DE102010042349A1

DE102010042349A1 - Textiles Halbzeug, insbesondere Prepreg, auf Basis von aus Recyclingfasern zusammengesetztem Carbonfaservlies

Info

Publication number: DE102010042349A1
Application number: DE102010042349A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Grasser; Dr. Verdenhalven Jan; Dr. Gojny Florian H.; Rudolf Engertsberger; Dr. Howe Christian
Original assignee: Benteler SGL GmbH and Co KG
Current assignee: Benteler SGL GmbH and Co KG
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2030-10-13
Also published as: DE102010042349B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines textilen Halbzeugs, insbesondere eines Prepregs, aus mit einem Matrixmaterial vorimprägnierten Carbonfasern, welches a) das Herstellen von aus wenigstens 10% Carbonfasern bestehendem Vlies und/oder von aus wenigstens 10% Carbonfasern bestehendem Filz, wobei wenigstens ein Teil der zur Herstellung des Vlieses und/oder Filzes eingesetzten Fasern Abfallfasern und/oder Recyclingfasern sind, und b) das Imprägnieren des Vlieses und/oder des Filzes mit einem Matrixmaterial, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Thermoplasten, Duroplasten, Elastomeren und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Materialien besteht, umfasst. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein mit diesem Verfahren hergestelltes textiles Halbzeug, insbesondere Prepreg, dessen Verwendung sowie daraus hergestellte Endprodukte.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines textilen Halbzeugs, insbesondere eines Prepregs, aus mit einem Matrixmaterial vorimprägnierten Carbonfasern, ein durch dieses Verfahren erhältliches textiles Halbzeug, insbesondere Prepreg, sowie dessen Verwendung insbesondere zur Herstellung von Verbundwerkstoff-Bauteilen, wie insbesondere zur Herstellung von Außenhaut- und Strukturbauteilen für Kraftfahrzeuge und Transportfahrzeuge.
Carbonfasern enthaltende Verbundwerkstoffe, wie beispielsweise carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK), welcher aus einer beispielsweise aus Phenolharz oder Epoxidharz bestehenden Kunststoffmatrix, in welcher Carbonfasern oder Graphitfasern in einer oder mehreren Faserlagen eingebettet sind, zusammengesetzt ist, oder carbonfaserverstärkter Kohlenstoff (CFC), welcher aus einer Kohlenstoffmatrix, in welcher Carbonfasern oder Graphitfasern in einer oder mehreren Faserlagen eingebettet sind, zusammengesetzt ist, weisen insbesondere in der Faserrichtung eine hohe Festigkeit und Steifigkeit auf und zeichnen sich zudem im Vergleich zu anderen Materialien, wie beispielsweise Stahl, durch ein geringes Gewicht, durch eine niedrige Wärmeausdehnung und durch eine ausgezeichnete Temperaturwechselfestigkeit aus. Aufgrund dieser vorteilhaften Eigenschaften werden solche Carbonfasern enthaltenden Verbundwerkstoffe in vielen technischen Gebieten und insbesondere im zunehmendem Maße in der Automobilindustrie beispielsweise als Material für Strukturbauteile oder für Außenhautbauteile eines Kraftfahrzeuges eingesetzt.
Die derzeit hierfür eingesetzten Verbundwerkstoffmaterialien weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf.
Strukturbauteile von Kraftfahrzeugen werden beispielsweise üblicherweise aus Carbonfasern in der Form von anisotropen Gelegestrukturen enthaltenden Verbundwerkstoffen hergestellt. Allerdings sind Strukturbauteile häufig isotropen Belastungszuständen ausgesetzt, weswegen diese Verbundwerkstoffe häufig aus mehreren, untereinander speziell orientierten Gelegelagen aufgebaut sind, um diesen isotropen Belastungszuständen Rechnung zu tragen. Daher ist das Herstellungsverfahren für solche Verbundwerkstoffe sehr aufwendig, weswegen diese Verbundwerkstoffe teuer sind. Ein weiterer Nachteil dieser Materialien ist deren vergleichsweise schlechte Drapierbarkeit.
Außenhautbauteile bzw. Sichtbauteile von Kraftfahrzeugen hingegen werden üblicherweise aus Verbundwerkstoffen hergestellt, welche Carbonfasern in der Form von Gewebestrukturen enthalten. Diese können durch ein Harzinjektionsverfahren (RTM-Verfahren, ”Resin Transfer Moulding-” Verfahren) vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden. Allerdings weisen diese Materialien unter anderem eine unbefriedigende Oberflächenqualität auf. Beispielsweise wird die Oberflächenqualität dadurch negativ beeinträchtigt, dass an den Kreuzungspunkten des Gewebes ein vermehrter Schrumpf des Matrixmaterial auftritt, weswegen die Gewebestruktur auf der Oberfläche des Verbundwerkstoffes sichtbar ist.
Aus diesen Gründen besteht ein Bedarf für Carbonfasern enthaltende Verbundwerkstoffe, welche verbesserte Eigenschaften, wie insbesondere eine bessere Oberflächenqualität sowie eine bessere Drapierbarkeit, aufweisen, welche vergleichsweise einfach aufgebaut sind, und, welche vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden können. Insbesondere besteht ein Bedarf für Halbzeuge, insbesondere ein Prepreg, aus entsprechenden Verbundwerkstoffen, welche einfach und kostengünstig zu den gewünschten Endprodukten verarbeitet werden können, und für ein Verfahren, mit dem solche Halbzeuge, insbesondere Prepregs, bzw. Endprodukte aus Verbundwerkstoffen einfach und kostengünstig hergestellt werden können.
Insbesondere besteht ein Bedarf für entsprechende Materialien, welche einen möglichst hohen Anteil an Recyclingfasern aufweisen, um die in dem Altfahrzeug-Gesetz geforderte Wiederverwertungsquote für Kraftfahrzeuge erfüllen zu können, und für Herstellungsverfahren hierfür.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines textilen Halbzeugs, insbesondere eines Prepregs, aus mit einem Matrixmaterial vorimprägnierten Carbonfasern bereitzustellen, welches einfach und kostengünstig durchgeführt werden kann, bei dem ein hoher Anteil an Recyclingfasern eingesetzt werden kann, und, welches zu einem textilen Halbzeug führt, welches eine exzellente Oberflächenqualität sowie eine gute Drapierbarkeit aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines textilen Halbzeugs, insbesondere eines Prepregs, aus mit einem Matrixmaterial vorimprägnierten Carbonfasern, welches die nachfolgenden Schritte umfasst:

a) Herstellen von aus wenigstens 10% Carbonfasern bestehendem Vlies und/oder von aus wenigstens 10% Carbonfasern bestehendem Filz, wobei wenigstens ein Teil der zur Herstellung des Vlieses und/oder Filzes eingesetzten Fasern Abfallfasern und/oder Recyclingfasern sind, und
b) Imprägnieren des Vlieses und/oder des Filzes mit einem Matrixmaterial, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Thermoplasten, Duroplasten, Elastomeren und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Materialien besteht.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auf einfache und kostengünstige Weise textile Halbzeuge, insbesondere Prepregs, aus mit einem Matrixmaterial vorimprägnierten Carbonfasern mit einem hohen Anteil an Recyclingfasern und/oder Abfallfasern sowie mit einer exzellenten Drapierbarkeit hergestellt werden, welche einfach und kostengünstig zu den gewünschten Endprodukten mit hoher Festigkeit und Steifigkeit bei vergleichsweise niedrigem Gewicht und mit einer exzellenten Oberflächenqualität verarbeitet werden können. Durch den Einsatz eines Vlieses bzw. Filzes in dem Verfahrensschritt a) kann eine gezielte Anisotropie der Eigenschaften, insbesondere der Festigkeit und der Steifigkeit, des Halbzeugs und des später daraus hergestellten Endprodukts eingestellt. Zudem wird durch den Einsatz eines Vlieses bzw. Filzes in dem Verfahrensschritt a) ein Halbzeug mit einer hervorragenden Drapierbarkeit erhalten, welche beträchtlich besser ist als die Drapierbarkeit eines Halbzeugs, welches als Fasermaterial ausschließlich Maschenware oder Webware enthält. Schließlich erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren durch die Verwendung von Altfasern bzw. Abfallfasern und/oder Recyclingfasern einen geschlossenen oder zumindest nahezu geschlossenen Wertstoffkreislauf. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf den Einsatz von neu hergestellten Carbonfasern, deren Herstellung sehr aufwendig und energieintensiv ist, verzichtet wird oder deren Menge zumindest stark verringert wird, sondern anstelle dessen Recyclingfasern und/oder Abfallfasern eingesetzt werden, ist das erfindungsgemäße Verfahren auch kostengünstiger als die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung entsprechender Halbzeuge, bei denen Neufasern eingesetzt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich mithin nicht nur um ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus mit einem Matrixmaterial vorimprägnierten Carbonfasern, sondern insbesondere auch um ein Verfahren zum Wiederverwerten bzw. Recyceln von Altfasern und/oder Abfallfasern.
Unter Recyclingfasern werden im Sinne der vorliegenden Erfindung Fasern verstanden, welche aus gebrauchten Fasern hergestellt worden sind, wobei die gebrauchten Fasern aus jedem beliebigen gebrauchten Fasermaterial stammen können, wie beispielsweise aus Geweben, aus Maschenware, wie Gestricken oder Gewirken, aus Gelegen, aus Fasermatten, aus Fasersträngen, aus Filzen, aus Vliesen oder aus Verbundwerkstoffen, wie beispielsweise aus CFC, CFK, carbonfaserverstärktem Beton oder dergleichen.
Zudem bezeichnet der Begriff Abfallfaser im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Faser, welche aus Produktionsabfällen, wie Verschnitt, Produktionsausschuss und dergleichen, also auch aus Neufasermaterial gewonnen worden ist, wobei der Produktionsabfall jedes beliebige Fasermaterial sein kann, wie beispielsweise Gewebe, Gestrick, Gewirk, Gelege, Fasermatte, Faserstrang, Filz, Vlies und/oder Verbundwerkstoff, wie beispielsweise CFC, CFK, carbonfaserverstärkter Beton, Prepreg oder dergleichen.
Unter einer Carbonfaser wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Faser verstanden, welche zu wenigstens 90%, bevorzugt zu wenigstens 95%, besonders bevorzugt zu wenigstens 98%, ganz besonders bevorzugt zu wenigstens 99% und höchst bevorzugt vollständig aus Kohlenstoff besteht.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Imprägnierung des Vlieses und/oder des Filzes mit dem Matrixmaterial in dem Schritt b) durch ein Verfahren durchgeführt, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Prepregverfahren, Nasspressverfahren, Harzinfusionverfahren, Folienkaschierverfahren und Vakuum unterstützten (”Vacuum Assisted Resin Infusion-” bzw. VARI-)Verfahren besteht. Durch jedes der vorgenannten Verfahren kann überraschenderweise eine hervorragende Imprägnierung des Carbonfaser-Vlieses bzw. des Carbonfaser-Filzes erreicht werden, wodurch textiles Halbzeug erhalten wird, bei dem das Fasermaterial besonders homogen in der Matrix eingebettet ist. Durch die quasi isotrope Ausrichtung der Fasern in der Ebene und der homogenen Verteilung des Matrixschrumpfs können optische Auffälligkeiten verhindert werden. Dies war deshalb überraschend, weil Vliese und Filze aufgrund ihrer geringen Permeabilität in Faserrichtung grundsätzlich sehr schwer zu imprägnieren sind. Eine solche gute Imprägnierung, geschweige denn eine homogene Einbettung von Fasern in der Matrix ist mit anderen Techniken, wie insbesondere mit dem RTM-Verfahren, bei dem die Injektion bzw. die Harzausbreitung der Matrix entlang der Textilausrichtung erfolgt, nicht möglich.
Besonders gute Ergebnisse werden diesbezüglich insbesondere erreicht, wenn die Imprägnierung des Vlieses und/oder des Filzes mit dem Matrixmaterial in dem Schritt b) durch ein Flüssig-Prepregverfahren mit flüssigen oder semiflüssigen Polymeren bzw. Oligomeren, durch ein Pulver-Prepregverfahren oder durch ein Nasspressverfahren durchgeführt wird.
Grundsätzlich können in dem Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens Fasermischungen aus Neufasern und Abfallfasern und/oder Recyclingfasern mit beliebigen Verhältnissen der Neufasern zu den Abfallfasern und/oder Recyclingfasern eingesetzt werden, sofern dadurch gewährleistet wird, dass ein aus wenigstens 10% Carbonfasern bestehendes Vlies und/oder ein aus wenigstens 10% Carbonfasern bestehender Filz erhalten wird. Um die Wiederverwertungsquote möglichst hoch zu halten, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass in dem Verfahrensschritt a) zur Herstellung des Vlieses und/oder des Filzes eine Fasermischung eingesetzt wird, welche zu wenigstens 20%, vorzugsweise zu wenigstens 50%, insbesondere bevorzugt zu wenigstens 80%, besonders bevorzugt zu wenigstens 90%, ganz besonders bevorzugt zu wenigstens 95% und höchst bevorzugt vollständig aus Abfallfasern und/oder Recyclingfasern besteht.
Je nach Anwendungszweck kann in dem Halbzeug, auf den Gesamtfasergehalt bezogen, ein mehr oder weniger hoher Anteil an Carbonfasern erforderlich sein. Gute Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn die auf den Gesamtfasergehalt bezogene Carbonfasermenge wenigstens 20%, bevorzugt wenigstens 40%, insbesondere bevorzugt wenigstens 60%, besonders bevorzugt wenigstens 80%, ganz besonders bevorzugt wenigstens 90% und höchst 100% beträgt.
Dementsprechend kann auch der Anteil der Carbonfasern in den in dem Verfahrensschritt a) eingesetzten Abfallfasern und/oder Recyclingfasern variieren. Lediglich beispielsweise können in dem Verfahrensschritt a) Abfallfasern und/oder Recyclingfasern eingesetzt werden, von denen wenigstens 10%, bevorzugt wenigstens 30%, besonders bevorzugt wenigstens 60%, ganz besonders bevorzugt wenigstens 80% und höchst bevorzugt 100% aus Carbonfasern bestehen. Die restlichen Abfallfasern und/oder Recyclingfasern können aus jedem beliebigen Material bestehen, wie beispielsweise aus Glas und/oder Baumwolle.
Sofern in dem Verfahrensschritt a) eine Fasermischung eingesetzt wird, welche neben Abfallfasern und/oder Recyclingfasern auch neu hergestellte Carbonfasern enthält, können diese beispielsweise so hergestellt werden, dass zunächst aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen, wie beispielsweise Pech, Polyacrylnitril, oxidiertem Polyacrylnitril oder Cellulose, Fasern gesponnen werden, bevor diese nachfolgend unter Verstreckung carbonisiert und ggf. graphitiert werden, bevor die so hergestellten Fasern abschließend ggf. oberflächenbehandelt und ggf. mit Schlichte beschichtet werden.
Als Ausgangsmaterial für die Herstellung des Vlieses oder Filzes können nicht nur Monofilamente eingesetzt werden, sondern insbesondere auch Bifilamente oder Mischungen aus zwei oder mehr Mono- und/oder Bifilamenten. Dabei können beispielsweise auch streckgerissene Filamente bzw. Fasern eingesetzt werden. Insbesondere können für die Herstellung des Vlieses oder Filzes Mischungen aus Carbonfasern und Fasern aus einem Thermoplast eingesetzt werden, was später eine direkte Konsolidierung des textilen Halbzeugs zu einem Organoblech ermöglicht.
Vorzugsweise werden in dem Schritt a) zur Herstellung des Vlieses und/oder des Filzes Fasern mit einer Länge zwischen 1 und 500 mm, besonders bevorzugt Fasern mit einer Länge zwischen 5 und 500 mm, ganz besonders bevorzugt Fasern mit einer Länge zwischen 10 und 250 mm und höchst bevorzugt Fasern mit einer Länge zwischen 20 und 220 mm eingesetzt. Alternativ dazu können zur Herstellung des Carbonfasern enthaltenden Vlieses und/oder Filzes auch Mischungen aus Kurzschnittfasern mit einer Länge zwischen 1 und 5 mm und aus Langfasern mit einer Länge zwischen 5 und 500 mm, besonders bevorzugt Langfasern mit einer Länge zwischen 10 und 250 mm und ganz besonders bevorzugt Langfasern mit einer Länge zwischen 20 und 220 mm eingesetzt werden.
Die Abfallfasern und/oder Recyclingfasern können auf jede denkbare Weise aus Abfallfasermaterial oder aus gebrauchtem Fasermaterial hergestellt werden. Beispielsweise können die Recyclingfasern aus einem mit einem Matrixmaterial vorimprägnierten Fasermaterial oder aus Fasern enthaltendem Verbundwerkstoff, insbesondere Carbonfasern enthaltendem Verbundwerkstoff, wie CFC oder CFK, hergestellt werden, indem das mit einem Matrixmaterial vorimprägnierte Fasermaterial oder der Fasern enthaltende Verbundwerkstoff zerkleinert wird, bevor das Fasermaterial dann von dem Matrixmaterial gelöst und abgetrennt wird. Dabei wird das Zerkleinern vorzugsweise mit einem Shredder, mit einer Schneidmühle, mit einer Prallmühle oder mit einer Hammermühle so durchgeführt, dass Partikel mit einer Länge zwischen 1 und 500 mm erhalten werden.
Bei dieser Ausführungsform kann das Lösen der Matrix von den Carbonfasern beispielsweise durch Solvolyse, das heißt durch Kontaktieren des Materials mit einer Säure, beispielsweise mit einer Mineralsäure, wie Schwefelsäure oder Salpetersäure, mit einer Lauge, wie beispielsweise Natronlauge, oder mit einem Lösungsmittel bewirkt werden. Alternativ dazu kann das Lösen der Matrix von den Carbonfasern zwangsläufig beim Zerkleinern auftreten. Gemäß einer weiteren Alternative kann das Entfernen der Matrix auch durch Pyrolyse des Matrixmaterials erfolgen. Danach kann die Matrix von den Carbonfasern beispielsweise durch Sieben oder Sichten abgetrennt werden, wobei das Sichten beispielsweise in einem Rotationssichter, Windsichter oder Zickzacksichter durchgeführt wird. Abschließend kann das gewonnene Fasermaterial noch mit Schlichte beschichtet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das zuvor beschriebene, aus wenigstens 10% Carbonfasern bestehende Vlies und/oder der aus wenigstens 10% Carbonfasern bestehende Filz in dem erfindungsgemäßen Verfahren in Kombination mit wenigstens einem anderen Fasermaterial eingesetzt, wobei das andere Fasermaterial vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Geweben, Gelegen, unidirektionalen (UD-)Strängen, Bändern, Vliesen, Filzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Materialien besteht. Diese Fasermaterialien weisen eine höhere mechanische Stabilität und insbesondere eine höhere Zugfestigkeit als das in dem Verfahrensschritt a) hergestellte aus wenigstens 10% Carbonfasern bestehende Vlies und/oder der aus wenigstens 10% Carbonfasern bestehende Filz auf, weswegen das Vlies durch eine solche Kombination von verschiedenen Fasermaterialien mechanisch stabilisiert wird. Dadurch werden bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und insbesondere bei der Durchführung des Verfahrensschritts b) etwaig entstehende Spannungen von dem anderen Fasermaterial aufgenommen, so dass das Vlies bzw. der Filz nur geringen Zugspannungen ausgesetzt ist und so eine Beschädigung oder gar Zerstörung des Vlieses bzw. Filzes zuverlässig verhindert wird, so dass dieses deformationsfrei und zerstörungsfrei zu dem textilen Halbzeug und danach aus diesem zu dem Endprodukt verarbeitet werden kann.
Bei der vorgenannten Ausführungsform können die einzelnen Fasermaterialien in der Form eines Laminats angeordnet werden oder können die einzelnen Fasermaterialien, wenn möglich, in einer Schicht miteinander kombiniert werden. Ein Beispiel für den letztgenannten Fall ist die Verwirkung von Vlies und Gelege, wohingegen Beispiele für eine Laminatstruktur Aufbauten aus Vlies/Gewebe/Vlies oder aus Vlies/Gelege/Vlies sind. Grundsätzlich kann das Laminat aus wenigstens einer Vliesschicht und wenigstens einer Gewebeschicht, aus wenigstens einer Vliesschicht und wenigstens einer Gelegeschicht oder aus einem Vliesgelege mit Kernmaterial bestehen, wobei das Kernmaterial beispielsweise Schaum sein kann, eine Honigwabenstruktur aufweisen kann, ein Pappkern sein kann oder jedes andere Kernmaterial sein kann. Dabei befinden sich die Vlies- bzw. Filzschichten in derartigen Laminaten vorzugsweise an den Außenseiten des Laminats, damit das textile Halbzeug bzw. das daraus hergestellte Endprodukt die durch die Verwendung von Vlies bzw. Filz im Vergleich zu Gewebe und Maschenware resultierenden vorteilhaften Oberflächeneigenschaften aufweist.
Um die Wiederverwertungsquote möglichst hoch zu halten, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass auch das andere, aus der vorstehenden Gruppe ausgewählte Fasermaterial zumindest teilweise aus Abfallfasern und/oder Recyclingfasern besteht, wobei der Anteil der Abfallfasern und/oder Recyclingfasern bezogen auf die Gesamtmenge der Fasern in dem anderen Fasermaterial vorzugsweise wenigstens 20%, insbesondere bevorzugt wenigstens 50%, ferner bevorzugt wenigstens 80%, besonders bevorzugt wenigstens 90%, ganz besonders bevorzugt wenigstens 95% und höchst bevorzugt 100% beträgt.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, als anderes, aus der vorstehenden Gruppe ausgewähltes Fasermaterial ein Fasermaterial einzusetzen, welches aus Kohlenstofffasern, Glasfasern, Polymerfasern und Mischungen aus zwei oder mehr der vorgenannten Materialien besteht. Beispiele für geeignete Polymerfasern schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf Polyamidfasern, Polyesterfasern, Polypropylenfasern, Polyacrylnitrilfasern, Fasern aus oxidiertem Polyacrylnitril sowie Fasern aus Copolymeren von zwei oder mehr der vorgenannten Materialien und Mischungen aus zwei oder mehr der vorgenannten Materialien. Solche Fasermaterialien weisen eine hohe mechanische Festigkeit auf und eignen sich somit hervorragend als das Vlies und/oder den Filz mechanisch stabilisierendes Fasermaterial.
Dabei kann das Kombinieren, also in dem Fall der Ausbildung einer Kombination der beiden Fasermaterialien in einer Schicht das Vermischen der beiden Fasermaterialien und in dem Fall der Ausbildung einer Laminatstruktur das Laminieren der beiden Fasermaterialschichten, also das Kombinieren aus erstens dem aus wenigstens 10% Carbonfasern bestehenden Vlies und/oder dem aus wenigstens 10 % Carbonfasern bestehenden Filz und aus zweitens dem wenigstens einen anderen aus der vorstehenden Gruppe ausgewählten Fasermaterial, während dem Verfahrensschritt b), also während der Imprägnierung, oder vor der Imprägnierung durchgeführt werden, wobei ein Kombinieren der beiden Fasermaterialien vor der Imprägnierung bevorzugt ist. Sofern das Vlies bzw. der Filz in einer Schicht miteinander kombiniert werden, wie beispielsweise in dem Fall der Verwirkung von Vlies und Gelege, kann das Kombinieren der beiden Fasermaterialien besonders bevorzugt auch bei der Vlies- bzw. Filzherstellung in dem Verfahrensschritt a) durchgeführt werden.
Grundsätzlich können in dem Verfahrensschritt b) als Matrixmaterial alle Thermoplasten, Duroplasten und Elastomere, jeweils einzeln oder in Mischung miteinander, eingesetzt werden. Gute Ergebnisse werden jedoch insbesondere erhalten, wenn das Matrixmaterial aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Epoxidharzen, Phenolharzen, Vinylesterharzen, Polyesterharzen, Polyurethanharzen, Benzoxazinharzen, Novolaken, Cyanatesterharzen, Bismaleimidharzen, Bisoxazolinen, Polyolefinen, wie beispielsweise Polypropylen, technischen Thermoplasten, wie beispielsweise Polyamiden, und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Materialien besteht.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, das Vlies bzw. den Filz in dem Verfahrensschritt b) mit so viel Matrixmaterial zu imprägnieren, dass das Halbzeug nach dem Verfahrensschritt b) einen Gehalt an Matrixmaterial zwischen 1 und 90 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 30 und 70 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt zwischen 40 und 65 Gew.-% aufweist.
Wie vorstehend dargelegt, wird die Imprägnierung des Vlieses und/oder des Filzes mit dem Matrixmaterial in dem Schritt b) durch ein Verfahren durchgeführt, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Prepregverfahren, Nasspressverfahren, Harzinfusionverfahren, Folienkaschierverfahren und Vakuum unterstützten (VARI-)Verfahren besteht, weil durch jedes der vorstehend genannten Verfahren überraschenderweise eine gute Imprägnierung des an sich nur schwer zu imprägnierenden Carbonfaser-Vlieses bzw. des Carbonfaser-Filzes erreicht wird. Dabei werden besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn die Imprägnierung des Vlieses und/oder des Filzes mit dem Matrixmaterial in dem Schritt b) durch ein Pulver-Prepregverfahren, durch ein Flüssig-Prepregverfahren oder durch ein Nasspressverfahren durchgeführt wird.
Bei dem Nasspressverfahren wird ein Zuschnitt des in dem Verfahrensschritt a) hergestellten Vlieses bzw. Filzes in eine geöffnete Pressform gelegt, bevor auf das Vlies bzw. den Filz flüssiges oder festes Matrixmaterial gegossen, gesprüht, gestreut oder gelegt wird, bevor die Pressform geschlossen wird und in der Pressform ein Druck von bevorzugt zwischen 0,1 und 1.000 bar angelegt wird. Aufgrund des Drucks in der Pressform ergeben sich nach allen Seiten gleiche Fließwege, weswegen sich das Matrixmaterial in dem Vlies bzw. in dem Filz gleichmäßig verteilt.
Ganz besonders bevorzugt wird die Imprägnierung des Vlieses und/oder des Filzes mit dem Matrixmaterial in dem Verfahrensschritt b) durch ein Pulver-Prepregverfahren und höchst bevorzugt durch ein Flüssig-Prepregverfahren durchgeführt. Sofern ein Pulver-Prepregverfahren eingesetzt wird, wird dieses bevorzugt mit flüssigen Matrixsystemen mit einer Viskosität bei Raumtemperatur von 10 bis 1.000.000 mPa·s, besonders bevorzugt mit einer Viskosität bei Raumtemperatur von 400 bis 100.000 mPa·s und ganz besonders bevorzugt mit einer Viskosität bei Raumtemperatur von 1.000 bis 25.000 mPa·s durchgeführt.
Um bei dem Prepregverfahren die Einwirkung von zu starken Zugkräften auf das Vlies bzw. den Filz zu vermeiden, kann dieses unabhängig davon, ob dieses als Pulver-Prepregverfahren oder als Flüssig-Prepregverfahren ausgeführt wird, vorzugsweise so durchgeführt werden, dass das Vlies bzw. der Filz vor der Durchführung des Verfahrensschritts b) einseitig oder, falls das Vlies bzw. der Filz ohne das andere Fasermaterial eingesetzt wird, auch beidseitig mit einem Trägermaterial, bevorzugt mit einer Trägerfolie oder mit einem Trägerpapier, beschichtet wird. Die Trägerfolie kann beispielsweise aus einem Thermoplast zusammengesetzt sein und kann beispielsweise ein Film bzw. eine Folie aus Polyester sein. Dabei kann der thermoplastische Film bzw. die thermoplastische Folie wiederum beschichtet sein.
Alternativ dazu kann für diesen Zweck Trägerpapier eingesetzt werden, welches vorzugsweise eine Grammatur bzw. ein Flächengewicht von 10 bis 300 g/m² und besonders bevorzugt von 50 bis 130 g/m² aufweist.
Im Falle einer thermoplastischen Trägerfolie kann das Trägermaterial beispielsweise durch Kalandrieren auf das Vlies bzw. auf den Filz aufgebracht werden.
Sofern die Imprägnierung des Vlieses und/oder des Filzes mit dem Matrixmaterial in dem Verfahrensschritt b) durch ein Pulver-Prepregverfahren erfolgt, wird das Matrixmaterial in Pulverform auf das Vlies bzw. den Filz aufgebracht, was beispielsweise durch Eintauchen des Vlieses bzw. Filzes in ein eine Pulversuspension enthaltendes Imprägnierbad, durch direktes Aufstreuen des Pulvers auf das Vlies bzw. den Filz oder durch elektrostatisches Anbinden erfolgen kann. Dabei kann der Auftrag des pulverförmigen Matrixmaterials, insbesondere mit den beiden letztgenannten Verfahren, selektiv auf eine Seite des Vlieses bzw. Filzes erfolgen oder dieser kann, was bevorzugt ist, insbesondere mit dem erstgenannten Verfahren, auf beide Seiten des textilen Flächengebildes erfolgen.
Wenn das Matrixmaterial ein Thermoplast ist, wird das auf das Vlies bzw. den Filz aufgebrachte pulverförmige Matrixmaterial vorzugsweise durch Anschmelzen auf dem Vlies bzw. Filz fixiert, wobei das Anschmelzen beispielsweise durch Führen des pulverbeschichteten Vlieses bzw. Filzes durch eine auf eine Temperatur knapp oberhalb der Schmelztemperatur des Thermoplasten eingestellte Heizzone erfolgen kann. Dadurch kann bei den nachfolgenden Verfahrensschritten ein Abfallen des Pulvers von dem Vlies bzw. Filz zuverlässig verhindert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Matrixmaterial ein Duroplast. Dieses wird vorzugsweise in der Form eines pulverförmigen Duroplast-Prepolymers auf das Vlies bzw. den Filz aufgebracht, bevor das pulverförmige Material durch Anschmelzen vorzugsweise bei einer Temperatur knapp oberhalb der Schmelztemperatur des Duroplast-Prepolymers, aber unterhalb der Vernetzungstemperatur des Duroplast-Prepolymers auf dem Vlies bzw. Filz fixiert wird. Unter einem Duroplast-Prepolymer wird gemäß der vorliegenden Erfindung im Einklang mit der fachüblichen Definition dieses Begriffs ein Oligomer oder Polymer verstanden wird, welches über Vernetzung zu einem Duroplasten überführt werden kann. Dabei kann die Vernetzung, wenn das Duroplast-Prepolymer hinreichend funktionalisiert ist, ohne Vernetzungsmittel erfolgen, oder diese kann mit einem Vernetzungsmittel erfolgen. Als Vernetzungsmittel kann beispielsweise eine Verbindung eingesetzt werden, welche aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Aminen, beispielsweise Hexamethylentetramin, Säureanhydriden, Lewis-Säuren, Radikalbildnern, wie insbesondere Peroxiden, Azoverbindungen und dergleichen, Übergangsmetallverbindungen, wie Übergangsmetallsalzen, übergangsmetallorganischen Verbindungen und dergleichen, organischen Säuren, anorganischen Säuren und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen besteht. Für Vinylester und Polyester eignen sich als Vernetzungsmittel insbesondere Radikalbildner und Übergangsmetallverbindungen, wohingegen sich für Phenolharze als Vernetzungsmittel insbesondere Amine, anorganische Säuren sowie organische Säuren eignen und sich für die übrigen Matrixvorläufer aus der vorgenannten Liste als Vernetzungsmittel insbesondere Amine, Säureanhydride und Lewis-Säuren eignen.
Wenn das Matrixmaterial ein Duroplast ist, wird dieses vor der späteren vollständigen Aushärtung vorzugsweise nach dem Auftrag und nach der Fixierung thermisch und/oder chemisch vorvernetzt bzw. gestaged, woraus eine Molekulargewichtszunahme erfolgt, wodurch dieses Material eine höhere Stabilität erreicht.
Sofern die Imprägnierung des Vlieses und/oder des Filzes mit dem Matrixmaterial in dem Verfahrensschritt b) durch ein Flüssig-Prepreg-verfahren erfolgt, kann das Matrixmaterial auf das Vlies bzw. den Filz beispielsweise durch Sprühen, Eintauchen, Bestreuen oder Bestreichen, entweder direkt oder indirekt, einer das Matrixmaterial enthaltenden Lösung, Suspension, Emulsion oder Heißschmelze aufgebracht werden.
Unabhängig davon, ob das Prepregverfahren als Pulver-Prepregverfahren oder als Flüssig-Prepregverfahren durchgeführt wird, erfolgt die Imprägnierung in dem Verfahrensschritt b) vorzugsweise durch eine Druck-Temperatur-Behandlung, das heißt bei erhöhter Temperatur und bei erhöhtem Druck.
Ferner wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, die Imprägnierung in dem Verfahrensschritt b) bei einer Temperatur durchzuführen, welche 1 bis 400°C, bevorzugt 10 bis 200°C und bevorzugt 30 bis 150°C oberhalb der Glasübergangstemperatur des unvernetzten Matrixmaterials liegt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein textiles Halbzeug, insbesondere Prepreg, aus mit einem Matrixmaterial vorimprägnierten Carbonfasern, welches mit dem zuvor beschriebenen Verfahren erhältlich ist.
Ein solches textiles Halbzeug besteht mithin aus einem Matrixmaterial, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Thermoplasten, Duroplasten, Elastomeren und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Materialien besteht, wobei in die Matrix ein Vlies und/oder Filz eingebettet ist, wobei das Vlies bzw. der Filz aus wenigstens 10% Carbonfasern besteht und Abfallfasern und/oder Recyclingfasern enthält.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in dem Matrixmaterial ein weiteres Fasermaterial eingebettet sein, welches vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Geweben, Gelegen, unidirektionalen (UD-)Strängen, Bändern, Vliesen, Filzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Materialien besteht.
Das erfindungsgemäße textile Halbzeug zeichnet sich dadurch aus, dass dieses einfach und kostengünstig hergestellt werden kann, und zwar unter Verwendung von hohen Anteilen an Recyclingfasern und/oder Abfallfasern. Ferner weist das erfindungsgemäße textile Halbzeug eine ausgezeichnete Drapierbarkeit auf, weswegen dieses einfach und kostengünstig zu dem gewünschten Endprodukt mit hoher Festigkeit und Steifigkeit bei vergleichsweise niedrigem Gewicht und mit einer exzellenten Oberflächenqualität verarbeitet werden kann. Insbesondere kann in dem erfindungsgemäßen textilen Halbzeug aufgrund des Einsatzes eines Vlieses bzw. Filzes durch das Einbringen einer abstufbaren Vorzugsorientierung bei der Herstellung des Vlieses eine gezielte Anisotropie der Eigenschaften, insbesondere der Festigkeit und der Steifigkeit, eingestellt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das erfindungsgemäße textile Halbzeug durch ein Verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Prepregverfahren, Nasspressverfahren, Harzinfusionverfahren, Folienkaschierverfahren und Vakuum unterstützten (VARI-)Verfahren und ganz besonders bevorzugt durch ein Pulver-Prepregverfahren, durch ein Flüssig-Prepregverfahren oder durch ein Nasspressverfahren hergestellt. Bei dem so hergestellten erfindungsgemäßen textilen Halbzeug ist das Fasermaterial überraschenderweise besonders homogen in der Matrix eingebettet, wodurch der Harzschrumpf bei der Aushärtung der Matrix zumindest nahezu vollständig verhindert werden kann.
Das erfindungsgemäße textile Halbzeug kann direkt oder in einer konsolidierten Form in den Herstellungsprozess zurückgeführt werden. Beispielhafte Anwendungen sind die Herstellung eines Strukturbauteils oder eines Außenhaubauteils eines Kraftfahrzeugs, eines Schienenfahrzeugs oder eines Transportfahrzeugs aus dem textilen Halbzeug.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein carbonfaserverstärkter Verbundwerkstoff, welcher durch Aushärten einer vernetzenden Matrix des zuvor beschriebenen textilen Halbzeugs erhältlich ist.
Dabei erfolgt die Aushärtung in Abhängigkeit von dem konkret eingesetzten Matrixmaterial vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 0 und 300°C und besonders bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 25 und 200°C.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoff, welcher durch thermisches Umformen und optional Nachverdichten einer thermoplastischen Matrix des zuvor beschriebenen textilen Halbzeugs erhältlich ist.
Dabei erfolgt das thermische Umformen und das Nachverdichten in Abhängigkeit von dem konkret eingesetzten Matrixmaterial beispielsweise im Falle eines Matrixmaterials aus teilkristallinem Thermoplast vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 0 und 200°C und besonders bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 25 und 100°C oberhalb der Schmelztemperatur des Thermoplasten und beispielsweise im Falle eines Matrixmaterials aus amorphem Thermoplast vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 0 und 400°C und besonders bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 10 und 200°C oberhalb der Glasübergangstemperatur des Thermoplasten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der erfindungsgemäße carbonfaserverstärkte Verbundwerkstoff einen Fasergehalt zwischen 20 und 60%, bevorzugt zwischen 30 und 50%, besonders bevorzugt zwischen 35 und 45% und ganz besonders bevorzugt von 40 % auf.
Ferner wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass der carbonfaserverstärkte Verbundwerkstoff eine Zugfestigkeit von 100 bis 2.000 N/mm² und bevorzugt von 200 bis 800 N/mm² und/oder ein Elastizitätsmodul von 5 bis 180 GPa und bevorzugt von 10 bis 80 GPa aufweist.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des zuvor beschriebenen textilen Halbzeugs zur Herstellung von Komponenten, wie beispielsweise eines Strukturbauteils oder eines Außenhaubauteils eines Kraftfahrzeugs, eines Schienenfahrzeugs oder eines Transportfahrzeugs.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von diese erläuternden, diese aber nicht einschränkenden Beispielen weiter beschrieben.
Beispiele
Beispiel 1: Herstellung eines Prepregs auf Basis von aus Verarbeitungsabfällen hergestelltem Carbonfaservlies und einer Matrix aus Epoxidharz sowie dessen Weiterverarbeitung
Auf einer Labor-Beschichtungsanlage wurde aus einem Carbonfaservlies, das aus Carbonfaserverschnittabfällen der Firma SGL ACF GmbH, Deutschland bestand, und aus einer flüssigen Epoxidharzformulierung der SGL Group mit der Bezeichnung FT-109-1, welche durch eine Aushärtung bei einer Temperatur zwischen 80 und 150°C bei einer erreichbaren Glasübergangstemperatur von bis zu 120°C charakterisiert ist, ein Prepreg hergestellt.
Das Carbonfaservlies wurde mit einem Flächengewicht von ca. 103 g/m² aus bei der auf Carbonfaser basierten Textilfertigung anfallenden Verschnittabfällen aus Filamentbündeln mit einer Länge zwischen 20 und 250 mm hergestellt, und zwar durch die Arbeitsschritte Zerkleinern der Verschnittabfälle, Öffnen der Filamentstränge, Mischen der geöffneten Filamentstränge, Kämmen, Aufbringen eines Adhäsionsmaterials, nämlich eines Klebevlieses, Konfektionierung und Aufwickeln. Die Carbonfasern wiesen einen gemäß dem ASTM D5291-02 ermittelten Kohlenstoffgehalt (”carbon content”) von mehr als 90 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Fasern auf. Ferner enthielt das Carbonfaservlies einen geringen Anteil von Baumwoll- und Polyesterfäden, deren Gehalt 20% nicht überstieg. Weiterhin wurden die Carbonfasern bei der Vliesherstellung vororientiert, so dass eine gewisse Anisotropie bezüglich der Faserausrichtung und damit der mechanischen Eigenschaften eingestellt wurde.
Die Beschichtungsanlage bestand aus jeweils einer Abwickeleinheit für Beschichtungspapier bzw. Trägerpapier und das Carbonfaservlies, einer Beschichtungseinheit, einem ersten Kalander, einer Ofeneinheit, einem zweiten Kalander, einer Kühlplatte sowie einer Aufwickeleinheit. Nach der Aufbringung eines Films aus dem Epoxidharz auf das Beschichtungspapier mit einer sehr definierten Grammatur von 115 g/m² (+/–3 g/m²) wurde das Carbonfaservlies in den Harzfilm abgelegt und in dem ersten Kalander zu einer ersten Imprägnierung konsolidiert. Im Anschluss daran wurde das vorimprägnierte Halbzeug in einen auf 130°C eingestellten Ofen eingebracht, in dem zum einen durch die mit steigender Temperatur sinkende Viskosität des Harzes sowie die hierdurch einsetzende Saugwirkung des Vlieses die eigentliche Imprägnierung erfolgte und zum anderen das Harz gestaged, das heißt vorpolymerisiert, wurde. Der erreichte Polymerisationsgrad lag dabei bei 40%. Das noch heiße Prepreg wurde dann zur weiteren Kompaktierung durch die zweite Kalandereinheit geführt, anschließend auf einer Kühlplatte heruntergekühlt, bis die Prepregtemperatur auf weniger als 40°C reduziert war, und schließlich in der Aufwickeleinheit unter einer Zugspannung von 450 N aufgewickelt.
Dann wurde das so hergestellte Prepreg umfassend das aus aus Produktionsabfällen stammenden Carbonfasern hergestellte Vlies zu einem Carbonfaser verstärkten Kunststoff (CFK) verarbeitet. Hierzu wurden mehrere Lagen des Prepregs auf einer Hebelschneidemaschine zu quadratischen Stücken zugeschnitten und mittensymmetrisch aufeinander abgelegt. Anschließend wurde das Carbonfaservliesprepreg zuerst bei einer Temperatur von 160°C für 1 Stunde unter einem Druck von 42 bar gepresst. Grundsätzlich kann das Pressen bei Temperaturen von 130 bis 180°C über einen Zeitraum von bis zu einer Stunde sowie unter einem Druck von mehr als 0,1 bar, bevorzugt von 1 bis 100 bar, besonders bevorzugt von 5 bis 30 bar durchgeführt werden.

Mit dem vorstehenden Verfahren wurden unter Variation der bei der Härtung eingesetzten Temperatur und der Dauer der Härtung verschiedene CFK'e hergestellt, wobei jeweils sehr homogene Verbundwerkstoffplatten erhalten wurden. Die konkreten Härtungsbedingungen bei den einzelnen Versuchen sowie die Kennwerte der hergestellten Verbundwerkstoffplatten sind in der untenstehenden Tabelle 1 zusammengefasst: Tabelle 1 – Carbonfaservliesprepreg – Kennwerte

Gesamtflächengewicht:	218 g/m²	+/–20 g/m²	DIN EN 2557
Faserflächengewicht:	103 g/m²	+/–15 g/m²	DIN EN 2329
Harzgehalt:	115 g/m²	+/–3 g/m²	DIN EN 2559

Harz:	FT-109-1	Epoxidharz – Härtung
In Abhängigkeit von den Härtungsbedingungen erreichte Glasübergangstemperatur	> 90°C	15 min @ 130°C	DMA, RT-200°C mit 3 K/min; Onset E'
	> 110°C	60 min @ 130°C
	> 98°C	15 min @ 150°C
	> 93°C	15 min @ 180°C

Für die vorgenannten vier Proben wurden die 3-Punkt-Biegefestigkeit, das 3-Punkt-Biegemodul, die Bruchdehnung, die Dichte und der Faservolumengehalt bestimmt. Die hierfür eingesetzten Messverfahren sowie die erhaltenen Ergebnisse für die bei 130°C für 60 Minuten gehärtete Probe sind in der nachfolgenden Tabelle 2 zusammengefasst.

Messparameter	Messverfahren	Einheit	Prüfrichtung	Mittelwert	Abweichung (+/–)
3-Punkt-Biegefestigkeit	ISO-14125	MPa	0°	563,6	34,1
3-Punkt-Biegemodul	ISO-14125	MPa	0°	32200	900
Bruchdehnung	ISO-14125	%	0°	1,9	0,1
Dichte	DIN/EN/ISO 1183-1	g/cm³	-	1,37	0,01
Faservolumengehalt	DIN/EN 2564	Vol.%	-	35,55	1,83

Mit den anderen drei Proben wurden vergleichbare Werte erhalten.
Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren alternativ zu dem Epoxidharz auch ein thermoplastisches oder duromeres Harzsystem oder ein anderes duromeres Harzsystem verwendet werden kann, und zwar in der Form einer Lösung in einem anorganischen oder organischen Lösungsmittel vorliegt. Hierzu können als Lösungsmitteln bevorzugt Ketone, wie Aceton und Methylethylketon, Alkohole, Ether, Ester und dergleichen eingesetzt werden. Die Vorgehensweise bei der Imprägnierung ist dabei analog zu dem zuvor geschilderten Verfahren und unterscheidet sich davon lediglich dadurch, dass in dem Ofen im Gegensatz zu der zuvor geschilderten Variante lediglich das Lösungsmittel durch Verdampfen entfernt wird.
Beispiel 2: Herstellung eines carbonfaserverstärkten Kunststoffs auf Basis eines Carbonfaservlieses aus recycelten Carbonfasern mittels Nasspressverfahren
Variante 1
Ein wie in dem Beispiel 1 beschrieben hergestelltes Carbonfaservlies aus aus Produktionsabfällen stammenden Carbonfasern wurde mittels eines Nasspressverfahrens zu Carbonfaser verstärktem Kunststoff (CFK) verarbeitet.
Hierzu wurden mehrere Lagen des Vlieses auf einer Hebelschneidemaschine zu quadratischen Stücken geschnitten und in einer Pressform mittensymmetrisch aufeinander abgelegt. Anschließend wurde in die Pressformeine eine auf den erwünschten Faservolumengehalt von 35% in dem fertigen Bauteil errechnete Menge Epoxidharzformulierung zugegeben. Danach wurde die Pressform geschlossen und bei einer Temperatur von 150°C für 2,5 Stunden bei einem Druck von 42 bar gepresst. Grundsätzlich kann das Pressen bei diesem System bei einer Temperatur von 100 bis 150°C über einen Zeitraum von bis zu 3 Stunden, bevorzugt von bis zu einer Stunde und besonders bevorzugt von bis zu 15 Minuten sowie unter einem Druck von 0,1 bis 1.000 bar, bevorzugt von 1 bis 100 bar und besonders bevorzugt von 5 bis 30 bar durchgeführt werden.
Dadurch wurden sehr homogene Verbundwerkstoffplatten erhalten.
Variante 2
Ein wie in dem Beispiel 1 hergestelltes Carbonfaservlies aus aus Produktionsabfällen stammenden Carbonfasern wurde mittels eines Nasspressverfahrens zu Carbonfaser verstärktem Kunststoff (CFK) verarbeitet.
Hierzu wurden mehrere Lagen des Vlieses auf einer Hebelschneidemaschine zu quadratischen Stücken geschnitten und in einer Pressform abwechselnd mit jeweils einer Harzschicht zwischen zwei Carbonfaservlieslagen mittensymmetrisch aufeinander abgelegt. Die Harzschichten wurden dabei aufgesprüht, könnten jedoch auch in Form eines Harzfilms in die Form gegossen werden. Anschließend wurde die Pressform geschlossen und bei einer Temperatur von 150°C für 1 Stunde sowie unter einem Druck von 42 bar gepresst.
Dadurch wurden sehr homogene Verbundwerkstoffplatten erhalten.
Beispiel 3: Herstellung eines Prepregs auf Basis von aus Verarbeitungsabfällen hergestelltem Carbonfaservlies und dessen Weiterverarbeitung zu einem thermoplastischen Kunststoff
Auf einer Labor-Beschichtungsanlage wurde aus einem Carbonfaservlies, das aus Carbonfaserverschnittabfällen der Firma SGL ACF GmbH, Deutschland bestand, und einer festen, thermoplastischen Polymermatrix aus Polyamid 6 ein Prepreg hergestellt.
Das Carbonfaservlies wies ein Flächengewicht von ca. 103 g/m² auf und bestand aus bei der auf Carbonfaser basierten Textilfertigung anfallenden Verschnittabfällen aus Filamentbündeln mit einer Länge zwischen 20 und 250 mm und dieses wurde durch die Arbeitsschritte Zerkleinern der Verschnittabfälle, Öffnen der Filamentstränge, Mischen der geöffneten Filamentstränge, Kämmen, Aufbringen eines Adhäsionsmaterials, nämlich eines Klebevlieses, Konfektionierung und Aufwickeln hergestellt. Die Carbonfasern wiesen einen gemäß dem ASTM D5291-02 ermittelten Kohlenstoffgehalt (”carbon content”) von mehr als 90 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Fasern auf. Ferner enthielt das Carbonfaservlies einen geringen Anteil von Baumwolle und Polyesterfäden, deren Gehalt 20% nicht überstieg.
Die Beschichtungsanlage bestand aus jeweils einer Abwickeleinheit für Beschichtungspapier bzw. Trägerpapier und das Carbonfaservlies, einer Beschichtungseinheit, einem ersten Kalander, einer Ofeneinheit, einem zweiten Kalander, einer Kühlplatte sowie einer Aufwickeleinheit.
Wie vorstehend beschrieben hergestellte Carbonfaservliese und Matrixmaterialien wurden durch jedes der drei nachfolgend beschriebenen Verfahren miteinander kombiniert.
Variante 1 – Pulverprepreg
Die Beschichtungsanlage bestand in diesem Fall aus einer Auf- und Abwickeleinheit, einem Pulverstreuer und einem Heizfeld. Nach der Aufbringung des pulverförmigen Matrixmaterials auf das Carbonfaservlies wurde dieser Aufbau in das Heizfeld eingebracht, wobei die Temperatur des Heizfeldes auf 130°C eingestellt war und die Fördergeschwindigkeit des Aufbaus durch das Heizfeld so eingestellt war, dass die Pulverkörner gesintert wurden, d. h. dass diese zumindest an ihrer Oberfläche anschmolzen oder gar komplett schmolzen. Dadurch wurde eine Anhaftung des Pulvers an das Carbonfaservlies erreicht. Bei diesem Vorgang erfolgte jedoch noch keine signifikante Imprägnierung des Vlieses.
Im Anschluss an die erste Beschichtung und Fixierung wurde analog zu der vorstehend geschilderten Vorgehensweise auf der bisher nicht beschichteten Seite eine zweite Beschichtung durchgeführt. Durch die beidseitige Beschichtung wurde eine besonders hohe Gleichmäßigkeit und Ebenheit des Pulverprepregs erreicht. Dieser Verfahrensschritt ist jedoch optional.
Das so hergestellte Pulverprepreg wies ein Flächengewicht von 218 g/m² auf.
Einige der so hergestellten Pulverprepregs wurden abschließend durch beheizte Kalander konsolidiert bzw. verdichtet bzw. imprägniert, wobei die Temperatur 100°C oberhalb der Glasübergangstemperatur des verwendeten Polymers lag.
Dadurch wurde das Polymer in das Carbonfaservlies eingebracht und zu einem Organoblech verdichtet. Anschließend wurde das konsolidierte Organoblech herunter gekühlt und aufgewickelt bzw. zu Platten geschnitten.
Variante 2 – Folienkaschierung
Bei dieser Variante wurde das thermoplastische Polymer, das später die Matrix bildete, in der Form von Folien vorgelegt und kontinuierlich mit dem Carbonfaservlies zusammengeführt. Dabei wurden die Polymerfolien zweiseitig zugeführt, obgleich auch eine einseitige Zuführung möglich ist. Nach der Zusammenführung der Polymerfolien und des Carbonfaservlieses wurde das Material gemeinsam durch beheizte Kalander konsolidiert bzw. verdichtet bzw. imprägniert, wobei die Temperatur hierbei 100°C oberhalb der Glasübergangstemperatur des verwendeten Polymers lag.
Dadurch wurde das Polymer in das Carbonfaservlies eingebracht und zu einem Organoblech verdichtet. Das konsolidierte Organoblech wurde herunter gekühlt und aufgewickelt bzw. zu Platten geschnitten.
Variante 3 – Slurryimprägnierung durch a) Tauchen, b) Düsenauftrag, c) Filmtransfer (inkl. Lösungsmittel)
Bei dieser Variante lag das Matrixpolymer in der Form einer Suspension in einem Lösungsmittel vor. Als Lösungsmittel wurde dabei Wasser eingesetzt, obgleich genauso gut ein anorganisches oder organisches Lösungsmittel, wie beispielsweise ein Keton, wie Aceton oder Methylethylketon, ein Alkohol, ein Ether, ein Ester oder dergleichen oder eine Mischung aus verschiedenen Lösungsmitteln eingesetzt werden kann. Dabei können die Lösungen bzw. Suspensionen optional Stabilisatoren, wie Tenside oder wasserlösliche Polymere, wie z. B. Polyvinylalkohol, aber auch weitere Substanzen, die eine Stabilisierung der Suspension bewirken, enthalten.
Die Beschichtungsanlage bestand aus jeweils einer Abwickeleinheit für das Carbonfaservlies, einer Beschichtungseinheit, einem ersten Kalander, einer Ofeneinheit, einem zweiten Kalander, einer Kühlplatte sowie einer Aufwickeleinheit.
Die Matrix wurde auf die drei nachfolgend beschriebenen verschiedenen Arten mit dem Carbonfaservlies kombiniert.
Untervariante 1 – Slurry – Tauchen:
Bei der Tauchimprägnierung mit der Suspension wurde das Carbonfaservlies abgewickelt, zur Imprägnierung durch ein, die Suspension beinhaltendes Foulard gezogen, mittels Dosierwalzen abgequetscht und in einen Trockner geführt, in dem das Lösungsmittel verdampft wurde und das Polymer erwärmt wurde. Das durch diese Imprägnierung pulverbeschichtete Prepreg wurde durch eine beheizte Konsolidierungsstrecke, nämlich in einem Kalander konsolidiert bzw. verdichtet bzw. imprägniert, wobei die Temperatur 100°C oberhalb der Glasübergangstemperatur des verwendeten Polymers lag.
Dadurch wurde das Polymer in das Carbonfaservlies eingebracht und zu einem Halbzeug, nämlich in einer Versuchsreihe zu einem Organoblech und in einer anderen Versuchsreihe zu einem Prepreg, verdichtet. Das konsolidierte Halbzeug wurde schließlich herunter gekühlt und aufgewickelt bzw. in Platten geschnitten.
Untervariante 2 – Slurry Düsenauftrag:
Bei dem Düsenauftrag der Suspension wurde die Suspension direkt mittels einer Breitschlitzdüse auf das Carbonfaservlies aufgetragen, zur Imprägnierung durch einen Kalander geführt und anschließend in einen Trockner geführt, in dem das Lösungsmittel verdampft wurde und das Polymer erwärmt wurde. Das durch diese Imprägnierung erhaltene Prepreg wurde durch eine beheizte Konsolidierungsstrecke, nämlich einen Kalander konsolidiert bzw. verdichtet bzw. imprägniert, wobei die Temperatur 100°C oberhalb der Glasübergangstemperatur des verwendeten Polymers lag.
Dadurch wurde das Polymer in das Carbonfaservlies eingebracht und zu einem Halbzeug, nämlich in einer Versuchsreihe zu einem Organoblech und in einer anderen Versuchsreihe zu einem Prepreg verdichtet. Das konsolidierte Halbzeug wurde schließlich herunter gekühlt und aufgewickelt bzw. zu Platten geschnitten.
Unterariante 3 – Slurry – Film Transfer:
Bei dieser Variante bestand die Beschichtungsanlage aus jeweils einer Abwickeleinheit für Beschichtungspapier und das Carbonfaservlies, einer Beschichtungseinheit, einem ersten Kalander, einer Ofeneinheit, einem zweiten Kalander, einer Kühlplatte sowie einer Aufwickeleinheit.
Nach der Aufbringung der Suspension auf das Beschichtungspapier mit einer sehr definierten Grammatur von 115 g/m² (+/–3 g/m²) wurde das Carbonfaservlies in den Harzfilm abgelegt und in dem ersten Kalander zu einer ersten Imprägnierung konsolidiert. Anschließend wurde dieses in einen Trockner geführt, in dem das Lösungsmittel verdampft wurde und das Polymer erwärmt wurde. Das durch diese Imprägnierung erhaltene Prepreg wurde durch eine beheizte Konsolidierungsstrecke, nämlich einen Kalander konsolidiert bzw. verdichtet bzw. imprägniert, wobei die Temperatur 100°C oberhalb der Glasübergangstemperatur des verwendeten Polymers lag.
Dadurch wurde das Polymer in das Carbonfaservlies eingebracht und zu einem Halbzeug, nämlich in einer Versuchsreihe zu einem Organoblech und in einer anderen Versuchsreihe zu einem Prepreg verdichtet. Das konsolidierte Halbzeug wurde schließlich herunter gekühlt und aufgewickelt bzw. zu Platten geschnitten.
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 Nicht-Patentliteratur

ASTM D5291-02 [0059]
DIN EN 2557 [0062]
DIN EN 2329 [0062]
DIN EN 2559 [0062]
ISO-14125 [0063]
ISO-14125 [0063]
ISO-14125 [0063]
DIN/EN/ISO 1183-1 [0063]
DIN/EN 2564 [0063]
ASTM D5291-02 [0073]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines textilen Halbzeugs, insbesondere eines Prepregs, aus mit einem Matrixmaterial vorimprägnierten Carbonfasern, welches die nachfolgenden Schritte umfasst: a) Herstellen von aus wenigstens 10% Carbonfasern bestehendem Vlies und/oder von aus wenigstens 10% Carbonfasern bestehendem Filz, wobei wenigstens ein Teil der zur Herstellung des Vlieses und/oder Filzes eingesetzten Fasern Abfallfasern und/oder Recyclingfasern sind, und b) Imprägnieren des Vlieses und/oder des Filzes mit einem Matrixmaterial, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Thermoplasten, Duroplasten, Elastomeren und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Materialien besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägnierung des Vlieses und/oder des Filzes mit dem Matrixmaterial in dem Schritt b) durch ein Verfahren durchgeführt wird, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Prepregverfahren, Nasspressverfahren, Harzinfusionverfahren, Folienkaschierverfahren und Vakuum unterstützten (VARI-)Verfahren besteht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägnierung des Vlieses und/oder des Filzes mit dem Matrixmaterial in dem Schritt b) durch ein Flüssig-Prepregverfahren, durch ein Pulver-Prepregverfahren oder durch ein Nasspressverfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt a) zur Herstellung des Vlieses und/oder des Filzes eine Fasermischung eingesetzt wird, welche zu wenigstens 20%, vorzugsweise zu wenigstens 50%, insbesondere bevorzugt zu wenigstens 80%, besonders bevorzugt zu wenigstens 90%, ganz besonders bevorzugt zu wenigstens 95% und höchst bevorzugt vollständig aus Abfallfasern und/oder Recyclingfasern besteht.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt a) Abfallfasern und/oder Recyclingfasern eingesetzt werden, von denen wenigstens 10%, bevorzugt wenigstens 30%, besonders bevorzugt wenigstens 60%, ganz besonders bevorzugt wenigstens 80% und höchst bevorzugt 100% Carbonfasern sind.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt a) Recyclingfasern eingesetzt werden, welche aus Abfall in der Form von Gewebe, von Gelege, von Gewirk, von Gestrick, von mit einem Matrixmaterial vorimprägnierten Fasermaterial, von Fasern enthaltendem Verbundwerkstoff, insbesondere von Carbonfasern enthaltendem Verbundwerkstoff, oder einer beliebigen Mischung von zwei oder mehr der vorgenannten Materialien hergestellt worden sind.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vlies und/oder der Filz in Kombination mit wenigstens einem anderen Fasermaterial eingesetzt wird, wobei das andere Fasermaterial aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Geweben, Gelegen, unidirektionalen (UD-)Strängen, Bändern, Vliesen, Filzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Materialien besteht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Fasermaterialien in der Form eines Laminats angeordnet werden, wobei das Laminat beispielsweise aus wenigstens einer Vliesschicht und wenigstens einer Gewebeschicht oder aus wenigstens einer Vliesschicht und wenigstens einer Gelegeschicht besteht.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als anderes Fasermaterial ein zumindest teilweise aus Abfallfasern und/oder Recyclingfasern zusammengesetztes Fasermaterial eingesetzt wird, welches aus Kohlenstofffasern, Glasfasern, Polymerfasern und Mischungen aus zwei oder mehr der vorgenannten Materialien besteht, wobei die Polymerfasern vorzugsweise Polyamidfasern, Polyesterfasern, Polypropylenfasern, Polyacrylnitrilfasern, Fasern aus oxidiertem Polyacrylnitril sowie Fasern aus Copolymeren von zwei oder mehr der vorgenannten Materialien und Mischungen aus zwei oder mehr der vorgenannten Materialien sind.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt b) ein Matrixmaterial eingesetzt wird, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Epoxidharzen, Phenolharzen, Vinylesterharzen, Polyesterharzen, Polyurethanharzen, Benzoxazinharzen, Novolaken, Cyanatesterharzen, Bismaleimidharzen, Bisoxazolinen, Polyolefinen, wie beispielsweise Polypropylen, technischen Thermoplasten, wie beispielsweise Polyamiden, und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Materialien besteht.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vlies bzw. der Filz in dem Schritt b) mit so viel Matrixmaterial imprägniert wird, dass das Halbzeug nach dem Verfahrensschritt b) einen Gehalt an Matrixmaterial zwischen 1 und 90 Gew.-%, bevorzugt zwischen 30 und 70 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 40 und 65 Gew.-% aufweist.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägnierung des Vlieses und/oder des Filzes mit dem Matrixmaterial in dem Schritt b) durch ein Pulver-Prepregverfahren oder durch ein Flüssig-Prepregverfahren durchgeführt wird, wobei das Vlies bzw. der Filz vor der Durchführung des Verfahrensschritts b) einseitig oder beidseitig mit einem Trägermaterial, bevorzugt mit einer Trägerfolie oder mit einem Trägerpapier, beschichtet wird.
Textiles Halbzeug, insbesondere Prepreg, aus mit einem Matrixmaterial vorimprägnierten Carbonfasern erhältlich mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Carbonfaserverstärkter Verbundwerkstoff erhältlich durch Aushärten oder durch thermisches Umformen und optional Nachverdichten eines textilen Halbzeugs nach Anspruch 13.
Carbonfaserverstärkter Verbundwerkstoff nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen Fasergehalt zwischen 20 und 60%, bevorzugt zwischen 30 und 50%, besonders bevorzugt zwischen 35 und 45% und ganz besonders bevorzugt von 40% aufweist.
Carbonfaserverstärkter Verbundwerkstoff nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Zugfestigkeit von 100 bis 2.000 N/mm² und bevorzugt von 200 bis 800 N/mm² und/oder ein Elastizitätsmodul von 5 bis 180 GPa und bevorzugt von 10 bis 80 GPa aufweist.
Verwendung eines textilen Halbzeugs nach Anspruch 13 zur Herstellung von Komponenten, wie beispielsweise eines Strukturbauteils oder eines Außenhaubauteils eines Kraftfahrzeugs, eines Schienenfahrzeugs oder eines Transportfahrzeugs.