DE4115831A1 - Kontinuierliche herstellung von verbundwerkstoffen - Google Patents

Description

Kontinuierliche Verfahren zur Herstellung von flächigen Verbundwerkstoffen aus Verstärkungsfaser-Gebilden mit thermoplastischer Matrix sind bekannt. Solche Verfahren werden auf Pressen durchgeführt. Der Thermoplast kann dabei beispielsweise als Schmelze, Folie, Pulver, Faser oder Granulat zugegeben werden.

Diese Verfahren sind in der Lage, gut imprägnierte Ver­ bundwerkstoffe mit guten mechanischen Kenndaten zu lie­ fern. Schwierigkeiten bei diesem Prozeß bereitet aller­ dings die Tatsache, daß zusammen mit den Verstärkungs­ faser-Gebilden ein gewisses Maß von Luft eingezogen wird, das oben und unten beispielsweise durch die Plat­ ten einer hydraulischen Presse oder die Bänder einer Doppelbandpresse und seitlich durch den aufschmelzenden Thermoplasten eingeschlossen wird.

Wenn beispielsweise der Thermoplast in Folienform einge­ bracht wird, kann die schmelzende Folie die Oberflächen der Verstärkungsfaser-Gebilde gegen Luft abdichten. Dann wird die Luft im Inneren der Textilstruktur, beispiels­ weise in dem von Kett- und Schußfäden gebildeten Viereck eines Gewebes oder allgemein zwischen den Filamenten der Verstärkungsfaser-Stränge eingeschlossen. Solche einge­ schlossenen Luft-Kavitäten, insbesondere im Bereich der Filamentbündel, ergeben sich prinzipiell bei jeder Art der Thermoplast-Zuführung und bei jeder Art des Verstär­ kungsfaser-Gebildes.

Um einen kompakten Verbundwerkstoff zu bilden, muß diese eingeschlossene Luft beim Imprägniervorgang in der thermoplastischen Matrix gelöst werden. Dieser Lösungs­ vorgang in der hochviskosen Schmelze erfordert Zeit; er kann der zeitbestimmende Schritt der Imprägnierung über­ haupt sein, von dem die Herstellgeschwindigkeit ent­ scheidend abhängt.

Wird die Luft nur unvollständig gelöst, bleiben Hohl­ räume im Verbundwerkstoff zurück, die die mechanischen Kenndaten und das Langzeitverhalten negativ beeinflus­ sen. Wird das Halbzeug aufgeheizt, beispielsweise zum Umformen, führt die eingeschlossene Luft zu einem er­ höhten Aufblähen, insbesonders bei Halbzeugen mit mehr­ lagiger Textilstruktur. Bei transparenten Matrices sind solche Kavitäten optisch erkennbar, kleine Kavitäten an der Lichtstreuung.

Die eingeschlossene Luft kann auch mit den Schlichten an den Oberflächen der Verstärkungsfasern und dem Thermo­ plasten selbst reagieren und zu Produktschädigungen, insbesondere in der Grenzschicht zwischen Faser und Matrix führen.

Eine Methode zur Vermeidung dieser eingeschlossenen Luft wäre das Arbeiten unter Vakuum. Von der Herstellung von Verbundwerkstoffen mit duroplastischer Matrix sind dis­ kontinuierliche Vakuum-Verfahren bekannt. So wird bei­ spielsweise bei der Bauteilherstellung nach dem Auto­ klavenverfahren in der Regel in einem Vakuumsack gear­ beitet. Auch beim Resin Transfer Moulding (RTM) wird zunehmend Vakuum eingesetzt.

Bei flächigen thermoplastischen Verbundwerkstoffen ist allerdings bisher kein wirtschaftliches kontinuierliches Verfahren bekannt, das unter Vakuum arbeitet.

Es wurde nun ein neues Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Stapel aus Verstärkungsfaser-Gebilden und Thermoplast kontinuierlich in einem evakuierten Folien­ schlauch einer Presse zugeführt wird.

Unter einer Presse soll dabei eine Vorrichtung verstan­ den werden, die in der Lage ist, gleichzeitig Druck und erhöhte Temperatur auf die flächigen Gebilde auszuüben. Insbesondere sind darunter getaktete hydraulische Pres­ sen mit beheizbaren Platten in einer oder mehreren Eta­ gen zu verstehen. Ein in bezug auf das Produkt konti­ nuierlicher Betrieb dieser Pressen wird dadurch mög­ lich, daß man das flächige Gebilde durch die sich takt­ weise öffnende und schließende Presse zieht oder schiebt. Bevorzugt sind prinzipiell kontinuierlich arbeitende Pressen, beispielsweise Doppelbandpressen.

Als flächige Vsrstärkungsfaser-Gebilde in den Verbund­ werkstoffen kommen vorzugsweise Gewebe, Gestricke, Ge­ wirke aller Art, Geflechte, Matten, Vliese sowie Kombi­ nationen daraus sowie alle Arten von unidirektionalen Gebilden oder Kombinationen von unidirektionalen Gebil­ den mit den erwähnten Textilen in Frage.

Der evakuierte Folienschlauch wird beispielsweise da­ durch gebildet, daß der einlaufende Stapel aus Verstär- kungsfaser-Gebilden und Thermoplast oben und unten mit jeweils einer seitlich überstehenden Folienbahn abge­ deckt wird, diese beiden Folienbahnen an den überstehen­ den Seitenstreifen kontinuierlich miteinander zu einem dichten Schlauch verbunden werden, dieser Folienschlauch ein Dichtsystem quer zur Warenbahn durchläuft und im Bereich zwischen diesem Dichtsystem und der Presse auf geeignete Weise mit einem Unterdruck beaufschlagt wird.

Der Stapel aus Verstärkungsfaser-Gebilden und Thermo­ plast wird bevorzugt durch Mischen von mehreren Lagen aus Verstärkungsfaser-Gebilden mit mehreren Lagen aus Thermoplast-Folien gebildet. Im Grenzfall kann auch nur eine Lage des Verstärkungsfaser-Gebildes vorliegen, aus der der Verbundwerkstoff zusammen mit dem Material des Folienschlauches hergestellt wird. Der Thermoplast, muß nicht notwendig in Form von Folien vorliegen, beispiels­ weise können auch Fasern, beispielsweise als Mischtex­ til, oder Pulver eingezogen werden.

Die Dicke der den Schlauch bildenden Folie liegt zwi­ schen 1 µm und 1000 µm, bevorzugt zwischen 3 µm und 250 µm. Der Folienschlauch kann aus demselben Thermo­ plasten wie die Matrix des Verbundstoffes bestehen, also an der Imprägnierung des Vertärkungsfaser-Gebildes selbst Anteil haben. Er kann aber auch aus anderen Materialien bestehen, die entweder in den Verbundwerk­ stoff integriert oder nach der Imprägnierung von der Oberfläche wieder abgezogen werden.

Folien aus anderen Materialien, die in den Verbundwerk­ stoff integriert werden, sind solche, die zur Ober­ flächenmodifizierung dienen. Dabei kann vom gleichen Thermoplasten ausgegangen werden, wobei dis Modifizie­ rungen beispielsweise durch ein verändertes Molekular­ gewicht, durch Hinzufügen von bestimmten Additiven, durch Verwendung von Copolymeren, Blockpolymeren, Pfropfpolymeren, Mischpolymeren oder Polymergemischen, geschehen können.

Dazu zählen aber auch alle Arten von Kaschierungen, beispielsweise mit Polymerfolien oder anorganischen Folien oder dünne Platten. Dazu gehören Metallfolien, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium.

Andererseits kann der Folienschlauch zum Trennen eines auf den metallischen Flächen der Presse haftenden thermoplastischen Verbundwerkstoffes verwendet werden.

Um das nach Abschluß der Imprägnierung nötige Trennen vom Verbundwerkstoff zu erleichtern, können die den Schlauch bildenden Folien auf der dem Produkt zugewand­ ten Seite zusätzlich mit geeigneten Trennmitteln in fe­ ster oder flüssiger Form behandelt werden.

Als Trennfolien kommen beispielsweise alle Folien in Frage, die sich nicht in dem flüssigen Matrix-Termopla­ sten des Verbundwerkstoffes lösen oder sich mit ihm ver­ mischen. Das Folienmaterial kann sich bei der höchsten Temperatur in der Doppelbandpresse im festen oder ge­ schmolzenem Zustand befinden. Im geschmolzenem Zustand ist beispielsweise eine Folie aus Polypropylen bei der Verarbeitung von Polyamid.

Als Trennfolien kommen insbesondere Folien aus Poly­ meren, insbesondere von hochschmelzenden oder un­ schmelzbaren Polymeren, wie Polyetherketon, Polyether­ etherketon, Polyimid, Polyamidimid, Liquid-Crystal- Polymere oder fluorhaltige Polymere, beispielsweise Polyfluorolefine, und deren verwandte Polymere in Betracht. Weiterhin sind insbesondere Folien oder dünne Platten aus anorganischen Materialien, wie Metallen, insbesondere aus Kupfer und Aluminium einsetzbar.

Die beiden, den einlaufenden Stapel aus Verstärkungs­ faser-Gebilden und Thermoplast oben und unten abdecken­ den, seitlich überstehenden Folienbahnen werden konti­ nuierlich zu einem dichten Schlauch verbunden. Diese Verbindung kann beispielsweise durch Verschweißen, Ver­ kleben, bevorzugt mit Schmelzkleber, durch Klemmen oder Umbördeln, beispielsweise bei Metallfolien, erfolgen.

Die Verbindung kann einseitig oder zweiseitig durchge­ führt werden. Bei einseitiger Verbindung wird eine Folie von einer höheren Breite als die doppelte Breite der Verstärkungsfaser-Textilien einseitig geknickt und an der anderen Seite verbunden. Auch kann direkt von Schlauchfolien oder Folienschläuchen ausgegangen werden.

Der Vakuumraum wird demnach an den Längsseiten durch die Verbindung von oberer und unterer Folie abgedichtet. Quer zur Einzugsrichtung dichtet einseitig die Presse, die die Folien unter Aufschmelzen des Matrix-Thermoplas­ ten zusammenquetscht.

Die andere Seite wird durch eine oder mehrere nach Art einer Labyrinthdichtung hintereinandergeschaltete mecha­ nische Vorrichtungen abgequetscht, deren Achsen quer zur Einzugsrichtung des Folienschlauches verlaufen.

Solche Vorrichtungen sind beispielsweise Walzen, Rollen oder Leisten, die mit einer Kraft angedrückt werden. Dieser Andruck kann einseitig gegen eine feste oder bewegliche Unterlage oder beidseitig von oben und unten erfolgen. Eine andere Möglichkeit zum Abquetschen be­ steht in Umlenkungen des Folienschlauches unter Zug­ kraft. Alle Vorrichtungen sind so ausgebildet, daß die empfindlichen Verstärkungsfaser-Gebilde möglichst schonend behandelt werden.

Aus dem durch diese Maßnahmen abgedichteten Folien­ schlauch wird die Luft durch Anschluß an ein Vakuumsy­ stem abgesaugt. Diese Absaugung geschieht bevorzugt durch starre oder flexible Rohre, Schläuche oder Kanäle, die über die Dichtseite eingeführt werden, die der Presse abgewandt ist.

Die Durchführung durch die quer zur Abzugsrichtung ver­ laufenden Dichtvorrichtungen geschieht bevorzugt an den Rändern, wo die Folie seitlich über den Stapel aus Textilien und Thermoplast übersteht. In diesem Bereich kann die unter dem Dichtungsdruck stehende Gleitstelle zwischen Vakuum-Rohr und Foliensack geschmiert werden. Eine andere bevorzugte Ausführungsform ist ein breiter flacher Kanal der zwischen den Verstärkungsfaser-Gebil­ den durchgeführt wird.

Das Ende der Vakuumleitung wird bevorzugt bis nahe an den Einzug der Presss herangeführt, um die Vakuumdich­ tungen durch den Druckverlust zwischen dem Ende der Vakuum-Rohre und der ersten Dichtvorrichtung zu ent­ lasten.

Auf diese Weise wird beim Einzug in die Presse ein Abso­ lutdruck von höchstens 500 mbar, bevorzugt höchstens 300 mbar aufrechterhalten, wodurch die Luftmenge im Verstärkungsfaser-Gebilde um mindestes die Hälfte, bzw. zwei Drittel reduziert wird. Da sich der Foliensack durch das Vakuum eng anlegt, ist die Verringerung der Luftmenge noch größer.

Andere mögliche Verfahren zum Absaugen der Luft arbeiten mit rohrförmigen Gebilden, die beim Verbinden von oberer und unterer Deckfolie zu dem erwähnten Foliensack bei­ spielsweise durch Schweißen oder Kleben eingefügt wer­ den. Auch kann der Foliensack mit spitzen rohrförmigen Gebilden angestochen werden.

Zur Ankopplung dieser rohrförmigen Gebilde an das Vakuum-System sind verschiedene Vorrichtungen denkbar. Beispielsweise kann ein mitlaufendes System Anwendung finden, das an die bewegten Vakuumdurchführungen des Foliensackes ankoppelt. Die Vakuumleitung kann dann vor dem Eintritt in die Presse durch gezieltes Verschweißen oder Verkleben von oberer und unterer Folie des Folien­ sackes abgequetscht werden. Geeignete Schweiß-Vorrich­ tungen können an der Presse selbst angebracht sein.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von flächigen Verbund­ werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stapel aus Verstärkungsfaser-Gebilden und Thermoplast kontinuierlich in einem evakuierten Folienschlauch einer Presse zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der evakuierte Folienschlauch dadurch gebildet wird, daß der einlaufende Stapel aus Verstärkungs­ faser-Gebilden und Thermoplast oben und unten mit jeweils einer seitlich überstehenden Folienbahn abgedeckt wird, diese beiden Folienbahnen an den überstehenden Seitenstreifen kontinuierlich mitein­ ander zu einem dichten Schlauch verbunden werden und dieser Folienschlauch ein Dichtsystem quer zur Einzugsrichtung durchläuft und im Bereich zwischen diesem Dichtsystem und der Presse auf geeignete Weise mit Unterdruck beaufschlagt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Folienschlauch aus demselben Thermoplasten wie die Matrix des Verbundwerkstoffes besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien, die den Foliensack bilden, aus einer modifizierten Spezies des Matrix-Thermoplas­ ten bestehen, wobei die Modifizierungen beispiels­ weise durch ein verändertes Molekulargewicht, durch Hinzufügen von Additiven, durch Verwendung von Copolymeren, Blockpolymeren, Pfropfpolymeren, Mischpolymeren oder Polymergemischen, geschehen sein können.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Foliensack bildenden Folien zur Ka­ schierung des erzeugten Verbundwerkstoffes, bei­ spielsweise mit Polymerfolien oder anorganischen Folien oder dünnen Platten, beispielsweise aus Metall, wie Kupfer oder Aluminium, dienen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Folienschlauch zum Trennen eines auf den metallischen Flächen der Presse haftenden thermo­ plastischen Verbundwerkstoffes verwendet wird, wobei die den Schlauch bildenden Folien auf der dem Produkt zugewandten Seite zusätzlich mit geeigneten Trennmitteln in fester oder flüssiger Form behan­ delt werden können.