DE2840477C2 - Process for the production of an article from fiber composite material - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1.
Faserverstärkte Werkstoffe, also Faserverbundwerkstoffe, haben allgemeine Bedeutung erlangt. Vielfach werden für das Matrixmaterial Epoxidharze verwendet und unter Einbringen von Verstärkungsfasern, z. B. aus Bor oder Glas, auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt.Fiber-reinforced materials, i.e. fiber composite materials, have gained general importance. Epoxy resins are often used for the matrix material and with the introduction of reinforcing fibers, e.g. B. made of boron or glass, depending on the application Voted.
Es gibt Anwendungsbereiche für Faserverbundwerkstoffe wie z. B. Druckbehälter mit Anschlußstruktur, bei denen sehr hohe Anforderungen an den Faserverbündwerkstoff gestellt Werden, um den auferlegten Lasten standzuhalten. Neben der großen Zugfestigkeit und Reißlänge sollte der Faserverbundwerkstoff ein möglichst geringes spezifisches Gewicht und große Temper raturbesländigkeit, in der Anschlußstruktur auch große Druckfestigkeit aufweisen. Diese Eigenschaften können mit den bekannten Faserverbundwerkstoffen nur zum Teil erreicht werden; es ist bisher nicht möglich gewesen, einen Faserverbundwerkstoff herzustellen, der alle diese Eigenschaften in einem bestmöglichen Maß aufweist.There are areas of application for fiber composites such as B. pressure vessel with connection structure where very high demands are placed on the fiber composite material in order to withstand the loads imposed to withstand. In addition to the high tensile strength and tear length, the fiber composite material should be as low specific weight and high temper raturbesländigkeit, in the connection structure also have great compressive strength. These properties can can only be partially achieved with the known fiber composite materials; it is not yet possible been to produce a fiber composite material that combines all of these properties in the best possible way Having degree.
Aufgabe gemäß der Erfindung ist es, ein anfangs genanntes Verfahren zu schaffen, durch das für den dort genannten Faserverbundwerkstoff oder Gegenstand neben einer möglichst großen Zugfestigkeit und einem geringen spezifischen Gewicht eine große Temperaturbeständigkeit und große Druckfestigkeit erzielt wird.The object of the invention is to create an initially mentioned method by which there named fiber composite material or object in addition to the greatest possible tensile strength and a low specific weight a high temperature resistance and high compressive strength is achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst
Die im Handel erhältlichen Aramidfasem zeichnen s'ch als eine billige Faser aus, die große Festigkeit und
hohe Reißlängenwerte hat. Bei der Herstellung werden
diese Fasern mit sogenannter Avivage (Schutzschicht) aus Polyäthylenglycol und dessen Veresterungsprodukten
mit organischen Fettsäuren versehen, die eine Beschädigung der Fasern beim Verarbeiten verhindern
soll. Dieses als Schutz dienende Material wirkt als Weichmacher für Harze. Diese hochwertigen Fasern
müssen deshalb bei ihrer Verwendung mit den herkömmlichen Epoxidharzen und den bekannten
Herstellungsverfahren für Faserverbundwerkstoffe zunächst gereinigt, d. h. von der Avivage befreit werden,
wenn der Werkstoff hei höheren Temperaturbelastungen verwendet werden soll. Ist der Härteranteil der
Harzmatrix ein Anhydrid, so kann er durch die Avivage teilweise zerstört werden, und demzufolge werden die
Eigenschaftswerte des Reinharzformstoffs stark verschlechtert, so daß das Material z. B. schon bei etwa
+ 60° C weich werden kann.
Das als Härter eingemischte aromatische Diamin dagegen wird nicht durch die Avivage beeinflußt. Auf
der anderen Seite wird der Reinharzformstoff, in dem ais Harz bzw. Kunstharz Bisphenol A-diglycidyiäther,
verdünnt mit Vinylcyclohexendioxid, verwendet wird, zwar durch die Avivage auch weici· gemacht, jedoch
behält dieses Harzsystem im reinen Zustand trotz der Erweichung immer noch eine hohe Temperaturbeständigkeit
bis etwa + 110°C bei. Durch diesen Effekt wird
wiederum die Bruchdehnung des Harzes erhöht, so daß die erfindungsgemäße Zusammensetzung nicht nur die
Möglichkeit biete die hochwertigen und billigen Aramidfasem mit der handelsüblichen Avivage für die
Herstellung von Faserverbundwerkstoffen zu verwenden, sondern auch die Möglichkeit, daß ein Faserverbundwerkstoff
von besonderen Eigenschaften, wie hoher Bruchdehnung senkrecht zur Faser, großer
Festigkeit und großer Temperaturbeständigkeit erreicht wird. Bei höheren Temperaturen reagiert die
Avivage mit dem Harzsystem unter Bildung einer Verbindung, die im Gegensatz zur Avivage selbst auch
unter Vakuum nicht verdampft. Die Reaktionstemperatur beträgt etwa +1100C. Unter diesen Bedingungen ist
es möglich, beim erfindungsgemäßen Verfahren den Gegenstand oder den Werkstoff bzw. Faser-Matrix-Verbund
zur Aushärtung einer Wärmebehandlung zu unterziehen, um damit einen Gegenstand bzw. Faserverbundwerkstoff
zu bekommen, der außerdem hochvakuumfest ist.This object is achieved according to the invention by the characterizing part of claim 1
The commercially available aramid fibers distinguish themselves as an inexpensive fiber which has great strength and high tensile strength values. During production, these fibers are provided with a so-called avivage (protective layer) made of polyethylene glycol and its esterification products with organic fatty acids, which are intended to prevent damage to the fibers during processing. This protective material acts as a plasticizer for resins. When they are used with conventional epoxy resins and the known manufacturing processes for fiber composite materials, these high-quality fibers must therefore first be cleaned, ie freed from the finishing agent, if the material is to be used at higher temperatures. If the hardener component of the resin matrix is an anhydride, it can be partially destroyed by the finishing agent, and consequently the properties of the pure resin molding material are greatly impaired, so that the material z. B. can be soft at about + 60 ° C.
The aromatic diamine mixed in as a hardener, on the other hand, is not influenced by the finish. On the other hand, the pure resin molding material, in which bisphenol A diglycidyl ether diluted with vinylcyclohexene dioxide is used as resin or synthetic resin, is also made whitened by the finish, but this resin system in the pure state still retains a high level despite the softening Temperature resistance up to approx. + 110 ° C. This effect in turn increases the elongation at break of the resin, so that the composition according to the invention not only offers the possibility of using the high-quality and cheap aramid fibers with the commercially available finishing agent for the production of fiber composite materials, but also the possibility of using a fiber composite material with special properties, how high elongation at break perpendicular to the fiber, high strength and high temperature resistance is achieved. At higher temperatures, the finishing agent reacts with the resin system to form a compound that, unlike the finishing agent, does not evaporate even under vacuum. The reaction temperature is about +110 0 C. Under these conditions, it is possible to be subjected to the inventive process, the object or the material or fiber-matrix composite for curing a heat treatment in order to obtain an object or fiber composite material, which also is highly vacuum resistant.
In all diesen Dingen gilt Ahnliches auch für die lCohlenstoffasern,In all these things the same applies to the carbon fibers,
Für die Druckfestigkeit eines Faserverbundwerkstoffs parallel zur Faserrichtung ist Unter anderem der Elastizitätsmodul der Matrix (Em) verantwortlich. Um eine bestimmte Druckfestigkeit «ines Faserverbund·' Among other things, the elasticity module of the matrix (Em) is responsible for the compressive strength of a fiber composite material parallel to the fiber direction. In order to achieve a certain compressive strength in a fiber composite
werkstoffs innerhalb eines definierten Temperaturbereichs zu erzielen, muß die Abhängigkeit des Matrix-E-Moduls von der Temperatur in diesem Temperaturbereich so gering wie möglich sein. Durch die Erfindung wird dies innerhalb bestimmter Grenzen, und zwar von etwa +20° C bis +800C, erreichtTo achieve a material within a defined temperature range, the dependence of the matrix E-module on the temperature in this temperature range must be as low as possible. By the invention this is achieved within certain limits, from about + 20 ° C to +80 0 C
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind eine gute Benetzbarkeit zwischen den genannten Fasern und der genannten Reinharzgießmasse, eine sehr gute Haftung zwischen Faser und Matrix beim fertigen Faserverbundwerkstoff, Gegenstand oder Bauteil und eine mechanische Bearbeitbarkeit desselben.Further advantages of the method according to the invention are good wettability between the aforementioned Fibers and the above-mentioned pure resin casting compound, a very good adhesion between fiber and matrix when finished Fiber composite material, object or component and a mechanical machinability of the same.
Ausbildungen und Weiterentwicklungen des erfindungsgemäßen Verfahren.«· sind in den Unteransprüchen angegeben. So wird vorzugsweise gemäß dem Ansprach 2 vorgegangen; dabei beträgt im allgemeinen die Kunstharzgießmasse einschließlich der Verdünnung mehr als 50 Gewichtsprozente, z. B. werden in diesem Sinn in 60% Kunstharz und 13% Verdünnung 27% Härter eingemischt. Vorzugsweise wird im stöchiomefrischen Verhältnis eingemischt. Ferner wird insbesondere gemäß dem Anspruch 3 vorgegangen d. h. es werden, kurz gesagt, die Fasern durch eine Tränkvorrichtung gezogen und auf einen Kern bei Raumiemperatur aufgewickelt. Dabei ist eine gut und kontinuierlich benetzte Faser gewährleistet. Bei der Raumtemperatur handelt es sich im allgemeinen um etwa +20 C bis + 25°C. Zu diesem Aufwickeln muß das Matrixsystem eine bei Raumtemperatur niedrige Viskosität besitzen. Der genannte Kern kann voll oder hohl sein. Es ist vorteilhaft, einen Kern aus Gips zu verwenden — siehe den Anspruch 4; dieser kann aufgrund seiner geringen Festigkeit nach dem Aushärten oder Härten und Erkalten der Verbundbewicklung zerstört und damit leicht entfernt werden. Der Kern hat Abmessungen, die dem herzustellenden Gegenstand oder Bauteil entsprechen, und wird vorzugsweise auf einer Wickelmaschine eingespannt und bewickelt. Beim genannten Durchziehen und Aufwickeln gelingt der Gegenstand bzw. die Verbundbewicklung besonders gut, wenn gemäß dem Anspruch 5 vorgegangen wird. Nach dem Aufwickeln wird für den Härtungs- oder Aushärtungsprozeß die Verbundbewicklung im allgemeinen auf Temperaturen zwischen etwa +6O0C und 110°C erwärmt, insbesondere in der Weise, wie im Anspruch 6 angegeben ist. Auf der dort zuletzt genannten Temperatur von etwa + 1 IO°C wird die Verbundbewicklung etwa 10 Stunden lang gehalten, um den Aushärtungsprozeß zu vervollitändigen und die Reaktion der auf der Faser befindlichen Avivage mit der Matrix zu ermöglichen. Die Matrixmasse, die in reiner Form eine Temperaturbeständigkeit von etwa +1500C aufweisen würde, ist nach diesem Härtungsprozeß und durch die Einwirkung der Avivage immer noch ausreichend temperaturbeständig, und zwar bis etwa +110°C bis +1200C. Insbesondere wird auch gemäß dem Anspruch 7 vorgegangen. Vom Gipskern wird das Bauteil durch Zerstören des Gipskerns getrennt. Es ist aber auch möglich, nach einem der Ansprüche 3 bis 6 Hohlkörper oder andere Körper herzustellen, bei denen es nicht erforderlieh oder nicht erwünscht ist, den Kern vom Verbund bzw. Gegenstand oder Bauteil zu trennen; dabei handelt es sich insbesondere um einen hohlen Kern, In diesen Fällen wird man die Wahl des Kernwerkstoffs auf den Anwendungsfall richten und/ oder so treffen, daß möglichst keine Wärmedehnungsunterschiede zwischen Verbund und Kern bestehen.Developments and further developments of the method according to the invention are specified in the subclaims. So is preferably proceeded according to spoke 2; in general, the synthetic resin casting compound including the dilution is more than 50 percent by weight, e.g. B. in this sense, 27% hardener are mixed into 60% synthetic resin and 13% thinner. It is preferably mixed in in a stoichiometric ratio. Furthermore, the procedure is in particular according to claim 3, that is to say, in short, the fibers are drawn through an impregnation device and wound onto a core at room temperature. A well and continuously wetted fiber is guaranteed. The room temperature is generally around +20 C to + 25 ° C. For this winding up, the matrix system must have a viscosity which is low at room temperature. Said core can be full or hollow. It is advantageous to use a core made of plaster of paris - see claim 4; Due to its low strength, this can be destroyed after the composite wrapping has hardened or hardened and cooled, and can thus be easily removed. The core has dimensions that correspond to the object or component to be manufactured and is preferably clamped and wound on a winding machine. In the aforementioned pulling through and winding up, the object or the composite wrapping succeeds particularly well if the procedure according to claim 5 is followed. After winding the Verbundbewicklung generally at temperatures between about + 6O 0 C and 110 ° C is heated, in particular in the manner as specified in claim 6 for the curing or hardening process. The composite wrapping is held at the temperature last mentioned there of about + 10 ° C. for about 10 hours in order to complete the hardening process and to enable the finishing agent on the fiber to react with the matrix. The matrix composition which would exhibit a temperature resistance of about +150 0 C in pure form, after this curing process and by the action of lubricant still sufficient temperature resistance, namely to about + 110 ° C to + 120 0 C. In particular, also proceeded according to claim 7. The component is separated from the gypsum core by destroying the gypsum core. But it is also possible, according to one of claims 3 to 6, to produce hollow bodies or other bodies in which it is not necessary or desirable to separate the core from the composite or object or component; In particular, this is a hollow core. In these cases, the choice of core material will be based on the application and / or made in such a way that there are as few thermal expansion differences as possible between the composite and the core.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7 eignet sich insbesondere auch zur Herstellung eines wesentlichen Teils, besonders eines Gehäuses (mit Anschlußstiiiktur), eines Apogäumsmotors eines Weltraumsatelliten — siehe den Anspruch 8. Bekanntlich sind Apogäumsmotoren von Weltraumsatelliten durch den Raketenaufstieg und durch Abbrennen des Treibsatzes starken Belastungen ausgesetzt. Diese Anforderungen werden alle von dem erfindungsgemäßen aramid- und/oder kohlenstoffaserverstärkten Werkstoff erfüllt. Die Einwirkung der Avivage auf das Harz gewährleistet die erforderliche Bruchdehnung senkrecht zur Faser. Eine Ausgasung im Vakuum erfolgt nicht, weil das einzige verdampfbare Material, nämlich die Avivage, in eine nicht verdampfende Verbindung umgesetzt ist. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, daß durchaus erreichbare höhere Temperaturen im Motorgehäuse, die bis auf etwa + 80°C steigen können, keinen Einfluß auf den erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffhaben. The method according to one of claims 3 to 7 is also particularly suitable for producing a essential part, especially a housing (with connection structure), of an apogee motor of a space satellite - See claim 8. It is known that apogee engines of space satellites are through exposed to the rocket ascent and the burning of the propellant charge. These requirements are all made of the aramid and / or carbon fiber reinforced material according to the invention Fulfills. The effect of the finishing agent on the resin ensures the required elongation at break vertically to the fiber. Outgassing in a vacuum does not occur because the only vaporizable material is the avivage is converted into a non-evaporating compound. Another important benefit is that absolutely achievable higher temperatures in the motor housing, which can rise to about + 80 ° C, none Have an influence on the fiber composite material according to the invention.
Insbesoncere wird das Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7 zur Herstellung eii;ü Druckbehälters angewendet.In particular, the method according to one of the Claims 3 to 7 for the production of eii; ü pressure vessel applied.
Alles, was bisher über das Verfahren zur Herstellung des Gegenstand bzw. Bauteils oder des genannten Gehäuses oder dgl. und in Weiterentwicklung dieses Verfahrens bzw. im einzelnen darüber ausgeführt ist. gilt entsprechend auch für Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffs (an sich), wo also z. B. mit der Reinharzgießmasse getränkte Aramid- und/oder Kohlenstoffasern (beispielsweise ein Faserbüschel) zum Faserverbundwerkstoff zusammengepreßt werden.Everything that has been said so far about the method for producing the object or component or the aforementioned Housing or the like. And is carried out in a further development of this method or in detail about it. is applicable correspondingly also for processes for the production of the fiber composite material according to the invention (per se), so where z. B. with the pure resin casting compound soaked aramid and / or carbon fibers (for example a Fiber clusters) are compressed to form a fiber composite material.
Anhand der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, wobei es sich um ein Wickeln eines Bauteils handelt.An exemplary embodiment of the method according to the invention is described with reference to the drawing, wherein it is a winding of a component.
F i g. 1 der Zeichnung zeigt schematisch und in einem Querschnitt eine diesbezügliche Hersteliungseinrichtung während der Durchführung des Verfahrens.F i g. 1 of the drawing shows schematically and in a cross section a related manufacturing device while the procedure is being carried out.
F i g. 2 zeigt, ebenfalls schematisch, die Verbuitdbewicklung bzw. das fertige Bauteil auf dem Kern in einem Längsschnitt H-II gemäß Fig. 1.F i g. 2 shows, also schematically, the connection winding or the finished component on the core in a longitudinal section H-II according to FIG. 1.
und bei diesen in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Gegenständen handelt es sich ebenfalls um Ausfuhrungsbeispiele bzw. um Beispiele.and these are shown in FIGS. 1 and 2 Objects are also exemplary embodiments or examples.
Gemäß F i g. 1 werden genannte Fasern bzw. wird ein aus ihnen bestehender Faden 10 von einer nicht dargestellten Faserspule her (Pfeil 18) durch eine Tränkvorrichtung gezogen, die zwei Tränkwannen 11 und 12 und je eine Tränkrolle 13 bzw. 14 aufweist. Die Tränkwannen 11 und 12 sind mit der genannten Reinharzgießmasse 15 gefüllt. Die Tränkrollen 13 und 14 tauchen in die Reinharzgießmasse 15 ein. Das Ziehen des Fadens 10 wird durcli ein in Richtung des Pfeils 22 erfolgendes Antreiben einer Wickelwelle 16 (F i g. 1 und 2) bewirkt, die einen aus Gips bestehenden, hohlen Kern (Wickelkern) 17 und zwei zentrale Endbt;nhsen 19 (Fig. 2) in der eben genannten Richtung antreibt. Der Kern 17 ist in Fig. 1 im Schnitt I-I (siehe Fig. 2) dargestellt. Der Faden 10 führt nacheinander oben über die Tränkrolle 13, um eine Umlenkrolle 20 und oben, aber entgegengesetzt, über die Tränkrolle 14, die tiefer als die Tränkrolle 13 und die Tränkwanne 1J angeordnet ist, und dreht die Rollen 13, 20 und 14. Die Fasern des Fadens 10 werden durch die Tränkrolle 13 auf der einen und durch die Tränk'-olle 14 auf der entgegengesetzten Seite getränkt. Der Faden 10 führt dann über eine Umlenkrolle 21 und anschließend über Bremsrollen 23 bis 25, die der Erzeugung der Spannung des Fadens 10According to FIG. 1 are called fibers or a thread 10 consisting of them is not replaced by one The fiber bobbin shown here is drawn (arrow 18) through an impregnation device, the two impregnation tubs 11 and 12 and one impregnating roller 13 and 14 respectively. The drinking troughs 11 and 12 are with the mentioned Pure resin casting compound 15 filled. The impregnating rollers 13 and 14 are immersed in the pure resin casting compound 15. The pulling of the thread 10 is passed through in the direction of the arrow 22 taking place driving a winding shaft 16 (Figs. 1 and 2) causes a hollow core made of plaster of paris (Winding core) 17 and two central Endbt; nhsen 19 (Fig. 2) drives in the direction just mentioned. Of the Core 17 is shown in Fig. 1 in section I-I (see Fig. 2). The thread 10 leads one after the other over the impregnation roller 13 to a deflection roller 20 and above, but opposite, over the impregnation roller 14, which is lower arranged as the drinking roller 13 and the drinking trough 1J is, and rotates the rollers 13, 20 and 14. The fibers of the thread 10 are through the impregnation roller 13 on one and through the Tränk'-olle 14 on the opposite side Side soaked. The thread 10 then leads over a deflection roller 21 and then over brake rollers 23 to 25, the generation of the tension of the thread 10
dienen. Die mit der Reinharzgießmasse 15 getränkten Fasern bzw. der mit ihr getränkte Faden 10 wird durch das Drehen der Wickelwelle 16 in mehreren Lagen auf den Kern 17 aufgewickelt. Die ReinhafzgieBmässe 15 wird in den Tränkwanneri 11 und 12 bzw. während des Wickelvorgangs auf etwa 50eC gehalten. Der Kern 17 hat dabei Raumtemperatur.to serve. The fibers impregnated with the pure resin casting compound 15 or the thread 10 impregnated with it is wound onto the core 17 in several layers by rotating the winding shaft 16. The ReinhafzgieBmässe 15 is held in the Tränkwanneri 11 and 12 respectively during the winding operation at about 50 e C. The core 17 has room temperature.
Wie aus Fig.2 ersichtlich ist, besteht die durch das genannte Aufwickeln entstandene Verbundbewicklung entsprechend der aus Fig.! und 2 ersichtlichen AuQenform des Kerns 17 aus einem hohlzylindrischen Mittelteil 26 und zwei sphäroidischen, die Endbuchsen 19 umfassenden Polkappen 27. Die Verbundbewicklung 26,27 wird zusammen mit dem Kern 17 dem genannten Höftezyklus unterworfen, Das fertige Bauteil wird freigelegt, indem der Kern 17, an den man durch die zentralen Öffnungen 28 der Anschlußbuchsen 19 hindurch herankommt, zerstört wird und die Kernteile durch diese Öffnungen 28 hindurch herausgeholtAs can be seen from Figure 2, the called winding resulting composite winding according to the from Fig.! and 2 can be seen The outer shape of the core 17 consists of a hollow cylindrical central part 26 and two spherical end sleeves 19 comprehensive pole caps 27. The composite winding 26,27 is together with the core 17 of the aforementioned Subject to the courtyard cycle, the finished component is exposed by the core 17, to which one passes through the central openings 28 of the connecting sockets 19 comes through, is destroyed and the core parts brought out through these openings 28 through
jo werden.be jo.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (8)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE19782840477 DE2840477C2 (en) | 1978-09-16 | 1978-09-16 | Process for the production of an article from fiber composite material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19782840477 DE2840477C2 (en) | 1978-09-16 | 1978-09-16 | Process for the production of an article from fiber composite material |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE2840477B1 DE2840477B1 (en) | 1980-01-24 |
| DE2840477C2 true DE2840477C2 (en) | 1980-09-25 |
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Family Applications (1)
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Families Citing this family (3)
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Also Published As
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