DE102012215094A1

DE102012215094A1 - Faserverbundkunststoff und Herstellungsverfahren dazu

Info

Publication number: DE102012215094A1
Application number: DE201210215094
Authority: DE
Inventors: Christian Seidel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2014-02-27

Abstract

Die Erfindung betrifft Faserverbundkunststoffe (FVKs) mit gesteigerter interlaminarer Scherfestigkeit, wobei zwischen die Langfasergelege, die in den FVKs enthalten sind, Kurzfasern oder mikroskalige Partikel eingestreut werden, so dass sich eine Bindung zwischen den Faserlagen bildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen wärmeleitenden faserverstärkten Kunststoff (FVK), insbesondere einen, der eine gesteigerte interlaminare Scherfestigkeit(engl. Interlaminar Shear Strength ILSS in MPa) zeigt.
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.
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.
Die Faserverbundtechnik konkurriert mit Leichtbauansätzen über Leichtmetalle wie Aluminium und Magnesium. Entlang der Faserrichtung weisen die Faserverbundkunststoffe hohe mechanische Eigenschaften auf. Die Faserverbundmaterialien sind nach dem Stand der Technik lagenweise aufgebaut. Als Fasermaterialien werden Rovings, Fasergelege, oder Fasergewebe eingesetzt, die trocken oder vorimprägniert (Prepreg) mit Harz lagenweise aufeinander gelegt werden und entweder mit Harz infiltriert oder im Falle der Prepregs verpresst werden.
Treten in den Anwendungen interlaminare Spannungszustände auf, so sind interlaminare Scherbelastungen besonders kritisch und können zu frühzeitigem Versagen des Faserverbundes führen, obwohl die Belastungsgrenzen in Faserrichtung noch nicht erreicht sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Faserverbundkunststoff zu schaffen, der gegenüber dem Stand der Technik eine gesteigerte interlaminare Scherfestigkeit hat.
Die Lösung der Aufgabe und der Gegenstand der vorliegenden Erfindung werden durch die vorliegende Beschreibung, die Ansprüche und die Figur offenbart.
Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Faserverbundkunststoff, der Fasern in einer Matrix umfasst, wobei sich zwischen den Faserlagen Verstärkungs-Kurzfasern und/oder Verstärkungs-Partikel befinden, die ebenso wie diese in die polymere Matrix eingebettet sind. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines FVKs durch Bereitstellen einer Schichtung aus Verstärkungs-Langfasern, Einstreuen von Verstärkungs-Kurzfasern und/oder Verstärkungs-Partikel zwischen die Lagen und anschließendes Imprägnieren des Fasergeleges mit einem Harz.
Das Imprägnieren der Faserlagen mit Harz kann über Infusion, Prepreg, Resin Transfer Moulding, etc. erfolgen.
Nach einer Ausführungsform werden die Partikel vor der Einarbeitung benetzt, beispielsweise mit üblichen Benetzungsmittel/Dispergiermittel wie ionischen und nicht ionischen Tensiden zur Stabilisierung nach der Imprägnierung oder nach der Einarbeitung in das Harz.
Der Füllgrad der Verstärkungs-Kurzfasern und/oder der Verstärkungs-Partikel in der bettenden Matrix beträgt beispielsweise 0,05 % bis 70 Gew%, bevorzugt 10 bis 60% und insbesondere bevorzugt 20 bis 50 Gew%.
Als Material der Verstärkungs-Kurzfasern und/oder Verstärkungs-Partikel eignen sich die gleichen Materialien wie bei den Verstärkungs-Langfasern.
Bevorzugte Verstärkungs-Langfasern sind Glasfasern, Kohlenstofffasern, Basaltfasern und Polymerfasern wie Aramidfasern, Polypropylenfasern, Polyethylenterephthalatfasern, sowie beliebige Mischfasern daraus oder Naturfasern wie Flacksfasern, Jute, Cellulose, Sisal.
Die Verstärkungs-Partikel und/oder die Verstärkungs-Kurzfasern werden zwischen die Verstärkungs-Langfaser-Schichtung eingestreut. Beispiele sind Kurzfasern oder mikroskalige plättchenförmige und/oder sphärische Verstärkungsfasern. Die Länge der Kurzfasern liegt in dem für Kurzfasern üblichen Bereich, beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 50 mm, insbesondere von 1 bis 40 mm und besonders bevorzugt von 5 bis 35 mm.
Der Durchmesser der Kurzfasern und/oder mikroskaligen plättchenförmigen und/oder sphärischen Verstärkungsfasern liegt zwischen 0,01 und 500 µm, bevorzugt zwischen 1 und 300µm und insbesondere bevorzugt zwischen 50 und 200 µm.
Zur homogenen und isotropen Einarbeitung der Partikel in die FVKs werden die Partikel bevorzugt an den Oberflächen beschichtet und/oder durch organische Seitenkettenmoleküle modifiziert. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Partikel vor ihrer Einarbeitung in das Harz mit Benetzungsmittel behandelt werden.
Die Materialien für die bettende Matrix werden dann wie üblich hergestellt und verarbeitet. Demnach umfasst ein Matrixmaterial beispielsweise neben dem eigentlichen Polymer und dem Partikel-Material je nach Ausführungsform auch noch Additive, Zusatzstoffe, Füllstoffe, Lösungsmittel etc. Insbesondere zur Stabilisierung der homogenen und isotropen Verteilung der Partikel sind noch Benetzungsmittel und/oder Dispergiermittel vorgesehen.
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.
Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert:
1 zeigt die ILSS in MPa für eine Referenzprobe nach dem Stand der Technik im Vergleich zu der gleichen Probe nach Einarbeitung der Verstärkungs-Kurzfasern nach der Erfindung:
Für ein Glasfaserkunststoff (GFK) wie es beispielsweise in der Windkraft eingesetzt wird (Epoxidharz RIM 135 + E-Glasfaser Typ Saertex Flächengewicht ca. 600 g/m²) wurde festgestellt, dass durch das zusätzliche Einstreuen von Kurzglasfasern (mittlere Faserlänge ca. 5 mm, Faserdurchmesser wie Hauptverstärkung ca. 12 µm) zwischen die Langfaser-Lagen eine deutliche Steigerung der ILSS erreicht wird. Wie in 1 zu erkennen steigt die ILSS von ca. 11 MPa auf über 16 MPa, also um ca. 50 %.
Die Orientierung der Faserverstärkung besteht zu 90% in die Hauptrichtung und zu 10 % in die Querrichtung. Der Faservolumengehalt für die Referenz liegt bei ca. 35%, der des mit Kurzfaser zusätzlich verstärkten Verbundes bei ca. 40%. Die Steigerung der ILSS wurde in Querrichtung bestimmt, da diese Richtung stark matrixdominiert versagt. In der Hauptverstärkungsrichtung wurde durch die Einstreuung der Kurzfasern nicht reduziert.
Die Erfindung offenbart eine einfache und kostengünstig zu automatisierende Methode zur Steigerung der ILSS, wobei spezielle textile Techniken, wie Nähen und Wirken, durch die gemäß dem Stand der Technik die interlaminare Scherfestigkeit der Langfasergelege und nachfolgenden FVKs früher gesteigert wurde, werden durch die Erfindung obsolet.
Durch die Form der Verstärkungs-Partikel und deren Füllgrad können die Eigenschaften ILSS und die Verstärkungseigenschaften in Faserebene definiert eingestellt werden.
Die Erfindung betrifft Faserverbundkunststoffe (FVKs) mit gesteigerter interlaminarer Scherfestigkeit, wobei zwischen die Langfasergelege, die in den FVKs enthalten sind, Kurzfasern oder mikroskalige Partikel eingestreut werden, so dass sich eine Bindung zwischen den Faserlagen bildet.

Claims

Faserverbundkunststoff, der Fasern in einer Matrix umfasst, wobei sich zwischen den Faserlagen Verstärkungs-Kurzfasern und/oder Verstärkungs-Partikel befinden, die ebenso wie diese in die polymere Matrix eingebettet sind.
Faserverbundkunststoff nach Anspruch 1, wobei der Füllgrad an Verstärkungs-Kurzfasern und/oder Verstärkungs-Partikel im Bereich von 0,05 bis 70 Gew% liegt.
Faserverbundkunststoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge der Verstärkungs-Kurzfasern im Bereich von 0,1 bis 50mm liegt.
Faserverbundkunststoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Durchmesser der Verstärkungs-Kurzfasern und/oder der sphärischen Verstärkungs-Partikel im Bereich von 0,01 bis 500µm liegt.
Faserverbundkunststoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verstärkungs-Kurzfasern und/oder die Verstärkungs-Partikel vor der Einarbeitung oberflächenbehandelt sind.
Faserverbundkunststoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material der Verstärkungs-Kurzfasern und/oder der Verstärkungs-Partikel ausgewählt ist aus der Gruppe der Langfasermaterialien, umfassend: Glasfasern, Kohlenstofffasern, Basaltfasern und Polymerfasern wie Aramidfasern, Polypropylenfasern, Polyethylenterephthalatfasern, sowie beliebige Mischfasern daraus oder Naturfasern wie Flachsfasern, Jute, Cellulose, Sisal.
Verfahren zur Herstellung eines FVKs durch Bereitstellen einer Schichtung aus Verstärkungs-Langfasern, Einstreuen von Verstärkungs-Kurzfasern und/oder Verstärkungs-Partikel zwischen die Lagen und anschließendes Imprägnieren des Fasergeleges mit einem Harz.