DE102022110684A1

DE102022110684A1 - Verfahren zur Herstellung einer Prepreg-Lage, Prepreg-Lagen und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102022110684A1
Application number: DE102022110684.5A
Authority: DE
Inventors: Dirk Lange; Florian Neumann
Original assignee: Delcotex Delius Techtex & Co KG GmbH
Current assignee: Delcotex Delius Techtex & Co KG GmbH
Priority date: 2022-05-02
Filing date: 2022-05-02
Publication date: 2023-11-02
Also published as: WO2023213724A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Prepreg-Lage (1) vorgeschlagen, zumindest umfassend folgende Schritte:a) Bereitstellen eines Fadengebildes (2) mit einem Flächengewicht,b) Zugeben eines Wasser-Polyolefin-Gemisches (3) zu dem Fadengebilde (2), so dass das Flächengewicht um mindestens 30 % erhöht ist,c) Entwässern des Fadengebildes (2) mit Wasser-Polyolefin-Gemisch (3),d) Konsolidieren des Fadengebildes (2) mit dem Polyolefin.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer Prepreg-Lage, Prepreg-Lagen und deren Verwendung.
Die Herstellung von Bauteilen (wie etwa Fahrzeugbauteile, Flugzeugbauteile, Bootsbauteile, Innenausbauteile von Zügen, Bauteile in der Elektronik, etc.) aus faserverstärkten Werkstoffen kann u. a. auf Grundlage eines Faser-Matrix-Halbzeugs erfolgen, dessen bekanntester Vertreter ein „Prepreg“ ist.
Prepregs enthalten regelmäßig ein faserförmiges Material aus einer oder mehreren Faserarten, etwa Kohlenstoff-, Glasfaser-, Aramid-, Basalt-, Bor-, Keramik-, Kieselsäure-, Stahl-, Polyester-, Nylon-, Polyethylen-, Plexiglas-, Naturfaser und/oder einer anderen Faserart, wobei das faserförmige Material mit einem Matrixkunststoff imprägniert ist. Die Fasern des faserförmigen Materials können innerhalb des Prepreg als Endlosfasern mit einer Vorzugsrichtung (unidirektionale Schicht), als geordnete textile Fläche (z.B. Gewebe, Gewirk, Gelege, Gestrick, ...) oder als ungeordnete textile Fläche als Vlies bzw. Wirrfasermatte vorliegen.
Als Matrixkunststoffe für Prepregs werden in aller Regel Polymerwerkstoffe (auch „Harzsysteme“ genannt) verwendet, wie etwa Duroplaste (auch Duromere genannt; Kunstharze, Epoxidharze, Phenolharze, Polyesterharze), Thermoplaste oder Elastomere. Die Duroplaste und Elastomere sind im Auslieferungszustand der Prepregs noch nicht ausreagiert, also noch plastisch verformbar. Dabei sind besondere Lagerbedingungen einzuhalten, wie z.B. sehr niedrige Lagertemperaturen. Thermoplaste können bekanntermaßen durch Wärmezufuhr wiederholt in einen plastisch verformbaren Zustand versetzt werden.
Prepregs werden in aller Regel als lagen-, platten-, bändchen- oder bahnförmiges Material hergestellt, wobei bahnförmiges Material oftmals zu Rollen aufgerollt ausgeliefert wird.
Zur Herstellung eines Gegenstands oder Bauteils wird in herkömmlicher Weise von dem Prepreg ein Stück abgetrennt, das ausreichend groß ist, um eine Oberfläche eines Presswerkzeugs (Form) auszukleiden. Durch Pressen des Prepregs (oder allgemeiner ausgedrückt durch Druckeinwirkung auf das Prepreg größer dem Atmosphärendruck) in dem Presswerkzeug unter Wärmeeinwirkung kommt es zu einem Ausreagieren des duroplastischen oder elastomeren Matrixkunststoffs und zur Formgebung des Gegenstands oder Bauteils. Bei einem thermoplastischen Matrixkunststoff erhält dieser durch Wärmeeinwirkung plastische Eigenschaften und es kann durch Pressen des Prepreg unter Wärme-einwirkung und anschließendem Abkühlen des geformten Prepreg unter die Erweichungstemperatur des thermoplastischen Kunststoffs die Formgebung des Gegenstands oder Bauteils erreicht werden.
Die Anforderungen an ein Prepreg können sehr unterschiedlich sein, gerade mit Blick auf deren finale Verwendung zur Herstellung eines Spritzguss-Bauteils und/oder der Vorbereitung des Spritzgussprozesses. Insbesondere ist es ggf. wünschenswert, eine besonders gleichmäßige, vollständige und/oder intensive Anhaftung des Matrixkunststoffs an dem textilen Flächengebilde zu realisieren. Gerade unter Berücksichtigung einer kontinuierlichen Fertigung sind hierfür geeignete, kosteneffiziente und schnelle Verfahren zur Herstellung solcher Prepregs gesucht.
Eine besondere Herausforderung liegt darin, leichte Prepregs mit einerseits hohen Verformungs- und Festigkeitseigenschaften und ggf. auch mit einer gleichmäßigen Reflexionseigenschaft der Oberfläche bereitzustellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden und zudem Prepregs mit einem hohen und variablen Gebrauchswert auf einfache Weise herzustellen, wobei sichergestellt sein soll, dass die Verbundstruktur das Endprodukt über die gesamte flächige Gestaltung des Endprodukts möglichst gleichmäßig stabilisiert. Insbesondere soll eine einfache Möglichkeit zur Bereitstellung von Prepregs geschaffen werden, wobei diese in Bezug auf die Weiterverarbeitung mit derzeit am Markt verfügbaren, ggf. stark umformenden Fertigungstechnologien geeignet sind.
Diese Aufgaben werden gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere auch mit den Figuren, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an. Die in den Ansprüchen einzeln angeführten Merkmale können mit Merkmalen anderer Ansprüche und/oder der Beschreibung kombiniert werden.
Hierzu trägt ein Verfahren zur Herstellung einer Prepreg-Lage bei, welches zumindest die folgenden Schritte umfasst:

a) Bereitstellen eines Fadengebildes mit einem Flächengewicht,
b) Zugeben eines Wasser-Polyolefin-Gemisches zu dem Fadengebilde, so dass das Flächengewicht um mindestens 30 % erhöht ist,
c) Entwässern des Fadengebildes mit Wasser-Polyolefin-Gemisch,
d) Konsolidieren des Fadengebildes mit dem Polyolefin.

Die Schritte a), b) c) und d) können in der hier angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schritte teilweise zeitgleich bzw. überlagernd ausgeführt werden. Dies meint insbesondere, dass die Schritte zwar (teilweise) zeitgleich aber dennoch (räumlich) getrennt ausgeführt werden, beispielsweise wie im Rahmen einer kontinuierlichen Fertigung, wobei das (endlose) Fadengebilde nacheinander verschiedenen Stationen zur Ausführung der Schritte b), c) und d) zugeführt wird. Diese Schritte werden folglich nicht zeitgleich bei demselben Abschnitt des Fadengebildes ausgeführt.
Im Rahmen des Schritt a) können eine Vielzahl von Fäden (auch Filamente oder (Endlos-)Fasern genannt) bereitgestellt werden. Diese können einzeln, gerichtet und/oder miteinander (teilweise) im Verbund bereitgestellt werden. Alternativ oder kumulativ können auch Fadenbündel bereitgestellt werden, also (separate oder getrennte) Stränge aus einer Vielzahl von Fäden. Die Fadenbündel können als so genannte Rovings ausgebildet sein, also als (Multi)-Filamentgarn aus parallel angeordneten Fäden (oder auch Filamente genannt). Besonders bevorzugt ist, dass alle Fäden und/oder Fadenbündel im Wesentlichen zueinander unidirektional ausgerichtet bereitgestellt werden, insbesondere in Richtung einer gemeinsamen Förder- oder Transportrichtung. Die Fäden können aus mindestens einem oder mehreren der eingangs genannten faserförmigen Materialien bestehen.
Die Fäden umfassen bevorzugt Glasfaser-Bündel, insbesondere mit einem Titer im Bereich von 300 bis 1.200 tex. Die Fäden sind bevorzugt mit bzw. aus einer Vielzahl von Glasfaser-Filamenten gebildet, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und derart ein Bündel formen. Das Glasfaser-Bündel kann innenliegende Poren umfassen, die als Reservoir für die Applikation der Kunststoffmatrix dienen können.
Diese Fäden sind so zueinander angeordnet, dass diese ein (eigenständiges) Fadengebilde bereitstellen, beispielsweise nach Art eines Vlieses, Gewebes, Gestricks, Gewirks oder Geleges.
Bevorzugt ist das Fadengebilde als Gewebe ausgeführt. Das Gewebe hat bevorzugt eine regelmäßige und/oder gleichmäßige Gestalt. Gewebe kann im Wesentlichen nur mit Fäden und/oder Fadenbündeln gebildet sein. Dieses kann bahnen- und/oder plattenweise und/oder einlagig bereitgestellt sein. Das Gewebe hat ein sehr großes Verhältnis aus Oberfläche zu Materialdicke. Das Gewebe kann wickelbar und/oder stapelbar und/oder (elastisch) verformbar sein. Das Gewebe kann offen ausgeführt sein, wobei ein offenes Gewebe eine Vielzahl von (durchschaubaren) Löchern hat.
Ein offenes oder gitterartiges Fadengebilde kann Löcher mit einer Öffnungsweite im Bereich bis maximal 200 mm [Millimeter] aufweisen, wobei die Öffnungsweite besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 150 mm liegt. Als Öffnungsweite wird die maximale Ausdehnung des Loches (senkrecht zur Dicke des Fadengebildes) verstanden, bei einem viereckigen Loch beispielsweise die größte freie Diagonale. Kleine Öffnungsweiten, z.B. im Bereich von 1 bis 10 mm, sind vorzugsweise für Prozesse/Bauteile mit hohem, orientierten Fasergehalt zu erzeugen. In der Spritzgussverstärkung sind hierfür diese Lochgrößen vorteilhaft, um eine gute Einbettung in die Spritzgussmasse zu erzielen. Große Öffnungsweiten, z.B. im Bereich von 30 bis 100 mm, sind hingegen z.B. für großflächige Anwendungen mit geringerer Kraftaufnahme geeignet, z.B. im Baubereich für die Anwendung bei Dämmstoffen zur Verstärkung oder bei Mauerwerksverblendern (so genannte „Riemchen“), um damit einzelne Elemente zu größeren Matten zusammenzufassen und so das handwerkliche Arbeiten zu erleichtern. Liegt ein viereckiges Loch vor, ist für solche Anwendungen eine Kantenlänge von (maximal) ca. 100 mm bevorzugt.
Gemäß Schritt a) ist dem Fadengebilde ein vorgegebenes Flächengewicht zugeordnet. Das Flächengewicht lässt sich beispielsweise einstellen über eine geeignete Wahl des Materials und Aufbaus der Fäden sowie der Anordnung der Fäden zueinander, insbesondere auch unter Berücksichtigung der Ausführung von Löchern. Das Flächengewicht wird üblicherweise in der Einheit Gramm pro Quadratmeter [g/m²] angegeben und kann hier beispielsweise aus einem Bereich von 50 bis 500 g/m² ausgewählt bzw. eingestellt sein.
Gemäß Schritt b) erfolgt dann das Zugeben eines Wasser-Polyolefin-Gemisches zu dem Fadengebilde, so dass das Flächengewicht um mindestens 30 % erhöht ist.
Bei dem Wasser-Polyolefin-Gemisch kommt insbesondere ein Polyolefin-Copolymer zum Einsatz. Polyolefine (auch „Polyalkene“ genannt) sind Polymere, die aus Kohlenwasserstoffen der Formel C_nH_2n mit einer Doppelbindung (Ethylen, Propylen, Buten-1, Isobuten) aufgebaut sind. Polyolefine sind teilkristalline Thermoplaste. Polyolefine werden derzeit in der Regel aus Öl oder Naturgas erzeugt. Der Prozess heißt Polymerisierung, wobei kurze Ketten aus Chemikalien (Monomere) unter Verwendung eines Katalysators zu langen Ketten (Polymeren) verknüpft werden. Polyolefin-Copolymere sind somit Polyolefine, die aus zwei unterschiedlichen Arten von Monomereinheiten zusammengesetzt sind. Das eingesetzte Polyolefin wird mit einer wässrigen Lösung appliziert, beispielsweise durch Sprühen oder Tauchen. Das Zugeben des Wasser-Polyolefin-Gemisches kann besonders intensiv bzw. umfassend erfolgen, so dass das Fadengebilde vollumfänglich benetzt bzw. sogar durchtränkt ist. Dies kann durch Kapillarkräfte unterstützt werden, beispielsweise aufgrund der Auswahl der Fäden und/oder der Gestalt des Fadengebildes.
Hierbei wird die Zugabe so eingestellt, dass das Flächengewicht um mindestens 30 % erhöht wird. Das Flächengewicht nach der vordefinierten Zugabe des Wasser-Polyolefin-Gemisches kann auch als „Nass-Flächengewicht“ bezeichnet werden. Diese Erhöhung des Flächengewichts ist insbesondere unter Berücksichtigung der Aufnahmefähigkeit des Flächengebildes und/oder der Zusammensetzung des Polyolefin-Copolymers und/oder den gewünschten Eigenschaften der Prepreg-Lage einzustellen. Insbesondere wird die zusätzliche Auflage bzw. das Nass-Flächengewicht gezielt eingestellt, ggf. auch unmittelbar überwacht bzw. korrigiert. Es ist beispielsweise im Rahmen von Schritt b) möglich, dass zunächst mehr Wasser-Polyolefin-Gemisch zugegeben wird, als dies der Zielvorgabe entspricht, wobei anschließend wieder ein Teil der Auflage entfernt wird, so dass damit die Zielvorgabe eingestellt wird. Offensichtlich liegt die vorbestimmte Flächengewichtzunahme am Ende des Schrittes b) vor - eine nachträgliche Zugabe von Kunststoff erfolgt bis zum Ende von Schritt d) nicht mehr.
Nach erfolgter Zugabe des Wasser-Polyolefin-Gemischs folgt gemäß Schritt c) das Entwässern des (nassen) Fadengebildes. Das bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass der Wasseranteil bzw. das am Fadengebilde haftende Wasser entfernt wird, insbesondere verdampft wird. Das Wasser hat insbesondere die Funktion, die Polyolefin-Teilchen im bzw. am Fadengebilde gleichmäßig verteilt anzuordnen, was gerade durch dessen Fließeigenschaften unterstützt wird. Es ist also davon auszugehen, dass dies zu einem vorgegebenen Zeitpunkt zu einem akzeptablen Umfang erreicht ist und das Wasser entfernt werden kann. Um die Verteilung der Polyolefin-Teilchen im bzw. am Fadengebilde bei diesem Prozess weitgehend aufrecht zu erhalten, ist das Verdampfen des Wassers besonders vorteilhaft. Somit liegt am Ende von Schritt c) insbesondere ein (vollständig) trockenes Fadengebilde vor.
Bevorzugt ist, dass Schritt c) thermisch erfolgt, wobei eine Temperatur (des Fadengebildes samt Wasser-Polyolefin-Gemisch) im Bereich zwischen 100°C und der Schmelztemperatur des Polyolefin eingestellt wird. Schritt c) erfolgt bevorzugt mittels elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich 0,78 µm bis 100 µm [Mikrometer], insbesondere im Wellenlängenbereich 1 µm bis 10 µm bzw. mittels Infrarotstrahlung. Damit ist offensichtlich vorgegeben, die Auflage (ggf. mit dem Fadengebilde) auf eine Entwässerungstemperatur aufzuheizen, die oberhalb der Verdampfungstemperatur des Wassers aber (signifikant bzw. sicher) unterhalb der Schmelztemperatur des eingesetzten Polyolefin liegt. Mit anderen Worten bedeutet das insbesondere, dass während Schritt c) ein (signifikantes) Aufschmelzen des eingesetzten Polyolefin verhindert wird. Das thermische Entwässern kann weiter bevorzugt über einen Zeitraum von 0,2 bis 4,0 min [Minuten] vorgenommen werden. Der vordefinierte Zeitraum kann unter Berücksichtigung der zu entfernenden Wassermenge pro Quadratmeter, der Einwirkstrecke, der Heizleistung und/oder der Vorschubgeschwindigkeit des Fadengebildes eingestellt werden. Für den Fall, dass im Rahmen von Schritt a) das Fadengebilde gewebt wird, hängt die Vorschubgeschwindigkeit beispielsweise maßgeblich von der Schusseintragsleistung (ß/min) und der Schussfadendichte (ß/cm) ab, so dass die anderen Parameter darauf basierend eingestellt werden können.
Das getrocknete Fadengebilde mit dem Polyolefin wird danach in einem Schritt d) konsolidiert. Hierbei erfolgt insbesondere eine thermische Konsolidierung. Im Rahmen dieses Schrittes wird eine dauerhafte Anbindung bzw. Fixierung der Polyolefin-Teilchen miteinander und an den Fäden dadurch erreicht, dass diese an bzw. aufgeschmolzen werden und beim anschließenden Erstarren mit den Fäden bzw. miteinander verbinden. Es ist möglich, dass das Fadengebilde mit der Entwässerungstemperatur oder einer Temperatur tiefer als die Entwässerungstemperatur zu Beginn des Schrittes d) vorliegt. Schritt d) führt zu einer signifikanten, ggf. sprunghaften Anhebung der Umgebungstemperatur, wobei eine möglichst große Aufheizgeschwindigkeit des Fadengebildes mit dem Polyolefin realisierbar ist. Insbesondere findet Schritt c) in einem ersten Ofen statt, während Schritt d) in einem zweiten Ofen stattfindet, wobei das Fadengebilde bevorzugt von dem ersten Ofen direkt in den zweiten Ofen geführt bzw. bewegt wird bzw. die Öfen nahtlos ineinander übergehen oder der Ofen als solcher mit zwei unterschiedlichen Zonen ausgeführt ist.
Bevorzugt erfolgt Schritt d) thermisch, wobei eine Temperatur (des Fadengebildes samt Wasser-Polyolefin-Gemisch) im Bereich oberhalb der Schmelztemperatur des Polyolefins eingestellt wird. Das (thermische) Konsolidieren kann weiter bevorzugt über einen Zeitraum von 0,2 bis 4,0 min [Minuten] vorgenommen werden. Der vordefinierte Zeitraum kann unter Berücksichtigung der aufzuschmelzenden Polyolefinmenge pro Quadratmeter, der Heizleistung und/oder der Vorschubgeschwindigkeit des Fadengebildes eingestellt werden.
Es ist bevorzugt, dass das Flächengewicht in Schritt b) um 35 bis 65 % Gew.-% [Gewichtsprozent] erhöht wird. Bei einer 35 % Gewichtsbeaufschlagung mit Wasser-Polyolefin-Gemisch wird dem Produkt eine gerade noch ausreichende Menge an Polyolefin zugeführt, so dass sich im Endprodukt gerade noch ein günstiges Faser-Matrix-Verhältnis einstellt. Bei einer Beaufschlagung ab 35 Gew.-% ist gewährleistet, dass die Fasern im Endprodukt hinreichend mit Polyolefin-Matrix bedeckt sind, um dem Produkt eine ausreichende Dimensionsstabilität zu verleihen, damit es gut mit konventionellen Greifersystem handhabbar ist und sich somit gut automatisiert verarbeiten lässt. Außerdem gewährleistet diese hinreichende Menge an Polyolefin-Matrix gute Verbundeigenschaften bei der Weiterverarbeitung in Folgeprozessen. Oberhalb von 65 % Gewichtsbeaufschlagung mit Wasser-Polyolefin-Gemisch ist die Wirtschaftlichkeit gefährdet, weil ein deutlicher Überschuss an Polyolefin im Produkt ist, welcher mit großen Mengen eingebrachten Wassers einhergeht, das verdunstet werden muss. Da das Verdunsten von Wasser ein sehr energieintensiver Prozess ist, ist eine übermäßige Beaufschlagung des Produktes mit Wasser-Polyolefin-Gemisch aus wirtschaftlicher Sicht ungünstig.
Bevorzugt ist, wenn in Schritt b) ein Wasser-Polyolefin-Gemisch zugegeben wird, bei dem der Wasseranteil im Bereich von 40 bis 60 Gew.-% [Gewichtsprozent] beträgt. In dem hier angegebenen Bereich kann erreicht oder gewährleistet werden, dass das Gemisch langfristig stabil bleibt und es trotzdem wirtschaftlich verarbeitet werden kann Die angegeben Untergrenze von 40 Gew.-% kann beispielsweise sicherstellen, dass der beschriebene Herstellungsprozess wirtschaftlich betrieben werden kann. Bei geringeren Werten ist der Wasseranteil zu hoch, so dass übermäßig viel Energie zum Trocknen aufgewendet werden müsste. Bei deutlich höheren Polyolefin-Gewichtsanteil, z. B. bei mehr als 60 Gew.-%, kann das Gemisch instabil sein, d.h. es findet eine Phasentrennung statt, so dass sich Polyolefine und Wasser separieren, also entmischen. Eine gleichmäßige Verteilung der Polyolefine im Fadengebilde ist damit nicht mehr gewährleistet.
Das Fadengebilde wird während Schritt b) bevorzugt in dem Wasser-Polyolefin-Gemisches getränkt. So kann das Fadengebilde einem Trog zugeführt werden, beispielsweise mittels einer Rollenanordnung, so dass dieses unter eine Oberfläche des im Trog befindlichen Wasser-Polyolefin-Gemisches (so genannte „Flotte“) taucht. Im Bereich des Troges können (ferner) Rollen vorgesehen sein, über die und/oder zwischen denen das Fadengebilde geführt wird. Die Rollen können eine Rollenoberfläche aufweisen, die den Auftrag bzw. Eintrag des Wasser-Polyolefin-Gemisches hin zum Fadengebilde einstellen bzw. bewirken. Die Viskosität kann beispielsweise beim Tränken bevorzugt unterhalb von 5.000 mPas, vorzugsweise zwischen 500 und 3.000 mPas, liegen. Derart kann schnell, gleichmäßig und/oder umfassend eine Zugabe von Wasser-Polyolefin-Gemisch zum Fadengebilde erreicht werden.
Es ist möglich, dass bei oder nach diesem Tränkprozess das mit Wasser-Polyolefin-Gemisch versehene Fadengebilde einem (anschließenden) Rollenabquetschvorgang unterzogen wird. Bei einem Rollenabquetschvorgang wird das Fadengebilde zwischen zwei oder mehr Rollen bzw. Walzen hindurchgeführt, wobei durch den Druck zwischen mindestens zwei Rollen das Wasser-Polyolefin-Gemisch zwischen die einzelnen Fäden und deren Filamente hineingedrückt wird. Um das Auflagegewicht einzustellen, können die Abstände der Rollen auf einen definierten Spalt eingestellt werden oder die Rollen können aufeinander beweglich aufliegen. Die Anpassung bzw. Einstellung des Flächengewichtes kann beispielsweise durch mindestens eine der nachfolgenden Maßnahmen eingestellt werden:

- Der Anpressdruck der Rolle(n) wird variiert, beispielsweise durch Verwendung von Rollen mit höherer/niedrigerer Eigenmasse, , Variation einer externen Druckbeaufschlagung, z.B. mittels Pneumatik, o.ä..
- Der Umschlingungswinkel (Winkelbereich der Rolle, über den das Fadengebilde anliegt) wird angepasst.
- Die Rollenoberfläche(n) wird verändert, beispielsweise wahlweiser Einsatz von glatten, (stoff-)bezogenen und/oder strukturierten Rollen.
- Anpassen der Vorschubgeschwindigkeit des Fadengebildes.
- Verlängerung der Verweilstrecke unterhalb der Flottenoberfläche.

Im Rahmen des Rollenabquetschvorgangs kann das Fadengebilde auch angepflatscht und/oder foulardiert werden.
Das hier eingesetzte Polyolefin ist bevorzugt ein Copolymer ausgewählt aus folgender Gruppe: statistisches Copolymer, Gradientencopolymer, alternierendes Copolymer, Blockcopolymer, Polymergemisch, Pfropfpolymer.
Bei einem statistischen Copolymer tritt eine zufällige Verteilung von Monomeren in der Kette auf, z. B. nach der folgenden Art:

     AABBABBBBAAAABAABBBAAABBABBAAAABBBABAABBAB....

Ein Gradientcopolymer ist ähnlich einem statistischen Copolymer aufgebaut, allerdings mit einem veränderlichen Monomer-Anteil entlang der Kette, z.B. nach der folgenden Art:

     AAAAAAAAABAAABBBAAABBABBBAABBBBBBABBBBBBBB....

Bei einem alternierenden Copolymere liegt eine regelmäßige Anordnung der Monomere entlang der Kette vor, z.B. nach der folgenden Art:

     ABABABABABABABAB...

Blockcopolymere sind gekennzeichnet durch längere Blöcke bzw. Sequenzen jedes Monomeres, die sich auch wiederholen können, z.B. nach einer der folgenden Arten:

     AAAAAAAAABBBBBBBBBBBB

oder

     AAAAAAAAABBBBBBBBBBBAAAAAAAAAAAAABBBBBBBBBBB...

Gemischpolymere zeichnen sich dadurch aus, dass verschieden Polymere ohne chemisch-reaktive Verbindung der Polymere vorliegen, z.B. nach der folgenden Art:

     AAAAAAA + BBBBBBBB.

Pfropfcopolymere bestehen aus einem Gerüst, welches aus dem Polymer eines Monomers besteht, auf welches Blöcke/„Seitenarme“ eines Polymers aus einem anderen Monomer aufgepfropft sind, z. B. der folgenden Art:

In allen genannten Fällen können die Molekülketten linear oder auch (leicht) verzweigt sein.

Derart ist ermöglicht, dass polymere Werkstoffe mit weiteren Substanzen gemischt werden, welche insbesondere der Funktionalisierung (z.B. Stabilisatoren, Flammenhemmer, ...) und/oder der Kostenreduktion (Füllstoffe) dienen. Die Copolymere können so ausgewählt sein, dass unterschiedliche Eigenschaften verschiedener Kunststoffe bereitgestellt sind.

Das Polyolefin-Copolymer ist bevorzugt ein Polymergemisch (insbesondere) mit Polymeren unterschiedlicher Korngrößen und/oder Molekülkettenlängen. Es können kleinere Partikel/Moleküle besser zwischen die Fäden bzw. Einzelfilamente dringen und einen guten Verbund zwischen den Fäden herstellen. Größere Partikel/Moleküle hingegen dringen eher weniger weit ein und können so die Oberflächeneigenschaften des Prepregs beeinflussen oder einstellen, z.B. die Anbindung zu späteren Materialverbunden. Weiterhin lässt sich durch eine Mischung von Polymeren mit unterschiedlichen Schmelzpunkten der Schmelzpunkt des Gemisches auf die jeweilige Anwendung gut einstellen.

Gemäß eines weiteren Aspekts wird eine Nass-Prepreg-Lage vorgeschlagen, umfassend ein Fadengebilde, welches mit einer Wasser-Polyolefin-Gemisch benetzt ist, wobei das Wasser-Polyolefin-Gemisch 35 bis 65 % des (nassen) Lagengewichts beträgt.

Ganz besonderes bevorzugt ist die Nass-Prepreg-Lage hergestellt worden mit den Schritten a) und b) des hier vorgeschlagenen Verfahrens. Auch unabhängig davon können die angeführten Eigenschaften des „nassen“ Fadengebildes einzeln auch zur Charakterisierung der Nass-Prepreg-Lage herangezogen werden, insbesondere mit Blick auf die nachfolgende Verwendung.

Einem weiteren Aspekt folgend wird die Verwendung einer Nass-Prepreg-Lage zur thermischen Nachbehandlung und Herstellung einer Prepreg-Lage mit fester Polyolefin-Matrix vorgeschlagen.

Ganz besonderes bevorzugt ist die Nass-Prepreg-Lage geeignet zur thermischen Nachbehandlung und Herstellung einer Prepreg-Lage gemäß den Schritten c) und d) des hier vorgeschlagenen Verfahrens. Auch unabhängig davon können die angeführten Besonderheiten des Entwässerns und/oder Konsolidierens zur Charakterisierung der Nass-Prepreg-Lage herangezogen werden.

Schließlich wird auch eine Prepreg-Lage vorgeschlagen, welche mit einem hier offenbarten Verfahren hergestellt wird, wobei ein kleinster Biegeradius der Prepreg-Lage bis maximal 30 mm [Millimeter] beträgt. Als kleinster Biegeradius wird der Biegeradius verstanden, bei dem (unter normalen Raumbedingungen, insbesondere unter Raumtemperatur) gerade noch kein (signifikantes) Ablösen der Kunststoffmatrix und/oder ein Knicken der Fäden auftritt. Er liegt insbesondere im Bereich von 10 bis 20 mm (beispielsweise bei einer Gewebedicke von maximal 1,0 Millimeter). Der hier vorgeschlagene Aufbau der Prepreg-Lage erlaubt folglich überraschend kleine Biegeradien, ohne dass diese beschädigt und/oder der weitere Einsatz signifikant beeinträchtigt ist.

Die Prepreg-Lage ist insbesondere so ausgeführt, dass die Fäden in eine Polyolefin- bzw. Kunststoffmatrix eingebettet sind. Das bedeutet insbesondere, dass die Matrix im Wesentlichen die gesamten Fäden umschließt. Wenn Filamentbündel vorliegen, sind diese im Wesentlichen auch von der Matrix durchdrungen bzw. sind die Filamente selbst (weitgehend) von der Matrix umgeben. Die Matrix bildet derart insbesondere alle Oberflächen der Prepreg-Lage aus.

Ganz besonders bevorzugt ist die Prepreg-Lage mit einer Vielzahl von Löchern bzw. als (offenes) Gitter ausgeführt, und weist eine Lagendichte bis maximal 1,0 g/cm³ [Gramm pro Kubikzentimeter] auf. Die Lagendichte ist dabei insbesondere so zu bestimmen, dass das Gewicht der Lage zu messen und in Relation zu deren (Hüll-)Volumen (Länge x Breite x Dicke der Lage) zu setzen ist. Das heißt mit anderen Worten insbesondere, dass die Lagendichte dem Quotienten aus Flächengewicht der (konsolidierten) Prepreg-Lage und der Dicke der (konsolidierten) Prepreg-Lage entspricht.

Die Dicke einer Lage wird als Abstand zwischen einer Bezugsplatte, auf der die Lage aufliegt, und einem parallel angeordneten, kreisförmigen Druckstempel (bevorzugt mit einem Stempeldurchmesser von ca. 50 mm), der auf die zu messende Lage einen festgelegten Druck (bevorzugt ca. 1 kPa) ausübt, gemessen. Der Abstand zwischen Bezugsplatte und Druckstempel wird gemessen und festgehalten.

Dabei herrschen Normalklima-Bedingungen. Die Dickenmessung ist bevorzugt an verschiedenen Stellen der Lage durchzuführen und dann ein Mittelwert aus diesen Messungen zu bilden. Die Bestimmung der Dicke der Lage hat insbesondere nach DIN EN ISO 5084 zu erfolgen.

Der hier angegebene obere Grenzwert für die Lagendichte von 1,0 g/cm³ gewährleistet leichte Prepregs mit hohen Verformungs- und Festigkeitseigenschaften. Die Lagendichte kann insbesondere durch die offenere Gestalt der Fadenanordnung erreicht werden, wobei die Bereitstellung der Polyolefin-Copolymer- Kunststoffmatrix eine besondere Hafteignung für diese Fadenanordnung ermöglicht.

Bevorzugt liegt die Lagendichte in einem Bereich von 0,45 bis 0,9 g/cm³, insbesondere im Bereich von 0,55 bis 0,75 g/cm³. Der Bereich von 0,45 bis 0,9 g/cm³ wurde als besonders vorteilhaft für beispielsweise gitterartig aufgebaute Prepreg-Lagen identifiziert, wobei der Bereich 0,55 bis 0,75 g/cm³ eine dafür besonders vorteilhafte Applikationsmenge der Polyolefin-Copolymer-Kunststoffmatrix, die eine Weiterverarbeitung gerade für komplexe und hochbelastete Bauteile besonders begünstigt.

Bevorzugt ist bei der Prepreg-Lage zumindest ein leichter Glanz festzustellen, welcher insbesondere über die Konsolidierung eingestellt ist. Insbesondere weist die Prepreg-Lage keine matte, diffus reflektierende Oberfläche auf. Bei hinreichender Konsolidierung verbinden sich die Strukturmerkmale der rauen Oberfläche zu einem relativ glatten, reflektierend glänzenden Film, wobei die Struktur des Fadenmaterials die Oberflächenstruktur mit beeinflussen kann.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungen beschränkt ist. Die in den Figuren veranschaulichten Merkmale können extrahiert und ggf. mit anderen Merkmalen der Beschreibung oder weiterer Figuren kombiniert werden, soweit das nachfolgend nicht explizit ausgeschlossen wird.

Es zeigen schematisch:

1: eine Draufsicht auf eine Prepreg-Lage,
2: eine Schnittansicht auf eine Prepreg-Lage,
3: eine Übersicht über eine Ausführungsvariante des hier offenbarten Verfahrens, und
4: Ausführungsbeispiele für unterschiedliche Ausführungen des Schrittes b).

Die 1 und 2 veranschaulichen beispielhaft, dass die (fertige bzw. konsolidierte) gewebte Prepreg-Lage 1 eine Vielzahl von Fäden aufweist, welche zu einem Fadengebilde 2 (Gewebe bzw. offenen Gitter) angeordnet sind. Diese sind in eine Polyolefin-Matrix 9 eingebettet. Gleichwohl ist eine Vielzahl von Löchern 4 einer vorgegebenen Öffnungsweite 5 vorgesehen. Dabei umfasst die Polyolefin-Matrix 9 ein Polyolefin-Copolymer und die Prepreg-Lage 1 hat eine bevorzugte Lagendichte bis maximal 1,0 g/cm³. Die Lagendichte kann mittels des Hüllvolumens bestimmt werden, welches anhand einer vorgegebenen Länge 6, Breite 7 und Dicke 8 der Prepreg-Lage 1 ermittelt werden kann.

3 veranschaulicht beispielhaft und schematisch einen möglichen Herstellungsprozess für eine solche Prepreg-Lage 1, wobei hier eine kontinuierliche Fertigung von links nach rechts dargestellt ist und folgende Schritte umfasst:

a) Bereitstellen eines Fadengebildes 2 mit einem vorgegebenen Flächengewicht, hier mittels einer Webmaschine 10. Das erzeugte Fadengebilde 2 wird entlang einer vorgegebenen Vorschubrichtung 16 weiter transportiert.
b) Zugeben eines Wasser-Polyolefin-Gemisches 3 zu dem Fadengebilde 2, so dass das Flächengewicht um mindestens 30 % erhöht ist. Dieser Schritt wird hier in einem Trog 11 ausgeführt, wobei dieser insbesondere nach einer der Ausführungsvarianten aus 4 ausgeführt sein kann.
c) Entwässern des Fadengebildes 2 mit Wasser-Polyolefin-Gemisch 3, wobei dies hier in einem ersten Ofen 12 erfolgt.
d) Konsolidieren des Fadengebildes 2 mit dem Polyolefin, wobei dieses in einem zweiten Ofen 13 erfolgt.
e) Abkühlen des Fadengebildes 2 entlang einer Kühlstrecke 14.
f) Aufwickeln der Prepreg-Lage 1 in einer Wickelstation 15.

4 offenbart beispielhaft und schematisch unterschiedliche Ausführungsvarianten des Schrittes b), bei dem das Wasser-Polyolefin-Gemisch 3 zu dem Fadengebilde 2 so zugegeben wird, so dass das Flächengewicht um mindestens 30 % erhöht wird.

Es ist in verschiedenen Varianten (I) bis (V) veranschaulicht, dass das Fadengebilde 2 einem Trog 11 zugeführt wird, in dem ein Wasser-Polyolefin-Gemisch 3 bevorratet ist. In das Wasser-Polyolefin-Gemisch 3 ist stets eine (unterste) Rolle 17 eingetaucht, welche in Kontakt mit dem Fadengebilde 2 ist, wenn dieses entlang der Vorschubrichtung 16 vorbeigeführt wird. Die Rollen 17 können eine Rollenoberfläche aufweisen, die den Auftrag bzw. Eintrag des Wasser-Polyolefin-Gemisches 3 hin zum Fadengebilde 2 einstellen bzw. bewirken kann.

Wie aus den Varianten erkennbar ist, können die eingesetzten Rollen, deren Anzahl und Ausprägung und/oder der Kontaktpfad bzw. Umschlingungswinkel des Fadengebildes 2 verschieden angepasst werden, um die gewünschte Anhebung des Flächengewichts in diesem Schritt sicherzustellen. Die wesentlichen Unterschiede der in 4 veranschaulichten Varianten ergeben sich offensichtlich bei deren Betrachtung und werden hier kurz zusammengefasst:

Variante (I): Das Fadengebilde 2 wird (im Wesentlichen gerade) durch einen Spalt zwischen zwei Rollen 17 hindurchgeführt, wobei die untere Rolle nicht vollständig in dem Bad aus Wasser-Polyolefin-Gemisch 3 untergetaucht ist.
Variante (II): Das Fadengebilde 2 wird (im Wesentlichen gerade) durch einen Spalt zwischen zwei (eine obere und eine mittlere) Rollen 17 hindurchgeführt, wobei eine untere Rolle nicht vollständig in dem Bad aus Wasser-Polyolefin-Gemisch 3 untergetaucht ist. Die untere Rolle 17 übergibt einen Anteil des aufgenommenen Wasser-Polyolefin-Gemisches 3 an eine mittlere Rolle 17, die vollständig außerhalb des Bades aus Wasser-Polyolefin-Gemisch 3 positioniert ist.
Variante (III): Das Fadengebilde 2 wird unter die untere Rolle 17 geführt, die nicht vollständig in dem Bad aus Wasser-Polyolefin-Gemisch 3 untergetaucht ist. Dann wird das Fadengebilde 2 weiter um diese untere Rolle 17 und (daran anliegend) durch einen Spalt zwischen ihr und einer oberen Rolle 17 hindurchgeführt. Dann wird das Fadengebilde 2 weiter um diese obere Rolle 17 (anliegend) geführt und schließlich wieder mit der ursprünglichen Vorschubrichtung 16 abtransportiert.
Variante (IV): Hier ist die Rollen- und Führungsanordnung wie in Variante (III), allerdings ist hier noch eine dritte (oberste) Rolle 17 vorgesehen und das Fadengebilde 2 wird final durch einen Spalt zwischen den zwei oberen Rollen 17 hindurchgeführt.
Variante (V): Diese Darstellung veranschaulicht, dass zur Einstellung des gewünschten Auflagegewichts, die Abstände der Rollen auf einen definierten Spalt eingestellt werden können oder die Rollen aufeinander beweglich aufliegen. Die Einstellung des Flächengewichtes kann beispielsweise durch mindestens eine der hier angedeuteten Maßnahmen eingestellt werden: Anpassen des Anpressdruck (+p, -p, 0) hinsichtlich der Rollen 17; Anpassen des Umschlingungswinkel (+q, -q, 0); Anpassen der Vorschubgeschwindigkeit (v) des Fadengebildes 2.

Damit ist aufgezeigt, dass die hier vorgeschlagenen Lösungen die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Nachteile zumindest teilweise überwinden und zudem Prepregs mit einem hohen und variablen Gebrauchswert auf einfache Weise herzustellen sind, wobei sichergestellt werden kann, dass die Verbundstruktur das Endprodukt über die gesamte flächige Gestaltung des Endprodukts möglichst gleichmäßig stabilisiert. Insbesondere wurde eine einfache Möglichkeit zur Bereitstellung von Prepregs geschaffen, wobei diese in Bezug auf die Weiterverarbeitung mit derzeit am Markt verfügbaren, ggf. stark umformenden Fertigungstechnologien geeignet sind.

Bezugszeichenliste

1: Prepreg-Lage
2: Fadengebilde
3: Wasser-Polyolefin-Gemisch
4: Loch
5: Öffnungsweite
6: Länge
7: Breite
8: Dicke
9: Polyolefin-Matrix
10: Webmaschine
11: Trog
12: Erster Ofen
13: Zweiter Ofen
14: Kühlstrecke
15: Wickelstation
16: Vorschubrichtung
17: Rolle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 5084 [0049]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Prepreg-Lage (1), zumindest umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Fadengebildes (2) mit einem Flächengewicht, b) Zugeben eines Wasser-Polyolefin-Gemisches (3) zu dem Fadengebilde (2), so dass das Flächengewicht um mindestens 30 % erhöht ist, c) Entwässern des Fadengebildes (2) mit Wasser-Polyolefin-Gemisch (3), d) Konsolidieren des Fadengebildes (2) mit dem Polyolefin.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Schritt c) thermisch erfolgt, wobei eine Temperatur im Bereich zwischen 100°C und der Schmelztemperatur des Polyolefins eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Schritt d) eine Temperatur im Bereich oberhalb der Schmelztemperatur des Polyolefins eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Flächengewicht in Schritt b) um 35 bis 65 % erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Schritt b) ein Wasser-Polyolefin-Gemisch (3) zugegeben wird, bei dem der Wasseranteil im Bereich von 40 bis 60 % liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Fadengebilde in Schritt b) in dem Wasser-Polyolefin-Gemisch (3) getränkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Polyolefin ein Copolymer ausgewählt aus folgender Gruppe umfasst: statistisches Copolymer, Gradientencopolymer, alternierendes Copolymer, Blockcopolymer, Polymergemisch, Pfropfpolymer.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Polyolefin-Copolymer ein Polymergemisch mit Polymeren unterschiedlicher Korngrößen und/oder Molekülkettenlängen umfasst.
Nass-Prepreg-Lage, umfassend ein Fadengebilde (2), welches mit einem Wasser-Polyolefin-Gemisch (3) benetzt ist, wobei das Wasser-Polyolefin-Gemisch (3) 35 bis 65 % des Lagengewichts beträgt.
Verwendung einer Nass-Prepreg-Lage gemäß Anspruch 9 zur thermischen Nachbehandlung und Herstellung einer Prepreg-Lage (1) mit fester Polyolefin-Matrix (4).
Prepreg-Lage (1), hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei diese einen kleinsten Biegeradius bis maximal 30 mm aufweist.