DE102011115966B4 - A method of making a CFRP molding material and method of making a particulate carbon fiber recyclate - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstofffaser-Rezyklats für CFK-Bauteile, umfassend die Schritte: – Zerkleinern eines CFK-Materials, das Kohlenstofffaser-Bündel (KFB) in einem Matrixmaterial aufweist, in ein Rezyklat-Ausgangsmaterial, in dem von Matrixmaterial umgebene Kohlenstofffaser-Bündel-Abschnitte (BA) vorliegen, – Unterziehen des Rezyklat-Ausgangsmaterials einer Zersetzungsbehandlung in Form einer Pyrolyse oder Carbonisierung des Matrixmaterials, wobei das Matrixharz 15 bis 40% Gew.-% seines Ursprungsgewichts verliert und bei der die Kohlenstofffasern der Bündel-Abschnitte (BA) gebunden bleiben, indem das pyrolysierte oder carbonisierte Matrixmaterial weiter als Binder zwischen den Fasern wirkt, und die Kohlenstofffasern (1) an einem Umfang der Bündel-Abschnitte (BA) im Wesentlichen frei liegen, – und dabei Bilden eines partikulären Kohlenstofffaser-Rezyklats (KFR)A method for producing a carbon fiber recyclate for CFRP components, comprising the steps of: comminuting a CFRP material which has carbon fiber bundles (CFC) in a matrix material into a recyclate starting material in which carbon fiber bundles surrounded by matrix material Sections (BA) are present, - subjecting the recyclate starting material to a decomposition treatment in the form of pyrolysis or carbonization of the matrix material, the matrix resin losing 15 to 40% by weight of its original weight and binding the carbon fibers of the bundle sections (BA) remain in that the pyrolyzed or carbonized matrix material continues to act as a binder between the fibers and the carbon fibers (1) are essentially exposed on a circumference of the bundle sections (BA), and thereby form a particulate carbon fiber recyclate (KFR)
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines partikulären Kohlenstofffaser-Rezyklats und ferner ein Verfahren zur Herstellung einer CFK-Formmasse hieraus. Weiter wird eine CFK-Formmasse offenbart.The invention relates to a process for producing a particulate carbon fiber recyclate and also to a process for producing a CFRP molding material therefrom. Furthermore, a CFK molding compound is disclosed.
Das Recycling von Wertstoffen gewinnt angesichts knapper werdender Rohstoffe immer mehr an Bedeutung. So werden heute in vielen Bereichen unterschiedliche Materialien rezykliert, um daraus neue Gegenstände herzustellen. Auch das Recycling faserhaltiger Materialien, insbesondere faserverstärkten Kunststoffen, ist bekannt.The recycling of recyclable materials is becoming increasingly important in view of the scarcity of raw materials. For example, in many areas different materials are recycled in order to produce new objects. The recycling of fiber-containing materials, in particular fiber-reinforced plastics, is known.
So beschreibt
In der
Werden so gewonnene Fasern unter Matrixmaterialzusatz zu neuen Halbzeugen unter Verwendung von Mischgeräten weiterverarbeitet, treten durch den Einsatz etwa von Knetern hohe Scherbelastungen auf, die nachteilig noch vorhandene Faserbündel weitgehend auflösen und die Fasern schädigen, d. h. insbesondere stark verkürzen, wodurch die mechanische Leistungsfähigkeit des Materials leidet. Durch die Zerstörung der Faserbündel und die Faserverkürzung sind nur geringe Volumengehalte an Verstärkungsfasern in den so hergestellten Halbzeugen erreichbar. Bei der Weiterverarbeitung des Halbzeugs zum fertigen Bauteil tritt durch weitere Scherkräfte, die beispielsweise beim Spritzgießen entstehen, eine weitere Schädigung der Verstärkungsfasern auf.If fibers thus obtained are further processed using matrix material to form new semifinished products using mixing devices, the use of kneaders, for example, causes high shear stresses, which disadvantageously largely dissolve remaining fiber bundles and damage the fibers. D. H. especially severely shorten, whereby the mechanical performance of the material suffers. Due to the destruction of the fiber bundles and the fiber shortening only small volume contents of reinforcing fibers in the semifinished products thus produced can be achieved. In the further processing of the semifinished product to the finished component occurs by further shear forces, which arise for example in injection molding, a further damage to the reinforcing fibers.
Um dieses Problem zu lösen, wurde vorgeschlagen, die Faserbündel in eine hinreichend feste Matrix aus einem thermoplastischen oder einem vernetzten duroplastischen Material einzubetten und in Form von zugeschnittenen Faserbündeln (”Stäbchen”) in die Halbzeugmasse einzuarbeiten. Hierdurch kann eine Schädigung der Fasern vermieden und es können bessere mechanische Eigenschaften des fertigen Bauteils erreicht werden.To solve this problem, it has been proposed to embed the fiber bundles in a sufficiently solid matrix of a thermoplastic or a crosslinked thermosetting material and incorporated in the form of cut fiber bundles ("rods") in the semifinished product. As a result, damage to the fibers can be avoided and better mechanical properties of the finished component can be achieved.
Nachteilig ergibt sich bei dieser Vorgehensweise, dass die Haftung des Matrixmaterials an der Imprägnierung aus Thermoplast oder vernetztem Duroplast zu gering ist und zudem nur eine verhältnismäßig geringe Oberfläche zur Anbindung von Matrix an die Faser zur Verfügung steht.The disadvantage of this procedure is that the adhesion of the matrix material to the impregnation of thermoplastic or crosslinked thermoset is too low and also only one relatively low surface area for attachment of matrix to the fiber is available.
Hieraus ergibt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Kohlenstofffaser-Rezyklats bereitzustellen, das ein geeignetes Kohlenstofffaser-Rezyklat als Edukt für die Verarbeitung zum Halbzeug ist. Weiter ergibt sich die Aufgabe der Herstellung einer ebenfalls zur Halbzeug- und weiter zur Bauteilfertigung geeigneten CFK-Formmasse.It is an object of the present invention to provide a process for producing an improved carbon fiber recyclate which is a suitable carbon fiber recyclate as a starting material for processing into a semifinished product. Next, the task of producing a likewise suitable for semi-finished and continue to make the component CFRP molding compound.
Diese Aufgaben werden durch die Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt. In einem ersten Aspekt umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines partikulären Kohlenstofffaser-Rezyklats die Schritte:
- – Zerkleinern eines CFK-Materials, das Kohlenstofffaser-Bündel in einem Matrixmaterial aufweist, in ein Rezyklat-Ausgangsmaterial, in dem von Matrixmaterial umgebene Kohlenstofffaser-Bündel-Abschnitte vorliegen,
- – Unterziehen des Rezyklat-Ausgangsmaterials einer Zersetzungsbehandlung des Matrixmaterials bis zu einem Grad, bei dem die Kohlenstofffasern der Bündel-Abschnitte gebunden bleiben und die Kohlenstofffasern an einem Umfang der Bündel-Abschnitte im Wesentlichen frei liegen, und dabei Bilden des partikulären Kohlenstofffaser-Rezyklats.
- Crushing a CFRP material comprising carbon fiber bundles in a matrix material into a recycled raw material in which carbon fiber bundle sections surrounded by matrix material are present,
- Subjecting the recycled raw material to a decomposition treatment of the matrix material to a degree that the carbon fibers of the bundle portions remain bonded and the carbon fibers are substantially exposed at a periphery of the bundle portions, thereby forming the particulate carbon fiber recyclate.
Der hier verwendete Begriff „Rezyklat-Ausgangsmaterial” meint ein Edukt aus in (Längs-)-Abschnitte zerkleinerte Kohlenstofffaser-Bündel, wobei quasi Faserabschnitte als geordnete Faserstücke die Bündel bilden und von Matrixmaterial und gegebenenfalls von darüber hinaus Füllstoffen und andere Additiven umgeben sind. Das Rezyklat-Ausgangsmaterial dient der Herstellung des Zwischenprodukts „Kohlenstofffaser-Rezyklat”, das seinerseits wieder ein Edukt ist für CFK-Formassen und Bauteile hieraus.The term "recycled raw material" used here means an educt of carbon fiber bundles comminuted in (longitudinal) sections, wherein quasi fiber sections as ordered fiber pieces form the bundles and are surrounded by matrix material and optionally by fillers and other additives. The recycled raw material is used to produce the intermediate "carbon fiber recyclate", which in turn is an educt for CFRP molding compounds and components thereof.
Bei der Zersetzungsbehandlung kann es sich um eine thermische Behandlung handeln, bei der das Matrixmaterial zumindest teilweise in ein Verkohlungsprodukt überführt wird, das die Fasern der Bündel-Abschnitte gebunden hält. Die thermische Behandlung gemäß der vorliegenden Erfindung ist daher keine Pyrolyse im klassischen Sinne, sondern eine Karbonisierung der Kunststoffmatrix, bei der neben flüchtigen Kohlenwasserstoffen und anderen kohlenstoffhaltigen Gasen freier Kohlenstoff und das Verkohlungsprodukt entsteht. Dabei wird das Matrixmaterial um ein Bündel so weit zersetzt, dass sich gerade am Umfang des Bündels nach außen frei liegende Fasern befinden, während der „Kern” des Bündels von Verkohlungsprodukt gebunden bleibt. ”Verkohlungsprodukt” im Sinne der vorliegenden Erfindung meint, dass das Matrixmaterial so weit karbonisiert wird, dass die Eigenschaften des Matrixharzes nur noch so weit vorhanden sind, dass es weiter als Binder zwischen den Fasern wirkt. Die thermische Behandlung erfolgt bevorzugt unter Ausschluss von Luft, bzw. unter nicht oxidierenden Bedingungen. Bevorzugt wird die Pyrolyse bzw. Carbonisierung so eingestellt, dass das Matrixharz ca. 15 bis 40% Gew.-% seines Ursprungsgewichts verliert.The decomposition treatment may be a thermal treatment in which the matrix material is at least partially converted to a char which holds the fibers of the bundle sections bound. The thermal treatment according to the present invention is therefore not pyrolysis in the classical sense, but a carbonization of the plastic matrix, which in addition to volatile hydrocarbons and other carbon-containing gases free carbon and the char produced. In doing so, the matrix material is decomposed by a bundle such that fibers exposed to the outside at the periphery of the bundle are present, while the "core" of the bundle of charred product remains bound. For the purposes of the present invention, "charring product" means that the matrix material is carbonized to such an extent that the properties of the matrix resin are only present so far that it continues to act as a binder between the fibers. The thermal treatment is preferably carried out in the absence of air or under non-oxidizing conditions. Preferably, the pyrolysis or carbonation is adjusted so that the matrix resin loses about 15 to 40% by weight of its original weight.
Die Partikel, die so erhalten werden, können pelletförmig sein. Die randständig vorliegenden freien Fasern prädestinieren dieses Kohlenstofffaser-Rezyklat zum Einsatz in CFK-Formmassen, da diese Fasern in der weiteren Verarbeitung die Aufnahme frischen Matrixmaterials unterstützen. Durch die erfindungsgemäße Zersetzungsbehandlung können bei entsprechender Wahl der Zersetzungsbedingungen etwa vorteilhaft 2 bis 5 freiliegende Faserlagen geschaffen werden.The particles thus obtained may be pellet-shaped. The marginal free fibers predestine this carbon fiber recyclate for use in CFRP molding compounds, since these fibers support the uptake of fresh matrix material during further processing. By means of the decomposition treatment according to the invention, 2 to 5 exposed fiber layers can advantageously be created with a suitable choice of the decomposition conditions.
Um die Faserlagenzahl einzustellen, können die Bedingungen Temperatur, Druck, und Dauer etwa bei der thermischen Zersetzung entsprechend eingestellt werden.In order to adjust the number of fiber layers, the conditions of temperature, pressure, and duration can be adjusted accordingly, for instance during the thermal decomposition.
Das Verkohlungsprodukt ist, je nach Art der Kunststoffmatrix nach der thermischen Behandlung, bzw. Pyrolyse oder Carbonisierung mikroporös, was ebenfalls bei der Weiterverarbeitung das Eindringen frischen oder „reinen” Matrixmaterials bei der CFK-Formmassenherstellung fördert. Dies führt zu einer verbesserten Verbindung zwischen Matrix und Faserbündeln.Depending on the type of plastic matrix after the thermal treatment, or pyrolysis or carbonization, the charring product is microporous, which likewise promotes the penetration of fresh or "pure" matrix material into CFRP molding compound during further processing. This leads to an improved connection between matrix and fiber bundles.
Alternativ zur thermischen Zersetzungsbehandlung kann diese Zersetzungsbehandlung auch eine nasschemische oder eine Ätzbehandlung der oberflächennahen Matrixbestandteile der Bündel-Abschnitte sein. Auch hier kann die freiliegende Faserlagenzahl durch die Dauer der Behandlungszeit oder die Wahl der Chemikalie eingestellt werden.As an alternative to the thermal decomposition treatment, this decomposition treatment may also be a wet-chemical or an etching treatment of the near-surface matrix components of the bundle portions. Again, the exposed fiber ply number can be adjusted by the duration of the treatment time or the choice of chemical.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Kohlenstofffaserbündel eine Breite von 1 mm bis 4 mm, eine Dicke von 0,1 mm bis 0,3 mm und eine Länge von 5 mm bis 30 mm haben. Dieses definierte Verhältnis von Breite zu Dicke zu Länge (dieses ergibt sich u. a. aus der Tex-Zahl der ursprünglich verwendeten CF-Rovings) dient dazu, einheitliche Verarbeitungsbedingungen und eine gleich bleibende Materialqualität sicherzustellen.It has proved to be advantageous if the carbon fiber bundles have a width of 1 mm to 4 mm, a thickness of 0.1 mm to 0.3 mm and a length of 5 mm to 30 mm. This defined ratio of width to thickness to length (which, among other things, results from the Tex number of the CF rovings originally used) serves to ensure uniform processing conditions and a consistent material quality.
In einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer CFK-Formmasse. Es umfasst die Schritte:
- – Bereitstellen eines Kohlenstofffaser-Rezyklats, das durch das vorstehende Verfahren zur Herstellung eines partikulären Kohlenstofffaser-Rezyklats erhältlich ist,
- – Vermischen des Kohlenstofffaser-Rezyklats mit zumindest einem aushärtbaren Matrixmaterial, dabei Imprägnieren zumindest der freiliegenden Fasern am Umfang der Bündel-Abschnitte und Erhalten der CFK-Formmasse, wobei der Volumengehalt des Kohlenstofffaser-Rezyklats an der CFK-Formmasse bis zu 70% beträgt.
- Providing a carbon fiber recyclate obtainable by the above process for producing a particulate carbon fiber recyclate,
- Mixing the carbon fiber recyclate with at least one curable matrix material, thereby impregnating at least the exposed fibers at the periphery of the bundle sections and obtaining the CFK molding compound, wherein the volume content of the carbon fiber recycled material in the CFRP molding compound is up to 70%.
Mit diesem Verfahren gelingt so die Herstellung einer CFK-Formmasse aus Recyclingstoffen, wo andernfalls teure Rohstoffe eingesetzt werden müssten. Durch das Eindringen des Matrixharzes in die frei liegenden Fasern am Umfang der Bündel-Abschnitte und in das poröse Material, das die Bündel-Abschnitte zusammenhält, wird eine sehr gute Verbindung zwischen dem frischen Matrixmaterial und dem Kohlenstofffaser-Rezyklat erreicht, und damit eine qualitativ hochwertige CFK-Formmasse mit hohem Anteil organisierter Fasern.With this method, it is possible to produce a CFRP molding compound from recycled materials, where otherwise expensive raw materials would have to be used. The penetration of the matrix resin into the exposed fibers at the periphery of the bundle sections and into the porous material holding the bundle sections together provides a very good bond between the virgin matrix material and the carbon fiber recyclate, and thus a high quality CFK molding compound with a high content of organized fibers.
In einer Weiterbildung kann das Kohlenstofffaser-Rezyklat mit einem Reinharz vorimprägniert werden, was zu stabileren Bündeln führt, so dass beim Knetschritt geringere Scherbelastungen auftreten.In a development, the carbon fiber recyclate can be pre-impregnated with a pure resin, resulting in more stable bundles, so that lower shear loads occur during the kneading step.
Je höher der Volumengehalt der Faserbündel in der CFK-Formmasse ist, desto höhere Steifigkeitseigenschaften können später im daraus hergestellten Bauteil erzielt werden. Daher beträgt der Volumengehalt des Kohlenstofffaser-Rezyklats vorzugsweise bis zu 50%. Im Übrigen kann das Matrixharz ein schrumpfarmes Matrixharz sein. Abhängig von der Auswahl des schrumpfarmen Matrixharzes kann ggf. auf die Zugabe mineralischer Füllstoffe, die sonst die Schrumpfung beeinflussen, ganz verzichtet werden. Ferner können in dem Matrixharz ein Netzmittel und/oder Füllstoffe vorliegen. Die Benetzung der Faserbündel, bzw. der freiliegenden Einzelfasern kann durch den Einsatz eines geeigneten Netzmittels weiter verbessert werden. Insofern können die für die Herstellung von BMC-Werkstoffen relevanten Eigenschaften des Matrixharzes und der Formmasse eingehalten werden.The higher the volume content of the fiber bundles in the CFK molding compound, the higher the rigidity properties can be achieved later in the component produced therefrom. Therefore, the volume content of the carbon fiber recyclate is preferably up to 50%. Incidentally, the matrix resin may be a low-matrix matrix resin. Depending on the choice of low-matrix matrix resin, it may be possible to dispense with the addition of mineral fillers, which otherwise influence the shrinkage. Furthermore, a wetting agent and / or fillers may be present in the matrix resin. The wetting of the fiber bundles or the exposed individual fibers can be further improved by the use of a suitable wetting agent. In this respect, the relevant properties for the production of BMC materials of the matrix resin and the molding compound can be maintained.
Das Vermischen durch Kneten kann mittels eines Schaufelkneters oder eines Gleichlauf-Doppelschneckenextruder erfolgen. Schaufelkneter haben eine moderate Scherwirkung auf die CFK-Formmasse, so dass die enthaltenen Verstärkungsfasern nicht übermäßig geschädigt werden. Auch Gleichlauf-Doppelschneckenextruder arbeiten scherarm.Mixing by kneading can be carried out by means of a blade kneader or a co-rotating twin-screw extruder. Blade kneaders have a moderate shearing action on the CFRP molding compound, so that the contained reinforcing fibers are not excessively damaged. Even synchronous twin-screw extruders work with low shear.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine CFK-Formmasse, die ein Kohlenstofffaser-Rezyklat umfasst, das durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlich ist. Sie enthält zumindest ein aushärtbares Matrixmaterial, das zumindest die freiliegenden Fasern am Umfang der Bündel-Abschnitte durchdringt. Der Volumengehalt des Kohlenstofffaser-Rezyklats an der CFK-Formmasse beträgt typischerweise 40 bis 60% und bevorzugt 60 bis 70%.A third aspect of the present invention relates to a CFRP molding composition comprising a carbon fiber recyclate obtainable by the method of the invention. It contains at least one curable matrix material which penetrates at least the exposed fibers at the periphery of the bundle sections. The volume content of the carbon fiber recyclate in the CFK molding compound is typically 40 to 60%, and preferably 60 to 70%.
CFK-Formmassen werden beispielsweise zur Produktion von BMC-Werkstoffen eingesetzt; auf erfindungsgemäße Weise hergestellt sind sie, und damit die erhaltenen Bauteile, leistungsfähiger. Ferner ergibt sich durch die Verwendung von Rezyklatmaterial eine deutliche Kostenreduzierung gegenüber dem Einsatz ”neuer” Faserwerkstoffe.CFRP molding compounds are used, for example, for the production of BMC materials; produced in accordance with the invention they are, and thus the components obtained, more efficient. Furthermore, the use of recycled material results in a significant cost reduction compared with the use of "new" fiber materials.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.These and other advantages are set forth by the following description with reference to the accompanying figures. The reference to the figures in the description is to aid in the description and understanding of the subject matter. The figures are merely a schematic representation of an embodiment of the invention.
Das Verfahrensablaufschema in
Dann wird das Rezyklat-Ausgangsmaterial einer Zersetzungsbehandlung unterzogen, wobei sich das Matrixmaterials bis zu einem Grad zersetzt, bei dem die Kohlenstofffasern der Bündel-Abschnitte BA gebunden bleiben und die Kohlenstofffasern
Das erhaltene Kohlenstofffaser-Rezyklat kann optional zunächst mit einem Reinharz vorimprägniert werden, bevor es in dem nächsten Schritt des Verfahrens mit einem Matrixharz imprägniert wird, das zusätzlich ein Netzmittel und ggf. Füllstoffe enthalten kann.Optionally, the resulting carbon fiber recyclate may first be preimpregnated with a pure resin before it is impregnated in the next step of the process with a matrix resin which may additionally contain a wetting agent and optionally fillers.
Durch Mischen des Kohlenstofffaser-Rezyklats KFR mit zumindest einem aushärtbaren Matrixmaterial wird die CFK-Rohmasse in einem weiteren Verfahren erhalten. Das Mischen kann durch Kneten in einem Gleichlauf-Doppelschneckenextruder oder einem Schaufelkneter erfolgen. So wird der Knetvorgang unter Aufbringung von möglichst wenig Scherung ausgeführt-. Die CFK-Formmasse wird mit dem Fachmann bekannten Verfahren zu CFK-Bauteilen weiterverarbeitet.By mixing the carbon fiber recyclate KFR with at least one curable matrix material, the CFRP raw material is obtained in a further process. Mixing may be done by kneading in a co-rotating twin screw extruder or a paddle kneader. Thus, the kneading process is carried out applying as little shear as possible. The CFRP molding compound is further processed to CFRP components using methods known to those skilled in the art.
Falls es gewünscht ist um eine noch bessere Verbindung zwischen Faserbündeln aus dem Kohlenstofffaser-Rezyklat KFR und dem frisch hinzugegebenen Matrixmaterial zu erzielen, kann das Kohlenstofffaser-Rezyklat KFR mit einem Reinharz, also einem füllstoff- und zusatzmittelfreien Matrixharz vorimprägniert sein. Dieses Matrixmaterial kann dasselbe sein wie das, das mit dem Kohlenstofffaser-Rezyklats KFR vermischt und verknetet wird.If it is desired to achieve an even better connection between fiber bundles of the carbon fiber recyclate KFR and the freshly added matrix material, the carbon fiber recyclate KFR can be pre-impregnated with a pure resin, ie a filler and additive-free matrix resin. This matrix material may be the same as that which is mixed and kneaded with the KFR carbon fiber recyclate.
Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Kohlenstofffaser-Rezyklate können sowohl die technischen Eigenschaften eines kohlenstofffaser-verstärkten BMC-Materials verbessert, als auch durch die Materialkosten für die Verstärkungsfasern deutlich reduziert werden.By using the carbon fiber recyclates according to the invention, both the technical properties of a carbon fiber-reinforced BMC material can be improved, as well as significantly reduced by the material costs for the reinforcing fibers.
Grundsätzlich sind auch andere, herkömmliche Verstärkungsfasern wie Glasfasern, Keramikfasern und Metallfasern erfindungsgemäß rezyklierbar.In principle, other conventional reinforcing fibers such as glass fibers, ceramic fibers and metal fibers are recyclable according to the invention.
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