfassen wie Polyolefin,
Polyamid, Polyamid, Polyamidimid, Polyetherimid, Polyester, Polysulfon,
Polyarylensulfid, Polyethersulfon, Polycarbonat, Polyketon und Polyetheretherketon.
Verwendete Lösungsmittel hierzu sind beispielhaft Aceton,
NMP Essigsäure und DMF. Die Lösungsmittel werden
in ausreichender Menge zugegeben um eine Harzlösung bereitzustellen
die nach Zugabe der MWNT aber auch anderer beispielhaft angeführte
nanoskaligen Partikel wie Aluminium-Oxid, Antimon Zinn-Oxyd, Bismuth(III)-Oxid,
Kupfer(III)-Oxid, Indium Zinn-Oxid, Eisen(III)-Oxid, Zink-Oxid,
Silikon Carbide, Nanoclay(Montmorillonite Clay) und Bariumsulfat
in das Harz-Lösungsmittelgemisch dispergiert werden. Diese
nanoskaligen Partikel sind handelsüblich bei der Fa. Alfa
Aesar, Deutschland in Partikelgrößen von 10 bis
150 nm zu beziehen. Um eine Dispergierung der anorganischen Nanopartikel
mit den organischen Basisharzen zu erreichen kann aus einer großen
Vielzahl von Silanen wie 3-Aminopropyltriethoxysilane, 3-(2-Aminoethylamino)-propyl)trimethoxysilane,
3-(trimethoxysilyl)propylarylate, 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-Mercaptopropyltrimethoxysilane
und Methyltrimethoxysilane in Ethanol oder Wasser/Ethanol-Lösung
für eine Oberflächenfunktionalisierung, ausgewählt
werden. Gute Ergebnisse wurden ebenfalls mit Dispergier- und Titanatkupplungsreagenzien
erzielt.
-
Die
nanoskaligen Partikel liegen in einem Größenbereich
von 10 bis 150 nm. Die in einer bevorzugten Ausführungsform
verwendeten Partikel liegen im Bereich von 12 bis 100 nm.
-
Der
Anteil der anorganischen nanoskaligen Partikel kann im Bereich von
0.1 bis 40 Gewicht-% liegen. Vorzugsweise werden sie im Bereich
von 0.1 bis 5 Gewicht-% in das Basisharz eingerührt. Dispergier-
und Kupplungsreagenzien werden im Bereich von 1 bis 5%, Vorzugsweise
im Bereich von 4% eingerührt.
-
Der
nach dieser Erfindung hergestellte Wabenkern wird in aller Regel
zur Herstellung von Schichtplatten benutzt. Das Verkleben der vorzugsweise
hexagonalen Wabenzellen mit den gegenüberliegenden Deckschichten
ist hinreichend bekannt.
-
Ausführungsbeispiele
-
Die
erfindungsgemäß hergestellten Wabenkerne werden
analog mit den nach Werkstoff-Leistungsblatt WL 5.3650 geprüften
Werte verglichen. An den bei unterschiedlicher Dichte, aber mit
gleicher Zellweite der Wabe hergestellten Schichtplatten wurde jeweils
Druckfestigkeit sowie Schubfestigkeit und Schubmodul in (L) und
(W) Richtung ermittelt.
-
Eine
Polymerlösung aus Amid Imid und NMP wird im Verhältnis
20 Gew.-% AI-10 der Fa. Solvay Belgien in einem handelsüblichen
NMP von 80 Gew.-% durch Rühren gelöst. Die so
hergestellte thermoplastische Basisharzlösung dient als
Referenzwert für die geprüften mechanischen Eigenschaften
der Schichtplatte. Auf die unbeschichteten Wabenzellen wurde durch
Tauchen die Basisharzlösung aufgetragen und überschüssiges Harz
durch Druckluftbeaufschlagung entfernt. Die NMP-Lösung
wurde entfernt, indem die Wabenzellen nach einmaligem Tauchen 30
Minuten bei jeweils 170°; 210°; 240° und
60 Minuten bei 270° Celsius in einen Aushärteofen
gelegt wurden. Die Schichtplattenproben wurden analog der LN 29
967 hergestellt und mit dem WL 5.3650 verglichen.
| Dichte
kg/m*3 | 29 | 48 | 64 |
| Zellweite
mm | 3.2 | 3.2 | 3.2 |
| Druckfestigkeit
N/mm*2 | 0.9 | 2.6 | 4.9 |
| Schubfestigkeit
(L) N/mm*2 | 0.9 | 1.7 | 2.6 |
| Schubmodul
(L) N/mm*2 | 22.0 | 43.0 | 66.0 |
| Schubfestigkeit
(W) N/mm*2 | 0.4 | 0.9 | 1.4 |
| Schubmodul
(W) N/mm*2 | 12.0 | 26.0 | 37.0 |
-
In
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wurden 200 Gramm Amid-Imid mit 700 Gramm DMF in Lösung
gebracht und durch Rühren eine Polymerlösung hergestellt,
MWNT von insgesamt 8 Gramm (MWNT Durchmesser 80 bis 110 nm, Länge
der MWNT 2 bis 25 μm der Fa. CN 21, Korea) wurde nachträglich
mit 2 Gew.-% 1-Methoxy-2-propanol Polyaminamidsalz in Lösungsmittelnaphta
und 0.4 Gew.-% von einem weiteren Netz- und Dispergieradditive mit
Titanatkupplungsreagenzien in Isopropanol bei RT 2 Stunden eingerührt,
diese Reagenzien sind handelsüblich bei der Fa. Sura-Instruments
Deutschland, als Substanz zu beziehen. Mit dieser thermoplastischen
Basisharzlösung wurden auf die nach (0017) hergestellten
Schichtplattenproben, folgende Festigkeitswerte ermittelt
| Dichte
kg/m*3 | 29 | 48 | 64 |
| Zellweite
mm | 3.2 | 3.2 | 3.2 |
| Druckfestigkeit
N/mm*2 | 1.3 | 4.7 | 7.7 |
| Schubfestigkeit
(L) N/mm*2 | 1.6 | 3.1 | 4.7 |
| Schubmodul
(L) N/mm*2 | 39.6 | 77.4 | 118.8 |
| Schubfestigkeit
(W) N/mm*2 | 0.7 | 1.6 | 2.5 |
| Schubmodul
(W) N/mm*2 | 17.0 | 46.8 | 66.9 |
-
Überraschenderweise
zeigte der nach (0018) hergestellte thermoplastische Basisharz auch
nach sechs Monaten Lagerung kein Absetzen der MWNT. Die MWNT-Partikel
zeigen somit ein kontrolliert flokkulierendes Verhalten, d. h. MWNT-Partikel
sind zwar separiert aber auch durch die beigefügten Netz-
und Dispergieradditive in dem thermoplastischen Amid-Imid Basisharz,
assoziiert.
-
Bei
einem weiteren, erfindungsgemäßen Beispiel wird
in eine Phenolformaldehydresol-Harz Aceton Mischung wie aus dem
Stand der Technik bekannt ist, siehe dazu
Phenolic Resins
von A. Knop, Springerverlag Berlin 1985, nachträglich
eine nach (0018) hergestellte MWNT in einem Netz- und Dispergiermittel
2 Stunden bei RT eingerührt. In dieses Basisharz aus Phenolformaldehydresol
wurden Wabenzellen 30 Minuten bei 90° Celsius, 20 Minuten
bei 130° Celsius und 40 Minuten bei 180° Celsius
ausgehärtet. Folgende Festigkeitswerte wurden ermittelt
| Dichte
Kg/m*3 | 29 | 48 | 64 |
| Zellweite
mm | 3.2 | 3.2 | 3.2 |
| Druckfestigkeit
N/m*2 | 1.2 | 3.8 | 7.0 |
| Schubfestigkeit
(L) N/m*2 | 0.9 | 2.3 | 2.8 |
| Schubmodul
(L) N/m*2 | 39 | 75 | 96 |
| Schubfestigkeit
(W) N/m*2 | 0.6 | 1.2 | 1.6 |
| Schubmodul
(W) N/m*2 | 24 | 45 | 52 |
-
Bei
den angeführten Beispielen kann der Fachmann unschwer erkennen,
dass durch die Verwendung der in (0012) aufgeführten nanoskaligen
Partikel und der in Lösung gebrachten thermoplastischen
und duroplastischen Harze Änderungen, Anpassungen sowie
Modifikationen innerhalb der erläuterten Erfindung möglich
sind.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4003249
A [0003]
- - DE 69610830 T2 [0003, 0006]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Phenolic Resins
von A. Knop, Springerverlag Berlin 1985 [0020]