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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren, mit denen Partikeln derart auf mindestens eine Oberfläche eines Kunststoff-Verbundwerkstoffs aufgebracht werden können, dass sie mit der Matrix des Kunststoff-Verbundwerkstoffs verbunden werden, ohne jedoch von dieser vollständig umgeben zu werden. Somit sind die Partikel für weitere Zwecke wie für Dekorationen, bessere Verbindung zu weiteren Bauteilen, weitere Bearbeitungsschritte, an der Oberfläche verfügbar und können beispielsweise zu einer Oberflächenstrukturierung und/oder einer Oberflächenfunktionalisierung führen.
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Kunststoff-Verbundwerkstoffe werden heutzutage weithin, beispielsweise im Flugzeugbau oder in der Raumfahrt, aber auch für Fahrzeuge, Boote, Windturbinen und viele Anwendungen verwendet. Insbesondere faserverstärkte Kunststoffe (FVK) haben hierbei eine wichtige Rolle übernommen. Für die Weiterverarbeitung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen, beispielsweise zur Metallisierung, zum Verkleben, zur Integration eines Korrosionsschutzes, etc., sind jedoch funktionelle Oberflächen vorteilhaft, welche insbesondere Partikel enthalten. Bisherige technische Oberflächen sind hierbei üblicherweise nicht funktionell, sondern lediglich bestimmt durch Harz, ggf. Fasern und Trennmittel.
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Durch die Aushärtung einer Harzmatrix nach der Infusion der Fasern gestaltet sich die Oberflächenstrukturierung von hergestellten Bauteilen, insbesondere durch Einbringung von Partikeln, schwierig, da Partikel bei Auftrag vor Aushärtung in die Harzmatrix eindringen können und schwierig an der Oberfläche stabilisiert werden können, wohingegen eine Anbindung nach dem Aushärten schwieriger ist, da die Harzmatrix schon reagiert hat.
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Für dekorative Anwendung gibt es hierbei bisher die Möglichkeit, eine Oberflächenmodifizierung durch Heißprägen oder Transferfolien auf dem ausgehärteten Polymerbauteil vorzunehmen, wobei hierbei jedoch eine haftfeste Verbindung zum übertragenen Film schwierig zu realisieren ist.
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In der
DE 102006046518 B4 ist beispielsweise ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats beschrieben, bei dem eine thermische Spritzschicht auf einen Harzfilm vorgeschlagen wird, wobei hier ein Harz auf Harz Transfer stattfindet.
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In der
WO 2008078849 A1 ist ein Verfahren angegeben, in der Partikel in einer zusätzlichen Harzschicht eingebettet werden, was einen zusätzlichen Prozessschritt bedeutet.
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Es besteht jedoch ein Bedarf für Verfahren zur Auftragung von Additiven zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung auf Kunststoff-Verbundstoffe.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren bereitzustellen, mit denen Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung auf Kunststoff-Verbundstoffe aufgebracht werden können, wobei die Materialien zur Oberflächen sowohl mit der Matrix der Kunststoff-Verbundstoffe verbunden werden, aber auch weiterhin an der Oberfläche derart verbleiben, dass sie nicht komplett von der Matrix der Kunststoff-Verbundstoffe umhüllt sind, oder komplett umschlossen sind, aber nicht weiter in die Harzmatrix absinken.
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Es ist zudem eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kunststoff-Verbundstoffe mit Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung bereitzustellen, in denen die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung an der Oberfläche verbleiben.
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Die Erfinder haben herausgefunden, dass Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung an der Oberfläche eines Kunststoff-Verbundstoffs verbleiben können, indem sie mit einer abtrennbaren Schicht (z. B. Abreißgewebe, Trennmittel, Trennfolie) als Hilfsmittel auf den ungehärteten Kunststoff-Verbundstoff aufgebracht werden, durch Härten mit dem Kunststoff-Verbundstoff in Verbindung treten können und durch Abtrennung der abtrennbaren Schicht als Oberflächenfunktion zur Verfügung stehen. Hierdurch können funktionelle Oberflächen auf Kunststoff-Verbundstoffen wie faserverstärkten Kunststoffbauteilen erzeugt werden. Diese funktionellen Oberflächen, also hergestellt durch eine Oberflächenfunktionalisierung, ermöglichen eine Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise eine Metallisierung, einen Korrosionsschutz oder eine Struktur zum Kleben.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen von Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung auf mindestens eine Oberfläche eines Kunststoff-Verbundwerkstoffs, umfassend:
- – Bereitstellen eines Kunststoff-Verbundwerkstoffs umfassend mindestens eine Harzmatrix und optional Fasern, bei der die Harzmatrix an zumindest einer Oberfläche nicht ausgehärtet ist;
- – Aufbringen von Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung auf die nicht ausgehärtete Oberfläche des Kunststoff-Verbundwerkstoffs, wobei die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung zudem mit zumindest einer abtrennbaren Schicht in Verbindung stehen;
- – Aushärten der Harzmatrix; und
- – Abtrennen der abtrennbaren Schicht, beispielsweise einer Trennfolie.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen von Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung auf mindestens eine Oberfläche eines Kunststoff-Verbundwerkstoffs, umfassend:
- – Bereitstellen von Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung, welche mit einer abtrennbaren Schicht in Verbindung stehen;
- – Aufbringen eines Faserverbunds auf oder an die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung;
- – Imprägnieren des Faserverbunds mit einer Harzmatrix;
- – Aushärten der Harzmatrix; und
- – Abtrennen der abtrennbaren Schicht.
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In der vorliegenden Erfindung ist der Kunststoff-Verbundwerkstoff nicht besonders beschränkt, insofern er mindestens eine Harzmatrix und optional Fasern umfasst. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst der Kunststoff-Verbundwerkstoff Fasern und eine Harzmatrix. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der Kunststoff-Verbundwerkstoff ein faserverstärkter Kunststoff.
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Im Kunststoff-Verbundwerkstoff sind die Fasern, so vorhanden, und die Harzmatrix nicht besonders beschränkt. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind Fasern, beispielsweise in Form eines Faserverbunds, im Kunststoff-Verbundwerkstoff umfasst. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umgibt die Harzmatrix im Wesentlichen die Fasern. Als Fasern eignen sich im Kunststoff-Verbundwerkstoff beispielsweise metallische Fasern, z. B. aus Aluminium, Stahl, etc., anorganische Fasern wie Basaltfasern, Keramikfasern oder Glasfasern, organische Fasern wie Aramidfasern, Polymerfasern, Kohlenstofffasern etc. und/oder Naturfasern, beispielsweise auf Basis von Flachs, Holz, etc. Auch Mischungen von Fasern können verwendet werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die Fasern Glasfasern oder Kohlenstofffasern, bevorzugt Kohlenstofffasern. Die Art der Fasern, ihre Dicke, Form, etc. sind nicht besonders beschränkt und umfasst beispielsweise solche, wie sie in faserverstärkten Kunststoffen verwendet werden. Dadurch, dass die Materialien zur Oberflächenstrukturierung/-funktionalisierung auf die Oberfläche aufgebracht werden und dort nach der Aushärtung im Wesentlichen verbleiben, gibt es gemäß bestimmten Ausführungsformen im Wesentlichen keine Interaktion mit den Fasern, so dass deren Funktion nicht beeinträchtigt wird.
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Weiterhin ist der Kunststoff im vorliegenden Kunststoff-Verbundwerkstoff nicht besonders beschränkt und umfasst beispielsweise Duroplaste oder Thermoplaste oder Mischungen davon, insofern diese durch Aushärten herstellbar sind. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der Kunststoff ausgewählt aus Duroplasten und/oder Thermoplasten, beispielsweise auf Epoxy-Basis, PEEK (Polyesteresterketon), PEI (Polyetherimid), etc. Diese lassen sich geeignet aus entsprechenden Harzen und Härtern herstellen, wobei entsprechende Verfahren geläufig sind und geeignet angewendet werden können. Abhängig vom Härten ist hierbei lediglich auf die Art der verwendeten Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung und/oder die abtrennbare Schicht Rücksicht zu nehmen, beispielsweise bei einem Aushärten unter Erwärmen, wo entsprechende Temperaturstabilität der Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung und/oder der abtrennbaren Schicht bevorzugt ist. Es kann aber auch sein, dass die abtrennbare Schicht beim Härten selbst abgetrennt wird, beispielsweise unter Wärmeeinwirkung.
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Neben den genannten Bestandteilen (Fasern, Kunststoff) kann der Kunststoff-Verbundwerkstoff noch weitere Bestandteile umfassen, wie beispielsweise Additive, insofern diese nicht mit dem Aufbringen der Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung interferieren. Auch kann der Kunststoff-Verbundwerkstoff Schichten anderer Materialien umfassen, beispielsweise mehrschichtig aufgebaut sein. Ein Aufbringen von Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung (auch kurz als Materialien zur Oberflächenstrukturierung bezeichnet) kann auf einer Oberfläche oder mehreren Oberflächen des Kunststoff-Verbundwerkstoffs erfolgen, wobei auf gleichen oder verschiedenen Oberflächen gleiche oder verschiedene Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung aufgebracht werden können. Es können also auch auf einer Oberfläche mehrere verschiedene Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung aufgebracht werden.
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Wie aus den Verfahren ersichtlich können entweder die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung bereitgestellt werden und darauf ein Faserverbund, der die obigen Fasern umfasst, aufgebracht werden oder zumindest derart in die Nähe gebracht werden, dass bei der Imprägnierung des Faserverbunds auch die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung teilweise mit der Harzmatrix in Berührung kommen; oder es können die Materialien zur Oberflächenbehandlung auf einen nicht ausgehärteten Kunststoff-Verbundwerkstoff aufgebracht werden, wobei hierbei je nach Art der abtrennbaren Schicht unterschieden werden kann, ob ein Faserverbund oder ein nicht ausgehärteter Kunststoff-Verbundwerkstoff auf eine abtrennbare Schicht mit damit verbundenen Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung aufgebracht werden, oder ob der Faserverbund oder der nicht ausgehärtete Kunststoff-Verbundwerkstoff fix liegt oder fixiert ist und darauf die abtrennbare Schicht mit damit verbundenen Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung aufgebracht werden. Je nach Kunststoff-Verbundwerkstoff und/oder abtrennbarer Schicht mit damit verbundenen Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung können diese hierbei auch fixiert sein, um eine Verformung, etc. zu vermeiden. So kann beispielsweise die abtrennbare Schicht auf einem Werkzeug, einem festen Substrat, einer Platte, Folie, etc. fixiert sein, beispielsweise wenn die abtrennbare Schicht pastös ist, also als eine Art Paste liegt, auf welcher die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung aufgebracht sind und daran anhaften.
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Darüber hinaus sind die Schritte des Aufbringens nicht besonders beschränkt und können sowohl manuell wie auch automatisch erfolgen.
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Im Rahmen der Erfindung sind die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung nicht besonders beschränkt, insofern sie auf eine Oberfläche des nicht ausgehärteten Kunststoff-Verbundwerkstoffs aufgebracht werden können. Insbesondere sind sie in ihrer Form nicht beschränkt und können beispielweise Partikel, Drähte, Fasern, etc. umfassen, insofern sie mit der abtrennbaren Schicht in Verbindung treten können und dann auf den Kunststoff-Verbundwerkstoff aufgebracht werden können. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfassen die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung Partikel oder sind Partikel. Diese Partikel sind erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt hinsichtlich ihrer Größe und/oder Form und können beispielsweise eine Größe von 0,05 bis 100000 μm, beispielsweise 0,1 bis 50000 μm, z. B. 1–10000 μm, z. B. 1,5 bis 1000 μm oder bis 500 μm oder bis 100 μm oder bis 50 μm aufweisen und glatt oder rau, rund oder eckig, symmetrisch oder unförmig, etc. sein. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die Partikel ausgewählt aus metallischen Partikeln, z. B. Kupfer, Aluminium, Palladium, etc., anorganischen Partikeln, z. B. Silikat, Titandioxid, Hydroxiden, etc., und/oder organischen Partikeln, z. B. Polyamid, etc. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung, beispielsweise Partikel, Feststoffe bei Raumtemperatur, z. B. 22°C. Beim Aufbringen und/oder Aushärten ist es jedoch nicht ausgeschlossen, dass die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung zumindest teilweise oder ganz schmelzen können und dann nach dem Härten wieder erstarren. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung jedoch auch beim Aushärten ebenfalls fest.
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Es ist erfindungsgemäß sowohl möglich, die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung bereits auf einen nicht ausgehärteten Kunststoff-Verbundwerkstoff wie einen Prepreg aufzubringen, also ein Imprägnieren von Fasern vor dem Aufbringen durchzuführen, als auch die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung auf einen Faserverbund aufzubringen, also eine Anordnung von Fasern, bzw. zumindest in entsprechenden Abstand dazu zu bringen, und dann den Faserverbund derart zu imprägnieren, dass die Harzmatrix auch mit den Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung in Kontakt kommt. Beispielsweise indem der Faserverbund und ggf. die abtrennbare Schicht mit damit verbundenen Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung in eine geeignete Form gegeben werden. Bei einem solchen Imprägnieren ist jedoch darauf zu achten, dass die abtrennbare Schicht nicht komplett mit Harz imprägniert wird, damit diese dann nach dem Aushärten der Harzmatrix abgetrennt werden kann. Dies kann beispielsweise durch Zugabe einer bestimmten Menge an Harzmatrix entsprechend einer Form eingestellt werden, so dass eine Form derart mit der Harzmatrix gefüllt wird, dass der Faserverbund und die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder – funktionalisierung mit der Harzmatrix in Kontakt kommen, jedoch nicht die abtrennbare Schicht. Alternativ können beispielsweise auch die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung, beispielsweise über Bindemittel bzw. Bindersysteme, auf die Oberfläche des Faserverbunds, beispielsweise einer textilen Faserpreform, appliziert werden.
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Beim Aufbringen eines Faserverbunds auf die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung sollte zudem gemäß bestimmten Ausführungsformen darauf geachtet werden, dass der Faserverbund die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung im Wesentlichen nicht komplett umgibt. Ebenso sollte beim Aufbringen von Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung auf die nicht ausgehärtete Oberfläche des Kunststoff-Verbundwerkstoffs, wobei die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung zudem mit zumindest einer abtrennbaren Schicht in Verbindung stehen, darauf geachtet werden, dass die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung nicht vollständig in die Harzmatrix eingebracht werden, sondern noch zumindest teilweise an der Oberfläche der Harzmatrix offen verbleiben oder zumindest mit der abtrennbaren Schicht teilweise in Verbindung bleiben, bevor diese später abgetrennt wird. Beim Aushärten ist es dann gegebenenfalls gemäß bestimmten Ausführungsformen auch möglich, dass die Harzmatrix die Partikel komplett verschließt, die Partikel jedoch nicht in die Harzmatrix einsinken.
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Das Imprägnieren selbst ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt und kann auf geeignete Weise vorgenommen werden, wie es üblicherweise bei Kunststoff-Verbundwerkstoffen vorgenommen wird. Ebenso ist das Härten der Harzmatrix nicht besonders beschränkt und kann abhängig vom verwendeten Harz durch Zugabe von Härter und ggf. Einwirkung von Wärme geeignet erfolgen.
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Beim Härten findet eine teilweise Verbindung der Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung mit der Harzmatrix statt, so dass eine feste Verbindung erfolgt und die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung entsprechend mit dem Kunststoff-Verbundwerkstoff direkt verbunden sind – im Gegensatz zum Beispiel zu einem Aufschmelzen oder Aufkleben der Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung.
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Darüber hinaus ist im erfindungsgemäßen die abtrennbare Schicht nicht besonders beschränkt, sofern die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung mit dieser in Verbindung stehen und die abtrennbare Schicht von den Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung abgetrennt werden kann. Der Kontakt zwischen den Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung und der abtrennbaren Schicht kann hierbei direkt sein, z. B. wenn die abtrennbare Schicht klebrig und/oder pastös ist und die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung in diese teilweise eingebracht, beispielsweise eingedrückt, werden können, oder kann indirekt sein, beispielsweise indem auf die abtrennbare Schicht zumindest teilweise oder auch vollständig ein Bindemittel aufgebracht ist, in welches dann die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung teilweise eingebracht werden. Das Bindemittel ist hierbei nicht besonders beschränkt und kann beispielsweise Pasten, Kneten, etc. umfassen.
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Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die abtrennbare Schicht ausgewählt aus einem Trennmittel, einem Abreißgewebe und/oder einer Abreißfolie. Als Trennmittel eignen sich beispielsweise Trennmittelfilme wie Teflon, Silikone, oder flüssig aufgebrachte Trennmittelschichten etc., insofern sie mit den Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung in Kontakt kommen können und bevorzugt mit diesen temporär verbunden werden können, beispielsweise durch Haftung, bis die Verbindung zum Kunststoff-Verbundwerkstoff nach dem Aushärten hergestellt ist. Die Trennmittel sind in dieser Hinsicht ebenso wie die Abreißgewebe und Abreißfolien nicht besonders beschränkt. Auch das Abtrennen der abtrennbaren Schicht ist nicht besonders beschränkt und kann beispielsweise durch abziehen, abreißen, ablösen, etc. erfolgen. Ein Ablösen kann hierbei beispielsweise auch chemisch unter Zuhilfenahme geeigneter Lösungsmittel erfolgen, insofern diese nicht die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder – funktionalisierung und den Kunststoff-Verbundwerkstoff angreifen. Auch ist ein pyrolytisches Abtrennen möglich, wenn die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung und der Kunststoff-Verbundwerkstoff entsprechend temperaturstabil sind.
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Es ist erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen, dass einzelne Schritte gleichzeitig durchgeführt werden oder sich zumindest überlappen. So ist es beispielsweise möglich, dass ein Aushärten bereits von einer anderen Seite erfolgt, während auf einer Seite noch die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung auf eine noch nicht ausgehärtete Oberfläche aufgebracht werden. Auch kann eine Abtrennung der abtrennbaren Schicht von einer ausgehärteten Oberfläche erfolgen, selbst wenn nicht unbedingt der gesamte Kunststoff-Verbundwerkstoff schon ausgehärtet ist. Jedoch können die Schritte auch separat hintereinander ausgeführt werden.
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Nach dem Abtrennen kann sich gemäß bestimmten Ausführungsformen ein Nachbehandlungsschritt anschließen, beispielsweise ein Reinigungsschritt, um verbleibendes Material der abtrennbaren Schicht und/oder Bindemittel zu entfernen, beispielsweise ein Reinigen mit Lösungsmittel nach zuvor erfolgter mechanischer Abtrennung der abtrennbaren Schicht. Darüber hinaus können sich natürlich auch andere Schritte anschließen wie Aktivierungsschritte der Oberfläche, weitere Behandlungsschritte der Oberfläche mit weiteren Materialien, und/oder mechanische Schritte zur Behandlung des hergestellten, oberflächenstrukturierten Kunststoff-Verbundwerkstoffs.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Kunststoff-Verbundwerkstoff umfassend Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung auf zumindest einer Oberfläche einer Harzmatrix, wobei die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung zumindest teilweise mit der Harzmatrix verbunden sind und teilweise nicht mit der Harzmatrix verbunden sind. Gemäß bestimmten Ausführungsformen können auch einige Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung komplett von der Harzmatrix umschlossen sein, wobei diese dann nicht mehr als 1000 μm, bevorzugt nicht mehr als 100 μm, weiter bevorzugt nicht mehr als 10 μm, insbesondere nicht mehr als 5 μm, von der Oberfläche der Harzmatrix beabstandet sind. So Fasern in dem Kunststoff-Verbundwerkstoff vorhanden sind, befinden sich insbesondere die Materialien zur Oberflächenstrukturierung zwischen der Oberfläche des Kunststoff-Verbundwerkstoffs und den Fasern, dringen aber nicht in eine Fasermatrix bzw. einen Faserverbund ein.
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Auch beschrieben ist ein Kunststoff-Verbundwerkstoff umfassend Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung auf zumindest einer Oberfläche einer Harzmatrix, wobei die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung nicht mehr als 10000 μm, bevorzugt nicht mehr als 1000 μm, weiter bevorzugt nicht mehr als 100 μm, insbesondere nicht mehr als 10 μm, von der Oberfläche der Harzmatrix beabstandet sind.
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Der erfindungsgemäße Kunststoff-Verbundwerkstoff umfassend Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung ist insbesondere herstellbar durch die erfindungsgemäßen Verfahren. Die Materialien des Kunststoff-Verbundwerkstoffs einschließlich der Fasern und der Harzmatrix sowie ggf. weiterer Additive und/oder Schichten und die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung entsprechen somit insbesondere den oben in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Verfahren Genannten. Der erfindungsgemäße Kunststoff-Verbundwerkstoff umfassend Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung umfasst hierbei sowohl einen Kunststoff-Verbundwerkstoff, in dem die Harzmatrix noch nicht ausgehärtet ist, aber die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung schon mit der Harzmatrix in Kontakt sind und somit verbunden sind, also beispielsweise einen Prepreg, wie auch einen Kunststoff-Verbundwerkstoff mit gehärteter Harzmatrix. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Harzmatrix gehärtet.
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Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der Kunststoff-Verbundwerkstoff ein faserverstärkter Kunststoff, wobei hier eine Ergänzung der Eigenschaften der Fasermatrix und der Polymermatrix durch das aufgebrachte Material zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung möglich ist. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die Fasern ausgewählt aus metallischen Fasern, anorganischen Fasern, organischen Fasern und/oder Naturfasern. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der Kunststoff ausgewählt aus Duroplasten und/oder Thermoplasten.
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Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfassen oder sind die Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung Partikel, welche ausgewählt sind aus metallischen Partikeln, anorganischen Partikeln und/oder organischen Partikeln. Diese ermöglichen eine weitere Verbesserung und/oder Funktionalisierung der Oberfläche.
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In noch einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer abtrennbaren Schicht zum Aufbringen von Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung auf mindestens eine Oberfläche eines Kunststoff-Verbundwerkstoffs. Hierbei entspricht die die abtrennbare Schicht gemäß bestimmten Ausführungsformen der oben im Zusammenhang mit den Verfahren erwähnten, ist also ausgewählt aus einem Trennmittelfilm, einem Abreißgewebe und/oder einer Abreißfolie.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in teilweise schematisierter Darstellung
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
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Beispielhaft zeigt die 1 einen schematischen Ablauf eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
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In Schritt a) wird hierbei eine ungehärtete Matrix 1 umfassend Fasern 1a in Form eines Prepreg bereitgestellt sowie ein Abreißfilm 4, beispielsweise ein Bindemittel getränktes Textil, als abtrennbare Schicht mit darauf aufgebrachten Partikeln 2 als Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung, welche über das Bindemittel 3 mit dem Abreißfilm verbunden sind. Im Schritt b) werden die Partikel 2 durch entsprechendes Aufbringen des Abreißfilms 4 mit der ungehärteten Matrix 1 derart in Kontakt gebracht, dass sie teilweise in diese eindringen, also teilweise mit dieser in Verbindung stehen. Wie in der Figur dargestellt könne die Partikel 2 am einem Rand der Matrix 1 wie auch in die Matrix 1 eingebracht werden. Nach dem Aushärten der Harzmatrix 1 verbleiben die Partikel 2 teilweise eingebettet darin und sind mit der nun gehärteten Matrix 1 besser verbunden als mit dem Bindemittel 3 am Abreißgewebe 4. Wenn nunmehr in Schritt c) das Abreißgewebe 4 – zumindest auch teilweise mit dem Bindemittel 3 – abgetrennt wird, verbleiben die Partikel 2 teilweise eingebettet im der Matrix 1.
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Ein weiterer Verfahrensverlauf ist in 2 gezeigt, der dem in 1 ähnelt. Im Gegensatz zum Verfahren in 1 werden jedoch hier zunächst die Fasern 1a und der Abreißfilm 4, beispielsweise ein Bindemittel getränktes Textil, als abtrennbare Schicht mit darauf aufgebrachten Partikeln 2 als Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung, welche über das Bindemittel 3 mit dem Abreißfilm verbunden sind, in Schritt a) bereitgestellt und in Schritt b) einander derart angenähert, dass sie beinahe in Kontakt sind oder in Kontakt sind. Dies entspricht also dem Verfahren gemäß dem obigen zweiten Aspekt. In Schritt c) werden die Fasern 1a mit Harz als Matrix 1 imprägniert, wobei das Harz der Matrix 1 auch die Partikel 2 teilweise umfasst. Um eine gezielte Imprägnierung vorzunehmen, kann hierbei beispielsweise eine Form verwendet werden (nicht gezeigt). Nach dem Aushärten erfolgt wiederum eine Abtrennung in Schritt d), welche analog der Abtrennung in Schritt c) der 1 erfolgen kann.
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Das Verfahren in 3 entspricht im Wesentlichen dem der 1, wobei hier anstelle eines Abreißfilms 4 in Schritt a) ein Trennmittelfilm 5 vorgesehen ist, beispielsweise als Paste, in den die Partikel 2 teilweise eingebracht sind. Dieser Trennmittelfilm 5 ist hierbei zur Stabilisierung auf einen Hilfsstoff 6 in Form beispielsweise einer Oberfläche, eines Werkzeugs, eines Substrats, etc. aufgebracht, um eine ebene Oberfläche zu bilden. Obgleich in den Figuren ebene Flächen gezeigt sind, können natürlich mit den erfindungsgemäßen Verfahren auch Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung auf andere Oberflächen, beispielsweise winklige, eckige und/oder gekrümmte Oberflächen aufgebracht werden. Hierbei ist in dem in 3 gezeigten Verfahren dann der Hilfsstoff 6 entsprechend der Oberfläche des Prepregs 1, 1a anzupassen. In Schritt b) wird analog zu 1 der Prepreg mit der ungehärteten Matrix 1 und den Fasern 1a mit den Partikeln 2 in Kontakt gebracht. Nach Aushärten der Matrix erfolgt in Schritt c) wiederum analog Schritt c) der 1 ein Abtrennen des Trennmittelfilms 5 mit dem Hilfsstoff 6.
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4 stellt eine Mischung der in 2 und in 3 gezeigten Verfahren dar. Analog 2 werden in Schritt a) Fasern 1a in Form eines Faserverbunds verwendet, diese jedoch hier dem Trennmittelfilm 5 mit den eingebrachten Partikeln 2 auf dem Hilfsstoff 6 gegenüber angeordnet. Nach Annäherung und Imprägnierung in Schritten b) und c) entsprechend Schritten b) und c) der 2 erfolgt wiederum die Härtung der Matrix 1. Die Abtrennung des Trennmittelfilms 5 samt Hilfsstoff in Schritt d) erfolgt wiederum wie in Schritt c) der 3.
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Obgleich in den schematischen 1 bis 4 die Partikel 2 zur besseren Sichtbarkeit als räumlich getrennte Partikel dargestellt sind, ist es erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen, dass die Partikel 2 auch dichter nebeneinander sind und/oder sich berühren. Auch muss nicht, wie dargestellt, eine Monolage von Partikeln 2 ausgebildet werden. Partikel 2 können auch weiter in der Matrix 1 eingebettet werden, bis Sie gänzlich umschlossen sind, verbleibend aber oberhalb der obersten Lage Fasern 1a.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Durch die vorliegenden Verfahren zum Aufbringen von Materialien zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung können oberflächenfunktionalisierte Kunststoff-Verbundstoffe mit guter Anbindung der Funktionalisierung bereitgestellt werden. Aufwändige zusätzliche Prozessschritte können hierbei vermieden werden. Darüber hinaus können negative Nebeneffekte auf die Materialeigenschaften des Kunststoff-Verbundstoffes, insbesondere bei FVK, vermieden werden, da Materialen zur Oberflächenstrukturierung und/oder -funktionalisierung, insbesondere Partikel, vorrangig auf der Oberfläche davon verbleiben und nicht in den Kunststoff-Verbundstoff eingebracht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Matrix
- 1a
- Fasern
- 2
- Partikel
- 3
- Bindemittel
- 4
- Abreißfilm
- 5
- Trennmittelfilm
- 6
- Hilfsstoff
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006046518 B4 [0005]
- WO 2008078849 A1 [0006]
