DE19734417C1

DE19734417C1 - Verfahren zum Herstellen von Prepregs

Info

Publication number: DE19734417C1
Application number: DE19734417A
Authority: DE
Inventors: Christoph Mayer; Hubert Stadtfeld
Original assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Current assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Priority date: 1997-08-08
Filing date: 1997-08-08
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2017-08-09

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von Prepregs in Form eines hochfesten und temperaturbeständigen Verbundes aus einer Verstärkungseinlage aus Kohlenstoffasern und einer hochtemperaturbeständigen, teilkristallinen oder amorphen thermoplastischen Matrix gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Faser-Kunststoff-Verbunde aus Kohlenstoffasern und thermoplastischer Hochtemperatur-Matrix werden aufgrund ihrer hervorragenden Chemikalienbeständigkeit, hohen Dauergebrauchstemperatur bis zu 200°C und ihrer sehr guten mechanischen und tribologischen Eigenschaften im Maschinen- und Anlagenbau sowie in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Gegenüber vergleichbaren Faserverbundwerkstoffen auf Epoxidharzbasis zeichnen sie sich darüber hinaus durch eine höhere Bruchzähigkeit, besseres Verschleißverhalten, Wiederaufschmelzbarkeit und Verschweißbarkeit aus. Sie eignen sich deshalb für automatisierte Prozesse, die durch die Prozeßschritte Aufheizen der thermoplastischen Matrix, Formgebung und Abkühlung unter Druck charakterisiert sind.

Die Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffs werden wesentlich durch die Art der Verstärkungseinlage bestimmt. Eine unidirektionale Verstärkungseinlage, z. B. in Form von Fäden, Rovings oder Garnen, ergibt hohe Steifigkeits- und Festigkeitswerte, wenn die Belastung in Faserrichtung erfolgt. Werden als Verstärkungseinlage Flächengebilde verwendet, z. B. Gewebe oder Gelege, so ergeben sich Vorteile bei der Schlagfestigkeit und bei der Verarbeitung zu flächigen Strukturen.

Handelsüblich sind Faserverbundwerkstoffe aus Kohlenstoffasern und Polyetheretherketonen in Form von unidirektional verstärkten oder auch verwebten Bändchen. Bereits Ende der 80er-Jahre wurde Entwicklungen zur Herstellung von Geweben aus Garnen, die Filamente aus Kohlenstoff und aus Faserverbundwerkstoff enthalten, sogenannte Commingled-Gewebe, oder auch zur Herstellung von Geweben, bei denen Garne aus Kohlenstoff-Filamenten und Faserverbundwerkstoff-Filamenten wechselweise verwebt sind, sogenannte Misch- oder Hybridgewebe, abgeschlossen.

Das physikalische Verhalten von Faserverbundwerkstoffen wird bestimmt sowohl aus den Eigenschaften der Fasern und der Matrix als auch durch die Interaktion zwischen Faser und Matrix an ihrer Grenzfläche. Für eine optimale Ausnutzung der Werkstoffeigenschaften hinsichtlich Steifigkeit, Festigkeit, Bruchzähigkeit und Beständigkeit gegen korrossive Medien ist eine vollständige Benetzung der Faseroberflächen mit thermoplastischem Kunststoff und eine optimale Haftung des Kunststoffs an der Faseroberfläche von entscheidender Bedeutung. Die Benetzung der Faseroberflächen mit der thermoplastischen Matrix und die Adhäsion der thermoplastischen Matrix an der Faseroberfläche werden mit einer Schlichte kontrolliert, die üblicherweise mit einem Gewichtsanteil von weniger als 2 Gew.-% als Dünnschicht mit einer Dicke von weniger als 0,1 µm auf der Faseroberfläche zu finden ist.

Auch die Herstellung der Verstärkungseinlagen selbst beeinflußt die Qualität der Faseroberflächen. Die Herstellung der Verstärkungseinlagen erfolgt auf Textilmaschinen. Dabei werden die Kohlenstoff-Filamente zu Fäden gesponnen, zu Rovings oder Garnen gebündelt, auf Webmaschinen zu Geweben, auf Wirkmaschinen zu Gewirken und auf Legemaschinen zu Vliesen oder Gelegen verarbeitet. Die hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten dieser Textilmaschinen führen zu einer hohen Beanspruchung der Fäden infolge Reibung zwischen der Fadenoberfläche und den metallischen Führungskomponenten der Textilmaschine, die bis zum Bruch einzelner Filamente oder des kompletten Fadens führen kann, so daß sich die mechanischen Eigenschaften der Verstärkungseinlage entsprechend verringern. Deshalb wird zum Schutz der Filamente und zur Verringerung der Reibung und des Verschleißes die Faseroberfläche mit einer Schlichte ausgerüstet, die sowohl die Verarbeitbarkeit auf den Textilmaschinen verbessern und gleichzeitig die Benetzung und Adhäsion der thermoplastischen Matrix ermöglichen soll.

Diese Schlichten bestehen in der Regel aus einer Vielzahl von Komponenten. Dazu gehören Filmbildner, Haftvermittler, Gleitmittel, Antistatika, Weichmacher und Emulgatoren.

Als Filmbildner werden bevorzugt Polyurethane eingesetzt, die sich in der Regel schon beim Temperaturen über 180°C thermisch zersetzen. Als Haftvermittler werden Triethoxisilane und/oder Trimethoxisilane mit Vinyl-, Methacryloxipropyl-, Aminopropyl- und/oder Epoxidgruppen wegen ihrer guten Haftung zu thermoplastischen Kunststoffen bevorzugt. Diese Silane zeigen in thermogravimetrischen Messungen in inerter Atmosphäre bei Temperaturen zwischen 270 und 300°C Zersetzungserscheinungen, wobei in Luftatmosphäre der thermische Abbau schon bei deutlich niedrigeren Temperaturen festzustellen ist. Damit sind die bevorzugten Silane für eine Verwendung mit thermoplastischen Kunststoffen, deren Schmelz- bzw. Verarbeitungstemperatur über 300°C liegt, ungeeignet, da flüchtige Bestandteile eine Imprägnierung der Faserbündel erschweren und Abbauprodukte zu Schädigungen des Thermoplasten an der Grenzfläche zur Verstärkungsfaser führen können.

Für Hochtemperatur-Thermoplaste werden deshalb trotz der problematischen Verarbeitung auf Textilmaschinen ungeschlichtete Kohlenstoffasern eingesetzt. Diese werden zur Bildung reaktiver Gruppen auf der nach dem Spinnprozeß inerten Faser-Oberfläche durch elektrolytische Oxidation behandelt. So werden z. B. zur Herstellung von Kohlenstoffaser-verstärktem Polyetheretherketon mit einer Schmelztemperatur von 334°C ungeschlichtete und elektrolytisch oxidierte Hochtemperatur-Kohlenstoffasern mit einem Elastizitätsmodul von 230 GPa bei einer Zugfestigkeit im Bereich von 3600 MPa eingesetzt. Diese Fasern lassen sich jedoch aufgrund fehlender Schlichte nicht oder nur äußerst aufwendig zu flächigen Verstärkungseinlagen verarbeiten und sind im Vergleich zu geschlichteten Hochtemperatur-Kohlenstoffasern mit vergleichbaren Eigenschaften deutlich teurer.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kontinuierliches Verfahren zu entwickeln, das die Verwendung beschlichteter Verstärkungseinlagen aus Kohlenstoffasern in Verbindung mit Hochtemperatur-Thermoplasten zur Herstellung von Prepregs ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Dank des erfindungsgemäßen Verfahrens können beschlichtete und daher auf den handelsüblichen Textilmaschinen verarbeitete, unbeschädigte, preiswerte Verstärkungseinlagen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften verwendet werde. Diese werden unmittelbar vor dem Auftrag der thermoplastischen Matrix thermisch und im Durchlaufverfahren entschlichtet.

Vorzugsweise erfolgt das Erhitzen der Verstärkungseinlage mittels Infrarot-Strahlung. Diese Art der Erwärmung hat sich als optimal herausgestellt.

Um eine einwandfreie Benetzung und Haftung zu erzielen, sollte der Restschlichtegehalt unter 10%, vorzugsweise unter 5% des Anteils der nicht entschlichteten Fasern gesenkt werden.

In einer bevorzugten Verfahrensform erfolgt die Beschichtung der unmittelbar zuvor entschlichteten Verstärkungseinlage in einer Pulverimprägnieranlage, die thermoplastische oder duromere Kunststoffe in Form von Pulvern mit einer definierten Schichtdicke auftragen kann. Ein solches Verfahren ist in der DE-A 35 46 151 beschrieben. Dabei sollte so viel Pulver aufgestreut werden, daß sich ein Faservolumengehalt zwischen 30% und 70%, vorzugsweise zwischen 40% und 65%, einstellt.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung liegt die Verarbeitungstemperatur zwischen 300 und 400°C. Die exakten Werte richten sich nach dem verwendeten Kunststoff.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Verstärkungseinlage von der Rolle abgerollt und nach der Bearbeitung, d. h. der Imprägnierung mit Kunststoff, wieder aufgerollt. Dabei empfiehlt es sich, das Entschlichten und das Aufbringen der Matrix auf beiden Seiten der Verstärkungseinlage nacheinander durchzuführen.

Wie Versuche gezeigt haben, eignen sich als Matrix Thermoplaste aus der Gruppe der Polyetheretherketone, Polyetherketonketone, Polyacryletherketone, Polyetherimide, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyphenylensulfide.

Ebenfalls durch Versuche wurde gefunden, daß für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Schlichten geeignet sind, die Silane, vorzugsweise Triethoxisilan und/oder Trimethoxisilan, mit Vinyl-, Methacryloxipropyl-, Aminopropyl- und/oder Expoxidgruppen als Haftvermittler enthalten.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für die Vorgehensweise beim kontinuierlichen Entschlichten und anschließenden Beschichten,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für die Vorgehensweise beim kontinuierlichen Entschlichten und anschließenden Beschichten.

Anhand der Fig. 1 soll ein erstes Ausführungsbeispiel eines kontinuierlichen Verfahrens zum Herstellen von Prepregs in Form eines hochfesten und temperaturbeständigen Verbundes aus einer Verstärkungseinlage aus Kohlenstoffasern und einer hochtemperaturbeständigen, teilkristallinen oder amorphen thermoplastischen Matrix erläutert werden. Von einer Abwickelstation 1 wird ein Gewebe 2 aus Kohlenstoffasern mit einem Flächengewicht zwischen 120 und 680 g/m², bevorzugt zwischen 200 und 400 g/m², kontinuierlich abgezogen. Beim Durchlauf durch ein Infrarot-Strahlerfeld 3 wird das Gewebe 2 bei Temperaturen über 300°C, bevorzugt 350 bis 400°C, und bei Verarbeitungsgeschwindigkeiten zwischen 1 und 15 m/min thermisch entschlichtet. Dabei sollte der Gehalt an Restschlichte unter 10, bevorzugt unter 5% des Anteils der nicht entschlichteten Kohlenstoffasern gedrückt werden. Anschließend wird über eine Streuvorrichtung 4 ein teilkristalliner thermoplastischer Kunststoff mit einer Schmelztemperatur von über 300°C oder ein amorpher thermoplastischer Kunststoff mit einer Verarbeitungstemperatur von über 300°C in Form eines Pulvers aufgestreut. Die aufzustreuende Menge an Thermoplastpulver 5 wird so gewählt, daß sich nach der Beschichtung lokal ein Faservolumengehalt zwischen 30 und 70%, bevorzugt zwischen 40 und 65%, einstellt.

Nach dem Aufstreuen dieser Pulverlage definierter Dicke wird das thermoplastische Material in einem zweiten Infrarot-Strahlerfeld 6 über die Schmelz- bzw. Verarbeitungstemperatur erwärmt, so daß der Thermoplast die Oberfläche des Kohlenstoffgewebes 2 benetzt. Nach dem Verlassen des Strahlerfeldes 6 kühlt der Thermoplast auf eine Temperatur unterhalb seiner Rekristallisations- bzw. Glasübergangstemperatur ab und wird auf einer zweiten Wickelstation 7 aufgerollt.

Anhand der Fig. 2 soll ein weiteres Verfahrensbeispiel erläutert werden. Von einer ersten Wickelstation 8 wird ein Gewebe 9 aus beschlichteten Kohlenstoffasern abgezogen. Über eine Streuvorrichtung 10 wird ein teilkristalliner oder amorpher thermoplastischer Kunststoff als Schicht 12 definierter Dicke aufgestreut. Gewebe 9 und Pulverschicht 12 werden kontinuierlich bei Verarbeitungsgeschwindigkeiten zwischen 1 und 15 m/min durch ein Infrarot-Strahlerfeld 11 gefördert und auf Temperaturen über 300°C, bevorzugt 350 bis 400°C erhitzt. Dabei sind Verarbeitungsgeschwindigkeit und Prozeßtemperatur so zu wählen, daß zunächst das Gewebe 9 auf unter 10%, vorzugsweise unter 5% Gewichtsanteil Restschlichte thermisch entschlichtet wird und daß erst dann der thermoplastische Kunststoff 12 in eine schmelzflüssige Phase überführt wird. Nach dem Verlassen des Strahlerfeldes 11 kühlt sich der Thermoplast auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisations- bzw. Glasübergangstemperatur ab und der Verbund kann auf einer zweiten Wickelstation 13 aufgerollt werden.

Da die Verstärkungseinlagen 2, 9 nach den beschriebenen Verfahrensschritten nur einseitig pulverimprägniert sind, werden die Bahnen umgedreht und unter Anwendung der schon beschriebenen Verfahrensschritte auch die bisher unbeschichtete Seite mit thermoplastischer Matrix belegt.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Prepregs in Form eines hochfesten und temperaturbeständigen Verbundes aus einer Verstärkungseinlage (2) aus Kohlenstoffasern und einer hochtemperaturbeständigen, teilkristallinen oder amorphen thermoplastischen Matrix, umfassend die Schritte

1. Ausrüsten der Fasern mit einer Schlichte,
2. Herstellen der flächigen oder nichtflächigen Verstärkungseinlage (2) in Form eines Fadens, Rovings, Garnes, Gewebes, Gewirkes, Vlieses oder Geleges,
3. Entschlichten der Verstärkungseinlage (2),
4. Aufbringen der Matrix,
5. Aufschmelzen der Matrix
6. und Abkühlen des Verbundes

gekennzeichnet durch die Merkmale:

1. zum Entschlichten der Verstärkungseinlage (2) wird diese auf Temperaturen gleich/größer 300°C erhitzt,
2. bei dem oder unmittelbar nach dem Entschlichten wird die thermoplastische Matrix aufgebracht und aufgeschmolzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Merkmal:

1. das Erhitzen der Verstärkungseinlage (2) erfolgt mittels IR-Strahlung.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Merkmal:

1. der Restschlichtegehalt wird unter 10%, bevorzugt unter 5% des Anteils der nicht entschlichteten Fasern gesenkt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch das Merkmal:

1. die Matrix wird als Pulver aufgestreut.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch das Merkmal:

1. es wird so viel Kunststoff aufgetragen, daß sich ein Faservolumengehalt zwischen 30% und 70%, vorzugsweise zwischen 40% und 65%, einstellt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch das Merkmal:

1. die Verarbeitungstemperatur liegt zwischen 300 und 400°C.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch das Merkmal:

1. beim Einsatz einer Pulverimprägnieranlage zur Herstellung von Prepregs wird die Verarbeitungsgeschwindigkeit zwischen 1 und 15 m/min eingestellt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch das Merkmal:

1. die Verstärkungseinlage (2) wird von einer Rolle abgerollt und nach der Bearbeitung wieder aufgerollt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch das Merkmal:

1. das Entschlichten und das Aufbringen der Matrix wird nacheinander auf beiden Seiten der Verstärkungseinlage (2) durchgeführt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch das Merkmal:

1. als Matrix wird ein Thermoplast aus der Gruppe Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketonketon, Polyacryletherketon, Polyetherimid, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyphenylensulfid verwendet.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch das Merkmal:

1. die Kohlenstoffasern werden mit Schlichten ausgerüstet, die Silane, vorzugsweise Triethoxisilan und/oder Trimethoxisilan, mit Vinyl-, Methacryloxipropyl-, Aminopropyl- und/oder Epoxidgruppen als Haftvermittler enthalten.