DE2011320A1 - Band, insbesondere Band zur Verstärkung von Kunststoffgegenständen - Google Patents
Band, insbesondere Band zur Verstärkung von KunststoffgegenständenInfo
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Description
njR. BEETZ sen.
Dipl.-!,-,-. κ. UMP.-iSCHT
Dipl.-!,-,-. κ. UMP.-iSCHT
Qr.-Ing. R. ESuTZJr.
8 München 22, Steinsdorfstr. 10 29^-15.479P 10.5.1970
8 München 22, Steinsdorfstr. 10 29^-15.479P 10.5.1970
Minister of Technology in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland
LONDON, S.W.I., (Großbritannien)·
Band, insbesondere Band zur
Stärkung von Kunststoffgegenständen .
Die Erfindung bezieht sich auf ein Band, insbesondere ein
Band zur Verstärkung von Kunststoffgegenständenj das erfindungsgemäße Band enthält sich in einer Richtung erstreckende
Kohlenstoff-Fäden oder -Pasern, die mit Harz imprägniert sein
können. Derartige Bänder lassen sich zur Herstellung"von
faserverstärkten Kunststoffgegenständen benutzen,,indem man
die Bänder- auf eine Form auflegt oder um eine Form herumwickelt
und anschließend das in ihnen enthaltene oder mit ihnen aufgebrachte
Kunstharz härtet. '
Es ist bereits bekannt, faserverstärkte Kunststoffgegenstände
dadurch herzustellen, daß man ein zuvor mit Harz imprägniertes
Band auf eine Grundform geeigneter Gestalt auflegt oder aufwickelt und dann diese Grundform und das aufgewickelte Band
in einer Hohl- oder Preßform formt bzw. härtet, gegebenenfalls ohne weitere Zugabe von Harz oder auch nach einer weiteren
Harzimprägnierung. Es konnte Jedoch festgestellt werden,
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daß die parallele Ausrichtung der Verstärkungsfaden oder
-fasern des Bandes in der Form nicht bestehen bleibt, weil in den ersten Stufen der Kunstharzhärtung das Kunstharz flüssig
ist und unter dem Einfluß hydrostatischer Drücke in dem flüssigen Harz die einzelnen Verstärkungsfaden oder -fasern
innerhalb des zuvor imprägnierten Bandes auseinandergedrückt werden, so daß eine Erscheinung auftritt, die als "Ausbauchen"
bezeichnet werden kann. Die Wirkung einer dadurch verschlechterten Ausrichtung der Verstärkungsfasern oder -fäden kann dazu
führen, daß man nicht die volle Festigkeit eines durch gleichlaufende oder parallele Fäden verstärkten Verbund-Materials
erreichen kann.
Eine schlechte Ausrichtung der Fasern oder Fäden in Gegenständen, die durch Kohlenstoff-Fasern verstärkt sind, kann eine
erhebliche Festigkeitsverringerung bedingen, weil die relativ kleine Bruchdehnung der Kohlenstoff-Fasern bedeutet, daß in
einem Verbundmaterial, in dem diese Fasern nicht einwandfrei parallel in Richtung der größten Beanspruchung ausgerichtet
sind, einzelne, zunächst den größten Anteil der Kräfte übernehmende Fasern brechen können, bevor andere, abweichend
orientierte Fasern einen nennenswerten Anteil der Last übernehmen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen und ein insbesondere zur Verstärkung
von Kunststoffgegenständen verwendbares Band zu schaffen, bei
dem die hohe Zugfestigkeit aufweisenden Fäden parallel zueinander gehalten werden und sich deshalb sämtlich an der Übernahme
der Last bzw. der Zugbeanspruchung beteiligen.
Ein erfindungsgemäßes Band - das insbesondere zur Verstärkung von Kunststoffgegenständen verwendet werden kann - ist im
wesentlichen gekennzeichnet durch mehrere Kohlenstoff-Faserstränge als Kettenelemente und stetig durchlaufende Schußfäden,
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die etwa quer zu den Kettenelementen in einer Folge von
ungefähr 10 bis 2 Fäden je Zoll derart angeordnet sind, daß sie die Kettenelemente dicht aneinander anliegend und
parallel zueinander halten.
Normalerweise sind die Kettenelemente nicht einzelne Faden,
sondern jeweils zusammengefaßte Fadengruppenj zweckmäßigerweise
ist ein Kettenelement ein Strang aus Kohlenstoff-Fasern oder -Fäden mit ungefähr 10.000 einzelnen Fädchen; für bestimmte
Zwecke kann jedoch die Anzahl der einzelnen Fädchen in jedem Kohlenstoff-Faserstrang der Kette eine beliebige
Anzahl bis herab zu 500 sein., jeweils entsprechend den Wünschen
oder Erfordernissen.
Die Kettenelemente können sämtlich oder vollständig aus Kohlenstoff-Fasermaterial
bestehende Stränge sein, es kann aber auch ein Teil dieser Stränge durch Bündel von feinen Glasfaden
ersetzt sein und bis zu 90 Gew.°$ der gesamten Kette
,können aus Glasfaserbündeln bestehen.
Stränge aus Kohlenstoff-Fasern und Bündel aus Glasfaden können
abwechselnd als Kettenelemente verwendet werden; man kann auch mehrere Kohlenstoff-Faserstränge nebeneinander anordnen
und/oder mehrere benachbarte Kettenelemente können aus Glasfaserbündeln
bestehen, so daß das Band einen Streifen-Aufbau hat, in dem die Kohlenstoff- und die Glas-Fasern jeweils in
Gruppen als Kettenelemente nebeneinander liegen.
In einem außergewöhnlichen Ausführungsbeispiel kann ein einziges Glasfaserbündel oder ein einziger Kohlenstoff-Faserstrang
zwischen zwei Gruppen von Fasern der anderen Art liegen. Wenn beispielsweise ein Band sowohl Kohlenstoff-Fasern
als auch Glasfasern enthält und an seinen Rändern feste Kanten
haben soll, ist es wirtschaftlicher, die Kanten wegen der hohen Kosten der Kohlenstoff-Fasern völlig aus Glasfasern
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zu bilden, -ma zwar stets dann, wenn dies nicht nachteilig
ο ο ei- ungÜ!Vr\;lg für die Eigenschaften des herausteilenden
u-Ma'-^i'i.a'; £: cdtr -Gegenstandes ist.
Normalerweise werden die Glasfaserbündel und die Kohlenstoff-Faserstränge
im wesentlichen die gleiche Größe bzw, den gleichen Durchmesser haben, so daß das' fertige Bandgewebe
eine ebene glatte Oberfläche hat. Die Stärken oder Durchmesser der Bündel und Stränge können jedoch auch deutlich unterschiedlich
sein, wenn dadurch nicht die Glattheit in der Gewebeoberfläche des fertiggestellten Bandes beeinträchtigt
oder eine unerwünschte Abweichung von der parallelen Ausrichtung der Kohlenstoff-Fasern in einem faserverstärkten Verbundkörper
ergibt, bei dem in einem solchen ungünstigen Falle zahlreiche Kohlenstoff-Fasern unter Last brechen können, bevor
im wesentlichen sämtliche Kohlenstoff-Fasern belastet sind.
Vorzugsweise haben die in gleicher Richtung verlaufenden Kohlenstoff-Faserstränge der Kettenglieder des Bandes hohe
Zugfestigkeit und hohen Elastizitätsmodul, sie können nach einem oder mehreren der Verfahren hergestellt werden, die
in den folgenden brit. Patentschriften: 1 110 791; 1 1*8 874;
1 166 251; 1 166 252; 1 168 619; 1 180 441; oder der brit.
Patentanmeldung Nr. 28 881/66 beschrieben sind.
Der Schuß oder die Schußfäden haben die Aufgabe, den Vorgang des "Ausbauchens" zu unterbinden, der oben erwähnt wurde,
und die Fasern parallel zueinander zu halten. Das für den Schuß benutzte Material wird derart gewählt, daß es eine ausreichende
Zugfestigkeit hat, um diesen Anforderungen zu genügen. Es muß andererseits auch derart ausgewählt werden,
daß es mit den gleichmäßig ausgerichteten Verstärkungs-Kohlen·« stoff-Fasern, mit dem zu verstärkenden Kunststoff und mit irgendwelchen
Zusätzen zu dem Kunststoffmaterial verträglich ist,
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Die Schußfäden können aus endlosen Kohlenstoff-Fäden bestehenj
dies ist jedoch nicht in allen Fällen günstigο Vorzugsweise
wird als Schußfaden ein Glasfaser- oder Fadenmaterial benutzt;
es wurde gefunden, daß Glasfäden aus zwischen 1 und 10 einzelnen feinen Glasfädchen vorzuziehen sind» ■
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bandes ist in der Zeichnung veranschaulicht; in der einzigen Figur der Zeichnung
bedeuten A die Kettenelemente, die aus Strängen von Kohlenstoff-Fasern
oder -Fäden bzw. aus einer Folge oder einer Mischung von Kohlenstoff-Fasersträngen und Glasfaserbündeln bestehen
können, wie dies oben beschrieben wurde. B bezeichnet den vorzugsweise
endlosen Schußfaden, der in einer Folge von zwischen 10
und 2 "Fäden" oder Schußfäden je Zoll eingewebt wird und der vorzugsweise aus einem und bis zu 10 sehr feinen Glasfäden bestehen
kann.
Das erfindungsgemäße Band läßt sich mit bekannten Bandwebevorrichtungen
weben; vorzugsweise werden jedoch vor dem Webvorgang die kettebildenden Kohlenstoff-Stränge nach einem Verfahren behandelt,
das. in den englischen Patentanmeldungen Nr. 52 653/67
und 4 711/68 besehrieben ist. In diesen Patentschriften ist ein Behandlungs- oder Schlichtmittel beschrieben, dessen Anwendung
das Handhaben und Verarbeiten von Kohlenstoff-Fasern
oder -Fäden erleichtert. Dieses Mittel ist eine dünne Lösung mit nicht mehr als 35 Gew.% Harz in einem flüssigen organischen,
nicht wäßrigen Lösungsmittel. ■
Das Harz kann ein Epoxy-, ein Phenol-Harz, ein Friedel Craft-Harz
sein, schließlich ein Polyamid- oder Polyester-Harz.
Geeignete Lösungsmittel sind Aceton, Äthylacetat, Methylathy1-keton
und chlorierte Kohlenwasserstoffe, wie Dichloräthylen
und 1,2 Dichloräthan.
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Beim Durchavbei ten eines Beispiel;, wurde gefunden, daß eine
Lösung von 1 Di s S Gev:.# eines Ep oxy -Harzes In Aceton ein
sehr geeignetes Dehancilungs- oder Schlichtmittel bildete.
Beispiele von Epoxyharz η, die benutzt wurden, sind Araldit
(Warenzeichen) i.Y 558 und Shell (Warenzeichen) Epikote 828.
Es können auch andere Epoxy-Harae benutzt werden; es ist nur
erwünscht, daß sie eine hohe Viskosität haben und spröde Harze nicht benutzt werden, Harze des oycloaliphatischen Typs mit
geringer Viskosität, wie Harze auf Cyclopentadienbasis, können mit anderen stärker viskosen Harzen gemischt werden, um
die insgesamt erforderliche Viskosität zu erzielen.
Bei einer weiteren Versuchsreihe wurde gefunden, daß eine Lösung
von 5 bis 20 Gew.% Polyesterharz in Methyläthylketon ein
gutes Behandiungs- und Schlichtmittel bildete.
Es wurde auch gefunden, daß entweder ein heiß oder kalt härtbares Polyesterharz geeignet ist, wobei insbesondere Bakelite
(Warenzeichen) S.R. 17^49* ein ungesättigter Polyester, der
aus Glycol, einer Dicarbonsäure und Maleinsäureanhydrid hergestellt wurde, zufriedenstellende Ergebnisse brachte.
Dementsprechend besteht ein erfindungsgemäßes Verfahren, um
Kohlenstoff-Pasern oder -Fäden einwandfrei in maschinellen Einrichtungen verarbeitbar zu machen, im wesentlichen darin,
daß man die Fäden oder Fasern mit einem Behandiungs- oder Schllcht-Material imprägniert, das eine schwache Harzlösung,
etwa eine Lösung eines Epoxy-, Phenol-Friedel Craft-, Polyimid-
oder Polyester-Harzes, in einem flüchtigen organischen, nicht wäßrigen Lösungsmittel ist, und daß man dann das Lösungsmittel
verdampfen läßt, so daß nach Verdampfen des Lösungsmittels der Kohlenstoff-Faden oder die Kohlenstoff-Fasern in einer
fest zusammenhängenden, verarbeitbaren Form zurückbleiben.
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Es wäre-noch darauf hinzuweisen* daß der Ausdruck Friede1=
Graft-Harz ein Harz bedeutete das aus einer aromatischen
Verbindung mit einem aroiaatisehen Kupplungsstoff hergestellt
wird, der zwei Ghlonnetoyl·= oder Methoxymethyl-Gruppen an
einem aromatischen Kern enthält, durch eine Polykondensation^=
reaktion, welch© die Keraiiasserstoffatome betrifft und durch
die Anwesenheit einer geringen Menge eines Friedel-Craft~
Katalysators, wie Zinnchlorid2 gefördert wird.
Wenn das Band fertiggestellt ist, kann es anschließend mit
einem geeigneten Harz imprägniert werden und so in ein vorimprägniertes Band umgewandelt werden» das sich in der oben
beschriebenen Weise zur Herstellung von faserbandverstarkten Kunststoffgegenständen verwenden, läßt.
Das gemäß der vorliegenden Erfinduhg hergestellte Band kann mit besonderem Vorteil dann benutzt werden, wenn man die
gleichgerichteten Kohlenstoff-Fasern oder -Fäden bereits während des Vorform- oder Formprozesses des Kunststoffgegenstandes
unter Spannung setzen will» Dins hat den Vorteil,
daß die einzelnen Kohlenstoff-Fäden oder -Fasern während
des Härtprozesses praktisch einwandfrei parallel ausgerichtet bleiben und dadurch erreicht wird, daß die Kraftbeanspruchung
des endgültig hergestellten Verbund-Gegenstandes gleichmäßig auf praktisch alle Kohlenstoff-Fasern oder -Fäden
verteilt wird. Dies ist wichtig im Hinblick auf die relativ geringe Bruchdehnung von Kohlenstoff-Fasern oder
-Fäden, was bedeutet, daß in einem Verbundmaterial, in dem
die Fasern oder Fäden nicht einwandfrei parallel zueinander ausgerichtet sind, einzelne Fasern oder Fäden bereits brechen können, bevor andere Fasern oder Fäden abweichender
Ausrichtung einen nennenswerten Anteil der Beanspruchung übernehmen.
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Claims (2)
- - 8 Patentansprüche(l) Band, insbesondere Band zur Verstärkung von Kunststoffgegenständen, gekennzeichnet durch mehrere Kohlenstoff-Faserstränge als Kettenelemente (A) und stetig durchlaufende Schußfäden (B), die etwa quer zu den Kettenelementen in einer Folge von ungefähr 10 bis 2 Fäden je Zoll derart eingewebt sind, daß sie die Kettenelemente dicht aneinander anliegend und parallel zueinander halten.
- 2. Band nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schußfäden zwischen 1 und 10 Einzel-Glasfäden enthalten.j3. Band nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoff-Fasern oder -Fäden nach dem in der dt. Patentschrift .... (Anmeldung P 18 09 758.0) beschriebenen Verfahren hergestellt sind.009839/15 21
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