DE102012200059A1 - Composites - Google Patents
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Abstract
Ein Faserverbundwerkstoff hat ein Fasermaterial (5) mit Filamenten (6). Weiterhin hat der Faserverbundwerkstoff eine Kunststoffmatrix (8), in die das Fasermaterial (5) eingebettet ist, und einen Haftvermittler (9), mit dem die Filamente (6) des Fasermaterials (5) beschichtet sind. Das Fasermaterial (5) ist aus mindestens einem der folgenden Materialen ausgewählt: Glas, Kohlenstoff, Armid, Basalt, Polyester, Naturfaser. Die Kunststoffmatrix (8) ist als thermoplastischer Kunststoff ausgeführt. Der Haftvermittler (9) ist auf Basis mindestens eines der folgenden Materialen ausgewählt: Silan, Polypropylen (PP), Titanat, Aluminium, Chrom, Zirkon und Bor. Es resultiert eine Materialkombination von Fasermaterial/Kunststoffmatrix/Haftvermittler, die sich in besonderer Weise für die Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes eignet, insbesondere für die Herstellung von Bändern aus dem Faserverbundwerkstoff.A fiber composite material has a fiber material (5) with filaments (6). Furthermore, the fiber composite material has a plastic matrix (8), in which the fiber material (5) is embedded, and a bonding agent (9), with which the filaments (6) of the fiber material (5) are coated. The fiber material (5) is selected from at least one of the following materials: glass, carbon, armide, basalt, polyester, natural fiber. The plastic matrix (8) is designed as a thermoplastic material. The adhesion promoter (9) is selected based on at least one of the following materials: silane, polypropylene (PP), titanate, aluminum, chromium, zirconium and boron. The result is a material combination of fibrous material / plastic matrix / adhesion promoter, which is particularly suitable for the Production of a fiber composite material is suitable, in particular for the production of tapes of the fiber composite material.
Description
Die Erfindung betrifft einen Faserverbundwerkstoff mit einem Fasermaterial, einer Kunststoffmatrix, in die das Fasermaterial eingebettet ist und mit einem Haftvermittler, mit dem Filamente des Fasermaterials beschichtet sind.The invention relates to a fiber composite material with a fiber material, a plastic matrix, in which the fiber material is embedded and with an adhesion promoter, are coated with the filaments of the fiber material.
Faserverbundwerkstoffe sind bekannt aus der
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Materialkombinationen Fasermaterial/Kunststoffmatrix/Haftvermittler anzugeben, die sich in besonderer Weise für die Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes eignen und insbesondere für die Herstellung von Bändern aus dem Faserverbundwerkstoff.It is an object of the present invention to provide material combinations of fiber material / plastic matrix / adhesion promoter, which are particularly suitable for the production of a fiber composite material and in particular for the production of tapes of the fiber composite material.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Materialkombinationen, die im Anspruch 1 angegeben sind.This object is achieved by the combination of materials that are specified in
Bei der Herstellung von Faserverbundwerstoffen existiert eine komplexe Wechselwirkung zwischen den beteiligten Materialien, also zwischen dem Fasermaterial, dem Material der Kunststoffmatrix und dem Material des Haftvermittlers. Diese Wechselwirkung hängt stark von den Verarbeitungsbedingungen bei der Herstellung des Faserverbundwerkstoffes ab. Die erfindungsgemäßen Materialkombinationen Fasermaterial/Kunststoffmatrix/Haftvermittler sind insbesondere optimiert für eine Bandfertigung eines Faserverbundwerkstoffes. Das mit der Kunststoffmatrix imprägnierte Faserband kann dann als Zwischenprodukt beispielsweise zur Herstellung von Formkörpern, zum Beispiel Platten oder Profilen, aus dem Faserverbundwerkstoff genutzt werden, der insbesondere schichtweise aufgebaut sein kann. Bei der Faserbandherstellung werden auf das Materialsystem Fasermaterial/Kunststoffmatrix/Haftvermittler Temperatur und Druck sowie gegebenenfalls Scherkräfte ausgeübt. Es kommt dabei darauf an, dass die Materialkombination Fasermaterial/Kunststoffmatrix/Haftvermittler diese Verarbeitungsparameter nicht nur toleriert, sondern bei diesen Verarbeitungsparametern auch eine gute Benetzung des Fasermaterials mit der Kunststoffmatrix erfolgt. Typische Temperaturbereiche bei der Verarbeitung können bis zu 250°C, bis zu 300°C, bis zu 380°C, bis zu 400°C gehen oder sogar darüber hinaus gehen. Scherkräfte können mit Frequenzen in Bereichen zwischen 1 Hz und 40 kHz in die Materialkombination eingebracht werden. Druck- bzw. Scherkräfte können Werte im Bereich beispielsweise zwischen 0.01 MPa und 2 MPa erreichen. Dabei erfolgt sowohl die Temperatur- als auch die Kraftbeaufschlagung in der Regel nur kurzzeitig, beispielsweise für mehrere Sekunden oder einzelne Minuten. Es hat sich herausgestellt, dass Materialkombinationen zu guten Ergebnissen hinsichtlich des erzeugten Faserverbundwerkstoffes und insbesondere zu einer guten und vollständigen Benetzung des Fasermaterials mit der Kunststoffmatrix führen, die bislang aufgrund des Vorurteils mangelnder Temperaturfestigkeit oder zu hoher Viskosität nicht in Betracht gezogen wurden. Erfindungsgemäß wurden die verschiedenen Materialkombinationen getestet und hinsichtlich ihrer Eignung zur Herstellung des Faserverbundwerkstoffes bewertet. Dabei ergab sich, dass unter den erfindungsgemäßen Materialkombinationen Fasermaterial/Kunststoffmatrix/Haftvermittler solche sind, die sich entgegen der Erwartung gut zum Aufbau des Faserverbundwerkstoffes eignen. Soweit als Fasermaterial eine Glasfaser eingesetzt wird, kann diese vom Typ TufRov® 4510, TufRov® 4575, TufRov® 4585, TufRov® 4588, TufRov® 4599 oder TufRov® 4854 sein. Soweit als Fasermaterial eine Kohlefaser zum Einsatz kommt, kann diese vom Typ Grafil/Pyrofil® TRHSO 60k, Pyrofil® 34-24k oder Pyrofil® TRW40 50k sein. Der Haftvermittler kann in Form eines Copolymers bzw. in Form eines Blends mit zum Beispiel 0,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% Maleinsäureanhydrid zum Einsatz kommen. Auch die Kunststoffmatrix kann in Form eines Copolymers bzw. in Form eines Blends bzw. in Form einer Mischung zum Einsatz kommen.In the manufacture of Faserverbundwerstoffen exists a complex interaction between the materials involved, ie between the fiber material, the material of the plastic matrix and the material of the adhesion promoter. This interaction strongly depends on the processing conditions in the production of the fiber composite material. The material combinations of the invention fiber material / plastic matrix / adhesion promoter are particularly optimized for a strip production of a fiber composite material. The impregnated with the plastic matrix sliver can then be used as an intermediate, for example, for the production of moldings, for example plates or profiles, from the fiber composite material, which may be constructed in particular layer by layer. In the production of fiber slivers temperature and pressure as well as, if necessary, shearing forces are exerted on the material system fiber material / plastic matrix / adhesion promoter. It is important that the material combination of fiber material / plastic matrix / adhesion promoter not only tolerates these processing parameters, but that the processing parameters also result in good wetting of the fiber material with the plastic matrix. Typical temperature ranges during processing can go up to or even exceed 250 ° C, up to 300 ° C, up to 380 ° C, up to 400 ° C. Shearing forces can be introduced into the material combination with frequencies in ranges between 1 Hz and 40 kHz. Pressure or shear forces can reach values in the range, for example, between 0.01 MPa and 2 MPa. In this case, both the temperature and the force is usually only briefly, for example, for several seconds or individual minutes. It has been found that material combinations lead to good results in terms of the fiber composite produced and in particular to a good and complete wetting of the fiber material with the plastic matrix, which were previously considered due to the prejudice lacking temperature resistance or high viscosity. According to the invention, the various combinations of materials were tested and evaluated with regard to their suitability for the production of the fiber composite material. It was found that among the material combinations according to the invention fiber material / plastic matrix / adhesion promoter are those which, contrary to expectations, are well suited to the construction of the fiber composite material. As far as a glass fiber is used as fibrous material, this may be of the type TufRov ® 4510, TufRov ® 4575, TufRov ® 4585, TufRov ® 4588, TufRov ® 4599 or TufRov ® 4854th As far as the fiber material is a carbon fiber is used, these may be of type Grafil / Pyrofil® ® TRHSO 60k, Pyrofil® ® 34-24k or Pyrofil® ® TRW40 50k. The adhesion promoter can be used in the form of a copolymer or in the form of a blend with, for example, 0.5% by weight to 5% by weight of maleic anhydride. The plastic matrix can also be used in the form of a copolymer or in the form of a blend or in the form of a mixture.
Faserdurchmesser nach Anspruch 2 ergeben einen Faserverbundwerkstoff mit guter Benetzung und entsprechend guter Stabilität. Der Faserdurchmesser kann bei 6 μm, kann bei 7 μm, kann im Bereich von 10 μm oder kann bei 17 μm liegen.Fiber diameter according to
Faser-Feinheiten nach Anspruch 3 ergeben ebenfalls eine gute Benetzung. Die Faser-Feinheit kann im Bereich von 1.200 tex und kann im Bereich von 2.400 tex liegen.Fiber finenesses according to claim 3 also give a good wetting. The fiber fineness can be in the range of 1,200 tex and can be in the range of 2,400 tex.
Fasermaterial nach Anspruch 4 führt zu einem stabilen Faserverbundwerkstoff. Das Fasermaterial kann einen sehr hohen Anteil an Endlos- bzw. Lang-Fasern haben und kann praktisch ausschließlich aus Endlos- bzw. Lang-Fasern bestehen. Die Lang-Fasern können Faserlängen im Bereich zwischen 12,5 mm und 50 mm aufweisen. Es können auch Lang-Fasern mit Längen bis 80 mm zum Einsatz kommen, die insbesondere versetzt zueinander parallel angeordnet sein können. Endlos-Fasern haben demgegenüber eine größere Länge. Je nach den Anforderungen an die Festigkeit und/oder an das Zug-E-Modul können Lang-Fasern, isotrop und/oder anisotrop angeordnet, und/oder Endlos-Fasern zum Einsatz kommen.Fiber material according to claim 4 leads to a stable fiber composite material. The fiber material can have a very high proportion of continuous or long fibers and can consist almost exclusively of endless or long fibers. The long fibers may have fiber lengths ranging between 12.5 mm and 50 mm. It is also possible to use long fibers with lengths of up to 80 mm which, in particular, can be arranged offset parallel to one another. Endless fibers, in contrast, have a greater length. Depending on the requirements of the strength and / or the tensile modulus of elasticity, long fibers, isotropically and / or anisotropically arranged, and / or endless fibers can be used.
Faserbündel bzw. Rovings führen zu einem stabilen Faserverbundwerkstoff. Das Faserbündel kann im Bereich von 10.000 Einzelfasern, im Bereich von 12.000 Einzelfasern, im Bereich von 18.000 Einzelfasern, im Bereich von 20.000 Einzelfasern, im Bereich von 30.000 Einzelfasern, im Bereich von 40.000 Einzelfasern, im Bereich von 50.000 Einzelfasern und kann im Bereich von 60.000 Einzelfasern haben. Fiber bundles or rovings lead to a stable fiber composite material. The fiber bundle can range from 10,000 single fibers, in the range of 12,000 individual fibers, in the range of 18,000 individual fibers, in the range of 20,000 individual fibers, in the range of 30,000 individual fibers, in the range of 40,000 individual fibers, in the range of 50,000 individual fibers and can in the range of 60,000 Have individual fibers.
Eine Zugfestigkeit nach Anspruch 6 ergibt einen zugstabilen Faserverbundwerkstoff. Die Zugfestigkeit kann im Bereich von 3 GPa, kann im Bereich von 4 GPa liegen, kann 4,9 GPa betragen und kann auch mehr als 5 GPa betragen.A tensile strength according to claim 6 results in a tensile fiber composite material. The tensile strength may be in the range of 3 GPa, may be in the range of 4 GPa, may be 4.9 GPa, and may be more than 5 GPa.
Ein Zug-E-Modul nach Anspruch 7 ergibt einen stabilen Faserverbundwerkstoff. Das Zug-E-Modul kann im Bereich von 60 GPa, 70 GPa oder auch im Bereich von noch höheren Werten, zum Beispiel im Bereich von 100 GPa oder von 250 GPa liegen.A tensile modulus of elasticity according to claim 7 results in a stable fiber composite material. The tensile modulus of elasticity can be in the range of 60 GPa, 70 GPa or even in the range of even higher values, for example in the range of 100 GPa or 250 GPa.
Kunststoffmaterialien nach Anspruch 8 haben sich als besonders geeignet herausgestellt. Die angegebenen Materialien können in Form von Copolymeren bzw. in Form von Blends zum Einsatz kommen. Soweit die Kunststoffmatrix in Form von SAN oder in Form von AMSAN eingesetzt wird, kann die Handelstype Luran® VLN, Luran® 358, Luran® 378 P, Luran® HH-120 zum Einsatz kommen. Auch die Type Luran® 358 mit einer Polycarbonat-(PC)-Beimischung kann zum Einsatz kommen. Bei einem derartigem Polycarbonat-Blend kann ein Polycarbonat-Gewichtsanteil von 20% bis 60% zum Einsatz kommen. Insbesondere kann ein SAN/PC-Blend zum Einsatz kommen. Auch eine andere Luran®-Type kann zum Einsatz kommen. Auch Zusatzstoffe können dem Kunststoffmaterial hinzugefügt werden, beispielsweise Talkum, welches zum Beispiel mit einem Anteil von 1% des Gesamtgewichts vorliegen kann. Ein Faserverbundwerkstoff mit Glas- und/oder Kohlefasern und einer Kunststoffmatrix auf Basis SAN und/oder AMSAN und/oder SAN-PC ergibt einen Faserverbundwerkstoff mit ausgeglichenen Eigenschaften hinsichtlich einer Zug- und einer Druck-Belastung.Plastic materials according to claim 8 have been found to be particularly suitable. The specified materials can be used in the form of copolymers or in the form of blends. As far as the plastic matrix in the form of SAN or AMSAN in the form of is used, the trade Type Luran ® VLN, Luran ® 358, Luran ® 378 P can Luran ® HH-120 are used. The Type Luran ® 358 with a polycarbonate (PC) -Beimischung can be used. In such a polycarbonate blend, a polycarbonate weight fraction of 20% to 60% can be used. In particular, a SAN / PC blend can be used. Another Luran ® type can also be used. Additives can also be added to the plastic material, for example talcum, which may for example be present at a level of 1% of the total weight. A fiber composite material with glass and / or carbon fibers and a plastic matrix based on SAN and / or AMSAN and / or SAN-PC results in a fiber composite material with balanced properties in terms of tensile and compressive stress.
Polyamid-Kunststoffmatrizen nach Anspruch 9 haben sich als besonders geeignet herausgestellt. Als PA 6i kann die Handelstype Durethan® T40 zum Einsatz kommen. Als Polyamid PA 6.6 T kann die Handelstype Ultramid® T 15 zum Einsatz kommen. Eine Kombination aus Glasfaser mit PA 6.6 T, insbesondere eine Kombination aus TufRov® 4510 mit PA 6.6 T, lässt sich zum Beispiel bei sehr hohen Temperaturen verarbeiten, was die Benetzung begünstigt. Eine Kombination aus Glasfaser und amorphem PA 6i führt zum Beispiel trotz der hochviskosen Kunststoffmatrix zu einer guten Benetzung.Polyamide plastic matrices according to
Eine Vicat-Erweichungstemperatur nach Anspruch 10 hat sich für eine gute Benetzung als besonders geeignet herausgestellt. Die Vicat-Erweichungstemperatur kann im Bereich von 100°C liegen und kann insbesondere 106°C oder 107°C betragen. Die Vicat-Erweichungstemperatur kann im Bereich 120°C liegen.A Vicat softening temperature according to claim 10 has been found to be particularly suitable for good wetting. The Vicat softening temperature may be in the range of 100 ° C and may in particular be 106 ° C or 107 ° C. The Vicat softening temperature may be in the range 120 ° C.
Eine Schmelze-Volumenfließrate nach Anspruch 11 hat sich für eine gute Benetzung als vorteilhaft herausgestellt. Die Schmelze-Volumenfließrate kann, wiederum gemessen bei 220°C mit 10 kg Belastungsmasse, im Bereich von 20 cm3/10 min oder im Bereich von 22 cm3/10 min liegen und kann Werte bis zu 70 cm3/10 min oder darüber annehmen.A melt volume flow rate according to claim 11 has been found to be advantageous for good wetting. The melt volume-flow rate can, again measured at 220 ° C with 10 kg load mass, ranging from 20 cm 3/10 min or in the range of 22 cm 3/10 min are and can reach values up to 70 cm 3/10 min or above accept.
Haftvermittler nach Anspruch 12, zum Beispiel mindestens ein Aminosilan, haben sich für die für die Erzielung einer guten Benetzung als geeignet herausgestellt. Der Haftvermittler kann auf Basis mindestens einer der folgenden Silanverbindungen hergestellt sein: Aminopropyltrimethoxysilan, Aminobutyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Aminobutyltriethoxysilan sowie auf Basis eines Silanes mit einer Glycidylgruppe als Substituent.Adhesion promoters according to claim 12, for example at least one aminosilane, have proven to be suitable for achieving good wetting. The adhesion promoter can be prepared on the basis of at least one of the following silane compounds: aminopropyltrimethoxysilane, aminobutyltrimethoxysilane, aminopropyltriethoxysilane, aminobutyltriethoxysilane and also based on a silane having a glycidyl group as substituent.
Ein Gewichtsverhältnis nach Anspruch 13 begünstigt eine gute Benetzung.A weight ratio according to claim 13 favors a good wetting.
Formkörper nach Anspruch 14 ergeben einen besonders stabilen und auf die jeweiligen Werkstoff-Anforderungen abgestimmten Faserverbundwerkstoff. Der Faserverbundwerkstoff kann als Faserverbundwerkstoff-Band, insbesondere als Endlos-Band gefertigt sein.Shaped bodies according to claim 14 provide a particularly stable and matched to the particular material requirements fiber composite material. The fiber composite material can be manufactured as a fiber composite material band, in particular as an endless band.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. In this show:
Ein Faserverbundwerkstoff ist durch einen flächigen Formkörper
Teil des Faserverbundwerkstoffes ist ein Fasermaterial
Innerhalb des Mehrschicht-Aufbaus des Formkörpers
Das Fasermaterial
Bei der Kunststoffmatrix
Der Haftvermittler
Soweit als Fasermaterial
Der Durchmesser der Filamente
Die Filamente
Das Fasermaterial
Die Rovings
Das Fasermaterial
Das Fasermaterial
Die Kunststoffmatrix
Die Kunststoffmatrix
Die Kunststoffmatrix
Die Kunststoffmatrix
Der Haftvermittler
Ein Gewichtsverhältnis zwischen dem Hauptvermittler
Bei der Herstellung des Formkörpers
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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