DE3733446A1 - Kombination aus faeden mit deutlich unterschiedlichen ausdehnungskoeffizienten in einer matrix und deren verwendung - Google Patents

Kombination aus faeden mit deutlich unterschiedlichen ausdehnungskoeffizienten in einer matrix und deren verwendung

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    • C08J5/047—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with mixed fibrous material

Description

Die Erfindung betrifft Kombinationen aus Fäden mit deutlich unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten in einer Matrix.
Die meisten Materialien erfahren eine Längenveränderung bei Erwärmung und werden verformt oder sogar zerstört, wenn ein Temperaturgradient vorliegt. Es sind Kombinationen oder Verbundkörper aus Kohlenstoffasern bekannt, die einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten und eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen und die bei thermischer Belastung, d. h. bei Erwärmung, nicht Schaden erleiden. Kombinationen oder Verbundkörper aus Kohlenstoffasern sind aber sehr teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verbundkörper zu schaffen, deren Ausdehnungsverhalten einstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Kombinationen aus Fäden mit deutlich unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten in einer Matrix. Dabei werden Fäden mit einem positiven Ausdehnungskoeffizienten kombiniert mit Fäden mit einem negativen Ausdehnungskoeffizienten, so daß, wenn dies erforderlich ist, ein Verbundkörper geschaffen werden kann, dessen Ausdehnungskoeffizient etwa gleich Null wird, d. h. der Verbundkörper erfährt bei Erwärmung keine Dimensionsveränderungen. Eingebettet sind die Fäden mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten vorzugsweise in einem Kunststoff, der ermöglicht, die Scherkräfte aufzunehmen. Vorzugsweise sind geeignet Epoxy-Harz, Polyester, Vinylester, Polyurethan, Thermoplaste mit niedrigem Schmelzpunkt od. dgl.
Je nach zu erreichendem Gesamtausdehnungskoeffizienten kann die Menge der Fäden mit negativem Ausdehnungskoeffizienten etwa gleich sein der Menge mit positivem Ausdehnungskoeffizienten. Vorzugsweise beträgt die Gesamtmenge der Fäden 50 bis 70 Vol.-% in dem Verbundmaterial und die Menge der Fäden mit negativem Ausdehnungskoeffizienten beträgt vorzugsweise wie die Menge der Fäden mit positivem Ausdehnungskoeffizienten 30 Vol.-%.
Die Fäden mit negativem Ausdehnungskoeffizienten bestehen vorzugsweise aus hochverstreckten Fäden aus Polymeren mit hohen Molekulargewichten und hohen Zugfestigkeiten und Moduli. Derartige Fäden werden zweckmäßigerweise nach dem Gelverfahren hergestellt und anschließend mit hohen Verstreckungsverhältnissen von mehr als 20, insbesondere mehr als 30 verstreckt. Besonders bevorzugt werden Fäden mit Zugfestigkeiten von mehr als 500 MPa und Moduli von mehr als 40 GPa.
Das Gelverfahren wird im einzelnen beispielsweise in den GB-A-20 42 414 und 20 51 667 sowie in der DE-OS 37 24 434 beschrieben. Es besteht im wesentlichen darin, das jeweils zur Fadenherstellung eingesetzte Polymere in einem Lösungsmittel aufzulösen, die Lösung bei einer Temperatur oberhalb der Lösetemperatur des Polymeren zu einem Faden zu verformen, den Faden auf eine Temperatur unterhalb der Lösetemperatur zur Gelierung abzukühlen und den Faden unter Lösungsmittelentfernung zu verstrecken. Als Polymere zur Herstellung der Fäden mit negativem Ausdehnungskoeffizienten können beliebige Polymere eingesetzt werden, beispielsweise Polyolefine, Polyester, Polyamide wie Nylons oder Aramid, Polyvinylalkohole, Polyvinylchloride etc.
Vorzugsweise bestehen die Fäden mit negativem Ausdehnungskoeffizienten aus Polymeren mit ultrahohen Molekulargewichten von mehr als 600 000 g/Mol, insbesondere Polyolefinen, wobei Polyethylene, insbesondere lineare Polyethylene mit einer Festigkeit von mehr als 2 GPa und Moduli von mehr als 60 GPa, insbesonders bevorzugt sind. Diese Polyethylene können kleinere Mengen, vorzugsweise höchstens 5 Mol-% eines oder mehrerer damit copolymerisierbarer anderer Alkene, wie Propylen, Butylen, Penten, Hexen, 4-Methylpenten, Octen etc. enthalten und 1 bis 10, insbesondere 2 bis 6, Methyl- oder Ethylgruppen pro 1000 Kohlenstoffatome aufweisen. Es kommen natürlich auch andere Polyolefine in Frage, beispielsweise Polypropylenhomo- und -copolymere. Ferner können die eingesetzten Polyolefine auch kleinere Mengen eines oder mehrerer anderer Polymerer enthalten, insbesondere Alke-1-Polymerer.
Fäden aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht und einem hohen Verstreckungsverhältnis weisen einen Ausdehnungskoeffizienten von etwa -10×10-6 l/°K auf. Glasfasern, die insbesondere geeignet sind als Fäden mit positivem Ausdehnungskoeffizienten weisen einen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 10×10-6 l/°K auf. Wenn gleiche Mengen von Fäden aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht und Glasfasern in einer Matrix eingebettet werden, kann ein Verbundkörper geschaffen werden, dessen Ausdehnungskoeffizient etwa Null ist.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kombination liegen darin, daß die Ausdehnungskoeffizienten an ein gegebenes Material angepaßt werden können. Gegenüber Verbundkörpern mit Kohlenstoffasern kann erfindungsgemäß ein Verbundkörper geschaffen werden, der wirtschaftlicher herstellbar ist. Mit erfindungsgemäßen Kombinationen hergestellte Verbundkörper sind bei thermischer Belastung unanfällig gegenüber Beschädigungen und Zerstörungen.
Mit erfindungsgemäßen Kombinationen ausgebildete Verbundkörper sind insbesondere geeignet für Lagergehäuse von Kleinmotoren, Parabolantennen und Uhrpendel.
Voraussetzung für einen Verbundkörper bestehend aus einer Kombination aus Fäden mit deutlich unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, dessen Ausdehnungskoeffizient etwa gleich Null ist, ist, daß die Fäden mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten homogen verteilt sind. Bei nichthomogener Struktur, d. h. wenn auf einer Seite Fäden mit positivem Ausdehnungskoefffizienten und auf der anderen Seite Fäden mit negativem Ausdehnungskoeffizienten in einer Matrix eingebettet sind, ergeben sich Verbundkörper, die sich wie Bimetallstreifen verhalten. Der Vorteil derartiger Verbundkörper ist, daß sie elektrischen Strom nicht leiten.
Diagramm 1 zeigt die Erwärmungskurve für Glasfasern, für die sich ein Ausdehnungskoeffizient von 5,94×10-6 ergibt.
Diagramm 2 zeigt eine Erwärmungskurve für Polyethylenfasern mit ultrahohem Molekulargewicht und hohem Verstreckungsverhältnis, für die sich ein Ausdehnungskoeffizient von -4,2×10-6 ergibt.
Diagramm 3 zeigt eine Erwärmungskurve für eine Kombination aus 30 Vol.-% Fasern aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht, 30 Vol.-% Glasfasern und einer Epoxy-Matrix, die 40 Vol.-% ausmacht. Für diese Kombinationen erhält man je einen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 3×10-7, der zwar positiv aber viel kleiner ist als der Ausdehnungskoeffizient für Glasfasern alleine und der mit den zur Verfügung stehenden Apparaturen nicht mehr meßbar ist.

Claims (11)

1. Kombination aus Fäden mit deutlich unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten in einer Matrix.
2. Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden in Form von Garnen, Geweben, Gemischen und/oder Vliesen vorliegen.
3. Kombination nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der Fäden mit negativem Ausdehnungskoeffizient und die Menge der Fäden mit positivem Ausdehnungskoeffizient so gewählt ist, daß der Gesamtausdehnungskoeffizient etwa gleich Null ist.
4. Kombination nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtmenge der Fäden 50-70 Vol.-% beträgt.
5. Kombination nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden mit negativem Ausdehnungskoeffizient aus hochverstreckten Fäden aus Polymeren mit hohem Molekulargewicht bestehen.
6. Kombination nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden nach dem Gelverfahren und durch anschließendes Verstrecken mit hohen Verstreckungsverhältnissen hergestellt worden sind.
7. Kombination nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden mit negativem Ausdehnungskoeffizient aus Polymeren mit einem ultrahohen Molekulargewicht von mehr als 600 000 g/Mol (Gewichtsmittel des Molekulargewichts), insbesondere Polyolefinen, bestehen.
8. Kombination nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden mit positivem Ausdehnungskoeffizient Glasfasern sind.
9. Kombination nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der Fäden mit negativem Ausdehnungskoeffizient 30 Vol.-% und die Menge der Fäden mit positivem Ausdehnungskoeffizient 30 Vol.-% beträgt.
10. Kombination nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus einem Epoxy-Harz oder aus Polyester besteht.
11. Verwendung der Kombination nach den Ansprüchen 1 bis 10 für Lagergehäuse von Kleinmotoren, Parabolantennen, Uhrpendel od. dgl.
DE19873733446 1987-10-02 1987-10-02 Kombination aus faeden mit deutlich unterschiedlichen ausdehnungskoeffizienten in einer matrix und deren verwendung Granted DE3733446A1 (de)

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