DE202007010252U1

DE202007010252U1 - Verarbeitungshilfsmittel für das Harzinjektionsverfahren

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Publication number: DE202007010252U1
Application number: DE200720010252
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2017-07-25

Abstract

Verarbeitungshilfsmittel, insbesondere zur besseren Fixierung von gleichen oder unterschiedlichen Faserstofflagen in oder an einer Form einer Harzinjektionsvorrichtung, welches bei der Herstellung von Schichtstoffen den Durchfluss des Harzgemisches, das aufgebaut ist aus einem vernetzbaren Matrixharzes, Reaktant und Beschleuniger, durch die Faserstofflagen ermöglicht,
wobei das Verarbeitungshilfsmittel aus einer gut handhabbaren Form eines dünnen textilen Flächengebilde aufgebaut ist, welches ein- oder beidseitig mit einer klebrigen Beschichtung versehen ist und die Beschichtung aus mit dem Matrixharz vernetzbaren Polymer bzw. Polymergemisch aufgebaut ist
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beschichtung aus einem niedrigschmelzenden reaktiven Polymer bzw. Polymergemisch aufgebaut ist,
welches zumindest in einem Temperaturbereich bis zur Injektionstemperatur des Matrixharzes viskos, klebrig, aber noch inaktiv ist, welches oberhalb der Injektionstemperatur jedoch reaktiv wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verarbeitungshilfsmittel für das Harzinjektionsverfahren (RTM-Verfahren) oder auch für ein Direktmoulding-Verfahren, insbesondere zur besseren Fixierung von gleichen oder unterschiedlichen textilen flächigen Lagen in einer Form einer Harzinjektionsvorrichtung. Das Verarbeitungshilfsmittel ermöglicht den Durchfluss des Harzgemisches bei der Herstellung von Schichtstoffen im RTM-Verfahren.
Seit vielen Jahren sind faserverstärkte Kunstharzprodukte bekannt, die in den verschiedensten Industriebereichen verwendet werden. Üblicherweise wird ein solcher Faserverbundwerkstoff gebildet, indem ein Faserstoff mit einer Harzzusammensetzung imprägniert wird, die ein Gemisch aus beispielsweise einem Epoxidharz, einem Reaktanten (Vernetzungsmittel) und einem Beschleuniger umfasst. Die Harzmatrix wird in flüssiger Form entweder bei einem Handlaminierungsverfahren bzw. in einem kontinuierlichen Laminierungsverfahren zum Herstellen von Prepregs oder in einem Harzinjektionsverfahren (RTM- Resin Transfer Moulding) aufgetragen. Die endgültige Form des Schichtstoffes wird durch Aufeinanderlegen mehrerer Lagen dieser imprägnierten Faserstoffe und anschließendes Pressen und Vernetzen durch Wärmeeinwirkung erhalten. Bei dem RTM-Verfahren werden gleiche oder unterschiedliche textile flächige Lagen in eine Form eingelegt. Die Form kann dabei durch Auslegen mit einer Folie geschützt werden. Anschließend wird die Form geschlossen und ein hitzevernetzbares Matrixharz zusammen mit einem Reaktanten und gegebenenfalls einem Beschleuniger als Gemisch in die Form injiziert. Durch Wärmeeinwirkung härtet das Harz aus und der fertige Faserschichtstoff entsteht. Es ist jedoch schwierig insbesondere großflächige und schwere Faserschichtlagen, wie sie zur Herstellung von Windkraftflügeln verwendet werden, in die Form einzulegen, ohne dass die einzelnen Schichten gegeneinander verrutschen.
Bei einem verbesserten RTM-Verfahren werden die Schichten des Fasermaterials mit einem klebrig machenden Pulver besprüht bzw. das Binderpulver aufgestreut, welches beim Erhitzen auf der Oberfläche des Fasergebildes 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 Epoxidharz 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.
Eine weitere Verbesserung wird mit einem Verarbeitungshilfsmittel gemäß dem Gebrauchsmuster DE 20 2005 003 045 U1 möglich. Dieses Verarbeitungshilfsmittel besteht aus einem textilen Flächengebilde und ist ein- oder beidseitig mit einer klebrigen Beschichtung versehen. In diesem Fall besteht die Beschichtung aus einem Polymer oder Polymergemisch, welches mit dem Matrixharz vernetzbar ist. So kann das Verarbeitungshilfsmittel aus dem gleichen Textilmaterialien wie die Faserschichten bestehen und die Beschichtung mit dem Matrixharz übereinstimmen, nur enthält die Beschichtung keinen Reaktanten, so dass die Beschichtung nur bei Anwesenheit des reaktiven Matrixharzes vernetzt und sich somit keine störenden Grenzschichten bilden. Die Verwendung dieser Verarbeitungshilfsmittel zur Fixierung der ersten Faserschicht in der Form jedoch in nachteiliger Weise zu Rückständen, die in der Form anhaftend verbleiben. Die Beschichtung des Verarbeitungshilfsmittel wird während der Matrixharzinjektion nicht vollständig mit dem Matrixharz durchmischt, wodurch die Beschichtung des Verarbeitungshilfsmittels bei der in der Form stattfindenden Vernetzung des Matrixharzes nicht vollständig abreagiert. Die Reste verkleben an der Form und müssen nachträglich mit Lösungsmittel entfernt und die Form neu gewachst werden. Dieser zusätzliche Aufwand ist insbesondere bei großen RTM-Formen, wie sie beispielsweise zur Herstellung von 60 m langen Windkraftflügeln benutzt werden, unerwünscht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verarbeitungshilfsmittel aufzufinden, das die Nachteile des Standes der Technik nicht zeigt.
Diese Aufgabe wird mit einem Verarbeitungshilfsmittel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 erfüllt. Dieses Verarbeitungshilfsmittel besteht aus einem textilen Flächengebilde, welches ein- oder beidseitig mit einer klebrigen Beschichtung versehen ist, die in der Form während der Vernetzung des Matrixharzes vollständig abreagiert.
Für das Verarbeitungshilfsmittel sind Gewebe, Gewirke, Vliesstoffe oder Gelege als textile Flächengebilde einsetzbar. Diese Flächengebilde können aus gleichen oder unterschiedlichen Fasern bestehen, nämlich anorganischen Fasern oder organischen Polymerfasern, wie beispielsweise aromatische Polyamidfasern (Aramidfasern). Werden als Fasern anorganische Fasern, wie beispielsweise Kohlenstofffasern, Siliciumcarbidfasern oder Glasfasern eingesetzt, so besitzt ein solches Verarbeitungshilfsmittel eine hohe Steifigkeit und eine hohe Zugfestigkeit. Das Verarbeitungshilfsmittel kann gleichzeitig als Armierung für den durch das RTM-Verfahren zu bildenden Schichtstoff dienen.
Die Beschichtung des textilen Flächengebildes erfolgt ein- oder beidseitig, vorzugsweise beidseitig mit einer klebrigen Beschichtung. Diese Beschichtung enthält, ein mit dem Matrixharz vernetzbares Polymer- bzw. Polymergemisch mit einem thermoaktiven Reaktant und Beschleuniger. Einsetzbar sind beispielsweise Polyurethane, Polyester, Polyamide, Epoxide, Phenolharze oder Melaminharze oder Mischungen aus diesen Polymeren, da die vorgenannten Polymere als Matrixharz, zusammen mit Reaktanten und Beschleunigerkomponenten, im RTM-Verfahren verwendet werden. Bevorzugt wird ein reaktives thermoplastisches Epoxidharz, besonders bevorzugt ein niedrigschmelzendes Epoxidharz. Ein ausgewähltes Epoxidharz ist bei Raumtemperaturen fest und wird bei Erwärmung auf etwa 40°C viskos, klebrig und beschichtbar, aber reagiert noch nicht bei dieser Temperatur, wie viele bekannte Epoxidharzsysteme. Bei diesen Temperaturen erfolgt die Beschichtung des textilen Flächengebildes zur Bildung des Verarbeitungshilfsmittels. Die Vernetzung zu einem Duromer erfolgt erst ab Temperaturen von etwa 60°C, wie sie in der RTM-Form nach Zugabe des Matrixharzes, ebenfalls ein Epoxidharz mit Reaktant und Beschleuniger, vorliegen. Die Blockierung der Vernetzungsreaktion bei Temperaturen unter 60°C wird einerseits durch die hohe Viskosität und die dadurch bewirkte Unterdrückung der Molekularbewegung erzielt und zum anderen durch Reaktanten und Beschleuniger sichergestellt, welche erst ab etwa 60°C wirken. Das Epoxidharz wird beispielsweise bei 40°C mit einem Dicyandiamid als Reaktant und einem Säureanhydrid als Beschleuniger vermischt und als Beschichtung auf das textile Flächengebilde zur Bildung des Verarbeitungshilfsmittels aufgetragen.
Die Epoxidharze der Beschichtung sind so aufgebaut, dass sie sowohl mit sich selbst als auch mit dem als Matrixharz eingesetzten Epoxidharz vernetzen. Das heißt, es handelt sich um ein gleichartiges Polymerharz oder um ein Polymer, das mit funktionellen Gruppen versehen ist, die eine Vernetzung mit dem Matrixharz ermöglichen. Dem Epoxidmatrixharz wird aus Kostengründen in der Regel ein preiswerterer Reaktant, wie beispielsweise ein Amin oder ein Amingemisch zugesetzt. Während der Injektion des Matrixharzes beginnt die Epoxidbeschichtung des Verarbeitungshilfsmittels, welches zur Fixierung einzelner großer Faserschichten zwischen diesen und insbesondere zur Fixierung der ersten Faserschicht an der angrenzenden Formschale eingesetzt ist, aufzuquellen und bildet mit dem eingeflossenen angrenzenden Matrixharz ein Polymergemenge. Beide weisen die gleichen funktionellen Gruppen auf, beispielsweise bei Epoxidharzen die OH-Gruppen und können bei der beginnenden Vernetzung sowohl mit sich selbst als auch miteinander zu einem Duromer abreagieren. Es entstehen keine Grenzflächen, da die Epoxidbeschichtung des Verarbeitungshilfsmittels auch erst in der RTM-Form zu reagieren beginnt und dann wie oben beschrieben, sowohl mit sich selbst als auch mit dem Matrixharz reagiert. Die Vernetzung läuft innerhalb von 4 bis 6 Stunden ab, wobei die Beschichtung des Verarbeitungshilfsmittels vollständig vernetzt ist. Anders als beim Stand der Technik verbleiben keine Reste nach dem Herausnehmen des Verbundteils aus der RTM-Form an der Formschale haften.
Auch bei der Weiterverarbeitung der Verbundteile zeigen sich Vorteile durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Verarbeitungshilfsmittel. Insbesondere die an der Außenseite des Verbundteils integrierten Verarbeitungshilfsmittel können beispielsweise wie ein Verbundteil ohne Verarbeitungshilfsmittel geschliffen und lackiert werden. Bei nicht vollständig abreagierten Verarbeitungshilfsmitteln würden die Schleifmittel durch die nicht ausreagierten Reste des Verarbeitungshilfsmittels im Verbundstoff zusetzen.
Die neuen Verarbeitungshilfsmittel sind in gut handhabbarer Form hergestellt, nämlich als im Vergleich zu den Faserschichten kleinflächige Teilstücke oder auch als dünnes Band, wobei von der Bandrolle gewünschte Längen abgerollt und abgetrennt werden, um diese Teilstücke der Verwendung zuzuführen. Solche Verarbeitungshilfsmittel werden insbesondere lokal als kleine Flächenstücke zur Fixierung der Lagen, die den späteren Schichtstoff bilden sollen, verwendet und werden insbesondere zwischen einer Lage und der Formschale aber auch zwischen den einzelnen Lagen angeordnet. Anschließend wird dann das Matrixharz zugesetzt und das Harz ausgehärtet, um einen fertigen Faserverbundwerkstoff zu erzeugen.
Ausführunsgbeispiel:
In einer großen RTM-Spritzgießform für einen Windkraftflügel, die eine wesentlich größere Länge als Breite aufweist, werden beabstandet mehrere Bandstücke eines erfindungsgemäßen klebrigen Verarbeitungshilfsmittels quer zur Längsausrichtung verklebt. Anschließend wird die erste Faserschicht eingelegt, welche durch die beidseitig beschichteten Bandstücke des Verarbeitungsmittels in der Form fixiert wird. In gleicher Weise werden die nächsten Lagen drapiert. Zwischen diesen Lagen sind ebenfalls Bandstücke des erfindungsgemäßen Verarbeitungshilfsmittels geklebt.
Diese Bänder des Verarbeitungshilfsmittels bestehen wie die Faserschichten aus Glasfasern. Die Beschichtung besteht aus einem thermoreaktiven niedrigschmelzenden Epoxidharzgemisch mit Reaktant und Beschleuniger. Das Epoxidharz ist auf Basis von Bisphenol A, enthält einen Reaktivverdünner, nämlich Dicyanamid als Reaktant sowie ein Säureanhydrid als Beschleuniger. Es können verschiedene Typen von Bisphenol A eingesetzt werden. Durch deren Auswahl kann der Klebrigkeitsgrad der Beschichtung eingestellt werden. Man verwendet beispielsweise einen großen Anteil an niedrigmolekularen Bisphenol A und geringem Anteil an höhermolekularem Bisphenol A, um eine möglichst klebrige Beschichtung zu erzielen. Andererseits kann die Klebrigkeit auch durch Zusätze an Nitrilkautschuk oder anderen Klebrigmachern (tackifier) auf Basis von Kautschuk erreicht werden. Das verwendete Epoxidharz ist bei Raumtemperatur fest, beginnt jedoch oberhalb von etwa 30°C, insbesondere von 40°C, viskos und fließfähig zu werden.
Bei 40°C werden die Komponenten des Epoxidharzgemisch vermengt und beispielsweise streifenförmig in parallelen Linien oder auch rautenförmig auf dem Glasfaserband aufgetragen. Dies hat auch nach Abkühlung dann eine klebrige Konsistenz und eignet sich somit zur Fixierung von Faserstofflagen. Bis zu einer Temperatur von 60°C bleibt das Epoxidharz inaktiv, d.h. trotz eines vorhandenen Reaktanten und Beschleunigers reagiert das Epoxidharzgemisch nicht, sondern erst oberhalb von 60°C und damit oberhalb der Injektionstemperatur des Matrixharzes.
Das in die Form injizierte Matrixharz besteht aus einem Epoxidharzgemisch, nämlich Bisphenol A und einem Reaktanten, nämlich einem Amingemisch und einem Beschleuniger auf der Basis von Polyaminen. Selbstverständlich können auch Dicyandiamid als Reaktant und Säureanhydride als Beschleuniger eingesetzt werden. In der Regel werden jedoch die preiswerteren Substanzen eingesetzt.
Die Anordnung der Bänder in der RTM-Form ermöglicht beim Injizieren des flüssigen Matrixharzes bei Temperaturen von 55 bis 60°C den ungestörten Durchfluss des Matrixharzes. Dieses Matrixharzgemisch wird in dünnflüssigem Zustand in die RTM-Spritzgießform eingespritzt. Die Temperaturen steigen nachfolgend aufgrund der exothermen Reaktion auf bis zu 80°C an.
Unter Anwendung von Druck und Temperatur erfolgt in der Form die Vernetzung des Epoxidharzes. Während dieser Vernetzung und der Einwirkung von Wärme geht das Harz des Matrixharzes und ebenso das Harz der Beschichtung aus dem flüssigen Zustand in den erstarrten und schließlich in den festen duromeren Zustand über. Das entstehende Verbundteil zeigt, dass die Faserstofflagen bestimmungsgemäß positioniert verblieben sind und dass die klebrige Beschichtung des Verarbeitungshilfsmittels mit sich selbst oder der Epoxidharzmatrix vollständig vernetzt ist. Es haben sich keine Grenzflächen ausgebildet und es liegt demzufolge keine Störung der Matrix vor. Das Glasfasergewebe des Verarbeitungshilfsmittels verbleibt im Verbundbauteil als Armierung.
Das reaktive Harz des Verarbeitungshilfsmittels vermittelt beste Adaptionseigenschaften zu den Faserschichten und erstklassige Haftung zu den Fasern der Faserlagen wie etwa Carbonfasern oder Aramidfasern aber auch zu vielen weiteren Materialien, insbesondere zur Formschale. Die Beschichtung des Verarbeitungshilfsmittels enthält keine Lösungsmittel, die in nachteiliger Weise durch Verdampfen zu unerwünschten Spannungen im Bauteil führen oder Weichmacher, die durch Migration die Kristallinität des Matrixharzes negativ beeinflussen könnten.

Claims

Verarbeitungshilfsmittel, insbesondere zur besseren Fixierung von gleichen oder unterschiedlichen Faserstofflagen in oder an einer Form einer Harzinjektionsvorrichtung, welches bei der Herstellung von Schichtstoffen den Durchfluss des Harzgemisches, das aufgebaut ist aus einem vernetzbaren Matrixharzes, Reaktant und Beschleuniger, durch die Faserstofflagen ermöglicht, wobei das Verarbeitungshilfsmittel aus einer gut handhabbaren Form eines dünnen textilen Flächengebilde aufgebaut ist, welches ein- oder beidseitig mit einer klebrigen Beschichtung versehen ist und die Beschichtung aus mit dem Matrixharz vernetzbaren Polymer bzw. Polymergemisch aufgebaut ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einem niedrigschmelzenden reaktiven Polymer bzw. Polymergemisch aufgebaut ist, welches zumindest in einem Temperaturbereich bis zur Injektionstemperatur des Matrixharzes viskos, klebrig, aber noch inaktiv ist, welches oberhalb der Injektionstemperatur jedoch reaktiv wird.
Verarbeitungshilfsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das niedrigschmelzende reaktive Polymer bzw. Polymergemisch aus einem niedrigschmelzenden Epoxidharz mit Dicyandiamid als Reaktant und einem Säureanhydrid als Beschleuniger besteht, wobei dieses Gemisch in einem Temperaturbereich unterhalb von 60°C inaktiv ist.
Verarbeitungshilfsmittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, als Epoxidharz ein Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A verwendet wird.
Verarbeitungshilfsmittel einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Flächengebilde für das Verarbeitungshilfsmittel ein Gewebe oder ein Gewirk oder ein Vliesstoff oder ein Gelege vorgesehen ist.
Verarbeitungshilfsmittel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächengebilde aus gleichen oder unterschiedlichen anorganischen Fasern, beispielsweise Kohlenstofffasern, Siliciumcarbid-Fasern oder Glasfasern, aufgebaut ist.
Verarbeitungshilfsmittel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächengebilde aus gleichen oder unterschiedlichen organischen Polymer-Fasern, beispielsweise aromatischen Polyamidfasern (Aramidfasern), aufgebaut ist.
Verarbeitungshilfsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verarbeitungshilfsmittel als Band hergestellt wird, so dass beim Harzinjektionsverfahren Stücke des Bandes lokal, an gewünschten Stellen zwischen den gleichen oder unterschiedlichen Faserstofflagen oder zwischen der Form und einer Faserstofflage zur Fixierung einsetzbar sind.