DE102011003312A1

DE102011003312A1 - Faserverbundkunststoff sowie Herstellungsverfahren dazu

Info

Publication number: DE102011003312A1
Application number: DE102011003312A
Authority: DE
Inventors: Christian Seidel; Heinrich Zeininger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2012-08-02
Also published as: EP2646499A2; WO2012100997A3; US9416236B2; WO2012100997A2; US20140128501A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Faserflächengebilde, bei dem Fasern in eine Matrix eingebettet sind. Gemäß der Erfindung wird eine gesteigerte mechanische Festigkeit durch Verbesserung der Adhäsion zwischen der Faser und der Matrix erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Faserflächengebilde, bei dem Fasern in eine Matrix eingebettet sind.
Faserverbundkunststoffe zeichnen sich im Vergleich zu metallischen Konstruktionswerkstoffen durch ein deutlich geringeres spezifisches Gewicht und höhere spezifische Eigenschaften aus.
Es sind Faserverbundkunststoffe beispielsweise aus der DE 20 2004 008 122 bekannt, sie werden auch als ”Organoblech” oder ”Hybridgarngewebe” bezeichnet und im Flugzeug-, Schiffs- oder Fahrzeugbau sowie in der Energieindustrie eingesetzt, generell bei Leichtbauanwendungen.
Ein Faserverbundkunststoff (FVK) ist ein Mehrphasen- oder Mischwerkstoff aus mindestens zwei Hauptkomponenten, eine bettende Matrix und verstärkende Fasern. Als bettende Matrix wird ein Harz, als Faser beispielsweise eine Glas-, Kohlenstoff- und/oder Aramidfaser eingesetzt. FVK-Bauteile finden Anwendung in klassischen statischen Konstruktionen und zunehmend auch in dynamisch belasteten Bauteilen oder Komponenten, beispielsweise in Turbinenkomponenten für die Energieerzeugung inklusive Windräder, Bauteile für (Schienen-)Fahrzeuge, Komponenten elektrotechnischer Geräte (Trafos, Generatoren, Motoren) oder in der Photovoltaik.
Bei der Herstellung wird eine Faser mit dem Harz imprägniert oder infiltriert. Die Fasern tragen in der Regel zumindest teilweise eine Beschichtung, wie beispielsweise eine so genannte Schlichte an der Oberfläche, die zum einen eine glatte Faseroberfläche für die Webschritte gewährleistet zum anderen eine Kompatibilisierung mit der Matrix herstellt. Diese Schlichte besteht beispielsweise aus nasschemisch aufgebrachten Silan-, Ester- Acrylat- oder Epoxidharzverbindungen und anderen.
Es besteht immer der Bedarf, die Steifigkeit, Festigkeit, Reißfestigkeit, (Schlag)-zähigkeit, die Verbesserung des Benetzungsverhaltens der Faser sowie die Schwingfestigkeit und Kompaktheit der FVKs zu optimieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen FVK zu schaffen, der gegenüber der Stand der Technik verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist.
Die Lösung der Aufgabe und der Gegenstand der Erfindung sind in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbart.
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass die Adhäsion zwischen der Faser und der bettenden Matrix essentiell für die mechanischen Eigenschaften des FVKs ist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Faserverbundkunststoff, Fasern und eine bettende Matrix umfassend, wobei die Oberfläche der Faser durch chemische und/oder physikalische Mittel so aktiviert ist, dass sie beim Kontakt mit der bettenden Matrix mit dieser reagiert und so chemische und/oder physikalische Bindungen zu dem Matrixmaterial aufbaut. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffes, wobei die Oberfläche der Faser unmittelbar vor dem Einbetten in die Matrix physikalisch und/oder chemisch aktiviert wird.
Als chemische Bindung werden kovalente Einfach- oder Mehrfachbindungen bezeichnet. Polar oder ionogen aufgebaute Bindungen und Wasserstoffbrückenbindungen bezeichnen physikalische, nebenvalente Bindungen.
Als Faser können alle Arten von Fasern, insbesondere Hochleistungsfasern eingesetzt werden, beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe folgender Fasern: Kohlenstofffasern, Glasfaser, Aramidfaser, polymere Fasern wie Polyethylenfaser, Polypropylenfaser, Polystyrolfaser, Polyethylenterephtalatfaser, Keramikfaser wie Siliziumcarbidfaser, Aluminiumoxidfasern oder sonstige verstärkende Fasern. Die Fasern können in Form von einem Gewebe, Gewirke, Gelege, Geflecht, Faservlies vorliegen.
Als bettende Matrix können alle Arten von Kunststoffmatrizen eingesetzt werden, beispielsweise Thermoplasten, Harze, wie Epoxidharze, ungesättigte Polyester(UP)-Harze, Vinylester(VE)-Harze Duromere, Duroplaste und/oder Kunstharze. Diese Harze können alle Arten von Füllstoffen enthalten, nach einer bevorzugten Ausführungsform sind nanoskalige Partikel in die bettende Matrix, also beispielsweise das Harz, eingearbeitet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Fasern beschichtet, so dass beispielsweise nasschemisch eine Schlichte auf die Faser aufgebracht wurde und diese ummantelt.
Die Schlichte ist beispielsweise aus Silan- oder Epoxidharzmaterialien. Weitere Beispiele sind Acrylate Esterverbindungen und Polyurethan sowie der gesamte Bereich der polymeren Harzsysteme, die als Lösung oder in einer Dispersion auf die Fasern aufgebracht werden können.
Als ”chemische Aktivierung” wird beispielsweise das Kontaktieren der beschichteten oder unbeschichteten Verstärkungsfaser mit Säuren, oxidierenden Säuren, Basen, reduzierenden Basen, Flammsilanisierung, oder ähnliches bezeichnet.
Als ”physikalische Aktivierung” wird beispielsweise die Aktivierung durch Einbringen in ein Plasma bezeichnet, beispielsweise Einbringen in ein Niederdruck-, oder Atmosphärendruckplasma. Weiterhin sind auch Coronasysteme geeignet für die physikalische Oberflächenaktivierung.
Durch die chemische und/oder physikalische Aktivierung der Oberfläche der, beispielsweise auch beschichteten, Faser wird diese in einen reaktiven. Zustand versetzt, also auf einen energetischen Berg gebracht, so dass sie mit allem, womit sie in Berührung kommt, abreagiert und somit in ein Energietal fällt. Die Kontaktierung mit der bettenden Matrix folgt entsprechend bevorzugt unmittelbar auf die Aktivierung, so dass mit dieser Matrix und nicht mit den umgebenden Gasen oder Feuchte abreagiert wird.
Bevorzugt wird der Faserverbundkunststoff so hergestellt, dass die Oberfläche der Faser unmittelbar vor dem Einbetten in die Matrix physikalisch und/oder chemisch aktiviert wird.
Durch die physikalische Aktivierung mittels Plasma kann auch ein dünner organischer oder anorganischer Film aus dem Plasma abgeschieden werden, der dann die reaktive Faseroberfläche bildet, das wird auch als Plasmabeschichtung bezeichnet.
Durch die Erfindung werden deutliche Verbesserungen bei den Organoblechen, insbesondere im Hinblick auf

– das Benetzungsverhalten der Fasern und damit eine bessere Infiltration der Polymermatrix
– Steigerung der statischen mechanischen Konstruktionseigenschaften Modul, Festigkeit, Dehnung in Zug, Schub und Biegung
– Steigerung der dynamisch-mechanischen Eigenschaften: Die Schwingbelastbarkeit bei schwellender oder wechselnder Belastung kann bei Zug-, Biegung und Schubbelastung gesteigert werden.

Im Folgenden wird noch anhand einer Figur gezeigt, wie die Festigkeit des FVKs durch die Aktivierung der Faseroberfläche und folgende verbesserte Adhäsion zwischen Faser und bettender Matrix gesteigert werden konnte:
Die Figur zeigt das Diagramm einer Referenz-Glasfaser mit Epoxidharz im Vergleich mit der flammsilanisierten und einer plasmaaktiverten Oberfläche der Glasfaser.
Die Referenz hatte eine Festigkeit von 12,42 MPa. Diese Festigkeit konnte durch ein so genanntes Pyrosilverfahren, also die Abscheidung einer Benetzung verbessernden Silikatschicht, daher auch Flammsilanisierung genannt, um 25% und durch 100 Sekunden im Plasma um 33% und 30 Sekunden im Plasma um 50% gesteigert werden
Die Erfindung zeigt erstmals, welche Festigkeitssteigerungen durch die Verbesserung der Adhäsion zwischen der Faser und der bettenden Matrix bei FVks erreicht werden kann.
Die Erfindung betrifft ein Faserflächengebilde, bei dem Fasern in eine Matrix eingebettet sind. Gemäß der Erfindung wird eine gesteigerte mechanische Festigkeit durch Verbesserung der Adhäsion zwischen der Faser und der Matrix erreicht.
Geprüft und nachgewiesen wird eine verbesserte Faser-Matrix-Adhäsion beispielsweise durch interlaminare Scherfestigkeit, auch Spaltfestigkeit genannt oder Transverse Fibre Bundle Test (TFBT).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202004008122 [0003]

Claims

Faserverbundkunststoff, Fasern und eine bettende Matrix umfassend, wobei die Oberfläche der Fasern durch chemische und/oder physikalische Mittel so aktiviert ist, dass sie beim Kontakt mit der bettenden Matrix mit dieser reagiert und so chemische und/oder physikalische Bindungen zu dem Matrixmaterial aufbaut.
Faserverbundkunststoff nach Anspruch 1, wobei die Faser ausgewählt ist aus der Gruppe folgender Fasern: Kohlenstofffaser, Karbonfaser, Glasfaser, Aramidfaser, polymere Faser wie Polyethylenfaser, Polypropylenfaser, Polystyrolfaser, Polyethylenterephtalatfaser und/oder Keramikfaser.
Faserverbundkunststoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei die bettende Matrix ausgewählt ist aus folgenden Matrices: Thermoplasten, Harze, wie Epoxidharze, ungesättigte Polyester(UP)-Harze, Vinylester(VE)-Harze, Duromere, Duroplaste und/oder Kunstharze.
Faserverbundkunststoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur Aktivierung der Oberfläche der Faser ausgewählt sind aus folgender Gruppe: Plasma- und/oder Coronamodifizierung, Säure/Basemodifizierung, oxidative oder reduktive Modifizierung, Flammsilanisierung und/oder Beflammung.
Faserverbundkunststoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche der Faser zumindest zum Teil eine Beschichtung umfasst.
Faserverbundkunststoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche der Faser zumindest zum Teil eine Beschichtung mit einer Schlichte umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffes, wobei die Oberfläche der Faser unmittelbar vor dem Einbetten in die Matrix physikalisch oder chemisch aktiviert wird.