DE2046432A1 - Verfahren zur Herstellung faserver starkter Bauteile - Google Patents

Verfahren zur Herstellung faserver starkter Bauteile

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Description

DIPL.-INQ. GÜNTHER EISENFÜHR 2046432
DIPL-INQ. DIETER K. SPEISER PATENTANWÄLTE
Neuanmeldung . 28 BREMENI
..,.,_. _„tl .. _ . .. BORGERMEISTER-SMIDT-STR.ie
ANMELDERNAME: AlT LOglStlCS Corporation !TRINIDAD-HAUS)
TELEFON: (0421) SI «77 TELEGRAMME: FERROPAT
BREMER BANK 1009072 UNS. ZEICHEN· A 53 POSTSCHECK HAMBURG 255767
datum: 14. September 1970
Air Logistics Corporation, eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates Californien, 3600 East Foothill Boulevard, Pasadena, Calif. (V. St. A.)
Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Bauteile
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen mit parallelem Faserverlauf.
Faserverstärkte Materialien, welche in der Natur als Hölzer und Gräser, z. B. als Rohrholz, Schilf und Bambus vorkommen, sind ausgezeichnete natürliche Baumaterialien. Sie besitzen aufgrund der langen, dünnen Pasern aus Lignin, welche mit einem harzhaltigen Einbettungsmaterial zusammengehalten werden, ein ausgezeichnetes Verhältnis von Stabilität zu Gewicht. Dieses Material hat viele Vorteile gegenüber homogenen Materialien, welche für denselben Zweck Verwendung finden. Die Fasern sind allgemein parallel und durch ein Einbettungsmaterial zusammengehalten, welches Belastungen in Querrichtung von einer Faser zur anderen überträgt. Wenn eine oder mehrere Fasern brechen,
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werden die Spannungen zu benachbarten und intakten Pasern übertragen. Aufgrund dieser Wirkungsweise halten faserverstärkte Materialien auch solchen Belastungen stand, welche bei homogenen Materialien wie Glas oder gehärtetem Stahl häufig zum Bruch führen.
Bei dem Versuch, festere und leichtere Materialien als diejenigen, welche in der Natur vorkommen, herzustellen, wurden natürliche und synthetische Pasern durch natürliche und synthetische Einbettungsmaterialien miteinander verbunden. Ausgezeichnete Ergebnisse ergaben sich bei der Verwendung von Glas, Bor, Kohle und Einkristall-Metallfasern in polymeren, keramischen und metallischen Einbettungsmaterialien.
Die Stabilität bzw. Festigkeit des Endprodukte wird jedoch weitgehend von der geraden und parallelen Anordnung der hochfesten Pasern beeinflußt. Der Grund hierfür liegt darin, daß die verstärkenden Pasern eine Zugfestigkeit im Bereich von etwa 21.000 kp/cm bis mehr als 70.000 kp/cm haben, wohingegen die Bindemittel gewöhnlich Zugfestigkeiten von nur etwa 700 bis etwa 1400 kp/cm besitzen. Daher sollte eine an das Endprodukt angelegte Last in erster Linie von den hochfesten Pasern getragen bzw. aufgenommen werden. Wenn diese jedoch einerseits nicht gerade und andererseits nicht parallel und in Richtung der angelegten Kraftkomponente angeordnet sind, so ist die Kraft bzw. Last weitgehend durch das Einbettungsmaterial aufzunehmen, welches aufgrund seiner geringeren Stabilität und Zugfestigkeit leichter zu Bruch gehen kann. Aufgrund von Rissen und Bruchstellen wird die Last ungleichmäßig auf die Pasern übertragen, was ein Reißen oder Zubruchgehen der die Last aufnehmenden Pasern aufgrund einer Überlastung oder eines inneren Abriebs zur Folge haben kann. Dies wiederum führt schließlich zu einem Bruch oder zur Zerstörung des Gesamtbauteils.
Die Stabilität und Zugfestigkeit von glasfaserverstärkten Kunststoffen ist aufgrund der kurzen Längen der Pasern normalerweise gering. Es wurden bereits glasfaserverstärkte Schichtbaustoffe aus verwebten Vorgespinsten oder Gewebematerialien hergestellt,
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die jedoch ebenfalls bezüglich der Fasern selbst von vergleichsweise geringer Zugfestigkeit bzw. Stabilität sind, da die Glasfasern sinusförmig geführt sind und sich unter Spannung strecken-, so daß die Zugspannung von den Fasern auf das Harzbindemittel übertragen wird.
Die Verwendung von glasfaserverstärkten Kunststoffen, deren Fasern verdreht bzw. verzwirnt sind, führt zu einem Baustoff bzw. -teil mit erheblich verbesserter Stabilität bzw. Zugfestigkeit, die einige hundert Prozent über derjenigen der zuvor besprochenen verstärkten Kunststoffe liegt. Die Erhöhung der Zugfestigkeit ist in erster Linie darauf zurückzuführen, daß die Fasern unter Spannung verdreht werden und daher gerade und gewöhnlich parallel verlaufen, da die beim Verdrehen des Fadens verwendeten Materialien gerade Vorgespinstfasern sind.
Zur Herstellung der Endprodukte, z. B. Platten, Rohre, Winkelstücke, Rinnen und dergleichen aus faserverstärkten Kunststoffen können die verstärkenden Fasern auch unter Spannung auf eine Oberfläche aufgelegt werden, um alle Fasern parallel zu halten. Wenn jedoch Belastungen in mehr als einer Richtung aufgenommen werden müssen, so bedarf es eines Schichtbaustoffes aus übereinander angeordneten Lagen paralleler Fasern, welche nach der Richtung der angelegten Lasten orientiert sind.
Fortlaufende verstärkte Fasern werden gewöhnlich von Spulen oder ähnlichen Anordnungen zugeführt, auf denen sich die Faser "setzen" oder "marzellieren", d. h. in Windungen oder Wellen legen,konnte. Daher erhält die Faser einen bleibenden schraubenlinienförmigen oder sinusförmigen Verlauf. Wenn auch eine Fasergruppe während des üblicherweise Verwendung findenden Harz-Beschichtens unter Spannung parallel gehalten wird, so bleiben die Fasern nur so lange gerade und parallel, wie die Spannung aufrecht erhalten wird. Es wurde bisher noch keine annehmbare Lösung dafür gefunden, die Fasern gerade und unter Spannung zu halten, wenn mehrere Faserlagen übereinander gelegt werden sollen, um eine hohe St'abilität in mehreren Richtungen zu gewährleisten.
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• Man hat bereits versucht, ein Bindemittel in einem leicht flüchtigen Lösungsmittel zu verwenden, welches einen Restfilm aus teilweise ausgehärteten Harzen auf der Paser zurückläßt. Nachteile ergaben sich jedoch daraus, daß einige der Paserstränge normalerweise mit einem kontinuierlichen Film des Harzbinders überzogen wurden, der verhinderte, daß das nachfolgend aufgetragene Harz-Einbettungsmaterial die Einzelfäden eines Vorgespinststrangs vollständig überzog bzw. benetzte. Der Harzbinder ist für gewöhnlich nicht genügend fest, um die Fasern während der Behandlung zusammenzuhalten und ein Trennen der Fasern zu verhindern. Außerdem ist es unzweckmäßig, eine Reihe von Lagen bzw. Schichten paralleler Pasern vollständig zu imprägnieren, da der Kapillarfluß verzögert wird. Der Versuch, diesem Problem durch die erneute Verflüssigung des Harzes zu begegnen, scheitert daran, daß die Fasern nach dem Nachlassen der Spannung ihre parallele Anordnung verlassen und in die zuvor eingeprägte wellen- bzw. sinusförmige Konfiguration zurückkehren.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Herstellung von faserverstärkten Grundmassen, welche parallele Fasern enthalten, dadurch erleichtert werden kann, daß man eine oder mehrere vorgeschichtete Lagen von parallelen Fasern bildet, welche mit gewisser Spannung durch eine Vielzahl von Harzbrücken bzw. -bindungen miteinander verbunden sind. Zu diesem Zweck wird eine bestimmte Menge eines feinkörnigen besonderen Harzes über eine aus parallelen Fasern bestehende gespannte Bahn verteilt, die Bahn, unter Spannung durch eine Heizzone geführt, in welcher die Teilchen zum Schmelzen gebracht werden und eine aus Brückenverbindungen bestehende Klebverbindung zwischen zwei oder mehreren benachbarten Fäden hergestellt wird, worauf die Harzbrücken ausgehärtet werden, bevor die Spannung nachgelassen wird. Die sich daraus ergebende vorgeschichtete Struktur ist im wesentlichen ein offenes und unter innerer Spannung stehendes Gitterwerk aus parallelen Fasern, in welchem vorgeformte Durchlässe vorhanden sind, die dem nachfolgenden Fluß eines Füllstoffs dienen, wenn ein aus einer oder mehreren Lagen bestehendes, durch parallele Fasern verstärktes Bauteil hergestellt werden soll.
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Erfindungsgemäß ist eine aus parallelen Pasern bestehende Vorschicht bzw. Lage für den Aufbau von faserverstärkten Bauteilen vorgesehen, wobei die Fasern in ihrer gegenseitig parallelen Anordnung unter gewisser Spannung durch Harzbrücken gehalten werden, welche ein Zerreißen der Parallelanordnung während der nachfolgenden Herstellungsschritte eines faserverstärkten Bauteils verhindern.
Der hier Verwendung findende Begriff "Harz" umfaßt sowohl anorganische als auch organische Stoffe, welche mit den Pasern verträglich sind und an ihnen haften, die außerdem bei Zimmertemperatur normalerweise fest sind und bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der Pasern schmelzen.
Die genau faserparallelen Bauteile werden erfindungsgemäß wie folgt hergestellt: Man bildet eine Bahn aus parallelen Fasern, hält die parallelen Pasern unter einer gewissen Spannung, verteilt Harzteilchen über die Oberfläche der parallelen Pasern, schickt die Bahn durch eine oder mehrere Heizzonen, um die Harzteilchen zum Schmelzen zu bringen und die brückenartigen Bindungen zwischen wenigstens benachbarten Fäden herzustellen, danach härtet man die Harzbrücken aus, bevor die Bahn wieder entspannt wird. Es ergibt sich ein aus parallelen Fasern bestehendes Bauteil, dessen Pasern durch innere Spannungen parallel gehalten werden, wobei die inneren Spannungen einer Rückkehr der E-inzelfasern zu den "Marcelle-·· bzw. Wellenfo.rmen entgegenwirken.
Obwohl in der Praxis die Erfindung auf die Herstellung von Brückenstrukturen aus irgendeinem beliebigen Fasermaterial anwendbar ist, sind die folgenden Erläuterungen insbesondere auf die Herstellung von Parallelfaser-Bauteilen aus Glasfasern abgestellt. Eine Bahn aus geraden, parallelen Pasern wird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß man die zur Bildung einer Bahn der gewünschten Breite und Dicke erforderliche Anzahl von Spulen bzw. Haspeln aus Glasfasern auf einem Spannrahmen oder Aufsteckgatter anbringt, von dem einzelne Stränge zur Bildung der Bahn unter Spannung abgezogen werden. Diese Glasfaserfäden sind vorzugsweise mit einer
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Flüssigkeit überzogen, welche ein Schutzmittel für die Glasoberfläche und ein geeignetes Kupplungsagens zur Förderung der gegenseitigen Adhäsion zwischen dem Glas und dem zu verwendenden Harz-Einbettungsmaterial enthält.
Danach wird eine abgemessene Menge von körnigem Harzmaterial gleichmäßig über die Bahn aus geraden und parallelen Fasern verteilt. Die Menge des zu verteilenden körnigen Harzmaterials ist nicht sehr kritisch, muß jedoch ausreichend sein, um die zur Erreichung des vorgesehenen baulichen Zusammenhalts unter den Fasergruppen erforderliche Anzahl von in gegenseitigem Abstand stehenden Kapillarbrücken zwischen den Kontaktoberflächen der zylindrischen parallelen Fasern bilden zu können. Andererseits darf die Harzmenge nicht so groß sein, daß alle zylindrischen Kontaktflächen zwischen den Fasern benetzt bzw. imprägniert werden. Vorzugsweise sollte die Menge des kornförmigen Harzes so gewählt sein, daß die gegenseitigen Abstand habenden Kapillarbrücken zwischen etwa 50 i» oder weniger der zylindrischen Kontaktflächen der Fasern gebildet werden. Da die Harzteilchen nach der Erwärmung zwischen benachbarten Fasern fließen und im Idealfall nur sehr kleine Brücken bilden, ist die für die Gesamtfläche der Bahn erforderliche Harzmenge wesentlich geringer als die gesamte Kontaktfläche zwischen benachbarten zylindrischen Fasern, welche die Bahn bilden.
Die Aufbringung der Harzteilchen kann manuell, z. B. unter Verwendung eines Schüttelgeräts, und mechanisch erfolgen, indem man z. B. eine Bahn durch eine Zone, in welcher der granulatförmige Harz unter Fließbettbedingungen gehalten wird, mit einer solchen Geschwindigkeit leitet, daß sich die gewünschte Menge an Harzteilchen auf der Bahn ansammeln kann. Auch ein elektrisches .Verfahren zum Niederschlagen der Harzteilchen kann verwendet werden, da die Fasern normalerweise eine Oberflächenladung besitzen. Körnige Harzteilchen können auf der Oberfläche unter Neutralisation der Oberflächenladung abgelagert werden, indem man eine Vorrichtung, beispielsweise in Art eines Oxy-Dry-Sprühers ver-
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wendet, der gewöhnlich zum Aufbringen von Stärketeilchen beim Offsetdrucken Verwendung findet.
Die zu verteilenden Harzteilchen können warm-aushärtbar oder thermoplastisch sein und können aus gleichem, ähnlichen oder nicht-ähnlichen Material wie die zu verwendende Einbettungsmasse bzw. Matrix bestehen. Die Harzteilchen sollten jedoch ausreichend verträglich mit dem Einbettungsmaterial sein, damit eine Adhäsion am Brückenpunkt stattfindet.
Zum Zwecke der Erläuterung, jedoch ohne die Erfindung hierauf zu beschränken, werden die folgenden, im Rahmen der Erfindung verwendbaren thermoplastischen Harze genannt: Azetalharze; Acrylharze, wie Methacrylsäure-methyl-ester, Methacrylsäuremethyl-ester/Styrol-Mischpolymerisate; Amid-Polymerisate; Zellulose Harz; Äthylen-Polymerisate, wie Polyäthylen, Äthylen-vinylchlorid-Mischpolymerisate und Äthylen/Norbanen-Mischpolymerisate; Propylen-Polymerisate, wie Polypropylen und Äthylen/Propylen-Mischpolymerisate; Polycarbonate; Polyäther; Polysulfone; Polyurethane; Styrol Polymerisate, wie Acrylnitril-Styrol-Butadien Komplexe; Vinyl-Polymerisate, wie Polyvinylchlorid, Polyvinylazetat und ähnliche Thermoplaste, wie sie üblicherweise als Einbettungsmaterial für faserverstärkte Teile Verwendung finden.
Ebenfalls nur beispielsweise werden als warmaushärtende Polymerisate normalerweise feste, härtbare Epoxidharze genannt, wie solche auf der Basis von Bisphenol "A" und epoxidiertem Cyclopentadien; ferner Phenol-formaldehyd-Harze; Diallyl-phthalat-Harze; Melamin-formaldehyd-Harze; Phenol-furfural-Harze; Urethan-Harze und ähnliche warmaushärtende Harze, wie sie als Einbettungsmaterial in faserverstärkten Bauteilen Verwendung finden.
Die Bahn und die darauf aufgebrachten Harzteilchen werden sodann erhitzt, um die Harzteilchen zum Schmelzen zu bringen und Haftbrückenstellen zwischen zwei oder mehr benachbarten parallelen ' Pasern herzustellen. Die Brückenstellen werden sodann ausgehärtet, um das erfindungsgemäße parallele Fasernetzwerk zu schaffen.
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Bei Verwendung von thermoplastischen Harzen wird die Aushärtung durch einfaches Abkühlen der Harzbrücken vor dem Entspannen der Fasern erreicht. Im Falle von warmaushärtenden Harzen werden die Brücken entsprechend dem verwendeten warmaushärtenden Material ausreichend lange ausgehärtet, damit die Querverbindungs-Reaktion, welche normalerweise warmaushärtendem Harz eigen ist, auftreten kann.
Sobald die Harzbrücken hergestellt und erhärtet sind, wird die an den Fasern anliegende Spannung entfernt. Bei einer kontinuierlichen Betriebsweise, bei der das aus parallelen Fasern bestehende Gitter- bzw. Netzwerk kontinuierlich hergestellt wird, kann die sich ergebende Bahn in beliebige Formen und Größen, je nach dem nachfolgenden Aufbau der faserverstärkten Bauteile zerschnitten werden. Das Verfahrensprodukt ist ein normalerweise flexibles Bauteil, in welchem die parallelen Fasern mit anderen Fasern verbunden sind, um einen Vorproduktstrang durch zufällige und intermittierende Bindungsbrücken zu bilden, welche den Zusammenschluß aufrecht erhalten und gleichzeitig den Zustrom von flüssigem Einbettungsharz in die Fadenzwischenräume gestatten. Die Harzr brücken verhindern eine seitliche Bewegung der Fäden infolge "Auswaschens" des flüssigen Harzes in nachfolgenden Preß- und Formvorgängen und dienen dadurch der Herstellung eines verbesserten Laminats mit parallelen Verstärkungseiementen in jeder der verstärkenden Schichten bzw. Lagen.
Da nur ein kleiner Teil des Harzes tatsächlich zur Herstellung des Verbunds zwischen den parallelen Fasern verwendet wird, bleibt das sich ergebende Vorprodukt flexibel und kann in irgendeine beliebige Form gebracht werden. Um ein verstärktes Faeerbauteil aus dem bahnförmigen Vorprodukt herzustellen, bedarf es nur eines Aufbaue einer beliebigen Zahl von Faserlaminaten bzw. -lagen auf einer Arbeitsfläche, wobei die Faserlagen nach den Richtungen der angenommenen oder vorgesehenen Kraftvektoren orientiert werden. Eine oder mehrere Matten können in einer Reihe, unter einem rechten Winkel oder unter irgendeinem Winkel zueinander angeordnet
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werden. Sobald die gewünschte Zahl von Matten auf der Arbeitsfläche angeordnet worden ist, wird ein flüssiger Einbettungsharz aufgebracht und durch die FaserZwischenräume derart geleitet, daß er alle in der Gesamtanordnung enthaltene Pasern vollständig benetzt. Danach wird die Gesamt anordnung vorzugsweise gepreßt und im Falle der Verwendung eines thermoplastischen Einbettungsmaterials abgekühlt oder bei Verwendung eines warmaushärtenden Einbettungsmaterials einem Aushärtprozeß unterzogen. Obwohl der thermoplastische oder warmaushärtende Harz vorzugsweise gleich dem zur Herstellung der Brücken verwendeten Harz ist, ist diese Bedingung jedenfalls dann nicht erforderlich, wenn das resulierende Einbettungsmaterial mit den Harzbrücken bis zu einem gewissen Grad verträglich ist, damit keine Ausgangsstellen für Brüche gebildet werden.
So kann beispielsweise ein glasfaserverstärktes Rohr von außergewöhnlicher axialer Stabilität und Zugfestigkeit dadurch hergestellt werden, daß man eine längliche Bahn um einen Dorn rollt, wobei die Fasern in Axialrichtung verlaufen, und danach einen Einbettungsharz aufbringt.
Ein Rohr mit zueinander proportionalen axialen und radialen Zugfestigkeiten kann in ähnlicher Weise dadurch hergestellt werden, daß man eine ziemlich dünne kontinuierliche Bahn unter einem entsprechenden Winkel zur Dornachse um einen Dorn wickelt und danach den Einbettungsharz aufträgt. Selbstverständlich bestimmt der Wickelwinkel die relativen axialen und radialen Zugfestigkeiten bzw. Stabilitätseigenschaften des Rohrs.·
Wenn auch das erfindungsgemäße Verfahren für glasfaserverstärkte Bauteile beschrieben wurde, ist ohne weiteres verständlich, daß auch die Herstellung von faserverstärkten Bauteilen aus anderen · Materialien, z, B. aus keramischem Material, Metallen und Einkristallen durch die Erfindung gedeckt wird.
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Die Erfindung bezieht sich ferner auch auf andere Einbettungssysteme, z. B. keramische Stoffe, homogene Metalle, Schaumstoffe und dergleichen.
Die Erfindung besteht also im wesentlichen in folgendem: Parallele Pasern werden durch Harzbrücken miteinander verbunden, um die Aufrechterhaltung der Parallelität der Pasern während der Herstellung von aus mehreren Lagen bestehenden faserverstärkten Bauteilen zu gewährleisten.
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Claims (8)

  1. Ansprüche
    1 j Verfahren zum Herstellen von Bauelementen mit parallelen Fa-Jern, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bahn mit in geringem Abstand zueinander verlaufenden parallelen Fasern gespannt wird; daß körnige Harzteilchen über die Bahn verteilt werden; daß die-. Harzteilchen sodann bis über ihren Schmelzpunkt erwärmt werden, · um eine Vielzahl von brückenartigen Klebeverbindungen zwischen den die Bahn bildenden Fasern entstehen zu lassen; und daß die Harzbrücken vor dem Entspannen der Bahn zum Aushärten gebracht werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgebrachte Menge an körnigem Harz so bemessen wird, daß Brücken verbindungen zwischen bis zu 50 $> benachbarter Faseroberflächen hergestellt werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Pasern Glasfasern verwendet werden.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Harz ein thermoplastischer Harz verwendet wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Harz ein warmaushärtender Harz verwendet wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Harz ein warmaushärtender Epoxidharz ist.
  7. 7. Nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestelltes Bauelement mit parallelen Fasern, gekennzeichnet durch benachbarte parallele Fasern verbindende Harzbrücken.
  8. 8. Verwendung von nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1· bis 6 hergestellten Bauelementen aus durch Harzbrücken verbundenen parallelen Fasern als Verstärkungselemente von faserverstärkten Bauteilen.
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    ORIGINAL INSPECTED
DE2046432A 1969-10-14 1970-09-21 Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Bauelemente Expired DE2046432C3 (de)

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