DE4030815A1 - Faserverbundwerkstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Faserverbundwerkstoff gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfah­ ren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 8 sowie die Verwendung eines derartigen Faserverbundwerkstoffs zur Her­ stellung von Formkörpern.

Es sind Faserverbundwerkstoffe bekannt, die aus einem Verbund von Fäden und einer thermoplastischen Kunststoffmatrix bestehen, wobei die Fäden mit der Matrix unter Wärmeeinfluß miteinander verpreßt wer­ den. Anschließend wird der Werkstoff abgekühlt und damit ausgehärtet. Es hat sich jedoch herausge­ stellt, daß die Festigkeit eines derartigen Faser­ verbundwerkstoffs nicht optimal ist. Bei etwa pa­ rallel zur Oberfläche des Faserverbundwerkstoffs und senkrecht dazu wirkenden Kräften können Risse auftreten, die zu einem Bruch des Werkstoffs und des daraus hergestellten Formkörpers führen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Faserver­ bundwerkstoff zu schaffen, der sich durch eine optimale Festigkeit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird bei einem Faserverbundwerkstoff der eingangs genannten Art mit Hilfe der in An­ spruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Die Fäden dieses Werkstoffs bestehen aus einer Vielzahl von hochfesten Einzelfilamenten, die während der Ein­ bettung in die erwärmte Kunststoffmatrix, also beim Eintauchen in die durch Erwärmung viskose Kunst­ stoffmasse aufgefächert werden. Dadurch kann die Kunststoffmasse optimal die Oberfläche der Einzel­ filamente umschließen, quasi benetzen. Die Fäden bzw. deren Einzelfilamente gegen dadurch eine in­ nige Verbindung mit der Kunststoffmatrix ein, so daß in den Verbundwerkstoff eingeleitete Kräfte op­ timal aufgefangen werden.

Besonders bevorzugt wird ein Faserverbundwerkstoff, bei dem die Fäden gegenüber den im Werkstoff bzw. in einem aus diesen herstellten Formkörper auftre­ tenden Kräfte ausgerichtet sind. Nach Art einer Ar­ mierung können die Fäden optimal Zugkräfte abfan­ gen, während Druckkräfte von der Kunststoffmatrix abgefangen werden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird eine räumliche Zuordnung der Fäden zueinander durch We­ ben, Stricken Flechten, Verdrehen und/oder Wickeln geschaffen. Durch den Verbund der Fäden werden die in den Werkstoff eingeleiteten Kräfte sehr gut ab­ gefangen, so daß Risse praktisch ausgeschlossen werden können.

Bevorzugt wird ein Faserverbundwerkstoff, bei dem die Fäden als langgestreckte durchgehende Elemente ausgebildet sind. Bei einer derartigen Ausgestal­ tung des Werkstoffs können Zugkräfte besonders gut abgefangen werden.

Bevorzugt wird weiterhin ein Faserverbundwerkstoff, bei dem die Fäden als Elemente geringer Längsaus­ dehnung ausgebildet sind. Ein derartiger Verbund­ werkstoff ist leicht herstellbar und dennoch in der Lage, auftretenden Kräften optimal entgegenzuwir­ ken.

Überdies wird eine Weiterbildung des Faserverbund­ werkstoffs bevorzugt, bei dem pro Faden etwa 700 bis 12 000 Einzelfilamente, vorzugsweise 1000 Ein­ zelfilamente vorgesehen sind. Faserverbundwerk­ stoffe mit derartigen Fäden können sehr hohe Zug­ kräfte aufnehmen, ohne daß es zu Rißbildung kommt.

Schließlich wird ein Faserverbundwerkstoff bevor­ zugt, bei dem die Einzelfilamente pro Faden etwa 35 bis 85, vorzugsweise 70 Gewichts-Prozent ausmachen. Auf diese Weise wird eine optimale Kombination von Zugfestigkeit aufgrund der Fäden und von Druckkraftwiderstand aufgrund der Kunststoffmatrix erreicht.

Die genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs ge­ löst, das sich durch die Merkmale des Anspruchs 8 auszeichnet. Dadurch, daß die Fäden, die grundsätz­ lich unbeschichtet sind, beim Einbetten in die er­ wärmte und damit viskose Kunststoffmasse aufge­ fächert werden, so daß die zahlreichen hochfesten Einzelfilamente der Fäden einzeln vollständig von Kunststoff umschlossen werden, ergibt sich schon innerhalb der einzelnen Fäden ein optimaler Verbund von Filamenten und Matrix, innerhalb dessen eine sehr gute Kräfteableitung erfolgt.

Bevorzugt wird eine Ausführungsform des Verfahrens, bei dem die Temperatur beim Verpressen der einzel­ nen Kunststoffäden zum fertigen Werkstoff die Schmelztemperatur der Einzelfilamente nicht er­ reicht wird. Dadurch halten diese ihre vorgegebene Festigkeit in voller Höhe bei.

Weiterhin wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei dem die Temperatur während des Ver­ pressens der Fäden zum fertigen Werkstoff so ge­ wählt wird, daß die Oberfläche der Einzelfilamente angeschmolzen wird. Bei einem derartigen Verfahren wird die Festigkeit der einzelnen Filamente mög­ licherweise geringfügig reduziert. Jedoch ergibt sich ein derartig inniger Verbund zwischen der Kunststoffmatrix und den Filamenten, daß auch bei der Herstellung eines Formkörpers aus einem der­ artigen Verbundwerkstoff der Zusammenhalt zwischen den Einzelfilamenten und der Kunststoffmatrix voll erhalten bleibt und einwirkende Kräfte optimal ab­ gefangen werden.

Schließlich wird eine Ausführungsform des Verfahren bevorzugt, bei dem Temperatur und Einwirkzeit der Druckkraft beim Verpressen von Einzelfilamenten und Kunststoffmatrix bzw. von räumlich einander zuge­ ordneten Fäden zur Herstellung des Werkstoffs so gewählt werden, daß die Einzelfilamente nicht oder nur im Bereich ihrer Oberfläche schmelzen. Die beim Verfahren gewählte Temperatur kann also höher ge­ wählt werden, als die Schmelztemperatur der Fila­ mente. Jedoch wird die Einwirkzeit der Temperatur so kurz gewählt, daß die Filamente nicht oder nur geringfügig angeschmolzen werden. Dadurch kann die Herstellungszeit bei der Erzeugung von Formkörpern aus diesem Verbundwerkstoff abgekürzt werden, ohne daß die Festigkeit reduziert wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figur näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch mehrere miteinander verwobene Fäden vor Einwirkung einer Druckkraft;

Fig. 2 schematisch einen Schnitt durch ein Druck­ werkzeug zur Erzeugung eines Formkörpers unter Wärmeeinfluß und

Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch eine Kammer zur Ummantelung von Einzelfilamen­ ten mit einer Kunststoffmatrix.

Der im folgenden beschriebene Faserverbundwerkstoff weist Fäden auf, die aus einer Vielzahl von hochfe­ sten Einzelfilamenten bestehen, sowie eine thermo­ plastische Kunststoffmatrix. Diese umgibt die Ein­ zelfilamente eines jeden Fadens und hält diese zu­ sammen. Der Faserverbundwerkstoff besteht aus einer Vielzahl von derartigen Fäden, die in einer ge­ wünschten räumlichen Zuordnung zueinander stehen, die beispielsweise durch Weben, Stricken, Flechten, Verdrehen, Wirken und/oder Wickeln erzeugt wird. Es ist auch möglich, Fäden, beispielsweise um 90° zueinander versetzt übereinander bzw. schichtweise anzuordnen, also eine Zuordnung als Fadengelege ohne Abbindung zu treffen.

Anhand von Fig. 1 wird ein Ausführungsbeispiel ei­ nes derartigen Faserverbundwerkstoffs dargestellt, bei dem die Fäden durch Verweben einander zugeord­ net sind. Der Ausschnitt aus dem Verbundwerkstoff zeigt vier, in die Bildebene hineinverlaufende Fä­ den, mit denen quer zu diesen verlaufende Fäden verwoben sind. Bei der hier gewählten Darstellung sind zwei querverlaufende Fäden erkennbar.

Aus der Schnittdarstellung der in die Bildebene hineinverlaufenden Fäden 3, 5, 7 und 9 ist er­ sichtlich, daß diese, ebenso wie die quer verlau­ fenden Fäden 11 und 13, aus zahlreichen Einzelfila­ menten 15 bestehen, die von einer Kunststoffmasse, der sogenannten Kunststoffmatrix 17, umgeben sind.

Bei der Herstellung der Fäden 3 bis 13 werden die Einzelfilamente 15 in eine Kammer 21 eingebracht, die in Fig. 3 dargestellt ist. Diese ist einer­ seits mit einem hier nicht wiedergegebenen Extruder verbunden, der über eine Eingangsöffnung 23 eine erwärmte Kunststoffmasse in den Hohlraum 25 der Kammer 21 preßt. Innerhalb der Kammer werden die unter Längsspannung stehenden Einzelfilamente 15 um langgestreckte Umlenkelemente 27, 29, 31, 33, 35 und 37 geführt und schließlich über die Ausgangs­ öffnung einer ersten Düse 39 und die Ausgangsöff­ nung einer hier lediglich beispielhaft vorgesehenen zweiten Düse 41 geführt. Der sich an die erste Düse 39 anschließende Raum 43 ist über Öffnungen 45 mit dem Hohlraum 25 verbunden und ebenfalls mit der erwärmten Kunststoffmasse, der Kunststoffschmelze, gefüllt.

Bei der Umlenkung der Einzelfilamente um die Um­ lenkelemente findet eine Auffächerung der Filamente statt, so daß diese in innigem Kontakt mit der Kunststoffmasse treten. Durch die Mehrfachumlenkung wird die Oberfläche der einzelnen Filamente optimal von der Kunststoffmasse umflossen bzw. benetzt.

Die Einzelfilamente werden unter Bildung eines Fa­ dens F aus der Kammer 21 herausgezogen. Gleich­ zeitig wird durch den Extruder Kunststoffmasse aus der Kammer durch die erste Düse 39 und die zweite Düse 41 ausgepreßt, so daß ein aus mehreren Einzel­ filamenten 15 und der Kunststoffmatrix 17 bestehen­ der Faden F gebildet wird, wie er in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 3 bis 13 bezeichnet ist.

Nach Austritt aus der ersten Düse 39 bzw. der zweiten Düse 41 wird der Faden F, der als pseudomonofiler Faden bezeichnet wird, unter Aufrechterhaltung der Längsspannung abgekühlt und für die spätere Weiterverarbeitung auf geeignete Weise aufgewickelt. Auf diese Weise halten die Einzelfilamente ihre Vorspannung im Faden bei, auch im fertigen Verbundwerkstoff.

Die Filamente 15 bestehen vorzugsweise aus Kunst­ stoff der Gruppe Polyester, Polyamide, Aramide, Po­ lyimide und Polyetherketone oder aus Polyethylen. Auch können Glas- und/oder Kohlefasern Verwendung finden.

Die thermoplastische Kunststoffmatrix besteht vorzugsweise aus der Gruppe der Polyamide, Copolyamide, Polyester, Polyurethan, Polyethylen, Polypropylen. Auch thermoplastische Schmelzkleber und Elastomere finden hier Verwendung.

Die Kunststoffmasse im Hohlraum 25 der Kammer 21 wird auf eine Temperatur gebracht, die die um­ schlossene Kunststoffmasse niedrig- oder mittelvis­ kos werden läßt. Beispielsweise kann eine Tempera­ tur von ca. 150° gewählt werden.

Der Schmelzpunkt der Einzelfilamente 15 ist so zu wählen, daß diese beim Durchlaufen der Kammer 21 nicht schmelzen oder allenfalls im Bereich ihrer Oberfläche angeschmolzen werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Temperatur der Kunststoff­ masse im Inneren der Kammer 21 so gewählt wird, daß diese etwas unterhalb der Schmelztemperatur der Einzelfilamente liegt. Es ist jedoch auch möglich, die Fäden so schnell durch die Kunststoffmasse hin­ durchzuziehen, daß sie auch bei einer Temperatur der Kunststoffmasse, die oberhalb der Schmelztem­ peratur der Filamente liegt, nicht schmelzen.

Jedenfalls ergibt sich ein inniger Verbund zwischen den Filamenten 15 und der Kunststoffmatrix 17. Da­ durch können von einem Verbundwerkstoff aus diesen Fäden sehr hohe Kräfte aufgenommen werden.

Zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs aus den ge­ mäß Fig. 1 räumlich zugeordneten Fäden 3 bis 13 wird gemäß Fig. 2 ein Druckwerkzeug gewählt, das einen oberen Druckkörper D1 und einen unteren Druckkörper D2 aufweist. Durch eine geeignete Wahl der Form der einander zugeordneten Druckkörperhälf­ ten kann eine Matte aus verwobenen Fäden, wie sie beispielsweise aus Fig. 1 hervorgeht, zur Herstellung eines Formkörpers in eine bestimmte Form gepreßt werden.

Dazu ist es möglich, die beiden Hälften des Druck­ werkzeugs D1 und D2 auf eine Temperatur zu bringen, die auf die Kunststoffmatrix 17 sowie auf die Ein­ zelfilamente 15 abgestimmt ist.

Durch die erwärmten Teile des Druckwerkzeugs läßt sich aus dem Faserverbundwerkstoff ein Formkörper K herstellen, wie er in Fig. 2 angedeutet ist. Es zeigt sich, daß die in die Bildebene hineinver­ laufenden Fäden 3′, 5′, 7′ und 9′ flachgedrückt werden, so daß sie einen im wesentlichen ovalen Querschnitt aufweisen. Auch der Durchmesser der quer zur Bildebene verlaufenden Fäden 11′ und 13′ wird reduziert, diese Fäden werden ebenfalls flach­ gedrückt, was allerdings aus der in Fig. 2 gewähl­ ten Perspektive nicht ersichtlich ist.

Dadurch, daß die Verformung des Faserverbundwerk­ stoffs unter Wärme- und Druckeinfluß geschieht, bleibt der optimale Verbund zwischen den Einzelfi­ lamenten 15′ mit der Kunststoffmatrix 17′ erhalten.

Das heißt, die Einzelfilamente 15′ können insbesondere aufgrund der noch vorhandenen Vorspannung sehr hohe Zugkräfte aufnehmen, während die Kunststoffmatrix 17′ senkrecht auf die Oberfläche des Faserverbundwerkstoffs wirkende Druckkräfte auffängt.

Bei der Herstellung des Faserverbundwerkstoffs be­ ziehungsweise von aus diesem Material bestehenden Formkörpern wird die Temperatur der Elemente D1 und D2 des Druckwerkzeugs überdies so gewählt, daß die Schmelztemperatur der Einzelfilamente 15′ nicht bzw. nicht ganz erreicht wird. Es wird also prak­ tisch nur die Kunststoffmatrix 17′ erweicht und verformt. Dadurch ergibt sich ein fester Verbund zwischen den einzelnen Fäden 3′ bis 13′. In das Ma­ terial eingeleitete Kräfte können daher ohne Rißbildung optimal abgefangen werden.

Es ist jedoch auch möglich, daß die Temperatur der Elemente D1 und D2 des Druckwerkzeugs so gewählt wird, daß auch die Oberfläche der Einzelfilamente 15′ angeschmolzen wird. Dadurch wird auch bei einer Verschiebung der Filamente gegeneinander während der Verformung des Verbundwerkstoffs der feste Ver­ bund zwischen Einzelfilamenten und Kunststoffmatrix aufrechterhalten.

Auch hier ist es möglich, die Temperatur der Ele­ mente D1 und D2 des Druckwerkzeugs oberhalb der Schmelztemperatur der Einzelfilamente 15′ einzu­ stellen. Es muß dann jedoch die Bearbeitungszeit so gewählt werden, daß die Filamente nicht oder nur im Bereich ihrer Oberfläche angeschmolzen werden.

Vorzugsweise werden die Fäden 3 bis 13 beziehungs­ weise 3′ bis 13′ so ausgelegt, daß etwa 700 bis - insbesondere bei Einsatz von Kohlefasern- 12 000 Einzelfilamente 15 beziehungsweise 15′ vorgesehen sind. Vorzugsweise enthält ein derartiger Faden 1000 Einzelfilamente. Dabei machen die Einzel­ filamente etwa 35 bis 85, vorzugsweise ca. 70 Ge­ wichts-Prozent des Gesamtfadens aus. Bei einer der­ artigen Auslegung können die einzelnen Fäden bezie­ hungsweise aus diesen bestehende Faserverbundwerk­ stoffe und Formkörper sehr hohe Druck- und Zug­ kräfte aufnehmen, ohne daß es zur Rißbildung kommt. Insbesondere bei hoher Umgebungsluftfeuchtigkeit bzw. einer aggressiven Umgebung könnten in derar­ tige Risse Feuchtigkeit oder Chemikalien eindrin­ gen, die den Verbund zwischen den Filamenten und der Kunststoffmatrix weiter schwächen und so zu ei­ ner Zerstörung des Faserverbundwerkstoffs führen. Dies wird bei dem hier beschriebenen Faserverbund­ werkstoff optimal vermieden.

Der hier dargestellte Faserverbundwerkstoff be­ ziehungsweise ein nach dem hier erläuterten Verfah­ ren hergestellter Faserverbundwerkstoff kann zur Erzeugung von Formkörpern verwendet werden. Diese weisen dann die hervorragenden Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffs auf. Das heißt, sie sind sehr hohen Druck- und insbesondere Zugkräften aus­ setzbar, ohne daß es zu Rißbildungen kommt.

Die Düsen 39 und 41 der Kammer 21 sind so einge­ stellt, daß sich beispielsweise ein Außendurchmes­ ser für den Faden F von etwas mehr als 1,0 mm er­ gibt. Innerhalb der Kammer 21 herrscht ein Druck von beispielsweise 3 bar.

Für die Filamente hat sich besonders Polyamid 6.6 mit einer Schmelztemperatur von ca. 240°C bewährt. Die Filamente werden beispielsweise mit einer Ge­ schwindigkeit von 1 m/min durch eine Schmelze von Polyamid EMS D 590 G geführt. Die Zahl der Umlenk­ elemente 27 bis 37 innerhalb der Kammer 21 richtet sich unter anderem auch nach der Wahl der Kunst­ stoffe für die Einzelfilamente 15 beziehungsweise die Kunststoffmatrix 17. Wesentlich ist, daß die Auffächerung der Einzelfilamente so oft erfolgt, bis eine optimale Ummantelung der einzelnen Fila­ mente gegeben ist, wenn diese die beiden Düsen 39 und 41 zur Bildung des Fadens F durchlaufen haben.

Je nach den im fertigen Formkörper auftretenden Kräften kann die Länge der Fäden festgelegt werden. Bei stark belasteten Formkörpern ist es vorzu­ ziehen, wenn sich die Fäden jeweils durchgehend über die gesamte Ausdehnung des Körpers erstrecken. Bei geringer belasteten Körpern können auch kürzere Fadenelemente in räumliche Zuordnung zueinander ge­ bracht und anschließend in einem Druckwerkzeug ge­ mäß Fig. 2 miteinander verpreßt werden. Es können dann allerdings nicht ganz so hohe Zugkräfte abge­ fangen werden. Entsprechend kann auch die Länge der Einzelfilamente innerhalb eines Fadens auf die zu erwartenden Zugkräfte abgestimmt werden.

Schließlich ist es auch möglich, beispielsweise mit einer Flachstrickmaschine, aus den Fäden vorgeformte Gestricke herzustellen und aus diesen anschließend unter Druck- und Wärmeeinfluß einen Formkörper aus dem beschriebenen Verbundwerkstoff herzustellen.

Claims (15)

1. Faserverbundwerkstoff aus einem Verbund von unter Wärmeeinfluß miteinander verpreßten und aus­ gehärteten Fäden mit einer thermoplastischen Kunst­ stoffmatrix, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (3 bis 13; 3′ bis 13′) aus einer Vielzahl von hoch­ festen Einzelfilamenten (15, 15′) bestehen, die zur Bildung eines pseudomonofilen Fadens bei der Einbettung in die erwärmte Kunststoffmatrix (17; 17′) aufgefächert und somit praktisch vollstän­ dig von dieser umflossen sind.

2. Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden gegenüber den erwar­ teten auf den Werkstoff wirkenden Kräften ausge­ richtet sind.

3. Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden durch Weben, Stricken, Flechten, Verdrehen, Wirken und/oder Wickeln in räumliche Zuordnung zueinander gebracht sind.

4. Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden als langgestreckte durchgehende Elemente ausgebildet sind.

5. Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Fäden Faden­ elemente geringer Länge verwendbar sind.

6. Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß pro Faden (3 bis 13; 3′ bis 13′) ca. 700 bis 12 000, vorzugsweise 1000 Einzelfilamente (15, 15′) vorgesehen sind.

7. Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelfila­ mente pro Faden etwa 30 bis 85, vorzugsweise 70 Gewichts-Prozent ausmachen.

8. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund­ werkstoffs aus einem Verbund von unter Wärmeeinfluß miteinander verpreßten und ausgehärteten Fäden mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden aus einer Vielzahl von hochfesten Einzelfilamenten gebildet werden, die zur Bildung eines pseudomonofilen Fadens bei der Einbettung in die Kunststoffmatrix aufgefächert und somit praktisch vollständig von dieser umschlossen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einzelfilamente zur Ausbildung des Fadens gemeinsam mit der Kunststoffmatrix durch mindestens eine Düse geführt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fäden gegenüber den im Werk­ stoff zu erwartenden Kräften ausgerichtet und/oder zur Erreichung einer räumlichen Zuordnung verwoben, verstrickt, verflochten, gewickelt, gewirkt und/oder verdreht werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur beim Verpressen so gewählt wird, daß die Schmelztempera­ tur der Einzelfilamente nicht erreicht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur beim Verpressen so gewählt wird, daß die Einzelfilamente im Bereich ihrer Oberfläche angeschmolzen werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verpressen der Einzelfilamente und der Kunststoffmatrix Temperatur und Einwirkzeit der Druckkraft so gewählt werden, daß die Einzelfilamente nicht oder nur im Bereich ihrer Oberfläche schmelzen.

14. Verwendung von Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, zur Herstellung eines Form­ körpers.

15. Verwendung eines nach einem der Ansprüche 8 bis 13 hergestellten Faserverbundwerkstoffs zur Her­ stellung eines Formkörpers.