DE2754929A1

DE2754929A1 - Mischfasermatte und verfahren zum verformen von faserverstaerkten verbundstoffen

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Publication number: DE2754929A1
Application number: DE19772754929
Authority: DE
Inventors: Kenji Fukuta; Hiroyuki Kosuda; Ryuzo Ono-Oka; Kazuhisa Saito; Masatoshi Yoshida
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Toho Beslon Co Ltd
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Teijin Ltd
Priority date: 1976-12-10
Filing date: 1977-12-09
Publication date: 1978-06-15
Also published as: GB1559660A; US4229397A; JPS5373267A; DE2754929C3; DE2754929B2; CA1104315A; JPS621969B2

Description

HOFFMANN · EITL.E Ä PARTNER

PATENTANWÄLTE 27 5 A

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . D I PL.-I N G. W. E ITlE · D R. R E R. N AT. K. H O FFM AN N · D I PL.-I NG. W. LEH N

DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MO N C H E N 81 · TE LE FO N (089) 911087 · TE LEX 05-29619 (PATH E)

^ 30 040 o/wa

AGENCY OF INDUSTRIAL SCIENCE AND TECHNOLOGY, TOKYO / JAPAN

TOHO BESLON CO., LTD., TOKYO / JAPAN

Mischfasermatte und Verfahren zum Verformen von faserverstärkten Verbundstoffen

Die Erfindung betrifft eine Matte aus Mischfasern, die sich zusammensetzt aus Verstärkungsfasermaterial mit einem hohen Elastizitätsmodul und einer thermoplastischen faserigen Polymermatrix mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als das faserförmige Verstärkungsmaterial. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Verbundstoffen mit hohem Elastizitätsmodul, bei dem das Mischfasermaterial unter Druck und in der Wärme so verfestigt wird, dass nur das Matrixpolymer schmilzt.

Bei bekannten Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Verbundstoffen, enthaltend thermoplastische Harze als

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Matrix, durch Pressverformen, gibt es unter anderem die folgenden Verfahren:

(a) Ein Verfahren, bei dem man ein Harz unter Verwendung eines Extruders oder einer ähnlichen Vorrichtung schmilzt, das Harz mit Verstärkungsfasern vermischt, die Mischung zu Granulaten vorverformt und die Granulate dann in einer Form verpresst (siehe z.B. GB-PS 1 268 755).

(b) Ein Verfahren bei dem man eine Mischung aus einem pulverförmigen oder granulierten Polymeren und Verstärkungsfasern in eine Form einbringt und die Mischung druckverformt, wie dies beispielsweise in Polymer Engineering and Science, Bd. 3, Nr. 6, S. 455-461, November 1973, beschrieben wird.

(c) Ein Verfahren, bei dem man ein Verstärkungsfasermaterial und ein pulverförmiges Polymer in einem Luftstrom vermischt, die Mischung auf einem Netz unter Ausbildung einer Matte sammelt und die Matte in der Wärme und unter Druck verformt (beschrieben beispielsweise in der japanischen Patentveröffentlichung 44148/76).

Die Verfahren des Standes der Technik weisen jedoch eine oder mehrere Schwierigkeiten auf. Beim Verfahren der Methode (a) werden die Fasern auf sehr kurze Längen während des Mischens geschnitten und sie können deshalb nicht im vollen Ausmass ihre Verstärkungswirkung erbringen. Bei der Methode (b) ist es schwierig, die Fasern gleichmässig mit dem Polymer zu vermischen. Selbst wenn eine gleichförmige Vermischung erzielt wird, neigen die Komponenten dazu, sich vor dem Verformen zu trennen und die Gleichförmigkeit des verpressten Produktes

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ist nicht befriedigend. Bei der Methode (c) fliesst das pulverförmige Polymere häufig durch die Maschen des zum Sammeln verwendeten Netzes oder das gemischte pulverförmige Polymer neigt dazu, sich abzutrennen, wie dies auch bei der Methode (b) der Fall ist.

Ein Ziel der Erfindung ist es, eine Matte zur Verfügung zu stellen, die zu einem faserverstärkten Verbundmaterial verformt werden kann, welches ein hohes Elastizitätsmodul aufweist, wobei die Verformung durch Druck in der Hitze ohne Zugabe eines weiteren Harzes erfolgt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Matte aufzuzeigen, die leicht zu einem faserverstärkten Verbundstoff mit guten Eigenschaften verformt werden kann und bei dem die Verstärkungsfasern gleichmässig darin dispergiert sind.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist darin zu sehen, eine leicht handzuhabende Matte für die Herstellung von faserverstärkten Verbundmaterialien zur Verfügung zu stellen.

Schliesslich besteht ein weiteres Ziel der Erfindung darin, ein Verfahren aufzuzeigen zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundmaterials unter Verwendung der vorerwähnten Matte.

Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Mischfasermatte zur Herstellung von faserverstärkten Verbundmaterialien gezeigt, welche ein Verstärkungsfasermaterial und eine thermoplastische faserige Polymermatrix mit niedrigerem Schmelzpunkt als das Verstärkungsmaterial enthält. Nach einer weiteren

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Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von hochelastischen faserverstärkten Verbundstoffen gezeigt, bei dem man die Matte unter Druck in der Hitze verfestigt und wobei nur die Polymermatrix schmilzt.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung der arfindungsgemässen Matte nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 zeigt die Oberfläche des Rotors in der Vorrichtung gemäss Fig. 1.

Der Ausdruck "Verstärkungsfasermaterial" beschreibt Fasern, welche einen verpressten Artikel verstärken und ihre Faserform in dem verformten Artikel nach der Verformung beibehalten.

Die faserförmigen Verstärkungsmaterialien umfassen Fasern, die vorzugsweise eine Reissfestigkeit (tensile modulus) von wenigstens etwa 5 t/mm haben. Falls die Reissfestigkeit weniger als etwa 5 t/mm ist, hat das erhaltene Verbundmaterial keinen ausreichenden Elastizitätsmodul und die Wirkung beim Verformen des Verbundmaterials wird vermindert. Die obere Grenze der Reissfestigkeit ist nicht begrenzt, aber im allgemeinen kann die Reissfestigkeit bis zu etwa 60 t/mm betragen.

Beispiele für geeignete Verstärkungsfasermaterialien, die erfindungsgemäss verwendet werden können, schliessen Kohlefäden (einschliesslich Graphitfäden), anorganische Fasern, wie Glasfasern, Aluminiumoxidfasern, Siliziumcarbidfasern oder Borfasern sowie metallische Fasern, wie Fasern aus rostfreiem Stahl und aromatische Polyamidfasern, wie solche aromatischen Polyamide

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ein, die Kondensationsprodukte von p-Phenylendiamin mit Terephthalsäure sind oder von p-Aminobenzoesäure, wie sie beispielsweise unter dem Handelsnamen KEVLAR (Du Pont) erhältlich sind und in der japanischen Patentanmeldung 2489/1972 entsprechend der US-Patentanmeldung SN 693 739 vom 27. Dezember 1967, beschrieben werden.

Der Ausdruck "thermoplastische fasrige Polymermatrix" bedeutet ein fasriges Polymerisat, welches beim Verformen schmilzt und als Matrix in dem verformten und verpressten Produkt wirkt. Dieses Polymere kann jedes thermoplastische faserbildende Polymer sein, welches bei einer niedrigeren Temperatur schmilzt oder erweicht als das faserförmige Verstärkungsmaterial gemäss der Erfindung. Geeignete thermoplastische Polymere sind solche, die einen Schmelzpunkt haben, der im allgemeinen wenigstens etwa 5 C, vorzugsweise aber wenigstens 10 C und in besonders bevorzugter Weise wenigstens etwa 50 C niederiger liegt als der Schmelzpunkt des faserförmigen Verstärkungsmaterials, obwohl dies von der Genauigkeit der Temperatureinstellung und der Temperaturverteilung der Verformungsvorrichtung abhängt. Beispiele für besondere thermoplastische Polymere, die hier verwendet werden können, sind Polyamide, beispielsweise Nylon-6 mit einem Schmelzpunkt von etwa 215°C bis etwa 22O°C, Nylon- 66 mit einem Schmelzpunkt von etwa 250 C bis etwa 260 C, Polyester, beispielsweise Polyester, die Kondensationsprodukte von Terephthalsäure oder einer Mischung von Terephthalsäure und Isophthalsäure mit Äthylengylkol sind und die einen Schmelzpunkt von etwa 250 C bis etwa 560 C haben, Polypropylen mit einem Schmelzpunkt von etwa 165 C bis etwa 175 C, Polyäthylene mit Schmelzpunkten von etwa 110⁰C bis etwa 13 5°C und Polystyrole mit Erweichungspunkten von etwa 100oc bis 120⁰C. Diese Polymeren müssen nicht

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von vorn herein in Faserform vorliegen, sondern sie können beispielsweise auch in Fasern aufspalten, wie dies beispielsweise in der US-PS 2 185 789 und US-PS 3 214 899 beschrieben wird.

Obwohl die Durchmesser der Fasern des faserförmigen Verstärkungsmaterials und des faserförmigen thermoplastischen Matrixpolymeren nicht besonders beschränkt sind, liegen sie im allgemeinen bei etwa 1 um bis etwa 100 um . Vom Gesichtspunkt der Handhabbarkeit, d.h. der Festigkeit der Fasermatte, sollte wenigstens eine Art oder beide Arten der Fasern eine Faserlänge von wenigstens etwa 5 mm und noch mehr bevorzugt, von wenigstens etwa 10 mm haben. Die Länge der Verstärkungsfasern sollte möglichst wenigstens 1 mm und vorzugsweise wenigstens etwa 10 mm betragen, aus dem Gesichtspunkt der Festigkeit des faserverstärkten verformten Produktes. Die Matrixfasern haben vorzugsweise die gleiche Faserlänge wie vorher beschrieben, um die Festigkeit der Fasermatte vor dem Verformen beizubehalten. Um eine gleichförmige Vermischung sicherzustellen, sollten die oberen Grenzen der Faserlängen der beiden Arten der Fasern vorzugsweise bei etwa 100 mm und insbesondere bei etwa 50 mm liegen.

Es bestehen keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich der Kombination des Verstärkungsfasermaterials mit dem thermoplastischen faserförmigen Matrixpolymeren. Besonders geeignete Kombinationen hinsichtlich der Festigkeit sind solche, bei denen die faserförmige Polymermatrix bei der Bildung der verpressten Artikel (welche aus dem Polymeren alleine bestehen) einen hohen Elastizitätsmodul haben und die Verstärkungsfasern einen hohen Elastizitätsmodul aufweisen, wie dies beispielsweise bei

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einer Kombination eines Polyamids oder eines Polyesters mit Kohlenstoffasern der Fall ist.

Vorzugsweise werden etwa 1 bis etwa 60 Gew.% des Verstärkungsfasermaterials und etwa 99 bis etwa 40 Gew.% der thermoplastischen faserigen Polymermatrix angewendet. Falls der Anteil des Verstärkungsfasermaterials weniger als etwa 1 Gew.% in dem Verbundmaterial, das aus der erhaltenen Mischung besteht, ausmacht, erhält man keine ausreichende Verbesserung der Eigenschaften. Falls der Anteil an Verstärkungsfasermaterial mehr als etwa 60 Gew.% ausmacht, werden die Zwischenräume zwischen den Fasern aus dem Verstärkungsfasermaterial nicht ausreichend mit der thermoplastischen faserförmigen Polymermatrix während des Heissverformens unter Druck ausgefüllt. Infolgedessen verbleiben Poren in den geformten Artikeln und die Eigenschaften der Formkörper werden dadurch verschlechtert. Ein besonders bevorzugtes Verhältnis des Verstärkungsfasermaterials beträgt etwa 5 bis etwa 50 Gew.% und etwa 95 bis etwa 5 Gew.% der thermoplastischen faserförmigen Polymermatrix. Gewünschtenfalls kann sowohl das Verstärkungsfasermaterial als auch das thermoplastische faserförmige Matrixpolymere aus einer Mischung aus einem oder mehreren Materialien bestehen.

Die Mischfasermatten gemäss der Erfindung können nach jeder gewünschten Verfahrensweise hergestellt werden, beispielsweise (1) nach einem Verfahren, bei dem man die geschnittenen Fasern aus dem faserförmigen Polymermatrixmaterial und dem faserförmigen Verstärkungsmaterial in einem gasförmigen Medium, wie Luft, oder in einem flüssigen Medium, wie Wasser, dispergiert und die Fasern zu einer Matte sammelt, unter Verwendung eines Netzes oder (2) mittels eines Verfahrens, bei dem man

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kontinuierliche Fasergarne oder Stränge oder Bänder unter Verwendung einer Vorrichtung, z.B. eines mit Nadeln ausgerüsteten Rotors, oder mit einem Kardiertuch zu kurzen Fasern reisst und schneidet und die geschnittenen Fasern auf einem Netz unter Anwendung eines Luftstromes unter Ausbildung eines Gewebes sammelt, wie dies in US-PS 3 894 315 beschrieben wird.

Es ist bei der Durchführung der Erfindung wichtig, die Matte aus dem faserförmigen Verstärkungsmaterial und der thermoplastischen faserförmigen Polymermatrix so gleichförmig wie möglich zu machen. Wenn anderernfalls die Länge der Fasern grosser wird, wird es schwieriger, die Fasern gleichförmig zu vermischen. Nach der Verfahrensweise (2) ist es jedoch möglich, eine Matte aus einer gleichförmigen Mischung aus längeren faserförmigen Materialien herzustellen und deshalb wird die Verfahrensweise (2) zur Herstellung der Matte aus den gemischten Fasern bevorzugt.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird ein Verstärkungsfasermaterial 1 und eine thermoplastische faserförmige Polymermatrix einem mit Nadeln ausgerüsteten Rotor 4, der sich mit hoher Geschwindigkeit dreht, mittels Zufuhrwalzen 3 zugeführt. Sind die Materialien kontinuierliche Fasern, dann werden sie durch den Rotor 4 gezogen und geschnitten.

Vorzugsweise wird wenigstens eine der beiden Faserarten 1 und 2, insbesondere die thermoplastische faserförmige Polymermatrix 2 im vorgeschnittenen Zustand dem Rotor 4 zugeführt, wobei die Länge der vorgeschnittenen Faser etwa 1 bis 100 mm beträgt. Dies ist deshalb so, weil das Verstärkungsfasermaterial 1 eine niedrigere Reissdehnung hat als die thermoplastische faserförmige Polymermatrix 2 und daher empfindlicher

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gegenüber einem Schneiden zu extrem kurzen Faserlängen ist, wenn beide Faserarten unter den gleichen Bedingungen verarbeitet werden; das faserförmige Verstärkungsmaterial 1 in dem Verbundmaterial, hergestellt aus der Mischfasermatte, soll vorzugsweise eine so gross wie mögliche Faserlänge haben. Die Fasern aus dem thermoplastischen Polymeren haben im allgemeinen eine gute Biegsamkeit und sind deshalb leicht zu verarbeiten und handzuhaben und deshalb geeignet um in Form von Stapelgarnbändern und dergleichen nach dem Schneiden zugeführt zu werden.

Die dem Rotor zugeführten und geschnittenen Fasern werden in die einzelnen Einzelfasern aufgetrennt. Sie werden dann vermischt und in einen Schlitz 5 durch die Zentrifugalkraft und den Luftstrom, der durch die Drehung des Rotors 4 erzeugt wird, eingegeben. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet eine öffnung für die Luftzufuhr. Die freigegebenen Fasern 7 werden durch die Luft mittels einer Vakuumvorrichtung 9 unterhalb des Netzes 8, das durch ein Walzenpaar 6 und 6¹ angetrieben wird, angesaugt. Die Fasern 7 werden auf dem Netz 8 in Form einer Matte 10 gesammelt. Die Matte wird von der Aufnahmevorrichtung 11 aufgenommen. Die Matte kann zusammen mit einem Schutzpapier oder Film 12 für die Matte, sofern dies gewünscht ist, aufgenommen werden.

Die Verfahrensweise (2) ist besonders geeignet zur Herstellung einer Matte gemäss der vorliegenden Erfindung. Fasern, die verhältnismässig lang sind, z.B. solche einer Länge von mehr als 10 mm, können nach dem Verfahren (2) gleichförmig vermischt werden.

Hinsichtlich des Gewichtes der Masse bestehen keine besonderen

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Beschränkungen. Im allgemeinen hat die hergestellte Matte

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ein Basisgewicht von etwa 10 g/m bis etwa 1 kg/m . Falls die Matte zu dünn ist, ist es schwierig sie zu handhaben, weil sich die Fasern trennen. Dies hängt jedoch von der Länge der Fasern ab.

Falls die Matte schlechte Handhabbarkeit aufweist, können die sich berührenden Anteile der Fasern mittels eines Binders zur Verbesserung der Handhabbarkeit der Matte verbunden werden. Alle Bindemittel können solche verwendet werden, die man bei der Herstellung von Faservliesen, Glasmatten, Papier und dergleichen anwendet. Beispiele für geeignete Bindemittel sind Lösungen oder Emulsionen von Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Stärke, Zelluloseacetat und Kautschuk (beispielsweise Neopren-Kautschuk, Chloropren-Kautschuk oder Isopren-Kautschuk) Geeignete Träger-Lösungsmittel oder Emulsionsträger, die verwendet werden können, sind solche mit niedrigen Siedepunkten, vorzugsweise etwa 30 bis etwa 200°C, sofern sie nicht die Fasern nachteilig beeinflussen. Beispielsweise sind Wasser oder Aceton geeignet. Im allgemeinen werden Lösungen oder Emulsionen mit einer Konzentration von etwa 0,1 bis etwa 5 Gew.% auf die Fasern aufgebracht durch Imprägnieren oder Aufsprühen, um mittels des Binders das Verkleben der Fasern zu bewirken, wobei eine möglichst geringe Menge (Trockengewicht) verwendet wird, nämlich im allgemeinen nicht mehr als etwa 10 Gew.% und vorzugsweise nicht mehr als etwa 5 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Fasern.

Ein Verbundmaterial, in dem verhaltnismässig lange Verstärkungsfasern gleichförmig verteilt sind, kann man erhalten, indem man die erhaltene Matte in der Wärme und unter Druck

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verfestigt. Die Bildung von Verbundstoffen kann in gleicher Weise erfolgen, wie man dies allgemein bei der Verarbeitung von Kunststoffen handhabt. Die zur Herstellung des Verbundmaterials angewendete Temperatur liegt oberhalb des Schmelzpunktes, der thermoplastischen faserförmigen Polymermatrix, aber unterhalb des Schmelzpunktes der Verstärkungsfasern. Der Verformungsdruck, der in Abhängigkeit von dem Mischverhältnis der Verstärkungsfasern und der thermoplastischen faserförmigen Polymermatrix und dem Elastizitätsmodul der Ver-

2 Stärkungsfasern ist, liegt im allgemeinen zwischen etwa 5 kg/cm bis etwa 100 kg/cm . Um Verbundkörper mit hoher Dichte zu erzielen, wird der Druck vorzugsweise einwirken gelassen, bis das Produkt verfestigt ist. Sofern die Anwesenheit von Hohlstellen in dem verformten Produkt erlaubt ist, ist es nicht erforderlich den Druck aufrechtzuerhalten bis zur vollständigen Verfestigung des Produktes. Im allgemeinen muss der Druck erhöht werden, wenn der Anteil an Verstärkungsfasern in dem verformten Produkt erhöht wird. Zwei oder mehr Platten können aufeinandergelegt und in der Wärme und unter Druck verfestigt werden, wenn dies gewünscht ist.

Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht eine kontinuierliche Verformung von Mischfasermatten zu Platten. Alternativ kann man auch die Mischfaserplatten in eine Form geben und absatzweise verformen.

Gemäss der Erfindung kann man eine dünne Matte, in der die Verstärkungsfasern gut mit der faserförmigen Polymermatrix vermischt sind, erhalten. Es ist möglich, sehr dünne, blattähnliche verformte Produkte mit einem Grundgewicht von beispielsweise etwa 10 g/m zu erhalten. Die Matten gemäss der Erfindung

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können in jede gewünschte Form, z.B. in gewellter Form, in konischer Form, zu Kuppelformen, zu Tabletts oder auch zu flachen Platten verformt werden. Sofern das erhaltene Verbundmaterial für Verwendungen beabsichtigt ist, bei denen vor oder während der Verformung keine grosse Deformation erforderlich ist, z.B. bei der Herstellung von flachen Platten oder Wellplatten, können die Handhabungseigenschaften der Matte verbessert werden durch Zugabe eines Bindemittels, wie dies vorher erwähnt wurde.

Aus den erfindungsgemässen Matten können dünne, verpresste Gegenstände hergestellt werden. Mikroskopisch gesehen liefen die Fasern statistisch und insgesamt einheitlich verteilt vor. Da die Verstärkungsfasern statistisch angeordnet sind, weisen die verpressten Gegenstände Festigkeit in allen Richtungen auf und widerstehen Krafteinwirkungen in allen Richtungen. Darüber hinaus können die geformten Gegenstände leicht geschnitten werden. Infolgedessen kann man Lautsprechermembranen, Baumaterialien, beispielsweise architektonische Materialien, Flugzeugteile und Möbel und Maschinenteile aus den Matten gemäss der Erfindung herstellen. Geformte Gegenstände mit elektrischer Leitfähigkeit kann man herstellen, sofern man eine Matte verwendet, die elektrisch leitfähige Fasern, wie Kohlenstoffasern, enthält. Ausserdem kann man Wandplatten-Heizungen herstellen aus einer Matte, die Kohlenstof fasern enthält.

Die nachfolgenden Beispiele beschreiben die Erfindung. Sofern nicht anders angegeben, sind alle Prozentsätze, Teile, Verhältnisse und dergleichen auf das Gewicht bezogen.

Die Biegemodule in den Beispielen wurden wie folgt gemessen:

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- yr-

Eine Probeplatte mit einer Dicke b und einer Breite a wird auf zwei längliche Auflagen gelegt, die in einer Entfernung von 1 angeordnet sind (a ist parallel zu den Auflagen und im rechten Winkel zu 1). Eine Last W wird auf die Probeplatte in Richtung der Dicke im Zentrum zwischen den beiden Auflagepunkten einwirken gelassen, wodurch eine Biegung y in der Probeplatte erfolgt. Das Biegemodul e zu dieser Zeit wird durch folgende Gleichung ausgedrückt.

E -

ab³y

Der tan ο ist der Verlusttangent. Der Verlusttangent, tan 6 =G"/G', ist ein geeignetes Parameter, welches dimensionslos ist und keine physikalische Grosse aufweist aber ein Mass ist für das Verhältnis des Energieverlustes zu der vorhandenen Energie bei einer zyklischen Deformation (siehe Encyclopedia of Polymer Sciene and Technology, Bd. 14, S. 708, John Wiley & Sons, Inc., 1971).

Beispiel 1

Ein Band (lap) mit einer Breite /on 40 cm und einem Grundge-

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wicht von 63 g/m wurde aus Stapelfasern von handelsüblichem Nylon-6 (Schmelzpunkt etwa 217°C, 3 Denier, Faserlänge: 45 mm) mittels einer Kardiermaschine hergestellt. Zusammen mit diesem Band wurden 40 Bündel kontinuierlicher Kohlenstoffasern, von denen sich jedes aus 6000 Kohlenstoffasern mit einem Durchmesser der Monofilamente von 7 um und einem Elastizitätsmodul

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von 23 t/mm und einem Gewicht;.pro m von 0,41 g in Abständen von 1 cm in einer Gesamtbreite von 40 cm angeordnet und einer Vorrichtung zugeführt, bei welcher die Verfahrensweise (2), wie vorher erwähnt und wie, sie in Fig. 1 gezeigt wird,angewendet wurde. Die Geschwindigkeit der Zuführung des Nylonfaserbandes und der Kohlenstoffasern betrug jeweils 1 m/min. Die Umlaufgeschwindigkeit des Rotors .(die Form der Nadeln an der Oberfläche des Rotors wird in Fig. 2 gezeigt: 20 cm Durch-

2 messer, die Zahl der Nadeln: 15,15 /cm ) betrug 30O0 Upm und die Geschwindigkeit des Sammelnetzes betrug 1,04 m/min. Man erhielt eine Kohlenstoffaser/Nylon-6-Mischfasermatte einer

2 Breite von 40 cm mit einem Basisgewicht von 100 g/m , die sich zu 40 % ays Kohlenstoffasern und zu 60 % aus Nylon-6-Fasern zusammensetzte. Die Mischfasermatte enthielt zwei Arten von Fasern in gleichförmig verteiltem Zustand und die Fasern trennten sich nicht voneinander. Die Matte konnte auf einer Aufwickelrolle aus Papier mit einem Durchmesser von 75 mm zusammen mit einem Schutzpapier aufgenommen werden und wies gute Handhabbarkeit auf. Dies durchschnittliche Schneidlänge der Kohlenstoffaser betrug 25 mm.

Beispiel 2

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Die Mischfasermatte aus Kohlenstoffasern/Nylon-6-Fasern, die gemäss Beispiel 1 erhalten wurde, wurde zu Stücken einer Grösse von 2OO χ 200 mm geschnitten. 24 solche Stücke wurden aufeinandergelegt und zwischen zwei Metallplatten gelegt, die einen Abstandshalter in einer Dicke von 2 mm hatten,und einer Presse, die auf 25O°C aufgeheizt war, zugeführt. Die aufeinan-

2 dergelegten Stücke wurden 5 Minuten mit einem Druck von 50 kg/mm

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verpresst und dann auf unter 100°C im verpressten Zustand gekühlt. Das erhaltene verpresste Produkt hatte eine Dicke von 2 mm, eine Dichte von 1,30 g/cm , eine Biegefestigkeit

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von 30,3 kg/mm und einen Biegemodul von 1,5 t/mm .

Beispiel 3

Ein Blatt aus einer Matte gemäss Beispiel 1, wurde zwischen zwei Metallplatten gelegt und 3 Minuten bei einem Druck von 20 kg/cm und einer Temperatur von 24O°C verpresst und dann unter Druck auf eine Temperatur unter 100°C gekühlt. Das erhaltene verpresste Produkt hatte eine Dicke von 0,11 mm, eine Dichte von 0,90 g/cm und einen dynamischen Elastizitätsmodul, gemessen mit einer Vibron DDS-II-Vorrichtung (eine Vor-

2 richtung der Toyo Sokki Kabushiki Kaisha) von 0,9 t/mm .

Beispiel 4

Bei jedem Ansatz wurde eine Mischfasermatte aus Kohlensfcofffasern/Nylon-6-Fasern, die jeweils die Zusammensetzung der nachfolgenden Tabelle hatte, in gleicher Weise wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Basisgewicht des Nylon-6-Bandes und die Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffaserbündeln verändert wurden. Verpresste Gegenstände mit einer Dicke von 2 mm wurden aus den erhaltenen Matten in gleicher Weise wie in Beispiel 2 beschrieben hergestellt. Die Eigenschaften der erhaltenen Verbundstoffe sind in der nachfolgenden Tabelle I angegeben.

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Tabelle I

Ansatz Nr.	Zusammensetzung der Matte	Nylon- 6-fa- sern(%)	Eigenschaften der genstände	Biegefe stigkeit (kg/mm²)	verpressten Ge-
	Kohlen- stoffa- sern(%)	100	Dichte (g/cm³)	7,4	Biege- modul (t/mm²)
1	0	97	1,14	10,3	0,24
2	3	93	1,15	14,7	0,31
3	7	85	1 ,16	20,5	0,50
4	15	70	1,20	32,8	0,82
5	30	55	1,27	23,5	1 ,30
6	45	40	1,31	17,6	1,55
7	60	1,32	11 ,10

Anmerkung: Ansatz Nr. 1 ist ein Vergleich

Aus den Ergebnissen in der Tabelle I ist ersichtlich, dass die Kohlenstoffasern keinen Verstärkungseffekt aufweisen, wenn sie in einem Anteil von weniger als 5 % eingesetzt werden. Beträgt andererseits der Anteil der Kohlenstoffasern mehr als etwa 50 %, füllt das Matrixpolymer nicht die Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffasern aus und der erhaltene verpresste Gegenstand hat viele Hohlstellen. Die Festigkeit und die Biegemodule der Hohlstellen enthaltenden Presskörper sind niedriger als bei den Produkten, welche weniger asl 50 Gew.% Kohlenstofffasern aufwiesen.

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Beispiel 5

Eine Mischfasermatte mit einem Basisgewicht von 150 g/m , die sich zu 40 % aus Kohlenstoffasern und zu 60 % aus Polyesterfasern zusammensetzte, wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 1 beschrieben unter Verwendung eines Bandes aus Polyäthylenterephthalatfasern (Schmelzpunkt etwa 255°C) mit einer Faserlänge von 4 cm und einem Denier von 5 und Bündeln aus kontinuierlichen Kohlenstoffasern hergestellt. Die erhaltene Matte wurde in eine Form zur Lautsprechermembranherstellung gegeben und die Matte wurde 2 Minuten bei einer Temperatur von 28O°C und einem Druck von 15 kg/cm verpresst und dann unter Druck auf unter 150C gekühlt, wobei man eine Lautsprechermembran mit einem Durchmesser von 20 cm und einer Tiefe von 8,5 cm erhielt. Die Lautsprechermembran hat eine gleichmässige Dicke und ein Gewicht von 4,7 g und ein dynamisches spezifisches Elastizitätsmodul (dynamisches Elastizitätsmodul/Dichte) in gleicher Weise gemessen wie in Beispiel 3, von 9,5 χ 10

2 2 i

cm /Sek. und einen tan α von 0,023.

Eine Emulsion aus einem Butadien/Acrylnitril-Copolymerkautschuk wurde gleichmässig auf die erhaltene Lautsprechermembran gegeben, so dass die Menge der Beschichtung nach dem Trocknen 2,0 g betrug und dann getrocknet. Die so beschichtete Lautsprechermembran hatte ein dynamisches spezifisches Elastizitätsmodul, das etwa auf 6,7 χ 10 cm /sek. abnahm, aber der tan 6 der beschichteten Lautsprechermembran erhöhte sich auf 0,072.

Ein Hörtest zeigte, dass beide Lautsprechermembranen einen Klang hervorragender Qualität ergaben und dass der mit einem

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Butadien/Acrylnitril-Copolymerkautschuk beschichtete Lautsprechermembran einen ganz besonders guten Klang aufwies.

Beispiel 6

Glasfasern (40 %), die auf eine Länge von 4 mm geschnitten waren und einen Durchmesser von 10 um hatten und einen Elasti-

zitätsmodul von 7 t/mm , und Polypropylenfasern mit einem Schmelzpunkt von etwa 170⁰C (60%) geschnitten auf eine Länge von 2 mm mit einem Einzelfadendenier von 5, wurden in Wasser in einer Fasermenge von 0,5 % dispergiert und auf einem Netz gesammelt. Eine 2 %-ige wässrige Lösung von Polyvinylalkohol als Binder wurde zum Zusammenhalten der Fasern in einer Menge von 5O %, bezogen auf die Fasern (1 % Feststoffgehalt) gegeben und dann getrocknet, wobei man eine Matte erhielt mit einem Basisgewicht von 100 g/m .

Die Matte wurde zu Stücken einer Grosse von jeweils 200 mm χ 200 mm geschnitten. 24 solche Stücke wurden aufeinandergelegt und zwischen zwei Metallplatten mit einem Abstandhalter von 2,0 mm gelegt. Die Anordnung wurde dann 10 Minuten bei einer Temperatur von 200⁰C und einem Druck von 20 kg/cm verpresst und unter Aufrechterhaltung des Druckes auf unter 1OO C gekühlt. Das erhaltene verpresste Produkt hatte eine Dicke von 2,0 mm,

3

eine Dichte von 1,20 g/cm , eine Biegefestigkeit von 15,5 kg/mm

2
und einen Biegemodul von 0,52 t/mm .

Es wurde versucht eine Mischfasermatte aus Glasfasern und Polypropylen in gleicher Weise wie in Beispiel 6 herzustellen.

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mit der Ausnahme, dass die Länge der Glasfasern 15 mm betrug. Man konnte jedoch eine Mischfasermatte, welche die beiden Fasern in gleichmässiger Verteilung enthielt, nicht herstellen, weil sich die Glasfasern nicht gut dispergierten.

Beispiel 7

In gleicher Weise wie in Beispiel 1 wurde eine Mischfasermatte hergestellt, mit der Ausnahme, dass ein Band aus Spaltfasern aus Polystyrol mit einem Erweichungspunkt von etwa 110 C, einem Durchschnittsdenier von 45 und einer durchschnittlichen Faserlänge von 2 3 mm anstelle des Nylon-6-Bandes verwendet wurde. Die Matte wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 2 beschrieben verpresst. Das erhaltene verpresste Produkt hatte eine Dichte von 1,28 g/cm , eine Biegefestigkeit

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von 21,5 kg/mm und einen Biegemodul von 1,7 t/mm .

Verwendet man andere Materialien als Verstärkungsfasern und Matrixpolymer, so können Mischfasermatten und Verbundstoffe mit hohem Elastizitätsmodul erhalten werden, in gleicher Weise wie in den vorstehend beschriebenen Beispielen.

809824/0864 ORIGINAL INSPECTED

Claims

HOFFMANN · EITLJB & PARTNER 0 7 E / q 0 (J PATENTANWÄLTE * ' ^ ^ ^ ** DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · DIPL.-I NG. W. EITLE · DR. REK. NAT. K. HOFFMANN · Dl PL.-1 NG. W. LEH N DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MO NCH EN 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATH E) 30 040 o/wa AGENCY OF INDUSTRIAL SCIENCE AND TECHNOLOGY, TOKYO / JAPAN TOHO BESLON CO., LTD., TOKYO / JAPAN Mischfasermatte und Verfahren zum Verformen von faserverstärkten Verbundstoffen PATENTANSPRÜCHE

1. ι Mischfasermatte zur Herstellung von faserverstärkten Ver- ^ bundstoffen, dadurch gekennzeichnet , dass die Matte eine Mischung aus einem Verstärkungsfasermaterial und einer thermoplastischen, faserigen Polymermatrix mit einem niedrigeren Schmelz- oder Erweichungspunkt als die Temperatur, bei welcher das Verstärkungsfasermaterial schmilzt oder zerstört wird, enthält.

2. Matte gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsfasermaterial einen Reiss-

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modul von wenigstens etwa 5 t/mm hat.

3. Matte gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsfasermaterial aus Kohlenstoffasern,

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Glasfasern, Aluminiumoxidfasern, Siliziumcarbidfasern, Borfasern, Fasern aus rostfreiem Stahl oder Fasern aus aromatischen Polyamiden besteht.

4. Matte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoplastische faserige Polymermatrix aus einem Polyamid, einem Polyester, Polypropylen, Polyäthylen oder Polystyrol besteht.

5. Matte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlänge des Verstärkungsfasermaterials und der thermoplastischen faserförmigen Polymermatrix im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 100 mm liegt und dass wenigstens eines der beiden Materialien, nämlich des faserförmigen Verstärkungsmaterials und des thermoplastischen faserförmigen Matrixpolymeren, eine Faserlänge von wenigstens etwa 5 mm hat.

6. Matt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des faserförmigen Verstärkungsmaterials in der Matte etwa 1 bis 60 Gew.% ausmacht und dass der Anteil des thermoplastischen faserigen Matrixpolymeren in der Matte etwa 99 bis 40 Gew.% ausmacht.

7. Matte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich ein Bindemittel enthält und dass die sich berührenden Anteile der Fasern durch den Binder miteinander verbunden sind.

8. Matte nach Anspruch 1, dadurch gekennze lehnet, dass das Verstärkungsfasermaterial aus Kohlenstoffasern besteht und dass das thermoplastische faserige

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Matrixpolymer ein Polyamid, Polyalkylenterephthalat oder Polystyrol ist.

9. Verfahren zur Herstellung einer Mischfasermatte zur Bildung von faserverstärkten Verbundstoffen, dadurch gekennzeichnet , dass man ein Verstärkungsfasermaterial mit einem thermoplastischen faserförmigen Matrixpolymeren, welches einen niedrigeren Schmelz- oder Erweichungspunkt als die Temperatur aufweist, bei welcher das Verstärkungsfasermaterial schmilzt oder zerstört wird, durch Schneiden der Fasern des Verstärkungsfasermaterials und der Fasern aus dem thermoplastischen faserigen Matrixpolymeren und Sammeln der Fasern auf einem Netz unter Anwendung eines Luftstroms unter Ausbildung einer Matte, vermischt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische faserförmige Matrixpolymer und gewünschtenfalls das Verstärkungsmaterial auf eine Länge von 1 bis etwa 100 mm zerkleinert wird, bevor es einer Vorrichtung zum Zerschneiden und Zerkleinern der Fasern zugeführt wird und dass man diese Fasern einem Luftstrom zuführt.

11. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Verbundstoffen mit hohem Modul, dadurch gekennzeichnet , dass man in der Hitze wenigstens ein Blatt aus einer Mischfasermatte verpresst, welche^sich aus einer Mischung aus einem Verstärkungsfasermaterial und einem thermoplastischen faserförmigen Matrixpolymeren, welches einen niedrigeren Schmelz- oder Erweichungspunkt hat als die Temperatur, bei

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welcher das faserförmige Verstärkungsmaterial schmilzt oder zerstört wird, enthält, wobei nur das thermoplastische faserförmige Matrixpolymer schmilzt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das faserförmige Verstärkungsmaterial einen

2 Reissmodul von wenigstens etwa 5 t/mm hat.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das faserförmige Verstärkungsmaterial aus Kohlenstoffasern, Glasfasern, Aluminiumoxidfasern, SiIiziumcarbidfasern, Borfasern, Fasern aus rostfreiem Stahl oder Fasern aus einem aromatischen Polyamid besteht.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoplastische faserförmige Polymermatrix aus einem Polyamid, einem Polyester, Polypropylen, Polyäthylen oder Polystyrol besteht.

15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlänge des Verstärkungsfasermaterials und der thermoplastischen faserförmigen Polymermatrix im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 100 mm liegt und dass wenigstens eine der beiden Fasern, nämlich des faserförmigen Verstärkungsmaterials und der thermoplastischen faserförmigen Polymermatrix, eine Faserlänge von wenigstens etwa 5 mm hat.

16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Verstärkungsfasermaterials in der Matte etwa 1 bis etwa 60 Gew.% und der Anteil des thermoplastischen faserförmigen Matrixpolymeren etwa 99 bis 40 Gew.% beträgt.

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17. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischfaserplatte ein Bindemittel enthalten ist, durch welches ein Teil der Fasern in der Matte
miteinander verbunden sind.

18. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das faserförmige Verstärkungsmaterial aus
Kohlenstoffasern besteht und die thermoplastische faserförmige Polymermatrix aus einem Polyamid, Polyäthylenterephthalat oder Polystyrol besteht.

19. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass man bei einem Druck von etwa 5 bis etwa 100
kg/cm verpresst.

20. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr der Mischfaserplatten aufeinandergelegt werden und in der Hitze und unter Druck miteinander verbunden werden.

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