DE2924602A1

DE2924602A1 - Verbundgarn

Info

Publication number: DE2924602A1
Application number: DE19792924602
Authority: DE
Inventors: Richard Harold Ackley
Original assignee: PPG Industries Inc
Current assignee: PPG Industries Inc
Priority date: 1979-02-02
Filing date: 1979-06-19
Publication date: 1980-08-14
Also published as: BE876837A; GB2042010B; DE2924602C2; NL7904769A; JPS55103927A; JPS621527A; GB2042010A; JPS6359862B2; IT7968292A0; FR2447806A1; JPS646019B2; CA1128740A; FR2447806B1; IT1118749B; CH640572A5

Description

In den letzten Jahren hat der Bedarf an Bauteilen aus Kunststoff sehr stark zugenommen. So können beispielsweise verstärkte Kunststoffplatten zu Bauteilen von Automobilen verarbeitet werden. Diese ausgerichtet verstärkten Platten enthalten Glasfasergarne, die schraubenförmig auf einer Spindel in einem Zickzackmuster aufgewickelt worden sind und besitzen im allgemeinen einen Glasgehalt von 60 bis 80 Gew.%. Derartige, mit Glas verstärkte Harzverbundkörper mit einem hohen Glasgehalt, ergeben zwar Formkörper mit einer ausgezeichneten Festigkeit, doch sind häufig bessere Elastizitätseigenschaften erwünscht, als sie normalerweise erhalten werden. Es ist bekannt, daß Kohlefasern Harzteilen einen guten Elastizitätsmodul verleihen. Man hat deshalb Verschnitte von Glas- und Kohlefasern in Harzen verwendet, um die Festigkeit der Glasfaser und die Elastizität der Kohlefaser auszunutzen. Beim Versuch, die Kohlefasern mit Glasfasern für die Herstellung von verstärkten Harzen aufzuwickeln, sind erhebliche Schwierigkeiten in der Verarbeitung der Kohlefasergarne aufgetreten. So kommt es beispielsweise häufig vor, daß die Kohlefasern, die in Form eines Garnes vorliegen, in dem Harzbad oder den nachgeschalteten Einrichtungen, wie Düsen, brechen. Dies scheint auf einen viskosen Harzaustrag zurückzuführen zu sein, der beim Austritt des Garnes aus dem Bad auftritt und eine Filamentierung bzw. ein Auf fasern des Garnes hervorruft, wobei sich das Garn in die einzelnen Fäden oder Filamente trennt und schließlich bricht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dessen

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Hilfe es gelingt, Kohlefasergarne und Glasfasergarne mit Harzen zu einem Verbundkörper zu vereinigen, ohne daß es zu einer Auffaserung des Kohlefasergarnes kommt. Zu den Aufgaben der Erfindung gehört ferner ein Verbundgarn, das nach diesem Verfahren herstellbar ist und Verbundkörper aus diesem Verbundgarn.

Diese Aufgaben werden entsprechend den Patentansprüchen gelöst.

Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden Garne aus Kohlenstoff und Glas auf einer Spindel bzw. einem Dorn zur Herstellung von verstärkten Harzkörpern aufgewickelt. Dabei werden die Glasfasergarne durch ein Harzbad geführt, wo sie sorgfältig benetzt werden. Die Glasgarne werden dann durch eine Dosierdüse (die metering means) geführt, wo die Harzmenge, die auf den Glasfasergarnen bleibt, geregelt wird. Das Kohlefasergarn für den herzustellenden Verbundkörper wird direkt an der Rückseite der Dosierdüse zugeführt und wird mit dem Harz an dem Punkt in Berührung gebracht, wo das Harz durch die Düse abgestreift wird. Durch die Zuführung des Kohlefasergarnes an diesem Punkt wird ein Auf fasern des Garnes vermieden, eine gute Benetzung des Garnes mit dem Harz erreicht und eine Aufwickelung auf der Spindel mit dem Glas ermöglicht, ohne daß es zu einer Auffaserung oder zu einem Brück des Kohlefasergarnes kommt, wie dieses beobachtet wird, wenn dieses Garn durch das Harzbad geführt wird. Das Verbundgarn nach der Erfindung besteht infolgedessen aus Harz, einer Vielzahl von Glasfasergarnen und mindestens einem Kohlefasergarn.

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Die mit Glasfasergarnen und Kohlefasergarn verstärkten Harzkörper enthalten in der Regel 55 "bis 80 Gew.% Glas und 20 bis 45 Gew.% Harz. Bei der weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, die folgendes zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung der Einrichtung, die zur Herstellung der mit Glasfasergarnen und Kohlefasergarnen verstärkten Harzkörper verwendet wird,

Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht des Bereiches von Fig. 1, in dem das Harz aufgebracht wird und

Fig. 3 ist eine Teilansicht mit dem Blick in den Behälter für die Harzaufbringung und die Dosierdüse und den Zuführungspunkt des Kohlefasergames.

Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, werden zur Erläuterung nur 6 Gläsfaserformpackungen 2 verwendet. Diese Packungen hängen auf einem nichtgezeigten Aufsteckgatter und die Enden der Garne 1 von jeder Packung werden durch die Durchgänge bzw. Oesen 4 oder 5 geführt. Diese Oesen befinden sich in einem Wandkörper 3, der typischerweise aus einer Metallplatte besteht. Bei der Darstellung in Fig. werden die Garnenden der oberen Reihe der Formpackungen durch die Öffnung 5 und diejenigen der unteren Reihe durch die Öffnung 4 geführt. Die physikalisch kombinierten Garne bilden zwei Glasbänder 1¹, die unter den Haltestäben 11 und 15 durch den Behälter 9 für das Harz geführt werden, Die Bänder gehen dann durch die Düsen 12 und 13, die sich am vorderen Ende des Harzbehälters befinden. Am Kopf der

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Wand 3 sind zwei Packungen 18 und 18' montiert, auf denen Kohlefasergarne 8 und 8* aufgewickelt sind. Die Kohlefasergarne 8¹ und 8 werden in die Düsen 12 bzw. 13 eingeführt, wobei sie durch die Abstreifung oder den Rücklauf 14 des Harzes gehen, der vom Abstreifen des Harzes von den Glasfasergarnen 1' und 1 durch die Düsen 12 und 13 herrührt. Die verdichteten Glas-Kohlegarne 19 und 19' f die aus den Düsen 13 und 12 austreten, werden dann zu einem Streifen 17 in einer öffnung oder öse 22, die sich in einem Führungskörper 21 befindet, zusammengefaßt und dieser Streifen oder Band wird auf einer sich drehenden Spindel oder Dorn 15 aufgewickelt. Nachdem der durch Aufwickeln erzeugte Verbundkörper die gewünschte Dichte erreicht hat, wird die Spindel angehalten, der Verbundkörper wird von ihrer Oberfläche abgeschnitten und der Vorgang wird wiederholt.

Der in den Zeichnungen dargestellte Vorgang kann vielfach abgewandelt werden. Statt eines Garnbandes 17 können gleichzeitig mehrere Bänder auf die Spindel aufgewickelt werden. Auch die Anzahl der Glasfasergarne 1 kann variiert werden. In der Regel schwankt sie zwischen 1 und 10 und höher. Die gewünschte Breite des Streifens 17 in dem fertigen Produkt bestimmt die Anzahl und den Durchmesser der Garne, die den Streifen bilden. Unter der Breite wird hier die senkrecht zur Streifenrichtung gemessene Breite verstanden.

Bei dem in den Figuren dargestellten Verfahren dreht sich die Spindel bzw. der Dorn im Uhrzeigersinn auf einer nichtgezeigten Welle, die durch einen Motor

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angetrieben wird. Die Führungsplatte 21 bewegt sich in einer horizontalen Ebene hin und her und legt den verdichteten oder zusammengefaßten Streifen 17 auf der Oberfläche der Spindel 15 ab. Der Streifen wird normalerweise auf der Spindel unter einem vorherbestimmten Schraubenwinkel (helix angle) abgelegt. Der Schraubenwinkel ist der eingeschlossene spitze Winkel, der vom Schnitt des Streifens 17 auf dem Körper der Spindel 15 mit einer Linie gebildet wird, die parallel mit der Längsachse der Spindel ist. Dieser Winkel liegt für Verbundkörper, die durch das Verfahren nach der Erfindung hergestellt werden, bei 60 bis 89°. Der Aufwickelwinkel (wind angle)der Spindel in Relation zu dem Streifen 17 ist der eingeschlossene spitze Winkel, der durch den Schnitt des Streifens 17 mit einer Linie, die senkrecht zur Längsachse der Spindel ist, gebildet wird. Typischerweise liegt dieser Winkel bei 30 bis 1°.

Bei normalem Betrieb dreht sich die Spindel während des Verfahrens kontinuierlich und der Führungskörper 21 wird hin- und herbewegt, wodurch der Streifen in einem Zickzackmuster unter Bildung des Verbundkörpers auf der Oberfläche der Spindel abgelegt wird. Auf der Spindel wird eine erste Schicht des Verbundkörpers dann als abgelegt angesehen, wenn der Streifen die Spindel in beiden Querbewegungsrichtungen bedeckt hat. Die Anzahl derartiger Schichten richtet sich nach der gewünschten Dicke des Verbundkörpers.

Der Harzbehälter 9 wird während des Betriebes konstant mit Harz 10 versorgt, so daß stets ausreichende Mengen Harz im Behälter vorhanden sind, um die unter den Stäben 11 und 15 hindurchgeführten Glasgarne 1 und

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sorgfältig zu benetzen. Die Harzzufuhr kann automatisch kontinuierlich oder manuell diskontinuierlich erfolgen. In Abhängigkeit von der Breite der Spindel 15 kann der Behälter feststehen oder in einer horizontalen Ebene koordiniert mit der Bewegung der Platte hin- und herbewegt werden.

Bei der Erfindung können thermoplastische oder härtbare Harze verwendet werden. Beispiele von geeigneten thermoplastischen Harzen sind Polyäthylen, Polypropylen und Polystyrol. Als härtbare Harze sind beispielsweise Vinylesterharze, rasch härtende Epoxyharze und Polyesterharze gut brauchbar. Bevorzugt sind Polyesterharze, die Isophthalsäure enthalten. Epoxyharze in der Härtungsstufe B und verdickte Polyesterharze haben den Vorteil, daß die damit hergestellten Verbundkörper nach der Entfernung von der Spindel gelagert werden können und erst zu einem späteren Zeitpunkt geschnitten, geformt und gehärtet werden können. Typische Polyester, die bei der Erfindung verwendet werden können, sind in der US-PS 38 40 618 beschrieben.

Die Kontrolle des Harzgehaltes in dem fertigen Produkt ist wesentlich. Sie erfolgt durch Regulierung der Größe der Öffnungen der Düsen 12 und 13. Im allgemeinen ist es zweckmäßig, kreisförmige Öffnungen mit einem Durchmesser von 0,036 bis 0,198 cm vorzusehen.

Die dem System zugeführten Glasfasergarne können direkt von der Wand abgezogen werden, wie dies in Fig. 1 gezeigt wird. Sie können aber auch von einem Aufsteckgatter, das näher an dem vorderen Ende des Be-

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hälters 9 angeordnet ist, abgewickelt werden. Die Eintrittsstelle des Kohlefasergarnes in den Harzbehälter ist von erheblicher Bedeutung für das Verfahren nach der Erfindung. Die Verweilzeit des Kohlefasergarnes im Harz und der Austrag des Harzes mit dem Garn sollten möglichst klein gehalten werden, um eine Schädigung des Garnes, wie Auffasern, zu vermeiden. Es ist deshalb wesentlich, daß das Kohlefasergarn in das Verfahren am oder in der Nähe des Eintritts der Glasfasergarne in die Düsen 12 bzw. 13 eingeführt wird. Bevorzugt erfolgt diese Einführung im zentralen Bereich der Harzabstreifung bzw. des Harzrücklaufs dieser Düsen. Dadurch wird vermieden, daß das Kohlefasergarn eine längere Zeit der Zugeinwirkung im Harzbad ausgesetzt wird und daß es zu viel Harz aufnimmt.

Die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Verbundgarne und Verbundkörper enthalten auf Volumenbasis im allgemeinen 50 bis 5 % Kohlefasergarn und 5 bis 50 % Glasfasergarn. Der Gehalt der Garne kann jedoch auch außerhalb dieser Grenzen liegen und kann z.B. 20 bis 95 Vol.# Glasfasergarn und 80 bis 5 Vol.% Kohlefasergarn ausmachen. Dies entspricht etwa 35 bis etwa 98 Gew.% Glasfasergarn und etwa 65 bis etwa 2 Gew.% Kohlefasergarn. In der Regel werden die Garne dem System und dem verdichteten Streifen der Spindel mit einer Geschwindigkeit von 15,2 bis 152 m (50 500 feet) pro Minute zugeführt.

Häufig ist es wünschenswert, den erfindungsgemäßen Verbundkörper zwischen Kunststoffschichten anzuordnen, z.B. zwischen klaren Folien aus Polyäthylen. Dazu kann man die Spindel mit einer Polyäthylenfolie bedecken, bevor der Aufwickelvorgang begonnen hat. So-

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bald dann der Wickelkörper die gewünschte Dicke erreicht, wird die Drehung der Spindel eingestellt und der Verbundkörper wird mit einer zweiten Polyäthylenfolie bedeckt und von der Spindel abgeschnitten. Durch diese sandwichartige Anordnung des Verbundkörpers wird seine Handhabung und Lagerung bis zur Verformung und Härtung erleichtert.

Kohlefasergarne kann man bekanntlich durch Pyrolyse von organischen Garnen erhalten, z.B. von Cellulose- oder Polyacrylnitrilgarnen. Ihre Herstellung ist in der Literatur beschrieben und entsprechende Produkte sind im Handel erhältlich, vgl. Modem Plastics Encyclopedia, 54·, 1OA, S. 172, Okt. 1977; Advanced Materials, CZ. Carroll-Porczynski, Chemical Publishing Co., N.Y. 1962; Industrial Chemistry, 7. Aufl. S. 342, Van Nostrand Reinhold Co., N.Y., 1974. Ein besonders gut ge- _ eignetee Kohlefasergarn ist das Handelsprodukt CELION-der Celanese Corporation.

Bei einer typischen Durchführung der Erfindung wurde eine Harz-Glas-Kohle-Verbundplatte unter Verwendung eines härtbaren Polyesterharzes hergeste-lt. Die Harzmischung enthielt 90 Teile eines isophthalsäurehaltigen Polyesterharzes, 10 Teile Styrol, 0,5 Teile Zinkstearat, 1 Teil tert.-Butylperbenzoat und 3_t5 Teile Magnesiumoxid als Verdicker.

Auf einem Aufsteckgatter waren 12 Glasfaserformpackungen montiert, die alle K-37 Glasfasergarne enthielten. Jedes Garn bestand aus 400 Einzelfäden, die einen Durchmesser von 0,0013 cm hatten. Es wurden die Glas streifen her ge-

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stellt, indem die Garne von jeweils 4 Formpackungen zusammengefaßt wurden, bevor sie in Harzbehälter mit einer Geschwindigkeit von 30,5 bis 71 m (100 200 feet) pro Minute eingeführt wurden. Mit jeweils 1 Glasstreifen wurde 1 Kohlefasergarn kurz vor dem Eintritt des Glasstreifens in die Abstreifdüse für das Harz kombiniert. Beim Durchgang durch die Düse wurds das Kohlefasergarn von dem Harz benetzt und mit dem Glasfaserstreifen zu einem Verbundstreifen kombiniert. Die so hergestellten drei Verbundstreifen wurden durch hin- und hergehende FUhrungskörper rotierenden Spindeln zugeführt. Auf den Spindeln wurden die Streifen unter einem Schraubenwinkel von 85,4° und einem Aufwickelwinkel von 4,6° aufgewickelt. Es wurden drei Schichten der Streifen auf jeder Spindel aufgewickelt. Die Drehung der Spindel wurde dann eingestellt und der Verbundkörper wurde zu einem Rohling für die Herstellung einer ebenen Platte zugeschnitten. Die Veiterverarbeitung erfolgte auf geheizten Pressen.

Statt auf eine Spindel können die Verbundstreifen auch auf eine Hülse (spool) für die spätere Verwendung aufgewickelt werden. Von den Hülsen können dann die Verbundstreifen an einem anderen Ort abgewickelt werden. Außerdem ist auch ein Vebvorgang mit den auf Hülsen aufgewickelten Verbundstreifen möglich. Ferner ist es möglich, diese Verbundstreifen zuB Verstärken einzelner Bereiche von Körpern oder Gegenständen zu verwenden. Auch die Herstellung von Kabeln aus den Verbundkörpern ist möglich. Schließlich kann man die Verbundstreifen direkt aus dem Bad einem Fliessband als Strudel zuführen und daran einen Laminiervorgang anschließen.

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Claims

Dr. Michael Harm Patentanwalt Ludwigstr. 67 6300 Giessen (1227) H/Fe PPG Industries, Inc., Pittsburgh, Pennsylvania 15222, USA VERBUNDGARN Priorität: 2. Februar 1979 / USA / Ser.No. 8 671 Patentansprüche:

1. Verbundgarn,
gekennzeichnet durch einen Gehalt an Harz, eine Vielzahl von Glasfasergarnen und mindestens einem Kohlefasergarn.

2. Verbundgarn nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß das Harz einen durch Wärme härtbaren Polyester enthält.

3. Verbundgarn nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß die Kohle- und Glasfasergarne aus 35 bis 98 Gew.% Glas und 65 bis 2 Gew.% Kohlenstoff bestehen,

4. Verbundgarn nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , daß sein Harzgehalt zwischen 20 und 75 Gew.96 liegt.

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5. Verbundgarn nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß das Harz Polyäthylen, Polypropylen, Polyamid, Polyurethan, Polyester, Epoxiharz oder eine Mischung davon ist.

6. Verbundgarn nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß die Garne mit einem Harz imprägniert sind, das einen verdickten, ungehärteten Polyester enthält.

7. Verbundgarn nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß es ein zur B-Stufe gehärtetes Harz enthält.

8. Verbundgarn nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß das Garn auf einer Hülse aufgewickelt ist.

9. Verbundgarn nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß die Kohle- und Glasfasergarne in dem Verbundgarn auf Volumbasis zwischen 50 und 5 % Kohlenstoff und zwischen 5 und 50 % Glas enthalten sind.

10. Verbundkörper aus Fasern und Harz , dadurch gekennzeichnet , daß er komprimierte schraubenförmig aufgewickelte Garne enthält, die Verbundgarne aus Harz, einer Vielzahl von Glasfasergarnen und mindestens einem Kohlefasergarn sind.

11. Verbundkörper nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet ,

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daß der Verbundkörper bei einem Schraubenwinkel von etwa 85,4° aufgewickelt worden ist.

12. Verbundkörper nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet, daß drei Schichten von schraubenförmig aufgewickelten Garnen vorhanden sind.

13. Verbundkörper nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet , daß er einen durch Wärme härtbaren Polyester enthält.

14. Verbundkörper nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet , daß die Kohle- und Glasfasergarne in den Verbundgarnen zwischen 35 und 98 Gew.% aus kontinuierlichen Glasfasern und 65 und 2 Gew.% aus kontinuierlichen Kohlefasern bestehen.

15. Verbundkörper nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet , daß die Garne mit einem Harz imprägniert sind, das einen verdickten, ungehärteten Polyester enthält.

16. Verbundkörper nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet , daß er mit einem zur B-Stufe gehärteten Harz imprägniert ist.

17. Verbundkörper nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet , daß das Garn auf einer Hülse aufgewickelt ist.

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18. Verbundkörper nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet , daß die Kohle- und Glasfasergarne in dem Verbundkörper auf Volumbasis zwischen 50 und 5 % Kohle und zwischen 5 und 50 % Glas ausmachen.

19. Verbundkörper nach Anspruch 14 , dadurch gekennzeichnet, daß sein Harzgehalt zwischen 20 und 45 Gew.% des Verbundkörpers liegt.

20. Verbundkörper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Harz Polyäthylen, Polypropylen, Polyamid, Polyurethan, Polyester, Epoxiharz oder eine Mischung davon ist.

21. Verfahren zur Herstellung eines Verbundmantels aus einem Verbundgarn aus Harz, Glasfasergarn und Kohlefasergarn,

dadurch gekennzeichnet , daß man ein Glasfasergarn in einen Körper eines härtbaren Harzes einführt, das Glasfasergarn durch den Körper des härtbaren Harzes führt, um das Glasfasergarn mit dem Harz zu tiberziehen, das überzogene Garn durch eine Düse führt, um überschüssiges Harz zu entfernen und den Harzgehalt des Glasfasergarnes zu regeln, Kohlefasergarne direkt in die Düse einführt, um das Auffasern des Kohlefasergarnes auf ein Minimum zu reduzieren und es physikalisch mit dem Glasfasergarn in der Düse zu kombinieren, wobei man auf das Kohlefasergarn Harz aufbringt, das in der Düse vorhanden ist, das verdichtete Garn auf einer

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rotierenden Oberfläche aufwickelt, indem man das verdichtete Garn über der Oberfläche in einer horizontalen Ebene hin- und herbewegt, bis die Oberfläche zu einer gewünschten Tiefe mit einem Mantel aus Harz, Glasfasergarn und Kohlefasergarn bedeckt ist und den Mantel von der Oberfläche in einem ungehärteten Zustand entfernt.

22. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet , daß der Harzgehalt der Kohle- und Glasgarne bei 45 bis 20 Gew.% gehalten wird.

23. Verfahren zur Herstellung eines Mantels aus mit Harz verstärkten Glasfaser- und Kohlefasergarnen, dadurch gekennzeichnet , daß Glasfasergarne mit einem durch Wärme härtbaren Polyester überzo.gen werden, die überzogenen Glasfasergarne durch eine Einrichtung zur Entfernung von überschüssigem Harz und zur Regelung des Gehaltes an Glas und Harz auf Gewichtsbasis geführt werden, Kohlefasergarn direkt in diese Einrichtung eingeführt wird, um das Auf,fasern des Kohlefasergarnes auf ein Minimum zu reduzieren, das Kohlefasergarn mit Harz benetzt, während es durch die genannte Einrichtung geht und das Kohlefasergarn und das Glasfasergarn verdichtet, das verdichtete Glasfaser- und Kohlefasergarn aus der genannten Einrichtung entfernt und es der Oberfläche einer rotierenden Spindel zuführt, das verdichtete Garn über der rotierenden Oberfläche hin- und herbewegt, um es auf dieser Oberfläche in aufeinanderfolgenden Schichten abzulegen und den erhaltenen

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zusanunenge setzten Schichtkörper aus Harz und verdichtetem Garn von der Oberfläche abschneidet.

24. Verfahren nach Anspruch 23 , dadurch gekennzeichnet , daß das verdichtete Garn auf die Oberfläche unter einem Schraubenwinkel zwischen 60 und bracht wird.

aufge-

25. Verfahren nach Anspruch 23 , dadurch gekennzeichnet , daß der Harzgehalt des schichtenförmigen Verbundkörpers zwischen 20 und 45 Gew. 96 und der Glas-Kohlegehalt zwischen 55 und 80 Gew.% liegt.

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