DE3641828A1

DE3641828A1 - Verfahren zur herstellung eines prepregs mit ausgerichteten kurzfasern

Info

Publication number: DE3641828A1
Application number: DE19863641828
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Guenther; Henning Dr Giesecke; Hans-Georg Dr Fitzky
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1986-12-06
Filing date: 1986-12-06
Publication date: 1988-06-16

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her stellung von Kurzfasernprepregs, deren Kurzfasern ent sprechend dem mechanischen Spannungsverlauf gerichtet sind, der in dem Bauteil, das unter Verwendung der Prepregs hergestellt werden soll, vorliegt.

Prepregs sind im Sinne dieser Erfindung Kurzfasergelege, die von Kunststoff durchsetzt sind, die unter Anwendung von Temperatur und Druck aushärtbar oder verformbar sind und so einen Kurzfaserverbundwerkstoff ergeben. Um eine möglichst große Verstärkung zu erhalten, ist man be strebt, also den mechanischen Spannungsverlauf des Bau teils auszurichten.

Nach dem Stand der Technik wird dabei von bahnförmigen Prepregs ausgegangen, in denen die Kurzfasern parallel zueinander ausgerichtet sind und die beispielsweise nach dem in der DE-A 21 63 799 beschriebenen Verfahren herge stellt werden. Entsprechend dem ermittelten Kraftlinien verlauf werden die Prepregbahnen zugeschnitten und auf einander geschichtet. Der Herstellungsaufwand ist also erheblich, insbesondere bei kompliziert aufgebauten Bau teilen, z.B. solchen mit Vertiefungen, Durchbrechungen, gekrümmten Oberflächen, Rippen und dergleichen. Außerdem erhöht der Verschnitt die Materialkosten. Soll aus Pre pregs mit parallel ausgerichteten Kurzfasern beispiels weise ein ebenso gekrümmtes Bauteil hergestellt werden, müssen die Prepregs segmentförmig zugeschnitten und zur gegenseitigen Verbindung der Segmente in überlappender Anordnung geschichtet werden. Abgesehen davon, daß die Orientierung der Kurzfasern in einem solchen Bauteil dem Spannungsverlauf nur sehr grob angenähert ist, ist die Gewichtserhöhung, die durch die Überlappung der Segmente erfolgt, von Nachteil.

Zur Behebung dieser Nachteile ist vorgeschlagen worden (vgl. DE-A 31 13 930), Kurzfasern elektrostatisch aufzu laden und in einem elektrischen Feld auszurichten. Ein derartiges Verfahren erfordert aber einen großen techni schen Aufwand und es müssen hohe statische Ladungen ab geführt werden. Außerdem ist es auf diese Weise nicht möglich, Fasern in einem Prepreg nachträglich auszurich ten.

Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung eines Pre pregs mit ausgerichteten Kurzfasern gefunden, das da durch gekennzeichnet ist, daß metallisierte Verstär kungsfasern eingesetzt werden, die in einem Magnetfeld ausgerichtet werden können.

Für das Verfahren können die zur Verstärkung üblichen Fasermaterialien eingesetzt werden. Besonders geeignet sind Fasern aus Kohlenstoff, Glas, Keramik, Polyacryl nitril, Aramid oder Bor. Die Metallisierung der Fasern kann auf bekannte Weise durchgeführt werden. Als Bei spiel seien genannt: Bedampfen, Besprühen, naßchemische stromlose Metallisierung, Sputtern, und im Falle von leitfähigen Materialien auch die galvanische Metall abscheidung. Besonders geeignet ist die stromlose naß chemische Metallisierung, da sie zu einer besonders gleichmäßigen Ummantelung der einzelnen Fasern führt.

Selbstverständlich ist auch eine galvanische Nachver stärkung von mit Metall überzogenen Fasern möglich; z.B.: zur Erhöhung der ferro-magnetischen Eigenschaf ten.

Die Fasermaterialien können sowohl als Endlosmaterial metallisiert und dann geschnitten werden, oder gleich als Kurzschnitt metallisiert werden. Als Metalle im Sinne der Erfindung kommen Metalle oder ihre Legierungen in Betracht, die ferro-magnetische Eigenschaften haben. Bevorzugt werden weichmagnetische Stoffe mit einer hohen Anfangspermeabilität. Derartige Stoffe werden beispiels weise in "Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie", 4. Auflage, Band 16, Seite 369 pp beschrieben.

Besonders geeignet sind Eisen, Cobalt und Nickel sowie deren Legierungen. Besonders genannt seien amorphe weichmagnetische Legierungen, wie beispielsweise

Co₇₀Fe₅S₁₅B₁₀,
Co₅₈Ni₁₀Fe₅Si₁₁B₁₆ und
Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in mehreren Varianten durchführbar:

a) Ein Prepreg aus metallisierten Fasern und Kunst stoff wird so hoch erhitzt, bis der Kunststoff eine hinreichend niedrige Viskosität erreicht hat. Anschließend werden die metallisierten Fasern in einem Magnetfeld ausgerichtet. Dabei liegen die magnetischen Feldlinien in Richtung des ermittelten Spannungsverlaufs des Bauteils. Anschließend wird das Prepreg gehärtet.
b) Metallisierte Fasern werden auf einer Unterlage im Magnetfeld in Richtung des ermittelten Kraftlinien verlaufs des Bauteils ausgerichtet und anschließend mit einem Kunststoff getränkt und das Prepreg aus gehärtet bzw. abgekühlt. Die Aufwirbelung und Aus richtung kann auch in einer niedrigviskosen Flüs sigkeit erfolgen, die anschließend entfernt wird.
c) Metallisierte Fasern werden mit einem Kunststoff ummantelt und durch Aufwirbeln in einem Magnetfeld gemäß des ermittelten Kraftlinienverlaufs des Bau teils ausgerichtet. Anschließend wird das Prepreg ausgehärtet bzw. die ummantelten Fasern durch Erwärmen, gegebenenfalls unter Druck, zu einem Formteil verschmolzen.

Selbstverständlich können in dem erfindungsgemäßen Ver fahren auch Mischungen von metallisierten und nichtme tallisierten Fasern eingesetzt werden. Insbesondere dann, wenn in dem Prepreg nur eine teilweise Orientie rung der Fasern erreicht werden soll. Zur Vermeidung von Agglomeraten bei der Magnetfeldbehandlung kann es von Vorteil sein, die metallisierten Fasern mit einer Kunst stoffschicht zu ummanteln.

Zur Ausrichtung der Fasern können Magnetfeldstärken von 50 bis 10 000 Gauss eingesetzt werden. In besonderen Fällen kann die Magnetfeldstärke auch darunter und darüber liegen. Besonders geeignet sind Feldstärken zwi schen 100 und 2000 Gauss.

Es hat sich als günstig erwiesen, die metallisierten Fasern im Magnetfeld aufzuwirbeln oder freischwebend in das Magnetfeld einzubringen. Dadurch kann die zur Aus richtung der Fasern erforderliche Feldstärke drastisch reduziert werden. Auch zur Ausrichtung der Fasern in einem Binde- oder Lösungsmittel ist eine Bewegung (Vibration, Ultraschall) vorteilhaft.

Des weiteren können zur Unterstützung einer besseren Fa serausrichtung auch niederfrequente magnetische Wechsel felder mit Frequenzen von 5-5000 Hz, die sowohl in Richtung des Hauptfeldes als auch senkrecht dazu einwir ken, verwendet werden.

Beispiel 1

Zwischen den Polschuhen eines Magneten wird eine einsei tig mit einem flüssigen Epoxidharz beschichtete Folie so ausgerichtet, daß an ihrer Oberfläche ein paralleles Magnetfeld vorhanden ist. Anschließend werden auf die Folie aus 50 cm Höhe 3 mm vernickelte Glasfasern mit einem Nickelanteil von 8% (stromlos aus einem amin boranhaltigen Bad abgeschieden) gestreut. Über die ausgerichteten Fasern wird eine zweite Lage Epoxidharz gegossen und das so erhaltene Prepreg bei 100°C in 2 Stunden ausgehärtet. Man erhält eine glasfaserverstärkte Epoxidharzplatte mit parallel ausgerichteten metallisierten Fasern.

Beispiel 2

6 mm metallisierte Aramidfasern mit einer Cobaltauflage von 16 Gew.-% (abgeschieden an einem aminboranhaltigen Cobaltbad) werden in Aceton in einem Magnetfeld (mind. 300 Gauss Magnetfeldstärke) aufgewirbelt und ausgerich tet. Anschließend wird das Lösungsmittel abgedampft und ausgerichtete Fasern mit einem Polyesterharz getränkt und das Prepreg bei Raumtemperatur ausgehärtet. Man erhält ein Formteil mit ausgerichteten metallisierten Fasern.

Beispiel 3

Ein Prepreg aus verkobalteten Aramidfasern gemäß Bei spiel 2 und einem unkatalysierten Polyesterharz wird kurzzeitig (15 Minuten) auf 80°C erwärmt (Viskosität ca. 1050 mPa.s) und in einem Magnetfeld von minimal 50 Gauss unter Vibration ausgerichtet. Anschließend wird das Prepreg bei dieser Temperatur ausgehärtet. Man erhält ein fasergefülltes Kunststoffteil mit ausgerich teten metallisierten Fasern.

Beispiel 4

In einer 20%igen Methylenchlorid-haltigen Polycarbonat lösung werden bei 35°C 2 mm Fasern aus Dralon® mit einer Nickelauflage von 42 Gew.-% eingerührt und die Fasern in einem Magnetfeld ausgerichtet. Nach Abdampfen des Lö sungsmittels erhält man einen fasergefüllten Kunststoff, der zu einer Platte mit angerichteten metallisierten Fasern verpreßt werden kann.

Beispiel 5

Im Vakuum wird aus 3 mm Glasfasern eine Legierung von 13 Gew.-% Eisen und 87 Gew.-% Nickel aufgedampft (Me tallauflage 15 Gew.-%). Die so erhaltenen metallisierten Glasfasern werden in ein Epoxidharz bei 50°C eingerührt, in einer Form gegossen und in einem Magnetfeld von 100 Gauss Feldstärke ausgerichtet. Nach Aushärten des Pre pregs erhält man ein fasergefülltes Kunstharzteil mit ausgerichteten Fasern.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Prepregs mit ausge richteten Kurzfasern, dadurch gekennzeichnet, daß metallisierte Verstärkungsfasern eingesetzt werden, die in einem Magnetfeld entsprechend dem ermittel ten Kraftlinienverlauf des Werkstücks ausgerichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß metallisierte Fasern auf einer Unterlage im Magnetfeld ausgerichtet und anschließend mit einem Kunststoff getränkt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prepreg aus metallisierten Fasern und Kunststoff so hoch erhitzt, bis der Kunststoff eine so niedrige Viskosität erreicht hat, daß eine Aus richtung der metallisierten Fasern im Magnetfeld stattfindet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Kunststoff ummantelte metallisierte Fasern durch Aufwirbeln in einem Magnetfeld ausgerichtet werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß Verstärkungsfasern mit einer weichmagnetischen Metallauflage verwendet werden.

6. Formteile mit ausgerichteten metallisierten Ver stärkungsfasern, hergestellt gemäß Ansprüchen 1 bis 5.