DE19645697A1 - Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen für naturfaserverstärkte Verbundwerkstoffe mit gezielt anisotroper Anordnung der Verstärkungsfasern - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur lastgerichteten Anordnung endlicher Verstärkungsfasern, vorzugsweise Naturfasern, in belastungs­ optimierten Faserverbundwerkstoffen.

Die Herstellung und der Einsatz faserverstärkter Kunststoffe ist für die verschiedensten Branchen (beispielsweise Fahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau) Stand der Technik. Für diese "Werkstoffe nach Maß" werden zur Verstärkung hauptsächlich Hochleistungschemiefasern wie Glas-, Aramid- und Kohlenstoff-Faserstoffe eingesetzt. Als Kunststoffmatrix fungieren Duromere; in jüngster Vergangenheit beobachtet man verstärkt den Übergang zu recyclingfreundlicheren Thermoplasten. Um Verbundwerkstoffe mit hohen Leistungsparametern herzustellen, werden Halbzeuge so konstruiert, daß die Verstärkungsfasern in Richtung der späteren Lastaufnahmen gezielt ange­ ordnet werden. Besonders vorteilhaft für solch eine gezielte Faseranord­ nung sind die endlos vorliegenden Filamentgarne der apparativ erzeugten Verstärkungsfasermaterialien Glas, Kohlenstoff und Aramid. Diese als Gele­ ge, Geflecht, Gestrick oder Gewirke angeordneten Verstärkungsfilamente ergeben unidirektional, biaxial oder multiaxial verstärkte Produkte.

In den letzten Jahren boten sich mit den Ergebnissen verschiedenster For­ schungsprojekte attraktive Alternativen eines Einsatzes von Pflanzenfasern zur Kunststoffverstärkung an. Bisher durchgeführte und derzeit laufende Arbeiten auf dem Gebiet der nachwachsenden Rohstoffe Flachs, Nessel und Hanf befassen sich sowohl mit dem Einsatz der reinen Naturfaser als Vlies­ stoff als auch einer Stapelfasermischung in Form eines Hybridvlieses. Ins besondere im Automobilbau werden derzeit naturfaserverstärkte Verbunde auf Basis von Vliesstoffhalbzeugen großtechnisch eingesetzt. Die Faserorien­ tierung im Verbundwerkstoff ergibt sich dabei zufällig nach dem Einsatz des jeweiligen textilen Halbzeuges und entspricht nicht der Ausrichtung für eine optimale Lastaufnahme.

Um natürliche Verstärkungsfasern ebenfalls in Kunststoffteilen optimal in Lastrichtungsaufnahme anzuordnen, gibt es derzeit nur die Möglichkeit, Stapelfasergarne zu erzeugen und diese in Gewebe-, Gestrick- oder Gewir­ keform in die Kunststoffmatrix einzubetten. Dabei kann die im Stapelfaser­ garn vorliegende Faserlängsorientierung, durch textilkonstruktive und ver­ bundaufbauende Maßnahmen unterstützt, zur lastgerichteten Anordnung der Verstärkungsfasern im Verbundwerkstoff ausgenutzt werden. Aufgrund der hohen Kosten der textilen Flächenherstellung und der Einschränkungen hin­ sichtlich des Faserrohstoffes wird diese Möglichkeit industriell bisher nicht praktiziert. Die Nachteile dieser Technologien liegen:

• - in der Notwendigkeit einer sehr gut aufgeschlossenen und stark gereinig­ ten Naturfaser für die Stapelfasergarnherstellung,
• - einer Vielzahl teurer Prozeßschritte bis zum Stapelfasergarn,
• - weiterer technologischer Prozeßstufen bis zum textilen Halbzeug (Gewebe, Gewirke, Gestrick).

Die entstehenden textilen Halbzeuge sind dementsprechend teuer. Halbzeuge auf Stapelfasergarnbasis konnten sich deshalb bis heute in naturfaserver­ stärkten Kunststoffen nicht durchsetzen.

Ziel der Erfindung ist es, naturfaserverstärkte Verbundwerkstoffe mit lastorientierter Ausrichtung der Verstärkungsfaser einfach und bei uni­ versellem Naturfasereinsatz herzustellen. Die Probleme zur Herstellung von Verbundwerkstoffen mit lastorientiert ausgerichteten Naturfasern werden erfindungsgemäß derart gelöst, daß einfach herstellbare Stapelfaserbänder mit einer vorzugsweisen Längsorientierung der Verstärkungsfasern zu Halb­ zeugen mit lastorientierten Verstärkungsfaseranordnungen verarbeitet wer­ den.

Die Bänder sind einfach über die Technologien Faseraufschluß/Reinigen/Öffnen und Krempeln mit Bandablage über Kannenstock ohne hohe Anforderun­ gen an den Faserstoff herstellbar. Es lassen sich sowohl hochwertige Fa­ serqualitäten als auch verunreinigte, nur gering aufgeschlossene Naturfa­ serqualitäten (technische Fasern) und Faserabfälle einsetzen. Stapelfaser­ mischungen beliebiger Mischungsverhältnisse mit anderen Natur- oder Che­ miefasern sind unter den bekannten Voraussetzungen für Krempelverarbei­ tungen problemlos verarbeitbar. Verwendet man als Fasermischkomponente die spätere Thermoplastmatrix, entstehen flexible Halbzeuge, die sich analog der Hybridvliestechnik einfach und kostengünstig durch thermische Ausform­ prozesse zu faserverstärkten Thermoplast-Verbunden konsolidieren lassen.

Ein nach dem Krempeln durchgeführter textiler Streckprozeß erhöht die Faserparallellage und Längsausrichtung der Verstärkungsfasern im Band; die Lastaufnahmen im Verbundwerkstoff erhöhen sich dementsprechend. Sind aus Gründen einer besseren Handhabung bei der Halbzeug- und Verbundherstellung höhere Zugfestigkeiten der Bänder erforderlich, können diese auf einem Flyer drehungsverfestigt werden. Setzt man Hybridbänder mit Thermoplast­ matrix ein, ist eine Zugfestigkeitserhöhung der Bänder durch partielles Aufschmelzen des Thermoplastanteils möglich. Eine Verfestigung der Bänder mit Binder oder mittels der Umwindetechnik wäre ebenfalls praktizierbar.

Der Einsatz textiler Stapelfaserbänder rein oder als Hybridband eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten lastorientierter Halbzeuge für die Ver­ bundwerkstoffherstellung. In den folgenden Ausführungen sollen die wichtigsten kurz vorgestellt werden:

• a) Einsatz von Bändern aus 100% Naturfasern
• - Ablegen der Bänder auf ein flächiges Trägermaterial (Vliesstoff, Folie); zum Verfestigen mit dem Untergrund sind ein Vernadeln, Verkleben, Vernähen oder Verschweißen praktizierbar.
• - Ablegen der Bänder in Sandwichform zwischen flächige Trägermateria­ lien (Vliesstoffe, Folien); die Sandwichkonstruktion kann durch Ver­ nadeln, Verkleben, Vernähen oder Verschweißen stabilisiert werden.
• - Kreuzweise Ablage der Bänder und Verbindungen an den Kreuzungspunkten durch Vernadeln oder Vernähen.
• - Paralleles Ablegen der Bänder unmittelbar vor der Verbundwerkstoff­ konsolidierung in Kombination in Schichtungen mit PP-Folie.
• b) Einsatz von Mischbändern aus Naturfasern und späterer Thermoplast­ matrix, vorzugsweise PP
• - Ablegen der Bänder auf ein flächiges Trägermaterial (Vliesstoff auf 100% PP oder Hybridvlies aus Verstärkungsfasern und PP, PP-Folie); zum Verfestigen mit dem Untergrund sind ein Vernadeln oder Verschwei­ ßen vorteilhaft praktizierbar.
• - Ablegen der Bänder in Sandwichform zwischen flächige Trägermateria­ lien (Vliesstoffe, Folien); die Sandwichkonstruktion kann durch Ver­ nadeln oder Verschweißen stabilisiert werden.
• - Kreuzweise Ablage der Bänder und Verbindungen an den Kreuzungspunkten durch Vernadeln, Verschweißen (Schmelzen der Thermoplastkomponente) oder Vernähen.
• - Paralleles Ablegen der Bänder unmittelbar vor der Verbundwerkstoff­ konsolidierung.

Mittels einfacher Legevorrichtung können die flexiblen Bänder auf den flächigen Trägermaterialien oder auf Transportbändern in beliebigen Rich­ tungen, Kurven und Schichtungen entsprechend der späteren Lastaufnahmen im Verbundwerkstoff angeordnet werden. Variationsmöglichkeiten bestehen neben der Bandlegung in der Bandfeinheit, dem Fasergehalt und der Längsorien­ tierung der Verstärkungsfasern im Faserband.

Es entstehen flexible Halbzeuge, die im aufgerollten Zustand leicht transportiert werden können. In der Regel als abrollbare Bahnenware sind es ideale Vorlagematerialien für das Betreiben bekannter Verbundwerkstoff­ konsolidierungsverfahren.

Entstehende Materialanhäufungen können im Verbundwerkstoff zur Ausbildung lastaufnehmender Stege und Wülste sowie unterschiedlicher Materialstärken ausgenutzt werden.

Ausführungsbeispiel 1

Gleiche Ausgangsmaterialien, PP-Stapelfasern und Röstflachsfasern, wurden im Mischungsverhältnis 60/40 LI/PP

• a) zu einem Nadelvlies und
• b) zu einem Krempelband verarbeitet.

Beide Hybridmaterialien wurden flächig gelegt und unter analogen Bedin­ gungen zu Platten verpreßt. Folgende Eigenschaften wurden an den Verbund­ prüflingen nachgewiesen:

Es zeigte sich, daß durch den Einsatz von Faserbändern mit hoher Längs­ ausrichtung der Verstärkungsfasern die mechanischen Eigenschaften der Verbunde in dieser Beanspruchungsrichtung sehr stark verbessert werden können.

Ausführungsbeispiel 2

Gleiche Ausgangsmaterialien, PP-Stapelfasern und Röstflachsfasern, wurden im Mischungsverhältnis 60/40 LI/PP

• a) zu einem Nadelvlies,
• b) zu einem Krempelband und
• c) zu einem Streckenband mit 10fachem Verzug verarbeitet.

Alle Hybridmaterialien wurden flächig gelegt und unter analogen Bedingun­ gen zu Platten verpreßt. Folgende Eigenschaften wurden an den Verbundprüf­ lingen nachgewiesen:

Es zeigte sich, daß durch eine weitere Faserlängsorientierung im Strecken­ band die Verbundeigenschaften noch weiter erhöht werden können, so daß die mechanischen Eigenschaften an die Eigenschaften glasfaserverstärkter UD-Gelege heranreichen können.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen für naturfaserverstärkte Verbundwerkstoffe mit gezielt anisotroper Anordnung der Verstärkungs­ fasern dadurch gekennzeichnet, daß die Halbzeugteile aus Stapelfaser­ bändern mit verstärkend wirkenden Naturfasern bestehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Stapelfaser­ bänder aus bis zu 100% Naturfasern bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapelfaserbänder durch Drehungen verfestigt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapelfaserbänder thermisch verfestigt sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapelfaserbänder mit Bindemittel verfestigt sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapelfaserbänder durch Umwinden verfestigt sind.