DE4113810C2 - Ausgeformter Gegenstand aus kohlenstoffaserverstärktem Harz und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen ausgeformten Gegenstand aus kohlenstoffaserverstärktem Harz, der beispielsweise als eine lichtabschirmende Platte für den Einsatz in einer Lichtsteuereinrichtung, z. B. als ein Kameraverschluß oder eine Blende in einer Kamera verwendet werden kann, sowie ein Verfahren für seine Herstellung.

Kohlenstoffaserverstärkte Kunststoffe (abgekürzt CFRP von englisch "carbon fiber-reinforced plastics") werden jetzt für verschiedenartigste Anwendungen eingesetzt. Da ein CFRP-Blatt ein leichtes Gewicht aufweist, eine hohe Stei­ figkeit und Elastizität besitzt und seiner Natur nach elektrisch leitend ist, ist seine Verwendung als lichtab­ schirmende Platte in einem Verschluß oder einer Blende für Kameras vorgeschlagen worden (japanische Patentver­ öffentlichung (Tokkyo Kokai) No. 59-61827).

Ein Problem, das sich bei derartigen CFRP-Platten stellt, ist, daß ihre Gleitreibung nicht hinreichend niedrig ist, um Verschluß- oder Blendenbetätigungen mit einer hohen Geschwindigkeit von z. B. 1/8000 Sekunden durchzuführen. Um dieses Problem zu lösen wurde der Vorschlag gemacht, die Oberfläche der CFRP-Platten mit einer schwarzen Far­ be zu überziehen, die ein Schmiermittel wie Polytetra­ fluoräthylen enthält. Diese beschichteten Platten sind jedoch in Bezug auf die Senkung der Reibung und das Licht­ reflexionsvermögen nicht vollständig zufriedenstellend.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen ausgeformten Gegenstand zu schaffen, der aus CFRP hergestellt ist und einen niedrigen Gleitreibungskoeffi­ zienten und niedriges Lichtreflexionsvermögen aufweist.

Weiterhin soll durch die vorliegende Erfindung eine licht­ abschirmende Platte zum Aufbauen eines Verschlusses oder einer Blende wie eines Fokalebenenkameraverschlusses oder eines Schlitzverschlusses oder einer Blende für Ka­ meras geschaffen werden.

Hierbei ist es weiterhin Ziel der vorliegenden Erfindung, eine lichtabschirmende Platte des Vorgenannten Typs zu schaffen, die aus CFRP ausgeformt ist und eine hinrei­ chend niedrige Gleitreibung und hohe Steifigkeit auf­ weist, damit mit ihr die Betätigung der Platte mit einer hohen Geschwindigkeit von 1/8000 Sekunde durchgeführt werden kann.

Schließlich soll durch die Erfindung ein Verfahren zum Ausformen eines Gegenstandes mit den vorgenannten Eigen­ schaften geschaffen werden.

Zur Lösung der vorstehenden Aufgaben und Ziele wird durch die vorliegende Erfindung ein ausgeformter Gegenstand geschaffen, der aus einem kohlenstoffaserverstärkten Harz hergestellt ist und eine Oberfläche mit einer Mittelli­ niendurchschnittshöhe von 0,3 bis 5,0 µm aufweist.

In einem anderen Aspekt wird durch die vorliegende Erfin­ dung eine lichtabschirmende Platte für die Verwendung in einer lichtsteuernden Einrichtung einer Kamera geschaf­ fen, wobei diese Platte aus einem kohlenstoffaserverstärk­ ten Harz ausgeformt ist und eine Oberfläche mit einer Mittelliniendurchschnittshöhe von 0,3 bis 5,0 µm auf­ weist.

Außerdem liefert die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gegenstandes. Dabei wird zu­ erst ein Prepreg hergestellt, das Kohlenstoffasern ent­ hält, die mit einem Harz imprägniert sind. Dann wird das Prepreg oder mehrere Prepregblätter in eine Form mit einer aufgerauhten inneren Oberfläche mit einer Mittel­ liniendurchschnittshöhe von 0,3 bis 5,0 µm gelegt, und das Prepregblatt oder die Prepregblätter werden inner­ halb der Form erhitzt und gepreßt, wodurch ein ausge­ formter Gegenstand entsteht, der aus dem kohlenstoff­ faserverstärkten Harz besteht und eine Oberfläche mit einer Rauhigkeit mit einer Mittelliniendurchschnitts­ höhe von 0,3 bis 5,0 µm besitzt.

Wegen seiner spezifischen Oberflächenrauhigkeit hat der ausgeformte Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung eine niedrige Gleitreibung und ein niedriges Lichtre­ flexionsvermögen. Bisher ist kein Vorschlag bekannt, um derartige ausgeformte Gegenstände aus CFRP zu schaffen, die die oben angegebene spezifische Oberflächenrauhigkeit aufweisen. Für das Aufrauhen einer Oberfläche eines Ge­ genstandes wurde allgemein ein Sandstrahlverfahren oder ein Sickenverfahren angewendet. Das Anwenden des Sand­ strahlverfahrens ist jedoch unerwünscht zum Aufrauhen eines aus CFRP ausgeformten Körpers aus dem Grund, weil die behandelte Oberfläche abgeschliffen und aufgelockert wird. Das Sickenverfahren kann dagegen keine spezifisch fein aufgerauhte Oberflächen erzeugen.

Weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorlie­ genden Erfindung ergeben sich aus der detaillierten Be­ schreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfin­ dung, die im folgenden unter anderem auch unter Bezugnah­ me auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Ausführungsform eines Sektors eines Fokalebe­ nenkameraverschlusses oder eines Schlitzver­ schlusses gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, und

Fig. 2 eine Querschnittsansicht ähnlich wie Fig. 1, die eine andere Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung zeigt.

Es wird zuerst auf Fig. 1 Bezug genommen. Das Bezugszei­ chen 1 bezeichnet ein Sektorblatt oder eine Platte gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Sektor 1 ist aus CFRP aus­ geformt und hat eine Harzmatrix 3, innerhalb der Kohlen­ stoffasern 4 verteilt sind.

Der Sektor 1 kann durch Ausformen von Prepregs aus Koh­ lenstoffasern, die mit dem Harz imprägniert sind, herge­ stellt werden. Jedes beliebige bekannte Prepreg aus harz­ imprägnierten Kohlenstoffasern kann für den Zweck der Erfindung verwendet werden. Das Harz, das zum Bilden eines derartigen Prepregs verwendet wird, kann ein wärmehärten­ des Harz wie ein Epoxyharz, ein Phenolharz oder ein unge­ sättigtes Polyesterharz oder ein thermoplastisches Harz wie Polyesterharz oder ein Polyamidharz sein. Das Prepreg besitzt vorzugsweise ein Basisgewicht von 10 bis 100 g/m². Für die Bildung des Sektors 1 werden mehrere derartiger Prepregs innerhalb einer Form übereinandergelegt und ge­ preßt und ausgeformt, während Wärme und Druck angewendet wird. Bei der spezifischen dargestellten Ausführungsform sind drei Blätter Prepregs verwendet worden und derart mit­ einander laminiert worden, daß die Richtungen der Kohlen­ stoffaserfäden jeweils der benachbarten zwei Prepregs rechtwinklig zueinander verlaufen. Die Anzahl der Prepregs kann entsprechend der gewünschten Dicke des Sektors, der hergestellt werden soll, bestimmt werden, wobei die Dicke im allgemeinen im Bereich von 50 bis 150 µm liegt.

Das Prepregblatt kann einen oder mehrere Zusatzstoffe wie schwarze Pigmentstoffe oder Rußpigment und ein Reibung reduzierendes Mittel enthalten, wenn es gewünscht wird. Die schwarzen Pigmentstoffe, die zur Verbesserung der lichtabschirmenden Eigenschaften des Sektors 1 verwendet werden, können beispielsweise Kohlenstoffruß und Anilin­ ruß sein, und sie werden in einer Menge von 1 bis 15 Gewichtsteilen, vorzugsweise 2 bis 10 Gewichtsteilen, pro 100 Gewichtsteilen des Harzes von dem Prepreg verwen­ det. Das Reibung reduzierende Mittel sind feste Teilchen wie beispielsweise ein Fluorkohlenstoff (z. B. Polytetra­ fluoräthylen), Graphit oder Molybdändisulfid, mit einem mittleren Durchmesser von 0,1 bis 10 µm, vorzugsweise 0,2 bis 5 µm, und es wird in einer Menge von 3 bis 30 Ge­ wichtsteilen, vorzugsweise 5 bis 25 Gewichtsteilen, pro 100 Gewichtsteilen des Harzes des Prepregs verwendet.

Die beiden Seiten 2a und 2b des Sektors 1 werden so aufge­ rauht, daß sie eine Mittelliniendurchschnittshöhe ("center line average height", wie sie in den japanischen Indu­ strie-Standards JIS B0601 definiert ist und auch in ISO (International Standardization Organi­ zation) 468-1982 definiert ist, von 0,3 bis 5,0 µm, vorzugsweise 0,4 bis 3,0 µm, aufweisen, so daß die aufgerauhte Oberfläche einen Reibungskoeffizienten (ASTM D1894) von 0,5 oder weniger und ein Lichtreflexionxver­ mögen (JIS 28741) von 10% oder weniger aufweist.

Die aufgerauhten Oberflächen 2a und 2b können ausgeformt werden, indem Formen mit aufgerauhten inneren Wandober­ flächen verwendet werden, in die die Prepregblätter gelegt werden, um die Rauhigkeit der inneren Wand auf den ent­ stehenden Formling aufzupressen. Formen, die aus einem Metall wie Aluminium, Eisen, Kupfer oder einer Legierung derselben hergestellt worden sind, werden hierzu üblicher­ weise verwendet. Die aufgerauhte Oberfläche der Form kann erhalten werden, indem Eindruckstellen oder Nuten durch das Sandstrahlverfahren, ein chemisches Ätzverfahren oder ein elektrisches Korrosionsverfahren so ausgebildet wer­ den, daß die Mittelliniendurchschnittshöhe der aufgerauh­ ten Oberfläche 0,3 bis 5 µm, vorzugsweise 0,4 bis 3 µm, beträgt. Die Gestalt und die Anordnung der Nuten oder Eindruckstellen ist nicht spezifisch eingeschränkt. So kann beispielsweise die aufgerauhte Formoberfläche durch eine Vielzahl paralleler, voneinander gleich beabstande­ ter Nuten, durch eine Vielzahl von konzentrischen kreis­ förmigen Nuten oder durch eine Vielzahl gleich verteil­ ter kleiner Eindruckstellen ausgebildet werden.

Durch Pressen einer Vielzahl aufeinandergestapelter Pre­ pregblätter innerhalb der vorgenannten Formen durch Anwen­ dung von Wärme und Druck wird ein geformtes Blatt oder eine Platte erhalten, deren Oberflächen aufgerauht sind, wobei sie in ihrer Rauhigkeit den Innenwänden der Formen entsprechen.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform eines Sektors 11. Der Sektor 11 ist aus einer Schicht 10 aus CFRP gebildet, der aus einem Matrixharz 3 und Kohlenstoffasern 4, die innerhalb der Matrix 3 dispergiert sind, gebildet ist. Die CFRP-Schicht 10 kann ähnlich wie der Sektor 1 von Fig. 1 aufgebaut sein.

Jede der Oberflächen der CFRP-Schicht 10 ist so aufgerauht, daß sie eine Mittelliniendurchschnittshöhe von 0,3 bis 5,0 µm, vorzugsweise 0,4 bis 2,0 µm, noch stärker zu bevorzu­ gen 0,5 bis 1,5 µm, aufweist und ist mit einer Beschich­ tung 5a (5b) beschichtet, die ein Gleitreibungsreduzie­ rungsmittel enthält wie z. B. Fluorkohlenstoffharzpulver oder Graphitpulver mit vorzugsweise einer mittleren Teil­ chengröße von 0,1 bis 10 µm, stärker zu bevorzugen 0,2 bis 5 µm. Wegen des Vorhandenseins der Oberflächenbe­ schichtungsschichten 5a und 5b kann die Oberflächenrauhig­ keit der CFRP-Schicht 10 durch ein anderes Verfahren er­ halten werden als das, das für die Ausführungsform von Fig. 1 verwendet worden ist. Und zwar kann sogar ein Sandstrahlverfahren für die Bildung der Rauhigkeit der CFRP-Schicht 10 angewendet werden.

Ein Kohlenstoffruß oder ein ähnliches antistatisches Mit­ tel kann in die Oberflächenbeschichtungsschichten 5a und 5b inkorporiert werden, um deren elektrische Leitfähig­ keit zu verbessern. Als ein Bindemittel für die Überzugs­ schichten 5a und 5b kann ein wärmehärtendes oder thermo­ plastisches Harz verwendet werden, obgleich die Verwen­ dung eines wärmehärtenden Harzes wie eines Epoxyharzes, eines Urethanharzes, eines Phenolharzes oder Melaminhar­ zes aus Gründen der hohen Adhäsion an der CFRP-Schicht 10 bevorzugt wird.

Die Dicke von jeder der Überzugsschichten 5a und 5b ist derart, daß sie eine Mittelliniendurchschnittshöhe im Bereich von 0,2 bis 2,0 µm, vorzugsweise 0,3 bis 1,5 µm liefert. Die Dicke liegt im allgemeinen im Bereich von 0,1 bis 20 µm, vorzugsweise 0,5 bis 15 µm. Der so aufge­ baute Sektor 11 besitzt einen Reibungskoeffizienten von 0,5 oder weniger und ein Lichtreflexionsvermögen von 10% oder weniger.

Obgleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Sektorblätter 1 und 11 für einen Fokalebenenkamera­ verschluß oder einen Schlitzverschluß einer Kamera beschrie­ ben worden ist, ist die Erfindung keineswegs auf derarti­ ge Ausführungsformen allein beschränkt. Die Erfindung be­ zieht sich nicht nur auf die Form als Blatt oder als Platte, sie kann auch in anderen Formen verwirk­ licht werden, z. B. für Stäbe, Zylinder oder ähnliche aus­ geformte Gegenstände, die als Teile verwendet werden, bei denen geringe Reibung, niedriges Reflexionsvermögen, leichtes Gewicht, hohe Steifigkeit und Elastizität, Lichtabschirmung und/oder geringe statische Aufladung erforderlich sind.

Die folgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung noch weiter erläutern.

Beispiel 1

Einachsig orientierte Kohlenstoffasern wurden mit einer wärmehärtenden Epoxyharz-Zusammensetzung imprägniert, die 5 Gew.-% Kohlenstoffruß mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,03 µm enthielt, um ein Prepreg mit einem Basisgewicht von 27 g/m² zu erhalten. Drei Blätter dieses Prepregs wurden eines über das andere gelegt, wo­ bei die Orientierungsrichtungen der Kohlenstoffasern von zwei benachbarten Blättern rechtwinklig zueinander ver­ liefen. Die übereinandergelegten Blätter wurden zwischen ein Paar Eisenplatten gelegt, deren innenseitige Oberflächen aufgerauht worden waren, um eine Mittelliniendurch­ schnittshöhe von 2,0 µm aufzuweisen. Die Eisenplatten wur­ den dann von beiden Seiten mit einem Druck von 5 kg/cm² über 90 Minuten lang gepreßt, wobei eine auf 130°C vor­ erhitzte Heißpresse verwendet wurde, so daß die zwischen­ gelegten Prepregs gehärtet wurden. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurden die Eisenplatten geöffnet, wobei eine CFRP-Platte mit einer Dicke von 96 µm erhalten wor­ den war. Die Mittelliniendurchschnittshöhe (gemessen gemäß JIS B0601), das Lichtreflexionsvermögen von der Oberfläche (gemessen gemäß JIS 28741), der Reibungsko­ effizient (gemessen gemäß ASTM D1894) und der spezifi­ sche Widerstand (gemessen gemäß JIS K6911) der CFRP- Platte waren so, wie es in Tabelle 1 angegeben ist.

Beispiel 2

Einachsig orientierte Kohlenstoffasern wurden mit einer wärmehärtenden Epoxyharz-Zusammensetzung imprägniert, die 5 Gew.-% Kohlenstoffruß mit einer mittleren Teil­ chengröße von 0,03 µm und 10 Gew.-% Polytetrafluoräthy­ lenteilchen enthielt, wobei ein Prepreg mit einem Basis­ gewicht von 54 g/m² erhalten wurde, Vier Blätter dieser Prepregs wurden eines über das andere gelegt, wobei die Orientierungsrichtungen der Kohlenstoffasern von den zwei Zwischenblättern parallel zueinander waren und die Orientierungsrichtungen der zwei äußeren Blätter recht­ winklig zu der der Zwischenschichtblätter verliefen, und sie wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ausge­ formt. Die so erhaltene CFRP-Platte (Dicke: 240 µm) besaß Eigenschaften, wie sie in Tabelle 1 angegeben sind.

Vergleichsbeispiel 1

Beispiel 1 wurde auf die gleiche Weise wie vorher be­ schrieben mit der Ausnahme wiederholt, daß Eisenplatten ohne aufgerauhte Oberflächen verwendet wurden. Die Eigen­ schaften der entstandenen CFRP-Platte (Dicke: 96 µm) wa­ ren so, wie es in Tabelle 1 angegeben ist.

Beispiel 3

Einachsig orientierte Kohlenstoffasern wurden mit einer wärmehärtenden Epoxyharz-Zusammensetzung imprägniert, die 5 Gew.-% Kohlenstoffruß mit einem mittleren Teilchen­ durchmesser von 0,03 µm enthielt, wobei ein Prepreg mit einem Basisgewicht von 27 g/m² erhalten wurde. Drei Blät­ ter dieser Prepregs wurden eines über das andere gelegt, wobei die Orientierungsrichtungen der Kohlenstoffasern von jeweils zwei benachbarten Blättern rechtwinklig zu­ einander verliefen. Die übereinandergelegten Blätter wur­ den dann zwischen ein Paar Eisenplatten mit glatten innenseitigen Oberflächen gelegt und wurden dann von bei­ den Seiten mit einem Druck von 5 kg/cm² über 90 Minuten gepreßt, wobei eine auf 130°C vorerhitzte Heißpresse ver­ wendet wurde, so daß die Prepregs aushärten konnten. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurden die Eisen­ platten geöffnet, woraufhin eine CFRP-Platte mit einer Dicke von 96 µm erhalten wurde. Die CFRP-Platte wurde dann durch ein Sandstrahlverfahren behandelt, um ihre beiden Seiten so aufzurauhen, daß die aufgerauhte Ober­ fläche eine Mittelliniendurchschnittshöhe von 1,3 µm und einen Oberflächenwiderstand von 1,0 × 10⁴ Ohm/cm² be­ saß.

Auf die aufgerauhten Oberflächen wurden dann die folgen­ den Beschichtungszusammensetzungen aufgebracht, um eine Beschichtung zu erhalten.

Beschichtungszusammensetzung:

• a) 36,7 Gewichtsteile eines gemischten Lösungsmittels, das aus 34,1 Gewichtsteilen Wasser und 2,6 Gewichts­ teilen Äthanol zusammengesetzt war;
• b) 13,5 Gewichtsteile eines Gemisches aus 7,6 Gewichts­ teilen eines wasserlöslichen, methylolierten Mela­ minharzes (SMITEX RESIN M-3, hergestellt von Sumitomo Chemical Inc., Feststoffgehalt: 80 Gew.-%) und 5,9 Gewichtsteilen einer wäßrigen Dispersion, die durch Dispergieren von Kohlenstoffruß (mittle­ re Teilchengröße: 0,1 bis 0,2 µm) in einer wäßri­ gen Lösung, die ein wasserlösliches Acrylatharz und ein anionisches oberflächenaktives Mittel ent­ hielt, erhalten worden war (Konzentration des Koh­ lenstoffrußes in der Dispersion: 7,3 Gew.-%, Kon­ zentration des Acrylatharzes in der Dispersion: 4,2 Gew.-%);
• c) 14,5 Gewichtsteile einer wäßrigen Dispersion, die 18 Gew.-% Polytetrafluoräthylen-Pulver (mittlere Teilchengröße: 0,3 µm) und 10 Gew.-% eines Poly­ urethanharzes enthielt, und
• d) 0,158 Gewichtsteile einer wäßrigen Lösung, die 20 Gew.-% Ammoniumchlorid enthielt.

Die beschichtete CFRP-Platte wurde dann bei 100°C 10 Mi­ nuten erhitzt, um ein Laminat mit einer Überzugsschicht mit einer Dicke von 2,5 µm zu erhalten. Die Eigenschaften des Laminats sind in Tabelle 1 angegeben.

Vergleichsbeispiel 2

Beispiel 3 wurde auf die gleiche Weise, wie es beschrie­ ben worden war, mit der Ausnahme wiederholt, daß die Oberflächenaufrauhungsbehandlung nicht durchgeführt wur­ de und die Dicke des Überzugs bzw. der Beschichtung auf 12 µm erhöht wurde. Die Eigenschaften des entstandenen Laminats sind auch in Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

Die Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ver­ wirklicht werden, ohne daß ihr Prinzip oder ihre wesent­ lichen Charakteristika verlassen werden. Die beschriebe­ nen Ausführungsformen sind deshalb nur als erläuternde Beispiele anzusehen. Auch Änderungen und Modifikationen, die im Bereich der Äquivalenz der Patentansprüche liegen, werden als zu der Erfindung gehörig angesehen.

Claims (8)

1. Aus einem kohlenstoffaserverstärkten Harz ausgeform­ ter Gegenstand, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er eine Oberfläche mit einer Mittelliniendurchschnittshöhe nach ISO 468-1982 von 0,3 bis 5,0 µm aufweist.

2. Lichtabschirmende Platte für die Verwendung in einem Kameraverschluß, hergestellt aus einem kohlen­ stoffaserverstärkten Harz ausgeformten Gegenstand nach Anspruch 1.

3. Lichtabschirmende Platte nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Harz wenigstens einen Zusatzstoff enthält, der aus der Gruppe, bestehend aus schwarzen Pigmenten, Rußpigment und Gleitreibung reduzierenden Mitteln, ausgewählt ist.

4. Lichtabschirmende Platte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelliniendurchschnittshöhe der Oberfläche 0,4 bis 2,0 µm ist.

5. Lichtabschirmende Platte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens einer ihrer Oberflächen eine Be­ schichtung aufgebracht ist, die ein Gleitreibung reduzierendes Mittel enthält.

6. Lichtabschirmende Platte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitreibung reduzierende Mittel Fluorkohlen­ stoffharz-Pulver oder Graphitpulver ist.

7. Lichtabschirmende Platte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung zusätzlich Kohlenstoffruß enthält.

8. Verfahren zum Herstellen eines ausgeformten Gegen­ standes, nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeich­ net, daß es die folgenden Schritte umfaßt:
Schaffen eines Prepregs, das mit einem Harz impräg­ nierte Kohlenstoffasern enthält,
Legen des Prepregs in eine Form mit einer aufge­ rauhten inneren Oberfläche mit einer Mittellinien­ durchschnittshöhe von 0,3 bis 5,0 µm und
Erhitzen und Pressen des Prepregs innerhalb der Form, um einen aus einem kohlenstoffaserverstärk­ ten Harz ausgeformten Gegenstand mit einer Ober­ fläche mit einer Mittelliniendurchschnittshöhe von 0,3 bis 5,0 µm herzustellen.