DE4119173A1 - Verbund- und hybridwerkstoff - Google Patents
Verbund- und hybridwerkstoffInfo
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- D—TEXTILES; PAPER
- D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
- D04B—KNITTING
- D04B1/00—Weft knitting processes for the production of fabrics or articles not dependent on the use of particular machines; Fabrics or articles defined by such processes
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D03—WEAVING
- D03D—WOVEN FABRICS; METHODS OF WEAVING; LOOMS
- D03D11/00—Double or multi-ply fabrics not otherwise provided for
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Textile Engineering (AREA)
- Woven Fabrics (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft einen Verbund- und Hybridwerkstoff mit einer
Polymermatrix und einer Verstärkungskomponente in Form eines textilen
Flächengebildes.
Derartige Kunststoff-Verbund- und Hybridwerkstoffe besitzen wegen ihrer
guten mechanischen Eigenschaften und ihrem geringen Gewicht ein weites
Anwendungsgebiet, wobei durch Variieren der Polymermatrix, der Verstär
kungskomponenten und ihrer gegenseitigen Anordnung ein gewünschtes Ei
genschaftsprofil erzeugbar ist. Die als Bindemittel wirkende Polymerma
trix ist dabei im allgemeinen ein ausgehärtetes Harz aus einem thermo
plastischen oder duromeren Kunststoff, während die Verstärkungskompo
nenten von natürlichen oder synthetischen, organischen oder anorgani
schen Fasern gebildet werden. Da im Verbund die Verstärkungsmaterialien
die mechanischen Eigenschaften, wie z. B. Festigkeit und Steifigkeit,
maßgeblich bestimmen, hat die Art des Verstärkungsmaterials und seine
Anordnung im Verbundwerkstoff einen entscheidenden Einfluß. Als Verstär
kungskomponenten werden folglich Fasern mit hohen Elastizitätsmodulen
und hoher Reißfestigkeit verwendet. Hochleistungsfasern dieser Art sind
beispielsweise Glasfasern und insbesondere Kohlenstoff- und Aramidfa
sern, die in der Hauptbeanspruchungsrichtung angeordnet sind. Das Ein
betten dieser Fasern in Form von Flachgeweben in die Polymermatrix hat
den Vorteil, daß auch unter Langzeitzug der Kunststoff nicht viskosela
stisch zu kriechen beginnt, solange die Beanspruchung in Geweberichtung
erfolgt.
Die hochfesten Fasern sind jedoch nicht problemlos verwendbar, da sie
meist nur eine geringe Bruchdehnung besitzen. Gerade die Fasern mit der
höchsten Reißfestigkeit, die Hochmodul-Kohlefasern, haben die niedrigste
Bruchdehnung. Eine gewisse Biegbarkeit eines Konstruktionswerkstoffes
ist jedoch erforderlich, damit örtliche Spannungskonzentrationen nicht
zu örtlichen Brüchen, sondern zu Spannungsumlagerungen führen. Häufig
stellt man schon bei geringen Belastungen eine Rißbildung fest, und zwar
infolge der geringen Dehnung der Faserverstärkung. Desweiteren treten am
Bauteil häufig Stoßbelastungen auf, so daß von den Fasern auch eine ge
wisse Schlagzähigkeit erwartet wird, die im allgemeinen korreliert mit
der jeweiligen Bruchdehnung.
Neben den aus zwei Bestandteilen aufgebauten Verbundwerkstoffen sind
daher auch sogenannte Hybridwerkstoffe bekannt, die zwei oder mehrere
verschiedene Faserarten kombinieren, um dadurch bestimmte Eigenschaften
zu erzielen, wie z. B. verbesserte Schlagzähigkeit, indem gleichzeitig
Glas- oder Aramidfasern und Kohlenstoffasern in eine Epoxidharzmatrix
eingebaut werden. Die Tatsache, daß die Fähigkeit der Kohlenstoffasern,
die spezifische Festigkeit eines Werkstoffs wesentlich zu steigern,
nicht völlig ausgeschöpft werden kann, hat schließlich zur Übernahme von
Stahl in einen hybriden Stoffverbund geführt, was allerdings der typi
schen Forderung des modernen Leichtbaus, Gewichtsminderung unter Beibe
haltung oder gar Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, entgegen
läuft.
Schließlich entstehen durch den heterogenen Aufbau des Verbundes und der
orthotropen Eigenschaften der Fasern, d. h. ungleiche Eigenschaften in
Faserrichtung und quer dazu, innere Spannungen, die aus Quellungen und
Wärmedehnungen resultieren. Um aus Fasern und Kunststoffen ein leichtes
und mechanisch stabiles Bauteil herstellen zu können, sollten die Poly
mermatrix und Verstärkungskomponente allerdings für die meisten Kraft
einleitungsfälle einen Verbundstoff bilden und nicht durch Knistern ein
gegenseitiges Loslösen anzeigen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Verbund- und Hybridwerkstoff
zu schaffen, der die durch Temperatur und Medieneinfluß aus den äußeren
Kräften, Momenten und den inneren Verformungen hervorgerufenen Werk
stoffbelastungen reduziert.
Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ge
löst.
Hierdurch wird ein Verbund- und Hybridwerkstoff geschaffen, der unter
äußeren Lasten wie Biegung, Querkraft und Torsion zu einer verminderten
Rißbildung neigt, da die Polfäden für eine Spannungsableitung von der
Oberware zur Unterware oder umgekehrt sorgen und die beiden textilen
Lagen sicher miteinander verankern. Ober- und Unterware der Mehrlagenware
sind somit zueinander lagefixiert, woraus eine leistungsfähige Einlage re
sultiert. Bei Druckbelastungen oder Stauchungen des Werkstoffs oder Lami
nats quer zur Ebene des Ober- oder Unterware üben die Polfäden zudem
eine Stützwirkung aus, die ein Ausknicken der Einlage und die damit
verbundene Delamination entfallen läßt. Zudem wird die Schlagzähigkeit
durch Erhöhen der Sprungkraft verbessert. Eine mit der erfindungsgemäßen
Mehrlagenware erzeugte Verstärkung erhöht somit nicht nur die
Festigkeit, die Steifigkeit und die Dimensionsstabilität eines polymeren
Grundstoffs, sondern auch seine Verformbarkeit.
Für die Fadensysteme der Oberware und Unterware sowie
die Polfäden können die als Verstärkungsstoffe bekannten Fasern verwen
det werden, wie natürliche, organische Fasern, z. B. Jute, Sisal; synthe
tische, organische Fasern, z. B. Polyester, Polyacrylnitril, Polyamid,
Aramid (Kevlar 49); synthetische, anorganische Fasern, z. B. Glas, Bor,
Stahl; Kohlefasern. Je nach Größe und Richtung der Werkstoffbelastung
kann die Ober- und Unterware aus gleichen oder verschiedenen Fasern
hergestellt sein. Also können beispielsweise die Kettfäden aus Aramid
fasern bestehen, während für die Schußfäden Kohlefasern eingesetzt wer
den. Die Polfäden können demgegenüber aus den gleichen Fasern wie die
Kettfäden und/oder Schußfäden hergestellt sein oder auch aus einer für
die Kett- und Schußfäden nicht vorgesehenen Faser bestehen, z. B. aus
Glasfasern.
Die als Verstärkungsstoff eingesetzten Fasern können entweder als Sta
pelfasern zu Garnen versponnen sein oder als Mono- und/oder Multifila
mente ausgebildet sein. Die hochfesten Garne wie Aramid, Glas und Koh
lenstoff sind im allgemeinen Multifilamentgarne und werden hier vor
zugsweise für die Kett-, Schuß- und Polfäden verwendet. Für die Polfäden
kann jedoch auch vorteilhaft sein, Monofilamentgarne einzusetzen.
Die Länge der Polfäden liegt zwischen 0,1 und 1 mm. Die Dichte der
Polfäden kann variieren zwischen sehr dicht und weniger dicht
und liegt vorzugsweise zwischen 3 Millionen Polfäden/m2 und 0,1 Millio
nen Polfäden/m2.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Mehrlagenware um einen
unaufgeschnittenen Velours, bei dem die Polketten von der Oberware zur
Unterware oder umgekehrt wechseln und dabei zwei textile Flächengebilde
aufeinanderliegend verbinden, so daß diese reibschlüssig in Eingriff
stehen.
Die Aufteilung der Last zwischen Lage und Matrix hängt auch vom Volu
mengehalt der Komponenten ab. Hinsichtlich dieses Volumengehalts hat
sich ein Gewichtsverhältnis von Lage zu Kunststoff von 50 : 50 als
vorteilhaft herausgestellt. Der Volumengehalt an Lagen kann geändert
und angepaßt werden durch einerseits Wahl der Dichte der Polfäden und
andererseits Einbau mehrerer Mehrlagen in das Laminat. Neben der Mehr
lagenware sind auch textile Einfachlagen in die Matrix einbettbar. Diese
Einfachlagen sind vorzugsweise ein- oder zweiseitig mit Noppen ausgebil
det.
Als Matrix-Kunststoffe sind unter anderem verwendbar bei den Thermopla
sten Polyamide, Polypropylen, Polybutylen- und Polyethylenterephthalat,
Polyacetal, ABS und Polycarbonat, bei den Elastomeren Kautschuk und Po
lyurethane, bei den duromeren Reaktionsharzen die ungesättigten Polye
ster (UP-Harze), Epoxide und Vinylester.
Eine wesentliche Voraussetzung für ein leistungsfähiges Eigenschaftsni
veau ist eine feste Haftung zwischen dem Verstärkungsmaterial und der
Kunststoffmatrix. Durch die Kombination von Mehrlagenwaren und Einfach
lagenwaren mit Noppen zu einer Verstärkungskomponente kann die Anbindung
im Verbund verbessert und damit die Gefahr des Delaminierens reduziert
werden.
Schließlich kann der Werkstoff mit einer wasserabweisenden Beschichtung
ausgestattet sein, die insbesondere bei Einsatz dieser Verbund- und Hy
bridwerkstoffe im Schiffsbau von Bedeutung ist. Diese Beschichtung kann
aus Silikonkautschuk oder Polyurethan bestehen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und der
nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt eines ersten Aus
führungsbeispiels eines Laminats aus einem Verbund- und
Hybridwerkstoff,
Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt eines zweiten Aus
führungsbeispiels des Laminats,
Fig. 3 zeigt schematisch einen Querschnitt eines dritten Aus
führungsbeispiels des Laminats,
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Laminats 1 eines Ver
bund- und Hybridwerkstoffs mit einer Polymermatrix 2 und einem textilen
Flächengebilde 3, das in die aushärtbare Polymermatrix 2 eingebettet ist.
Das textile Flächengebilde 3 wird von einer Mehrlagenware gebildet, die
eine Oberware 4 und eine Unterware 5 umfaßt. Mittels Polfäden 6 sind die
Oberware 4 und Unterware 5 aneinandergezogen und liegen ohne Abstand über
einander, wodurch eine Verstärkungseinheit aus zwei aneinandergehefteten
textilen Lagen entsteht. Ober- und Unterware 4 und 5 können gewebt, ge
strickt, gewirkt, getuftet oder als Raschelware ausgebildet sein, und die
Polfäden 6 können durch Web- oder Maschentechnik in die Ober- und Unterwa
re 4 und 5 eingebunden sein.
Das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel umfaßt als textiles
Flächengebilde 3 ein Mehrlagengewebe. Dieses Mehrlagengewebe besteht aus
einem Obergewebe 4 und einem Untergewebe 5, die durch in Kettrichtung ein
gewebte Polfäden 6 miteinander verbunden sind. Ober- und Untergewebe 4 und
5 besitzen in bekannter Weise verkreuzte Kettfäden 7 und Schußfäden 8. Ne
ben Leinwandbindung kann die Bindung des Grundgewebes auch Rips, gemisch
ter Rips, Panama oder auch Köper bzw. Atlas sein. Vorzugsweise sind Ober
und Untergewebe 4 und 5 mit einer lockeren Einstellung gewebt.
Die Art der Einbindung der Polfäden 6 erfolgt vorzugsweise über V-Noppen.
Die Länge der Polfäden 6 liegt zwischen 0,1 und 1 mm, wodurch ein ab
standsloses Aufeinanderliegen der Ober- und Unterware 4 und 5 erreicht
wird. Durch das Polfadensystem wird somit ein Mehrlagengewebe erzeugt,
dessen Gewebelagen zu einer Einheit verankert sind, wobei in dieser Ein
heit die beiden Lagen 4 und 5 eine Scherelastizität zueinander besitzen.
Die Dichte der Polfäden 6 beträgt 1,5 Millionen Polfäden/m2 und liegt vor
zugsweise zwischen 3 Millionen Polfäden/m2 und 0,1 Millionen Polfäden/m2.
Die zu dem Gewebe verwebten Garne bestehen aus hochfesten Fasern mit
einer hohen Reißfestigkeit und einem hohen Elastizitätsmodul. Verwendbar
sind natürliche, organische Fasern wie Jute, Sisal; synthetische, orga
nische Fasern wie Polyester, Polyacrylnitril, Polyamid, Aramid; synthe
tische, anorganische Fasern wie Glas-E, Glas-R, Glas-S, Glas-Quarz, Be
rylliumoxid, Bornitrid, Zirkonoxid, Zirkonsilikat, Siliciumsilikat, Bor
mit Wolfram-Seele, Bor+SiC mit W-Seele, Magnesium, Aluminium, Stahl,
Molybdän, Tantal, Wolfram; Kohlefasern wie Hochfeste Fasern (HT), Hoch
modulFaser (HM); sowie andere hochfeste Fasern. Derartige hochfeste Fa
sern sind im allgemeinen zu Multifilamentgarnen verarbeitet. Die demge
genüber dicken Monofilamentgarne sind ebenfalls geeignet,
werden allerdings vorzugsweise nur für die Pol
fäden verwendet. Darüber hinaus sind auch die aus Stapelfasern gespon
nenen Garne aus hochfestem Material einsetzbar.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Kettfä
den, die Schußfäden und die Polfäden aus der gleichen hochfesten
Faser, wie z. B. Aramid. Existiert eine starke Beanspruchung des Laminats
in nur einer Richtung, z. B. der Kettrichtung oder Schußrichtung, so
können nur die Kettfäden oder die Schußfäden aus einer noch festeren
Faser, wie z. B. der Kohlefaser, bestehen. Aus Kostengründen werden häu
fig auch Glasfasern eingelagert, die sich mit Aramid- und/oder Kohlefa
sern sowie anderen hochfesten Fasern in dem Mehrlagengewebe gemäß Fig. 1
kombinieren lassen. Schließlich kann für die Polfäden noch eine ge
genüber den Fasern für Kettfäden und Schußfäden andere hochfeste Fa
ser verwendet werden, so daß drei verschiedene Faserarten das Doppelge
webe aufbauen können.
Kunststoffe für die Polymermatrix sind Thermoplaste wie Polyamide, Poly
propylen, Polybutylen- und Polyethylenterephthalat, Polyacetal, Acryl-
Butadien-Styrol-Copolymerisate (ABS) und Polycarbonat; Elastomere wie
Kautschuk und Polyurethan; sowie duromere Reaktionsharze wie die unge
sättigten Polyester (UP-Harze), Epoxide und Vinylester. Dazu kommt die
große Anzahl der härtbaren Formmassen auf Basis Pheno- und Aminoplast
Vorteile bei der Formherstellung gegenüber zur Zeit eingesetzten Epoxiden
bieten die Thermoplaste, da flächige gewebeverstärkte Thermoplasthalbzeu
ge sich nach dem Erhitzen auf eine Temperatur, bei der das Matrixpolymer
genügend fließfähig ist, in einem Preßwerkzeug umformen lassen. Thermopla
sthalbzeuge sind somit beliebig lagerbar.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Laminats 1, bei dem meh
rere Mehrlagengewebe 3 in die Polymermatrix 2 eingebettet sind. Die Anzahl
der übereinanderliegenden Mehrlagen kann zwischen 2 und 15 liegen.
Neben der Kombination mehrerer Mehrlagengewebe 3 zu einer Verstärkungskom
ponente kann auch ein Verbund textiler Flächengebilde eingesetzt werden,
bei dem Mehrlagenwaren mit Einlagenwaren in der Schichtenfolge kombiniert
werden. Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Laminats 1,
bei dem die Mehrlagengewebe 3 mit einem Einlagengewebe 9 kombiert sind.
Dieses Einlagengewebe 9 ist vorzugsweise ein- oder zweiseitig mit Noppen
10 ausgebildet.
Claims (9)
1. Verbund- und Hybridwerkstoff, bestehend aus einer Polymermatrix und ei
ner Verstärkungskomponente in Form eines textilen Flächengebildes, dadurch
gekennzeichnet, daß als textiles Flächengebilde (3) eine Mehrlagenware
vorgesehen ist mit einer Oberware (4) und einer Unterware (5), die durch
Web- oder Maschentechnik eingelegte Polfäden (6) mit einer Scherelastizi
tät zueinander aufeinanderliegend verankert sind.
2. Verbund- und Hybridwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ober- und Unterware (4, 5) gewebt, gestrickt, gewirkt, getuftet
oder gestochen sind.
3. Verbund- und Hybridwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Länge der Polfäden (6) zwischen 0,1 und 1 mm liegt.
4. Verbund- und Hybridwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dichte der Polfäden (6) zwischen 0,1 Millionen
Polfäden/m2 und 3 Millionen Polfäden/m2 liegt.
5. Verbund- und Hybridwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fadensysteme der Ober- und Unterware (4, 5) sowie
die Polfäden (6) aus hochfesten Fasern, wie Glas, Kohlenstoff, Aramid oder
hochfestem Polyethylen, bestehen.
6. Verbund- und Hybridwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß als Polymermatrix (2) Thermoplaste, Elastomere, Duro
mere oder ungesättigte Polyester vorgesehen sind.
7. Verbund- und Hybridwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere Mehrlagenwaren (3) in der Polymermatrix (2)
eingebettet sind.
8. Verbund- und Hybridwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mehrlagenwaren (3) zusammen mit textilen Einfach
lagen (9) den Schichtenverbund einer Verstärkungskomponente bilden.
9. Verbund- und Hybridwerkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einfachwaren von einer Grundware mit ein- oder zweiseitigen Noppen
(10) gebildet wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914119173 DE4119173A1 (de) | 1990-06-22 | 1991-06-11 | Verbund- und hybridwerkstoff |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE9006957U DE9006957U1 (de) | 1990-06-22 | 1990-06-22 | Verbund- und Hybridwerkstoffbahn |
DE19914119173 DE4119173A1 (de) | 1990-06-22 | 1991-06-11 | Verbund- und hybridwerkstoff |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4119173A1 true DE4119173A1 (de) | 1992-01-02 |
Family
ID=25904419
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19914119173 Withdrawn DE4119173A1 (de) | 1990-06-22 | 1991-06-11 | Verbund- und hybridwerkstoff |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4119173A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1997021860A1 (de) * | 1995-12-12 | 1997-06-19 | Technische Universität Dresden | Mehrlagengestrick und verfahren zu seiner herstellung |
EP1388310A1 (de) * | 2001-05-16 | 2004-02-11 | Delta Tooling Co., Ltd. | Kissenstruktur |
US8245855B2 (en) | 2004-09-27 | 2012-08-21 | Silvertex Ag | Thread system for installing in drinking water systems and other liquid-guiding systems |
DE202013011126U1 (de) * | 2013-12-10 | 2014-12-12 | Nextrusion Gmbh | Profiliertes, beschichtetes Armierungsgewebe |
-
1991
- 1991-06-11 DE DE19914119173 patent/DE4119173A1/de not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Legal Events
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