DE202016003587U1

DE202016003587U1 - Rollfähiges textiles Vliesstoff-Flächenprodukt

Info

Publication number: DE202016003587U1
Application number: DE202016003587.9U
Authority: DE
Original assignee: Tenowo GmbH
Current assignee: Tenowo GmbH
Priority date: 2016-05-04
Filing date: 2016-06-07
Publication date: 2016-06-23
Anticipated expiration: 2026-06-08
Also published as: EP3452651B1; EP3452651A1; WO2017191024A1

Abstract

Rollfähiges textiles Vliesstoff-Flächenprodukt, bestehend aus einer Mischung von recycelten Kohlenstofffasern und thermoplastischen Fasern, welche zu einem Faserflor mittels Krempelverfahren gelegt, einer Vliesbildung unterzogen und anschließend thermisch verfestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischungsanteil der thermoplastischen Fasern im Bereich von 5 Gew.-% bis 40 Gew.-% und der Kohlenstofffaseranteil im Bereich zwischen 60 Gew.-% und 95 Gew.-% liegt, wobei die thermische Verfestigung zur Vermeidung von Kohlenstofffaserschäden unter niedrigem Druck von ≤ 20 N/cm2 erfolgt derart, dass sich eine offenporige Vliesstruktur ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein rollfähiges textiles Vliesstoff-Flächenprodukt, bestehend aus einer Mischung von recycelten Kohlenstofffasern und thermoplastischen Fasern, welche zu einem Faserflor mittels Krempelverfahren gelegt, einer Vliesbildung unterzogen und anschließend thermisch verfestigt ist, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der WO 2011/101094 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Halbzeugs aus Faserverbundwerkstoff vorbekannt.
Der Faserverbundwerkstoff weist Fasern und wenigstens ein thermoplastisches Matrixmaterial auf. Aus faserhaltigen Abfällen oder Altteilen werden die vorerwähnten Fasern isoliert und mit thermoplastischen Fasern vermischt und in einem Krempelprozess flächig gelegt, so dass ein Faserflor erzeugt wird. In einem nachfolgenden Schritt erfolgt dann unter Wärmeeinwirkung die Ausbildung eines Plattenmaterials in Form eines Pressschritts.
Es ist bekannt, Carbonfaserstoffe als hochleistungsfähige Faserstoffbewehrung einzusetzen. Anwendungen liegen hier beispielsweise im Flugzeugbau, Schiffbau, Fahrzeugbau und in Windkraftanlagen. Durch die zunehmende Anwendung derartiger Stoffe nimmt die Menge an carbonfaserhaltigen Produktionsabfällen zu. benso entstehen Abfälle ausgedienter Altteile.
Mit der Lehre nach der WO 2011/101094 A1 wird vorgeschlagen, plattenförmige Halbzeuge aus Faserverbundwerkstoff auszubilden, wobei kostengünstig erhältliche Carbonfasern als Verstärkungsfasern einsetzbar sind.
Diesbezüglich werden aus carbonfaserhaltigen Abfällen oder Altteilen Carbonfasern, Carbonfaserbündel oder deren Mischung isoliert und diese mit thermoplastischen Fremdfasern vermischt. In einem Krempelprozess erfolgt ein flächiges Ablegen und Ausrichten derart, dass ein Faserflor mit einer gezielten Orientierung der Fasern in Längsrichtung erzeugt wird. In wenigstens einem nachfolgenden Schritt wird dann die bereits erwähnte Verpressung unter Wärmeeinwirkung zu einem Plattenmaterial vorgenommen. Da sich Carbonfasern nur schwer mittels herkömmlicher Krempeltechnik verarbeiten lassen und insbesondere eine Ausrichtung in eine Vorzugsrichtung problematisch ist, wird gemäß der WO 2011/101094A1 vorgeschlagen, eine Zumengung von textilen Fremdfasern, wie z. B. Polypropylen, vorzunehmen, um den Faserorientierungsgrad auch der Carbonfasern zu erhöhen. Es werden also Hilfsfasern zur gezielten Beeinflussung des Faserorientierungsgrads von Carbonfasern ausgenutzt.
Die orientierten Carbonfasern werden über den Anteil thermoplastischer Fasern durch Hitze in einen klebenden Zustand verbracht mit nachfolgender Verdichtung und Verpressung zur Plattenware und schlussendlicher Abkühlung. Um die gewünschten Eigenschaften des plattenförmigen Werkstoffs zu erreichen, erfolgt das Verpressen bei einem Druck von 400 N/cm², und zwar im Sinne einer Kompaktierung.
Ein solcher Verdichtungsprozess im Sinne eines Verpressens zum Erhalt von Plattenware führt jedoch dazu, dass die eingesetzten recycelten Kohlenstofffasern einer nicht akzeptablen Schädigung unterliegen. Trotz der hohen Presskräfte gelingt es mit dem Stand der Technik nicht, einen Verbundwerkstoff hoher Oberflächengüte zu schaffen.
Aus der DE 10 2013 226 921 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Vliesstoffs vorbekannt, wobei als einzige eingesetzte thermoplastische Komponente ein Faserstoff aus Polyhydroxyether Verwendung findet.
Die EP 1 772 258 B1 offenbart einen Laminataufbau eines Kunststoffteils mit groben Fasern von ≥ 10 dtex.
Bekannt ist darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen nach der EP 0 062 142 B1 . Dabei besteht der Verbundwerkstoff aus in einer thermoplastischen Matrix eingebetteten ausgerichteten Verstärkungsfasern, wobei ein Gelege aus den ausgerichteten Verstärkungsfasern und thermoplastischem Material hergestellt und das thermoplastische Material auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunkts erwärmt wird. Als Verstärkungsfasern kommen u. a. Kohlenstofffasern in Betracht.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes rollfähiges, d. h. aufroll- oder wickelbares textiles Vliesstoff-Flächenprodukt, bestehend aus einer Mischung aus recycelten Kohlenstofffasern und thermoplastischen Fasern, anzugeben, welches eines offenporige Vliesstruktur besitzt, so dass eine spätere weitere Behandlung, z. B. Tränkung mit einem Harz, in einfacher Weise möglich wird. Darüber hinaus soll das zu schaffende Vliesstoff-Flächenprodukt eingesetzte Kohlenstofffasern in ihrer ursprünglichen Konsistenz erhalten, d. h. es ist ein wesentliches Ziel, zum einen den Kohlenstofffaseranteil so hoch wie möglich zu halten, andererseits aber auch die erwähnten Tränkeigenschaften zu gewährleisten sowie eine Staubentwicklung durch ungebundene Faserstücke zu minimieren.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch ein rollfähiges textiles Vliesstoff-Flächenprodukt gemäß der Merkmalskombination des Anspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
Es wird demnach von einem rollfähigen und damit leicht handhabbaren textilen Vliesstoff-Flächenprodukt ausgegangen, das aus einer Mischung von recycelten Kohlenstofffasern und thermoplastischen Fasern besteht. Diese Mischung wird zu einem Faserflor mittels Krempelverfahren gelegt, einer Vliesbildung unterzogen und anschließend thermisch verfestigt, und zwar im Sinne einer Vorverfestigung.
Der Mischungsanteil der thermoplastischen Fasern liegt im Bereich von 5 Gew.-% bis 40 Gew.-% und der Kohlenstofffaseranteil im Bereich zwischen 60 Gew.-% und 95 Gew.-%, wobei die thermische Verfestigung zu Vermeidung von Kohlenstofffaserschäden unter niedrigem Druck von ≤ 20 N/cm² erfolgt derart, dass die gewünschte offenporige Vliesstruktur erhalten bleibt.
Die Faserfeinheit der eingesetzten Kohlenstofffasern liegt im Bereich ≤ 1 dtex. Die Schnittlänge der Kohlenstofffasern liegt im Bereich zwischen 30 mm und 80 mm.
Die Faserfeinheit der thermoplastischen Fasern liegt im Bereich zwischen 1,0 bis 4,0 dtex. Die Schnittlänge der thermoplastischen Fasern liegt im Bereich zwischen 30 mm und 70 mm.
Die Fasermischung wird einer Verfestigung durch Temperaturerhöhung im Bereich bis zu 200°C sowie anschließender Abkühlung unterzogen, wobei ein Aufschmelzen der thermoplastischen Fasern verhindert wird, jedoch die Fasern zur Verbindung mit den Kohlenstofffasern angeschmolzen werden.
Das erhaltene Vliesstoff-Flächenprodukt besitzt eine offenporige, gute Tränkeigenschaft, aber auch sehr gleichmäßige, eine hohe Qualität aufweisende Oberfläche.
Bei der Herstellung der Mischung von Kohlenstofffasern auf Reclyclingbasis mit polymeren, thermoplastischen Faserstoffen wird für eine homogene Verteilung der Stoffe im Faserflor gesorgt, um eine gleichmäßige Eigenschaftsausbildung des Vlieses zu gewährleisten.
Die Kohlenstofffasern werden durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen während des Verfestigungsprozesses nicht oder nur gering geschädigt, so dass es nicht zu einer Festigkeitsreduzierung im späteren Verbundwerkstoff sowie zu einer nachteiligen Staubentwicklung durch ungebundene Faserstücke kommt.
Wie bereits dargelegt, wird der Faserflor mittels Krempelverfahren erzeugt. Der Anteil an Kohlenstofffasern wird so hoch wie möglich gewählt, da insofern der beigemischte Anteil von Thermoplasten sich als Fremdkomponente darstellt. Als thermoplastischer Faseranteil kommen Fasern aus Polyamid, Polypropylen, Polyester oder anderen Materialien, aber auch Fasern auf der Basis einer Bikomponentenstruktur, vorzugsweise aus Polyethylenterephthalat zum Einsatz. Bei einer Bikomponentenfaser ist eine der Komponenten mit einem niedrigeren Schmelzpunkt versehen als die weitere, zweite Komponente.
Die eingesetzten recycelten Kohlenstofffasern können z. B. geschnittene Rovingreste, voraufgelöste Gelege- oder Gewebereste, Randabschnitte, Fasern, die aus Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffen stammen und dort mittels thermischer, chemischer oder sonstigen Aufbereitung zurückgewonnen wurden, sein.
Als Verfestigungseinheit kommt ein Heißkalander, ein Glättwerk, ein Bandkalander, eine Hemdkragenpresse, eine Bandpresse oder eine Heißmangel zum Einsatz, wobei eine Modifikation derartig erfolgt, dass der aufgebrachte Druck im Bereich ≤ 2 bar, d. h. ≤ 20 N/cm² liegt, um Faserschädigungen auf jeden Fall zu vermeiden.
Darüber hinaus werden im Vergleich zum Stand der Technik keine Prägemuster auf dem erhaltenen Material aufgebracht.
Die entstandene Ware wird erfindungsgemäß spannungsarm und schonend mittels eines Steigdockenwicklers aufgewickelt.
Das Gewicht des erhaltenen Vliesstoffs liegt im Bereich von 50 bis 200 g/m², vorzugsweise im Bereich zwischen 80 bis 150 g/m².
Die Festigkeitseigenschaften des Vliesstoff-Flächenprodukts sind im Vergleich zum Flächengewicht gering, allerdings weit mehr als ausreichend, um sowohl das gewünschte Aufwickeln als auch ein positives Handling bei der späteren Verarbeitung zu gewährleisten.
In Ausgestaltung der Erfindung können zusätzlich zum Kohlenstofffaseranteil weitere Komponenten an Hochleistungsfaserstoffen aus Recyclingprozessen eingemischt werden. Hier kann es sich beispielsweise um Aramidfasern, Glasfasern, Basaltfasern oder dergleichen handeln. Es ist jedoch dafür Sorge zu tragen, dass der Anteil an thermoplastischen Fasern von 5 Gew.-% bis maximal 40 Gew.-% beibehalten und nicht überschritten wird.
Zur Veränderung und Optimierung der Materialeigenschaften kann eine Nassausrüstung mit chemischen Substanzen auf dem Material vorgenommen werden, wobei mittels eines Trocknungs- und Fixierungsprozesses dann ein Ausreagieren dieser Substanzen erfolgt.
Das Vliesstoff-Flächenprodukt kann mit Harz vorimprägniert werden, um so ein Prepreg zu erhalten.
Mögliche Anwendungsbeispiele zur Nutzung des Vliesstoff-Flächenprodukts sind Einsatzfälle im Bereich des Kraftfahrzeugsektors, insbesondere des Interiors, die Sichtseitenabdeckung einer Motorhaube eines Kraftfahrzeugs, aber auch die Nutzung als Sandwichaufbau, als Füllstoff oder als Oberseite von Rotorblättern in Windkraftanlagen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Eine Fasermischung aus 90% Randschnitt einer Multiaxialgelegeproduktion und 10% Bikomponentenfasern auf Basis von Polyester werden vermischt. Diese Mischung wird mittels Krempelverfahren und Querleger zu einem Vlies gelegt. Anschließend wird das Vlies unter minimaler Druckeinwirkung und bei einer Temperatur < 200°C verfestigt. Der erhaltene Vliesstoff weist eine Festigkeit in Längsrichtung von > 1,7 N/cm² auf, und zwar bei einem Flächengewicht von 150 g/m². Der so erhaltene Vliesstoff dient als Faserverstärkung für eine Polyesterharzmatrix, welche dann zu einer Platte geformt eine 1A-Oberflächenqualität aufweist.
Bei dieser Behandlung werden die thermoplastischen Fasern nicht zur Gänze aufgeschmolzen oder verflüssigt, sondern lediglich angeschmolzen, um eine Verbindung bzw. Verklebung mit den Kohlenstofffasern zu bewirken.
Die niedrige Druckanwendung im Bereich ≤ 20 N/cm² führt nicht zu einer unerwünschten Verdichtung des Materials, sondern dient lediglich dazu, die Oberfläche des Materials zu glätten und die Verbindung zwischen den thermoplastischen Fasern und den Kohlenstofffasern zu unterstützen. Eine Faserschädigung wird durch diese Behandlung nahezu ausgeschlossen.
Die Florlage aus der Fasermischung unter Nutzung des Krempelverfahrens kann entsprechend möglicherweise gewünschter höherer Flächengewichte getäfelt werden. Die Verklebung der Fasern untereinander geschieht bei Temperaturen von bis zu 200°C.
Der erfindungsgemäße Vliesstoff kann als Flächenprodukt oder als Verstärkungsmaterial für sonstige Verbundwerkstoffe Verwendung finden, aber auch als Zwischenlage oder zur Strukturverstärkung in solchen Bereichen eingesetzt werden, wo keine Hochzugkräfte benötigt werden. Aufgrund der fehlenden Strukturierung und der hohen Faserauflösung werden Klasse A-Oberflächeneigenschaften erreicht. Da keine druckrelevante mechanische Befestigung vorliegt, stellt sich der erhaltene Vliesstoff als eine Alternativ zu nassverfestigten Vliesstoffen dar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/101094 A1 [0002, 0005, 0006]
DE 102013226921 A1 [0009]
EP 1772258 B1 [0010]
EP 0062142 B1 [0011]

Claims

Rollfähiges textiles Vliesstoff-Flächenprodukt, bestehend aus einer Mischung von recycelten Kohlenstofffasern und thermoplastischen Fasern, welche zu einem Faserflor mittels Krempelverfahren gelegt, einer Vliesbildung unterzogen und anschließend thermisch verfestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischungsanteil der thermoplastischen Fasern im Bereich von 5 Gew.-% bis 40 Gew.-% und der Kohlenstofffaseranteil im Bereich zwischen 60 Gew.-% und 95 Gew.-% liegt, wobei die thermische Verfestigung zur Vermeidung von Kohlenstofffaserschäden unter niedrigem Druck von ≤ 20 N/cm² erfolgt derart, dass sich eine offenporige Vliesstruktur ergibt.
Vliesstoff-Flächenprodukt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserfeinheit der Kohlenstoffeinzelfasern im Bereich ≤ 1 dtex und die Schnittlänge bei 30 mm bis 80 mm liegt.
Vliesstoff-Flächenprodukt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserfeinheit der thermoplastischen Einzelfasern im Bereich zwischen 1,0 dtex bis 4,0 dtex und die Schnittlänge bei 30 mm bis 70 mm liegt.
Vliesstoff-Flächenprodukt nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasermischung einer Verfestigung durch Temperaturerhöhung bis zu 200°C sowie anschließender Abkühlung unterzogen ist, wobei ein Aufschmelzen der thermoplastischen Fasern vermieden wird.
Vliesstoff-Flächenprodukt nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Florlage zur Erzielung höherer Flächengewichte getäfelt ist.
Vliesstoff-Flächenprodukt nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung bei niedrigem Druck eine Glättung der Materialoberfläche ohne nachteilige Verdichtung bewirkt.
Vliesstoff-Flächenprodukt nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Faserverstärkung für eine Polyesterharzmatrix ausgebildet ist.
Vliesstoff-Flächenprodukt nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung weitere Hochleistungsfaserstoffe wie Aramidfasern, Glasfasern und/oder Basaltfasern enthält.
Vliesstoff-Flächenprodukt nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erhaltene offenporige Vliesstruktur eine Harzvorimprägnierung aufweist.
Vliesstoff-Flächenprodukt nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Interieurbauteil im Kraftfahrzeugbereich ausgebildet ist.