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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundhalbzeuges, ein nach dem Verfahren hergestelltes Faserverbundhalbzeug, ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteiles sowie einen nach dem Verfahren hergestelltes Faserverbundbauteil.
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Konkret betrifft die Anmeldung ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundhalbzeuges in Form eines thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbundhalbzeuges, ein nach dem Verfahren hergestelltes thermoplastisches Faser-Kunststoff-Verbundhalbzeug, ein Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffes sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes thermoplastisches Faser-Kunststoff-Verbundbauteil. Ein Faserverbundhalbzeug in Form eines thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbundhalbzeuges besteht aus Verstärkungsfasern, die in eine thermoplastische Kunststoffmatrix eingelagert sind. Ein thermoplastisches Faser-Kunststoff-Verbundhalbzeug dient zur Herstellung von thermoplastischen Faserverbundbauteilen.
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Zur Herstellung eines Faserverbundhalbzeuges in Form eines thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbundhalbzeuges werden zunächst Fasern und ein Polymer in Form eines Thermoplasten, der sich in einem Zustand möglichst geringer Viskosität befindet, zusammengeführt. Um den Thermoplasten in einen Zustand einer möglichst geringen Viskosität zu überführen, kann der Thermoplast insbesondere erschmolzen werden. Während des Prozesses dringt der erschmolzene Thermoplast in die Faserzwischenräume ein und benetzt die Fasern. Dies wird allgemein als Imprägnierung bezeichnet. Für die weitgehende oder vollständige Imprägnierung der Fasern durch den Thermoplasten ist die Beaufschlagung der imprägnierten Fasern mit einer äußeren Kraft, insbesondere Druck, erforderlich. Die Beaufschlagung der imprägnierten Fasern mit Druck ermöglicht neben der weitgehenden oder vollständigen Imprägnierung der Fasern auch eine Kompaktierung der imprägnierten Fasern auf die Enddicke des Faserverbundhalbzeuges. Dieser parallel ablaufende Prozess wird als Konsolidierung bezeichnet. Nach Abschluss der Imprägnierung und Konsolidierung des Verbundes aus Fasern des Thermoplasten lässt man den Thermoplasten auf Temperaturen unterhalb der entsprechenden Schmelztemperatur abkühlen. Nachdem der Thermoplast abgekühlt ist, bildet dieser eine Kunststoffmatrix, in die die Fasern eingebettet sind und als Verstärkungsfasern für den thermoplastischen Kunststoff wirken. Ein danach hergestelltes thermoplastisches Faser-Kunststoff-Verbundhalbzeug wird anschließend durch Thermoformen in einem weiteren Verfahrensschritt zum fertigen Faserverbundbauteil geformt. Beim Thermoformen wird der Thermoplast der Kunststoffmatrix erneut über seine Schmelztemperatur erhitzt und das Halbzeug anschließend in die gewünschte Form gebracht, bevor man es erkalten lässt und hierdurch die endgültige Geometrie des Faserverbundbauteils erhält.
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Eines der Hauptprobleme bei der Herstellung von Faserverbundhalbzeugen in Form von thermoplastischen Fasern-Kunststoff-Verbundhalbzeugen ist die Viskosität des Thermoplasten. Denn auch bei Temperaturen oberhalb ihres Schmelzpunktes weisen thermoplastische Polymere regelmäßig noch eine hohe Viskosität auf, so dass eine vollständige oder weitgehende Imprägnierung der Fasern mit dem Thermoplasten, regelmäßig nur durch ein zusätzliches Beaufschlagen des Verbundes aus Fasern und erschmolzenem Thermoplasten mit Druck, mit hohen Prozesstemperaturen und durch lange Prozesszeiten möglich ist.
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Nachteilig an diesen Prozessparametern ist, dass die Fasern durch die hohen Drücke, die hohen Prozesstemperaturen und die lange Prozessdauer beschädigt werden können. Ferner kann es durch die hohen Prozesstemperaturen zu einer unerwünschten Zersetzung des Thermoplasten kommen. Darüber hinaus stehen die hohen Prozesszeiten den in der Industrie regelmäßig gewünschten geringen Prozesszeiten gegenüber. Schließlich sind die hohen Drücke, die hohen Prozesstemperaturen und langen Prozesszeiten unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten nachteilig, da diese Prozessparameter einen erheblichen Energieeinsatz erfordern und daher insbesondere auch entsprechend leistungsfähiger Anlagen bedürfen.
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Aus der
WO 2011/003900 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen bekannt, bei dem Fasern durch ein Bad, enthaltend Caprolactam und andere Ausgangsstoffe für Polyamid 6, gezogen und anschließend polymerisiert werden. Das nach diesem Verfahren erhaltene Produkt muss zur Erstellung eines Halbzeuges ebenfalls nachbehandelt werden, da zunächst die überschüssige Flüssigkeit des Bades entfernt und das Produkt anschließend konsolidiert werden muss.
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Der Erfindung liegt vor diesem Hintergrund die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, durch das ein Faserverbundhalbzeug, insbesondere ein Faserverbundhalbzeug in Form eines thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbundhalbzeuges, mit günstigeren Prozessparametern als mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren herstellbar ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, durch das ein Faserverbundhalbzeug mit geringerem Energieaufwand als mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren herstellbar ist. Insbesondere sollte durch das Verfahren ein vollständig oder weitgehend imprägniertes thermoplastisches Faser-Kunststoff-Verbundhalbzeug ohne Beaufschlagung von zusätzlichem Druck und bei geringeren Temperaturen als mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren herstellbar sein. Ferner soll ein entsprechend imprägniertes Faserverbundhalbzeug innerhalb geringerer Prozesszeiten als mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren herstellbar sein.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, durch das die Fasern bei der Herstellung weniger belastet werden als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren. Insbesondere sollen die Fasern im geringeren Umfang durch Druck und Temperaturen belasten werden.
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Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, durch das ein Faserverbundhalbzeug in nur einen Verfahrensgang, insbesondere ohne separate Konsolidierungsschritte herstellbar ist.
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Schließlich ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundhalbzeuges in Form eines thermoplastischen Faser-Kunststoffverbundhalbzeuges herzustellen, bei dem der Kunststoff während der Herstellung weniger belastet wird als bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, insbesondere soll bei dem Verfahren eine Zersetzung des Kunststoffs gehemmt oder gänzlich unterdrück sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß zur Verfügung gestellt ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundhalbzeuges, das die folgenden Schritte umfasst:
Zur Verfügungstellen von Fasern;
Zur Verfügungstellen einer ε-Caprolactam umfassenden Mischung;
Aufsprühen der Mischung auf die Fasern;
Erhitzen der Fasern mit der darauf aufgebrachten Mischung auf eine Temperatur in einem ersten Temperaturbereich, bei der die Mischung eine Viskosität aufweist, bei der die Fasern durch die Mischung imprägniert werden, wobei die Temperatur unterhalb der Temperatur liegt, bei der das ε-Caprolactam durch ringöffnende Polymerisation zu Polycaprolactam reagiert;
Imprägnierenlassen der Fasern durch die Mischung;
Erhitzen der imprägnierten Fasern auf eine Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich, bei der das ε-Caprolactam durch ringöffnende Polymerisation zu Polycaprolactam reagiert;
Aufrechterhalten der Reaktion des ε-Caprolactams zu Polycaprolactam, bis das ε-Caprolactam zu Polycaprolactam reagiert ist;
Abkühlen der Fasern mit der darauf reagierten Mischung.
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Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Faserverbundhalbzeug herstellbar ist, bei dem die Fasern vollständig imprägniert sind, ohne dass die imprägnierten Fasern zu deren vollständiger Imprägnierung mit einer äußeren Kraft, insbesondere Druck, beaufschlagt werden müssten. Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Faserverbundhalbzeug kann daher ohne weitere Bearbeitungsschritte, insbesondere ohne zwischengeschaltete Konsolidierungsschritte, unmittelbar für die Herstellung von Faserverbundbauteilen verwendet werden.
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Insbesondere wurde erfindungsgemäß festgestellt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren ein vollständiges oder weitgehend imprägniertes thermoplastisches Faser-Kunststoff-Verbundhalbzeug bei wesentlich geringeren Prozesstemperaturen, ohne ein zusätzliches Aufbringen von Druck und bei wesentlich geringeren Prozesszeiten herstellbar ist, indem eine ε-Caprolactam enthaltende Mischung auf Fasern aufgesprüht wird, die Fasern zunächst mit dem ε-Caprolactam imprägniert werden und man das ε-Caprolactam anschließend auf den imprägnierten Fasern in-situ zu Polycaprolactam reagieren lässt. Erfindungsgemäß wurde weiter festgestellt, dass bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundhalbzeuges das auf die Fasern aufgesprühte ε-Caprolactam zunächst in einen Zustand einer niedrigen Viskosität zu bringen ist, so dass es die Fasern imprägniert, und das ε-Caprolactam, nachdem es die Fasern imprägniert hat, anschließend bis auf eine Temperatur zu erhitzen ist, in der es durch ringöffnende Polymerisation zu Polycaprolactam reagiert. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird Polycaprolactam zur vollständigen oder weitgehenden Imprägnierung der Fasern damit nicht auf den Fasern erschmolzen oder die Fasern durch ein Bad mit Caprolactam gezogen, sondern ε-Caprolactam, als Ausgangsprodukt für Polycaprolactam, zunächst auf die Fasern aufgesprüht, wobei man das ε-Caprolactam anschließend in-situ auf den Fasern zu Polycaprolactam reagieren lässt.
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Die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigten Temperaturen und Prozesszeiten liegen weit unter den Prozesstemperaturen und Prozesszeiten, die für die Herstellung von Faserverbundhalbzeugen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren nötig sind. Auf ein Aufbringen von Druck kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vollständig verzichtet werden.
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Auf Grund der geringeren Prozesstemperaturen, der geringeren Prozesszeiten sowie des nicht notwendigen Aufbringens von Druck lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren Faserverbundhalbzeuge ökonomisch wesentlich vorteilhafter herstellen als nach dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren.
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Ferner lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren qualitativ hochwertigere Faserverbundhalbzeuge als mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren herstellen, da die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Faserhalbzeuge durch die geringeren Prozesstemperaturen, die geringen Prozesszeiten sowie die nicht notwendige Druckbeaufschlagung geringer belastet sind.
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Schließlich wurde erfindungsgemäß festgestellt, dass die ε-Caprolactam enthaltende Mischung die Fasern ohne weitere Verfahrensschritte, insbesondere ohne weitere Konsolidierungsschritte, vollständig oder zumindest weitgehend imprägnieren kann, wenn sie durch Aufsprühen auf die Fasern aufgetragen wird. Die Imprägnierung wird durch Kohäsions-, Adhäsions- und Kapillarkräfte, jeweils mit Unterstützung durch Gravitation, erreicht. Vorteilhaft an einem Aufsprühen der Mischung auf die Fasern ist ferner, dass sie in viel geringeren Mengen auf die Fasern auftragbar ist als durch den Auftrag in einem Tränkbad, so dass ein weiterer Verfahrensschritt, in dem überschüssige Tränkflüssigkeit entfernt werden muss, nicht notwendig ist. Jedoch ist durch die Erfindung auch das Herstellen von Faserverbundhalbzeugen mit Matrixüberschuss möglich. Ferner lässt sich durch ein erfindungsgemäßes Auftragen der Mischung auf die Fasern mittels Aufsprühen ein Faserverbundhalbzeug herstellen, das einen höheren Faseranteil aufweist als bei einem Auftrag mittels eines Tränkbades, ohne dass es hierzu eines weiteren Verfahrensschrittes zum Entfernen überschüssigen Matrixmaterials bedarf. Durch den höheren Faseranteil, den die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Faserhalbzeuge aufweisen, weisen diese jedoch eine höhere Festigkeit bei gleichzeitig geringerem Materialeinsatz auf.
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Je nach Grad der Imprägnierung kann ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Faserverbundhalbzeug als Prepreg (Halbzeuges, bei dem die Faser noch nicht vollständig imprägniert sind) oder als Organoblech (Halbzeug, bei dem die Fasern vollständig imprägniert sind), verwendet werden.
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Als Fasern können für das erfindungsgemäße Verfahren grundsätzlich sämtliche zur Herstellung von Faserverbundhalbzeugen beziehungsweise zur Herstellung von Faserverbundbauteilen bekannten Fasern verwendet werden, also beispielsweise Fasern aus Glas, Kohlenstoff, Aramid, Metall, Keramik, polymeren Kunststoffen oder Naturstoffen. Bevorzugt werden Fasern verwendet, die durch die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen Temperaturen nicht nachteilig beeinflusst werden.
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Die Fasern können als Endlosfasern, bevorzugt als Endlosfasern in orientierter beziehungsweise ausgerichteter Form vorliegen.
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Besonders bevorzugt werden Fasern in Form von Faserhalbzeugen verwendet. Als Faserhalbzeug können die Fasern beispielsweise in Form von Faserbündeln (Rovings), Fasergeweben, Fasermatten, Faservliesen, Fasergesticke, Fasergeflechten oder Fasergelegen vorliegen.
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Die ε-Caprolactam umfassende Mischung kann neben Caprolactam wenigstens eine weitere Komponente enthalten.
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Die Mischung kann grundsätzlich in einer beliebigen sprühfähigen Form vorliegen, bevorzugt in flüssiger Form.
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Die in sprühfähiger Form vorliegende Mischung wird auf die Fasern aufgesprüht. Bevorzugt werden die Fasern vollständig beziehungsweise die Faserhalbzeuge vollflächig mit der Mischung besprüht, so dass eine vollständige oder weitgehende Imprägnierung der Fasern durch die Mischung beschleunigt und verbessert werden kann.
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Die Mischung kann durch beliebige Mittel, die zum Sprühen geeignet sind, auf die Fasern aufgesprüht werden, beispielsweise durch Sprühdüsen.
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Die Fasern mit der darauf aufgesprühten Mischung werden bis in einen ersten Temperaturbereich erhitzt, bei der die Mischung eine Viskosität aufweist, bei der die Fasern durch die Mischung imprägniert werden. Durch das Erhitzen der Mischung verringert sich deren Viskosität, so dass diese die Fasern besser und schneller imprägnieren kann. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Mischung so stark erhitzt wird, dass sie eine möglichst geringe Viskosität aufweist. Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Mischung nicht auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der das ε-Caprolactam anionisch polymerisiert beziehungsweise in einer ringöffnenden Polymerisation zu Polycaprolactam reagiert. Denn eine solche Reaktion würde die Viskosität der Mischung erhöhen, was eine schlechtere Imprägnierung der Fasern durch die Mischung zur Folge hätte. Bevorzugt werden die Fasern mit der darauf aufgebrachten Mischung bis in einen ersten Temperaturbereich erhitzt, bei der die Mischung eine Viskosität von höchstens 100 mPa·s aufweist, also beispielsweise auch von höchstens 50 mPa·s, 30 mPa·s, 20 mPa·s oder höchstens 10 mPa·s. Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Faser mit der darauf aufgebrachten Mischung auf eine Temperatur im ersten Temperaturbereich erhitzt werden, bei der die Mischung eine Viskosität von wenigstens 1 mPa·s aufweist, also beispielsweise auch von wenigstens 5 mPa·s, 7 mPa·s oder 10 mPa·s.
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Erfindungsgemäß kann die erhitzte Mischung demnach beispielsweise eine Viskosität im Bereich von 1 bis 100 mPa·s aufweisen. Bei einer solchen Viskosität, können die Fasern umfassend und schnell durch die ε-Caprolactam umfassende Mischung imprägniert werden.
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Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass die Mischung eine zur Imprägnierung der Fasern günstige Viskosität aufweist, insbesondere eine Viskosität im vorgenannten Bereich, wenn die Fasern mit der darauf aufgebrachten Mischung bis auf eine Temperatur von wenigstens 80°C erhitzt werden, also beispielsweise auch auf eine Temperatur von wenigstens 90°C oder wenigstens 95°C. Um zu verhindern, dass das ε-Caprolactam in der Mischung vor Abschluss der Imprägnierung bereits beginnt zu Polycaprolactam zu reagieren, kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass die Fasern mit der darauf aufgebrachten Mischung nicht auf Temperaturen über 130°C erhitzt werden, also insbesondere beispielsweise auch nicht auf Temperaturen über 120°C, 110°C oder 100°C. Der erste Temperaturbereich kann demnach beispielsweise bei 80°C bis 130°C liegen.
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Es kann vorgesehen sein, die Faser mit der darauf aufgebrachten Mischung stufenweise oder kontinuierlich bis auf Temperaturen im ersten Temperaturbereich zu erhitzen. Eine solche stufenweise oder kontinuierliche Erhitzung kann besonders schonend für die Fasern und die Mischung sein.
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Nachdem die Fasern mit der darauf aufgebrachten Mischung bis in den ersten Temperaturbereich erhitzt worden sind, lässt man die Fasern durch die Mischung erfindungsgemäß imprägnieren. Es kann vorgesehen sein, dass die Fasern mit der darauf aufgebrachten Mischung während des Imprägnierenlassens nicht weiter erhitzt werden, da erfindungsgemäß festgestellt wurde, dass die Mischung die für eine Imprägnierung der Fasern notwendige niedrige Viskosität eine Zeit lang auch ohne weiteres Erhitzen beibehält.
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Die Imprägnierung der Fasern durch die Mischung geschieht ohne jegliche Beaufschlagung der auf die Fasern aufgebrachten Mischung mit Druck. Vielmehr erfolgt die Imprägnierung der Fasern allein durch Gravitationskräfte und Kapillarkräfte.
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Bevorzugt lässt man die Fasern so lange durch die Mischung imprägnieren, bis diese vollständig oder weitgehend durch die Mischung beziehungsweise das ε-Caprolactam der Mischung imprägniert sind. Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Fasern innerhalb eines sehr kurzen Zeitraumes, beispielsweise innerhalb von nur wenigen Sekunden oder Minuten, vollständig oder weitgehend durch die Mischung imprägniert werden. Erfindungsgemäß kann demnach vorgesehen sein, dass man die Fasern höchstens 30 Minuten, also beispielsweise auch höchstens 10 Minuten, und beispielsweise wenigstens 1 Minute, also beispielsweise auch wenigstens 3 Minuten durch die Mischung imprägnieren lässt.
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Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt die vollständige Imprägnierung der Fasern, so dass die Fasern des das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Faserverbundhalbzeuges nach einer Ausführungsform zu 100% imprägniert sind. Es kann für manche Verwendungen, insbesondere für bestimmte Arten der Weiterverarbeitung des Faserverbundhalbzeuges zum Faserverbundbauteil erforderlich sein, dass die Fasern nicht vollständig imprägniert sind. Nach einer Ausführungsform kann daher vorgesehen sein, dass die Fasern des das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Faserverbundhalbzeuges zu höchstens 70% imprägniert sind und ferner beispielsweise zu wenigstens 30%, also beispielsweise auch zu wenigstens 60% imprägniert sind.
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Nach der Imprägnierung der Fasern durch die Mischung werden die imprägnierten Fasern bis in einen zweiten Temperaturbereich erhitzt, der bei höheren Temperaturen als der erste Temperaturbereich liegt und bei der das ε-Caprolactam in der Mischung durch ringöffnende Polymerisation anionisch zu Polycaprolactam reagiert. Polycaprolactam, das auch als Polyamid 6 oder PA6 bezeichnet wird, ist ein Polymer aus der Gruppe der Polyamide, das als thermoplastische Kunststoffmatrix mit eingelagerten Fasern als Verstärkungsfasern ein thermoplastisches Faser-Kunststoff-Verbundhalbzeug ergibt, aus dem sich Faserverbundbauteile mit hervorragenden Eigenschaften herstellen lassen.
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Das Erhitzen der imprägnierten Fasern bis in den zweiten Temperaturbereich erfolgt bevorzugt unmittelbar im Anschluss an die Imprägnierung, wobei die Erhitzung unmittelbar vom ersten in den zweiten Temperaturbereich erfolgt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Erhöhung der Temperatur vom ersten in den zweiten Temperaturbereich fließend oder stufenweise erfolgt, wodurch die Fasern und die Mischung besonders schonend erhitzt werden.
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Die Erhitzung der Mischung auf Temperaturen im zweiten Temperaturbereich dient dazu, die Mischung bis auf eine Temperatur anzuheben, bei der die ringöffnende anionische Polymerisation des ε-Caprolactams einsetzt und dieses zu Polycaprolactam reagiert.
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Je nach Zusammensetzung der Mischung kann eine solche Reaktion ab etwa 120°C einsetzen, so dass erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen ist, die imprägnierten Fasern auf eine Temperatur von wenigstens 120°C zu erhitzen, um das ε-Caprolactam in der Mischung durch ringöffnende Polymerisation zu Polycaprolactam reagieren zu lassen. Entsprechend kann demnach auch beispielsweise vorgesehen sein, die imprägnierten Fasern auf eine Temperatur von wenigstens 130°C, 140°C oder von wenigstens 155°C zu erhitzen. Da die Geschwindigkeit, mit welcher ε-Caprolactam zu Polycaprolactam reagiert, unter anderem von der Prozesstemperatur abhängt, kann durch eine Erhöhung der Temperatur, auf die die imprägnierten Fasern erhitzt werden, eine Beschleunigung der Reaktion von ε-Caprolactam zu Polycaprolactam erreicht werden. Die ε-Caprolactam enthaltende Mischung kann demnach beispielsweise derart zusammengesetzt sein, dass das ε-Caprolactam in der Mischung bereits unterhalb der Temperaturen, auf die die imprägnierten Fasern erhitzt werden, zu Polycaprolactam reagiert, so dass durch die darüber liegenden Temperaturen, auf die die imprägnierten Fasern erhitzt werden, eine beschleunigte Reaktion des ε-Caprolactams zu Polycaprolactam erreicht werden kann. Da eine zu hohe Prozesstemperatur die Fasern oder die Mischung negativ beeinflussen kann, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die imprägnierten Fasern auf eine Temperatur von nicht mehr 200°C erhitzt werden, also beispielsweise auch auf eine Temperatur von nicht mehr als 180°C, 170°C oder 160°C.
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Der zweite Temperaturbereich, bis in den die imprägnierten Fasern erhitzt werden, so dass das ε-Caprolactam durch ringöffnende Polymerisation zu Polycaprolactam reagiert, kann demnach beispielsweise im Bereich von 120°C bis 200°C liegen.
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Das Erhitzen der Fasern mit der darauf aufgebrachten Mischung bis in den ersten Temperaturbereich sowie das Erhitzen der imprägnierten Fasern bis in den zweiten Temperaturbereich erfolgt bevorzugt durch Beaufschlagung mit Energie, insbesondere mit thermische Energie, die zu einer Erhitzung der Fasern mit der darauf aufgebrachten Mischung beziehungsweise der imprägnierten Fasern führt.
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Die Erhitzung der Fasern mit der darauf aufgebrachten Mischung auf eine Temperatur im ersten Temperaturbereich und das Erhitzen der imprägnierten Fasern in den zweiten Temperaturbereich kann grundsätzlich durch beliebige Mittel erfolgen, die aus dem Stand der Technik zur Erhitzung eines Verbundes aus Fasern und eines Thermoplasten zur Herstellung von Faserverbundhalbzeugen und Faserverbundwerkzeugen bekannt sind. Beispielsweise kann das Erhitzen mittels Infrarot-Strahlung, Laser, Induktion, Konvektion, elektrischer Spannung, Reibung (beispielsweise Ultraschall). Mikrowellen, Radiowellen, Flammen oder Anblasen mit heißem Gas oder Dampf erfolgen.
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Aus dem Stand der Technik sind dem Fachmann Mittel bekannt, durch die ein Verbund aus Fasern und einem Thermoplasten erhitzt werden kann.
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Das gesamte Verfahren, insbesondere die Erhitzung der Fasern mit der darauf aufgebrachten Mischung bis in den ersten Temperaturbereich, das Imprägnierenlassen der Faser durch die Mischung, das Erhitzen der imprägnierten Fasern bis in den zweiten Temperaturbereich sowie das Aufrechterhalten der Reaktion des ε-Caprolactam zu Polycaprolactam kann unter Inertatmosphäre durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Verfahren in einer geschlossenen Umgebung durchgeführt werden, beispielsweise in einem gekapselten Ofen, in dem eine Inertatmosphäre herrscht. Die Inertatmosphäre dient insbesondere dazu, eine ungewünschte Reaktion der Komponenten der Mischung mit den in der Umgebungsluft enthaltenen Bestandteilen, Elementen und Molekülen zu vermeiden. Die Inertatmosphäre kann insbesondere in Form einer Atmosphäre aus Inertgasen, beispielsweise in Form von Stickstoff oder Argon vorliegen.
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Sobald die mit der Mischung imprägnierten Fasern bis in den zweiten Temperaturbereich erhitzt worden sind, bei der das ε-Caprolactam durch ringöffnende Polymerisation zu Polycaprolactam reagiert, läuft diese Reaktion exotherm ab, so dass zur Aufrechterhaltung der Reaktion des ε-Caprolactam zu Polycaprolactam keine weitere Erhitzung der imprägnierten Fasern notwendig sein kann. Nach einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass die Reaktion des ε-Caprolactam zu Polycaprolactam ohne weitere Erhitzung der imprägnierten Fasern aufrechterhalten wird. Eine solche Vorgehensweise ist besonders energiesparend. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Reaktion des ε-Caprolactam zu Polycaprolactam unter weiterer Erhitzung der imprägnierten Faser aufrechterhalten bleibt, um die Reaktion hierdurch zu beschleunigen. Die Reaktion des ε-Caprolactam zu Polycaprolactam kann so lange aufrechterhalten bleiben, bis das ε-Caprolactam vollständig oder weitgehend zu Polycaprolactam reagiert ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Reaktion von ε-Caprolactam zu Polycaprolactam für wenigstens eine Minute aufrechterhalten bleibt, also beispielsweise für wenigstens 2 Minuten, 10 Minuten, 30 Minuten oder 60 Minuten. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Reaktion nicht mehr als 180 Minuten aufrechterhalten bleibt, also beispielsweise auch nicht mehr als 120 Minuten oder 60 Minuten. Um die Reaktion von ε-Caprolactam zu Polycaprolactam innerhalb dieser Zeiträume erreichen zu können, werden die Zusammensetzung der Mischung sowie die Temperatur, auf die die imprägnierten Fasern erhitzt werden, derart aufeinander abgestimmt, dass das ε-Caprolactam innerhalb dieser Zeiträume vollständig oder weitgehend zu Polycarpolactam reagieren kann.
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Die Mischung kann neben ε-Caprolactam einen oder mehrere weitere Stoffe aufweisen, die zusammen mit ε-Caprolactam als Ausgangsstoffe zur Herstellung von Polycaprolactam durch ringöffnende Polymerisation des ε-Caprolactams dienen. Insbesondere kann die Mischung neben ε-Caprolactam als solche Stoffe wenigstens einen Aktivator und Katalysator umfassen.
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Als Aktivatoren können alle für die anionische Polymerisation von ε-Caprolactam geeigneten Aktivatoren eingesetzt werden, insbesondere wenigstens einer der folgenden Aktivatoren: Aktivatoren, die durch Umsetzung von Isocyanaten hergestellt werden können; blockierte Isocyanate; Polyole; Polydiene in Kombination mit Säurechloriden; oder N-Acyllactame.
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Katalysatoren können beispielsweise Kalium oder Natrium-Lactamate sein, insbesondere Natrium-Caprolactamat.
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Das Verhältnis von ε-Caprolactam, Aktivator und Katalysator in der Mischung zueinander kann insbesondere auf die gewünschte Polymerisationsdauer abgestimmt sein. Katalysatoren können beispielsweise in Anteilen von 0,1 bis 40 Masse-% in der Mischung vorliegen, bezogen auf die Gesamtmasse der Mischung. Aktivatoren können beispielsweise in Anteilen von 0,1 bis 1 Mol-% vorliegen, bezogen auf den Anteil an ε-Caprolactam in der Mischung. Beispielsweise kann das Molverhältnis von ε-Caprolactam, Aktivator und Katalysator zueinander in der Mischung im Bereich von 1000:1:1 bis 1000:400:100, besonders bevorzugt im Bereich von 1000:50:20 bis 1000:200:100 liegen.
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Nachdem das ε-Caprolactam im gewünschten Umfang zu Polycaprolactam reagiert ist, werden die Fasern mit der darauf reagierten Mischung, die vollständig oder weitgehend aus Polycaprolactam besteht, abgekühlt.
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Das Abkühlen kann beispielsweise durch eine Zwangskühlung erreicht werden, oder dadurch, dass die Fasern mit der reagierten Mischung der Umgebungsluft ausgesetzt werden. Eine Zwangskühlung kann beispielsweise durch Anblasen der Fasern mit Kühlluft oder einem sonstigen Kühlgas oder beispielsweise durch Kontakt der Fasern mit der darauf reagierten Mischung an einer Oberfläche erfolgen. Soweit die Abkühlung beispielsweise in einer Gasatmosphäre erfolgt, kann diese Gasatmosphäre beispielsweise eine Temperatur unterhalb von 80°C aufweisen, also beispielsweise auch eine Temperatur in einem Temperaturbereich von –60°C bis 50°C.
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Nach Abschluss der Abkühlung wird ein Faserverbundhalbzeug in Form eines thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbundhalbzeuges erhalten, das aus einer Kunststoffmatrix in Form von Polycaprolactam besteht, in die die Fasern als Verstärkungsfasern eingebettet sind. Dieses Faserverbundhalbzeug kann auf beliebige Art bearbeitet werden, beispielsweise aufgerollt werden oder geschnitten werden.
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In einem oder mehreren weiteren Verfahrensschritten kann das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Faserverbundhalbzeug zu einem Faserverbundbauteil weiterverarbeitet werden. Insbesondere kann das Faserverbundhalbzeug durch formgebende Prozesse zu einem Faserverbundbauteil weiterverarbeitet, insbesondere beispielsweise durch Thermoformen.
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Eine Weiterverarbeitung des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Faserverbundhalbzeuges ist vor dessen Weiterverarbeitung zu einem fertigen Faserverbundbauteil nicht notwendig, insbesondere sind keine zwischengeschalteten Konsolidierungsschritte notwendig.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Faserverbundhalbzeug, das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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Schließlich sind Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteiles, bei dem das gemäß dem hierin beschriebenen Verfahren hergestellte Faserverbundhalbzeug ohne weitere Konsolidierungsschritte durch Thermoformen zu einem Faserverbundbauteil weiterverarbeitet wird, sowie ein danach hergestelltes Faserverbundbauteil.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Figur und der zugehörigen Beschreibung.
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Sämtliche Merkmale der erfindungsgemäßen Verfahren sowie der nach diesen Verfahren erfindungsgemäß hergestellten Erzeugnisse können, einzeln oder in Kombination, beliebig miteinander kombiniert werden.
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Ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundhalbzeuges wird in der nachstehenden Figurenbeschreibung näher erläutert.
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Dabei zeigt, stark schematisiert,
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1 ein schematisches Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundhalbzeuges.
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Gemäß dem in 1 dargestellten Beispiel werden Fasern in Form von endlosen Kohlenstofffasern, die zu einem Gewebe 1 konfektioniert sind, kontinuierlich von einer Rolle 3 abgewickelt.
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Das Gewebe 1 wird kontinuierlich von der Rolle 3 abgewickelt und über mehrere Rollen entlang eines nachfolgend näher geschilderten Transportweges geführt, bis es schließlich auf eine Rolle 33 aufgewickelt wird, nachdem das Gewebe 1 erfindungsgemäß behandelt worden ist.
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Nach Umlenkung des abgewickelten Gewebes 1 um eine erste Umlenkrolle 5 wird das Gewebe 1 mit einer ε-Caprolactam umfassenden Mischung besprüht. Die ε-Caprolactam umfassende Mischung wird in einer Sprühvorrichtung 7 zur Verfügung gestellt. Die Sprühvorrichtung 7 weist Sprühdüsen 9 auf, über die die ε-Caprolactam umfassende Mischung auf das Gewebe 1 aufgesprüht wird. Während die Sprühvorrichtung 7 auf einer Seite des Gewebes 1 angeordnet ist, ist auf der gegenüberliegenden Seite des Gewebes 1 eine erste Heizeinrichtung 11 in Form eines Heizstrahlers angeordnet. Durch die erste Heizreinrichtung 11 werden die Fasern 1 mit der darauf aufgebrachten Mischung auf eine Temperatur von 90°C erhitzt. Hierdurch verringert sich die Viskosität der auf das Gewebe 1 aufgesprühten Mischung auf etwa 10 mPa·s, wodurch die Kohlenstofffasern des Gewebes 1 vollständig durch die Mischung imprägniert werden.
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Die Mischung umfasst neben ε-Caprolactam einen Aktivator in Form eines N-Acyllactams sowie einen Katalysator in Form von Natrium-Caprolactamats. Das Molverhältnis von ε-Caprolactam, Aktivator und Katalysator zueinander beträgt 1000:100:50.
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Um die Erhitzung der auf das Gewebe 1 aufgesprühten Mischung und damit die Imprägnierung der Fasern des Gewebes 1 aufrechtzuerhalten, ist in Transportrichtung des Gewebes 1 hinter der ersten Heizeinrichtung 11 eine zweite Heizeinrichtung 13 in Form eines weiteren Heizstrahlers angeordnet, durch den das Erhitzen der Fasern mit der darauf aufgebrachten Mischung auf Temperaturen von 90°C aufrechterhalten bleibt.
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Schließlich ist in Transportrichtung des Gewebes 1 hinter der zweiten Heizeinrichtung 13 eine dritte Heizeinrichtung 15 in Form eines Heizstrahlers angeordnet. Bis das Gewebe 1 an der dritten Heizeinrichtung 15 vorbeigeführt werden, sind die Fasern des Gewebes 1 durch die Mischung vollständig imprägniert.
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Durch die dritte Heizreinrichtung 15 werden die imprägnierten Fasern nunmehr auf eine Temperatur von 150°C erhitzt. Bei dieser Temperatur reagiert das ε-Caprolactam der Mischung durch ringöffnende Polymerisation zu Polycaprolactam. Die Fasern des Gewebes 1 mit dem darauf zu Polycaprolactam reagierenden ε-Caprolactam werden direkt hinter der dritten Heizeinrichtung 15 in einen Reaktor 17 eingeführt, in dem die Reaktion des ε-Caprolactam zu Polycaprolactam durch exotherme Reaktion aufrechterhalten bleibt, bis das ε-Caprolactam vollständig zu Polycaprolactam reagiert ist. Im Reaktor 17 wird das Gewebe 1 über weitere Umlenkrollen 19, 21, 23, 25, 27 geführt.
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Nachdem die Reaktion des ε-Caprolactam zu Polycaprolactam abgeschlossen ist, werden die Fasern mit der darauf zu Polycaprolactam reagierten Mischung aus dem Reaktor 17 ausgeleitet und in einem Kühlraum 29 mit einer Umgebungsluft von 20°C eingeleitet, so dass das Gewebe 1 mit der darauf reagierten Mischung abkühlt. Im Kühlraum 29 wird das Gewebe 1 über Umlenkrollen 28, 30 geführt. Nach Abschluss der Kühlung wird ein Faserverbundhalbzeug 31 erhalten, das auf eine Rolle 33 aufgewickelt wird.
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Das Verfahren wird im Ausführungsbeispiel kontinuierlich durchgeführt.
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Bis auf den Verfahrensschritt der Kühlung des Gewebes 1 im Kühlraum 29 werden sämtliche Verfahrensschritte in einer durch eine Wandung 35 begrenzten, geschlossenen Umgebung durchgeführt, wobei der durch die Wandung 35 umschlossene Raum mit Inertgas in Form von Argon gefüllt ist. so dass diese Verfahrensschritte in der geschlossenen Umgebung vollständig unter Inertgasatmosphäre durchgeführt werden.
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Die Dauer, für die die Reaktion von ε-Caprolactam zu Polycaprolactam im Reaktor 17 aufrechterhalten wird, liegt bei etwa 10 Minuten.
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Das erhaltene Faserverbundhalbzeug 31 kann ohne zwischengeschaltete Konsolidierungsschritte durch Thermoformen zu einem Faserverbundbauteil weiterverarbeitet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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