DE20120447U1 - Pre-consolidated textile fabrics - Google Patents

Pre-consolidated textile fabrics

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Description

BUSE · MENTZEL · LUDEWIG PatentanwälteBUSE · MENTZEL · LUDEWIG patent attorneys

EUROPEAN PATENT AND TRADEMARK ATTORNEYSEUROPEAN PATENT AND TRADEMARK ATTORNEYS

Postfach 201462 Kleiner Werth 34 Dipl.-Phys. Mentzel PO Box 201462 Kleiner Werth 34 Dipl.-Phys. Mentzel

D-42214 Wuppertal D-42275 Wuppertal Dipl.-Ing. Ludewig D-42214 Wuppertal D-42275 Wuppertal Dipl.-Ing. Ludewig

J &ogr; Wuppertal, J &ogr; Wuppertal,

Kennwort: „Epoxidharz-Schiebeverfestigung' Keyword: "Epoxy resin slip hardening"

C. Cramer, Weberei, Heek-Nienborg, GmbH & Co. KG , Weberstraße 21, 48619 Heek-NienborgC. Cramer, Weaving, Heek-Nienborg, GmbH & Co. KG, Weberstraße 21, 48619 Heek-Nienborg

Vorverfestigtes textiles FlächengebildePre-consolidated textile fabric

Die vorliegende Erfindung betrifft ein vorverfestigtes textiles Flächengebilde, seine Verwendung zur Herstellung vonThe present invention relates to a pre-consolidated textile fabric, its use for the production of

Faserverbundwerkstoffen und einen Faserverbundwerkstoff umfassend eine mehrlagige textile Flächengebildeschicht, die mindestens zwei übereinander angeordnete Lagen des vorverfestigten textlien Flächengebildes enthält.Fiber composite materials and a fiber composite material comprising a multi-layer textile fabric layer which contains at least two layers of the pre-consolidated textile fabric arranged one above the other.

Seit vielen Jahren sind faserverstärkte Kunstharzprodukte bekannt, die in den verschiedensten Industriebereichen verwendet werden. Üblicherweise wird ein solcher Faserverbündwerkstoff gebildet, indem ein Fasergewebe mit einer Harzzusammensetzung imprägniert wird, die ein Gemisch aus beispielsweise einem Epoxidharz, einem Reaktanten (Härtungsmittel) und einem Beschleuniger (Härtungskatalysatoren) umfasst. Diese Harzmatrix wird in flüssiger Form entweder in einem Handlamimerungsverfahren bzw. kontinuierlichen Laminierungsverfahren, zum Herstellen von Prepregs oder in einem Harzinjektionsverfahren (RTM - resin transfer moulding) aufgetragen. Die endgültige Form des Faserverbundwerkstoffes wird durch Aufeinanderlegen mehrerer Lagen dieser imprägnierten Fasergebilde, Pressen und Aushärten erhalten. Bei dem konventionellen RTM-VerfahrenFiber-reinforced synthetic resin products have been known for many years and are used in a wide variety of industries. Typically, such a fiber composite material is formed by impregnating a fiber fabric with a resin composition that comprises a mixture of, for example, an epoxy resin, a reactant (curing agent) and an accelerator (curing catalysts). This resin matrix is applied in liquid form either in a hand lamination process or continuous lamination process to produce prepregs or in a resin injection process (RTM - resin transfer molding). The final shape of the fiber composite material is obtained by placing several layers of these impregnated fiber structures on top of each other, pressing and curing. In the conventional RTM process

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BUSE · MENTZEL · LUDEWIGBUSE · MENTZEL · LUDEWIG

werden Schichten eines Fasermaterials in eine Form eingelegt. Ein hitzehärtbares Matrixharz in die Form injiziert und das Harz ausgehärtet, um einen fertigen Faserverbundwerkstoff zu liefern. Es ist jedoch schwierig, diese Faserschichten in die Form einzulegen. Bei einem verbessertem RTM-Verfahren werden die Schichten des Fasermaterials mit einem klebrigmachenden Pulver besprüht bzw. das Binderpulver aufgestreut, welches beim Erhitzen auf der Oberfläche der Fasergebilde schmilzt und sich beim Abkühlen verfestigt. Derartig vorverfestigte Faserschichten lassen sich besser in die RTM-Form einlegen und drapieren. Anschließend wird dann das Matrixharz zugesetzt, welches die gleichen chemischen Bestandteile wie das verwendete Binderpulver aufweist, beispielsweise ein Epoxid mit Beschleuniger und Reaktant. Beim entstehenden Faserverbundprodukt ist jedoch das Matrixharz nicht mit der Binderschicht vernetzt, da die Binderschicht bereits ausgehärtet ist, bevor die vorverfestigten Faserlagen in der Form mit der Matrix in Berührung kommen. Dies bedeutet, daß sich im Faserverbundteil jeweils eine Grenzschicht zwischen Faser und Binder, Faser und Matrix, Binder und Matrix ausbilden kann. Die Binderschicht liegt in der Matrix als eigene störende Phase vor. Diese Matrixstörung wirkt sich nachteilig auf die Festigkeit und Stabilität des Faserverbundteils aus.Layers of a fiber material are placed in a mold. A heat-curable matrix resin is injected into the mold and the resin is cured to produce a finished fiber composite material. However, it is difficult to place these fiber layers in the mold. In an improved RTM process, the layers of the fiber material are sprayed with a tackifying powder or the binder powder is sprinkled on, which melts on the surface of the fiber structure when heated and solidifies when cooled. Fiber layers pre-consolidated in this way are easier to place in the RTM mold and drape. The matrix resin is then added, which has the same chemical components as the binder powder used, for example an epoxy with accelerator and reactant. In the resulting fiber composite product, however, the matrix resin is not cross-linked with the binder layer, since the binder layer has already hardened before the pre-consolidated fiber layers in the mold come into contact with the matrix. This means that a boundary layer can form between fiber and binder, fiber and matrix, and binder and matrix in the fiber composite part. The binder layer is present in the matrix as a separate disruptive phase. This matrix disruption has a detrimental effect on the strength and stability of the fiber composite part.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein vorverfestigtes Fasergebilde zur Verfügung zu stellen, wobei die Verfestigung dieses Fasergebildes in einem Faserverbundwerkstoff keine störenden Grenzflächen bildet.The object of the invention is to provide a pre-consolidated fiber structure, wherein the consolidation of this fiber structure in a fiber composite material does not form any disturbing interfaces.

Diese Aufgabe wird mit einem vorverfestigten textlien Flächengebilde mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zur Vorverfestigung des textlien Flächengebildes werden ebenfalls klebrigmachende 'Binderpulver auf das textile Flächengebilde aufgestreut bzw. als Binderpulverlösung aufgesprüht, die durch Erhitzen aufschmelzen und beim Abkühlen auf der Oberfläche des textlien Flächengebildes haften. Die Vorverfestigung dieses textlien Flächengebildes besteht jedoch erfindungsgemäß aus einer Binderschicht, die in der Lage ist, sich mit der Matrix zu vernetzen, d.h.This object is achieved with a pre-consolidated textile fabric with the features of claim 1. To pre-consolidate the textile fabric, tackifying binder powders are also sprinkled onto the textile fabric or sprayed on as a binder powder solution, which melt when heated and adhere to the surface of the textile fabric when cooled. However, the pre-consolidation of this textile fabric consists according to the invention of a binder layer which is able to crosslink with the matrix, i.e.

BÜSE · MENTZEL · LUDEWIGBÜSE · MENTZEL · LUDEWIG

diese Binderschicht ist nach dem Aufschmelzen und Abkühlen noch nicht ausgehärtet. Sie weist thermoplastische Eigenschaften auf und ist verformbar. Dies hat insbesondere Vorteile für die Weiterverarbeitung des vorverfestigten textlien Flächengebildes, denn solche textlien Flächengebilde sind gut drapierbar bzw. bei anderen Herstellungsverfahren gut handhabbar. Im Gegensatz zu den bekannten Binderpulvern die beispielsweise aus Epoxid, Beschleuniger und Reaktant bestehen, enthält das Binderpulver nach dieser Erfindung ausschließlich ein Epoxid, keinen Beschleuniger oder Reaktanten. Beim Aufschmelzen auf dem textlien Flächengebilde kann das reine Epoxid nicht vernetzen. Dieser Binder weist jedoch die Möglichkeit auf, mit der Epoxidmatrix in der RTM-Form zu einer einheitlichen Phase zu vernetzen, d.h. der Epoxidbinder wird beim Vernetzen Teil der Matrix. Es entstehen keine störenden Grenzflächen durch diese Binderschicht. Die Matrix im ausgehärteten Faserverbundteil bildet eine homogene Phase. Ein solches Faserverbundteil weist vorteilhafterweise hohe Festigkeiten und Stabilitäten auf.This binder layer is not yet hardened after melting and cooling. It has thermoplastic properties and is deformable. This has particular advantages for the further processing of the pre-consolidated textile fabric, because such textile fabrics are easy to drape and are easy to handle in other manufacturing processes. In contrast to the known binder powders which consist of epoxy, accelerator and reactant, for example, the binder powder according to this invention contains only an epoxy, no accelerator or reactant. When melted onto the textile fabric, the pure epoxy cannot crosslink. However, this binder has the option of crosslinking with the epoxy matrix in the RTM form to form a uniform phase, i.e. the epoxy binder becomes part of the matrix during crosslinking. No disruptive interfaces are created by this binder layer. The matrix in the hardened fiber composite part forms a homogeneous phase. Such a fiber composite part advantageously has high strengths and stability.

Das reine Epoxidbinderpulver kann als trockenes Pulver auf das textile Flächengebilde aufgestreut werden und in einem Ofen oder über Wärmestrahler zum Aufschmelzen gebracht werden, so daß es eine haftende Oberflächenschicht auf dem textlien Flächengebilde bildet. Es ist jedoch auch möglich, das Epoxidbinderpulver in einem Lösungsmittel, wie beispielsweise Azeton, gleichmäßig durch Rühren zu verteilen und diese Epoxidbinderlösung auf die Oberfläche des textlien Flächengebildes aufzusprühen. Die Haftung wird ebenfalls durch Erwärmung erzielt, wobei das Lösungsmittel verdampft und die Binderpulverpartikel aufschmelzen und an dem textiles Flächengebilde haften.The pure epoxy binder powder can be sprinkled onto the textile fabric as a dry powder and melted in an oven or using a heat lamp so that it forms an adhesive surface layer on the textile fabric. However, it is also possible to evenly distribute the epoxy binder powder in a solvent such as acetone by stirring and spray this epoxy binder solution onto the surface of the textile fabric. Adhesion is also achieved by heating, whereby the solvent evaporates and the binder powder particles melt and adhere to the textile fabric.

Als Binderpulver sind nicht nur Epoxidharzbinderpulver einsetzbar, sondern auch beispielsweise Phenolharzbinderpulver oderNot only epoxy resin binder powders can be used as binder powders, but also phenolic resin binder powders or

Polyesterbinderpulver. Wesentlich ist nur, daß ein matrixgleicher Binder verwendet wird. Dies bedeutet, daß beim Einsatz einer Phenolharzmatrix bestehend aus Phenolharz, Reaktant und Beschleuniger diePolyester binder powder. It is only important that a matrix-like binder is used. This means that when using a phenolic resin matrix consisting of phenolic resin, reactant and accelerator, the

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Vorverfestigung des textlien Flächengebildes mit einem Phenolharzbinder erfolgen muß, damit die vernetzte ausgehärtete Matrix eine homoge Phase bildet. Wird dagegen eine Epoxidharzmatrix für das Faserverbundteil vorgesehen, ist zur Vorverfestigung des textlien Flächengebildes ein Epoxidharzbinder zu verwenden.The textile fabric must be pre-consolidated with a phenolic resin binder so that the cross-linked, hardened matrix forms a homogeneous phase. If, however, an epoxy resin matrix is intended for the fiber composite part, an epoxy resin binder must be used to pre-consolidate the textile fabric.

Das textiles Flächengebilde, beispielsweise ein Fasergewebe oder eine Fasergelegeschicht aus Multifilamentfasern, kann aus verschiedensten Fasern bestehen, beispielsweise Glasfasern, Aramidfasern, Siliziumkarbid-Fasern und/oder Kohlenstoff-Fasern. Vorzugsweise werden jedoch Kohlenstoffgewebe aus Multifilamenten eingesetzt.The textile fabric, for example a fiber fabric or a fiber layer made of multifilament fibers, can consist of a wide variety of fibers, for example glass fibers, aramid fibers, silicon carbide fibers and/or carbon fibers. However, carbon fabrics made of multifilaments are preferably used.

Das erfindungsgemäße vorverfestigte textiles Flächengebilde kann bei den verschiedensten Herstellungsverfahren für Faserverbundwerkstoffe eingesetzt werden. Besondere Vorteile zeigen sich bei dem Harzinjektionsverfahren (RTM-Verfahren), da sich dieses vorverfestigte textile Flächengebilde besonders gut in die RTM-Form einlegen und drapieren läßt.The pre-consolidated textile fabric according to the invention can be used in a wide variety of manufacturing processes for fiber composite materials. Particular advantages are evident in the resin injection process (RTM process), since this pre-consolidated textile fabric can be inserted and draped particularly well in the RTM mold.

Die Herstellung eines solchen Faserverbundwerkstoffes umfasst folgende Verfahrensschritte. Das Herstellen einer der Form des fertigen Faserverbundteils entsprechenden Faservorform, das Imprägnieren dieses textlien Flächengebildes mit dem nicht vernetzenden Binderpulver, das Verfestigen dieser Faservorform durch Erwärmen, wobei die Binderpartikel aufschmelzen und an der Oberfläche der Fasern haften. Diese vorverfestigte Faservorform wird in einer entsprechenden RTM-Spritzgießform angeordnet und das Matrixharz in dünnflüssigen Zustand eingespritzt. Unter Anwendung von Druck und Temperatur erfolgt in der Form eine Vernetzung des Epoxidharzes. Während dieser Vernetzung unter Einwirkung von Wärme geht das Harz sukzessiv aus dem flüssigen Zustand in den erstarrten und schließlich in den festen Zustand über. Untersucht .man ein solches Faserverbundteil, so ist festzustellen, daß die Epoxidbinderschicht mit der Epoxidharzmatrix vernetzt, zwischen derThe production of such a fiber composite material comprises the following process steps: The production of a fiber preform corresponding to the shape of the finished fiber composite part, the impregnation of this textile fabric with the non-crosslinking binder powder, the solidification of this fiber preform by heating, whereby the binder particles melt and adhere to the surface of the fibers. This pre-solidified fiber preform is placed in a corresponding RTM injection mold and the matrix resin is injected in a thin liquid state. The epoxy resin is crosslinked in the mold using pressure and temperature. During this crosslinking under the influence of heat, the resin gradually changes from the liquid state to the solidified state and finally to the solid state. If one examines such a fiber composite part, it can be seen that the epoxy binder layer is crosslinked with the epoxy resin matrix, between the

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Matrix und dem Binder demzufolge keine Grenzflächen ausgebildet werden und keine Störung der Matrix vorliegt.Consequently, no interfaces are formed between the matrix and the binder and there is no disturbance of the matrix.

Es ist selbstverständlich möglich, in bekannter Weise der Epoxidmatrix Modifizierungsmittel zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften zuzusetzen. Dies kann unter anderem eine Verbesserung der Zähigkeit betreffen. Aber auch feuerhemmende Mittel oder Füllstoffe können der Matrix zugesetzt werden. Diese Modifizierungsmittel werden in der Regel in flüssigem Matrixharz homogen dispergiert. Es ist ebenso möglich, diese Modifizierungsmittel dem Binderpulver beizumischen bzw. diese Modifizierungsmittel sowohl dem Binderpulver als auch der flüssigen Matrix zuzusetzen.It is of course possible to add modifiers to the epoxy matrix in a known manner to improve the mechanical properties. This can, among other things, improve toughness. But fire retardants or fillers can also be added to the matrix. These modifiers are usually homogeneously dispersed in liquid matrix resin. It is also possible to mix these modifiers into the binder powder or to add these modifiers to both the binder powder and the liquid matrix.

Claims (12)

1. Vorverfestigtes textiles Flächengebilde, insbesondere aus Multifilamentgarnen, dadurch gekennzeichnet, daß ein textiles Flächengebilde mit einem auf der Oberfläche haftenden, thermoplastischen, nicht vernetzten Binder beschichtet ist. 1. Pre-consolidated textile fabric, in particular made of multifilament yarns, characterized in that a textile fabric is coated with a thermoplastic, non-crosslinked binder adhering to the surface. 2. Vorverfestigtes textiles Flächengebilde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das textile Flächengebilde ein Gewebe ist. 2. Pre-consolidated textile fabric according to claim 1, characterized in that the textile fabric is a woven fabric. 3. Vorverfestigtes textiles Flächengebilde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das textile Flächengebilde eine Fasergelegeschicht ist. 3. Pre-consolidated textile fabric according to claim 1, characterized in that the textile fabric is a fiber lay-up layer. 4. Vorverfestigtes textiles Flächengebilde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die haftende Beschichtung auf der Oberfläche des textilen Flächengebildes durch Aufschmelzen von aufgestreuten Binderpulver bewirkt wird. 4. Pre-consolidated textile fabric according to claim 1, characterized in that the adhesive coating on the surface of the textile fabric is brought about by melting scattered binder powder. 5. Vorverfestigtes textiles Flächengebilde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder durch Aufsprühen einer Binderlösung, welche in einem Lösungsmittel gleichmäßig dispergierte Pulverpartikel enthält, auf die Oberfläche des textilen Flächengebildes aufgebracht ist. 5. Pre-consolidated textile fabric according to claim 1, characterized in that the binder is applied to the surface of the textile fabric by spraying a binder solution which contains powder particles uniformly dispersed in a solvent. 6. Vorverfestigtes textiles Flächengebilde nach den Ansprüchen 1 bis S. dadurch gekennzeichnet, daß das Binderpulver ausschließlich aus einer Harzkomponente besteht, beispielsweise aus Epoxidharz oder Phenolharz oder Polyester. 6. Pre-consolidated textile fabric according to claims 1 to 5, characterized in that the binder powder consists exclusively of a resin component, for example of epoxy resin or phenolic resin or polyester. 7. Vorverfestigtes textiles Flächengebilde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Binderpulver ausschließlich aus Epoxidharz besteht. 7. Pre-consolidated textile fabric according to claim 6, characterized in that the binder powder consists exclusively of epoxy resin. 8. Vorverfestigtes textiles Flächengebilde nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Binderpulver reines Epoxid oder reine Epoxidmischungen sowie weitere Partikel zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften des Binders umfasst, jedoch keinen Reaktanten enthält. 8. Pre-consolidated textile fabric according to claims 1 to 7, characterized in that the binder powder comprises pure epoxy or pure epoxy mixtures and further particles for influencing the mechanical properties of the binder, but contains no reactants. 9. Vorverfestigtes textiles Flächengebilde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das textile Flächengebilde aus Glasfasern, Aramidfasern, Siliziumkarbid-Fasern oder Kohlenstoff-Fasern besteht, vorzugsweise aus Kohlenstoff-Fasern. 9. Pre-consolidated textile fabric according to claim 1, characterized in that the textile fabric consists of glass fibers, aramid fibers, silicon carbide fibers or carbon fibers, preferably carbon fibers. 10. Verwendung des vorverfestigten textilen Flächengebildes nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen, insbesondere nach dem Harzinjektionsverfahren, wobei mehrere Lagen des vorverfestigten textilen Flächengebildes in einer Form angeordnet werden, flüssige Matrix eingespritzt wird und anschließend eine Vernetzung durch Wärmeeinwirkung erfolgt, wobei der Binder zur Vorfestigung des textilen Flächengebildes matrixgleich ist. 10. Use of the pre-consolidated textile fabric according to one of the preceding claims for producing fiber composite materials, in particular according to the resin injection process, wherein several layers of the pre-consolidated textile fabric are arranged in a mold, liquid matrix is injected and crosslinking is then carried out by the action of heat, wherein the binder for pre-consolidating the textile fabric is the same as the matrix. 11. Faserverbundwerkstoff umfassend eine mehrlagige textile Flächengebildeschicht, die mindestens zwei übereinander angeordnete Lagen vorverfestigten textilen Flächengebildes gemäß Anspruch 1 aufweist, verbunden mit und enthalten in einer vernetzten Matrix, welche zusammen mit dem Binder des vorverfestigten textilen Flächengebildes vernetzt ist und eine homogene Phase bildet. 11. Fiber composite material comprising a multilayer textile fabric layer which has at least two layers of pre-consolidated textile fabric according to claim 1 arranged one above the other, connected to and contained in a cross-linked matrix which is cross-linked together with the binder of the pre-consolidated textile fabric and forms a homogeneous phase. 12. Faserverbundwerkstoff gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vernetzte Matrix Modifizierungsmittel zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffes enthält, wobei diese Modifizierungsmittel vorzugsweise homogen dispergiert in der Matrix vorliegen. 12. Fiber composite material according to claim 11, characterized in that the cross-linked matrix contains modifiers for improving the mechanical properties of the fiber composite material, wherein these modifiers are preferably homogeneously dispersed in the matrix.
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Cited By (12)

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