DE4407478A1 - Verfahren zum Fügen von Faserverbundkunststoffen - Google Patents
Verfahren zum Fügen von FaserverbundkunststoffenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Faserverbundkunststoffen gemäß dem
Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Polymere Oberflächen aufweisende Faserverbundkunststoffe weisen neben einer ausgezeich
neten mechanischen Belastbarkeit bei hohen Temperaturen eine oft hervorragende Chemika
lien- und Hydrolysebeständigkeit auf. Weitere Vorteile dieser Werkstoffe sind ihre geringe
Masse, eine erhöhte Ermüdungs- und Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit sowie
Wartungsarmut. Um diese vorteilhaften Eigenschaften ausnutzen zu können, müssen sie auch
entsprechend gefügt werden können. Als Anwendungsgebiete derartiger Werkstoffe, ein
schließlich geeigneter Fügeverfahren, sind der Flugzeug- und Fahrzeugbau sowie der Anlagen-
und Maschinenbau zu nennen.
Bekannte Fügeverfahren sind beispielsweise das Schweißen, Schrauben und Nieten. Das
Schweißen von Faserverbundkunststoffen besitzt jedoch den Nachteil, daß dieses ausschließlich
bei den thermoplastischen Matrixharzen möglich ist. Die Fasern der Verstärkung selbst las
sen sich nicht schweißen und außerdem ist eine Verschlechterung der Eigenschaften unter
Temperatureinfluß zu erwarten. Die zum Fügen durch Schrauben erforderlichen Bohrungen sind
zwar problemlos herstellbar, führen aber aufgrund der Unterbrechung des Faserflusses zu einer
Schwächung des Laminates und können unter Belastung zu Brüchen führen.
Als Fügeverfahren für faserverstärkte Kunststoffe empfiehlt sich daher das Kleben, da damit
außerdem flüssigkeits- und gasdichte Verbindungen erzielt werden können. Mit den bekannten
Klebstoffen, beispielsweise auf der Basis von Epoxidharzen, werden jedoch nicht die
geforderten Festigkeitswerte erreicht. Auch durch die üblichen Vorbehandlungsverfahren, wie
Entfetten mit organischen Lösungsmitteln, Coronabehandlung, Beizen mit Chromschwefelsäure
oder nach dem SACO-Verfahren behandelt, konnte dieser Nachteil nicht überwunden werden.
Im Gegensatz zu den Klebungen von Metallen gibt es demnach kein geeignetes
Vorbehandlungsverfahren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches Verfahren zum Fügen von Faser
verbundkunststoffen mit polymeren Oberflächen zu entwickeln, welches die Verwendung von
üblichen Klebstoffen erlaubt. Dabei sollen hohe Festigkeitswerte gewährleistet werden.
Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die zu fügenden Oberflächen vor dem Füge-
Klebeprozeß einer Niederdruckplasmabehandlung unterzogen werden. Durch die Nieder
druckplasmabehandlung werden die Oberflächeneigenschaften der polymeren Oberflächen sta
bil verändert durch eine langzeitbeständige Adhäsionsverbesserung. Die Verarbeitungssicher
heit der oberflächenvorbehandelten Fügeteile wird dadurch wesentlich erhöht.
Vorteilhafterweise wird der Druck des Gases oder Gasgemisches, in dem das Niederdruck
plasma erzeugt wird, auf einen Druck im Bereich von 0,0013 bis 13,3 mbar eingestellt. In einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Druck des Gases oder Gas
gemisches im Bereich von 0,13 bis 1,33 mbar gehalten.
Als Gas oder Gasgemisch, in dem das Niederdruckplasma erzeugt wird, werden nicht schicht
bildende Gase wie Sauerstoff, Stickstoff, Luft und/oder Edelgase wie Argon verwendet.
Beim Fügen der plasmabehandelten Fügeteile finden die aus der Metallklebung bekannten
Klebstoffe Anwendung, die entsprechend den Hinweisen der Hersteller zu verarbeiten sind.
Vorteilhafterweise werden Epoxidharzkleber verwendet. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die
Dicke des Klebefilmes 0,33 mm beträgt.
Es hat sich herausgestellt, daß auch nach vier Wochen Lagerung der vorbehandelten Füge
teiloberflächen die Klebefestigkeit der Klebeverbindung gar nicht, oder sehr geringfügig
abnimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert.
Die Prüfbedingungen und Ergebnisse der Prüfung der Klebeverbindung sind in Tabelle 1
zusammengestellt.
Die Zugscherfestigkeit in Abhängigkeit von der Lagerdauer der vorbehandelten Teileoberflächen
ist in Fig. 1 dargestellt. Wie dieser Figur entnehmbar ist, ist es ein großer Vorteil des
erfindungsgemäßen Verfahrens, daß die Zugscherfestigkeit der Klebeverbindung sogar bei
Lagerung der vorbehandelten Teile über längere Zeit nicht, oder nur geringfügig abnimmt.
Bei allen Beispielen wurden als Fügeteile ein achtlagiges Laminat mit Polyetheretherketon
(PEEK) als Bindemittel verwendet. Das zur Verstärkung verwendete Kohlenstoff-Flächengebilde
besaß eine Nenn-Flächenmasse von 145 g/m2. Der Bindemittelgehalt des Laminates betrug 35
Masse-%.
Vor der Plasmabehandlung wurden die Fügeteile stets in bekannter Weise mit Methylethylketon
(MEK) im Ultraschallbad gereinigt. Anschließend erfolgte die Niederdruckplasma-
Oberflächenvorbehandlung mit einem Quellenabstand von 90 mm, einer Leistung von 500 W
und einer Frequenz von 2,45 GHz.
Die Fügeteile wurden unter den genannten Bedingungen bei einem Vakuum von 0,2 mbar 120
Sekunden unter Verwendung von Sauerstoff als Prozeßgas behandelt.
Danach erfolgte die Verklebung unter Verwendung eines warmhärtenden zähelastischen Kleb
filmes auf der Basis modifizierter Epoxidharze von 0,33 mm Dicke. Die Aushärtezeit betrug ent
sprechend den Angaben des Herstellers 60 Minuten bei 175°C, wobei die Aufheizrate 5°C pro
Minute betrug. Der Aushärtedruck wurde auf 35 N/cm2 eingestellt. Nach der Aushärtung wurden
die verklebten Fügeteile unter Druck auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die Lagerdauer der behandelten Fügeteile vor der Verklebung lag zwischen zwei Stunden und
vier Wochen.
Zur Feststellung der Langzeitbeständigkeit der Klebungen wurden diese 42 Tage in Wasser mit
einer Temperatur von 70°C ausgelagert.
Wie Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß die Behandlungsdauer 30 Sekunden betrug.
Wie Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß bei einem Druck von 1,0 mbar gearbeitet wurde.
Die Fügeteile wurden unter den genannten Bedingungen bei einem Vakuum von 0,2 mbar 120
Sekunden unter Verwendung von Argon als Prozeßgas behandelt.
Die Verklebung erfolgte wie unter Beispiel 1 beschrieben.
Wie Beispiel 4 mit der Ausnahme, daß die Behandlungsdauer 30 Sekunden betrug.
Wie Beispiel 4 mit der Ausnahme, daß bei einem Druck von 1,0 mbar bearbeitet wurde.
Die Fügeteile wurden unter den genannten Bedingungen bei einem Vakuum von 0,2 mbar 120
Sekunden unter Verwendung von Stickstoff als Prozeßgas behandelt.
Wie Beispiel 7 mit der Ausnahme, daß die Behandlungsdauer 30 Sekunden betrug.
Wie Beispiel 7 mit der Ausnahme, daß bei einem Druck von 1,0 mbar gearbeitet wurde.
Die Fügeteile wurden unter den genannten Bedingungen bei einem Vakuum von 0,2 mbar 120
Sekunden unter Verwendung von Luft als Prozeßgas behandelt.
Wie Beispiel 10 mit der Ausnahme, daß die Behandlungsdauer 30 Sekunden betrug.
Wie Beispiel 10 mit der Ausnahme, daß bei einem Druck von 1,0 mbar gearbeitet wurde.
Claims (6)
1. Verfahren zum Fügen von Faserverbundkunststoffen mit polymerer Oberflächen durch
Kleben, dadurch gekennzeichnet, daß die zu fügenden Oberflächen von der Auftra
gung des Klebestoffes einer Niederdruckplasmabehandlung unterzogen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Gases oder
Gasgemisches, in dem das Niederdruckplasma erzeugt wird, auf einen Druck im Bereich
von 0,0013 bis 13,3 mbar eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Gases oder
Gasgemisches, in dem das Niederdruckplasma erzeugt wird, auf einen Druck im Bereich
von 0,13 bis 1,33 mbar eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas, in dem das
Niederdruckplasma erzeugt wird, nicht schichtbildendes Gas verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Sauerstoff,
Stickstoff, Luft und/oder Edelgas wie Argon ist.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß als Klebstoffe auf Epoxidharzbasis eingesetzt werden.
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