DE10230235B4 - Semi-finished sheet material for composite materials - Google Patents
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Abstract
Vlieshalbzeug aus Naturfasern, insbesondere aus Sklerenchymfasern, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern Langfasern mit einer Länge von vorwiegend 10 bis 50 mm sind und vorwiegend gestreckt in X/Y-Richtung parallel zu den großen Oberflächen des Vlieses vorliegen und gekreuzt übereinander liegen, wobei die Bindung der Fasern durch Wasserstoffbrücken, durch das auf der Faseroberfläche vorliegende Pektin oder durch Bindefasern erfolgt.Fleece semis of natural fibers, in particular sclerenchyma fibers, characterized that the fibers are long fibers with a length of predominantly 10 to 50 mm are and predominantly stretched in the X / Y direction parallel to the huge surfaces of the nonwoven and are crossed over each other, wherein the bond the fibers by hydrogen bonding, through that on the fiber surface present pectin or by binding fibers.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Faserhalbzeug (Vlieses) aus Naturfasern, besonders Sklerenchymfasern, zur Erzeugung von Verbundwerkstoffen, deren Bestandteile einerseits Naturfasern zur Erzielung höherer Festigkeiten und Polymere (Matrixsysteme) bekannter Art, wie beispielsweise durplastische Polyesterharze, Epoxidharze oder Polyimide oder beispielsweise thermoplastisches Polypropylen sind. Neuere Entwicklungen von Harzen aus Naturrohstoffen gehören ebenfalls zu den Anwendungsbereichen.The The invention relates to a fiber semi-finished product (fleece) made of natural fibers, especially sclerenchyma fibers, for the production of composites, their Components on the one hand natural fibers to achieve higher strengths and polymers (matrix systems) of known type, such as duroplastic Polyester resins, epoxy resins or polyimides or thermoplastic, for example Polypropylene are. Recent developments of resins from natural raw materials belong also to the application areas.
Die Entwicklung von Faserverbundwerkstoffen hat bereits eine lange Entwicklung hinter sich und es werden heute vorwiegend folgende man-made Fasertypen eingesetzt: Kohlenstofffasern, Glasfasern und Synthesefasern. Diese Fasern zeichnen sich gegenüber Naturfasern durch ihre unidirektionale Ausrichtung aus, die für die Ausnutzung der Faserfestigkeiten von zentraler Bedeutung ist. Lit.: Flemmig, Ziegmann, Roth, Faserverbundbauweisen, Berlin 1995.The Development of fiber composites already has a long development behind him and today are mainly the following man-made fiber types used: carbon fibers, glass fibers and synthetic fibers. These Fibers are opposite Natural fibers characterized by their unidirectional orientation, for the exploitation the fiber tenacity is of central importance. Lit .: Flemmig, Ziegmann, Roth, fiber composite construction, Berlin 1995.
Für den Einsatz von Naturfasern spricht das geringe spezifische Gewicht, vor allem gegenüber der meisteingesetzten Glasfaser, um eine Leichtbauweise zu ermöglichen. Weiterhin ist das Recycling der mit Naturfasern erzeugten Verbundwerkstoffe ohne Probleme möglich. Da es sich bei den Naturfasern um sog. nachwachsende Rohstoffe handelt, wird umweltmäßig der CO2-Kreislauf geschlossen. Zusätzliche positive Eigenschaften der Naturfasern, wie Schalldämmung und Wärmedämmung kommen hinzu.For the use of natural fibers speaks the low specific weight, especially against the most used fiberglass, to allow a lightweight construction. Furthermore, the recycling of natural fibers produced composites without problems is possible. Since the natural fibers are so-called renewable resources, the CO 2 cycle is environmentally closed. Additional positive properties of natural fibers, such as sound insulation and thermal insulation are added.
Technologisch sind für die Verarbeitung von Flächengebilden aus man-made Fasern verschiedene Verfahren entwickelt und in Anwendung, wie Spinnvliese, Schnitzelvliese und Rovinggewebe, letztere werden von der Erfindung nicht berührt, jedoch auch genadelte Krempel-Vliese, wenn es sich um krempelfähige flexible Faser wie beispielsweise Polyesterfasern handelt. Vor allem die Schnitzelvliese erzeugen eine hohe Festigkeit auf Grund der gestreckten Faserstruktur. Ein wesentliches Merkmal dieser Flächengebilde ist vor allem die Drapierfähigkeit, das heißt die Verschiebbarkeit der Fasern gegeneinander, um sich gemeinsam mit dem Polymer dem Verformungsprozess bei der Herstellung der Verbundwerkstoffe im Pressverfahren, bei der Handlaminierung oder im sog. SMC-Verfahren anzupassen. Das SMC-Verfahren basiert auf dem Fliesverhalten eines flächigen Vorproduktes aus Fasern und Matrix. Durch hohe Drücke wird das SMC-Vorprodukt von der Mitte der Form aus über die gesamte Formfläche gleichmäßig verpresst. Das so erzeugte Verbundbauteil wird weiterverarbeitungsfertig dem Werkzeug entnommen.technological are for the processing of fabrics made of man-made fibers different processes developed and used, such as spunbonded nonwovens, Schnitzelvliese and Rovinggewebe, the latter not affected by the invention, but also needled carded webs, when it comes to carding flexible fiber such as polyester fibers. Especially the Schnitzel fleece produce a high strength due to the stretched fiber structure. An essential feature of this fabric is above all the drapability, this means the displaceability of the fibers against each other to work together with the polymer the deformation process in the production of composites in the pressing process, in hand lamination or in the so-called SMC process adapt. The SMC method is based on the flow behavior of a flat Precursor of fibers and matrix. By high pressures becomes evenly compress the SMC precursor over the entire mold surface from the center of the mold. The composite component produced in this way becomes the tool ready for further processing taken.
Die Herstellung von Schnitzelvliesen erfolgt mit man-made Fasern in der Weise, dass endlose Filamente einer Anzahl von Schneideinrichtungen zugeführt werden, die über einem umlaufenden Band in Breite des Vlieses angeordnet sind. Die Fasern werden durch geeignete Verfahren, wie zum Beispiel rotierende Scheiben über die Gesamtfläche gleichmäßig verteilt. Die Fasern werden dadurch in Kreuzlage übereinander abgelegt ohne sich untereinander zu verhaken, was für die Weiterverarbeitung wegen des Fließverhaltens beim späteren Verpressen von zentraler Bedeutung ist. Die Verbindung der Fasern erfolgt während dieses Prozesses durch geignete Bindemittel, wie beispielsweise Polyvinylalkohol. Bei anderen Verfahren werden die Fasern direkt in des Polymer eingestreut, durch pressen eingebettet, wobei dieses Polymer im sog. b-stage, also noch nicht voll ausgehärtet, gehalten wird, um im eigentlichen Verformungsprozess endgültig ausgehärtet werden zu können. Dieses Verfahren wird bei Thermoplasten in modifizierter Form angewendet.The Schnitzelvlies are made with man-made fibers in the way that endless filaments of a number of cutting devices supplied be over a circumferential band in width of the web are arranged. The Fibers are made by suitable methods, such as rotating Slices over the total area equally distributed. The fibers are thereby deposited in a cross-layer over each other without themselves to catch each other, what kind of the further processing because of the flow behavior during subsequent pressing is of central importance. The connection of the fibers occurs during this Process by suitable binders, such as polyvinyl alcohol. In other processes, the fibers are interspersed directly in the polymer, embedded by pressing, this polymer in the so-called b-stage, So not fully cured, is held to be finally cured in the actual deformation process to be able to. This process is used in thermoplastics in modified form.
Die Übertragung der o.g. Verfahren auf die Herstellung von Halbzeugen (Vliesen) aus Naturfasern ist auf Grund der Eigenschaften der Naturfasern nicht ohne weiteres möglich. Die Naturfasern sind endlich, liegen als Rohprodukt im allgemeinen in gekräuselter, wirrer, ungeordneter Form vor und sind wegen ihres spezifischen Gewichtes und wegen ihrer durch die Kräuselung und Faserform bedingten Verhakung untereinander nicht rieselfähig. Um die Drapierfähigkeit zu erreichen, dürfen die Fasern nicht untereinander verhakt sein, zum anderen müssen sie in Kreuzlage gestreckt ausgerichtet sein, um die Kräfte, die auf den Verbund wirken, sofort aufnehmen zu können.The transfer the o.g. Process for the production of semi-finished products (nonwovens) made of natural fibers is not due to the properties of natural fibers readily possible. The natural fibers are finite, are generally available as a crude product in ruffled, of a confused, disordered form and are because of their specific Weight and because of their due to the crimp and fiber shape Interlocking with each other not free-flowing. To the drape ability to reach the fibers should not be entangled with each other, on the other hand they must be aligned in a cross position to the forces that to act on the network, to be able to record immediately.
Halbzeuge
(Vliese) aus Naturfasern werden auf Grund der Fasereigenschaften
heute auf textilen Krempeln bzw. Karden, hergestellt. Das Produkt
ist ein Flächengebilde,
bei dem die Fasern in Wirrlage in x-, y- und z-Richtung angeordnet
sind (
Im
Gegensatz zum Handlaminieren und zur SMC-Technik mit Duroplasten
verwendet man zur Verfestigung von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen
entweder schmelzbare Fasern (Gebrauchsmuster
Ein
nach
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren
zur Erzeugung eines Halbzeuges, Vlieses, aus Naturfasern (besonders Sklerenchymfasern,
wie z.B. Hanf und Flachs) zur Verfügung zu stellen. Das Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern gestreckt oder zumindest
weitgehend gestreckt im Bereich der x/y-Achse (
Die
für den
Vliesherstellungsprozess verwendeten Naturfasern weisen eine Länge auf,
die das Verhaken der Fasern untereinander vermeidet und die Länge so festgelegt
ist, dass es sieh um quasi gestreckte Faserteilstücke handelt.
Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass man über eine
Krempel oder Karde ein Faserband bildet, das auf Länge geschnitten
wird. Die Abschnittslänge
beträgt
10 ... 50 mm, vorzugsweise 10 ... 25 mm. Ein anderes Verfahren ist
beispielsweise das Reißen
auf einem Reißkonverter.
Ein weiteres Verfahren, kurze Fasern, d.h. Elementarfasern, zu erzeugen,
besteht beispielsweise in der Anwendung des chemischen Aufschlussverfahrens
nach
Die Herstellung des Vlieses erfolgt im Nassprozess auf einer Papiermaschine, vorzugsweise auf einer papiermaschinenähnlichen Schrägsiebanlage. Auf Grund der angestrebten Faserlänge muss die Stoffaufbereitung in einer sehr hohen Verdünnung vorgenommen werden, damit die Faser möglichst vereinzelt vor dem eigentlichen Stoffauflauf auf das Papiermaschinensieb im Schwebezustand in der Bütte vorliegt. Das Faser/Wasserverhältnis beträgt 1 ... 3 g/l, vorzugsweise 1 g/l.The Production of the fleece takes place in the wet process on a paper machine, preferably on a paper machine-like Schrägsiebanlage. On Reason for the desired fiber length the stock preparation must be made in a very high dilution so as to separate the fiber as much as possible before the headbox on the paper machine screen in Limbo in the chest is present. The fiber / water ratio is 1 to 3 g / l, preferably 1 g / l.
Das hergestellte Vlies ist dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern zwischen Stoffaufbereitung und Stoffauflauf so im Schwebezustand gehalten werden, dass sie sich schichtweise konstant aufbauend in x/y-Richtung auf dem Sieb ablegen. Durch die Regulierung der Strömungsverhältnisse ist eine gezielte Ablage in x- oder y-Richtung möglich. Das Vlies ist dadurch gekennzeichnet, dass sich keine oder fast keine Fasern in z-Richtung befinden.The manufactured fleece is characterized in that the fibers between Stock preparation and headbox held in suspension be that they build up in layers in the x / y direction put on the sieve. By regulating the flow conditions is a targeted storage in the x or y direction possible. The fleece is through characterized in that there are no or almost no fibers in the z-direction are located.
Der mit dem erfindungsgemäß erzeugten Naturfaser-Vlies hergestellte Verbundwerkstoff hat eine höhere Festigkeiten als Verbundwerkstoffe mit trocken hergestellten Vliesen über Krempel oder Karden. Beispielsweise bei einem Fasergehalt von 50% wird bei dem erfindungsgemäß hergestellten Verbundwerkstoff ein Biege-E-Modul (N/qmm) von 9000 in x/y-Richtung erreicht, bei einem vergleichbaren Verbundwerkstoff mit Trockenvlies in x-Richtung 7500, in y-Richtung 4500.The composite material produced with the natural fiber fleece produced according to the invention has a higher strength than composite materials with dry-produced nonwovens via carding or carding. For example, with a fiber content of 50% in the composite material according to the invention is a bending modulus (N / mmmm) of 9000th achieved in the x / y direction, in a comparable composite material with dry nonwoven in the x direction 7500, in the y direction 4500.
Das erfindungsgemäß hergestellte Vlies ist für gleiche Verarbeitungsverfahren zur Herstellung von Formteilen geeignet ist wie für Verbundwerkstoffe mit man-made Fasern.The produced according to the invention Fleece is for same processing method suitable for the production of moldings is like for Composite materials with man-made fibers.
Beispiel 1example 1
- Nassvlies-Schrägsieb-Laboranlage der Fa. PILL Nassvliestechnik, GmbH, Reutlingen Arbeitsbreite 300 mm, ausgerüstet mit Stoffaufbereitung und ZylindertrocknerWetlaid inclined wire laboratory facility the company PILL Nassvliestechnik, GmbH, Reutlingen working width 300 mm, equipped with stock preparation and cylinder dryer
- Material Flachs Hechelwerg KB der Fa. Castellins N.V., Moorsele/Belgien, geschnitten 15 mm 83,5%, 25 mm 10%, 10 mm 5%, PVAL 1,5% (wasserlöslich)Material Flax Hechelwerg KB of the company Castellins N.V., Moorsele / Belgium, cut 15 mm 83.5%, 25 mm 10%, 10 mm 5%, PVAL 1.5% (water-soluble)
- Flottenverhältnis Fasern 1 g/l, Trocknertemperatur 140°Cliquor ratio Fibers 1 g / l, drying temperature 140 ° C
Das hergestellte Vlies zeigte für das Handlaminierverfahren geeignete Drapier- und Zupffähigkeit.The produced fleece showed for the hand lamination method suitable draping and plucking ability.
Beispiel 2Example 2
- Nassvlies-Schrägsieb-Laboranlage der Fa. PILL Nassvliestechnik, GmbH, Reutlingen Arbeitsbreite 300 mm, ausgerüstet mit Stoffaufbereitung und ZylindertrocknerWetlaid inclined wire laboratory facility the company PILL Nassvliestechnik, GmbH, Reutlingen working width 300 mm, equipped with stock preparation and cylinder dryer
- Material Flachs Hechelwerg KB der Fa. Castellins N.V., Moorsele/Belgien, geschnitten 15 mm 85%, 25 mm 10%, 10 mm 5%Material Flax Hechelwerg KB of the company Castellins N.V., Moorsele / Belgium, cut 15 mm 85%, 25 mm 10%, 10 mm 5%
- Flottenverhältnis Fasern 1 g/l, Trocknertemperatur 140°Cliquor ratio Fibers 1 g / l, drying temperature 140 ° C
Die Vliesverfestigung erfolgte durch das wasserlösliche Pektin auf den Fasern.The Nonwoven bonding was carried out by the water-soluble pectin on the fibers.
Das hergestellte Vlies zeigte für das Pressverfahren geeignete Drapierfähigkeit.The produced fleece showed for the pressing method suitable drapability.
Beispiel 3Example 3
- Nassvlies-Schrägsieb-Laboranlage der Fa. PILL Nassvliestechnik, GmbH, Reutlingen Arbeitsbreite 300 mm, ausgerüstet mit Stoffaufbereitung und ZylindertrocknerWetlaid inclined wire laboratory facility the company PILL Nassvliestechnik, GmbH, Reutlingen working width 300 mm, equipped with stock preparation and cylinder dryer
- Material Flachs Hechelwerg KB der Fa. Castellins N. V., Moorsele/Belgien, geschnitten 15 mm 80%, 25 mm 10%, 10 mm 5% und 5% Kohlenstofffaser Material Flax Hechelwerg KB of the company Castellins N.V., Moorsele / Belgium, cut 15 mm 80%, 25 mm 10%, 10 mm 5% and 5% carbon fiber
- Flottenverhältnis Fasern 1 g/l, Trocknertemperatur 140°Cliquor ratio Fibers 1 g / l, drying temperature 140 ° C
Die Vliesverfestigung erfolgte durch das wasserlösliche Pektin auf den Fasern.The Nonwoven bonding was carried out by the water-soluble pectin on the fibers.
Das hergestellte Vlies zeigte für das Pressverfahren geeignete Drapierfähigkeit. Die Zugabe von Kohlenstofffasern erhöhte die Schlagbiegezähigkeit um 30%.The produced fleece showed for the pressing method suitable drapability. The addition of carbon fibers increased the impact resistance by 30%.
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