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Die Erfindung betrifft einen Faserverbundkunststoff (FVK), der eine bettende Matrix und verstärkende Fasern umfasst. Insbesondere betrifft die Erfindung einen FVK mit verbesserten mechanischen Eigenschaften in Querzugsrichtung.
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Faserverbundbauteile 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.
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Bei der Herstellung von FVK-Bauteilen wird nicht ein vorhandener Werkstoff, das Prepreg in seine endgültige Form gebracht; vielmehr wird der Faserverbundwerkstoff selber während der Bauteilherstellung gebildet. Von entscheidender Bedeutung für die FVK-Bauteile ist daher auch die Prepreg-Herstellung.
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Als Prepreg werden Halbzeuge bezeichnet, beispielsweise werden vorgetränkte Fasern als Prepreg bezeichnet. Bei der Prepregherstellung wird eine gleichmäßige Verteilung des Matrixwerkstoffes um die Fasern herum angestrebt.
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Zur Verbesserung der Eigenschaften der FVKs wurden nanopartikelmodifizierte Prepregs hergestellt, wobei der gewünschte Durchbruch nicht erreicht werden konnte, was zum einen auf Filtrationseffekte und weiterhin sich daraus ergebend auf nicht ausreichenden Kontakt der Verstärkungspartikel mit der Oberfläche der Langfaserverstärkung geschoben wird.
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Filtrationseffekt nennt man beispielsweise eine Anreicherung oder eine prozentuale Abfiltration/Verarmung von Feststoffen innerhalb einer Matrix.
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Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen nanomodifizerten Prepreg und ein Herstellungsverfahren dazu anzugeben, der gegenüber nicht-nanomodifizerten gleichen Systemen verbesserte mechanische Eigenschaften zeigt.
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Lösung der Aufgabe und Gegenstand der Erfindung ist daher ein nanomodifizierter Faserverbundkunststoff für einen Prepreg, eine Faser und eine bettende Matrix umfassend, wobei die bettende Matrix nanomodifiziert ist. Ebenso ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Prepregs, bei dem die Matrix vor dem Einbetten der Faser nanomodifiziert wird.
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Bei Faserverbundkunststoffen werden die mechanischen Eigenschaften durch Auswahl der Fasern und Matrixharze bestimmt. Die mechanischen Eigenschaften in Faserrichtung sind vor allem durch die Eigenschaften der Fasern bestimmt, währen in Querzugsrichtung insbesondere bei unidirektionalen Gelegen die Eigenschaften der Matrix bestimmend sind. In Faserverbundanwendungen für die Energietechnik, wie beispielsweise Windkraft und in der Medizintechnik, wie beispielsweise Patientenliegen sollen Zug- und Querzugeigenschaften verbessert werden. Bei Glasfaserverbunden ist man auf das E-Glas beschränkt, so dass Eigenschaftsverbesserungen nur über die Matrix eingebracht werden können. Bei Kohlefaser-Verbunden (CFK) stehen beispielsweise auch Hochmodul-Fasern zur Verfügung, durch deren gezielten Einbau die Steifigkeit des Verbundes erhöht wird.
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Als „nanomodifiziert“ wird vorliegend eine Matrix bezeichnet, in der Nanopartikel dispergiert sind. Die Verteilung des Nano-Materials innerhalb der bettenden Matrix ist bevorzugt homogen und/oder isotrop. Von der Erfindung mit umfasst ist natürlich auch die Form der Nanomodifizierung einer Matrix, bei der Inhomogenitäten in der Verteilung des Nano-Materials in der Matrix auftreten.
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Der Füllgrad des Nano-Materials in der bettenden Matrix beträgt beispielsweise 0,05 % bis 70 Gew.-%, bei Carbonnanotubes beispielsweise bevorzugt 0,1 bis 20 Gew.-% und – ebenfalls für den Fall von Carbonnanotubes als Nano-Material – insbesondere bevorzugt 0,1 bis 10 Gew.-%.
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Grundsätzlich ist der Füllgrad abhängig von der Wirksamkeit des Nano-Materials in der jeweiligen Matrix. So können für Metalloxide Füllgrade von 3 bis 60 Gew.-%, insbesondere von 7 bis 50 Gew.-% und besonders bevorzugt 10 bis 40 Gew.-% angegeben werden. Für die einzelnen Verbindungen verschieben sich diese Werte dann, insbesondere auch abhängig von der bettenden Matrix.
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So kann als Richtwert für Al2O3 beispielsweise 25 bis 45 Gew.-% angegeben werden. Siliziumoxid hat wieder leicht verschiedene Füllgrad-Optimum von 10 bis 25 Gew.-%.
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Als Nano-Materialien eignen sich ganz allgemein Metallverbindungen und/oder Metalle oder deren Legierungen allein oder in Mischungen, wobei die Nano-Materialien noch durch geeignete Seitenketten zur besseren Löslichkeit in der Matrix modifiziert sein können. Beispielsweise eignen sich als Metallverbindungen SiO2, Al2O3, CNTs, Graphene und Nanographite, metallische Nano-Materialien, Bornitrid (BN), Siliziumcarbid (SiC), Titanoxid (TiO2), Bariumtitanat (BaTiO3), Siliziumnitrid(SiN), Magnesiumoxid(MgO) und allgemein Oxide, Nitride, Carbide aller Gruppe II-Metalle und Übergangsgruppen-Metalle, insbesondere auch von Aluminium, Titan, Chrom, Vanadium, Niob und/oder Zirkon. Diese Verbindungen können alle an den Oberflächen beschichtet und/oder durch organische Seitenkettenmoleküle modifiziert sein.
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Als Metalle und/oder Metalllegierungen eignen sich alle bekannten Metalle.
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Die Materialien für die bettende Matrix werden dann wie üblich hergestellt und verarbeitet. Demnach umfasst ein Matrixmaterial beispielsweise neben dem eigentlichen Polymer und dem Nano-Material je nach Ausführungsform auch noch Additive, Zusatzstoffe, Füllstoffe, Lösungsmittel etc.
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Zur Modifizierung der Polymermatrix durch Nano-Material werden bevorzugt Nano-Materialien in Form von nanoskaligen Partikel, beispielsweise als Füllstoffe, in Form von Solen, Kolloiden oder ähnlichem in die bettende Matrix eingearbeitet.
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Abhängig vom Nano-Material werden verschiedene Prozentbereiche bevorzugt, beispielsweise wird Nano-SiO2 in Mengen von 7% bis 40 Gew.-%, Nano-CarbonNanoTubes (CNT) im Bereich von 0,05 bis 5 Gew.-% und Nano-Al2O3 in Mengen von 30 bis 50 Gew.-% eingearbeitet. Bevorzugte Bereiche liegen dann innerhalb dieser Grenzen, also beispielsweise für Nano-SiO2 bei 10 bis 25 Gew.-%, bei CNT von 0,1 bis 3 Gew.-% und bei Nano- Al2O3 30 bis 40 Gew.-%.
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Beispiele für die bettende Matrix sind polymere Kunststoffe aller Art. Beispiele dafür sind Duroplaste, Harze auf Basis von Epoxid-, Polyurethan-, Acrylat. Es eignen sich außerdem ungesättigte Polyester(UP)-Harze, Vinylester(VE)-Harze, Duromere, Duroplaste, und/oder weitere Kunstharze.
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Beispielsweise können bei der hier durchgeführten Prepregherstellung Filtrationseffekte vermieden werden, weil durch einen spezifischen Einpressvorgang der Fasergewebe in das aufgerakelten Harzbett durch verbesserte Vereinzelung die Fasern vollständig benetzt werden.
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Beispielsweise wird eine sehr gute Vereinzelung der Nanopartikel sowie ein Herstellungsprozess des Prepregs erreicht, welcher einen direkten Kontakt der Faserverstärkung mit dem nanopartikelmodifizierten Harz darstellt („Einpressvorgang“).
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Zunächst wird auf einer Trennfolie eine Schicht des flüssigen Prepregharzes über einen Rakel-/Düsen- oder Walzenauftragsprozess aufgebracht. Anschließend werden die Faserverstärkungen über eine Anpressrolle oder Walze in das Harzbett eingedrückt. Vorteil dieses Vorgehens im Vergleich zu einem klassischen Infusionsprozess zur Herstellung der FVK ist, dass das partikelmodifizierte Harz nur die Fasern benetzt und keine langen Fließwege durch die Fasergewebe entstehen.
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Vorteilhafterweise wird das Verfahren so geführt, dass die Verstärkungspartikel selbst in dicht gewebten Faserlagen keine Filtrationseffekte zeigen, weil der Fließweg des Harzes zur Faser hin besonders kurz gehalten wird.
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Es ist aus den in den Figuren gezeigten Abbildungen zu erkennen, dass der Biegemodul durch die CNT-Modifikation des Kohlefaserverbundes bis über 25 % und die Biegefestigkeit bis gut 20 % gesteigert wird.
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Beispiel:
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Verfahren zur Herstellung eines nanopartikelmodifizierten Harzes (erster Schritt) und daraus eines Prepregs:
- 1. Schritt: Dispersion der CNTs (Carbon Nano Tubes) in einem Harz in einer festgelegten Konzentration, beispielsweise bei CNTs mit der Konzentration von 1 Gew.-%. Die Dispersion kann beispielsweise über die Dreiwalztechnologie erfolgen. Hier erfolgt die Dispergierung durch Scherung der grob vordispergierten Nanopartikel in zwei Spalten sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit drehender Walzen. Dadurch wird in Harzen eine gute Vereinzelung von Nanopartikel erreicht.
Als CNTs können beispielsweise
– CNT-MW-COOH, also einem Multiwall-CNT, das mit COOH-Säuregruppen funktionalisiert ist, von Future Carbon,
– NC 7000: Multiwall-CNTs von Nanocyl;
– NC 3101: Multiwall-CNTs von Nanocyl, säuregruppenfunktionalisiert)
im Harz dispergiert werden.
Als Harz kann beispielsweise das als Araldit LY 556 bekannte Epoxidharz der Fa. Huntsmann eingesetzt werden.
- 2. Schritt: Mischung mit Härter und/oder Beschleuniger
Als Härter kann beispielsweise der Dicyandiamid-Härter und als Beschleuniger (Aradur® 1571*/Accelerator 1573*Hardener XB 3403) eingesetzt werden, die Mischung erfolgt beispielsweise über einen Standardrührer.
- 3. Schritt: Herstellung der Prepregs durch Beschichten einer Trennfolie (Schichtdicke: 800 µm) und nachfolgendem Eindrücken der Kohlefasergewebe (Flächengewicht: ca. 200 g/m2, 0/90° Köperwebung)
In einem 4. Verfahrensschritt kann aus dem Prepreg der Faserverbundkunststoff hergestellt werden.
- 4. Schritt: Verbundherstellung:
• B-Staging Prepreg: 24 h RT,
• Herstellung 3-Schichtverbund: 1 h 150 °C in Presse bei 100 bar; Dicke: 1 mm.
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Nachfolgend werden in der Figur noch die Vorteile ausgewählter und beispielhafter FVKs nach der Erfindung im Biegemodul im Vergleich zum Stand der Technik (Referenz) näher erläutert:
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Die Figur zeigt das Biegemodul von 3 nach der Erfindung nanomodifizerten FVKs im Vergleich zu einer identischen, nicht nanomodifizerten FVK Probe. Durchgeführt wurde der normierte 3-Punkt-Biegeversuche nach ISO 14125. Es ist zu erkennen, dass das Biegemodul bis zu 25% gegenüber der Referenzprobe gesteigert werden kann.
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Die Erfindung betrifft einen Faserverbundkunststoff (FVK), der eine bettende Matrix und verstärkende Fasern umfasst. Insbesondere betrifft die Erfindung einen FVK mit verbesserten mechanischen Eigenschaften in Querzugsrichtung. Erstmals werden deutlich gesteigerte mechanische Eigenschaften gemessen, weil die bettende Matrix der Fasern vor der Einbettung der Fasern nano-modifizert wird. Dies insbesondere deshalb, weil nicht nur vor Einbringung der Faser das Harz nanomodifiziert wird, sondern durch das hier angegebene Verfahren zur Nanomodifikation der Harzmatrix eine verbesserte Vereinzelung der Nanopartikel erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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