DE19743545A1 - Verfahren zur Verarbeitung von Prepreg-Verschnittresten - Google Patents
Verfahren zur Verarbeitung von Prepreg-VerschnittrestenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung von Prepreg-Verschnittresten.
Hochleistungsverbundwerkstoffe wie kohlenstoffaserverstärkter Kunststoff (CFK) werden
vornehmlich im Luftfahrtbereich eingesetzt, wo eine hohe mechanische Belastbarkeit bei
gleichzeitig niedrigem Gewicht gefordert ist. Die Fertigung von Bauteilen aus CFK erfolgt
zumeist unter Verwendung von Prepregs. Diese "pre-impregnated tapes" sind mit
unausgehärtetem duroplastischem Harz imprägnierte Kohlenstoffasern. Das weiche und
klebrige Material ist mit Schutzfolien versehen. Bei der Fertigung werden diese Folien
abgezogen, die Prepregs zugeschnitten und in eine Form gebracht. In einem Autoklaven
entstehen dann durch Aushärtung die Formteile. Die dabei anfallenden Verschnittreste werden
nachträglich im Autoklaven ausgehärtet und anschließend zu sehr feinem Pulver vermahlen.
Dieses Pulver läßt sich bei der Kunststoffgranulatherstellung als Füllmaterial zusetzen. Auf
diese Weise wird die gesamte Wertschöpfung des Prepreg-Materials vernichtet. Außerdem
bereitet es Schwierigkeiten, das Pulver am Markt abzusetzen und insofern ist oft nur die
Deponierung des Pulvers möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verarbeitung von Prepreg-
Verschnittresten anzugeben, das die Struktur des Prepreg-Materials weitgehend erhält und
somit einen weiteren Einsatz des Materials ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Die
Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Mit dem im Anspruch 1 angegebenen Verfahren ist es möglich, Prepreg-Verschnitte (ohne
Folie) zu zerkleinern und zu einer homogenen Masse zu verarbeiten. Dies geschieht unter
größtmöglicher Beibehaltung der für Verbundwerkstoffe typischen, guten gewichtsspezifischen
mechanischen Eigenschaften. Dazu werden die in Stücke geschnittenen Prepeg-Reste in
einer abgekühlten Schneidmühle zerkleinert und anschließend gezielt zu Formteilen
verarbeitet. Die Kühlung der Schneidmühle bewirkt, daß das Harz hart und spröde wird und
daß jegliche Reibungswärme über das Kühlmittel sofort abgeleitet wird. Auf diese Weise
können die Reste zerkleinert werden, ohne daß eine Erwärmung des Materials und die damit
einhergehende Vorhärtung des Matrixpolymeren stattfinden, was zur Folge hat, daß das
Rezyklat nicht sofort weiterverarbeitet werden muß, sondern sich auch länger und
qualtiätsgesichert zwischenlagern läßt. Um die Verarbeitbarkeit der Prepreg-Reste zu
gewährleisten, sind Temperaturen von ca. 20°C unterhalb der Glastemperatur des
unausgehärteten Harzes beim Schneiden ausreichend. Vorteilhaft ist, wenn die Schneidmühle
mit flüssigem Stickstoff abgekühlt wird. Der Einsatz dieses Mediums, das ein wesentlich
höheres Kühlvermögen aufweist (bis minus 196°C) als für das Verfahren benötigt wird,
ermöglicht es, den Bedarf an Kühlmittel niedrig zu halten. Nach dem Zerkleinerungsprozeß in
der Schneidmühle liegt das Rezyklat in Form einer baumwollartigen Wirrfaserstruktur vor. Die
so entstandene, neuartige dreidimensionale Verstärkung des Rezyklates ist insbesondere für
den Einsatz von biegebelasteten Komponenten wichtig. Das die Schneidmühle verlassende
Rezyklat wird auf einen Träger abgelegt.
Das auf dem Träger abgelegte Rezyklat kann entweder in einem Preßverfahren, in dem
Rezyklat-Stücke verpreßt werden oder in einem Preß- oder Autoklavverfahren in dem die
Rezyklat-Stücke, die auf einer Klebefolie abgelegt sind, mit dieser zusammen verarbeitet
werden.
Durch den Zusatz von weiteren Stoffen zum Rezyklat können vorteilhafte Eigenschaften
desselben erreicht werden:
- - Durch Zugabe von keramischen Pulvern werden gute Abriebeigenschaften bei Verschleißbeanspruchung erzeugt.
- - Durch Zugabe von aufschäumbarem Polymer wird ein äußerst leistungsfähiger, weil dreidimensional verstärkter Schaum erzeugt.
- - Durch Zugabe von zusätzlichem Harz wird der Einfluß auf die Porösität und die Dichte des resultierenden Werkstoffes genommen.
Das Verfahren wird anhand der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele näher
erläutert:
Die von den beiden Trägerfolien befreiten Prepreg-Abfälle wurden auf handliche Stücke
zurechtgeschnitten und einer Schneidmühle zugeführt. Auf eine Vorkühlung der Prepregs
wurde aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Materials verzichtet. Es wurde eine
modifizierte, mit Stickstoff abkühlbare Schneidmühle verwendet. In den Siebkorb der
Schneidmühle wurde ein Rundlochsieb (Lochdurchmesser 10 mm) eingesetzt. Unter dem
Siebauslaß wurde eine Kunststoffolie ausgelegt, um das Rezyklat definiert und flächig
aufzufangen. Die Prepreg-Stücke wurden in die abgekühlte Mühle gegeben, versprödeten
innerhalb kürzester Zeit und konnten so definiert zerkleinert werden. Da die zerkleinerten
Fasern sehr leicht sind, flogen sie, getrieben vom durch den Schneidrotor und den
verdampfenden Stickstoff erzeugten Luftstrom, durch den Siebauslaß auf die kontinuierlich
verschiebbare Trägerfolie. Die Faserlängenverteilung hängt vom Lochdurchmesser des
Siebes ab. Eine Faserlängenverteilung bei Verwendung eines Siebes mit einem
Lochdurchmesser von 10 mm ist in Fig. 1 dargestellt. Aufgrund der Kühlung von nur 20°C
unterhalb der Glastemperatur des unausgehärteten Harzes (in diesem Fall -35°C) wird der
Harzverlust niedrig gehalten und betrug nur zwei Gewichtsprozent. Die Fasern blieben nahezu
vollständig mit dem Matrixpolymeren imprägniert, was der Fig. 2, einer rasterelektronischen
Aufnahme des geschnittenen Materials, deutlich entnehmbar ist. Das in der Schneidmühle
zerkleinerte Rezyklat wurde anschließend in einer Presse weiterverarbeitet. Es konnten durch
Verpressen des Rezyklates in einem entsprechendem Gesenk Platten in Dicken von 3 bis 25 mm
hergestellt werden. Ein Gesenk zur Herstellung dünner Platten ist in Fig. 3 dargestellt.
Zum Verpressen wurde das Rezyklat von der Trägerfolie genommen und im Gesenk
gleichmäßig verteilt. Zur Unterstützung der Verdichtung wurde das Rezyklat bei
Raumtemperatur vorgepreßt. Um eine ausreichende Konsolidierung des Materials zu
erreichen, sind Preßdrücke von ca. 15 bar vorteilhaft. Hierdurch wird gewährleistet, daß das
niedrigviskose Harz die Fasern benetzt und miteinander verbindet.
Das verpreßte Rezyklat wies folgende Eigenschaften auf:
- - Die Dichte lag zwischen 0,7 und 0,8 g/ccm (gegenüber ca. 1.5 g/ccm des Neumaterials).
- - Die Zugfestigkeit betrug 80 MPa.
- - Die Biegefestigkeit betrug 140 MPa.
Die Zerkleinerung der Prepreg-Abfälle erfolgte wie im Beispiel 1 mit dem Unterschied, daß das
geschnittene Material auf einer Klebstoffolie flächig abgelegt wurde (Fig. 4). Die Folie besteht
aus einem dem Prepreg-Harz ähnlichen und nach gleichem Zeit-Temperaturzyklus
auszuhärtenden Folienklebstoff. Die mit geschnittenem Prepreg-Material belegte Klebstoffolie
wird als Prepreg-Rezyklat-Folie bezeichnet. Zur Weiterverarbeitung wurden Prepreg-Rezyklat-
Folien übereinander in einem in Fig. 3 dargestellten Gesenk in einer Anordnung gemäß Fig. 5
gelegt und bei einem Druck von drei bar verpreßt. Während des Preßvorgangs zerläuft der
Folienklebstoff der Trägerfolie und erzeugt eine zusätzliche Imprägnierung des geschnittenen
Materials mit Harz.
Das verpreßte Rezyklat wies folgende Eigenschaften auf:
- - Die Dichte lag bei ca. 1,2 g/ccm (gegenüber ca. 1,5 g/ccm des Neumaterials).
- - Die Zugfestigkeit betrug bis zu 100 MPa.
- - Die Biegefestigkeit betrug bis zu 190 MPa.
Die Anwendung eines Preßdrucks von 6 bar verbesserte die mechanischen Eigenschaften
des Fertigmaterials. Für die Durchführung dieses Verfahrens ist insbesondere die
Autoklavtechnik geeignet.
Die hergestellten Prepreg-Rezyklat-Folien lassen sich nicht nur alleine (Fig. 5) sondern auch
in zahlreichen Varianten und je nach Anwendung in den Aufbau und die Fertigung von CFK-Lami
naten zurückführen. Ein Beispiel für die Integration der Prepreg-Rezyklat-Folien in ein
CFK-Laminat ist in Fig. 6 dargestellt.
Claims (11)
1. Verfahren zur Verarbeitung von aus mit unausgehärtetem, duroplastischen Harz
imprägnierten Kohlenstoffasern bestehenden Prepreg-Verschnittresten mit folgenden
Schritten:
- - Entfernen der Trägerfolien von den Verschnittresten;
- - Schneiden der Prepreg-Verschnittreste in Stücke;
- - Zerkleinerung der geschnittenen Stücke in einer auf 20°C unter die Glastemperatur des unausgehärteten Harzes abgekühlten Schneidmühle und Ablegen des so entstandenen Rezyklates auf einen Träger;
- - Weiterverarbeitung des Rezyklates in einem Preß- oder Autoklavverfahren unter Aushärtung des Materials.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Schneidmühle über ein
Sieb verlassende Rezyklat durch eine verfahrbare Trägerfolie aufgefangen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfolie aus
einem Klebstoff ähnlicher chemischer Zusammensetzung wie das Harz besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rezyklat von dem
Träger abgenommen wird und in einer Presse unter Druck und der Aushärtetemperatur des
Harzes verarbeitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rezyklat mit Folie in einer
Presse oder einem Autoklaven unter Druck und der Aushärtetemperatur des Harzes
verarbeitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rezyklat zu Platten
einer Dicke von 3 bis 25 mm verarbeitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßdruck 15 bar beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßdruck 6 bar beträgt.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Rezyklat vor dem Preßvorgang keramische Pulver, aufschäumbare Polymere oder Harze
zugegeben werden.
10. Platte aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kunststoff, hergestellt im Verfahren nach
Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Dichte zwischen 0,7 und 0,8 g/ccm liegt,
ihre Zugfestigkeit 80 MPa und ihre Biegefestigkeit der 3-Punkt Biegung 140 MPa beträgt.
11. Platte aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kunststoff, hergestellt im Verfahren nach
Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Dichte 1,2 g/ccm, ihre Zugfestigkeit 100 MPa
und ihre Biegefestigkeit der 3-Punkt Biegung 190 MPa beträgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997143545 DE19743545A1 (de) | 1996-10-02 | 1997-10-01 | Verfahren zur Verarbeitung von Prepreg-Verschnittresten |
Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|
DE19640786 | 1996-10-02 | ||
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Publications (1)
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1997143545 Withdrawn DE19743545A1 (de) | 1996-10-02 | 1997-10-01 | Verfahren zur Verarbeitung von Prepreg-Verschnittresten |
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---|---|---|---|---|
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1997
- 1997-10-01 DE DE1997143545 patent/DE19743545A1/de not_active Withdrawn
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