DE2143070A1

DE2143070A1 - Verfahren zur Herstellung ver starkter Kunststoffmateriahen

Info

Publication number: DE2143070A1
Application number: DE19712143070
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Chesterton Cambridge Fairbairn (Großbritannien) B29d23 12
Original assignee: Ciba Geigy AG
Current assignee: Novartis AG
Priority date: 1970-08-27
Filing date: 1971-08-27
Publication date: 1972-03-02
Also published as: FR2103558A1; GB1350897A; FR2103558B1; US3715252A; CH546137A

Description

Verfahren zur Herstellung verstärkter Kunststoffmatcrialien

Die Erfindung /betrifft faserverstärkte Kunststoffmaterialien, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Gefügen bzw. zusammengesetzten Materialien aus faserverstärkten Kunststoffmaterialien und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahren. - .

Kunststoffmaterialien, die mit Fasern, "besonders mit Glasfasern, verstärkt sind, haben eine beachtliche technische Bedeutung erlangt. Die bemerkenswerten Festigkeitseigenschaften von Körpern, die kontinuierliche Fasern oder Filamente, eingeschlossen in einer Matrix aus harzförmigem Material, enthalten, werden in dem Verfahren, das als Filmentwicklung bekannt ist, verwendet. Bei diesem Verfahren besteht die Verstärkung aus filamentartigen, nicht-metallischen Mer metallischen Materialien in faser- oder in bandförmigem Fcrm. Kürzlich wurden andere Fasern außer Glasfasern bei den Filamentwicklungen verwendet, wobei es besonders zweckdienlich ist, diese in Form eines Bandes, das

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mit der Harzzusammensetzung imprägniert ist, einzusetzen, 'lypischerweise können diese Fasern aus Kohlenstoff, Bor, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxyd oder Metallen (einschließlich Metalldrähten, die mit Glas überzogen sind) bestehen. Die Bänder enthalten kontinuierlich ausgerichtete Fasern, die mit einer Harzzusammensetzung imprägniert sind, die in Form einer viskosen Flüssigkeit oder in Form eines dünnen kontinuierlichen festen Films aufgebracht und dann in den B-Zustand vorverlängert wurden bzw. in den B-Zustand überführt wurden.

Um annehmbare Wicklungen bzw. Windungen herzustellen, ist es oft erforderlich, die Viskosität der Harzzusammensetzung durch Anwendung von Wärme zu vermindern. Das erwärmte Band wird so um die Formvorrichtung gelegt, daß es unter Spannung steht, und dann .wird die Harzzusammensetzung gehärtet. Das Band enthält einen Überschuß an Harzzusammensetzung, bezogen auf die Menge, die erforderlich ist, um die Fasern festzuhalten, und wenn das Band um den Formgeber unter Zug gewickelt wird, neigt dieser Harzüberschuß dazu, an die äußere Oberfläche der Wicklung zu. wandern, wobei er irgendwelche Luft, die während der Herstellung des Bandes darin eingeschlossen war, mit sich führt.

Diese Wanderung des Harzes an die äußere Oberfläche der Wicklung kann jedoch Nachteile in dem fertigen, gewickelten Produkt mit sich bringen. Der erste dieser Nachteile besteht darin, daß eine seitliche Verschiebung der nachfolgenden Schichten austritt, was mit sich bringt, daß ungleichmäßige Wickelung vorhanden ist, und der zweite besteht darin, daß zwischen den Windungen Hohlräume aus Harzzusammensetzung vorhanden sind, die nicht durch das faserartige Material verstärkt sind. Ein drittel Nachteil wird durch die Anwesenheit von Lufthohlräumen bewirkt, die dadurch entstehen, daß die Luft aus einer Wicklungsschieht entfernt und unter der folgenden Wicklungsschieht festge-

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halten wird. Diese Wachteile ergeben ein Produkt, das nicht vollkommen ist und das beim Gebrauch keine ausreichende Beständigkeit bzw. Widerstandsfähigkeit auf v/eist.

Um diese Nachteile au überwinden, ist es erforderlich, den Überschuß an viskoser Harzzusammensetzung zu entfernen. Bedingt durch die hohe Viskosität der Harzzusammensetzung, ist diese Entfernung jedoch schwierig. Eine Abkratzvorrichtung wie ein Rakelmesser würde mindestens einen Teil des faserartigen Materials zusammen mit dem Harz entfernen, was eine Deformation des zurückbleibenden, faserförmigen Materials mit sich bringen würde.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß dem überschüssige viskose Harzzusammensetzung aus einer Wicklung entfernt werden kann, ohne daß die fasecförmige Schicht, die bereits abgeschieden ist, beschädigt wird. Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein Verfahren gemäß dem verdrehte, lose Enden der Fasern wieder angeordnet und geglättet werden, wobei man eine Oberfläche erhält, die geeignet ist, daß man weitere Schichten aus filamentartigem Material, verbunden in einer Harzzusammensetztingsmatrix, anbringen kann.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen, die mit Filamenten umwunden sind, aus einem Band, das eine Vielzahl von Faserkabelrt, insbesondere Kohlenstoffasern, die mit einer Harzzusammensetzung imprägniert sind, enthält, wobei das Band bzw. die Streifen unter Spannung auf eine Formvorrichtung gelegt werden, wobei eine Wicklung mit solcher Geschwindigkeit und bei solchen Temperaturen gebildet wird, daß überschüssige Harzzusammenoetzung in dem Band auf die äußere Oberfläche der Windung fließt und, bevor die nachfolgenden Schichten aufgebracht werden, wird die überschüssige Harzzusammensetzung von einer hohlen Walze, die an ihrer Oberfläche perforiert ist, abgenommen, wobei die überschüssige Harzzusammen-

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- 4 -setzung von der Wicklung entfernt wird.

Vorzugsweise wird die perforierte Walze bzw. die perforierte Rolle auf solche Weise bewegt, daß die Peripherie in gleicher Richtung, aber schneller als die Wicklung läuft, mit der sie in Kontakt ist. Auf diese V/eise wird die Wicklung geglättet und lose Faserenden werden korrekt ausgerichtet.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung, um überschüssige Harzz'usammensetzung von der oberen Oberfläche einer Filmentwicklung zu entfernen, die enthält Mittel, um das mit einer Harzzusammensetzung imprägnierte Band auf einerdrehbaraiFormwalze zu führen, Mittel, um die Formwalze zu drehen, Mittel, um das harzimprägnierte Band auf die Formvorrichtung aufzuwickeln, wobei eine Filamentwicklung gebildet wird, eine hohle, drehbare Walze mit einer perforierten Oberfläche, die so befestigt ist, daß sie die Filmentwicklung kontaktiert,und Mittel, um überschüssige Harzzusammensetzung von der hohlen Walze abzunehmen. . ·

Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Gesamtansicht im Schnitt, in der eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt ist.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine Walze, die bei der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform verwendet wird.

Fig. 3 und 3A sjuid Schnitte von Walzen, die bei bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen verwendet werden.

Fig. 4 zeigt die Anordnung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, die nützlich ist, wenn das Band schraubenförmig bzw. spiralförmig um eine Formvorrichtung gewickelt ist.

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Anhand von Pig. 1 wird eine erfindungsgemäße Ausführungsforrn näher erklärt. Ein Band aus"faserförmigem Material, das mit einer viskosen flüssigen Harzzusammensetzung imprägniert ist, wird durch "bekannte Vorrichtungen (die nicht gezeigt werden) erwärmt und das erwärmte Band wird unter Spannung auf eine rotierende Formvorrichtung oder auf eine Spindel 2 aufgewickelt. Wenn sich die Spindel dreht, fließt überschüssiges Harz an die äußere Fläche der Wicklung 3 und gerade "bevor eine weitere Schicht Band aufgebracht wird, wird die Wicklung mit der perforierten Walze 4 kontaktiert, die das überschüssige Harz entfernt, wodurch es möglich wird, daß man das Band 1 direkt auf die Faserverstärkung der vorherigen Schicht aufbringen kann. Die Walze 4 kann allein durch Heibung mit der rotierenden Oberfläche der Wicklung angetrieben werden, oder sie kann unabhängig bewegt werden, so daß die peripheren Geschwindigkeiten der sich berührenden Oberflächen entweder gleich sind oder so, daß die Geschwindigkeit der perforierten V/alze 4 größer ist als der Filmentwicklung 3. Me Stelle, an der die perforierte V/alze 4 angebracht iat, in Bezug auf die Wicklung 3 kann variieren, aber vorzugsweise wird die überschüssige Harzzusammensetzung entfernt, gerade bevor die nächste Bandschicht aufgelegt wird. Es ist jedoch wesentlich, daß das Band in Kontakt mit der Formvorrichtung oder der Spindel ist während einer Zeit, die ausreicht, daß das Harz an die äußere Oberfläche der Wicklung fließen kann, bevor die Wicklung in den Spalt zwischen der Formvorrichtung und der perforierten Walze eintritt. Es ist daher bevorzugt, die perforierte Walze 4 so anzubringen, daß sie die Oberfläche der Wicklung unmittelbar, bevor die nächste Bandschicht aufgebracht wird, berührt.

In Pxg. 2 wird eine Form der perforierten Walze gezeigt. Die V/alze rotiert um die Achse AA und um die gesamte äußere Oberfläche 21 der Walze sind Hohlräume 22 angebracht, die in Richtung der horizontalen Achse der Walze führen. Die

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Lage dieser Hohlräume ist nicht kritisch, und sie kann entsprechend den "bestimmten Umständen variiert werden.

In Fig. 3 wird ein Querschnitt einer Walze gezeigt, die in Pig. 2 gezeigt wurde, entlang der Linie BB₁ wohingegen in Pig. 3A ein Querschnitt der Walze entlang der Linie AA gezeigt ist. Die äußeren Hohlräume 22 sind 'über Kanäle 32, die parallel zu der Rotationsachse der Walze angebracht sind, verbunden. Die Badzusammensetzung, die in die Hohlräume 22 eindringt, wird durch hydrostatischen Druck der weiter eindringen Harzzusammensetzung durch die Verbindungsleitungen 31 in die Kanäle 32 geleitet und entlang diesen zu den Enden der Walze geführt, wo sie durch bekannte Vorrichtungen wie durch Abstreifmesser entnommen werden kann.

Eine weitere Variation des Verfahrens wird in Fig. 4 dargestellt, wobei das Band 41 spiralförmig auf eine Formvorrichtung 42 aufgewickelt wird. Bedingt durch die Zeit, die vergeht, bia eine Windung auf die andere aufgelegt wird, hat man gefunden, daß es zweckdienlich ist, die Walze 43 in einer solchen Stellung anzubringen, daß sie die Windung kurz, nachdem die Windung hergestellt wurde, berührt und nicht gerade, bevor die nächste Schicht aufgelegt wird. Die tatsächliche Lage der Walze hängt von den besonderen Umständen ab, aber es wurde gefunden, daß im allgemeinen eine zufriedenstellende Entfernung an überschüssiger Harzzusammensetzung erreicht wird, wenn die Walze 43 in Kontakt mit der Windung steht, unmittelbar nachdem diese angebracht wurde.

Die perforierte Walze kann aus irgendwelchen bekannten Materialien, die von der geschmolzenen Harzzusammensetzung nicht angegriffen werden, bestehen, und an denen die Harzzusammensetzung nicht stark haftet. Wegen der leichten Herstellung und des allgemeinen robusten Verhaltens sind Walzen aus Polytetrafluoräthylen bevorzugt. Die Hohlräume

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können kreisförmig oder sie können verlängert sein und Schlitze bilden, sie können symmetrisch oder auf Randomart angeordnet sein. Obgleich die Art und die Anordnung der Hohlräume nicht kritisch ist, ist es wichtig, daß die Hohlräume nicht so groß sind. Die Verwendung kleiner Hohlräume hilft, daß die Harzzusaminensetzung in die Verbindungskanäle fließen, und stellt sicher, daß die Oberflächen der Walzen glatt ist, wodurch verhindert wird, daß die fragile, faserförmige Verstärkung beschädigt wird.

Die perforierte Walze muß auf ungefähr die gleiche Temperatur wie die rotierende Formvorrichtung oder Spindel erwärmt werden. Dies kann man dadurch erreichen, daß man die Walze entweder unabhängig erwärmt oder vorzugsweise, indem man die Walze mit der Formvorrichtunggseiniieit in Kontakt hält, bis sie die gleiche Temperatur wie die Formvorrichtung besitzt, bevor das Aufwickelverfahren beginnt.

Bänder, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Filamentwickelverfahren verwendet werden, sind im allgemeinen im Handel erhältlich, und sie enthalten Glas, Bor, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxyd, Metall, das in Glas eingekapselt sein kann, und besonders kohlenstoffaserförmige Verstärkungen in einer Harzmatrix. %

Geeignete Harze, die bei dem Verfahren verwendet werden können, schließen ein einfache, wärmehärtbare Harze wie ein Epoxydharz (d.h. eine Verbindung, die im Durchschnitt mehr als 1,2-Epoxydgruppen pro Molekül enthält), ein Resol, das aus einem Phenol wie Phenol selbst und einem Aldehyd wie Formaldehyd gebildet wurde, einen ungesättigten Polyester, ein Siliconharz, ein Melaminharz oder ein Furanharz, oder illschungen aus wärmehärtbaren Harzen. Vorzugsweise enthalten sie ein thermoplastisches Harz, das nicht wärmehärtbar ist. Beispiele von solchen Zusammensetzungen sind Resole mit als thermoplastische Komponente einem Polyvinylacetal

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oder einem Nylon, ein Novolack, gebildet aus einem Phenol wie Phenol selbst und Formaldehyd oder einem anderen Aldehyd, mit einem Neoprenkautsch.uk oder einem Aerylnitrilkautschuk und Epoxydharze mit einem Phenoxyharz (d.h. einem PoIyarylenpolyhydroxypolyäther, der im wesentlichen frei von 1,2-Epoxydgruppen ist und der ein Mischpolymerisat eines zweiwertigen Phenols mit entweder einem Diglycidyläther eines zweiwertigen Phenols oder mit Epichlorhydrin ist und der sich wiederholende Einheiten der Formel

- OROOH₂CHCH₂-

OH

besitzt, worin R eine Arylengruppe bedeutet), ein PoIysulfon (d.h. ein Polymeres, das sich wiederholende Einheiten der Formel -RSO₂- besitzt, worin R die zuvor gegebene Bedeutung besitzt) oder ein Mischpolymerisat eines CX -Olefinkohlenwasserstoffe mit einem CX-Olefin, das ein Ester einer Carbonsäure ist.

Geeignete thermoplastische Harzzusammensetzungen können nur ein thermoplastisches Harz wie ein Polycarbonat, ein PoIyoxymethylen, ein Polyimid ein Poly-(benzimidazol) oder ein Polyamid enthalten, oder sie können eine Mischung aus thermoplastischen Harzen enthalten.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung, ohne sie jedoch zu beschränken. Die Teile sind, wenn nicht anders angegeben, durch das Gewicht ausgedrückt, und die Temperaturen sind_# in ⁰C angegeben.

Die Harzzusammensetzung A enthält eine Mischung aus Bisphenol A-polyglycidylepoxydharzen mit hohem und niedrigem Molekulargewicht mit einem durchschnittlichen Epo^ydgehalt von 3,21 Äquiv./kg und als Härtemittel Dicyandiamid zusammen mit einer Verbindung, um die Härtereaktion zu beschleunigen. Die Zusammensetzung hat eine Erweichungstemperatur zwischen 100 und 110⁰C.

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Beispiel

Ein Ring, der durch Fasern verstärkt war, mit einer Breite von 1,27 cm und einer Dicke von 0,15 cm und einem inneren Durchmesser von 14»75 cm wurde hergestellt, indem man ein in einer Richtung fließendes Band mit einer Breite von 1,27 cm, das 60$ Rolls Royce nicht behandelte mittlere Kohlenstoffasern und 40$ Harzzusammensetzung A enthielt, auf eine Spindel aufwickelte.

Die Spindel bestand aus"Stahl, hatte einen äußeren Durchmesser von 14f75 cm und war mit zwei entfernbaren Flanschen, die 1,27 cm auseinanderstanden, ausgerüstet und zwischen denen das Band gewunden wurde. Um die Spindel wurde heiße Luft aus einem Gebläse geleitet und sie wurde gleichmäßig auf eine temperatur von ungefähr 110° erwärmt. Die Spindel wurde mit einer Geschwindigkeit zwischen 5 und 10 TJ/min gedreht.

Eine perforierte Walze, die aus Polytetrafluoräthylen bestand, eine -Breite.von 1,27 cm und einen äußeren Durchmesser von 5,08 cm besaß, wurde gegen die Spindel mit einer Belastung von 18,14 kg zwischen den Flanschen bei einem solchen Punkt gedrückt, daß das Band, das auf die Spindel zwischen den Flanschen aufgewunden wurde, drei Viertel einer Umdrehung gemacht hatte, bevor es in den Spalt zwischen der Walze und der Spindel eintrat. Die Achse der perforierten Walze war mit einem Zahnrad verbunden, das mit einer Kette verbünden ' war, die um die Spindel gewickelt war. Auf diese Weise bewirkte die Drehung der Spindel, daß sich die perforierte Walze mit einer peripheren Geschwindigkeit drehte, die ungefähr um 5°/> größer war als der Spindel.

^»wischen den Flanschen wurde das Band unter einer Spannung von ungefähr 6,8 bis 9,1 kg auf die Spindel aufgewickelt. Das Band betrat die Zone mit heißer Luft um die Spindel ungefähr 7,5 cm, bevor diese in Kontakt mit der Spindel kam

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und das Harz im Band ausreichend geschmolzen war, wobei das Band in die richtige Lage eingebettet wurde und sich das. überschüssige Harz an der äußeren Oberfläche des Bandes sammelte, bevor es in den Spalt zwischen der perforierten Walze und der Spindel eintrat.

Nachdem die erforderliche Dicke an Band gewunden war, wurde das Band abgeschnitten und das Ende am Ring befestigt, der dann auf der Spindel gehärtet wurde, indem man ihn 1 Stunde bei einer !Temperatur von 140° erwärmte.

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Claims

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• - 11 Patentansprüche

( 1 .\ Verfahren zur Herstellung von Gegenständen, die mit jPilamenten umwickelt sind, aus einem Band, das eine Vielzahl von 3?aserkabeln enthält, die mit einer Harzzusammensetzung imprägniert sind, dadurch "gekennzeichnet, daß man das Band unter Spannung auf eine Formvorrichtung unter Bildung einer Wicklung anbringt und eine solche Geschwindigkeit und Temperatur wählt, daß überschüssige Harzzusammensetzung in dem Band an die äußere Oberfläche der Wicklung fließt und, bevor weitere Schichten aufgebracht werden, der Überschuß der Harzzusammensetzung an eine hohle Walze abgegeben wird, die an ihrer Oberfläche perforiert ist, wobei der Überschuß der Harzzusammensetzung von der Wicklung entfernt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die perforierte Walze auf solche Weise bewegt wird, daß sich ihre Peripherie in gleicher Richtung, aber schneller als die Wicklung, mit der sie in Kontakt ist, bewegt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pasern Kohlenstoffasern sind.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Harz wärmehärtbar ist.
5. Verfahren gemäß Anspruch A, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmehärtbare Harz ebenfalls ein thermoplastisches Harz enthält, das nicht wärmehärtbar ist. ^;
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß das Harz eine Mischung aus einem Resol mit einem Poly- i (vinylacetal) oder einem Nylon ist oder aus einem Novolack, gebildet aus Phenol und einem Aldehyd mit einem Neoprenkautschuk oder einem Acrylnitrilkautschuk oder aus einem Epoxiharz mit einem Phenoxyharz, mit einem Polysulfon oder mit einem

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Mischpolymerisat aus einem CX -Olefinkohlenwasserstoff mit einem CX-Olefin, das ein Ester einer Carbonsäure ist, besteht.
7. Vorrichtung, um überschüssige Harzzusammensetzung von der äußeren Oberfläche einer Pilamentwicklung zu entfernen, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um das Band, das mit einer Harzzusammensetzung imprägniert ist, auf drehbare Formvorrichtungswalzen zu führen, Mittel,um die Formgebungswalzen zu drehen, Mittel, um das harzimprägnierte Band auf die Formvorrichtung aufzuwickeln, wobei eine Filmentwicklung entsteht, eine hohle drehbare Walze mit perforierter Oberfläche und die so angebracht ist, daß sie in Kontakt mit der Filamentwicklung ist, und Mittel, um den Überschuß der Harzzusammensetzung von der hohlen Walze:. zu entfernen.
8. Vorrichtung gemäß Ansp.-uch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die hohle drehbare Walze aus Polytetrafluoräthylen besteht.
9. Gegenstände, die mit Filamenten umwickelt sind, hergestellt gemäß einem der Verfahren der Ansprüche 1 bis 6.
10. Gegenstände, die mit Filamenten umwickelt sind, hergestellt unter Verwendung der in den Ansprüchen 7 und 8

W · beanspruchten Vorrichtung.

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