DE102015115565A1

DE102015115565A1 - Bauteil auf Polymerbasis und Herstellverfahren

Info

Publication number: DE102015115565A1
Application number: DE102015115565.6A
Authority: DE
Inventors: Gerd-Sebastian Beyerlein
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2017-03-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil auf Polymerbasis, das insbesondere für einen Einsatz in einem Fahrzeug ausgebildet ist, vorzugsweise einem Personenkraft- oder Nutzfahrzeug, sowie ein Herstellungsverfahren dafür. Um Bauteile auf Polymerbasis sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren zu schaffen, die weitere Potentiale zur Gewichtseinsparung erschließen können, wird vorgeschlagen, dass das Bauteil (4) aus einem Verbund aus mindestens einem thermo- oder duroplastische Matrixwerkstoff (6) und einem CNT-Papier (1) besteht. Ein Herstellungsverfahren für ein derartiges Bauteil auf Polymerbasis ist gekennzeichnet dadurch, dass CNTs als dispergierte Phase in einem Dispersionsmedium, stabilisiert werden und dann über Verfahren, wie beispielsweise Filterpressen oder Abziehen der Lösung durch einen Filter (2) über Unterdruck oder ein Vakuum, als eine CNT Schicht (1) zu einer Art von Papier konsolidiert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil auf Polymerbasis, das insbesondere für einen Einsatz in einem Fahrzeug ausgebildet ist, vorzugsweise einem Personenkraft- oder Nutzfahrzeug, sowie ein Herstellungsverfahren dafür.
Aus dem Stand der Technik sind diverse Ansätze bekannt, polymerbasierte Bauteile der vorstehend genannten Art alleine oder im Verbund mit dämmenden oder anderen funktionellen Komponenten ähnlich Kohle-Faser- bzw. CFK- oder Glas-Faser- bzw. GFK-Verbundwerkstoffen beispielsweise als struktursteife Bauteile oder Trägerbauteile für thermische und/oder akustisch dämmende Werkstoffe einzusetzen. Bauteile der vorstehend genannten Art weisen ein im Vergleich mit nach dem Stand der Technik insbesondere aus Metallen hergestellten Bauteilen deutlich reduziertes Eigengewicht auf und finden daher stetig weiter fortschreitend in allen Bereichen des Fahrzeugbaus in Personenkraft- und Nutzfahrzeugen, Zügen, Flugzeugen und sogar in der Raumfahrt Anwendung.
Gegenwärtig werden Verbundwerkstoffe in der Regel mit Faserverstärkung als Faserverbundwerkstoffe bzw. FVW ausgeführt, da Fasern neben einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis auch sehr günstige mechanische Eigenschaften aufweisen. Je nach erforderlichem Anforderungsprofil können dabei anorganische Faserwerkstoffe, wie z.B. Glas, Silikat, Keramik, oder organische Faserwerkstoffe, wie z.B. Carbon, PE, Aramid, oder auch Naturfasern wie Hanf, Flachs, Holz sowie verschiedene thermo- oder duroplastische Matrixwerkstoffe auf Harzbasis eingesetzt werden. Duroplastische Systeme werden entweder flüssig ein- oder mehrkomponentig getränkt, injiziert, aufgerakelt, gewalzt oder mit einem ähnlichen Verfahren eingebracht oder als Mehrkomponentensystem in Pulverform aufgestreut, gerakelt, etc. Je nach Herstellungsverfahren und Werkstoffart werden hauptsächlich bezüglich einer jeweiligen Vernetzung duroplastische FVW im Anschluss mit oder ohne erhöhter Temperatur durch ein Werkzeug in eine Form gepresst, wobei die Vernetzung bzw. Aushärtung des Duroplasts meist in einem jeweils formgebenden Werkzeug stattfindet.
Bedingt durch die Faserverstärkung können FVW sehr hohe Kräfte in Zugrichtung aufnehmen, ertragen jedoch nur sehr geringe Spannungen parallel zu einer jeweiligen Faserorientierung. Da im Anwendungsfall jedoch selten uniaxiale Zugspannungen an einem Bauteil anliegen, werden FVW gängiger Weise zumindest in 0°/90°-Richtungen laminiert, je nach Anwendung sind auch Faserlagen mit jeweils 0°/45°/90°/135°-Faserorientierung als Schicht-Aufbauten sinnvoll.
Nachdem Bauteile in den meisten Fällen als Laminate ausgeführt werden müssen, sind sie durch eine Vielzahl von entsprechend orientierten Schichten erheblich schwerer und dicker als tatsächlich erforderlich. So werden beispielsweise auch mechanisch nur wenig belastete Bauteile als Verbund ausgeführt, weil die Faserverstärkung eine ausgeprägte Isotropie zeigt.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel hier Abhilfe in Form eines Bauteils auf Polymerbasis sowie eines entsprechenden Herstellungsverfahrens zu schaffen, die weitere Potentiale zur Gewichtseinsparung erschließen können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Bauteil aus einem Verbund aus mindestens einem thermo- oder duroplastischen Matrixwerkstoff oder anorganischen Binderwerkstoffen als Matrixbildner und mindestens einer CNT-Schicht besteht.
Meist durch Zugabe geeigneter Dispergiermittel, z.B. Triton X-100 oder Natriumlaurytsulfat/Natriumdodecylsulfat (SLS/SDS), können CNTs als dispergierte Phase in einem Dispersionsmedium stabilisiert werden. Als Dispersionsmedium wird dabei meist Wasser oder eine Mischung aus Wasser und einem organischen Lösungsmittel verwendet. Diese Lösung kann dann über verschiedene Verfahren, beispielsweise Filterpressen oder Vakuumfiltration, als Schicht abgeschieden werden. Diese Schicht ist dann erfindungsgemäß Bestandteil eines Verbundwerkstoffs.
Tabelle 1 zeigt einen möglichen Vorteil von CNTs gegenüber bekannten Werkstoffen.

Werkstoff Dichte/kgcm^–3 Zugfestigkeit/GPa

CNT 1,3–1,8 30–63

Stahl 7,85 2

Carbonfaser 1,8 3,5–4,5

Tab. 1: Typische Eigenschaften von Hochleistungswerkstoffe im Vergleich zu CNTs
Aus Tabelle 1 geht hervor, dass einzelne CNTs um ein Vielfaches höhere Festigkeiten als vergleichbare Werkstoffe besitzen. Eine Schwierigkeit besteht darin, diese Eigenschaften in einer jeweiligen Anwendung auch nutzbar zu machen. Erfindungsgemäß werden die vorstehend angedeuteten vorteilhaften Eigenschaften von CNTs in einem Verbundwerkstoff nutzbar gemacht, wie nachfolgend noch unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Unter Weiterführung von aus dem Bereich bekannter Techniken schlägt die vorliegende Erfindung einen Verbund aus einem CNT-Papier vor, also einem im Wesentlichen aus Carbon Nanotubes bzw. nachfolgend kurz CNT bestehenden Papier, und geeigneten thermo- oder duroplastischen Matrixwerkstoffen zur Bildung eines Verbundwerkstoffs. Ein CNT-Papier besteht aus Single-wall und/oder Multi-wall CNTs und ist nach Art eines vorzugsweise ebenen Papierblatts oder als Papierstreifen verarbeitbar. Zudem ist vorteilhafterweise durch Anwendung geeigneter und z.B. in der Papierherstellung grundsätzlich bekannter Verfahren auch eine kontinuierliche Herstellung von CNT-Papieren möglich, so dass die Integration eines CNT-Papiers in bestehende Fertigungsprozesse nach Art eines Werkstoffs von der Rolle prinzipiell umsetzbar ist.
Unter Nutzung der vorstehend genannten Verfahren können CNTs als Schicht abgeschieden und nachfolgend zu einer Art von Papier konsolidiert werden, das nach einem optionalen Waschvorgang nur noch aus CNTs bestehen kann. Nach Bedarf können die CNTs bei der Konsolidierung zu einem Papier in einem elektrischen Feld ausgerichtet werden, um spezielle Eigenschaftsprofile zu erreichen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden sog. CNT-Papiere, in dieser Form auch Buckypaper genannt, genutzt, die vorteilhaften Eigenschaften von CNTs technisch nutzbar zu machen. Hier sind die mechanischen Eigenschaften in einem Bauteil über die eingesetzten Zusatzstoffe und ein jeweiliges Herstellverfahren einstellbar.
In einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung sind CNTs oder mindestens ein CNT-Papier mit mindestens einer dämmenden Komponente verbunden. Damit ist ein nachfolgend noch im Detail mit Varianten erläuterter Aufbau eines dämmenden Strukturbauteils möglich.
Nach einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren werden CNTs als dispergierte Phase in einem Dispersionsmedium stabilisiert und dann über Verfahren, wie beispielsweise Filterpressen oder Vakuumfiltration, von einer CNT-Schicht zu einer Art von Papier konsolidiert, die zur Unterscheidung von sog. Buckypapers nachfolgend als CNT-Papier bezeichnet wird. Ein CNT-Papier kann gemäß einer Weiterbildung in einem nachfolgenden Schritt beispielsweise mit einer thermoplastischen Matrix infiltriert werden, so dass hier entweder eine bauteilspezifische Formgebung oder die Herstellung von flächigen Halbzeugen beispielsweise in einem kostengünstigen Rolle-zu-Rolle-Verfahren möglich ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird ein CNT-Papier über ebenfalls bekannte Verfahren mit einem duroplastischen Matrixwerkstoff infiltriert. Der Matrixwerkstoff kann dabei nass oder in Pulverform vorliegen. Einige hier einsetzbare Duroplaste bieten zudem die Möglichkeit der sogar mehrmaligen Umformung, solange die Vernetzung des Duroplastes nicht z.B. durch Überschreitung einer Grenztemperatur angestoßen wurde. Damit sind in einer Ausführungsform der Erfindung auch flächige Halbzeuge auf duroplastischer Basis realisierbar, die sich bei der Herstellung von Bauteilen mindestens einmalig umformen lassen und danach die bekannten Vorteile von Duroplasten in der Anwendung bieten, also u.a. gute chemische Beständigkeit, hohe mechanische Festigkeit, kein Erweichen bei erhöhten Temperaturen etc..
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung bildet eine CNT-Schicht einen Verbund mit mindestens einer dämmenden Komponente bzw. einem Dämmstoff. Dieser Ansatz wird u.a. mit dem Ziel verfolgt, Bauteile mit thermisch und/oder akustisch dämmenden Eigenschaften bei reduziertem Eigengewicht zu schaffen. Dazu wird mindestens eine Dämmstoffschicht mit einer CNT-Schicht z.B. durch bekannte Verfahren miteinander verbunden, wie sie zur Verbindung von Vliesstoffen Anwendung finden. Liegt das CNT-Material als CNT-Papier – oder quasi in einer Grundform nur aus CNTs bestehend als sog. Buckypaper – in flächiger Form oder auf eine Rolle gewickelt vor, so kann damit ein geschlossen-poriger Dämmstoff in Form eines Schaumes oder ein offenporiger Dämmstoff z.B. in Form von Aerogelen oder Vliesstoffen mechanisch, chemisch oder thermisch durch Vernadelung, Erwärmung einer Beimischung thermoplastischer Komponenten z.B. in Form von Fasern und/oder Granulaten und/oder einem Film bzw. einer Folie oder Benetzung mit einem Bindemittel als adhäsive Schicht bzw. Imprägnierung mit nachfolgendem Kalandrieren verbunden werden.
Vorzugsweise durch eine Vernadelung kann gemäß einer Ausführungsform auch eine Teilkonsolidierung einer prinzipiell kompressiblen Dämmschicht z.B. aus Vliesstoffen und/oder elastischen Aerogelen mit Übergängen zwischen weichen bzw. schwach verfestigten hin zu festen bzw. stark verfestigten Schichten erfolgen. Derartige Aufbauten sind insbesondere in der Akustik zur Schalldämmung bekannt.
Eine gleichzeitige Verfestigung des CNT-Papiers und Anbindung in oder an dem Dämmstoff ist mit offenporigen Dämmstoffen möglich, also mit Aerogelen und Vliesstoffen. Eine teilweise Imprägnierung des Dämmstoffs ist einer Anbindung an einen Dämmstoff z.B. in Form eines Schaums deswegen tendenziell vorzuziehen, weil sich dadurch eine festere Verbindung ergibt.
Eine Einstellung der Viskosität eines duroplastisch aushärtenden Harzes unterbindet in jedem der vorstehend genannten Fälle auch in einem Infiltrationsprozess ein weites unerwünschtes Eindringen in die Dämmschicht. Aufgrund der deutlich höheren Viskosität müssen hingegen bei einem Verspritzen mit einem thermoplastischen Werkstoff keine weiteren Maßnahmen zum Schutz der Dämmschicht innerhalb des zu bildenden Bauteils ergriffen werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als Kaschierung der CNT-Schicht eine metallische Abdeckfolie oder ein textiles Abdeckvlies verwendet. Abdeckfolien oder Abdeckvliese werden während des Herstellungsprozesse aufgebracht, sie können aber auch nachträglich lokal bzw. auf begrenzten Flächen mit besonderen Anforderungsprofilen angebracht werden, oder vollflächig auf der CNT-Schicht kaschiert werden. Ein Ziel kann hierbei eine Wärmereflexion, aber auch eine gute oberflächliche Wärmeableitung sein.
Als Vorteile der Erfindung sind u.a. zu nennen, dass auch in mechanisch wenig belasteten oder nicht strukturrelevanten Bauteilen, wie beispielsweise Abschirmteilen, durch Anwendung von CNT-Papieren erfindungsgemäß Bauteile mit einem deutlich reduzierten Gewicht realisiert werden können. Dabei können aufgrund der erhöhten elektrischen Leitfähigkeit der CNT-Papiere auch elektromagnetische Abschirmungen und/oder leitfähige Ebenen ohne zusätzlichen Aufwand realisiert werden.
Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
1a–1c: ein Verfahren zur Herstellung einer CNT-Schicht oder eines CNT-Papiers über mehrere Schritte hinweg;
2: einen vergrößerten Ausschnitt eines Schnitts durch eine Ausführungsform eines polymerbasierten Bauteils;
3: ein grundsätzliches Herstellungsverfahren für einen Verbund einer CNT-Schicht mit mindestens einer dämmenden Komponente in einer Schnittdarstellung;
4: ein alternatives Herstellungsverfahren und
5: ein grundsätzliches Herstellungsverfahren gemäß 3 unter Verwendung eines Films oder einer Folie als adhäsive Schicht mit nachfolgendem Kalandrieren zum Verbinden als Kombinations-Dämmschicht.
Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet.
1a zeigt exemplarisch, wie aus einer nicht weiter dargestellten wässrigen Dispersion eine CNT-Schicht 1 auf einem Filter 2 als Träger abgeschieden wird. Eine jeweilige Stärke d der CNT-Schicht 1 ist z.B. durch wiederholte Abscheidungen, eine veränderte CNT-Konzentration in der wässrigen Dispersion oder Variation des abzuscheidenden Dispersionsvolumens und Kombinationen daraus einstellbar.
Für die Herstellung von rechteckigen Prüfblättern sind in der Papierindustrie dem Fachmann sog. automatische dynamische Blattbildner bekannt, die in angepasster Art hier eingesetzt werden. Die in einem derartigen Blattbildner mit einem Flächengewicht von ca. 20 bis etwa 400 g/m² auch anisotrop und/oder in mehrlagiger Ausführung erzeugten Blätter können gepresst, getrocknet, kalandriert, gestrichen, geschnitten und anschließend mit Standardgeräten verarbeitet und/oder geprüft werden. Damit stehen Verfahren und Systeme der Papierherstellung zum schichtweisen Aufbau von CNT-Papieren 1 zur Verfügung, die auch eine definierte Einmischung oder schichtweise Einbindung von thermo- oder duroplastischen Ein- und Mehrkomponentensystemen gestatten. Je nach Anwendungsfall können auch weitere Fremdfasern zugesetzt werden, um beispielsweise eine thermoplastische Fixierung zu bewirken. Das ist dem Fachmann prinzipiell bekannt und wird hier je nach spezieller Anforderung an ein jeweils herzustellendes CNT-Papier umgesetzt.
Als Alternative hierzu ist in der Abbildung von 1b ein Verfahrensschritt dargestellt, in dem ein Pulver 3 aus Harzkomponenten auf die CNT-Schicht 1 aufgetragen wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Pulver 3 auf die CNT-Schicht 1 aufgestreut. Im Übergang zu der Abbildung von 1c wird eine durch den Buchstaben ϑ gekennzeichnete Temperatureinwirkung vorgenommen, die definiert in einem thermoplastischen Bereich bzw. Übergangsbereich eines Harzes oder Harzgemisches liegt, aus der das Pulver 3 aufgebaut ist. Im Zuge dieser Temperaturerhöhung auf z.B. ca. 60°C schmilzt das Pulver 3 auf und durchdringt als vergleichsweise dünnflüssige fluide Masse die CNT-Schicht 1. Es entsteht so nach dem Abkühlen eine immer noch recht dünne Verbundschicht aus CNTs 1 und Harz 3, die nach Art eines CNT-Papiers auch in ausreichenden Grenzen mechanisch belastbar ist. Da durch diesen Prozessschritt keine duroplastische Aushärtung gestartet wird, ist das so gebildete Buckypaper als dünne Schicht leicht zuzuschneiden und/oder zu biegen. Durch nachfolgende Erwärmungen in dem genannten thermoplastischen Bereich ist das CNT-Papier auch wiederholt dreidimensional verformbar.
Damit steht als weiterverarbeitbares Zwischenprodukt ein CNT-Papier ausreichender Flexibilität und mechanischer Festigkeit zur Verfügung, das auch ähnlich bekannter Kohle- und/oder Glas-Fasern und daraus hergestellter Textilien verarbeitet werden kann. Neben einem Einsatz von flächigen und unter Temperaturerhöhung auf ca. 60°C gut verformbaren Papierstücken sind auch CNT-Streifen oder auf Rollen gewickelte CNT-Bänder vorgesehen. Eine weitere Verarbeitung erfolgt dann prinzipiell nach einer Art und Weise, wie sie dem Fachmann von Kohle- und/oder Glas-Fasern und entsprechenden Textilien bei der Herstellung von FVW-Werkstücken her bekannt ist.
Die Abbildung von 2 zeigt als vergrößerte Schnittdarstellung exemplarisch ein dreidimensional geformtes Bauteil 4, bei dem an einer Außenseite AS eine Abdeckschicht mit CNT-Verstärkung als Außenschicht zur Verbesserung der Eigenschaften des Gesamtbauteils vorgesehen ist, während eine Innenseite IS mit einer anderen Materialschicht 5 versehen ist. Alles ist in einem gemeinsamen thermo- oder duroplastischen Matrixwerkstoff 6 eingebettet. Hierdurch kann eine Verbesserung z.B. hinsichtlich einer akustisch wirksamen Schwingungsanregung durch Steinschlag bewirkt werden, was bei bekannten CFK-Systemen sehr hart klingt. Auch ist so neben den technischen bzw. mechanischen Eigenschaften ein optischer Eindruck durch eine andere Oberflächenbeschaffenheit änderbar.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet eine CNT-Schicht 1 einen Verbund mit mindestens einer dämmenden Komponente. Dieser Ansatz wird u.a. mit dem Ziel verfolgt, Bauteile mit thermisch und/oder akustisch dämmenden Eigenschaften bei reduziertem Eigengewicht zu schaffen. Es sind so Abschirmteile aus Verbundwerkstoff herstellbar. Dazu wird mindestens eine Dämmstoffschicht 7 mit einer CNT-Schicht z.B. durch bekannte Verfahren miteinander verbunden, wie sie z.B. zur Verbindung von Vliesstoffen Anwendung finden. Liegt das CNT-Material als CNT-Papier in flächiger Form oder auf eine Rolle gewickelt vor, so kann damit ein geschlossen-poriger Dämmstoff in Form eines Schaumes oder ein offenporiger Dämmstoff in Form von Aerogelen oder Vliesstoffen mechanisch, chemisch oder thermisch durch Vernadelung, Beimischung thermoplastischer Komponenten z.B. in Form von Fasern und/oder Granulaten und/oder einem Film bzw. einer Folie oder Benetzung mit einem Bindemittel als adhäsive Schicht bzw. Imprägnierung mit nachfolgendem Pressen oder Kalandrieren verbunden werden. Eine gleichzeitige Verfestigung des CNT-Papiers und Anbindung in oder an dem Dämmstoff ist mit offenporigen Dämmstoffen möglich, also mit Dämmstoffen in Form von Aerogelen und Vliesstoffen. Eine teilweise Imprägnierung des Dämmstoffs ist einer Anbindung an einen Dämmstoff z.B. in Form eines Schaums deswegen tendenziell vorzuziehen, weil sich dadurch eine vergleichsweise festere Verbindung ergibt.
3 zeigt als Schnittdarstellung ein grundsätzliches Herstellungsverfahren für ein Bauteil 4 als Verbund einer CNT-Schicht 1 mit mindestens einer dämmenden Komponente 7. Zur Fixierung der CNT-Schicht 1 auf der Dämmstoffschicht 7 ist hier ein Erwärmen mit An- bzw. Zusammenpressen unter Aufwendung einer Kraft F mit einer Schicht Harzpulver 3 vorgesehen. Dabei muss diese Schicht Harzpulver 3 nicht notwendigerweise zwischen der CNT-Schicht 1 und der Dämmstoffschicht 7 liegen, wie als Position I in 3 dargestellt. Auch oberhalb der CNT-Schicht 1 angeordnet kann die Schicht aus Harzpulver 3 unter Erwärmung und Verpressung durch die Kraft F eines nicht weiter dargestellten Werkzeugs durch die CNT-Schicht 1 hindurch auf die Dämmstoffschicht 7 eindringen oder das verflüssigte Harz wird dahin hindurchgepresst. Mit einer i.d.R. rasch verlaufenden Abkühlung des Harzes wird in beiden Fällen eine ausreichende Fixierung zwischen der CNT-Schicht 1 und der Dämmstoffschicht 7 bewirkt.
Die Abbildung von 4 zeigt dazu ein alternatives Herstellungsverfahren, das auch für eine Endlosfertigung tauglich ist. Hier wird ein Aufbau gemäß Variante I von 3 als eine quasi endlose Dämmstoffschicht 7 mit aufliegender CNT-Schicht 1 und aufgestreuter oder aufgetragener Schicht Harzpulver 3 einem Kalander K zugeführt, dessen obere Walze 8 so auf eine Temperatur ϑ beheizt ist, dass die erforderliche Temperaturschwelle für eine Verflüssigung des Harzpulvers 3 im thermoplastischen Bereich erreicht wird. Das verflüssigte Harz durchtränkt die dünne CNT-Schicht 1 in Kontakt mit der temperierten Walze 8 derart, dass die Schichten der Anordnung unter der Andruckkraft F zwischen den Walzen 8, 9 dauerhaft fest miteinander verbunden werden. Eine alternative und hier nicht weiter dargestellte Vernadelung kann zu einer weiteren Intensivierung dieser Verbindung zwischen der CNT-Schicht 1 und der Dämmstoffschicht 7 beitragen.
Unter Verwendung einer Dämmschicht 7 aus einem Aerogel ist es auch möglich, dass eine wässrige CNT-Dispersion ohne Zwischensubtrat – analog Filter 2 gemäß 1a – direkt auf der Dämmschicht 7 bzw. dem Aerogel abgeschieden wird. Aerogele sind mit Porengrößen ab 20 bis ca. 200 nm herstellbar, so dass sie als Substrat dienen können und damit in dem Prozessschritt von 1a das Filter 2 als Träger ersetzen. Dazu können in Abhängigkeit eines jeweiligen Aerogeltyps weitere Zusatzstoffe in der CNT-Dispersion unterstützend wirken, beispielsweise zur Verringerung der Oberflächenspannung bei Abscheidung auf einem an und für sich hydrophob wirkenden Aerogel.
Nicht weiter zeichnerisch dargestellt ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Abscheidung einer CNT-Schicht 1 auf einem Gel als Vorstufe des Aerogels vorgenommen wird. Ein solches Gel besteht beispielsweise aus Polysacchariden. Das Gel besitzt noch eine Porenflüssigkeit, wohingegen das Aerogel nur noch ein Porengas besitzt. Die Porenflüssigkeit kann wässrig sein oder auch aus Lösungsmitteln wie Ethanol, Isopropanol oder Aceton bestehen. Der Verbund aus CNT-Schicht 1 und Gel wird dann im Grunde gemeinsam nachbehandelt und getrocknet.
Die Abbildung von 5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, in der ein offenporiger Dämmstoff 7 verwendet wird, der in einem Verfahren vergleichbar dem von 1a mit einer CNT-Schicht 1 versehen worden ist. Die CNTs bilden hier nun eine Schicht, die im Unterschied zu der Situation von 1a um eine Mächtigkeit Δ auch in den offenporigen Dämmstoff 7 hinein eingedrungen ist. Dieser Prozessschritt ist in 5 als A bezeichnet. In einem darauf folgenden Schritt wird die CNT-Schicht durch thermo- oder duroplastische Komponenten in Form eines Films oder einer Folie 10 überdeckt, Schritt B. Es schließt sich als Schritt C eine Imprägnierung durch ein nachfolgendes Kalandrieren an, in dem eine dauerhafte und sehr intensive Verbindung dadurch geschaffen wird, dass die thermo- oder duroplastischen Komponenten die CNT-Schicht 1 soweit vollständig durchdringen, dass sie bis an den offenporigen Dämmstoff 7 heran eindringen. Ein Erstarren durch Abkühlen fixiert diesen Zustand und macht das fertige Zwischenprodukt für weitere Verarbeitungs- und Formgebungsschritte bereit. Am Ende eines Fertigungsprozesses ist wieder ein nahezu beliebig dreidimensional geformtes polymerbasiertes Bauteil als Verbund mit einer dämmenden Komponente erstellt worden, das in vorteilhafter Weise dämmende und mechanisch stärkende Eigenschaften in sich vereint.
In der CNT-Dispersion kann zusätzlich ein Harz dispergiert oder gelöst sein, um es zusammen mit den CNT-Partikeln auf das Aerogel in einem Arbeitsschritt definiert aufzutragen. Diese Möglichkeit ist für alle in den Figuren dargestellten Prozesse gegeben. Gleiches gilt für sonstige Zuschlagstoffe, wie z.B. thermoplastische Fasern, die nachfolgend in einem thermischen Zwischenschritt eine stärkende Matrix ausbilden können. Durch eine geeignete Temperaturführung kann hierbei eine Art von thermoplastischem Sinterprozess durchlaufen werden, der eine stark poröse Oberfläche schafft. In einem der vorstehend als Alternative beschriebenen Fälle würde man sich einen Prozessschritt sparen, nämlich eine separate Aufbringung einer z.B. pulverförmigen Harzkomponente. Dabei wird das Aerogel in einem Ausführungsbeispiel auch als flächiges Halbzeug von der Rolle zugeführt.
Eine nachfolgende Infiltrierung der CNT-Schicht 1 mit einer Matrix kann analog einer vorstehenden Beschreibung durchgeführt werden. Es ist aber vorteilhafter Weise davon auszugehen, dass einzelne CNTs ein poröse Oberfläche des Aerogels noch weitergehend penetrieren, was die Qualität der Verbindung noch verbessert. Dazu kommt weiterhin eine einstellbare Viskosität einer Kunststoff-Masse, die ein Durchdringen der CNT-Schicht 1 mindestens bis zum Dämmstoff 7 hin sicherstellt. Je nach Aerogel kann auch beispielsweise die Polarität der Verbindungspartner angepasst werden, um hier immer noch eine teilweise Infiltration des Aerogels selbst mit Matrixmaterial bei einstellbarer Mächtigkeit dieser Schicht zu erzielen.
Prinzipiell besteht natürlich auch die Möglichkeit, einen kompletten Verbund CNT-seitig mit einer Abdeckfolie oder einem Abdeckvliesstoff auszustatten. In der Praxis werden häufig dünne Aluminiumfolien eingesetzt, um durch eine erhöhte Reflektion von Wärmestrahlungen und/oder Wärmeableitung niedrigere Temperaturen in einem Bauteil oder einem bestimmten Bereich eines Bauteils zu erreichen. Weiterhin werden häufig dünne Abdeckvliesstoffe eingesetzt, um das akustische Verhalten des Verbunds weiter zu verbessern. In einer nicht weiter dargestellten Ausführungsform der Erfindung werden dazu an sich bekannte Heißsiegel-Aluminiumfolien eingesetzt, die einseitig bereits mit einer Schicht ausgestattet sind, die bei unterschiedlichen Temperaturen bis etwa 180°C aktiviert bzw. zur thermoplastischen Aktivierung aufgeschmolzen wird. Diese Kaschierung mit dünnen Metallfolien oder Abdeckvliesstoffen kann auch gut in einen nachfolgend beschriebenen Prozess integriert werden, der in bestimmten Aspekten einem Laminierungsprozess nahe steht. Je nach Anwendungsfall und Einsatzbedingungen können so bereichsweise wie auch vollflächige Abdeckungen während des Herstellungsprozesses bewirkt werden, aber auch in separat nachfolgenden Schritten.
Über die vorstehend beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung hinweg werden polymerbasierte Bauteile alleine oder im Verbund mit dämmenden oder anderen funktionellen Komponenten ähnlich Kohle-Faser- bzw. CFK- oder Glas-Faser- bzw. GFK-Verbundwerkstoffen mit verbesserten Eigenschaften sowohl hinsichtlich ihrer mechanischen Belastbarkeit, also auch ihres Gewichts geschaffen. Dabei können erfindungsgemäße polymerbasierte Bauteile auch als struktursteife Bauteile oder Trägerbauteile nicht nur für thermische und/oder akustisch dämmende Werkstoffe eingesetzt werden, sondern erfindungsgemäße polymerbasierte Bauteile 4 beinhalten diese dämmenden Werkstoffe bereits. Mit einem erfindungsgemäßen Aufbau ist es so möglich, in einem leichten Kombinationsbauteil Absorber zur thermischen und akustischen Dämmung auszubilden, ohne eine Schwächung der mechanischen Struktur hervorzurufen. Zudem ist es aufgrund einer einstellbaren elektrischen Leitfähigkeit von CNT-Papieren möglich, durch erfindungsgemäße Bauteile auch wahlweise integrierte elektromagnetische Abschirmungen und/oder leitfähige Ebenen zu realisieren, wie sie z.B. für Antennenanwendungen benötigt werden. Dabei ist eine Herstellung von Halbzeugen wie auch von fertigen Formteilen möglich, da aufgrund einer Teilvernetzung auch ein Einsatz duroplastischer Bindemittel in einem Matrixwerkstoff 6 möglich ist.
Bezugszeichenliste

1: CNT-Schicht, CNT-Papier
2: Filter
3: Pulver aus Harzkomponenten
4: Bauteil
5: Materialschicht
6: thermo- oder duroplastischer Matrixwerkstoff
7: Dämmstoffschicht, dämmende Komponente
8: obere Walze eines Kalanders K (temperiert)
9: untere Walze eines Kalanders K
10: Folie
AS: Außenseite eines Bauteils 4
IS: Innenseite eines Bauteils 4
d: Stärke der CNT-Schicht 1
F: Andruckkraft
K: Kalander
Δ: Mächtigkeit der in den offenporigen Dämmstoff 7 eingedrungenen CNT-Schicht 1
ϑ: Temperatureinwirkung in einem thermoplastischen Bereich des Harzgemisches 3
I: Position oberhalb der CNT-Schicht 1
II: Position unterhalb der CNT-Schicht 1
A: Prozessschritt
B: Prozessschritt
C: Prozessschritt

Claims

Bauteil auf Polymerbasis, das insbesondere für einen Einsatz in einem Fahrzeug ausgebildet ist, vorzugsweise einem Personenkraft- oder Nutzfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (4) aus einem Verbund aus mindestens einem thermo- oder duroplastischen Matrixwerkstoff (6) und mindestens einer CNT-Schicht besteht.
Bauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die CNT-Schicht aus Single-wall und/oder Multi-wall CNTs besteht und als CNT-Papier (1) nach Art eines Papierblatts konsolidiert und/oder als Papierstreifen verarbeitbar ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass CNTs oder mindestens ein CNT-Papier (1) mit mindestens einer dämmenden Komponente (7) verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteil auf Polymerbasis, das insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug verwendet wird, vorzugsweise einem Personenkraft- oder Nutzfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass CNTs als dispergierte Phase in einem Dispersionsmedium stabilisiert werden und dann über Verfahren, wie beispielsweise Filterpressen oder Vakuumfiltration, von einer CNT-Schicht zu einer Art von Papier als CNT-Papier (1) konsolidiert werden, wobei die CNTs bei der Konsolidierung zu einem CNT-Papier (1) vorzugsweise in einem elektrischen Feld ausgerichtet werden, um spezielle Eigenschaftsprofile zu erreichen.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das CNT-Papier (1) unter Verwendung eines bekannten Verfahrens mit einer thermoplastischen Matrix oder mit einem duroplastischen Matrixwerkstoff (6) infiltriert wird, der nass oder in Pulverform vorliegt, oder die CNT-Schicht durch thermoplastische Komponenten in Form eines Films oder einer Folie (10) überdeckt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4–5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Dämmstoffschicht (7) mit einer CNT-Schicht (1) durch bekannte Verfahren miteinander verbunden wird, vorzugsweise mechanisch, chemisch oder thermisch durch Vernadelung, Erwärmung einer Beimischung thermoplastischer Komponenten in Form von Fasern und/oder Granulaten und/oder Folien bzw. Filmen oder Benetzung mit einem Bindemittel als adhäsive Schicht bzw. mindestens teilweises Imprägnierung mit nachfolgendem Kalandrieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4–6, dadurch gekennzeichnet, dass als mindestens ein Dämmstoff (7) ein Schaum oder ein offenporiger Dämmstoff in Form von Aerogelen oder Vliesstoffen verbunden wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine quasi endlose Dämmstoffschicht (7) mit aufliegender CNT-Schicht (1) und aufgestreuter oder aufgetragener Schicht Harzpulver (3) einem Kalander (K) zugeführt wird, dessen obere Walze (8) so beheizt ist, dass die erforderliche Temperaturschwelle für eine Verflüssigung des Harzes (3) im thermoplastischen Bereich erreicht wird, das verflüssigte Harz die dünne CNT-Schicht (1) in Kontakt mit der temperierten Walze 8 derart durchtränkt, dass die Schichten (1, 7) der Anordnung unter einer Andruckkraft (F) zwischen Walzen (8, 9) dauerhaft fest miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4–8, dadurch gekennzeichnet, dass eine wässrige CNT-Dispersion direkt auf der Dämmschicht (7) in Form mindestens eines Aerogels abgeschieden wird, wobei die CNTs hier eine Schicht bilden, die um eine Mächtigkeit (Δ) auch in den offenporigen Dämmstoff (7) hinein eindringt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4–9, dadurch gekennzeichnet, dass als Kaschierung der CNT-Schicht eine metallische Abdeckfolie oder ein textiles Abdeckvlies verwendet wird, das während des Herstellungsprozesse oder nachträglich, lokal oder vollflächig, aufgebracht wird.