DE102010008370A1

DE102010008370A1 - Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Halbzeugs aus Faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102010008370A1
Application number: DE102010008370A
Authority: DE
Inventors: Gerald 07407 Ortlepp; Thomas Dr. 07407 Reußmann; Renate Dr. 07426 Lützkendorf
Original assignee: Thueringisches Institut fuer Textil und Kunststoff Forschung eV
Current assignee: SGL Automotive Carbon Fibers GmbH and Co KG
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2011-08-18
Also published as: CA2789837A1; CN102869485A; WO2011101094A1; ES2653952T3; JP2013519546A; EP2536546B1; BR112012020713A2; US9896784B2; PT2536546T; KR20120123705A; PL2536546T3; US20160362817A1; EP2536546A1; US20130210298A1; KR101434077B1; WO2011101094A4; JP5901540B2; MX2012009461A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Halbzeugs aus Faserverbundwerkstoff, welches Karbonfasern und wenigstens ein thermoplastisches Matrixmaterial enthält, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man aus karbonfaserhaltigen Abfällen oder Altteilen Karbonfasern isoliert, diese mit thermoplastischen Fasern vermischt, in einem Krempelprozess flächig ablegt und ausrichtet, so dass ein Faserflor mit einer gezielten Orientierung der Fasern (in Längsrichtung) erzeugt wird, den man in wenigstens einem nachfolgenden Schritt unter Wärmeeinwirkung zu einem Plattenmaterial verpresst. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, Karbonfasern beispielsweise aus textilen Produktionsabfällen, verklebten oder ausgehärteten Produktionsabfällen, aus aufbereiteten Alt-CFK-Bauteilen oder dergleichen als Verstärkungsfasern einzusetzen, womit ein kostengünstigeres Ausgangmaterial zur Verfügung steht und die in den genannten Altstoffen enthaltenen Karbonfasern erneut einer sinnvollen Verwendung zugeführt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Halbzeugs aus Faserverbundwerkstoff, welches Karbonfasern und wenigstens ein thermoplastisches Matrixmaterial enthält.
Karbonfasern werden als Faserverstärkung von thermoplastisch oder duromer gebundenen Faserverbundwerkstoffen (FVW) eingesetzt. Zur Erreichung maximaler Verstärkungseffekte geschieht dies bislang überwiegend in Form endloser Karbonfaserstoffe wie zum Beispiel Filamentgarne, Multifilamentgarne oder so genannter Rowings. Karbonfasern werden hingegen als Schnittfasern mit endlichen Faserlängen beispielsweise im Bereich von 20 mm bis 80 mm, wie sie aus dem Bereich der klassischen Textilverarbeitung bekannt sind, nicht am Markt angeboten, auch weil sie problematischer zu verarbeiten sind.
Karbonfaserstoffe werden seit einigen Jahren in zunehmenden Umfang als hochleistungsfähige Faserstoffbewehrung eingesetzt. Die Hauptanwendungen liegen beispielsweise im Flugzeugbau, Schiffbau, Fahrzeugbau und in Windkraftanlagen. Durch die immer breitere Massenanwendung nimmt die Menge an karbonfaserhaltigen Produktionsabfällen zu ebenso wie der Anfall ausgedienter Altteile. Karbonfasern sind aufgrund ihres komplizierten Herstellungsprozesses sehr teuer. Die Preise bewegen sich zwischen etwa 15 EUR/kg bis zu etwa 300 EUR/kg für Spezialtypen. Aus wirtschaftlichen und umweltpolitischen Gründer ist es daher wünschenswert, Möglichkeiten zur Aufbereitung der Abfälle und Altteile zu schaffen und die darin enthaltenen Karbonfaseranteile neuen Anwendungen zuzuführen, in denen sie zumindest teilweise teure Primärkabonfasern ersetzen können.
Obwohl es in der Industrie bereits Versuche gegeben hat, karbonfaserhaltige Produktionsabfälle wiederzuverwerten, indem Abfälle geschnitten und/oder gemahlen werden und beispielsweise zur Bewehrung in Kunststoffen oder Baustoffen eingesetzt werden, wird bislang überhaupt nur ein kleiner Teil dieser Abfälle gesammelt und vermarktet. Für große Mengen karbonfaserhaltiger Abfälle gibt es bislang keine hochwertige Wiederverwertung, so dass sie als Müll entsorgt werden müssen.
Die Herstellung von primären Karbonfasern erfolgt nach dem Stand der Technik üblicherweise entweder aus geeigneten organischen Vorläuferfasern wie beispielsweise Polyacrylnitril (PAN) oder Viskosefasern durch kontrollierte Pyrolyse oder aus Pech, wobei in diesem Fall durch Schmelzspinnen zunächst eine Pechfaser hergestellt wird, die dann oxidiert und karbonisiert wird. Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise aus der EP 1 696 057 A1 bekannt. Dort werden die aus Pech hergestellten Primärfasern zu Stapelfasermatten verarbeitet, in denen die Fasern eine Ausrichtung in einer bevorzugten Richtung haben. Das bekannte Verfahren umfasst unter anderem einen Kämmprozess zur Parallelisierung der Fasern. Hier wird jedoch aus einem Karbonfaserflor letztlich ein Garn und somit ein linienförmiges Endprodukt hergestellt.
Grundsätzlich ist es aus dem Stand der Technik bekannt, ein bahnförmiges konsolidiertes Halbzeug aus einem Hybridband herzustellen, in dem Verstärkungsfasern endlicher Länge und thermoplastische Matrixfasern enthalten sind. In der DE 101 51 761 A1 wird ein derartiges Verfahren beschrieben, bei dem zunächst ein Kardenband aus thermoplastischen Matrixfasern und Naturfasern hergestellt wird, welches dann einen Speicher, eine Führung und schließlich eine Legeeinheit durchläuft. Nach Erwärmung in einer Heizstrecke und Konsolidierung wird ein bahnförmiges Halbzeug erhalten. In dieser Schrift wird auch erwähnt, dass anstelle der Naturfasern auch Kohlefasern als Verstärkungsfasern verwendet werden können.
Die WO 94/09972 A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Verbundmaterialien mit gerichteten diskontinuierlichen Verstärkungsfasern bei dem durch Kardieren einer Mischung aus thermoplastischen Fasern und Verstärkungsfasern zunächst eine Faserstoffbahn und daraus ein Faserband hergestellt wird. Es werden dann mehrere Faserbänder miteinander verschmolzen zur Herstellung einer kontinuierlichen thermoplastischen Phase, welche dann die diskontinuierlichen Verstärkungsfasern umgibt. In dieser Schrift wird auch die Verwendung von Karbonfasern als Verstärkungsfasern erwähnt, wobei es sich jedoch um herkömmliche Karbonfasern aus primärer Herstellung handelt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Halbzeugs aus Faserverbundwerkstoff der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei dem kostengünstiger erhältliche Karbonfasern als Verstärkungsfasern eingesetzt werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass man aus karbonfaserhaltigen Abfällen oder Altteilen Karbonfasern isoliert, diese mit thermoplastischen Fasern vermischt, in einem Krempelprozess flächig ablegt und ausrichtet, so dass ein Faserflor mit einer gezielten Orientierung der Fasern (in Längsrichtung) erzeugt wird, den man in wenigstens einem nachfolgenden Schritt unter Wärmeeinwirkung zu einem Plattenmaterial verpresst.
Erfindungsgemäß wird bevorzugt eine möglichst homogene Mischung aus thermoplastischen Bindefasern und endlichen Karbonfasern durch einen Krempelprozess zu einer Fasermatte verarbeitet, die Karbonfasern werden mehr oder minder gezielt orientiert, Anteile der thermoplastischen Fasern werden durch Hitze in einen klebenden Zustand gebracht, verdichtet, zu einer Plattenware verpresst und danach abgekühlt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, Karbonfasern beispielsweise aus textilen Produktionsabfällen, verklebten oder ausgehärteten Produktionsabfällen, aus aufbereiteten Alt-CFK-Bauteilen oder dergleichen als Verstärkungsfasern einzusetzen, womit ein kostengünstigeres Ausgangmaterial zur Verfügung steht und die in den genannten Altstoffen enthaltenen Karbonfasern erneut einer sinnvollen Verwendung zugeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit in vorteilhafter Weise nicht auf geschnittene Gewebereste als Ausgangsmaterial beschränkt. Andere in wesentlich größeren Mengen anfallende Abfallformen wie Gelege, Geflechte, Stacks, verklebte Mehrschichthalbzeuge bis hin zu ausgehärteten CFK-Resten und Altteilen können als Quelle für daraus isolierte Karbonrecyclingfasern dienen und sind in diesem Verfahren ebenfalls einsetzbar. Gleiches gilt für Recyclingfasern, die aus eigenständigen Prozessen wie dem Reißen, einer Hammermühlenbehandlung oder einem thermisch/chemischen Aufbereitungsverfahren resultieren. Sie lassen sich aufgrund ihres hohen Zerfaserungsgrades bis zu den Einzelfasern und der vorliegenden Wirrlage und Faserverschlingungen mittels herkömmlicher Verfahren nicht gezielt und definiert orientieren. Das vorliegende Verfahren ermöglicht dies jedoch und lässt es daher zu, auch Fasern solcher Herkunft flächenmassegleichmäßig zu einem Prepreg zu verarbeiten.
Wenn es sich um Karbonabfälle oder Altteile handelt, die mit klebenden Harzen imprägniert sind, oder um CFK-Bauteile oder Bauteilreste, bei denen die Karbonfasern in einem Festkörperverbund eingebettet sind, werden die Karbonfasern zunächst von störenden Matrixsubstanzen befreit. Hierzu können beispielsweise Pyrolysetechniken eingesetzt werden oder die Abfälle werden mit überkritischen Lösungsmitteln behandelt. Als Produkt aus diesen Trennprozessen resultieren endliche Karbonfasern.
Ein bevorzugtes Merkmal des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass man als Ausgangsmaterial mindestens einen Anteil an Karbonfasern einsetzt, die aus der Aufbereitung textilartiger Karbonabfälle und/oder aus dem stofflichen Recycling von CFK-Bauteilen hervorgegangen sind sowie gegebenenfalls einen Anteil an geschnittenen Primärfasern (Neuware).
Zunächst erzeugt man mindestens eine Schicht aus endlichen Karbonfasern durch flächiges Ablegen von endlichen Karbonfasern in einem Krempelprozess. Anders als im Stand der Technik stellt man nicht zunächst ein Kardenband her, sondern man verarbeitet eine in eine Krempelanlage einlaufende Faserschicht unmittelbar zu einem dünnen und massegleichmäßigen Faserflor.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung geht man so vor, dass man eine weitgehend homogene Mischung aus thermoplastischen Wirrbindefasern und endlichen Karbonwirrfasern und/oder ungeordnet vorliegenden Karbonfaserbündeln durch einen Krempelprozess ausrichtet, zu einer Fasermatte verarbeitet, mindestens Anteile der thermoplastischen Fasern durch Wärme in einen klebenden Zustand bringt, verdichtet und zu einem Plattenmaterial verpresst und danach abkühlt.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Karbonfasern weisen bevorzugt eine mittlere Faserlänge von 10 mm bis 150 mm, vorzugsweise von 25 mm bis 150 mm, auf. Bei Einsatz sehr kurzer Karbonfasern mit einer mittleren Faserlänge von 10 mm bis 15 mm wird die Krempelbarkeit durch einen notwendigen Anteil längerer Trägerfasern bestimmt. Hierbei gilt, je kürzer die Karbonfasern in einem umso größeren Anteil sollten zusätzlich längere Trägerfasern der Krempel mit zugeführt werden. Dies können einerseits längere Karbonfasern als auch längere nicht auf Karbon basierende Fremdfasern sein.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung gibt es verschiedene bevorzugte Möglichkeiten, die Karbonfasern mit dem thermoplastischen Matrixmaterial zu vermischen. Beispielsweise kann man am Eingang einer Krempelanlage Karbonfasern und thermoplastische Fasern jeweils als gesonderte Schicht zuführen und diese in der Krempel mischen.
Man kann beispielsweise eine thermoplastische Komponente in Form endlicher Fasern mit den Karbonfasern vor oder während einer Schichtbildung innig und homogen miteinander vermischen.
Man kann auch beispielsweise einzelne Faserkomponenten, nämlich Karbonfasern, thermoplastische Matrixfasern und gegebenenfalls weitere Fasern anderer Zusammensetzung jeweils sortenrein in unterschiedlichen Schichten als Faserflore oder Vliesstoffbahnen übereinander flächig ablegen und Maßnahmen treffen, um eine ausreichende Durchdringung aller Schichten durch die thermoplastische Matrixkomponente und eine kompakte Verbindung der Schichten untereinander nach der thermischen Verfestigung zu erzielen.
Bevorzugt ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass man eine Mischung aus Karbonwirrfasern und thermoplastischen Bindefasern durch einen eigenständigen Fasermischprozess vor der Mattenherstellung oder durch einen Fasermischprozess während der Mattenbildung erzeugt.
Ein erfindungsgemäßes Halbzeug kann beispielsweise auch neben Karbonfasern aus karbonfaserhaltigen Abfällen oder Altteilen einen Anteil an Karbonfasern in Form endlicher Primärware (Neuware) enthalten. Ebenso kann dieses plattenförmige Halbzeug beispielsweise auch neben Karbonfasern weitere verstärkend wirkende Faseranteile in endlicher Form, insbesondere Para-Aramid, Glasfasern, Naturfasern, nicht schmelzende Chemiefasern und/oder höher als die Matrixfasern schmelzende Fasern enthalten.
Als Techniken zur Herstellung erfindungsgemäßer insbesondere masse- oder volumengleichmäßiger karbonfaserhaltiger Flächengebilde können je nach der Art der einzusetzenden endlichen Karbonfasern, vorrangig in Abhängigkeit zu vorliegender Faserlänge, Faserlängenverteilung, beispielsweise an sich bekannte Trockentechniken wie das Vlies-Krempeln verwendet werden. Karbonfaserausgangsmaterial für das Verfahren sind beispielsweise:

– zerkleinerte Primärfasern,
– zerkleinerte und/oder zerfaserte Gelege-, Gewebe-, oder Geflechtreste,
– zerkleinerte und/oder zerfaserte Fadenabfälle, Randbeschnitt aus der Gelegefertigung oder Restspulenmaterial,
– zerkleinerte und/oder zerfaserte und/oder thermisch oder mit einem Lösungsmittel vorbehandelte Prepregabfälle oder
– zerkleinerte und/oder zerfaserte und thermisch oder mit einem Lösungsmittel behandelte harzhaltige Abfälle, Hart-CFK-Teile und Altbauteile.

Nachfolgend werden beispielhaft konkretere und bevorzugte Ausgestaltungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert.
Faserförmige Zumischanteile wie die später bindend wirkenden thermoplastischen Faserstoffe können beispielsweise in einem eigenständigen Prozessschritt vor der Schichtbildung z. B. über eine textile Fasermischstraße oder unmittelbar während der Schichtbildung z. B. in einer Krempel innig homogen mit den Karbonfasern vermischt werden. Beispielsweise mittels einer textilen Krempel die bezüglich ihrer Walzenbeschläge an die Verarbeitung von Karbonfasern angepasst und die gegen den Austritt elektrisch leitfähiger Karbonfaserstäube nach außen abgeschottet ist, werden die Karbonfasern in einer innigen und homogenen Mischung zu einem flächenmassegleichmäßigen Faserflor verarbeitet. Dieser Faserflor mit Flächenmassen von bevorzugt etwa 15 bis 60 g/m² wird beispielsweise in einem nachfolgenden Täfelprozess bis zur gewünschten Endflächenmasse des thermisch verfestigten Halbzeuges mit Längs- oder Quertäfler getäfelt oder durch das Übereinanderfahren einer Anzahl von n Floren von n in Reihe arbeitenden Krempeln erreicht.
Über die Parameter der Florflächenmasse, die aus der Krempel ausgetragen wird, und den Täfelprozess kann die Flächenmasse der Florschichtung definiert eingestellt werden. Über die Wahl der Krempelparameter, insbesondere das Verhältnis von Fasereinlaufgeschwindigkeit und Floraustragsgeschwindigkeit lassen sich unterschiedliche Faserlängsorientierungen im Krempelflor erzielen. Diese Einstellung an der Krempel und/oder ein zusätzlich nachfolgendes Vliesstrecken eines vorher getäfelten oder mehrfach doublierten Krempelflores lassen einen solchen Grad der Faserausrichtung entstehen, dass in einer daraus hergestellten FVW-Platte mit Thermoplastmatrix, beispielsweise Polypropylenmatrix, gezielt Anisotropien der Verbundfestigkeiten und/oder Verbundsteifigkeiten in einem Bereich von insbesondere 1:1,5 bis 1:10, vorzugsweise 1:2 bis 1:7 eingestellt werden können.
Die Herstellung einer solchen FVW-Platte erfolgt dabei zum Beispiel nach folgenden Vorgaben:

– Stanzen von Krempelfloren bestehend aus einer Mischung von Karbonfasern und Polypropylenfasern in Stücken von x cm Länge und y cm Breite, die beispielsweise auch quadratisch sein können;
– überschreitet der Karbonfaseranteil im Krempelflor etwa 40% erfolgt bevorzugt ein zusätzliches Ausstanzen von PP-Folie in Stücken von etwa gleicher Länge und Breite
– es werden mehrere Schichten der Karbonkrempelflore übereinander gelegt, wobei die Flore in gleicher Laufrichtung übereinander abgelegt werden. Übersteigt der Karbonanteil im Krempelflor etwa 40%, werden bevorzugt die zusätzlich ausgestanzten PP-Folien, beginnend auf Ober- und Unterseite, bei Erfordernis zusätzlich alternierend zwischen den Krempelflorschichten eingelegt;
– Verpressen dieses so gebildeten Sandwiches in einer Plattenpresse bei Temperaturen von beispielsweise etwa 200°C und bei einem an der Presse eingestellten Druck von beispielsweise etwa 400 N/cm²;
– nach dem Abkühlen werden aus dem CF/PP-Verbund bevorzugt rechteckige Probenkörper, einmal längs und einmal im 90°-Winkel zur Faserorientierung geschnitten, wobei daran beispielsweise die Zugspannungen in [MPa] und der Zug-E-Modul [GPa] ermittelt werden können;
– wobei ein Quotient aus den beiden Mittelwerten von beispielsweise jeweils mindestens 5 Einzelmessungen der Zugspannungen und/oder des Zug-E-Moduls in Krempellaufrichtung und quer zur Krempellaufrichtung die Anisotropie ergibt.

Nach den Prozessschritten Fasermischen, Krempeln, Täfeln/Doublieren, erforderlichenfalls Vliesstrecken, kann dieses lose flächige, masse- und mischungsgleichgleichmäßige Fasergelege aus endlichen, gerichteten Karbonfasern und textilen Thermoplastfasern so stark aufgeheizt werden, dass die Thermoplastfasern erweichen oder schmelzen, anschließend kann über Pressdruck kompaktiert, und unter Druck oder ohne zusätzlichen äußeren mechanischen Pressdruck abkühlend verfestigt werden. Die so herstellbare Bahnenware kann beispielsweise anschließend aufgewickelt, zu Platten geschnitten oder in unregelmäßig flächige Formen gestanzt werden.
Bevorzugt bestimmt der Anteil der Thermoplastkomponente die erreichbare Kompaktheit des Produktes. Technologische Grenzen des Anteils von thermoplastischen Fasern in den Karbonfasern bestehen nicht. Aus Produktsicht wird sich die Anwendung im Bereich von 5 bis 95% Karbonfaseranteil, vorzugsweise im Bereich von 30% bis 60% Karbonfasern bewegen.
Neben den Karbonfasern können weitere endliche Faserstoffe wie beispielsweise Naturfasern, para-Aramidfasern, Glasfasern, Keramikfasern oder Polyacrilnitrilfasern in den Verfahrensprozess einfließen. Diese werden analog der Thermoplastfasern vor dem Krempeln oder während des Krempelns innig und homogen miteinander gemischt.
Das innig homogene Mischen an der Krempel erfolgt bevorzugt dadurch, dass der Krempel eine flächenmassegenaue und flächenmassekonstante Faserschichtung zugeführt wird, in der die in der Krempel zu mischenden unterschiedlichen Faserstoffe als übereinander liegende flächenmassegenaue und flächenmassekonstante Faserschichten zugeführt werden. Derartige flächenmassegenaue und flächenmassekonstante Schichtungen können beispielsweise durch das Übereinanderfahren von Faserschüttungen aus in Reihe geschalteten konventionellen Krempelspeisungen wie beispielsweise Füllschächte, Faserspeiser oder über gering verfestigte, separate Vliesstoffschichten erfolgen. Die faserstoffliche Zusammensetzung der einzelnen Schichten kann jeweils unterschiedlich sein, wobei einzelne Schichten bereits aus einer definierten Mischung unterschiedlicher Faserstoffe bestehen können.
Die durch einen derartigen Krempelprozess erzeugbaren Faserflore mit gerichteten Karbonfasern können beispielsweise nach dem Krempelprozess zusätzlich mit bekannten Verstärkungsstrukturen aus Endlosfaserstoffen wie beispielsweise Fäden, Rovings, Gelegen, Geweben, Gittern, Geflechten und Gestricken stofflich kombiniert werden, die im thermischen Verfestigungsprozess mit den Faserflorschichten der Krempel verbunden ein Halbzeug für Faserverbundwerkstoffherstellung mit Thermoplastmatrix bilden.
Entsprechend den vorliegenden Karbonfaserlängen können diese direkt in den Prozess der Schichtbildung einfließen oder zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit weiter zerkleinert und/oder beispielsweise mit einer Schlichte, haftvermittelnden Substanzen oder anderen im späteren Kunststoff wirksam werdenden zusätzlichen Mitteln wie Flammhemmern, Farbstoffen, Entformungshilfen oder Tribologiehilfsmittel ausgerüstet bzw. gemischt werden. Weiter ist es möglich, zu den Karbonfaserstoffen zusätzlich funktionell wirkende Fremdfaserstoffe beispielsweise zur Schlagzähmodifizierung oder mechanischen Verstärkung wie para-Aramid, Glasfasern, Naturfasern oder nichtschmelzende Chemiefasern bzw. höher als die Matrixfaser schmelzende Fasern zuzumischen. Faserförmige Zumischanteile wie die später bindend wirkenden thermoplastischen Faserstoffe können in einem eigenständigen Prozessschritt vor der Schichtbildung, z. B. über eine textile Fasermischstraße, oder unmittelbar während der Schichtbildung, z. B. in einer Krempel, mit den übrigen Faseranteilen innig und möglichst homogen vermischt werden. Nutzt man die Möglichkeiten einer Systemmischung, werden die einzelnen Faserkomponenten sortenrein beispielsweise in unterschiedlichen Schichten als Faserflore oder Vliesstoffbahnen übereinander abgelegt. Wichtig ist hier, dass die thermoplastische Bindekomponente alle Schichten ausreichend durchdringt, um so nach der thermischen Verfestigung eine kompakte Verbindung aller Schichten untereinander sicherzustellen. Erreicht werden kann dies durch eine homogene Mischung aller Komponenten untereinander, mit beispielsweise einem alternierenden Aufbau dünner Schichten mit Thermoplast und Verstärkungskomponente oder beispielsweise durch ein intensives Durchstechen von thermoplastischen Bindefasern durch die Karbonfaserschicht mit einem Vernadelungsvorgang. Bei dünnen Schichten oder einer guten Durchtränkbarkeit mit thermoplastischer Schmelze genügt ein Sandwich, in dem die nichtschmelzenden Komponenten als Kernlage angeordnet sind.
Als thermoplastisch bindende Komponenten kommen in der Regel die unterschiedlichsten aus dem Stand der Technik bekannten thermoplastischen Kunststoffmatrices in Betracht. Dies reicht vom niedrig schmelzenden Polyethylen über Polypropylen, Polyamide, bis hin zu den hoch schmelzenden Thermoplasten PEEK oder PEI. Die thermischen Verfestigungsparameter wie Temperatur, Verweilzeit, Druck und eventuell Einsatz von Inertgasatmosphäre müssen an die Besonderheiten dieser Polymere angepasst werden. Die einsetzbaren Formen der thermoplastischen Bindekomponenten reichen von kleinen Partikeln wie Pulvern über Kurzfasern, textile Langfasern, Vliesstoff- oder Faserstoffschichten, Spinnvliesstoffen, Folien bis hin zu Polymerschmelzen.
Nach der Kombination der endlichen Karbonfasern mit dem thermoplastischen Binder in einer flächigen Schichtanordnung mit einem möglichst konstanten Masseverhältnis von Karbonfaser zu Thermoplast wird diese Schichtung aufgeheizt, so dass die Thermoplastkomponente erweicht oder schmilzt. Bei Einsatz einer Polymerschmelze wäre dieser Schritt allerdings nicht erforderlich. Hier kann der Auftrag beispielsweise über Breitdüsen auf die Karbonfaserschicht erfolgen – anschließend über Druck kompaktiert und unter Druck oder ohne zusätzlichen äußeren mechanischen Pressdruck abkühlend verfestigt werden.
Der Anteil der Thermoplastkomponente bestimmt die erreichbare Kompaktheit der Plattenware. Die Untergrenze des Thermoplastanteils liegt vorzugsweise bei etwa 5%, wobei für einen nachweisbaren Verfestigungseffekt Karbonfasern und Thermoplastkomponente möglichst homogen innig miteinander vermischt werden sollten. Bei Sandwichverfahren sind Mindestbindeanteile von etwa 15 bis 25% vorteilhaft.
Über den Anteil der Thermoplastkomponente kann beispielsweise die Härte des plattenförmigen Halbzeugs in einem weiten Bereich variiert werden. Dies reicht von einem kompakten porenfreien Zustand über zunehmende Porigkeiten bis hin zu einem thermisch verfestigten Faservlieszustand geringer Dichte. Zusätzlich zu den verwendeten Karbonfaserstoffen können weitere Faserstoffe in endlicher Form verwendet werden. Diese können analog der Karbonfaserkomponenten durch Fasermischprozesse vor oder während der Schichtbildung oder als separate Systemkomponenten bei der Materialschichtung zugeführt werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein plattenförmiges Halbzeug aus einem Faserverbundwerkstoff, welches in einem Verfahren der zuvor genannten Art hergestellt wurde und bei dem der Anteil des thermoplastischen Matrixmaterials im Halbzeug in einem Bereich von zwischen etwa 5% und etwa 95%, vorzugsweise bei etwa 30% bis etwa 70% liegt.
Bevorzugt ist bei einem solchen plattenförmigen Halbzeug, dass die Karbonfasern endliche Faserlängen aufweisen und/oder über eine Faserlängenverteilung verfügen und die Karbonfasern im Halbzeug so vorliegen, dass Anteile davon nicht das gesamte Halbzeug unterbrechungsfrei durchziehen.
Weiterhin ist es bevorzugt so, dass dieses plattenförmige Halbzeug aus endlichen Karbonfasern und weiteren endlichen Verstärkungsfasern hergestellt ist, insbesondere ausgewählt aus Naturfasern, para-Aramidfaserstoffen und Glasfasern. Beispielsweise kann ein derartiges plattenförmiges Halbzeug auch mit endlosen Verstärkungsfasern wie Endloskarbonrovings, para-Aramid- und/oder Glasfilamentgarnen in Form von Fäden, Gelegen, Geweben oder Gittern kombiniert werden.
Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.
Nachfolgend wird anhand von konkreten Ausführungsbeispielen die vorliegende Erfindung näher erläutert. Es versteht sich, dass diese Ausführungsbeispiele nur exemplarischen Charakter haben und die Erfindung in keiner Weise auf die darin genannten konkreten Maßnahmen und Parameter beschränkt ist.
Ausführungsbeispiel 1
Eine homogene Fasermischung aus 70% Polypropylen der Feinheit 7 dtex und einer Nennfaserlänge von 60 mm und 30% Abfallkarbonfasern aus der Gelegefertigung mit einer mittleren Faserlänge von 65 mm wurden mit einer Krempel, die mit 3 Arbeiter/Wenderpaaren bestückt war, zu einem Faserflor der Flächenmasse von 25 g/m² verarbeitet. Durch den Krempelprozess wurde solch eine Faserlängsorientierung im Faserflor erzeugt, dass bei Verarbeitung von 10 Lagen dieses Flors, übereinander legen in gleicher Warenrichtung und Verpressen in einer Plattenpresse bei 200°C und einem an der Presse eingestellten Druck von 400 N/cm² ein Faserverbundwerkstoff erhalten wurde, welcher in Laufrichtung des Krempelflores im Faserverbundwerkstoff einen um den Faktor 2,3 höheren Zug-E-Modul aufwies als im Winkel von 90° dazu.
Ausführungsbeispiel 2
Verarbeitung einer Faser/Faser-Mischung zu plattenförmigen Halbzeugen
Für die Herstellung von plattenförmigen karbonfaserhaltigen Halbzeugen wurden aus 100% Karbongewebeabfällen gewonnene Karbonrecyclingfasern mit einer mittleren Faserlänge von 40 mm und eine handelsübliche, textile PA6-Stapelfaser 3,3 dtex, 60 mm als Ausgangsmaterial eingesetzt. Beide Materialien wurden in einem Masseverhältnis von 70% PA6 und 30% Recyclingcarbonfasern (RCF) über ein textilindustrieübliches Mischbett und anschließende Mischöffnertechnik als sogenannte Flockenmischung intim miteinander vermischt. Diese Fasermischung wurde anschließend einer Krempelanlage vorgelegt und das produzierte flächige, flächenmassegleichmäßige Krempelflor mit einer Flächenmasse von 35 g/m² mit einer Fasermischung von 70/30 PA6/RCF über einen Quertäfler zu einer Mehrfachflorschichtung mit einer Flächenmasse von 260 g/m² doubliert und anschließend mit einer Nadelmaschine mit 25 Stichen/cm² so weit verfestigt, dass das Vlies für die Folgeprozesse einerseits sicher handhabbar war, andererseits die Stichintensität zum Erhalt möglichst langer Karbonfasern im Vlies nicht zu hoch waren. 10 solcher Nadelvliese einer Flächenmasse von etwa 250–260 g/m² wurden in Form von Stücken zu 30 cm × 30 cm übereinandergelegt und mit einer Etagenpresse bei 240°C mit 50 bar 100 s verpresst und anschließend abgekühlt. Von den resultierenden Platten wurden die noch unverfestigten weichen Kanten mit einer Schlagschere abgetrennt.
Ausführungsbeispiel 3
Verarbeitung einer flächigen Systemmischung zu plattenförmigen Halbzeugen
Auf einer Krempelanlage wurden unter Nutzung eines Quertäflers und einer anschließenden Vernadelungsmaschine 2 Vliesstoffbahnen mit einer Flächenmasse von 180 g/m² aus 100% einer handelsüblichen textilen PA6-Faser 3,3 dtex, 60 mm hergestellt. Die beiden Vliesbahnen wurde nur leicht mit 12 Stichen/cm² einmal von oben vernadelt. In einem folgenden Arbeitsschritt wurden 100% aus Gewebeabfällen gewonnene Recyclingkarbonfasern mit einer mittleren Faserlängen von 40 mm mittels speziell für die Verarbeitung von Karbonfasern technisch modifizierter Krempeltechnik zu einem flächigen Krempelflor flächenmassegleichmäßig mit 30 g/m² Krempelflor verarbeitet und dieses kontinuierlich aus der Krempel abgezogene Flor mit einem Quertäfler auf ein im Winkel von 90° dazu kontinierlich laufenden Ablageband quer und überlappend so abgelegt, dass eine Flächenmasse von 780 g/m² abgelegt wurde. Zwischen Ablageband und der aufzutäfelnden Karbonfaserflorschichtung wurde eine der vorher gefertigten Nadelvliesbahnen gelegt, so dass die Karbonfaserschichtung auf dem PA6-Nadelvlies angeordnet war.
Vor dem Einlauf in die nachfolgende Nadelmaschine wurde das zweite PA6-Nadelvlies mit 180 g/m² als Abdeckschicht aufgerollt, so dass damit ein Sandwich von 180 g/m² PA6-Nadelvlies – 780 g/m² RCF-Florschichtung – 180 g/m² PA6-Nadelvlies aufgebaut wurde. Dieses Sandwich wurde mit jeweils 25 Stichen/cm² von oben und unten verfestigend vernadelt. Durch den Nadelvorgang wurden Anteile der PA6-Vliesdeckschichten durch die RCF-Schicht durchgenadelt, so dass es quasi zu einer gewissen Durchmischung von PA6 mit der RCF-Schicht kam, was sich für die Stabilität des späteren erreichbaren thermischen Verfestigungsgrades positiv auswirkte. Die so hergestellten Nadelvliese mit PA6-Außenschicht und RCF im Kernbereich wurden als Stücke von 30 cm × 30 cm übereinandergelegt und mit einer Etagenpresse bei 240°C mit 50 bar 100 s verpresst und anschließend abgekühlt. Von den resultierenden Platten wurden die noch unverfestigten weichen Kanten mit einer Schlagschere abgetrennt.
Nachfolgend wird das Arbeitsprinzip einer im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbaren Krempel beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben.
Dabei zeigt die 1 eine schematisch vereinfachte Darstellung des Prinzips einer Krempelanlage, welche beispielsweise geeignet ist zur Herstellung eines Faserflors umfassend unter anderem Karbonfasern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Die Darstellung zeigt mindestens eine (in der Zeichnung links) in die Krempelanlage einlaufende Faserschicht 10, die zunächst über Einlaufwalzen 1, 2 auf einen sich gegenüber den Einlaufwalzen im umgekehrten Drehsinn rotierenden Vorreißer 3 gelangt. Zwischen diesem Vorreißer 3 und der sich im gleichen Drehsinn wie dieser Vorreißer drehenden Haupttrommel (Tambour) 5 ist eine Übergabewalze 4 angeordnet, die sich entgegengesetzt zu Vorreißer 3 und Haupttrommel 5 dreht. Am Umfang der Haupttrommel 5 sind in verschiedenen Umfangspositionen diverse Arbeiter 6 und Wender 7 angeordnet. Die Aufgabe dieser Einrichtungen besteht darin, die einlaufende Faserschicht 10 in der Krempelanlage bis zur Einzelfaser zu zerfasern und wieder zu einem dünnen und massegleichmäßigen Faserflor mit einer definierten Flächenmasse zu formieren. Dabei wird vorzugsweise eine Faserlängsorientierung angestrebt.
Hinter der Haupttrommel 5 ist eine zu dieser im entgegengesetzten Drehsinn rotierende Abnehmertrommel 8 angeordnet, an der sich an der stromabwärts gelegenen Seite ein Hacker 9 befindet. Von dieser Abnehmertrommel 8 wird ein Faserflor 11 in Form einer Endlosfläche ausgetragen, welcher beispielsweise eine Flächenmasse bis maximal etwa 80 g/m² aufweist, vorzugsweise maximal etwa 60 g/m², sowie eine Faserlängsorientierung von beispielsweise etwa 15–30 g/m².
Bezugszeichenliste

1: Einlaufwalzen
2: Einlaufwalzen
3: Vorreißer
4: Übergabewalze
5: Haupttrommel (Tambour)
6: Arbeiter
7: Wender
8: Abnehmertrommel
9: Hacker
10: einlaufende Faserschicht
11: Faserflor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1696057 A1 [0005]
DE 10151761 A1 [0006]
WO 94/09972 A [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Halbzeugs aus Faserverbundwerkstoff, welches Karbonfasern und wenigstens ein thermoplastisches Matrixmaterial enthält, dadurch gekennzeichnet, dass man aus karbonfaserhaltigen Abfällen oder Altteilen Karbonfasern isoliert, diese mit thermoplastischen Fasern vermischt, in einem Krempelprozess flächig ablegt und ausrichtet, so dass ein Faserflor mit einer gezielten Orientierung der Fasern (in Längsrichtung) erzeugt wird, den man in wenigstens einem nachfolgenden Schritt unter Wärmeeinwirkung zu einem Plattenmaterial verpresst.
Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Halbzeugs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man eine weitgehend homogene Mischung aus thermoplastischen Wirrbindefasern und endlichen Karbonwirrfasern und/oder ungeordnet vorliegenden Karbonfaserbündeln durch einen Krempelprozess ausrichtet, zu einer Fasermatte verarbeitet, mindestens Anteile der thermoplastischen Fasern durch Wärme in einen klebenden Zustand bringt, verdichtet und zu einem Plattenmaterial verpresst und danach abkühlt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Karbonfasern eine mittlere Faserlänge von 10 mm bis 150 mm, vorzugsweise von 25 mm bis 150 mm, aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens einen Anteil an Karbonfasern einsetzt, die aus der Aufbereitung textilartiger Karbonabfälle und/oder aus dem stofflichen Recycling von CFK-Bauteilen hervorgegangen sind sowie gegebenenfalls einen Anteil an geschnittenen Primärfasern (Neuware).
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Mischung aus Karbonwirrfasern und thermoplastischen Bindefasern durch einen eigenständigen Fasermischprozess vor der Mattenherstellung oder durch einen Fasermischprozess während der Mattenbildung erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man einen gezielten Orientierungsgrad von zunächst richtungsungeordnet vorliegenden Karbonfasern mit einer Krempel erzeugt, derart, dass in einem Faserverbundwerkstoff (FKV) eine Anisotropie der Verbundfestigkeiten und/oder Verbundsteifigkeiten in einem Bereich von 1:1,5 bis 1:10 erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anisotropie der Verbundfestigkeiten und/oder Verbundsteifheiten nach einem Tafelprozess eines Faserflors zu einer Florschichtung durch ein zusätzliches Vliesverstrecken beeinflusst wird.
Plattenförmiges Halbzeug aus einem Faserverbundwerkstoff, hergestellt in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des thermoplastischen Matrixmaterials im Halbzeug in einem Bereich von zwischen etwa 5% und etwa 95%, vorzugsweise bei etwa 30% bis etwa 70% liegt.
Plattenförmiges Halbzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Karbonfasern endliche Faserlängen aufweisen und/oder über eine Faserlängenverteilung verfügen und die Karbonfasern im Halbzeug so vorliegen, dass Anteile davon nicht das gesamte Halbzeug unterbrechungsfrei durchziehen.
Plattenförmiges Halbzeug nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus endlichen Karbonfasern und weiteren endlichen Verstärkungsfasern hergestellt ist, insbesondere ausgewählt aus Naturfasern, para-Aramidfaserstoffen und Glasfasern.
Plattenförmiges Halbzeug nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mit endlosen Verstärkungsfasern wie Endloskarbonrovings, para-Aramid- und/oder Glasfilamentgarnen in Form von Fäden, Gelegen, Geweben oder Gittern kombiniert wird.