DE102014200510B4 - Ceramic composites based on thermoplastically processable, rapidly cross-linkable precursors for CFRP and CMC production - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von Keramikmatrix-Kompositen, wobei die folgenden Schritte durchgeführt werden:
a) Herstellung eines thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffs mit einer Faserverstärkung und einem thermoplastischen Mehrkomponenten-Vorpolymer mit den Teilschritten:
i. Herstellung eines Basispolymers aus phenolbasierten Polymeren, bevorzugt Novolaken, oder Gemischen derselben mit Furfurylkomponenten, wobei das thermoplastische Matrixmaterial eine Zähigkeit von 100Pa*s bis 500Pa*s aufweist,
ii. Herstellung eines Vernetzer/Moderator-Gemisches aus einem Vernetzer aus b-Naphtol, Resorcin und Phloroglucin und einem Moderator aus einem Xylenol-Gemisch,
iii. Herstellung des Mehrkomponenten-Vorpolymers durch Mischen des Basispolymers mit dem Vernetzer/Moderator-Gemisch in einem Kaltmahlprozess,
b) Herstellung eines Kettenverlängerungskatalysators durch Verkettung eines Polykresols mit funktionellen Gruppen an den Kettenenden, die im Nachgang mit dem Mehrkomponenten-Vorpolymer vernetzen,
c) Mischung des Mehrkomponenten-Vorpolymers mit dem Kettenverlängerungskatalysator,
d) Formgebung des thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffs, wobei eine Kettenverlängerungsreaktion beginnt, jedoch ohne dass die Vernetzung einsetzt mittels Spritzgießens, oder
Reaktiv-Compoundieren wobei eine Kettenverlängerungsreaktion beginnt, jedoch ohne dass die Vernetzung einsetzt und anschließendes Spritzgießen,
e) Umwandlung des thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffs in einen duroplastischen Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff durch Erwärmung unmittelbar nach dem Spritzgießprozess,
f) Umsetzung des Matrixpolymers zu Matrixkohlenstoff und Erzeugung des faserverstärkten Kohlenstoffs (C/C) unter Erzeugung des CMCs.
Process for the preparation of ceramic matrix composites, wherein the following steps are carried out:
a) Preparation of a thermoplastic fiber-plastic composite with a fiber reinforcement and a thermoplastic multicomponent prepolymer with the substeps:
i. Preparation of a base polymer from phenol-based polymers, preferably novolaks, or mixtures thereof with furfuryl components, wherein the thermoplastic matrix material has a toughness of 100 Pa * s to 500 Pa * s,
ii. Preparation of a crosslinker / moderator mixture of a crosslinker of b-naphthol, resorcinol and phloroglucin and a moderator of a xylenol mixture,
iii. Preparation of the multicomponent prepolymer by mixing the base polymer with the crosslinker / moderator mixture in a cold grinding process,
b) preparing a chain-extension catalyst by linking a poly-cresol having functional groups at the chain ends, which subsequently crosslink with the multicomponent prepolymer;
c) mixing the multi-component prepolymer with the chain-extension catalyst,
d) shaping the thermoplastic fiber-plastic composite, wherein a chain extension reaction begins, but without the crosslinking by injection molding, or
Reactive compounding which starts a chain extension reaction, but without crosslinking and subsequent injection molding,
e) conversion of the thermoplastic fiber-plastic composite into a thermosetting fiber-plastic composite material by heating immediately after the injection molding process,
f) conversion of the matrix polymer to matrix carbon and production of the fiber-reinforced carbon (C / C) to produce the CMC.
Description
Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe weisen gegenüber konventionellen monolithischen Keramiken vorteilhafte Eigenschaften, wie eine verbesserte Bruchzähigkeit, eine gute Temperatur-, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit auf. Sie eignen sich besonders als mechanisch belastbare Bauteile in der Raumfahrtindustrie und im Industrieofenbau. Zudem sind sie für tribologische Anwendungen, wie z. B. bei Bremsscheiben, prädestiniert. Die Herstellungsverfahren unterscheiden sich je nach dem ausgewählten Matrixwerkstoff und der Verstärkungskomponente und können durch Flüssigphaseninfiltration, wie z. B. durch Polymerinfiltration und Pyrolyse (Polymer Infiltration and Pyrolysis (PIP)), Flüssigsilicierverfahren (Liquid Silicon Infiltration (LSI)), oder chemische Gasphaseninfiltration (Chemical Vapor Infiltration (CVI)) hergestellt werden. Eine Produktvorstufe des Keramikmatrix-Verbundwerkstoffes (Ceramic-Matrix Composite (CMC)) kann eine infiltrierbare Faserpreform bzw. ein geeignetes Polymer mit oder ohne Verstärkungskomponenten sein. Vorteile des LSI-Verfahrens im Vergleich zu den anderen Verfahren sind die relativ kurzen Prozesszeiten. Das LSI-Verfahren besteht im Wesentlichen aus einem 3-stufigen Prozess:
- • Herstellung eines duroplastischen Faserverbundwerkstoffs (CFK)
- • Umsetzung des Matrixpolymers zu Matrixkohlestoff unter Bildung eines charakteristischen Rissnetzwerks durch Pyrolyse (C/C)
- • Infiltration des Risssystems mit flüssigen Silicium, unter Bildung von SiC im rissnahen Bereich (C/C-SiC)
- • Production of a thermosetting fiber composite material (CFRP)
- Implementation of the matrix polymer into matrix carbon to form a characteristic crack network through pyrolysis (C / C)
- Infiltration of the cracking system with liquid silicon, forming SiC in the crack region (C / C-SiC)
Ein derartiges Verfahren ist in der
Bei der Herstellung des CFK-Zustandes erfolgt die Validierung der Precursoren in der Praxis empirisch oder semiempirisch. Neben einer hohen Kohlenstoffausbeute zur Erzeugung des Matrixkohlenstoffs sind auch das chemische Umwandlungsverhalten sowie das Ausbilden eines geeigneten Schrumpfungsrissnetzwerks und einer geeigneten Porenstruktur in der Matrix von Bedeutung. Es werden sowohl thermoplastische Precursoren, wie Peche als auch duroplastisch-vernetzbare Precursoren, wie Phenol- und Furanharzpräpolymere, verwendet. Der Nachteil dieser vernetzbaren Systeme liegt in ihrer unwirtschaftlichen Handhabbar- und Verarbeitbarkeit. Besonders für großserientaugliche Herstellungsprozesse von CMCs ist für deren Vernetzung zum CFK-Zustand ein zeitaufwändiger Autoklavprozess erforderlich. Peche sind dagegen hochviskose bis feste Rückstände der Teerdestillation aus einem vielseitigen Gemisch aus vorwiegend vernetzten und unvernetzten polyzyklischen Aromaten und heterozyklischen Verbindungen und Phenolen. Das Molekulargewicht des Gemisches ist unspezifisch. Bei höheren Temperaturen laufen verschiedenen Polymerisations-, und Degradationsreaktionen ab. Als Produkt liegt bei ca. 400 - 500 °C eine Art metaformstabiler Pechkoks vor, welcher bei Temperaturen bis zu 3000 °C graphitisiert werden kann. Trotz einiger Verhaltensweisen, die auch Thermoplasten zuordenbar sind, zeigen Peche besonders beim Erwärmen nicht das Verhalten von klassischen thermoplastischen Polymeren, welche den allgemeinen Kunststoff-Formmassen und thermoplastischen Formmassen aus Polymergemischen nach
Es lässt sich somit feststellen, dass die bekannten Verfahren zur Herstellung von CMCs aufwendig und wenig wirtschaftlich sind. Wenn es gelänge, bekannte Verfahren für die Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen auf die CMC-Herstellung zu übertragen, würde sich diese Situation bedeutend verbessern. Einen wesentlichen Beitrag könnte leisten, bekannte Formgebungstechnologien einsetzen zu können. Insbesondere Verfahren, die der Formgebung von Verbundwerkstoffen auf der Basis thermoplastischer Polymere dienen, sind bekannt, weit verbreitet und kostengünstig.It can thus be stated that the known processes for the preparation of CMCs are complex and not very economical. If it were possible to apply known processes for the processing of fiber composites to CMC production, this situation would improve considerably. A significant contribution could be made to be able to use known shaping technologies. In particular Processes for molding thermoplastic polymer-based composites are known, widely used and inexpensive.
Thermoplastische Polymere bestehen aus einer Vielzahl definierter, gleicher bzw. unterschiedlicher Monomereinheiten. Diese Wiederholungseinheiten definieren je nach ihrer Art, Anzahl Konstitution, Konfiguration und Konformation einen nicht oder kaum verzweigten, intermolekular unvernetzten Strang, der aufgrund sekundärer intermolekularer Wechselwirkungen makroskopisch ein definiertes thermoplastisches Verhalten zeigt. Ein wesentlicher Nachteil dieser Polymere ist jedoch deren schlechte Eignung als Kohlenstoffprecursor wegen deren Zerfließens bei Temperaturerhöhung (Eyerer, P.: Elsner, P.; Hirth, T.: Kunststoffe und ihre Eigenschaften. 6. Aufl. Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag, 2005).Thermoplastic polymers consist of a multiplicity of defined, identical or different monomer units. These repeating units, depending on their type, number of constitution, configuration and conformation, define a non-branched or hardly branched, intermolecularly uncrosslinked strand which macroscopically exhibits a defined thermoplastic behavior due to secondary intermolecular interactions. A significant disadvantage of these polymers, however, is their poor suitability as carbon precursors because of their deliquescence upon elevation of temperature (Eyerer, P .: Elsner, P. Hirth, T .: Plastics and Their Properties.) 6th edition Berlin, Heidelberg, New York: Springer Publisher, 2005).
Es stellt sich somit die Aufgabe, ein großserientaugliches Verfahren vorzuschlagen, das den Einsatz konventioneller Thermoplastverarbeitungsverfahren bei der Herstellung von Keramikmatrix-Kompositen (CMC- Ceramic-Matrix Composite) bzw. kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff (CFC- Carbon fibre reinforced carbon) ermöglicht.It is therefore the task of proposing a process suitable for large-scale production, which allows the use of conventional thermoplastic processing methods in the production of ceramic matrix composites (CMC ceramic matrix composite) or carbon fiber reinforced carbon (CFC- carbon fiber reinforced carbon).
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den rückbezogenen Unteransprüchen offenbart.According to the invention the object is achieved by the method according to claim 1. Advantageous developments of the method are disclosed in the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, die CFK-Prozessstufe bei der CMC-Herstellungsroute mittels innovativer Kohlenstoffprecursoren zu verbessern, die in der Lage sind, sich durch konventionelle Thermoplastverarbeitungsverfahren, wie z.B. das Spritzgießen, verarbeiten zu lassen und die Anforderungen, die an einen geeigneten Kohlenstoffprecursor gestellt werden, erfüllen. Dieses Verfahren arbeitet hochproduktiv und großseriennah. Dadurch ist eine bedeutende Kostenreduzierung im technologischen Prozess möglich. Die Erfindung bietet bei der CFK-Herstellung im Vergleich zu bisherigen Verarbeitungsmethoden, wie Handlaminier-, RTM-, oder RIM-Verfahren folgende Vorteile:
- • Erzeugung komplexer Geometrien,
- • endkonturnahe Herstellung,
- • breites Spektrum an Schussgrößen und -gewichten,
- • hohe Reproduzierbarkeit,
- • kurze Prozesszeiten,
- • Vollautomatisierbarkeit,
- • Großserientauglichkeit sowie eine
- • Kostenreduktion.
- • creation of complex geometries,
- • near net shape production,
- • wide range of shot sizes and weights,
- • high reproducibility,
- • short process times,
- • fully automatable,
- • Mass production suitability as well as a
- • Cost reduction.
Die innovativen Kohlenstoffprecursoren werden durch thermoplastisch urformbare Kunststoffe realisiert, die bei höheren Temperaturen als bei der Urformung vernetzen. Auf diese Weise ist es möglich, den Kunststoffen mit Methoden der Thermoplastverarbeitung endkonturnahe Formen zu geben und diesen Thermoplasten in einem unmittelbar darauffolgenden Erwärmungsschritt duroplastische Eigenschaften zu verleihen. Dafür verwendbare Kunststoffe müssen für die nachfolgenden Stufen der CMC-Herstellung als Kohlenstoffprecursor geeignet sein.The innovative carbon precursors are realized by thermoplastically formable plastics, which crosslink at higher temperatures than in the original molding. In this way, it is possible to give the plastics by methods of thermoplastic processing near-net shape and to give these thermoplastics in an immediately subsequent heating step thermosetting properties. For this purpose usable plastics must be suitable for the subsequent stages of CMC production as carbon precursor.
Erfindungsgemäß werden auf Phenol basierende thermoplastisch verarbeitbare, nachvernetzende Precursoren zur CMC-Herstellung eingesetzt. Phenolharzpräpolymere eignen sich auf Grund ihrer hohen Kohlenstoffausbeute gut als Ausgangsmaterial für die Herstellung von kohlenstoffbasierten CMCs. Besonders bevorzugt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen Furfurylalkoholderivate mit Gewichtsanteilen von 10 - 50 Gew.-% bevorzugt von 25 - 50 Gew.-% sowie Novolake mit Gewichtsanteilen von 70 - 98 Gew.-% bevorzugt von 80 - 95 Gew.-% sowie und Kombinationen von beiden zum Einsatz. Novolake sind Phenolharze, welche aus Phenol und Formaldehyd in einem Verhältnis Phenol zu Formaldehyd > 1 synthetisiert werden. Sie werden bisher mittels aufwändigen Duroplastspritzgießverfahren, z. B. zu Bulk Molding Compounds(BMCs) verarbeitet. Sie vernetzen jedoch sehr langsam, über mehrere Stunden hinweg (Eyerer, P.; Elsner, P.; Hirth, T.: Kunststoffe und ihre Eigenschaften. 6. Aufl. Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag, 2005).According to the invention, phenol-based thermoplastically processable, postcrosslinking precursors are used for CMC production. Phenol resin prepolymers are well suited as starting material for the preparation of carbon-based CMCs due to their high carbon yield. Particularly preferred for carrying out the process according to the invention are furfuryl alcohol derivatives having weight fractions of 10 to 50% by weight, preferably 25 to 50% by weight, and novolaks having percentages by weight of 70 to 98% by weight, preferably 80 to 95% by weight, and and combinations of both are used. Novolacs are phenolic resins which are synthesized from phenol and formaldehyde in a ratio of phenol to formaldehyde> 1. They are previously by means of complex thermoset injection molding, z. B. processed to bulk molding compounds (BMCs). However, they crosslink very slowly over several hours (Eyerer, P. Elsner, P., Hirth, T .: Plastics and their properties, 6th Ed Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag, 2005).
Um thermoplastisch verarbeitbare Precursoren wie konventionelle Thermoplaste verarbeiten zu können, werden die Precursoren mit einer ausreichend großen Anzahl von Wiederholungseinheiten (Molmassen der Edukte im Bereich 200 - 5.000 g/mol, Molmassen der kettenverlängerten Thermoplaste im Bereich von 50.000-300.000 g/mol) synthetisiert, was ihnen für das Verarbeitungsfenster beim Reaktiv-Spritzgießen rheologisch geeignete Fließeigenschaften im Bereich von 10 - 500 Pa*s verleiht. Das unvernetzte oder teilweise vorvernetzte Phenolpräpolymer enthält eine definierte Anzahl spezieller Reaktionsstellen. Die Vernetzung der einzelnen Bereiche kann dabei an den phenolbasierten-Komponenten bevorzugt in ortho- und para-Position der Phenolgruppen, die im Bereich des Verarbeitungsfensters des Spritzgießprozesses noch nicht reagieren, unmittelbar nach dem Spritzgießprozess, bevorzugt im selben Formgebungswerkzeug vollzogen werden.In order to process thermoplastically processable precursors such as conventional thermoplastics, the precursors with a sufficiently large number of repeating units (molecular weights the starting materials in the range 200-5000 g / mol, molecular weights of the chain-extended thermoplastics in the range of 50,000-300,000 g / mol), which gives them rheologically suitable flow properties in the range of 10 - 500 Pa * s for the processing window in reactive injection molding. The uncrosslinked or partially precrosslinked phenol prepolymer contains a defined number of specific reaction sites. The crosslinking of the individual regions can be carried out on the phenol-based components, preferably in the ortho and para positions of the phenol groups, which do not yet react in the region of the processing window of the injection molding process, directly after the injection molding process, preferably in the same shaping tool.
Durch die Integration des formaldehydäquivalenten Vernetzersystems, bevorzugt Trioxan oder Hexamethyltetramin, wird das in seiner speziellen Zusammensetzung beschriebene Polymer in einem vorgegebenen Temperatur-Druck-Bereich zum Duroplasten vernetzt. Durch variable Kettenlängen auf Grund eines Kettenverlängerungskatalysators einstellbarkann das Polymer spezifisch an den Spritzgießprozess angepasst werden. Die Vernetzung vollzieht sich unabhängig nach dem Spritzgießprozessbei hoher Reaktionsgeschwindigkeit (t < 5 min) direkt im Spritzgießwerkzeug bei einer Temperatur von 150 - 300 °C besonders bevorzugt 150 - 250 °C. Die Vernetzungstemperatur liegt dabei stets unterhalb der Zersetzungstemperatur des Polymers, die für das genannte Polymer ca. 300 °C beträgt. Danach liegt ein geometrisch definiertes, formstabiles Formteil als Vorstufe für die nachfolgende Pyrolyse vor. Das Polymer kann dabei rein, als Blend, im gefüllten oder ungefüllten Zustand vorliegen.Through the integration of the formaldehyde-equivalent crosslinker system, preferably trioxane or hexamethyltetramine, the polymer described in its special composition is crosslinked in a predetermined temperature-pressure range to form thermosets. By variable chain lengths due to a chain extension catalyst, the polymer can be adjusted specifically to the injection molding process. The crosslinking takes place independently after the injection molding process at a high reaction rate (t <5 min) directly in the injection mold at a temperature of 150-300 ° C., more preferably 150-250 ° C. The crosslinking temperature is always below the decomposition temperature of the polymer, which is about 300 ° C for said polymer. Thereafter, there is a geometrically defined, dimensionally stable molded part as a precursor for the subsequent pyrolysis. The polymer may be pure, as a blend, in the filled or unfilled state.
Die spritzgießtechnische Verarbeitung erfolgt vorzugsweise auf herkömmlichen Spritzgießmaschinen mit Förderschnecken, welche vorteilhaft geringe Scherwärme erzeugen. Der Plastifizierzylinder ist dabei mit einer Fluidtemperierung ausgestattet, die Zylindertemperaturen vorzugsweise im Bereich von 60 bis 150°C realisiert.The injection molding processing is preferably carried out on conventional injection molding machines with screw conveyors, which advantageously produce low shear heat. The plasticizing cylinder is equipped with a fluid temperature, the cylinder temperatures preferably realized in the range of 60 to 150 ° C.
Im nachfolgenden Schritt erfolgt die Pyrolyse des Formteils in einem inerten Gas, bevorzugt Argon oder im Vakuum im Temperaturbereich zwischen 300 °C und 1200 °C, bevorzugt zwischen 300 °C und 980 °C. Als Produkt liegt eine geeignete infiltrierbare Preform für einen nachfolgenden Flüssigphaseninfiltrationsprozess, bevorzugt für Polymerinfiltration und Pyrolyse (Polymer Infiltration and Pyrolysis (PIP)) oder Flüssigsilicierverfahren (Liquid Silicon Infiltration (LSI)), oder chemische Gasphaseninfiltration (Chemical Vapor Infiltration (CVI)) vor.In the subsequent step, the pyrolysis of the molding in an inert gas, preferably argon or in vacuo in the temperature range between 300 ° C and 1200 ° C, preferably between 300 ° C and 980 ° C. The product is a suitable infiltratable preform for a subsequent liquid phase infiltration process, preferably for polymer infiltration and pyrolysis (PIP) or liquid silicon infiltration (LSI), or chemical vapor infiltration (CVI).
Erste bevorzugte VerfahrensweiseFirst preferred procedure
Phenol wird geschmolzen und mit einer Formaldehyd-Furfurylalkohol-Lösung von 80 - 90 mol%, bevorzugt 82 -86 mol% der eingesetzten Phenolmenge und mit Oxalsäure 0,5 - 1,5 mol%, bevorzugt 0,8 bis 1,2 mol % des eingesetzten Phenols versetzt und in einem geeigneten Rührkesselreaktor, bevorzugt in einem Rührautoklav unter mäßiger Scherrate (abhängig vom Mischertyp) gemischt. Das Reaktionsgemisch wird 0,5 - 3 Stunden, bevorzugt 1 bis 2 Stunden bei 80 - 100 °C, bevorzugt bei 90 - 99 °C temperiert. Anschließend werden, Wasser und unreagierte Bestandteile durch ein geeignetes Vakuum, bevorzugt direkt im Rührautoklav entfernt. Als Produkt liegt das phenolbasierte Polymer mit einer Molmassenverteilung von 500 - 5000 g/mol vor. Anschließend wird das erstarrte phenolbasierte -Polymer zerkleinert, bevorzugt durch Kaltmalen, um es für die weitere Verarbeitung riesel- und schüttfähig zu machen.Phenol is melted and with a formaldehyde-furfuryl alcohol solution of 80-90 mol%, preferably 82-86 mol% of the amount of phenol used and with oxalic acid 0.5-1.5 mol%, preferably 0.8 to 1.2 mol%. of the phenol used and mixed in a suitable stirred tank reactor, preferably in a stirred autoclave at a moderate shear rate (depending on the mixer type). The reaction mixture is 0.5 - 3 hours, preferably 1 to 2 hours at 80 - 100 ° C, preferably at 90 - 99 ° C tempered. Subsequently, water and unreacted constituents are removed by a suitable vacuum, preferably directly in the stirred autoclave. The product is the phenol-based polymer with a molecular weight distribution of 500-5000 g / mol. Subsequently, the solidified phenol-based polymer is comminuted, preferably by cold painting, to make it free-flowing and pourable for further processing.
Das phenolbasierte Polymer wird einem Einschnecken- bzw. Doppelschnecken-Compoundierextruder, bevorzugt in einem hochverschleißfesten Doppelschnecken-Compoundierextruder als Pulver oder Granulat, bevorzugt als Granulat zugeführt. Es werden Verstärkungsstoffe wie Kohlenstoff, Silizium und Siliziumkarbid in Faserform mit Durchmessern von 3 - 25 µm, bevorzugt 5 - 12 µm und/oder Partikeln mit 0,1 - 500 µm zugeführt, wobei die zugeführten Faserlängen ab 1 mm betragen. Es werden weiterhin auch Endlosfasern dem Doppelschneckenextruder im Bereich der Einzugszone oder Meteringzone direkt zugeführt. Bevorzugt werden Kohlenstofffasern mit variablen Volumenanteilen von 0 - 85 Vol%, bevorzugt 40 - 80 Vol % dem phenolbasierten -Polymer als Füllstoff zugeführt. Die Parameter der Scherrate und Zonentemperierung sind prozess- und maschinenabhängig einzustellen. Der compoundierte, extrudierte verstärkte phenolbasierte -Polymerstrang durchläuft massetemperaturabhängig eine Kühlstrecke an Luft oder einem flüssigen Kühlmedium. Anschließend erfolgt die Granulation in einem verschleißfesten Schneidwerk. Das Granulat dient als Ausgangsmaterial für einen nachfolgenden Spritzgießprozess. Die Parameter des Spritzgießen wie Spritzdruck, Staudruck, Nachdruck, Zonentemperierung etc. werden maßgeblich vom zu spritzenden Formteil und dessen Formmasse und Geometrie bestimmt und sind je nach herzustellendem Formteil über Parameter- und Formfüllstudien bzw. Formfüllsimulationen zu ermitteln.The phenol-based polymer is fed to a single-screw compounding extruder, preferably in a highly wear-resistant twin-screw compounding extruder, as powder or granules, preferably as granules. There are reinforcing materials such as carbon, silicon and silicon carbide in fiber form with diameters of 3 - 25 .mu.m, preferably 5-12 .mu.m and / or particles with 0.1 - 500 .mu.m supplied, wherein the supplied fiber lengths are from 1 mm. Furthermore, endless fibers are fed directly to the twin-screw extruder in the area of the feed zone or metering zone. Carbon fibers with variable volume fractions of 0-85% by volume, preferably 40-80% by volume, are preferably fed to the phenol-based polymer as filler. The parameters of the shear rate and zone tempering must be set depending on the process and the machine. The compounded, extruded, reinforced phenol-based polymer strand passes through a cooling section in air or a liquid cooling medium depending on the temperature. Subsequently, the granulation takes place in a wear-resistant cutting unit. The granules serve as starting material for a subsequent injection molding process. The parameters of injection molding, such as injection pressure, dynamic pressure, holding pressure, zone tempering, etc., are largely determined by the molding to be molded and its molding composition and geometry, and depending on the molded part to be determined via parameter and mold filling studies or mold filling simulations.
Die Granulatpartikeln werden mit einem Formaldehydäquivalent, bevorzugt Hexamethyltetramin, Triazin mit 0,5 - 20 Gew.-%, bevorzugt mit 1,5 - 5 Gew.-% , in der Schnecke einer Spritzgießmaschine im Temperaturbereich zwischen 80 - 140 °C aufgeschmolzen und homogenisiert. Der Spritzdruck, Staudruck, Nachdruck und die jeweilige Zonentemperierung sind maßgeblich vom zu spritzenden Formteil und dessen Formmasse und Geometrie abhängig und müssen zum Erreichen eines stabilen reproduzierbaren Spritzgießprozess vorher durch Parameter- und Formfüllstudien bzw. Formfüllsimulationen ermittelt werden. Die Einspritzung erfolgt analog zu konventionellen Thermoplasten in eine oder mehrere Werkzeugkavitäten, die das Formteil abbilden. The granulate particles are melted with a formaldehyde equivalent, preferably hexamethyltetramine, triazine at 0.5 to 20 wt .-%, preferably 1.5 to 5 wt .-%, in the screw of an injection molding machine in the temperature range between 80 - 140 ° C and homogenized , The injection pressure, dynamic pressure, holding pressure and the respective zone temperature control are decisively dependent on the molded part to be molded and its molding compound and geometry and must be determined beforehand to achieve a stable reproducible injection molding process by parameter and mold filling studies or mold filling simulations. The injection takes place analogously to conventional thermoplastics in one or more mold cavities, which image the molding.
Danach wird die Thermoplastschmelze jedoch nicht zum thermoplastischen Kunststoffformteil durch eine Werkzeugkühlung abgekühlt. In der Werkzeuginnenwand der Werkzeugkavität befinden sich dynamische Temperiersysteme auf Basis von Widerstandsheizungen, Fluidtemperierungen oder einem anderen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, mit deren Hilfe die Thermoplastschmelze weiter erwärmt werden kann. Beim Überschreiten einer Temperatur von 220 - 290 °C vernetzt der Thermoplast durch das Vernetzersystem unter Beaufschlagung eines variabel einstellbaren Werkzeuginnendrucks, der vor dem Serienprozess simulativ und experimentell ermittelt werden muss, zu einem räumlich vernetzten duroplastischen Kunststoffformteil.
Das vernetzte und ausgehärtete Bauteil kann dann entformt und aus der Maschine transportiert werden.The crosslinked and cured component can then be removed from the mold and transported out of the machine.
In einem Folgeprozess geschieht in einem speziellen Rezipienten die Pyrolyse des Formteils unter Argon, bei Atmosphärendruck, bei einem Temperatur-Zeitregime von Raumtemperatur bis 400 °C mit ca. 1,5 K/min und einer formteilabhängigen Haltezeit von 30 - 720 min. Es folgt ein weiterer Temperaturanstieg von 400 auf 600 °C mit ca. 0,5 K/min und einer formteilabhängigen Haltezeit von 30 - 720 min. Abschließend erfolgt ein Temperaturanstieg von 600 auf 1200 °C mit ca. 2 K/min und formteilabhängigen Haltezeit von 30 - 720 min. Bei einer Wandstärkte von z. B. 3 mm wird eine jeweilige Haltezeit von 60 min bevorzugt. Als Endprodukt liegt eine kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoff-Preform vor. Optional sind weitere Wärmebehandlungen bevorzugt über 1200 °C unter Vakuum oder Inertgas, bevorzugt in Argon möglich, die Haltezeiten während der Pyrolyse werden maßgeblich von der Bauteilwandstärke, dem verwendeten Inertgas und vom Prozessdruck bestimmt.In a subsequent process, the pyrolysis of the molded article takes place in a special recipient under argon, at atmospheric pressure, at a temperature-time regime from room temperature to 400 ° C at about 1.5 K / min and a molded part-dependent holding time of 30 - 720 min. This is followed by a further rise in temperature from 400 to 600 ° C with about 0.5 K / min and a molded part-dependent holding time of 30 - 720 min. Finally, the temperature rises from 600 to 1200 ° C with approx. 2 K / min and molding-dependent holding time of 30 - 720 min. At a wall thicknesses of z. B. 3 mm, a respective holding time of 60 minutes is preferred. The end product is a carbon fiber reinforced carbon preform. Optionally, further heat treatments are preferably above 1200 ° C under vacuum or inert gas, preferably in argon possible, the holding times during pyrolysis are largely determined by the component wall thickness, the inert gas used and the process pressure.
Beim Pyrolyseprozess können vielseitige Routen nachgebildet werden. Je nach Art der Temperaturführung, des Schutzgases bzw. Druckes lassen sich spezifisch Rissnetzwerke erzeugen. Diesbezüglich existiert eine Vielzahl von Möglichkeiten im Stand der Technik. Das hier verwendete Temperatur-Zeit-Profil wurde anhand des Masseabbauverhaltens aus der thermogravimetrischen Untersuchung des Phenol-Polymers hergeleitetIn the pyrolysis process versatile routes can be recreated. Depending on the type of temperature control, the protective gas or pressure specific crack networks can be generated. In this regard, there are a variety of possibilities in the art. The temperature-time profile used here was derived from the mass degradation behavior from the thermogravimetric study of the phenolic polymer
Zweite bevorzugte VerfahrensweiseSecond preferred procedure
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht die Herstellung von Kompositen aus kunststoffbasierten Formmassen durch Mischen eines Mehrkomponenten-Vorpolymers (MKV) mit einem Kettenverlängerungskatalysators (KV) vor.The process according to the invention provides for the production of composites from plastic-based molding compositions by mixing a multicomponent prepolymer (MKV) with a chain-lengthening catalyst (KV).
Erfindungsgemäß wird das thermoplastisch verarbeitbare Gemisch durch die Mischung zweier Komponenten erzeugt:
- Komponente A: enthält das Basispolymer (auf Novolake-Basis), den Vernetzer und einen Moderator,
- Komponente B: enthält den Kettenverlängerungskatalysator (Polykresol) und einen Moderator.
- Component A: contains the base polymer (novolak-based), the crosslinker and a moderator,
- Component B: contains the chain extension catalyst (polycresol) and a moderator.
Die Moderatoren der Komponenten A und B müssen nicht identisch sein und dienen dazu, zu frühe Vernetzungsreaktionen zu unterbinden bzw. weitgehend zu vermeiden. Besonders bevorzugt wird sowohl dem Basispolymer als auch dem Kettenverlängerungskatalysator ein Moderator zugesetzt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Komponente B kein Moderator zugesetzt.The moderators of components A and B need not be identical and serve to prevent or largely avoid too early crosslinking reactions. More preferably, a moderator is added to both the base polymer and the chain extension catalyst. In a preferred embodiment, no moderator is added to component B.
Eine Kettenverlängerungsreaktion erzeugt beim Mischen des MKV mit dem KV eine hochmolare thermoplastische Formmasse und führt zu deren Volumenkontraktion. Der Materialschwund wird durch Nachspeisen von Material kompensiert. Die Mischung erfolgt mit Verfahren aus dem Stand der Technik. Besonders bevorzugt wird sie durch ein Reaktiv-Compoundierverfahren mit oder ohne einen vorgeschalteten Kaltmahlprozess oder durch ein Reaktiv-Spritzgießverfahren realisiert. Bei Anwendung des vorgeschalteten Reaktiv-Compoundierverfahrens liegt ein rieselfähiges hochmolares thermoplastisches Granulat vor, das in einem konventionellen Thermoplast-Spritzgießverfahren zu Formteilen weiterverarbeitet werden kann. Nach dem Spritzgießen vernetzt in einem Folgeprozess die hochmolare thermoplastische Formmasse auf Grund von Wärmezufuhr zum duroplastischen Formteil. Der Reaktionsschwund ist im Vergleich zum Aushärten herkömmlicher Phenolharze minimiert. Die Vernetzung geschieht im selben Werkzeug, in dem das Formgebungsverfahren erfolgte (siehe
In einem bevorzugten nachfolgenden Schritt erfolgt die Pyrolyse des Formteils in einem inerten Gas, bevorzugt Argon oder im Vakuum im Temperaturbereich zwischen 300 °C und 1200 °C, bevorzugt zwischen 300 °C und 980 °C. Als Produkt liegt eine geeignete infiltrierbare Preform für einen nachfolgenden Infiltrationsprozess, bevorzugt für Polymerinfiltration und Pyrolyse (Polymer Infiltration and Pyrolysis (PIP)) oder Flüssigsilizierverfahren (Liquid Silicon Infiltration (LSI)), oder chemische Gasphaseninfiltration (Chemical Vapor Infiltration (CVI)) vor.In a preferred subsequent step, the pyrolysis of the molding is carried out in an inert gas, preferably argon or in vacuo in the temperature range between 300 ° C and 1200 ° C, preferably between 300 ° C and 980 ° C. The product is a suitable infiltratable preform for a subsequent infiltration process, preferably for polymer infiltration and pyrolysis (PIP) or liquid silicon infiltration (LSI), or chemical vapor infiltration (CVI).
Besonders bevorzugte Verfahrensweise:Particularly preferred procedure:
Die bevorzugte Verfahrensweise stellt die Herstellung des Mehrkomponenten-Vorpolymers (MKV) dar, welche aus den Stufen Herstellung des Basispolymers sowie Herstellung des Vernetzer/Moderator-Gemisches besteht. Weiterhin erfolgt die Herstellung des Kettenverlängerungskatalysators (KV). Im Anschluss werden diese Komponenten gemischt, wobei sich unter Volumenkontraktion ein Thermoplast bildet. In einem weiteren Schritt erfolgt die Vernetzung zu einem Duroplast-Formteil. Die Produkte dienen bevorzugt als Ausgangskomponente zur CMC-Herstellung.The preferred procedure is the preparation of the multi-component prepolymer (MKV), which consists of the steps of preparation of the base polymer and preparation of the crosslinker / moderator mixture. Furthermore, the preparation of the chain extension catalyst (KV) takes place. These components are then mixed, forming a thermoplastic under volume contraction. In a further step, the crosslinking to a thermoset molding occurs. The products are preferably used as starting material for CMC production.
Herstellung des Mehrkomponenten-Vorpolymers (MKV)Preparation of the multicomponent prepolymer (MKV)
Das Mehrkomponenten-Vorpolymer (MKV) wird aus dem Basispolymer und dem Vernetzer/Moderator/Beschleuniger-Gemisch über einen Kaltmahlprozess gemischt. Es besteht die Möglichkeit Zuschlagsstoffe, wie Verstärkungs- und Füllstoffe sowie Additive in den Mischprozess einzuleiten. Es folgt ein Trocknungsprozess. Das Produkt liegt als Pulver oder Granulat vor.The multicomponent prepolymer (MKV) is blended from the base polymer and the crosslinker / moderator / accelerator mixture via a cold milling process. It is possible to introduce additives, such as reinforcing and fillers and additives in the mixing process. This is followed by a drying process. The product is available as a powder or granules.
a. Herstellung des Basispolymersa. Preparation of the base polymer
Das Basispolymer stellt ein Phenol-Novolak dar. Dazu wird Phenol geschmolzen und mit einer Formaldehyd-Furfurylalkohol und Oxalsäure versetzt und anschließend temperiert sowie entgast und gemahlen.The base polymer is a phenol novolac. For this purpose, phenol is melted and treated with a formaldehyde furfuryl alcohol and oxalic acid and then tempered and degassed and ground.
b. Herstellung des Vernetzer/Moderator-Gemischesb. Preparation of the crosslinker / moderator mixture
Der Vernetzer besteht aus einem Gemisch aus b-Naphtol (reaktionsträge), Resorcin und Phloroglucin (reaktiv) im gewünschten Verhältnis. Die Zugabe eines Moderators aus einem Xylenol-Gemisch ist erforderlich, um die intermolekularen Bewegungen der Reaktanden zu retardieren und somit die Reaktivität bestimmen. Dies macht im Nachgang eine Steuerung einer Vernetzungsreaktion möglich. Das so erzeugte Vernetzer/Moderator-Gemisch ermöglicht eine definierte Wirksamkeit des Vernetzers bei der Vernetzung. Die Varianten über die Zusammensetzung des Vernetzer/Moderator-Gemisches werden in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1: Zusammensetzung des Vernetzer/Moderator-Gemisches
Neben der Temperatur beeinflusst der Beschleuniger die Vernetzungsgeschwindigkeit. Der Beschleuniger wird bei -10 °C gemischt und in Anlehnung an folgende Tabelle 2 dem Vernetzer/Moderator-Gemisch hinzudosiert.
Tabelle 2: Zusammensetzung des Vernetzer/Moderator/Beschleuniger-Gemisches
Herstellung des Kettenverlängerungskatalysators (KV)Preparation of the Chain Extending Catalyst (KV)
Der Kettenverlängerungskatalysator wird aus einem Polykresol mit definierter molarer Masse verkettet. Jeweils an den Kettenenden befinden sich funktionelle Gruppen, die mit Nachgang mit dem MKV vernetzen können. Dazu wird Poly(4-vinyl)-Phenol mit einer Formaldehyd-Lösung und mit Oxalsäure in Lösung gemischt. In einem weiteren Schritt werden 2-Methylphenol, 2,4,6-Trihydroxyacetophenon sowie 1,3,5-Triaminobenzol hinzugemischt und unter Druck polykondensiert. Im Anschluss erfolgt die Disproportionierung unter ethanolischer KOH-Lösung und Addition von 4-Hydroxytoluol. Abschließend erfolgen die Neutralisation sowie die Entfernung von Restprodukten im Vakuum. Abschließend wird das Produkt zu Pulver gemahlen.The chain extension catalyst is chained from a defined molecular weight polycresol. At each end of the chain there are functional groups that can network with the MKV afterwards. For this purpose, poly (4-vinyl) phenol is mixed with a formaldehyde solution and with oxalic acid in solution. In a further step, 2-methylphenol, 2,4,6-trihydroxyacetophenone and 1,3,5-triaminobenzene are admixed and polycondensed under pressure. This is followed by disproportionation under ethanolic KOH solution and addition of 4-hydroxytoluene. Finally, the neutralization and the removal of residual products in a vacuum. Finally, the product is ground to powder.
Mischen der Komponenten Mixing the components
Das Mehrkomponenten-Vorpolymer und der Kettenverlängerungskatalysator werden entweder durch einen 2-Komponenten-Spritzgießprozess oder durch Kaltmahlen mit einem anschließenden Compoundierprozess homogenisiert. Dabei reagieren die funktionellen Gruppen des MKV mit den funktionellen Gruppen des KV und bilden Polymerketten.The multicomponent prepolymer and the chain extension catalyst are homogenized either by a 2-component injection molding process or by cold milling with a subsequent compounding process. The functional groups of the MKV react with the functional groups of the KV and form polymer chains.
a. 2-Komponenten Spritzgießena. 2-component injection molding
Das MPV und das KV werden in separaten Plastifiziereinheiten geschmolzen und im 2-Komponenten-Spritzgießverfahren durch zwei nahe aneinander liegende Düsen separat in die Kavität eingespritzt. Durch den Mischprozess wird die Kettenverlängerungsreaktion in der Formmasse auslöst, wobei ein statischer Nachdruck die Volumenkontraktion in der Kavität kompensiert. Als Produkt liegt eine hochmolekulare thermoplastische Formmasse vor.The MPV and the KV are melted in separate plasticizing units and injected separately into the cavity by means of two-component injection molding through two nozzles close to each other. The mixing process triggers the chain extension reaction in the molding compound, with a static holding pressure compensating for the volume contraction in the cavity. The product is a high molecular weight thermoplastic molding material.
b. Kaltmahlen/Compoundieren/b. Cold grinding / blending /
Der Mischprozess kann alternativ zum 2-Komponenten Spritzgießen durch Kaltmahlen mit oder ohne anschließenden Compoundieren geschehen. Beim Kaltmahlen wird das MPV mit den KV homogenisiert. Empfehlenswert ist das anschließende Aufschmelzen der Formmasse in einem Compoundierextruder, wobei die Kettenverlängerungsreaktion der Formmasse ausgelöst wird. Anschließend wird ein hochmolekularer thermoplastischer Formstrang im Wasserbad abgezogen und in einem Schneidwerk zu Granulat verarbeitet. Abschließend erfolgt die Trocknung des Granulats. In einem weiteren konventionellen Thermoplast-Spritzgießprozess wird das Granulat in der Plastifiziereinheit geschmolzen und in die Kavität eingespritzt. Eine Volumenkontraktion, wie in Verfahren 3a beschrieben, liegt in seiner ursprünglichen Größenordnung nicht vor. Als Produkt liegt eine hochmolekulare thermoplastische Formmasse vor.The mixing process can alternatively be done by 2-component injection molding by cold milling with or without subsequent compounding. In cold grinding, the MPV is homogenized with the KV. It is recommended that the subsequent melting of the molding compound in a compounding extruder, wherein the chain extension reaction of the molding composition is triggered. Subsequently, a high molecular weight thermoplastic molding strand is removed in a water bath and processed in a cutting unit to granules. Finally, the drying of the granules takes place. In another conventional thermoplastic injection molding process, the granules in the plasticizing unit are melted and injected into the cavity. A volume contraction as described in Method 3a is not present in its original magnitude. The product is a high molecular weight thermoplastic molding material.
Vernetzungsreaktion in der KavitätCrosslinking reaction in the cavity
Die Vernetzungsreaktion folgt unmittelbar nach den Verfahrensschritten 3a oder 3b, wobei in der Kavität des Werkzeuges eine hochmolekulare thermoplastische Formmasse vorliegt. Basierend auf keramischen Heizelementen in der Formnestwand erfolgt nach der Nachdruckphase eine Erwärmung auf 200 - 260 °C. Diese lokale Erwärmung bewirkt auf Grund der Reaktionskinetik die sterische Blockade des Vernetzers durch den Moderator, da Xylenol erst bei max. 203 - 226 °C inaktiv wird. Es tritt eine selbsterhaltende exotherme Vernetzungsreaktion unter Bildung eines duroplastischen Formteils ein. Auf Grund der in Verfahrensschritt 3 beschriebenen Volumenkontraktion tritt hier eine bei der Vernetzung moderate Wirkung ein. Dieser Vorteil wirkt im Vergleich zur Verarbeitung herkömmlicher Phenol-Novolak-basierter Duroplasten in der besseren Formstabilität der Produkte aus. Abschließend erfolgt die Entnahme des duroplastischen Formteils aus dem Werkzeug zur weiteren Verarbeitung.The crosslinking reaction follows immediately after the process steps 3a or 3b, wherein in the cavity of the tool is a high molecular weight thermoplastic molding composition. Based on ceramic heating elements in the mold cavity wall, heating takes place after the holding pressure phase at 200-260 ° C. Due to the reaction kinetics, this local heating causes the steric blockade of the crosslinker by the moderator, since xylenol is only released at max. 203 - 226 ° C becomes inactive. A self-sustained exothermic crosslinking reaction occurs to form a thermoset molding. Due to the volume contraction described in method step 3, a moderate effect occurs during crosslinking. This advantage has an effect on the better dimensional stability of the products compared to the processing of conventional phenol novolak-based thermosets. Finally, the removal of the thermosetting molding from the tool for further processing.
CMC-HerstellungCMC production
Im nachfolgenden Schritt erfolgt die Pyrolyse des Formteils in einem inerten Gas, bevorzugt Argon oder im Vakuum im Temperaturbereich zwischen 300-1200 °C durchgeführt. Als Produkt liegt ein geeigneter Kohlenstoffmatrix-Verbundwerkstoff vor, der in einen nachfolgenden Infiltrationsprozess zu einem CMC weiterverarbeitet werden kann.In the subsequent step, the pyrolysis of the molding is carried out in an inert gas, preferably argon or in vacuo in the temperature range between 300-1200 ° C. The product is a suitable carbon matrix composite material that can be further processed into a subsequent infiltration process to form a CMC.
Erstes Ausführungsbeispiel:First embodiment:
Phenol wird geschmolzen und mit einer Formaldehyd-Furfurylalkohol-Lösung von 83 mol% der eingesetzten Phenolmenge und mit Oxalsäure 1,22 mol % des eingesetzten Phenols versetzt und in einem Rührautoklav gemischt. Das Reaktionsgemisch wird 1,5 Stunden bei 93 - 96 °C temperiert. Anschließend werden, Wasser und unreagierte Bestandteile durch ein geeignetes Vakuum, direkt im Rührautoklav entfernt. Als Produkt liegt das phenolbasierte Polymer mit einer Molmassenverteilung von 500 - 5000 g/mol vor. Anschließend wird das erstarrte Phenol-Polymer durch Kaltmalen zerkleinert, um es für die weitere Verarbeitung riesel- und schüttfähig zu machen.Phenol is melted and admixed with a formaldehyde-furfuryl alcohol solution of 83 mol% of the amount of phenol used and with oxalic acid 1.22 mol% of the phenol used and mixed in a stirred autoclave. The reaction mixture is heated at 93-96 ° C for 1.5 hours. Then, water and unreacted ingredients are removed by a suitable vacuum directly in the stirred autoclave. The product is the phenol-based polymer with a molecular weight distribution of 500-5000 g / mol. Subsequently, the solidified phenol polymer is comminuted by Kaltmalen, in order to make it free-flowing and pourable for further processing.
Das phenolbasierte -Polymer wird einem Doppelschnecken-Compoundierextruder, als Granulat zugeführt. Es werden Kohlenstoff und Siliziumkarbid in Faserform als Verstärkungsstoffe mit Durchmessern von 5 - 12 µm oder zugesetzt, wobei die zugeführten Faserlängen ab 1 mm betragen. Dem Doppelschneckenextruder werden im Bereich der Einzugszone oder Meteringzone auch Endlosfasern direkt zugeführt. Dabei handelt es sich um Kohlenstofffasern mit 50 Vol %, die dem phenolbasierten -Polymer als Füllstoff zugeführt werden. Die Parameter der Scherrate und Zonentemperierung sind prozess- und maschinenabhängig einzustellen. Der compoundierte, extrudierte verstärkte phenolbasierten -Polymerstrang durchläuft massetemperaturabhängig eine Kühlstrecke an Luft oder einem flüssigen Kühlmedium. Anschließend erfolgt die Granulationen in einem verschleißfesten Schneidwerk. Das Granulat dient als Ausgangsmaterial für den nachfolgenden Spritzgießprozess.The phenol-based polymer is fed to a twin-screw compounding extruder as granules. Carbon and silicon carbide are added in fiber form as reinforcing materials with diameters of 5 - 12 microns or, with the supplied fiber lengths from 1 mm. The twin-screw extruder In the area of the feed zone or metering zone, continuous fibers are also supplied directly. These are carbon fibers with 50% by volume, which are fed to the phenol-based polymer as a filler. The parameters of the shear rate and zone tempering must be set depending on the process and the machine. The compounded, extruded reinforced phenol-based polymer strand passes through a cooling section in air or a liquid cooling medium depending on the temperature. Subsequently, the granulations are carried out in a wear-resistant cutting unit. The granules serve as starting material for the subsequent injection molding process.
Die Granulatpartikeln werden mit einem Formaldehydäquivalent, hier Hexamethyltetramin 3,5 Gew.-% , in der Schnecke der Spritzgießmaschine im Temperaturbereich zwischen 100 - 120 °C aufgeschmolzen und homogenisiert. Der Spritzdruck, Staudruck, Nachdruck und die jeweilige Zonentemperierung werden entsprechend dem zu spritzenden Formteil und dessen Formmasse und Geometrie eingestellt. Sie wurden vorher durch Parameter- und Formfüllstudien bzw. Formfüllsimulationen ermittelt. Die Einspritzung erfolgt analog zu konventionellen Thermoplasten in eine oder mehrere Werkzeugkavitäten, die das Formteil abbilden.The granulate particles are melted with a formaldehyde equivalent, here hexamethyltetramine 3.5 wt .-%, in the screw of the injection molding machine in the temperature range between 100 - 120 ° C and homogenized. The injection pressure, back pressure, holding pressure and the respective zone temperature control are set according to the molded part to be molded and its molding compound and geometry. They were previously determined by parameter and form filling studies or mold filling simulations. The injection takes place analogously to conventional thermoplastics in one or more mold cavities, which image the molding.
Danach wird die Thermoplastschmelze mittels der in der Werkzeuginnenwand der Werkzeugkavität befindlichen dynamischen Temperiersysteme auf Basis von Widerstandsheizungen weiter erwärmt. Beim Überschreiten einer Temperatur von 220 - 290 °C vernetzt der Thermoplast durch das Vernetzersystem unter Beaufschlagung eines variabel einstellbaren Werkzeuginnendrucks, der vor dem Serienprozess simulativ und experimentell ermittelt werden muss, zu einem räumlich vernetzten duroplastischen KunststoffformteilThereafter, the thermoplastic melt is further heated by means of located in the tool inner wall of the mold cavity dynamic temperature control based on resistance heaters. When a temperature of 220-290 ° C. is exceeded, the thermoplastic cross-links through the crosslinker system to a spatially crosslinked thermosetting plastic molded part while applying a variably adjustable cavity pressure, which must be determined simulatively and experimentally before the series process
Das vernetzte und ausgehärtete Bauteil wird dann automatisiert entformt und aus der Maschine transportiert.The cross-linked and cured component is then automatically demoulded and transported out of the machine.
In einem Folgeprozess geschieht in einem speziellen Rezipienten die Pyrolyse des Formteils unter Argon, bei Atmosphärendruck, bei einem Temperatur-Zeitregime von Raumtemperatur bis 400 °C mit 1,5 K/min und einer formteilabhängigen Haltezeit von 60 min. Es folgt ein weiterer Temperaturanstieg von 400 auf 600 °C mit 0,5 K/min und einer formteilabhängigen Haltezeit von 60 min. Abschließend erfolgt ein Temperaturanstieg von 600 auf 1200 °C mit 2 K/min und formteilabhängigen Haltezeit von 60 min. Die genannten jeweiligen Haltezeiten von 60 min ergeben sich aus der Wandstärke des Formteils von 3 mm. Als Endprodukt liegt eine kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoff-Preform vor.In a subsequent process, the pyrolysis of the molding takes place in a special recipient under argon, at atmospheric pressure, at a temperature-time regime from room temperature to 400 ° C at 1.5 K / min and a molding-dependent retention time of 60 min. This is followed by a further increase in temperature from 400 to 600 ° C at 0.5 K / min and a molded part-dependent holding time of 60 min. Finally, a temperature rise of 600 to 1200 ° C with 2 K / min and molding-dependent retention time of 60 min. The mentioned respective holding times of 60 minutes result from the wall thickness of the molded part of 3 mm. The end product is a carbon fiber reinforced carbon preform.
Zweites Ausführungsbeispiel:Second embodiment:
C-Precursor A (mittlere Reaktivität. Füllstoff HTA C-Fasern, Herstellung durch 2-K Spritzgießen)C-precursor A (average reactivity, filler HTA C-fibers, production by 2-K injection molding)
Herstellung des Mehrkomponenten-Vorpolymers (MKV)Preparation of the multicomponent prepolymer (MKV)
Das Mehrkomponenten-Vorpolymer (MKV) wird aus dem Basispolymer und dem Vernetzer/Moderator/Beschleuniger-Gemisch über einen Kaltmahlprozess bei einer Temperatur von ca. -10 °C und einer Scherrate von 0,1 - 20 1/s gemischt, bis ein pulverförmiges Granulat vorliegt. Im Anschluss wird das pulverförmige Zwischenprodukt mit Kohlenstoffasern vom Typ HTA in einem Compoundierprozess eingeleitet und bei einer mittleren Temperatur von 110 °C und bis zu einem Faservolumengehalt von 40 Vol.-% angereichert. Es folgt ein Trocknungsprozess bei einer Temperatur von 40 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von < 20 % für 30 min.The multicomponent prepolymer (MKV) is mixed from the base polymer and the crosslinker / moderator / accelerator mixture via a cold grinding process at a temperature of about -10 ° C and a shear rate of 0.1 - 20 1 / s until a powdery Granules present. The pulverulent intermediate product is then introduced with HTA-type carbon fibers in a compounding process and enriched at an average temperature of 110 ° C. and up to a fiber volume content of 40% by volume. This is followed by a drying process at a temperature of 40 ° C and a relative humidity of <20% for 30 min.
Herstellung des BasispolymersPreparation of the base polymer
Phenol wird geschmolzen und mit einer Formaldehyd-Furfurylalkohol-Lösung von 80 - 90 mol-% der eingesetzten Phenolmenge und mit Oxalsäure 1,1 mol-% des eingesetzten Phenols versetzt und in einem Rührautoklaven bei einer Scherrate von 0,1 - 5 s-1 gemischt. Das Reaktionsgemisch wird 0,5 - 4 h zwischen 80 und 100 °C temperiert. Anschließend werden, Wasser und unverbrauchte Edukte durch ein geeignetes Vakuum direkt aus dem Rührautoklav entfernt. Als Produkt liegt das Basispolymer mit einer Molmassenverteilung von 1500 - 5000 g/mol vor. Anschließend wird die erstarrte Masse durch Kaltmahlen zu einem Granulat zerkleinert, um es für die weitere Verarbeitung riesel- und schüttfähig zu machen.Phenol is melted and admixed with a formaldehyde-furfuryl alcohol solution of 80-90 mol% of the amount of phenol used and with oxalic acid 1.1 mol% of the phenol used and in a stirred autoclave at a shear rate of 0.1-5 s -1 mixed. The reaction mixture is heated for 0.5-4 h between 80 and 100 ° C. Then, water and unused educts are removed by a suitable vacuum directly from the stirred autoclave. The product is the base polymer with a molecular weight distribution of 1500 to 5000 g / mol. Subsequently, the solidified mass is comminuted by cold milling to granules to make it trickle and pourable for further processing.
Herstellung des Vernetzer/Moderator-GemischesPreparation of the crosslinker / moderator mixture
Das Vernetzer/Moderator-Gemisch besteht bevorzugten aus der Zusammensetzung laut nachfolgender Tabelle 3. Es wird im Rührautoklaven mit einer Scherrate zwischen 0,5 - 20 s-1 und einem Temperatur-Zeit-Programm (80 - 120 °C, 1 h) homogenisiert.
Tabelle 3: Zusammensetzung des Vernetzer/Moderator-Gemisches
Neben der Temperatur beeinflusst der Beschleuniger die Vernetzungsgeschwindigkeit. Der Beschleuniger wird bei -10 °C gemischt und in Anlehnung an folgende Tabelle 4 dem Vernetzer/Moderator-Gemisch hinzudosiert.
Tabelle 4: Zusammensetzung des Vernetzer/Moderator/Beschleuniger-Gemisches
Herstellung des Kettenverlängerungskatalysators (KV)Preparation of the Chain Extending Catalyst (KV)
Der Kettenverlängerungskatalysator wird Dazu wird Poly(4-vinyl)-Phenol zu einem Polymer mit definierter molarer Masse verkettet (500 - 2.500 g/mol). Jeweils an den Kettenenden befinden sich funktionelle Gruppen, die im Nachgang mit Phenol-Novolaken vernetzen können. Für die Synthese wird Phenol geschmolzen und mit einer Formaldehyd-Lösung von 80 - 90 mol-%, der eingesetzten Phenolmenge und mit Oxalsäure 1,1 mol.-% des eingesetzten Phenols versetzt und in einem Rührautoklaven bei einer Scherrate von 0,1 - 5 s-1 gemischt. Das Reaktionsgemisch wird 1 Stunde bei 55 °C temperiert. In einem weiteren Schritt werden anteilig zu 64,5 Gew.-% der erzeugten Lösung 32,4 Gew.-% 2-Methylphenol, 0,4 Gew.-% 2,4,6-Trihydroxyacetophenon sowie 0,6 Gew.-% 1,3,5-Triaminobenzol hinzugemischt. Die Rührzeit in einem Rührkesselreaktor beträgt <20 min, bei einem Druck von 5,0 bar. Im Anschluss werden 0,1 Gew.-% ethanolische 1n KOH-Lösung sowie 2 Gew.-% 4-Hydroxytoluol hinzugemischt. Abschließend erfolgen die Neutralisation sowie die Entfernung von Restprodukten. Als Produkt liegt ein Polykresol mit reaktiven Endgruppen und einer Molmassenverteilung von 500 - 2500 g/mol vor. Abschließend wird die flockige Masse, bevorzugt durch Kaltmahlen, unter Zugabe von 2-6 Gew.-% Magnesium- bzw. Kalziumstearat und 20 Gew.-% 3,5 Xylenol (als Moderator) bei Raumtemperatur homogenisiert. Das Produkt liegt als hochviskoses Pulver vor.This is done by chaining poly (4-vinyl) phenol to a polymer with a defined molar mass (500-2500 g / mol). At the ends of each chain are functional groups that can subsequently crosslink with phenolic novolacs. For the synthesis, phenol is melted and admixed with a formaldehyde solution of 80-90 mol%, the amount of phenol used and oxalic acid 1.1 mol .-% of the phenol used in a stirred autoclave at a shear rate of 0.1-5 s -1 mixed. The reaction mixture is heated at 55 ° C for 1 hour. In a further step, in proportion to 64.5% by weight of the solution produced, 32.4% by weight of 2-methylphenol, 0.4% by weight of 2,4,6-trihydroxyacetophenone and also 0.6% by weight 1,3,5-triaminobenzene mixed. The stirring time in a stirred tank reactor is <20 min, at a pressure of 5.0 bar. Subsequently, 0.1% by weight of ethanolic 1N KOH solution and 2% by weight of 4-hydroxytoluene are mixed in. Finally, the neutralization and the removal of residual products. The product is a polycresol with reactive end groups and a molecular weight distribution of 500 - 2500 g / mol. Finally, the fluffy mass, preferably by cold milling, with the addition of 2-6 wt .-% magnesium or calcium stearate and 20 wt .-% 3.5 xylenol (as moderator) homogenized at room temperature. The product is available as a highly viscous powder.
Mischen der Komponenten durch 2-Komponenten SpritzgießenMix the components by 2-component injection molding
Im Beispiel werden das mit C-Fasern gefüllt MKV und der KV durch einen konventionellen 2-Komponenten-Spritzgießprozess homogenisiert. Es werden die Komponenten in separaten Plastifiziereinheiten geschmolzen. Dabei werden neben der erzeugten Scherwärme die jeweiligen Spritzzylinder auf ca. 80 °C-120 °C vorgewärmt. Der Formfüllvorgang geschieht zeitgleich durch zwei nahe aneinander liegende separate Düsen in die Kavität. Die Paramter des Formfüllvorganges sind maßgeblich von der Geometrie und vom Schussgewicht des zu erzeugenden Formteils abhängig. Durch den Mischprozess wird die Kettenverlängerungsreaktion in der Formmasse auslöst, wodurch ihr Volumen bis zu 10 % schrumpft. Ein statischer Nachdruck kompensiert die Volumenkontraktion in der Kavität. Als Produkt liegt eine hochmolekulare thermoplastische Formmasse mit einer Molmassenverteilung im Bereich von 50.000 - 300.000 g/mol vor.In the example, the MKV filled with C fibers and the KV are homogenized by a conventional 2-component injection molding process. The components are melted in separate plasticizing units. In addition to the generated shear heat, the respective injection cylinders are heated to approx. 80 ° C-120 ° C preheated. The mold filling takes place at the same time by two close to each other separate nozzles in the cavity. The parameters of the mold filling process are significantly dependent on the geometry and the shot weight of the molded part to be produced. The mixing process triggers the chain extension reaction in the molding compound, causing it to shrink in volume by up to 10%. A static pressure compensates for the volume contraction in the cavity. The product is a high molecular weight thermoplastic molding composition having a molecular weight distribution in the range of 50,000 - 300,000 g / mol.
Vernetzungsreaktionen in der KavitätCrosslinking reactions in the cavity
Basierend auf keramischen Heizelementen in der Formnestwand erfolgt unmittelbar an die Nachdruckphase eine Erwärmung auf 200 - 260 °C. Diese lokale Erwärmung bewirkt auf Grund der Reaktionskinetik die sterische Blockade des Vernetzers durch den Moderator, da Xylenol erst bei max. 203 - 226 °C inaktiv wird. Es tritt eine selbsterhaltende exotherme Vernetzungsreaktion unter Bildung eines geometrisch definierten, formstabilen duroplastischen Formteil ein. Die Vernetzung vollzieht sich bei hoher Reaktionsgeschwindigkeit (t < 5 min) direkt im Spritzgießwerkzeug bei einer Temperatur von 180 °C - 300 °C besonders bevorzugt 200 °C - 250 °C. Die Vernetzungstemperatur liegt dabei stets unterhalb der Zersetzungstemperatur des Polymers, die für das genannte Polymer ca. 300 °C beträgt. Auf Grund der in Verfahrensschritt 3 beschriebenen Volumenkontraktion tritt hier eine bei der Vernetzung moderate Wirkung ein. Dieser Vorteil wirkt im Vergleich zur Verarbeitung herkömmlicher Phenol-Novolak-basierter Duroplasten in der besseren Formstabilität der Produkte aus. Abschließend erfolgt die Entnahme des duroplastischen Formteils aus dem Werkzeug zur weiteren Verarbeitung.Based on ceramic heating elements in the mold cavity wall, heating to 200-260 ° C. takes place immediately after the holding pressure phase. Due to the reaction kinetics, this local heating causes the steric blockade of the crosslinker by the moderator, since xylenol is only released at max. 203 - 226 ° C becomes inactive. It enters a self-sustaining exothermic crosslinking reaction to form a geometrically defined, dimensionally stable thermoset molding. The crosslinking takes place at high reaction rate (t <5 min) directly in the injection mold at a temperature of 180 ° C - 300 ° C, more preferably 200 ° C - 250 ° C. The crosslinking temperature is always below the decomposition temperature of the polymer, which is about 300 ° C for said polymer. Due to the volume contraction described in method step 3, a moderate effect occurs during crosslinking. This advantage has an effect on the better dimensional stability of the products compared to the processing of conventional phenol novolak-based thermosets. Finally, the removal of the thermosetting molding from the tool for further processing.
CMC-HerstellungCMC production
Beim Pyrolyseprozess wird der C/C-Verbundwerkstoff erzeugt. Es können vielseitige Routen nachgebildet werden. Je nach Art der Temperaturführung, des Schutzgases bzw. Druckes lassen sich spezifisch Rissnetzwerke erzeugen. Diesbezüglich existiert eine Vielzahl von Möglichkeiten im Stand der Technik. Das hier verwendete Temperatur-Zeit-Profil wurde anhand des Masseabbauverhaltens aus der thermogravimetrischen Untersuchung des Kohlenstoffprecursors hergeleitet. Die die Pyrolyse des Formteils geschieht unter Argon, bei Atmosphärendruck, bei einem Temperatur-Zeitregime von Raumtemperatur bis 400 °C mit ca. 1,5 K/min und einer formteilabhängigen Haltezeit von 30 - 720 min. Es folgt ein weiterer Temperaturanstieg von 400 auf 600 °C mit ca. 0,5 K/min und einer formteilabhängigen Haltezeit von 30 - 720 min. Abschließend erfolgt ein Temperaturanstieg von 600 auf 1200 °C mit ca. 2 K/min und formteilabhängigen Haltezeit von 30 - 720 min. Bei einer Wandstärkte von z. B. 3 mm wird eine jeweilige Haltezeit von 60 min bevorzugt. Als Endprodukt liegt eine kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoff-Preform vor. Optional sind weitere Wärmebehandlungen bevorzugt über 1200 °C unter Vakuum oder Inertgas, bevorzugt in Argon möglich, die Haltezeiten während der Pyrolyse werden maßgeblich von der Bauteilwandstärke, dem verwendeten Inertgas und vom Prozessdruck bestimmt.The pyrolysis process produces the C / C composite. Versatile routes can be recreated. Depending on the type of temperature control, the protective gas or pressure specific crack networks can be generated. In this regard, there are a variety of possibilities in the art. The temperature-time profile used here was derived from the mass degradation behavior from the thermogravimetric analysis of the carbon precursor. The pyrolysis of the molding is done under argon, at atmospheric pressure, at a temperature-time regime from room temperature to 400 ° C at about 1.5 K / min and a molding-dependent retention time of 30 - 720 min. This is followed by a further rise in temperature from 400 to 600 ° C with about 0.5 K / min and a molded part-dependent holding time of 30 - 720 min. Finally, the temperature rises from 600 to 1200 ° C with approx. 2 K / min and molding-dependent holding time of 30 - 720 min. At a wall thicknesses of z. B. 3 mm, a respective holding time of 60 minutes is preferred. The end product is a carbon fiber reinforced carbon preform. Optionally, further heat treatments are preferably above 1200 ° C under vacuum or inert gas, preferably in argon possible, the holding times during pyrolysis are largely determined by the component wall thickness, the inert gas used and the process pressure.
In einem Folgeprozess wird der C/C-Verbundwerkstoff, bevorzugt für Polymerinfiltration und Pyrolyse (Polymer Infiltration and Pyrolysis (PIP)) oder Flüssigsilicierverfahren (Liquid Silicon Infiltration (LSI)), oder chemische Gasphaseninfiltration (Chemical Vapor Infiltration (CVI)) weiterverarbeitet. Die allgemeine Vorgehensweise ist aus dem Stand der Technik bekannt.In a follow-up process, the C / C composite, preferably for polymer infiltration and pyrolysis (PIP) or liquid silicon infiltration (LSI), or chemical vapor infiltration (CVI) is further processed. The general procedure is known from the prior art.
Drittes Ausführungsbeispiel:Third embodiment:
C-Precursor B (hohe Reaktivität. Füllstoff HTA C-Fasern, Herstellung durch Kaltmahlen, Compoundieren und Spritzgießen)C-Precursor B (high reactivity, filler HTA C-fibers, production by cold milling, compounding and injection molding)
Herstellung des Mehrkomponenten-Vorpolymers (MKV)Preparation of the multicomponent prepolymer (MKV)
Das Mehrkomponenten-Vorpolymer (MKV) wird aus dem Basispolymer und dem Vernetzer/Moderator/Beschleuniger-Gemisch über einen Kaltmahlprozess bei einer Temperatur von ca. -10 °C und einer Scherrate von 0,1 -20 1/s gemischt, bis ein pulverförmiges Granulat vorliegt. Es folgt ein Trocknungsprozess bei einer Temperatur von 40 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von < 20 % für 30 min.The multi-component prepolymer (MKV) is mixed from the base polymer and the crosslinker / moderator / accelerator mixture via a cold grinding process at a temperature of about -10 ° C and a shear rate of 0.1 -20 1 / s until a powdery Granules present. This is followed by a drying process at a temperature of 40 ° C and a relative humidity of <20% for 30 min.
Die Herstellung des Basispolymers ist identisch des Vorgehens aus dem vorangegangenen Beispiel.The preparation of the base polymer is identical to the procedure of the previous example.
Herstellung des Vernetzer/Moderator-Gemisches Preparation of the crosslinker / moderator mixture
Das Vernetzer/Moderator-Gemisch besteht bevorzugten aus der Zusammensetzung laut nachfolgender Tabelle. Es wird im Rührautoklaven mit einer Scherrate zwischen 0,5 - 20 s-1 und einem Temperatur-Zeit-Programm (80 - 100 °C, 0,5 h) homogenisiert.
Tabelle 5: Zusammensetzung des Vernetzer/Moderator-Gemisches
Der Beschleuniger wird bei -10 °C gemischt und in Anlehnung an nachfolgende Tabelle 6 dem Vernetzer/Moderator-Gemisch hinzudosiert.
Tabelle 6: Zusammensetzung des Vernetzer/Moderator/Beschleuniger-Gemisches
Die Herstellung des Kettenverlängerungskatalysators ist identisch des Vorgehens aus dem vorangegangenen Beispiel.The preparation of the chain extension catalyst is identical to the procedure of the previous example.
Mischen der Komponenten Kaltmalen und anschließenden CompoundierenMixing of components Cold painting and subsequent compounding
Das MKV und der KV werden bei einer Temperatur von -10 °C bei einer Scherrate von 0,5 - 10 s-1 zu Pulver homogenisiert. Das Pulvergemisch wird in einen konventionellen Compoundierextruder bei einer Temperatur von ca. 80 - 120 °C erschmolzen. Während des Homogenisierens setzt die Kettenverlängerungsreaktion der Formmasse ein. An einem Seitenkanal in der Nähe der Formdüse wird ein C-Faserroving 3K HTA so zugeführt, dass sich einem Gesamtmassedurchsatz von 0,1 Kg/min (anlagenabhängig) ein Faservolumengehalt von ca. 40 Vol.-% einstellt. Als Produkt wird ein thermoplastischer Formstrang im Wasserbad abgezogen und in einem Schneidwerk zu Granulat verarbeitet. Abschließend erfolgt die Trocknung des Granulats bei einer Temperatur von 40 - 60 °C für 1 h, bevorzugt bei 55 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von < 20 %.The MKV and the KV are homogenized to powder at a temperature of -10 ° C at a shear rate of 0.5 - 10 s -1 . The powder mixture is melted in a conventional compounding extruder at a temperature of about 80-120 ° C. During homogenization, the chain extension reaction starts from the molding material. A C-fiber roving 3K HTA is fed to a side channel in the vicinity of the shaping die in such a way that a total mass throughput of 0.1 kg / min (depending on the installation) sets a fiber volume content of about 40% by volume. As a product, a thermoplastic molded strand is drawn off in a water bath and processed into granules in a cutting unit. Finally, the drying of the granules is carried out at a temperature of 40-60 ° C for 1 h, preferably at 55 ° C and a relative humidity of <20%.
Zusätzliche Füllstoffe können bevorzugt Partikel und oder Fasern sein, die aus Kohlenstoff, Silizium, Molybdän, Wolfram, Tantal, Niob, Titan, Karbiden, Boriden, Nitriden, Oxiden, Karbonaten oder intermetallischen Phasen bestehen.Additional fillers may preferably be particles and / or fibers consisting of carbon, silicon, molybdenum, tungsten, tantalum, niobium, titanium, carbides, borides, nitrides, oxides, carbonates or intermetallic phases.
Spritzgießeninjection molding
In einem Folgeprozess wird das in 3 erzeugte Granulat über einen konventionellen Spritzgießprozess zu einem Formteil weiterverarbeitet. Die spritzgießtechnische Verarbeitung erfolgt vorzugsweise auf herkömmlichen Spritzgießmaschinen mit Förderschnecken, welche vorteilhaft geringe Scherwärme erzeugen. Der Plastifizierzylinder ist dabei mit einer Fluidtemperierung ausgestattet, die Zylindertemperaturen vorzugsweise im Bereich von 60 bis 150°C realisiert. Die mittlere Temperatur in der Plastifiziereinheit kann 100 - 130 °C betragen. Die Parameter des Formfüllvorganges sind maßgeblich von der Geometrie und vom Schussgewicht des zu erzeugenden Formteils abhängig.In a subsequent process, the granules produced in FIG. 3 are further processed into a shaped part by means of a conventional injection molding process. The injection molding processing is preferably carried out on conventional injection molding machines with screw conveyors, which advantageously produce low shear heat. The plasticizing cylinder is equipped with a fluid temperature, the cylinder temperatures preferably realized in the range of 60 to 150 ° C. The mean temperature in the plasticizing unit may be 100-130 ° C. The parameters of the mold filling process are significantly dependent on the geometry and the shot weight of the molded part to be produced.
Vernetzung, CMC-HerstellungNetworking, CMC production
Die Prozessmerkmale der Folgeprozesse können identisch des Vorgehens aus dem vorangegangenen Beispiel sein.The process characteristics of the subsequent processes can be identical to the procedure of the previous example.
Figurencharacters
Die
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