DE4407478C2

DE4407478C2 - Verfahren zum Fügen von faserverstärkten Polyetheretherketon-Kunststoffen

Info

Publication number: DE4407478C2
Application number: DE4407478A
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr Rer Nat Born; Klaus-Dieter Dipl Ing Vissing; Andreas Dr Rer Nat Gros; Alfred Dr Rer Nat Baalmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 1994-03-07
Publication date: 1997-09-18
Anticipated expiration: 2014-03-08
Also published as: DE4407478A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von faserverstärkten Polyetheretherketon-Kunststoffen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Polymere Oberflächen aufweisende Faserverbundkunststoffe weisen neben einer ausgezeichneten mechanischen Belastbarkeit bei hohen Temperaturen eine oft hervorragende Chemikalien- 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, einschließlich 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 faserverstärkten Polyetheretherketon-Kunststoffen besitzt jedoch den Nachteil, daß dieses ausschließlich bei den thermoplastischen Matrixharzen möglich ist. Die Fasern der Verstärkung selbst lassen 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.

Aus der Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Supplement Volume, New York, 1989 ist ein Verfahren zur Veränderung der Oberflächeneigenschaften von Polyethylen und Polypropylen durch Einwirkung von Plasmen bekannt. Durch dieses Verfahren werden auf der Oberfläche der genannten Kunststoffe polare Gruppen induziert. Es konnten jedoch in dem beschriebenen Verfahren keine definierten oder reproduzierbaren Ergebnisse erhalten werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches Klebeverfahren zum Fügen von faserverstärkten Polyetheretherketon-Kunststoffen zu entwickeln. 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 Niederdruckplasmabehandlung werden die Oberflächeneigenschaften der zu fügenden Oberflächen stabil verändert durch eine langzeitbeständige Adhäsionsverbesserung. Die Verarbeitungssicherheit der oberflächenvorbehandelten Fügeteile wird dadurch wesentlich erhöht.

Vorteilhafterweise wird 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. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Druck des Gases oder Gasgemisches im Bereich von 0,13 bis 1,33 mbar gehalten.

Als Gas oder Gasgemisch, in dem das Niederdruckplasma erzeugt wird, werden nicht schichtbildende 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 Epoxydharzkleber 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 Fügeteiloberflächen 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.

Beispiel 1

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 Klebfilmes auf der Basis modifizierter Epoxiharze von 0,33 mm Dicke. Die Aushärtezeit betrug entsprechend 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.

Beispiel 2

Wie Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß die Behandlungsdauer 30 Sekunden betrug.

Beispiel 3

Wie Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß bei einem Druck von 1,0 mbar gearbeitet wurde.

Beispiel 4

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.

Beispiel 5

Wie Beispiel 4 mit der Ausnahme, daß die Behandlungsdauer 30 Sekunden betrug.

Beispiel 6

Wie Beispiel 4 mit der Ausnahme, daß bei einem Druck von 1,0 mbar gearbeitet wurde.

Beispiel 7

Die Fügeteile wurden unter den genannten Bedingungen bei einem Vakuum von 0,2 mbar 120 Sekunden unter Verwendung von Stickstoff als Prozeßgas behandelt.

Beispiel 8

Wie Beispiel 7 mit der Ausnahme, daß die Behandlungsdauer 30 Sekunden betrug.

Beispiel 9

Wie Beispiel 7 mit der Ausnahme, daß bei einem Druck von 1,0 mbar gearbeitet wurde.

Beispiel 10

Die Fügeteile wurden unter den genannten Bedingungen bei einem Vakuum von 0,2 mbar 120 Sekunden unter Verwendung von Luft als Prozeßgas behandelt.

Beispiel 11

Wie Beispiel 10 mit der Ausnahme, daß die Behandlungsdauer 30 Sekunden betrug.

Beispiel 12

Wie Beispiel 10 mit der Ausnahme, daß bei einem Druck von 1,0 mbar gearbeitet wurde.

Claims

1. Verfahren zum Fügen von Bauteilen aus faserverstärkten Polyetheretherketon- Kunststoffen durch Kleben, dadurch gekennzeichnet, daß die zu fügenden Oberflächen der Bauteile vor der Auftragung 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 3, 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 gekennzeichnet, daß Klebstoffe auf Epoxidharzbasis eingesetzt werden.