DE4036265A1 - Bandfoermiges halbzeug, verfahren zu dessen herstellung und verwendung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft bandförmige Halbzeuge, die sich zur Herstellung von Verbundwerkstoffen, insbesondere von faserverstärkten Thermoplasten eignen.

Es ist bereits bekannt, zur Herstellung faserverstärkter Thermoplaste sogenannte "organische Bleche" einzusetzen. Diese bestehen im allgemeinen aus bandförmig angeordneten Verstärkungsfasern, die mit thermoplastischem Material schmelzimprägniert sind. Derartige Halbzeuge sind steif und besitzen nicht die Drapierbarkeit textiler Flächengebilde.

Aus der DE-C-23 20 133 sind Vliese aus unidirektional angeordneten Kohlenstoffasern bekannt, die mit Klebstoff imprägniert sind und die durch senkrecht zu den Kohlenstoffasern angeordnete Fäden aus thermoplastischem Material durch Aufschmelzen dieser Fäden zusammengehalten werden. Das DE-GBM 85 21 108 beschreibt Textilbewehrungen zur Herstellung von Schichtgebilden aus Längs- und Querfadenlagen. Dabei wird die Zahl der Kreuzungsstellen zwischen Kett- und Schußfäden möglichst gering gehalten. Dies wird dort durch eine Anordnung übereinander liegender Längs- und Querfadenlagen erreicht, die durch zusätzliche Längsfäden aus thermoplastischem Material untereinander verbunden sind. Weitere Ausgestaltungen von Textilbewehrungen sind in der EP-B-1 93 478, der EP-B-1 93 479 und der EP-B-1 98 776 beschrieben. Aus der EP-A-1 44 939 ist ein Verbundmaterial aus Kett- und Schußfäden aus Verstärkungsfasern bekannt, worin die Kett- und/oder Schußfäden mit Fäden aus thermoplastischem Material umwickelt sind, das durch Erhitzen ein Verschweißen der Verstärkungsfasern bewirkt.

Allen diesen Ausführungsformen ist gemeinsam, daß sie Fäden mit unterschiedlichen Ausrichtungen aufweisen.

Ferner werden in der DE-A- 18 08 286 Vliesstoffe offenbart, die aus statistisch abgelegten Fäden oder Fasern bestehen und die mindestens ein thermoplastisches Polymermaterial aufweisen. Diese Vliesstoffe sind dadurch gekennzeichnet, daß in einem Teil des Vliesstoffes eine Verfestigung vorgenommen wurde, wobei in diesem Teil eine bestimmte Anzahl von Bindepunkten je Flächeneinheit mit einer bestimmten Querschnittsfläche der Bindepunktspitzen erzeugt wurde. Die Verfestigung wird z. B. durch Behandlung des Vlieses mit einer beheizten Presse, die eine strukturierte Oberfläche aufweist, erzielt.

Schließlich ist aus der DE-A-34 08 769 ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Formkörpern aus thermoplastischem Material bekannt, bei dem flexible textile Gebilde eingesetzt werden, die aus weitgehend unidirektional oder parallel ausgerichteten Verstärkungsfasern und aus einer aus thermoplastischen Garnen oder Fasern aufgebauten Matrix bestehen. Es werden im wesentlichen Gestricke aus diesen Fasern beschrieben oder Stränge oder Bänder. Diese Halbzeuge werden dann erst bei ihrer endgültigen Formgebung durch heizbare Profildüsen verformt, wobei praktisch alle thermoplastischen Fasern aufgeschmolzen werden.

Es wurden jetzt neue textile Halbzeuge gefunden, die eine gute Drapierbarkeit aufweisen und sich insbesondere in strukturierten Preßformen verarbeiten lassen. Die erfindungsgemäßen Halbzeuge weisen eine im wesentlichen homogene Verteilung zwischen den verschiedenen Fasersorten auf und die Orientierung der Verstärkungsfasern ist weitgehend unidirektional. Die Drapierbarkeit des erfindungsgemäßen Halbzeugs entspricht etwa der eines Gewebes oder Gewirkes gleichen Flächengewichtes aus diesen Fasern und besitzt gegenüber einem Gewebe oder Gewirke den Vorteil, daß die Fasern unidirektional ausgerichtet sind und somit ein Ausrichten der Fasern durch Recken beim nachgeschalteten thermischen Formgebungsprozeß entfallen kann.

Die Erfindung betrifft ein Band aus im wesentlichen unidirektional ausgerichteten Verstärkungsfasern und thermoplastischen Matrixfasern. Kennzeichnend für das erfindungsgemäße Band ist, daß dieses im wesentlichen aus Garnen, die Verstärkungsfasern und/oder Matrixfasern enthalten, aufgebaut ist, die Garndichte des Bandes etwa 5 bis 20 Garne/cm Breite beträgt, der Titer der Garne etwa 1000 bis 3000 dtex beträgt und die Matrixfasern zumindest an einer Bandoberfläche unter Ausbildung von Verfestigungspunkten lokal an- oder aufgeschmolzen sind.

Unter dem Begriff "Garn" sind im Sinne dieser Anmeldung Multifilamentgarne, Stapelfasergarne, Mischgarne aus Multifilamenten und Stapelfasern und auch Monofilamente zu verstehen. Unter dem Begriff "Faser" sind im Sinne dieser Anmeldung sowohl Stapelfasern als auch endlose Filamente zu verstehen.

Die Garndichte des Bandes wird so gewählt, daß der Abstand der das Band aufbauenden Garne nicht zu groß wird, so daß das Ausbilden von Verfestigungspunkten zwischen benachbarten Garnen noch möglich ist. Üblicherweise sollte der Abstand der Garne im Band geringer sein als etwa der dreifache Durchmesser eines Monofils vom Titer der Garne. Der Titer der eingesetzten Garne aus Verstärkungs- und/oder Matrixfasern beträgt in der Regel 1000 bis 3000 dtex, vorzugsweise 1500 bis 2500 dtex.

Verstärkungsfasern und Matrixfasern können sowohl in Form getrennter Garne vorliegen als auch als Mischgarne. Ferner können auch Bikomponentenfasern aus Verstärkungs- und Matrixkomponenten eingesetzt werden. In den Garnen liegen die Verstärkungsfasern vorzugsweise in Form von Multifilamenten vor. Ganz besonders bevorzugt verwendet man Mischgarne aus Verstärkungs- und Matrixfasern.

Mischgarne können auf jede der an sich üblichen Mischtechniken hergestellt werden, wie z. B. Ring- oder 3-Zylinderspinnen, Commingeling-Techniken, Mischzwirn­ herstellung oder DREF-Techniken.

Besonders bevorzugt verwendet man Multifilament-Mischgarne aus Verstärkungs- und Matrixfasern, bei denen zumindest ein Teil des Garnes aus Hochmodul-Einzelfilamenten eines Anfangsmoduls von mehr als 50 GPa, insbesondere mehr als 80 GPa, besteht, die durch Vermischen mittels eines Vermischungsmediums, vorzugsweise Luft, erhältlich sind, wobei die Hochmodul-Einzelfilamente vor dem Vermischen auf eine Temperatur von 0,25 Ts bis 0,9 Ts vorerwärmt worden sind und die Vermischung bei einer Temperatur stattfindet, bei der die Matrixfasern im wesentlichen erhalten bleiben; insbesondere wird die Vermischung im nicht erwärmten Vermischungsmedium durchgeführt. Dabei bedeutet Ts die Schmelz- oder Zersetzungstemperatur der Hochmodul-Einzelfilamente in °C.

Diese besonders bevorzugten Multifilament-Mischgarne sind dadurch gekennzeichnet, daß der durchschnittliche Vermischungsabstand des Garns, gemessen im Nadeltest, kleiner als 150 mm ist und daß die Anzahl von Brüchen der Einzelfilamente, gemessen im Lichtschrankenverfahren auf einer Seite des Garns, kleiner als 20/m ist.

Als Verstärkungsfasern kommen praktisch alle nicht schmelzbaren oder hochschmelzbaren, hochmoduligen und/oder hochfesten Fasern in Frage. Diese Fasern werden so ausgewählt, daß sie unter den für die thermoplastischen Faseranteile geeigneten Verarbeitungsbedingungen noch nicht schmelzen bzw. sich praktisch nicht thermoplastisch verformen und im entstehenden Verbundwerkstoff als Verstärkungsfasern vorliegen.

Beispiele für solche Fasern sind Glasfasern, Kohlenstoffasern, Fasern aus verschiedensten Metallen und Metall-Legierungen, aus verschiedensten Metallnitriden oder -carbiden, Metalloxidfasern oder Fasern aus organischen Polymeren, wie aus Polyacrylnitril, Polyester, aliphatischem und aromatischem Polyamid oder Polyimid.

Vorzugsweise verwendet man Glas-, Kohlenstoff-, Metall- oder Aramidfasern.

Als thermoplastisches Material eignen sich alle Werkstoffe, die sich reversibel thermoplastisch verarbeiten lassen. Beispiele dafür sind Metalle und Metall-Legierungen, Gläser und insbesondere organische Werkstoffe. Bei den organischen Werkstoffen handelt es sich vor allem um gegebenenfalls Lösungsmittel enthaltende, vorzugsweise aber lösungsmittelfreie bekannte organische thermoplastische Formmassen.

Beispiele für Thermoplaste sind Polymerisate, wie Vinylpolymerisate, z. B. Polyolefine, Polyvinylester, Polyvinylether, Polyacryl- und -methacrylate, Polyvinylaromaten, Polyvinylhalogenide, sowie die verschiedensten Copolymeren, Block-, Pfropf-, Liquid-crystal-, Mischpolymere oder Polymergemische. Spezielle Vertreter sind: Polyethylene, Polypropylene, Polybutene, Polypentene, Polyvinylchlorridtypen, Polymethylmethacrylate, Poly(meth)acrylnitriltypen, gegebenenfalls modifizierte Polystyrole oder Mehrphasenkunststoffe wie ABS. Ferner Polyadditions-, Polykondensations -, Polyoxidations- oder Cyclisierungspolymere, LC-Polymere, wie Polyamide, Polyurethane, Polyharnstoffe, Polyimide, Polyester, Polyether, Polyhydantoine, Polyphenylenoxide, Polyphenylensulfide, Polysulfone, Polycarbonate, sowie deren Mischformen, deren Mischungen und Kombinationen mit anderen Polymeren oder Polymervorstufen, beispielsweise Polyamid-6; Polyamid-6,6; Polyethylenterephthalate oder Bisphenol-A- Polycarbonat.

Es können die genannten Polymeren jedoch auch als Verstärkungsfasermaterial dienen, wenn sie mit tiefer schmelzenden Fasern verarbeitet werden, die erfindungsgemäß als thermoplastische Anteile fungieren.

Die die Garne aufbauenden Filamente oder Stapelfasern können einen praktisch runden Querschnitt aufweisen oder auch andere Formen besitzen, beispielsweise einen hantelförmigen, nierenförmigen, dreieckigen oder tri-bzw. multilobalen Querschnitt aufweisen. Es lassen sich auch Hohlfasern einsetzen.

Insbesondere als Thermoplastfasern lassen sich auch Bi- oder Mehrkomponentenfasern einsetzen, beispielsweise vom Kern/Mantel- oder vom Seite/Seite-Typ oder vom Matrix/Fibrillen-Typ.

Das erfindungsgemäße Halbzeug ist durch lokales Aufschmelzen der Matrixfasern so weit verfestigt, daß es problemlos gehandhabt werden kann ohne seine Bandform zu verlieren, gleichzeitig aber eine gute Drapierfähigkeit, Rollbarkeit und Transportfähigkeit besitzt. Das erfindungsgemäße Halbzeug ist nahezu unbegrenzt und unbeschränkt lagerfähig, da praktisch keine aushärtenden Komponenten vorhanden sind. Die Verfestigungspunkte befinden sich zumindest entlang einer Oberfläche des Bandes, können sich aber auch entlang beider Oberflächen befinden. Dabei kann es im Einzelfall ausreichend sein, daß nur eine Oberflächenfixierung des Bandes stattgefunden hat.

Es ist aber auch möglich, daß die lokalen Verfestigungspunkte praktisch durch den Querschnitt des gesamten Bandes verlaufen. Wesentlich bei allen diesen Ausführungsformen ist, daß das Aufschmelzen der Matrixfasern lokal erfolgt und daß die einzelnen Matrixfasern und/oder Verstärkungsfasern sich jeweils zwischen zwei Verfestigungspunkten praktisch frei bewegen können. Der mittlere freie Abstand zweier Befestigungspunkte beträgt vorzugsweise etwa 1 bis 5 cm.

Die Dichte der Verfestigungspunkte entlang der Oberfläche wird unter anderem von der Art und Menge der Thermoplastfasern und vom Mengenverhältnis von Thermoplast- und Verstärkungsfasern abhängen. Es ist auch möglich, ein Muster von Verfestigungspunkten auf das Band aufzubringen, d. h. nur Teile der Oberfläche des Bandes mit Verfestigungspunkten zu versehen.

Übliche Werte für die Dichte von Verfestigungspunkten, bezogen auf die Flächeneinheit der Bandoberfläche, bewegen sich im Bereich von 40 bis 500000 Punkte/m² Oberfläche, vorzugsweise 100 bis 40000 Punkte/m² Oberfläche (bei einseitigem Aufbringen von Verfestigungspunkten auf die Oberfläche; bei zweiseitigem Aufbringen genügt in der Regel eine halb so hohe Dichte pro Oberfläche). Vorzugsweise verbindet ein Verfestigungspunkt mehrere Verstärkungsgarne.

Das Volumenverhältnis der Verstärkungs- zu den Matrixfasern im erfindungsgemäßen Halbzeug kann innerhalb weiter Grenzen beliebig gewählt werden. So kann der Volumenanteil der Verstärkungsfasern z. B. 10 bis 90% betragen und der Volumenanteil der Matrixfasern dementsprechend 90 bis 10%. Vorzugsweise beträgt der Volumenanteil der Verstärkungsfasern 20-80%, insbesondere 40-70%.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Halbzeugs sind in den Ansprüchen 2 bis 7 dargestellt.

Das erfindungsgemäße Halbzeug kann hergestellt werden, indem man

• a) eine bandförmige Anordnung aus im wesentlichen unidirektional ausgerichteten Verstärkungsfasern und aus thermoplastischen Matrixfasern in Form von als Fadenkette angeordneten Garnen bereitstellt, und
• b) lokal begrenzt zumindest auf einer der Oberflächen dieser Anordnung erhöhte Temperaturen erzeugt, gegebenenfalls in Kombination mit erhöhten Drucken, so daß die Matrixfasern an diesen Stellen an- oder aufschmelzen und sich lokale Verfestigungspunkte ausbilden.

Das Verfahren ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Das Erzeugen von lokal erhöhten Temperaturen kann durch Behandlung der bandförmigen Anordnung mit beheizten Prägewalzen erfolgen. Dabei kann das Garnband zwischen zwei Prägewalzen oder insbesondere zwischen einer Walze mit glatter Oberfläche und einer Walze mit strukturierter Oberfläche oder teilweise strukturierter Oberfläche hindurchgeführt werden. Das Erzeugen von lokal erhöhten Temperaturen kann aber auch auf jede beliebige andere Art und Weise erfolgen, beispielsweise durch Einwirkung von Heißgasströmen oder von beheizten Stempeln oder von Ultraschall oder hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung (Hochfrequenzschweißen).

Diese letzteren beiden Ausführungsformen sind besonders bevorzugt, da sich mit ihnen eine praktisch unbegrenzte Anzahl von Mustern an Verfestigungspunkten erzielen läßt, beispielsweise durch Führen der Heizquellen auf vorgegebenen Wegen über die Bandoberfläche und durch gezieltes An- und Abschalten der Heizquelle. Diese Steuerung kann z. B. unter Kontrolle eines Computers stehen.

In Fig. 1a, 1b, 2a und 2b sind zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielhaft dargestellt.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbzeugs beispielhaft dargestellt.

Fig. 1a betrifft eine Ausführungsform in Aufsicht, während diese Ausführungsform in Fig. 1b in Seitenansicht dargestellt ist.

Die von einem Kettbaum (1) ablaufende unidirektionale Garnschar (2) (in Fig. 1a nur auf einem Teil der gesamten Kettbaumlänge dargestellt) besteht aus mindestens einem Typ Thermoplastfaser, wie Polyester-, Polyethylen-, Polyamid-, Polyphenylensulfid-, Polypropylen-, Polyetherimid-, Polyetherketon-, Polysulfon- oder teilhalogenierte Polyolefinfaser, und mindestens einem Typ Verstärkungsfaser, wie Glas-, Kohlenstoff-, Metall-, Keramik- oder Aramidfaser.

Die unidirektionale Garnschar (2) wird zwischen den beheizten Prägewalzen (3) und (4) hindurchgeführt. Eine dieser Walzen kann auch eine glatte Oberfläche besitzen. Unter dem Einfluß von Druck und Wärme an den Stellen der erhabenen Teile der Prägewalze kommt es zu lokalen Aufschmelzungen der Thermoplastfaser und damit zu Verschmelzungspunkten zwischen zwei oder mehr nebeneinanderliegenden Kettgarnen. Nach dem Verlassen des Bereichs der Prägewalzen (3) und (4) erstarren die Schmelzzonen und ergeben eine formschlüssige Verbindung zwischen diesen Kettgarnen.

In Fig. 1a sind diese erstarrten lokalen Schmelzzonen (5) in Form eines Streifenmusters dargestellt. Nach dem Verfestigen kann das Band (6) auf eine Rolle (7) aufgewickelt werden.

Fig. 2a betrifft eine weitere Ausführungsform in Aufsicht, während diese Ausführungsform in Fig. 2b in Seitenansicht dargestellt ist.

Die von einem Kettbaum (1) ablaufende unidirektionale Garnschar (2) (in Fig. 2a nur auf einem Teil der gesamten Kettbaumlänge dargestellt) besteht aus mindestens einem Typ Thermoplastfaser, z. B. solchen Fasern wie beispielhaft in der Beschreibung von Fig. 1a erwähnt.

Die unidirektionale Garnschar (2) wird zwischen einer geeigneten Unterlage (8) und dem punktuell wirkenden Aufschmelzaggregat (9) durchgeführt. Ein solche punktuell wirkendes Aufschmelzaggregat kann z. B. eine Ultraschallsonde, eine Heißgaszuführung, ein beheizter Stempel oder eine elektromagnetische Energiequelle sein. Das Aufschmelzaggregat ist parallel zur Kettbaumachse und in vertikaler Richtung verfahrbar, die Steuerung dieses Vorganges wie auch das Ein- und Ausschalten der Energiezufuhr kann ein Computer übernehmen. Ebenso ist die Verwendung mehrerer Aufschmelzaggregate auf einer Unterlage wie auch die Verwendung mehrerer Kombinationen bestehend aus Aufschmelzaggregat(en) und Unterlage(n) hintereinander möglich. Hierdurch kann ein größerer Durchsatz der Anlage erreicht werden.

Die Auflage(n) können vertikal verfahrbar (8a) sein um die Durchmesseränderungen von Kettbaumbewicklung und Rolle (7) anzugleichen.

Unter dem Einfluß von Wärme an den Stellen des Aufschmelzaggregates (9) kommte es zu lokalen Aufschmelzungen der Thermoplastfaser und damit zu Verschmelzungspunkten zwischen zwei oder mehr nebeneinanderliegenden Kettgarnen. Nach dem Verlassen des Bereichs des Aufschmelzaggregats (9) erstarren die Schmelzzonen und ergeben eine formschlüssige Verbindung zwischen diesen Kettgarnen.

In Fig. 2a sind diese erstarrten lokalen Schmelzzonen (5) in Form eines Streifenmusters dargestellt. Nach dem Verfestigen kann das Band (6) auf eine Rolle (7) aufgewickelt werden.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbzeugs dargestellt. Das Band (6) ist aus einer Garnschar (2) aufgebaut. Als Garne werden in dieser Ausführungsform Mischgarne (10) aus Verstärkungs und Matrixfasern eingesetzt. Das Band (6) weist erstarrte lokale Schmelzzonen (5) auf, an denen je zwei nebeneinanderliegende Garne miteinander verbunden sind.

Claims (11)

1. Band aus im wesentlichen unidirektional ausgerichteten Verstärkungsfasern und thermoplastischen Matrixfasern, dadurch gekennzeichnet, daß dieses im wesentlichen aus Garnen aufgebaut ist, die Verstärkungsfasern und/oder Matrixfasern enthalten, die Garndichte des Bandes etwa 5 bis 20 Garne/cm Breite beträgt, der Garntiter etwa 1000 bis 3000 dtex beträgt und die Matrixfasern zumindest an einer Bandoberfläche unter Ausbildung von Verfestigungspunkten lokal an- oder aufgeschmolzen sind.

2. Band nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Mischung aus Garnen aus Verstärkungsfasern und Garnen aus Matrixfasern aufgebaut ist.

3. Band nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als Mischgarn aus Verstärkungs- und Matrixfasern aufgebaut ist.

4. Band nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Bikomponentenfasern mit einer Verstärkungs- und einer Matrixkomponente aufgebaut ist.

5. Band nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigungspunkte in einem sich regelmäßig wiederholenden Muster angeordnet sind.

6. Band nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigungspunkte statistisch über die Bandoberfläche verteilt sind.

7. Band nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigungspunkte etwa 5 bis 50% der Oberfläche des Bandes ausmachen.

8. Verfahren zur Herstellung des Bandes gemäß Anspruch 1 umfassend die Schritte:

• a) Herstellen einer Anordnung aus im wesentlichen unidirektional ausgerichteten Verstärkungsfasern und aus thermoplastischen Matrixfasern in Form von als Fadenkette angeordneten Garnen, und
• b) Erzeugung von lokal begrenzten erhöhten Temperaturen und gegebenenfalls erhöhten Drucken auf zumindest einer der Bandoberflächen, so daß die Matrixfasern an diesen Stellen an- oder aufschmelzen und sich lokale Verfestigungspunkte ausbilden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung von lokalen Verfestigungspunkten mittels beheizter Prägewalze erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung von lokalen Verfestigungspunkten mittels Ultraschall oder hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung erfolgt.

11. Verwendung des Bandes nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung von Verbundwerkstoffen, insbesondere von faserverstärkten Thermoplasten.