DE4137406A1 - Hybridgarn aus polyamidfasern und verstaerkungsfasern - Google Patents
Hybridgarn aus polyamidfasern und verstaerkungsfasernInfo
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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.
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′.
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.
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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1992
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