DE4137406A1 - Hybridgarn aus polyamidfasern und verstaerkungsfasern - Google Patents

Hybridgarn aus polyamidfasern und verstaerkungsfasern

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Description

Die Erfindung betrifft Hybridgarn aus Polyamidfasern und Verstärkungsfasern. Hybridgarne, in denen Thermoplastfasern und Verstärkungsfasern innig vermischt sind, werden in den letzten Jahren in zunehmendem Maße zur Herstellung von Hoch­ leistungsverbundwerkstoffen verwendet. Die Hybridgarne sowie daraus hergestellte Flächengebilde sind sehr flexibel und deshalb beliebig verformbar. Wenn man sie durch Verpressen bei Temperaturen oberhalb des Erweichungspunktes des Thermo­ plasten konsolidiert, schmilzt dieser und bildet eine Ma­ trix, in der die Verstärkungsfasern in Vorzugsrichtung orientiert eingelagert sind.
In der EP-B 1 56 599 ist ein Verfahren zur Herstellung von Hybridgarn aus Kohlenstoffasern und Thermoplastfasern be­ schrieben, bei dem die beiden Faserarten gespreizt, durch Zusammenführen über Rollen oder Stäben miteinander vermischt und das Mischgarn anschließend gegebenenfalls durch ein wei­ teres Thermoplastgarn umwickelt wird. Ein solches Umwickeln bewirkt einen guten Fadenschluß, so daß das Garn auch ohne zusätzliches Aufbringen einer Schlichte problemlos gewoben werden kann. Hybridgarn auf Basis der in den Beispielen von EP-B 1 56 599 genannten Thermoplasten ist nicht zur Herstel­ lung von kostengünstigen und leicht verarbeitbaren Hochlei­ stungsverbundwerkstoffen geeignet. Dies ist jedoch grund­ sätzlich mit Polyamiden möglich, die in der Beschreibung der EP-B 1 56 599 neben vielen anderen ebenfalls genannt sind. Versucht man, aus den üblichen hoch- und mittelviskosen Po­ lyamidfasern Hybridgarne herzustellen, so zeigt sich, daß die für die Konsolidierung zum Verbundwerkstoff benötigte Zeit verhältnismäßig lang ist, und daß einige mechanische Eigenschaften der Verbundwerkstoffe, insbesondere die Quer­ zugfestigkeit, ein zu niedriges Niveau haben.
Der Erfindung lag also die Aufgabe zugrunde, ein Hybridgarn bereitzustellen, welches diese Nachteile nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man bei der Herstellung von Hybridgarn aus Polyamidfasern und Verstärkungsfasern ein extrem niedrigviskoses Polyamid ein­ setzt.
Gegenstand der Erfindung ist demzufolge ein Hybridgarn aus Polyamidfasern A und Verstärkungsfasern B, in dem die Ein­ zelfilamente der beiden Faserarten vermischt sind, und wel­ ches von einem Polyamidgarn A′ umwickelt ist, wobei das Po­ lyamid A eine Schmelzviskosität von weniger als 220 Pa·s aufweist (gemessen nach DIN 54 811 bei einer Schergeschwin­ digkeit von 100 s-1 und bei einer Temperatur, die 30°C über dem Schmelzpunkt bzw. der Glastemperatur des Polyamids liegt).
In der GB-A 21 05 247 sind Faserverbundwerkstoffe beschrie­ ben, die hergestellt werden durch Umwickeln eines Faserkerns aus Verstärkungsfasern mit einem thermoplastischen Umwinde­ garn. Im Beispiel 2 besteht der Kern aus einem Kohlenstoffa­ sergarn und zwei Enden eines Nylon-Multifilamentgarns, als Umwindegarn wird ebenfalls ein Nylon-Multifilamentgarn ein­ gesetzt. Im Faserkern liegen die drei Multifilamentgarne ne­ beneinander angeordnet vor; eine Vermischung der Einzelfila­ mente hat nicht stattgefunden, der Faserverbundwerkstoff weist deshalb ein niedriges mechanisches Eigenschaftsniveau auf.
Bevorzugte Verstärkungsfasern B sind Kohlenstoffasern und Glasfasern. Daneben sind auch Fasern aus keramischen Mate­ rialien, Siliciumcarbid und Bornitrid geeignet, sowie solche aus Polymeren mit einem Erweichungspunkt, der mehr als 70°C über dem Erweichungspunkt des Polyamids A liegt, zum Bei­ spiel aus Polyetherketon oder vollaromatischen Polyamiden.
Für die Polyamidfasern A können die üblichen aliphatischen oder teilaromatischen Homo- und Copolyamide eingesetzt wer­ den, bevorzugt Polyamid-6 und Polyamid-6.6. Daneben sind auch Polyamid-6,6 T, Polyamid-6,10, Polyamid-10, und ein Polyamid aus Adipinsäure und 1,3-Xylylendiamin sowie Co­ polyamide auf Basis der entsprechenden Monomeren geeignet.
Die Polyamide A weisen erfindungsgemäß eine Schmelzeviskosi­ tät von weniger als 220, vorzugsweise von weniger als 180 Pa·s auf, gemessen nach DIN 54 811 bei einer Scherge­ schwindigkeit von 100 s-1 und bei einer Temperatur, die 30°C über dem Schmelzpunkt (bei teilkristallinen Polyamiden) bzw. über der Glastemperatur (bei amorphen Polyamiden) des Poly­ meren liegt.
Die Hybridgarne werden vorzugsweise nach EP-B 1 56 599 herge­ stellt, indem man die beiden Faserarten getrennt voneinander durch Anblasen mit Luft spreizt und dann durch Zusammenfüh­ ren über Rollen oder Stäbe vermischt. Das Spreizen kann grundsätzlich auch durch einen Flüssigkeitsstrahl, durch elektrostatische Aufladung oder durch Separieren der Einzel­ filamente durch Kämme erfolgen. Bei den bisher genannten Ar­ beitsweisen erhält man eine innige Vermischung der Einzelfi­ lamente, so daß im Mischgarn Thermoplast- und Verstärkungs­ fasern gleichmäßig statistisch verteilt sind. Eine solche innige Vermischung ist aber nicht für alle Anwendungszwecke notwendig; man kann auch auf das Spreizen der Ausgangsfasern verzichten und diese nach einfachen Methoden vermischen, z. B. indem man sie zusammen über Rollen oder Stäbe zieht oder gemeinsam in einem Luftstrom verwirbelt.
Wesentlich ist, daß das Hybridgarn nach dem Vermischen der Polyamid- und Verstärkungsfasern umwickelt wird. Dafür wird ein Polyamidgarn A′ verwendet, wobei vorzugsweise das glei­ che Polyamid wie bei der Polyamidfaser A eingesetzt wird. Es kann aber auch ein andersartiges Polyamid verwendet werden; grundsätzlich auch ein Polyamid, dessen Schmelzviskosität über 220 Pa·s liegt. Das Umwindegarn soll vorzugsweise einen Titer von 40 bis 100 aufweisen.
Die Mengenverhältnisse sollen vorzugsweise so gewählt wer­ den, daß im fertigen Hybridgarn 26 bis 80 Gew.-% Polyamid­ fasern A, 20 bis 75 Gew.-% Verstärkungsfasern B und 0,2 bis 3 Gew.-% Umwindegarn A′ enthält.
Das erfindungsgemäße Hybridgarn kann ohne zusätzliches Auf­ bringen einer Schlichte zu Geweben, Gewirken oder Geflechten verarbeitet werden. Mehrere Garne können parallel zu Gelegen oder Bändern abgelegt werden, wobei mehrere solcher Gelege parallel oder in vorbestimmten Winkeln zueinander gestapelt werden können. Ferner kann man die Garne über Kerne zu Roh­ ren wickeln. Diese Halbzeuge können dann durch Verpressen bei Temperaturen oberhalb des Erweichungspunktes des Poly­ amids zu Verbundwerkstoffen konsolidiert und gegebenenfalls verformt werden. Dabei ist es zweckmäßig, vorher auf das Halbzeug eine Schlichte aufzubringen, wodurch die Konsoli­ dierungszeit verkürzt werden kann. Diese ist vorzugsweise eine wäßrige Dispersion eines Thermoplasten, der mit dem Po­ lyamid A verträglich ist.
Aus den Verbundwerkstoffen auf Basis des erfindungsgemäßen Hybridgarn können hochbelastbare Gebrauchsartikel herge­ stellt werden, die z. B. Tennisschlägerrahmen, Baseball- und Hockeyschläger, Rahmen für Badminton- und Squash-Schläger, sowie Farradrahmen.
Die in den Beispielen genannten Teile und Prozente beziehen sich auf das Gewicht.
Beispiele Allgemeine Versuchsdurchführung
Ultramid®B, ein Polyamid 6 der BASF AG, mit unterschiedli­ cher Schmelzeviskosität, wurde durch ein einstufiges Spinn­ streckverfahren zu einem Multifilamentgarn aus 184 Filamen­ ten mit insgesamt 217 tex versponnen. Zwei dieser Garne wur­ den zusammen mit einem Celion® G30-500 Kohlenstoffasergarn der Firma Celion Carbon Fibers, bestehend aus 12 000 einzel­ nen Kohlenstoffilamenten, wie in EP 1 56 599 beschrieben, miteinander innig vermischt, indem die einzelnen Multifila­ mentgarne durch Anblasen mit Luft gespreizt und dann gemein­ sam über und unter zwei Stäben zusammengeführt wurden. An­ schließend werden sie mit einem 6 tex starken Hilfsgarn (be­ stehend aus 12 Einzelfilamenten) aus Ultramid®B (Schmelze­ viskosität 260 Pa·s) umwunden. Die Umwindungsgrate des Hilfsgarns betrug 150 Umdrehungen/m des entstehenden Hybrid­ garnes. Das Produkt wies eine gleichmäßige Verteilung von Thermoplast- und Kohlenstoffasern auf, es enthielt
64,1% Kohlenstoffasern
38,8% Polyamidfasern A
1,1% Umwindegarn A′.
Einige Proben des Hybridgarns wurden dann durch eine wäßrige Schlichtedispersion geführt, die aus einer alkoholischen Lösung eines Terpolyamids (ELVAMID 8063 von DuPont) herge­ stellt wurden. Dabei wurden 0,6% Schlichte aufgetragen. In der folgenden Tabelle sind diese Versuche mit (S) gekenn­ zeichnet.
Anschließend wurde auf dem so hergestellten hybridisierten und umwundenen Garn ein konsolidierter Probekörper herge­ stellt. Um eine möglichst unidirektionale Ausrichtung der Verstärkungsfasern zu erhalten, wurde das hybridisierte Garn auf eine Metall-Haspel gewickelt, die innen eine freie Flä­ che von 220 mm×270 mm hatte. Es wurden insgesamt sechs La­ gen (drei auf jeder Seite) gewickelt und danach wurde die Haspel zwischen zwei dafür konstruierten Stahlwerkzeugen ge­ legt, die Druck und Wärme auf das gewickelte Hybridgarn übertragen sollten. Die Konsolidierung des Hybridgarns er­ folgte in einer heißen Presse.
Zuerst wurde das Werkzeug in der auf die Temperatur T vorge­ heizten Presse gelegt und bei einem Druck von 5,5 bar 15 Minuten lang belassen, damit das hybridisierte Garn auf T erhitzt wurde. Danach wurde der Druck auf 14 bar innerhalb einer Minute erhöht und dieser Druck für Z Minuten gehalten. Anschließend wurde das Werkzeug 10 Minuten lang in derselben Presse abgekühlt, indem Kühlkassetten zwischen dem Hybrid­ garnwerkzeug und den Preßbacken eingeschoben wurden. Eine 2 mm starke, konsolidierte Platte mit einer glatten poren­ freien Oberfläche wurde beim Öffnen des Werkzeugs vorgefun­ den.
Um die Anbindung der Polyamidmatrix an die Kohlenstoffasern zu prüfen, wurde das Material einer 90°-Zugprüfung nach SAC- MA 4-88 unterzogen. Hierfür wurde die 2 mm starke Platte zu 25 mm×210 mm großen Probekörpern mit einer Diamantsäge zerschnitten, wobei auf die genaue parallele Ausrichtung der Verstärkungsfasern zur 25 mm langen Seite der Probekörpern geachtet wurde. Die Zugfestigkeit ist in der Tabelle wieder­ gegeben.
Tabelle
Die Beispiele 1 und 2 sind nicht erfindungsgemäß.

Claims (10)

1. Hybridgarn aus Polyamidfasern A und Verstärkungsfa­ sern B, in dem die Einzelfilamente der beiden Faserarten vermischt sind, und welches von einem Polyamidgarn A′ umwickelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Poly­ amid A eine Schmelzviskosität von weniger als 220 Pa·s aufweist (gemessen nach DIN 54 811 bei einer Scherge­ schwindigkeit von 100 s-1 und bei einer Temperatur, die bei 30°C über dem Schmelzpunkt bzw. der Glastemperatur des Polyamids liegt).
2. Hybridgarn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Polyamid A ein Polyamid-6 mit einer Schmelzeviskosi­ tät von weniger als 180 Pa·s ist.
3. Hybridgarn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyamid A ein Polyamid-6,6 mit einer Schmelzevisko­ sität von weniger als 180 Pa·s ist.
4. Hybridgarn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Polyamid A und Polyamid A′ identische Polymere sind.
5. Hybridgarn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern B Kohlenstoffasern sind.
6. Hybridgarn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern B Glasfasern sind.
7. Gelege, Wickelkörper, Gewebe, Gewirke oder Geflecht, hergestellt aus dem Hybridgarn nach Anspruch 1.
8. Gelege, Wickelkörper, Gewebe, Gewirke oder Geflecht nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine nach ihrer Her­ stellung aus dem Hybridgarn aufgebrachte Schlichte.
9. Verbundwerkstoff, hergestellt aus einem Gelege, Wickel­ körper, Gewebe, Gewirke oder Geflecht nach Anspruch 7 durch Konsolidieren.
10. Verbundwerkstoff nach Anspruch 9 in Form eines Sport­ artikels, insbesondere eines Tennisschlägerrahmens.
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