DE2924602C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines harzimprägnierten Glasfasergarns, s. US 39 66 864, insbes. dortiges Beispiel 7. In den letzten Jahren hat der Bedarf an Bauteilen aus Kunststoff sehr stark zugenommen. So können beispielsweise verstärkte Kunststoffplatten zu Bau­ teilen von Automobilen verarbeitet werden. Diese ausgerichtet verstärkten Platten enthalten Glasfaser­ garne, 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 Elastizitäts­ modul verleihen.

Aus GB-PS 12 75 412 sind harzimprägnierte Garne aus Borfasern oder Kohlenstoffasern oder Graphitfasern bekannt, die zur Verstärkung von Kautschuk verwendet werden können. Durch die Imprägnierung erhalten die an sich spröden Fasern einen guten Elastizitätsmodul.

Aus der Veröffentlichung von W. Flemig in Textiltechnik 23, 554-560 (1973) ist die Herstellung von Mischgarnen, um bestimmte Gebrauchswerte zu erhalten, bekannt. Es wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß das Mischen von Garnen zahlreiche Probleme beinhaltet.

Aus US-PS 39 56 564 ist ein Verbundkörper aus Harz und verschiedenen verstärkenden Fasern bekannt, wobei in Längsrichtung des Verbundkörpers in Bereichen unterschiedliche Fasern angeordnet sind, um in Längsrichtung unterschiedliche Eigenschaften zu erzeugen. Als geeignete Fasern sind Stahl-, Glas-, Bor- und Kohlenstoffasern genannt.

Aus US-PS 39 66 864 sind Verbundkörper aus harzimprägnierten Garnen bekannt. Dazu werden Glasfasern, Kohlenstoffasern, Graphitfasern, Borfasern, Stahlfasern, Asbestfasern oder temperaturbeständige organische Fasern mit einem flüssigen polymerisierbaren Material benetzt, zu einem Verbundkörper aufgewickelt und das polymerisierbare Material polymerisiert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines harzimprägnierten Verbundgarnes aus Kohlenstoff- und Glasfasern zur Verfügung zu stellen, bei dem das Kohlenstoffgarn nicht durch Auffasern beschädigt wird, und das zur Herstellung von verstärkten Verbundkörpern verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren eingangs genannter Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Erfindung schließt auch die Verwendung des erhaltenen Verbundgarnes zur Herstellung von Verbundkörpern ein. Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden mit Harz imprägnierte Garne aus Kohlenstoff und Glas auf einer Spindel bzw. einem Dorn zu einem Verbundgarn vereinigt und aufgewickelt. Dabei werden die Glasfasergarne durch ein Harzbad geführt, wo sie sorgfältig benetzt werden. Die Glasgarne werden dann durch die Dosierdüse einer Abstreifeinrichtung geführt, wo die Harzmenge, die auf den Glasfasergarnen bleibt, geregelt wird. Das Kohlefasergarn 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 Auffasern des Garnes vermieden, eine gute Benetzung des Garnes mit dem Harz erreicht und eine Aufwicklung des Verbundgarnes ermöglicht, ohne daß es zu einer Auffaserung oder zu einem Bruch des Kohlefasergarnes kommt, wie dieses beobachtet wird, wenn auch das Kohlenstoffgarn durch das Harzbad geführt wird. Das erhaltene Verbundgarn besteht infolgedessen aus Harz, einer Vielzahl von Glasfasergarnen und mindestens einem Kohlefasergarn. Der Harzgehalt des Verbundgarnes liegt zwischen 20 und 75 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 20 und 45 Gew.-%.

Bei der weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, die folgends zeigt

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung der Einrichtung, die zur Herstellung der mit Glas­ fasergarnen und Kohlefasergarnen verstärkten Harz­ körper 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 Dosier­ düse und den Zuführungspunkt des Kohlefasergarnes.

Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, werden zur Er­ läuterung nur 6 Glasfaserformpackungen 2 ver­ wendet. Diese Packungen hängen auf einem nichtge­ zeigten Aufsteckgatter und die Enden der Garne 23 von jeder Packung werden durch die Durchgänge bzw. Ösen 4 oder 5 geführt. Diese Ösen befinden sich in einem Wandkörper 3, der üblicherweise aus einer Metallplatte besteht. In Fig. 1 werden die Garnenden der oberen Reihe der Form­ packungen durch die Öffnung 5 und diejenigen der unteren Reihe durch die Öffnung 4 geführt. Die physikalisch kombinierten Garne bilden zwei Glas­ bänder 1 und 1′, 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 Wand 3 sind zwei Packungen 18 und 18′ montiert, auf denen Kohlefasergarne 8 und 8′ aufgewickelt sind. Die Kohlefasergarne 8′ 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 Glasfaser­ garnen 1′ und 1 durch die Düsen 12 und 13 her­ rührt. Die verdichteten Glas-Kohleverbundgarne 19 und 19′, die aus den Düsen 13 und 12 austreten, wer­ den 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 Auf­ wickeln erzeugte Verbundkörper die gewünschte Dicke erreicht hat, wird die Spindel angehalten, der Verbundkörper wird von ihrer Oberfläche abge­ schnitten und der Vorgang wird wiederholt.

Der in den Zeichnungen dargestellte Vorgang kann vielfach abgewandelt werden. Statt eines Garnbundes 17 können gleichzeitig mehrere Bänder auf die Spindel aufgewickelt werden. Auch die Anzahl der Glasfasergarne 23 kann variiert werden. In der Regel schwankt sie zwischen 1 und 10 und höher. Die ge­ wünschte 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 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 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 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 1′ sorgfältig zu benetzen. Der Harzzufuhr kann auto­ matisch kontinuierlich oder manuell diskontinu­ ierlich 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.

Für das erfindungsgemäße Verfahren können thermo­ plastische oder härtbare Harze verwendet werden. Beispiele von ge­ eigneten thermoplastischen Harzen sind Polyäthylen, Polypropylen und Polystyrol. Als härtbare Harze sind beispielsweise Vinylesterharze, rasch härtende Epoxyharze und Polyesterharze gut brauchbar. Bevor­ zugt sind Polyesterharze, die Isophthalsäure ent­ halten. Epoxyharze in der Härtungsstufe B und ver­ dickte Polyesterharze haben den Vorteil, daß die da­ mit hergestellten Verbundkörper nach der Entfernung von der Spindel gelagert werden können und erst zu einem späteren Zeitpunkt geschnitten, geformt und gehärtet werden können. Typische Polyesterharze, die bei der Erfindung verwendet werden können, sind in der US-PS 38 40 618 beschrieben.

Die Steuerung des Harzgehaltes in dem fertigen Pro­ dukt ist wesentlich. Sie erfolgt durch Regulierung der Größe der Öffnungen der Düsen 12 und 13. Im all­ gemeinen ist es zweckmäßig, kreisförmige Öffnungen mit einem Durchmesser von 0,036 bis 0,198 cm vorzu­ sehen.

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 hälters 9 angeordnet ist, abgewickelt werden. Die Eintrittsstelle des Kohlefasergarnes in den Harz­ behälter 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 gehal­ ten 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 Harzab­ streifung bzw. des Harzrücklaufs dieser Düsen. Da­ durch 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 Volumen­ basis 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 35 bis 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 pro Minute zugeführt. Häufig ist es wünschenswert, die aus dem Verbundgarn herge­ stellten Verbundkörper zwischen Kunststoffschichten anzu­ ordnen, z. B. zwischen klaren Folien aus Polyäthylen. Dazu kann man die Spindel mit einer Polyäthylenfolie be­ decken, bevor der Aufwickelvorgang begonnen hat. So­ bald dann der Wickelkörper die gewünschte Dicke erreicht, wird die Drehung der Spindel einge­ stellt und der Verbundkörper wird mit einer zweiten Polyäthylenfolie bedeckt und von der Spin­ del abgeschnitten. Durch diese sandwichartige An­ ordnung des Verbundkörpers wird seine Handhabung und Lagerung bis zur Verformung und Härtung er­ leichtert.

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. Modern Plastics Encyclopedia, 54, 10A, S. 172, Okt. 1977; Advanced Materials, C.Z. Carroll- Porczynski, Chemical Publishing Co., N.Y. 1962; Industrial Chemistry, 7. Aufl. S. 342, Van Nostrand Reinhold Co., N.Y., 1974.

Bei einer typischen Durchführung der Erfindung wurde eine Harz-Glas-Kohle-Verbundplatte unter Verwendung eines härtbaren Polyesterharzes hergestellt. Die Harzmischung enthielt 90 Teile eines isophthalsäure­ haltigen Polyesterharzes, 10 Teile Styrol, 0,5 Teile Zinkstearat, 1 Teil tert.-Butylperbenzoat und 3,5 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 Glasstreifen herge­ stellt, indem die Garne von jeweils 4 Formpackungen zusammengefaßt wurden, bevor sie in Harzbehälter mit einer Geschwindigkeit von 30,5 bis 71 m 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 wurde das Kohlefasergarn von dem Harz benetzt und mit dem Glasfaserstreifen zu einem Verbundgarn kombiniert. Die so hergestellten drei Verbundgarne wurden durch hin- und hergehende Führungskörper rotierenden Spindeln zugeführt. Auf den Spindeln wurden die Streifen unter einem Schraubenwinkel von 85,4° und einem Aufwickelwinkel von 4,6° aufge­ wickelt. 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 Weiterverarbeitung er­ folgte auf geheizten Pressen.

Statt auf eine Spindel können die Verbundgarne auch auf eine Hülse für die spätere Ver­ wendung aufgewickelt werden. Von den Hülsen kann dann das Verbundgarn an einem anderen Ort abge­ wickelt werden. Außerdem ist auch ein Webvorgang mit den auf Hülsen aufgewickelten Verbundgarnen möglich. Ferner ist es möglich, diese Verbundgarne zum Verstärken einzelner Bereiche von Gegenständen zu verwenden. Auch die Herstellung von Kabeln aus den Verbundgarnen ist möglich. Schließ­ lich kann man die Verbundgarne direkt aus dem Bad auf einem Fließband in verwirbelter Form ablegen und daran einen Laminiervorgang anschließen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines harzimprägnierten Glasfasergarnes, bei dem das Glasfasergarn durch ein Harzbad geführt und der Harzüberschuß abgestreift wird, um den Harzgehalt des Glasfasergarnes zu regeln, und bei dem das Garn aufgewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man Kohlefasergarn direkt in die Abstreifeinrichtung einführt und während seines Durchlaufes durch die Abstreifeinrichtung mit Harz benetzt und es mit dem Glasfasergarn zu einem harzimprägnierten Verbundgarn kombiniert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle- und Glasfasergarne des Verbundgarns aus 35-98 Gewichts-% Glas und 65-2 Gewichts-% Kohlenstoff bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Harzgehalt des Verbundgarnes zwischen 20 und 75 Gewichts-% liegt.

4. Verfahren nach jedem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz Polythylen, Polypropylen, Polyamid, Polyurethan, Polyester, Epoxiharz oder eine Mischung davon ist.

5. Verfahren nach jedem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle- und Glasfasergarne in dem Verbundgarn auf Volumenbasis zwischen 50 und 5% Kohlenstoff und zwischen 5 und 50% Glas enthalten sind.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Harzgehalt des Verbundgarnes zwischen 20 und 45 Gewichts-% liegt.

7. Verwendung des nach den Ansprüchen 1 bis 6 erhaltenen Verbundgarnes zur Herstellung eines Verbundkörpers, wobei das Verbundgarn auf eine rotierende Oberfläche aufgewickelt wird, indem man das Verbundgarn über der rotierenden Oberfläche hin- und herbewegt, um es auf dieser Oberfläche in aufeinanderfolgenden Schichten abzulegen und den erhaltenden Verbundkörper von der Oberfläche entfernt.

8. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundgarn auf die rotierende Oberfläche unter einem Schraubenwinkel zwischen 60 und 89°, insbesondere 85,4°, aufgebracht wird.

9. Verwendung nach jedem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß drei Schichten von schraubenförmig aufgewickeltem Verbundgarn aufgebracht werden.