DE102016106499A1

DE102016106499A1 - Verbundbauteil aus wenigstens einem härtbaren Kunstharz und wenigstens einem Elastomer und Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils

Info

Publication number: DE102016106499A1
Application number: DE102016106499.8A
Authority: DE
Inventors: Florian Plenk; Jens Schaube; Runsheng Lue; Rolf Schollmeyer
Original assignee: Gummiwerk Kraiburg GmbH and Co KG
Current assignee: Gummiwerk Kraiburg GmbH and Co KG
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2016-04-08
Publication date: 2017-10-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil (10), bestehend aus einer Oberflächenfolie (18), einer mit deren Rückseite verbundenen Elastomerschicht (16) und einer an die Elastomerschicht (16) anschließenden, zumindest teilweise aus einer härtbaren Kunstharzschicht (12) bestehenden Basis (15), wobei die Oberflächenfolie (18) und die Elastomerschicht (16) einen Verbund (17) bilden und die Kunstharzschicht (12) mit der Elastomerschicht (16) – optional unter Zwischenschaltung einer Kleberschicht – verbunden ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Verbundbauteils.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil aus wenigstens einem härtbaren Kunstharz und wenigstens einem Elastomer gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Verbundbauteils gemäß Anspruch 11.
Der derzeitige Stand der Technik zur Herstellung eines derartigen Verbundbauteils am Beispiel eines Rotorblatts eines Windrades gemäß der DE 10 2013 217 128 A1 sieht vor, dass zunächst ein Verbund aus einer Oberflächenfolie und einer rückseitig auf diese aufvulkanisierten Gummischicht hergestellt wird. Unabhängig davon erfolgt die Herstellung einer Basis durch bereitstellen eines Fasermaterials, dass mit einem härtbaren Harz getränkt wird. Nach dem Aushärten des härtbaren Harzes wird auf die Basis und/oder auf den Verbund eine zweite Kautschukschicht aufgebracht. Anschließend werden Basis und Verbund durch Vulkanisieren der zweiten Kautschukschicht zu einer zweiten Gummischicht miteinander verbunden.
Wenn in dieser Anmeldung von einer Kautschukschicht gesprochen wird, ist damit eine noch nicht vernetzte Elastomerschicht gemeint. Wenn von einer Gummischicht gesprochen wird, ist damit eine vernetzte bzw. vulkanisierte Elastomerschicht gemeint.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau und die Herstellung eines Verbundbauteils zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verbundbauteil und das im Patentanspruch 11 angegebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung sieht gemäß einer ersten Alternative vor, dass zur Bildung eines äußeren Verbundes auf eine Oberflächenfolie rückseitig eine einzige Kautschukschicht aufgebracht und vernetzt wird, wodurch Oberflächenfolie und Kautschukschicht einen Verbund eingehen. Auf der vernetzten Kautschukschicht wird dann ein eine Basis bildendes Gewebe mit einer Harzinfusion oder eine als Prepreg ausgebildete Kunstharzschicht mit integrierten Faserschichten angeordnet. Das Aushärten des Harzes erfolgt dabei bevorzugt erst nach dem Vulkanisieren der Kautschukschicht. Aufbau und Herstellung eines derartigen Verbundbauteils sind somit gegenüber dem Stand der Technik wesentlich vereinfacht.
Die Erfindung sieht gemäß einer zweiten Alternative vor, dass auf eine Oberflächenfolie rückseitig eine einzige Kautschukschicht aufgebracht und vernetzt wird, wodurch Oberflächenfolie und Kautschukschicht einen Verbund eingehen. Dieser dabei entstehende äußere Verbund wird auf eine Basis aus einem härtbaren, beim Verbinden bereits gehärteten Kunstharz mit Fasereinlage mittels einer Kleberschicht aufgebracht. Aufbau und Herstellung eines derartigen Verbundbauteils sind ebenfalls gegenüber dem Stand der Technik wesentlich vereinfacht.
Beide erfindungsgemäßen Alternativen ermöglichen eine sehr gute Dämpfung bzw. Energieabsorption des Verbundbauteils, wie sie neben einer Anwendung bei einem Rotorblatt eines Windrades auch bei Fahrzeugteilen und allen anderen Teilen nützlich ist, bei denen auf die äußere Oberflächenfolie einwirkende Impulse abgefangen und gedämpft werden müssen.
Die Oberflächenfolie wird bevorzugt aus einem Polyethylen (PE), besonders bevorzugt aus einem Polyethylen mit hohem Molekulargewicht (HMW-PE – High Molecular Weight Polyethylene oder UHMW-PE – Ultra High Molecular Weight Polyethylene) oder aus Polytetrafluorethylen (PTFE) gebildet, die optional durch Elektronenstrahlung bzw. Beta-Minus vorvernetzt wird. Die Oberfläche der Oberflächenfolie ist somit relativ hart und bevorzugt auch sehr glatt.
Der äußere Verbund und/oder die Basis können insbesondere bei der in 2 gezeigten Alternative auch von einem so genannten „Organoblech“ gebildet werden, einem thermoplastischen Kunststoff mit einer eingebetteten Langfaserverstärkung oder Endlos-Faserverstärkung. Von Langfasern wird in diesem Zusammenhang bei einer Faserlänge von 2 mm bis 50 mm gesprochen; bei einer Faserlänge von über 50 mm spricht der Fachmann von Endlosfasern (siehe DE 10 2007 036 660 A1 ). Das Verbundbauteil lässt sich insbesondere bei Verwendung eines Organoblechs als äußerer Verbund und/oder als Basis gemeinsam mit seinen anderen Schichten in einem Arbeitsgang durch Pressen oder Tiefziehen herstellen.
Die Elastomerschicht enthält – sofern sie nicht aus TPE besteht – ein Vernetzungssystem, welches je nach verwendetem Elastomer wenigstens einen Vernetzer aus der Gruppe der Peroxide, der Amine und/oder der Bisphenole enthält und eine Reaktion mit dem Kunstharz der Basis ermöglicht. Alternativ zu einer Wärmebehandlung für eine Vernetzung der Elastomerschicht mit dem Kunstharz der Basis kann auch eine andere vernetzende Behandlung, beispielsweise mit ultravioletter Bestrahlung (UV-Licht) erfolgen. Auf eine erste Elastomerschicht können weitere Elastomerschichten, falls erforderlich mit unterschiedlicher Festigkeit und Härte aufgebracht werden, die so zusammengesetzt sind, dass sie sich mit der jeweils darunter liegenden Elastomerschicht verbinden. Die wenigstens eine Elastomerschicht besteht besonders bevorzugt aus auf Kautschuk basierenden Werkstoffen. Alternativ dazu kann die wenigstens eine Elastomerschicht auch aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE) bestehen.
Der für die zweite Alternative der Erfindung verwendete Kleber wird bevorzugt von einem Acrylat, einem Polyurethan oder einem Epoxidharz gebildet.
Dabei kann in einer oder mehreren der Schichten eine Gewebeeinlage, ein Fasermaterial oder Metallpulver enthalten sein.
Die Begriffe „Oberflächenfolie“ und „rückseitig“ sind jeweils von der Nutzseite des Verbundbauteils aus zu verstehen. Bei einem Innenverkleidungsteil eines Fahrzeugs ist die Oberflächenfolie dementsprechend die dem Fahrzeuginnenraum zugewandte Schicht.
Wenn bei der vorliegenden Erfindung von "Schichten" die Rede ist, können damit ganz oder auch nur partiell übereinander angeordnete oder ineinander eingebettete Streifen, Stücke oder Bereiche aus den genannten Materialien gemeint sein.
Von einem Verbundbauteil im Sinne der vorliegenden Erfindung wird auch dann gesprochen, wenn eine oder mehrere Schichten des Verbundbauteils aus Metall oder anderen, nicht als Kunststoffe zu bezeichnenden Materialien bestehen.
Das Kunstharz der als Festigkeitsträger fungierenden Basis, die optional auch durch wenigstens eine metallische Trägerschicht ergänzt werden kann, werden unter Temperatureinwirkung in einem Vakuumsack, in einem Autoklav oder einer Heizpresse oder einer sonstigen Vorrichtung zum Aushärten ausgehärtet. Alle beteiligten Materialien sind so aufeinander abgestimmt, dass sie unter den Reaktionsbedingungen ein chemisches Netzwerk aufbauen und zueinander eine Haftung ausbilden. Durch diese Vorgänge entsteht ein formstabiles Produkt. Die Aushärtetemperatur liegt vorzugsweise zwischen 20 und 200° C, besonders bevorzugt 50 bis 150° C.
Der Aufbau des Verbundbauteils aus der Oberflächenfolie, der mit einem Vernetzer versehenen Elastomerschicht und der Metall- und/oder Kunststoff-Basis geschieht in mehreren Alternativen wie folgt:

• Gemäß einer ersten Alternative wird eine antihaftend beschichtete Form mit den verschiedenen Rohkomponenten der einzelnen Schichten bestückt und das Verbundteil unter Einwirkung von Druck und Temperatur ausgehärtet (Heißpressen).
• Gemäß einer zweiten Alternative wird das aus den Rohmaterialien vorkonfektionierte Produkt ohne Verwendung einer geschlossenen Form bei erhöhter Temperatur im Autoklav oder Heißluftofen oder in einer beheizten Form ausgehärtet. Es kann dabei auf einem die Basis bildenden Trägerkörper fixiert sein.
• Gemäß einer dritten Alternative wird das aus den Rohmaterialien vorkonfektionierte Produkt ohne Verwendung einer geschlossenen Form bei erhöhter Temperatur in einem Vakuumsack ausgehärtet.

Die antihaftende Beschichtung der Form kann erfolgen durch Paraffine, Silikon, Tenside, Fluorkohlenwasserstoffe (z.B. Teflon).
Als Kunstharze sind bevorzugt verwendbar: Polyesterharze, Phenol-Formaldehyd-Harze, Cyanat-Ester-Harz, Epoxidharze, Vinylesterharze und Acrylatharze.
Die bereits vernetzten elastomeren Bestandteile und die Gewebe-Einlagen werden direkt bei der Herstellung der faserverstärkten Kunststoffteile an den entsprechenden Orten mit in die Form eingelegt. Im Verbundprodukt können als Einlage bevorzugt eingebracht sein: Glasfasern, Nylon, Polyester, Kohlefasern, Viskose, Aramidfasern und/oder Metallfasern. Die Einlage kann in Form eines Gewebes, eines Geleges oder als Pulpe vorgesehen sein.
Bei einer Verwendung eines thermoplastischen Elastomers (TPE) für die Elastomerschicht in Verbindung mit einer duroplastischen Kunststoff-Trägerschicht als Basis wird das TPE optional vor dem Zusammenbringen mit dem Duroplast auf eine Temperatur in der Nähe des Erweichungspunkts des TPE erwärmt. Dadurch wird das TPE gegenüber dem Duroplast besser drapierbar. Es lässt sich besser an dessen Kontur und/oder an die Kontur einer Form oder eines Werkzeugs anpassen, das für die Herstellung des Verbundbauteils verwendet wird.
Durch das Einbringen von weichen elastomeren Schichten kann durch die Auswahl der geeigneten Materialien sowohl eine Schwingungsabsorption als auch eine Schwingungsisolation erreicht werden. Die Rissausbreitung wird unterbunden, wobei die Rissausbreitung insbesondere durch in ein Elastomermaterial vollständig eingebettetes Gewebe, Gewirke oder eine Faserstruktur aus Hochleistungsfasern (wie Aramid oder Vectran^®, eingetragene Marke der Kuraray Co., Ltd., JP) verhindert wird.
Durch das optionale Einbringen von Flamm-hemmend ausgerüsteten Elastomerschichten wird die Brandausbreitung behindert.
Die Herstellung einer elektrisch leitenden, ableitenden bzw. Strahlungsabschirmenden Variante ist ohne signifikant höhere Materialkosten durch Einbetten leitender Fäden, Streifen oder Gewebe möglich. Mittels eingebetteter Leiter ist auch eine unmittelbare Beheizung der Schichten für das Verbinden oder das spätere Trennen zu Reparatur- oder Recyclingzwecken möglich.
Eine besonders vorteilhafte Eigenschaft eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils besteht darin, dass das Verbundbauteil Energie absorbiert und somit in allen Bereichen einsetzbar ist, in denen Bauteile vor auftreffenden mechanischen Energien und Impulsen geschützt werden müssen oder umgekehrt, in denen Personen oder Gegenstände vor aufprallenden Verbundbauteilen geschützt werden müssen.
Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils besteht darin, dass das Verbundbauteil ein verbessertes Crash-Verhalten aufweist mit der Folge eines wirkungsvollen Splitterschutzes zur Vermeidung von Verletzungen und einer Vermeidung eines plötzlich auftretenden Totalversagens des Verbundbauteils.
Anwendungszwecke für ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil sind beispielsweise:

• Rotorblatt, beispielsweise eines Windrades oder Helikopters
• Tragfläche von Luftfahrzeugen
• Blattfeder, beispielsweise im Fahrzeugbau
• Schlag- oder Geschoss-Hemmendes Bauteil in Schutzkleidungen, wie Protektoren in Motorradbekleidung oder kugelsicheren Westen oder gepanzerten Fahrzeugen
• stabiler Schwingungs-Dämpfender Kern von Sportgeräten, wie Skiern, Snowboards, Schlitten, Bobs, Surfbrettern, Booten, Tennis- oder Eishockeyschlägern
• Lager für Maschinen, Maschinenteile, Brücken und andere Bauwerke und Bauwerksteile
• Gehäuse für hochwertige Konsumgüter, wie Computer oder Notebooks
• Wandung von Rohren, Elastomer-Beschichtete Zylinder oder Rohre
• Verkleidungs- oder Karosserieteil von Fahrzeugen, als Zylinderkopfhaube von Motoren oder als Stoßstange
• Bauteile mit reduzierter Bruch- oder Splitterneigung bei Deformation
• Flammhemmende Verbundteile durch Einbau unbrennbarer elastischer Schichten (z.B. Metall- oder Metallhydroxidpartikel oder halogenierte Paraffine als Zuschlagstoffe im Elastomer)
• Selbstlöschende und Brand-hemmend ausgestattete Gummimischungen

Folgende Vorteile gelten für die in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Verbundbauteile:

• Eine Verwendung von Haftvermittlern ist bei der ersten Variante nicht nötig.
• Geringerer Zeitaufwand für die Herstellung, dadurch erhebliche Kostensenkung
• Wesentlich größere Lebensdauer
• Reparaturfreundlichkeit.

Für die in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Verbundbauteile ist es vorteilhaft, wenn die Elastomerschichten wenigstens 0,5 pph („parts per Hundred“) wenigstens eines Vernetzers aus der Gruppe der Peroxide, der Amine und/oder der Bisphenole und/oder aus der Gruppe der Di-, Tri. oder Oligosulfide enthalten und beide, die Basis und die Elastomerschicht, durch Wärmeeinwirkung oder eine andere Form eines Energieeintrags in einem Arbeitsgang – ohne die Notwendigkeit eines Haftvermittlers – miteinander verbindbar sind. Bei Verwendung eines thermoplastischen Elastomers (TPE), wie Styrol/Ethenbuten/Styrol-Block-Copolymerisat (SEBS) oder Styrol/Butadien/Styrol-Block-Copolymerisat (SBS) oder eines thermoplastischen Elastomers auf der Basis von Polyurethan (TPU) oder eines Polyethylens niedriger Dichte (LDPE) oder Styrol/Butadien-Kautschuk (SBR) mit einem Styrolanteil von mehr als 50 % sind derartige Vernetzer nicht notwendig.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht:

• einen verbesserten Aufprallschutz (Impact-Protection),
• ein verbessertes Crash-Verhalten (Splitterschutz, Vermeidung eines Totalversagens eines Bauteils),
• ein verbessertes Verhalten bei der Dämpfung von Schwingungen und Vibrationen,
• einen verbesserten Erosionsschutz, und
• eine verbesserte Möglichkeit der Reparatur.

Von diesen drei Anwendungszwecken können sich bei manchen Bauteilen zumindest zwei überlagern. So ist beispielsweise bei einer Stoßstange oder einer Motorhaube eines Fahrzeugs nicht nur die aktive und passive Sicherheit der Insassen und möglicher mit dem Fahrzeug kollidierender Personen wichtig, sondern auch eine splitterfreie Verformung zum Absorbieren der Aufprall-Energie und eine Reduzierung des Impulses beim Aufprall kleiner Körper (Steinschlag). Motorhauben sollen aber auch keine dröhnenden Geräusche infolge von Schwingungen des Fahrzeugs oder dessen Antriebs erzeugen, so dass bei diesen neben den beiden ersten Aspekten auch der dritte Aspekt der Vibrations-Dämpfung von Bedeutung ist.
In einer für alle Anwendungszwecke vorteilhaften Ausführungsform ist die Basis aus einem bereits fertig mit Kunstharz getränkten Gewebematerial (Prepreg) gebildet. Alternativ dazu erfolgt die Bildung bzw. Herstellung der Basis mittels des Harzinfusionsverfahrens.
Alternativ dazu können trockene Fasern (Gewebe, Gelege oder Pulpe) mit in eine Elastomerschicht eingelegt werden, welche sich dann mit der Elastomerschicht und gegebenenfalls auch mit benachbarten Schichten verbinden. Eine in die Elastomerschicht bzw. TPE-Schicht eingebettete Trockenfaserschicht hat dabei eine Wirkung ähnlich einer Folie in einer Verbundglasscheibe: Bei einem Brechen des Verbundbauteils hält sie dessen einzelne Teile zusammen.
Das Gewebematerial der Basis besteht bevorzugt aus Glasfasern, Nylon, Polyester, Kohlefasern, Viskose, Aramidfasern, Basaltfasern oder Metallfasern. Die Fasern können in Form eines Gewebes, eines Geleges oder einer Pulpe angeordnet sein. Als Kunstharz verwendbar ist besonders bevorzugt Polyesterharz, Phenol-Formaldehyd-Harz, Cyanat-Ester-Harz, Epoxidharz, Vinylesterharz oder Acrylatharz. Das Gewebe oder das Gewirk oder die Faserstruktur bestehen insbesondere bei solchen Verbundbauteilen, bei denen ein Splittern und ein plötzlich auftretendes Bauteil-Totalversagen unbedingt zu vermeiden ist, besonders bevorzugt aus einer Hochleistungsfaser wie Aramid oder Vectran^® (eingetragene Marke der Kuraray Co., Ltd., JP).
Die Elastomerschicht enthält – sofern sie nicht aus TPE besteht – ein Vernetzungssystem, welches je nach verwendetem Elastomer wenigstens einen Vernetzer aus der Gruppe der Peroxide, der Amine und/oder der Bisphenole enthält und eine Reaktion mit dem Kunstharz der Basis ermöglicht. Alternativ zu einer Wärmebehandlung für eine Vernetzung der Elastomerschicht mit dem Kunstharz der Basis kann auch eine andere vernetzende Behandlung, beispielsweise mit ultravioletter Bestrahlung (UV-Licht) erfolgen.
Die wenigstens eine Elastomerschicht besteht besonders bevorzugt aus auf Kautschuk basierenden Werkstoffen. Alternativ dazu kann die wenigstens eine Elastomerschicht auch aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE) bestehen.
Nachfolgend sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung des grundsätzlichen Schichtaufbaus eines ersten Verbundbauteils, und
2 eine schematische Darstellung des grundsätzlichen Schichtaufbaus eines zweiten Verbundbauteils.
Das in 1 dargestellte Verbundbauteil 10 besteht aus einer als glatte, harte Kunststoff-Außenschicht fungierenden Oberflächenfolie 18, die gemeinsam mit einer an ihrer Rückseite aufgebrachten Elastomerschicht 16 einen äußeren Verbund 17 des Verbundbauteils 10 bildet.
An die Elastomerschicht 16 schließt sich nach innen eine als Trägerbauteil des Verbundbauteils 10 fungierende Basis 15 an, die aus einer Kunstharzschicht 12 und wenigstens einer in diese eingebetteten Faserschicht 14 besteht.
Bei der in 2 dargestellten Variante ist zwischen der Elastomerschicht 16 und der Kunstharzschicht 12 zusätzlich eine Kleberschicht 20 vorgesehen.
Die Oberflächenfolie 18 ist vorzugsweise aus Polyethylen (PE), insbesondere aus einem Polyethylen mit hoher Dichte (HMW-PE – High Molecular Weight Polyethylene oder UHMW-PE – Ultra High Molecular Weight Polyethylene) gebildet. Die Oberflächenfolie 18 bildet somit eine glatte harte Außenhaut mit einer hohen Festigkeit, Schlagzähigkeit und Rissfestigkeit, so dass aufprallende Gegenstände, die bei einem Windrad beispielsweise von Regentropfen, Hagelkörnern oder Vögeln gebildet werden können, keinen Schaden und keinen Abrieb an der Oberfläche erzeugen können.
Die Elastomerschicht 16 besteht bevorzugt aus einem der folgenden Stoffe: aus Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPM), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Ethylen-Acrylat-Kautschuk (EAM), Fluorkarbon-Kautschuk (FKM), Acrylat-Kautschuk (ACM), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), optional im Verschnitt mit Polyvinylchlorid (PVC), Hydriertem Nitril-Kautschuk (HNBR), Carboxylat-Nitril-Kautschuk (XNBR), Hydrierter Carboxylat-Nitril-Kautschuk (XHNBR), Naturkautschuk (NR), optional auch epoxidiert, Ethyl-Vinyl-Acetat (EVA), Chlorsulfonyl-Polyäthylen-Kautschuk (CSM), Chloriertes Polyethylen (CM), Butyl- oder Halobutyl-Kautschuk, Silikon-Kautschuk (VMQ, MVQ), Fluor-Silikon-Kautschuk (FVMQ, MFQ), Chlorhydrin-Kautschuk (CO), Epichlorhydrin-Kautschuk (ECO), Polychloropren-Kautschuk (CR), Butadienkautschuk (BR), Styrolbutadienkautschuk (SBR), optional auch Block-Co-Polymere, wahlweise mit Isopren und/oder hydriert, einkomponentigem Polyurethan (PU) oder einer Kombination oder einem Verschnitt der vorstehend genannten Stoffe. Alternativ dazu kann die wenigstens eine Elastomerschicht auch aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE) bestehen.

Die Elastomerschicht 16 enthält, sofern sie nicht aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE) besteht, ein Vernetzungssystem. Als Vernetzer sind je nach verwendetem Elastomer für die Elastomerschicht 16 folgende Materialien aus wenigstens einer der Gruppen der Peroxide, der Amine und/oder der Bisphenole geeignet:

Elastomer	Peroxid (Ja/Nein bzw. Coagens)	Amin	Bisphenol	Di-, Tri- oder Oligosulfide
Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPM); Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM)	Methacrylat Acrylat Phenolharz Hexamethylentetram in (HMTA) Hexamethoxymethyl melamin (HMMM)	nein	nein	ja
Ethylen-Acrylat-Kautschuk (EAM)	ja	ja	nein	nein
Fluorkarbon-Kautschuk (FKM)	ja	ja	ja	nein
Acrylat-Kautschuk (ACM)	ja	ja	nein	nein
Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), optional im Verschnitt mit Polyvinylchlorid (PVC); Hydrierter Nitril-Kautschuk (HNBR); Hydrierter Carboxylat-Nitril-Kautschuk (XHNBR)	Methacrylat Acrylat Phenolharz Hexamethylentetram in (HMTA) Hexamethoxymethyl melamin (HMMM)	nein	nein	ja
Carboxylat-Nitril-Kautschuk (X-NBR)	Peroxid Zinkperoxid	nein	nein	ja
Naturkautschuk (NR) bzw. Polyisopren (IR)	Methacrylat Acrylat Phenolharz Hexamethylentetram in (HMTA) Hexamethoxymethyl melamin (HMMM)	nein	nein	ja
Ethyl-Vinyl-Acetat (EVA); Chlorsulfonyl-Polyäthylen-Kautschuk (CSM); chloriertes Polyethylen (CM), z.B. Tyrin^®	Methacrylat Acrylat Phenolharz Hexamethylentetram in (HMTA) Hexamethoxymethyl melamin (HMMM)	ja	nein	nein
Butyl-Kautschuk (BIIR); Halobutyl-Kautschuk	Bismalein-imide m-Phenylen-bismaleinimid (HVA-2)	nein	nein	ja
Silikon-Kautschuk (VMQ, MVQ)	ja (Acrylate)	nein	nein	nein
Fluor-Silikon-Kautschuk (MFQ, FVMQ)	ja (Acrylate)	nein	nein	nein
Polyurethan (PU, einkomponentig)	ja (Acrylate)	nein	nein	ja
Chlorhydrin-Kautschuk (CO) Epichlorhydrin-Kautschuk (ECO)	ja	Thioharn stoff und -derivate u.a.	nein	ja
Polychloropren-Kautschuk (CR)	ja	Thioharn stoff und -derivate u.a.	nein	ja
Butadienkautschuk (BR)	ja	nein	nein	ja
Styrolbutadienkaut schuk (SBR), optional auch Block-Co-Polymere, wahlweise mit Isopren und/oder hydriert	ja	nein	nein	ja

Der Anteil des Vernetzers bzw. der Vernetzer am Elastomermaterial beträgt etwa zwischen 0,5 bis 15 pph rubber (Teile je 100 Teile Kautschukanteil der Gummimischung), kann aber auch deutlich höher liegen.
Die Basis 15 besteht aus einer oder mehreren Faserschichten 14, die mit einem eine Kunstharzschicht 12 bildenden flüssigem, härtbaren Kunstharz getränkt sind. Die mit Kunstharz getränkten Faserschichten 14 der Basis 15 können als vorgefertigtes Bauteil in Form einer mit Kunstharz getränkten Fasermatte (Prepreg) ausgebildet sein oder nach dem Harzinfusionsverfahren hergestellt sein, bei dem die Faserschichten 14 zunächst trocken aufgebracht und anschließend mit einem Verfahren zur Tränkung, insbesondere einer Infusion oder Injektion eingebrachten flüssigen Kunstharz getränkt werden.
Die Basis 15 ist bevorzugt aus wenigstens einer Schicht eines Faserverstärkten Kunststoffs (FVK), eines Carbonfaserverstärkten Kunststoffs (CFK) oder eines Glasfaserverstärkten Kunststoffs (GFK) gebildet. Alternativ oder ergänzend kann wenigstens eine Schicht der Basis 15 auch aus einem anderen Werkstoff, insbesondere aus Metall, bestehen. Als weitere Alternative kann die Basis 15 auch von einem so genannten „Organoblech“ gebildet werden, einem thermoplastischen Kunststoff mit einer eingebetteten Langfaserverstärkung oder Endlos-Faserverstärkung.
Das Verbundbauteil 10 dient bevorzugt zum Schutz gegen aufprallende Gegenstände („Impact Protection“). Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Verbundbauteil 10 handelt es sich beispielsweise um ein Rotorblatt eines Windrades, wobei von diesem jeweils nur ein vorderer Bereich mit der Flügelkante im Querschnitt dargestellt ist. Bei diesem Rotorblatt ist zumindest deren in Drehrichtung vorne liegende Flügelkante als Verbundbauteil 10 ausgebildet. Es dient dort als Schutz gegen eine witterungsbedingte Beschädigung durch Regentropfen, Staub, Sand, Hagelkörner oder durch Vogelschwärme. Bei modernen Offshore-Windkraftanlagen betragen die Durchmesser der Windräder derzeit bis zu etwa 150 m, wobei die Umlaufgeschwindigkeit an den Enden der Rotorblätter nahezu Schallgeschwindigkeit erreicht. Falls bei diesen Geschwindigkeiten Regen oder Hagel auf den Rotor einwirkt, können die Rotorblätter durch den Aufschlag ernsthaft beschädigt werden oder durch vorzeitigen Verschleiß die aerodynamischen Eigenschaften des Rotors und damit die Leistung der Windkraftanlage beeinträchtigt werden. Durch das Verbundbauteil 10 mit seiner unter der dünnen, harten, bevorzugt aus UHMW-PE bestehenden Oberflächenfolie 18 angeordneten Elastomerschicht 16 wird der auf das eigentliche Rotorblatt einwirkende Aufprall derartiger Gegenstände deutlich gemindert, so dass Beschädigungen wirkungsvoll verhindert werden. Das Rotorblatt kann auch in den übrigen Bereichen durch ein derartiges Verbundbauteil 10 geschützt sein oder kann sogar vollständig von einem solchen Verbundbauteil 10 gebildet werden.
Alternativ ist auch eine Ausbildung des Verbundbauteils 10 als Kappe möglich, so wie dies beispielsweise in der DE 10 2008 006 427 A1 anhand eines Erosionsschildes aus Metall beschrieben ist. Die Kappe bedeckt dabei bevorzugt das vordere äußere Viertel bis Fünftel der Länge eines Rotorblatts. Dies ist der Bereich, in dem aufgrund der hohen Rotationsgeschwindigkeit die größte Gefahr von Erosion oder Beschädigung besteht. Die harte, glatte Oberfläche der Oberflächenfolie 18 verhindert neben einer Vereisung auch Korrosion und Ablagerungen am Rotorblatt und reduziert dadurch den Wartungsaufwand auf ein Minimum. Die etwas höheren Kosten bei der Herstellung des Rotorblatts werden durch niedrigere Wartungskosten und verminderte Ausfallzeiten mehrfach aufgewogen. Durch die Erfindung rückt das Ziel eines über eine Laufdauer von 20 Jahren wartungsfreien Betriebs einer Windkraftanlage in greifbare Nähe.
Das Verbundbauteil 10 ist als Kantenschutz-Verbundbauteil oder Splitterschutz-Verbundbauteil ausgebildet. Versuche haben gezeigt, dass ein derartiges Verbundbauteil 10 in der Lage ist, eine Aufprallenergie ohne Beschädigung des Bauteils aufzunehmen, die über 400% des sonst üblichen Wertes beträgt. Im Crash-Fall wird die Gefahr eines Splitterns oder eines Weiterreißens eines gebrochenen Bauteils drastisch reduziert.
Das in den 1 und 2 dargestellte Verbundbauteil 10 deckt eine große Zahl möglicher Anwendungsfälle für Bauteile ab, die einem Aufprall eines Körpers ausgesetzt sind. Dies sind erfindungsgemäß beispielsweise:

• die Vorderkante eines Flügels, einer Tragfläche oder eines Leitwerks eines Luftfahrzeugs, oder
• die in Drehrichtung liegenden Vorderkante eines Rotorblattes eines Hubschraubers oder eines Windrades, oder
• eine Schiffschraube, oder Teile derselben, oder
• ein Karosseriebauteil eines Fahrzeugs, wie eine Stoßstange oder eine Motorhaube, oder
• ein Karosseriebauteil aus Metall mit einer Elastomer und einer PE-Beschichtung, oder
• ein aufwirbelnden Gegenständen ausgesetztes Bauteil eines Fahrzeugs, wie einem Unterbodenschutzteil eines Landfahrzeugs oder Schienenfahrzeugs, einer Fahrwerksstrebe, einem Lenkgestänge, einer Antriebswelle oder Kardanwelle, einem Tretlager oder einer Kettenstrebe eines insbesondere mit einem Carbon-Rahmen versehenen Mountain-Bikes, oder
• eine Innenverkleidung eines Land-, Wasser-, Luft- oder Raum-Fahrzeugs, oder
• die Innenseite eines zu Wartungszwecken begehbaren Hohlraums von Land-, Wasser-, Luft- oder Raum-Fahrzeugen zum Schutz vor Beschädigungen durch herunterfallende Werkzeuge, oder
• der Ladung zugewandte Oberflächen von offenen oder geschlossenen Transporträumen, wie Laderäumen von Transportern und Lastkraftwagen oder Containern, oder
• der vordere Rumpfbereich oder der Kielbereich eines Wasserfahrzeugs, wie eines Sportbootes, eines Speed-Bootes oder eines Kajaks, oder
• stark beanspruchte Nutzflächen von Sportgeräten, wie der Schaufelbereich von Eishockey-Schlägern, die Boden-Kontaktflächen von Nordic-Walking-Stöcken oder Ski-Stöcken oder Paddelblätter von Kanu- oder Kajakpaddeln, oder
• ein Verstärkungsteil eines gepanzerten Fahrzeugs

Das Verbundbauteil 10 bzw. Splitterschutz-Verbundbauteil 10 weist durch die eine in die Elastomerschicht 16 eingebettete, nicht dargestellte Faserstruktur auch ein deutlich verbessertes Crash-Verhalten auf, da bei einem Bruch weniger scharfkantige Bruchkanten und weniger lose Bruchstücke entstehen und die Fasern eine Reststabilität gewährleisten. Erfindungsgemäße Anwendungsfälle hierfür sind beispielsweise:

• ein Innen-Verkleidungsteil eines Fahrzeugs, wie eine Tür-Verkleidung, oder
• ein äußeres Karosseriebauteil, wie ein Spoiler, ein Kotflügel, ein Fahrzeugdach, eine Heckklappe, eine Motorhaube, eine Crash-Nase oder ein Seitenteil eines Rennwagens, oder
• ein Rahmen, ein Lenker, ein Lenker-Vorbau oder eine Sattelstütze eines Zweirads, ein Tennisschläger, eine Schiene oder eine Fersenkappe von Inline-Skates, ein Body-Protektor oder ein Schutzhelm für berufliche oder freizeitmäßige Schutzkleidung (Feuerwehr, Polizei, Militär und Sicherheitsdienste; Fahrrad-, Motorrad-, Skater- oder Skihelme oder Protektoren)

Derartige Verbundbauteile 10 sind auch sehr gut als Schutz vor Schuss-, Stich- und Stoßverletzungen im Bereich des Personenschutzes (kugelsichere Weste, Schutzschilde) und bei entsprechenden Sportarten (Fechten, Reiten, Motorradfahren, Motocross, Eishockey) in die Schutzkleidung zu integrieren oder in entsprechenden Protektoren zu verarbeiten.
Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils 10 erfolgt vorzugsweise dadurch, dass zunächst eine Oberflächenfolie 18 auf der Rückseite mit einer Elastomerschicht 16 versehen wird. Der aus der Oberflächenfolie 18 und der Elastomerschicht 16 gebildete äußere Verbund 17 wird anschließend in eine nicht dargestellte Form eingelegt, die beispielsweise der Kontur einer Flügelvorderkante eines Rotorblatts entsprechend den 1 und 2 entspricht. Auf die Rückseite der Elastomerschicht 16 wird optional, wie in 2 dargestellt, eine Kleberschicht 20 aufgebracht.
Anschließend wird die aus wenigstens einer Kunstharzschicht 12 und wenigstens einer darin eingebetteten Faserschicht 14 gebildete Basis 15 auf die Rückseite der Elastomerschicht 16 bzw. auf die Kleberschicht 20 aufgebracht.
Die Kunstharzschicht 12 und die Faserschicht 14 können bei der Variante gemäß 1 entweder als Prepreg vorbereitet auf die Rückseite der ausgehärteten Elastomerschicht 16 in der Form aufgebracht werden oder eine oder mehrere Faserschichten 14 werden zunächst trocken auf die Rückseite der Elastomerschicht 16 aufgelegt und anschließend mit einem flüssigen Kunstharz getränkt, wobei die aushärtende Kunstharzschicht 12 mit den eingebetteten Faserschichten 14 die Basis 15 bildet.
Die Verbindung der Basis 15 mit dem äußeren Verbund 17 erfolgt in 1 durch das Aushärten der Kunstharzschicht 12 und deren dabei stattfindende Verbindung mit der Elastomerschicht 16. Die Verbindung der Basis 15 mit dem äußeren Verbund 17 kann alternativ oder unterstützend in 1 auch durch eine gleichzeitige Vernetzung einer noch nicht vollständig ausgehärteten Elastomerschicht 16 erfolgen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 kann die Kunstharzschicht 12 mit den eingebetteten Faserschichten 14 auch vorgeformt sein und anschließend mittels der Kleberschicht 20 mit dem äußeren Verbund 17 verbunden werden.
In die Kleberschicht 20 oder in die Elastomerschicht 16 kann bevorzugt auch ein Ausreißfaden oder ein oder mehrere Heizleiter eingebettet sein, der im Reparaturfall ein Auftrennen der Kleberschicht 20 oder der Elastomerschicht 16 ermöglicht, so dass ein neuer äußerer Verbund 17 mit einer neuen Elastomerschicht 16 oder Kleberschicht 20 auf die weiterhin zu verwendete Basis 15 aufgebracht werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Verbundbauteil
12: Kunstharzschicht
14: Faserschicht (Gewebe/ Gewirk/ Faserstruktur)
15: Basis
16: Elastomerschicht
17: (äußerer) Verbund
18: Oberflächenfolie
20: Kleberschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013217128 A1 [0002]
DE 102007036660 A1 [0010]
DE 102008006427 A1 [0051]

Claims

Verbundbauteil (10) bestehend aus einer Oberflächenfolie (18), einer mit deren Rückseite verbundenen Elastomerschicht (16) und einer an die Elastomerschicht (16) anschließenden, zumindest teilweise aus einer härtbaren Kunstharzschicht (12) bestehenden Basis (15), wobei die Oberflächenfolie (18) und die Elastomerschicht (16) einen Verbund (17) bilden und die Kunstharzschicht (12) mit der Elastomerschicht (16) verbunden ist.
Verbundbauteil (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunstharzschicht (12) unmittelbar mit der Elastomerschicht (16) verbunden ist.
Verbundbauteil (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunstharzschicht (12) mittels einer Kleberschicht (20) mit der Elastomerschicht (16) verbunden ist.
Verbundbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenfolie (18) aus einem faserverstärkten Verbundkunststoff (FVK, CFK, GFK) oder aus Polyethylen (PE), insbesondere Ultra High Molecular Weight Polyethylen (UHMW-PE), High Molecular Weight Polyethylen (HMW-PE) oder Polytetrafluorethylen (PTFE), gebildet ist.
Verbundbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Elastomerschicht (16) aus Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPM), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Ethylen-Acrylat-Kautschuk (EAM), Fluorkarbon-Kautschuk (FKM), Acrylat-Kautschuk (ACM), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), optional im Verschnitt mit Polyvinylchlorid (PVC), Hydriertem Nitril-Kautschuk (HNBR), Carboxylat-Nitril-Kautschuk (XNBR), Hydrierter Carboxylat-Nitril-Kautschuk (XHNBR), Naturkautschuk (NR), optional auch epoxidiert, Ethyl-Vinyl-Acetat (EVA), Chlorsulfonyl-Polyäthylen-Kautschuk (CSM), Chloriertes Polyethylen (CM), Butyl- oder Halobutyl-Kautschuk, Silikon-Kautschuk (VMQ, MVQ), Fluor-Silikon-Kautschuk (FVMQ, MFQ), Chlorhydrin-Kautschuk (CO), Epichlorhydrin-Kautschuk (ECO), Polychloropren-Kautschuk (CR), Butadienkautschuk (BR), Styrolbutadienkautschuk (SBR), optional auch Block-Co-Polymere, wahlweise mit Isopren und/oder hydriert, einkomponentigem Polyurethan (PU) oder einer Kombination oder einem Verschnitt der vorstehend genannten Stoffe besteht.
Verbundbauteil (10) nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Elastomerschicht (16) aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE), wie Styrol/Ethenbuten/Styrol-Block-Copolymerisat (SEBS) oder Styrol/Butadien/Styrol-Block-Copolymerisat (SBS) oder einem thermoplastischen Elastomer auf der Basis von Polyurethan (TPU) oder einem Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) oder Styrol/Butadien-Kautschuk (SBR) mit einem Styrolanteil von mehr als 50 % besteht.
Verbundbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kunstharzschicht (12) aus einem duroplastischen Kunststoff mit wenigstens einer Faserschicht (14) gebildet ist.
Verbundbauteil (10) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (15) aus einem bereits fertig mit Kunstharz getränkten Gewebematerial (14) (Prepreg) gebildet oder in einem Harz-Tränkungsverfahren, insbesondere einem Infusionsverfahren oder Injektionsverfahren, hergestellt ist.
Verbundbauteil (10) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Faserschicht (14) aus Glasfasern oder aus Carbonfasern gebildet ist.
Verbundbauteil (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kleberschicht (20) von einem Acrylat, einem Polyurethan oder einem Epoxidharz gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils (10) gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Bereitstellen einer Oberflächenfolie (18), b) Herstellen eines äußeren Verbundes (17) durch Aufbringen einer Elastomerschicht (16) auf eine Seite der Oberflächenfolie (18) und Verbindung der Elastomerschicht (16) mit der Oberflächenfolie (18) durch Vernetzung der Elastomerschicht (16), c) Bereitstellen wenigstens einer Basis (15) mit wenigstens einer mit einem Kunstharz (12) getränkten Faserschicht (14), d) Härtung der Kunstharzschicht (12), e) Aufbringen der Basis (15) auf die Elastomerschicht (16) des Verbundes (17).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Basis (15) mit der Elastomerschicht (16) gleichzeitig mit der Vernetzung der Elastomerschicht (16) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Basis (15) mit der Elastomerschicht (16) gleichzeitig mit der Härtung der Kunstharzschicht (12) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Basis (15) mit der Elastomerschicht (16) durch Zwischenschaltung einer Kleberschicht (20) erfolgt.