DE4447957B4

DE4447957B4 - Hybrid-Faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE4447957B4
Application number: DE4447957A
Authority: DE
Inventors: Joachim Heydweiller; Josefa Risch
Original assignee: Ticona GmbH
Current assignee: Ticona GmbH
Priority date: 1994-12-07
Filing date: 1994-12-07
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2014-12-08
Also published as: DE4443616A1; DE4443616C2

Abstract

Die Erfindung betrifft Hybrid-Faserverbundwerkstoffe, enthaltend mittel- bis hochviskose Thermoplasten, 3 bis 70 Gew.-% Metallfasern und 5 bis 70 Gew.-% Verstärkungsfasern, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Hybrid-Faserverbundwerkstoffes. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung der Hybrid-Faserverbundwerkstoffe.

Description

Die Herstellung von Fasenrerbundwerkstoffen erfolgt in Abhängigkeit von der Faserlänge der Verstärkungsfasern nach mehreren unterschiedlichen Verfahren. Bei Einsatz von Langfasern werden üblicherweise Schmelz-Pultrusionsverfahren angewendet. Derartige Pultrusionsverfahren sind beispielsweise beschrieben in EP 0 056 703 A1 und EP 0 579 047 A1 .
Beschrieben wird auch gelegentlich der Einsatz von Fasergemischen bei diesen Verfahren. Beim Einsatz von Metallfasern gestaltet sich jedoch ein kontinuierliches Betreiben dieser Verfahren schwierig.
Es werden auch übliche Kabelummantelungsverfahren mit normalen Thermoplasten betrieben.
In der DE 16 29 363 A ist ein aufwendiges Verfahren beschrieben, bei dem neben einer komplizierten Fadenführung die Fäden in einen Thermoplast-Knetwulst eines Walzenpaares geführt werden.
Die zuvor genannten Verfahren sind zur Herstellung von Langfaser-Verbundwerkstoffen mit Metallfasern im kontinuierlichen Betrieb wenig geeignet.
Aus EP 0 639 838 A1 sind Hybrid-Faserverbundwerkstoffe in Form von Kunststoffgranulaten bekannt, die durch Einarbeiten von Strängen aus Endlos-Stahlfasern in ein thermoplastisches Material mittels Pultrusion hergestellt und anschließend zu elektrisch leitfähigen Formkörpern weiterverarbeitet werden. Die Kunststoffgranulate bzw. Formkörper enthalten außerdem Verstärkungsfasern in Form von Glasfasern.
Es bestand die Aufgabe, einen Hybrid-Faserverbundwerkstoff zu entwickeln, zu dessen Herstellung Metallfasern und Endlos-Verstärkungsfasern eingesetzt werden, bei dessen Herstellung die Metallfasern jedoch keinen Pultrusionsprozess durchlaufen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Hybrid-Faserverbundwerkstoff, der 3 bis 70 Gew.-% Metallfasern, 5 bis 70 Gew.-% Verstärkungsfasern und mittel- bis hochviskose Thermoplasten enthält, und der erhältlich ist durch ein Verfahren, bei dem in einem Schmelz-Pultrusionsverfahren ein oder mehrere Endlosverstärkungsfaserbündel mit geschmolzenen mittel- bis hochviskosen Thermoplasten imprägniert, zusammen durch eine Düse 5 geführt, danach durch ein oder mehrere Flachwalzenpaare 6 zu einem Band ausgewalzt werden und nachfolgend in dieses Band vorgewärmte Metallfasern mittels eines Walzenpaares 7 eingedrückt werden und daß das mit Metallfasern versehene Band dann durch horizontal und vertikal angeordnete Profilwalzenpaare 8 und 9 so umgeformt wird, daß die Metallfasern von den mit Thermoplast imprägnierten Endlosverstärkungsfasern eingehüllt sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenfalls gelöst durch einen Hybrid-Faserverbundwerkstoff, der 3 bis 70 Gew.-% Metallfasern, 5 bis 70 Gew.-% Verstärkungsfasern und mittel- bis hochviskose Thermoplasten enthält, und der erhältlich ist durch ein Verfahren, bei dem in einem Schmelz-Pultrusionsverfahren mehrere Endlosverstärkungsfaserbündel mit geschmolzenen mittel- bis hochviskosen Thermoplasten imprägniert, durch mehrere Düsen 5 geführt und danach durch ein oder mehrere Flachwalzenpaare 6 zu Bändern ausgewalzt werden, dass dann zwischen diese Bänder vorgewärmte Metallfasern geführt werden, die Bänder mit den dazwischen befindlichen Metallfasern mittels eines Walzenpaares 7 zusammengedrückt und durch horizontal und vertikal angeordnete Profilwalzenpaare 8 und 9 so umgeformt werden, daß die Metallfasern von den mit Thermoplast imprägnierten Endlosverstärkungsfasern umschlossen sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden das Band mit den eingedrückten Metallfasern bzw. die zusammengedrückten Bänder mit den dazwischen befindlichen Metallfasern durch einen variablen Walzenspalt gezogen, der durch eine feste und eine achsparallel bewegliche (vertikal) beweglich angeordnete Walze eines Walzenpaares 7 gebildet wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das Eindrücken der Metallfasern bzw. das Zusammendrücken der Bänder dadurch erfolgen, daß bei dem Walzenpaar 7 eine Walze mit ebener Mantelfläche und eine Walze mit profilierter Mantelfläche ausgebildet ist oder dadurch, daß beide Walzen eines Walzenpaares 7 mit profilierter Mantelfläche ausgebildet sind.
Es ist weiter vorteilhaft, wenn das Band mit den eingedrückten Metallfasern bzw. die zusammengedrückten Bänder mit den dazwischen befindlichen Metallfasern zusätzlich durch einen variablen Walzenspalt gezogen werden, der durch eine fest angeordnete Walze und eine vertikal beweglich angeordnete Walze eines ineinanderkämmenden Längsprofilwalzenpaares 13 gebildet wird, und/oder zur Umformung zunächst durch ein horizontal angeordnetes Profilwalzenpaar 8 und danach durch ein vertikal angeordnetes Profilwalzenpaar 9 geführt werden, oder zur Umformung zunächst durch ein vertikal angeordnetes Profilwalzenpaar 9 und danach durch ein horizontal angeordnetes Profilwalzenpaar 8 geführt werden.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Profilwalzenpaare 8 und 9 versetzt angeordnet sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Band mit den eingedrückten Metallfasern vor der Umformung durch eine Temperiervorrichtung 14 gezogen.
Für die erfindungsgemäßen Hybrid-Faserverbundwerkstoffe können als Polymermatrix Thermoplaste im weiteren Sinne eingesetzt werden, d.h. Stoffe, die sich reversibel oder intermediär thermoplastisch verhalten und ein niedrigeres Erweichungsintervall besitzen als das Material, aus dem die Verstärkungsfasern bestehen.
Bevorzugte Thermoplaste sind Polyethylene, Polypropylene, Polybutylene, Polypentene, Polyvinylchloride, Polymethylmethacrylate, Polyacryilnitrile, Polymethacrylnitrile, Polystyrol enthaltene Mehrphasenkunststoffe wie ABS, Polyamide, Polyurethane, Polyethylenterephthalate, Polybutylenterephthalate, Eisphenol-A-Polycarbonate, Polyphenylensulfide, Polyetherketone, Polyetheretherketone, Polyethersulfone, Polysulfone, Polyetherimide, Polyamidimide und Polyestercarbonate.
Die Thermoplaste können auch in den verschiedensten Kombinationen vorliegen, z.B. als Copolymere, Blockpolymere, Pfropfpolymere, Mischpolymere und Polymergemische.
Die Verstärkungsfasern können von unterschiedlichster Art sein. Wesentlich ist nur, daß die Verstärkungsfasern einen höheren Erweichungs- bzw. Schmelzpunkt besitzen, als die jeweils vorliegende Thermoplastmatrix. Beispiele für Fasermaterialien sind anorganische Materialien wie silikatische und nichtsilikatische Gläser der verschiedensten Art und Kohlenstoff.
Als Metallfasern können Fasern unterschiedlicher Stärke und Ausführungsqualität, auch versponnene Fasern von Metallen und Metallegierungen eingesetzt werden. Endlosfasern sind nicht zwingend erforderlich. Bevorzugte Metallfasern können nicht koordinierende Stahlfasern oder Fasern aus Kupfer oder Kupferlegierungen sein.
Beim erfindungsgemäßen Hybrid-Faserverbundwerkstoff kann die zugeführte Faser aus den gleichen Materialien wie die Verstärkungsfasern bestehen bzw. ein Lichtwellenleiter sein.
Der erfindungsgemäße Hybrid-Faserverbundwerkstoff weist den Vorteil auf, daß er eine höhere Gesamtbruchlast als seine Teilkomponenten aufweist.
Die zugeführten Metallfasern können auf der gesamten Länge weniger zugfest sein und können Inhomogenitäten bzw. Schwachstellen aufweisen, da die Hauptzugkraft von den imprägnierten Verstärkungsfasern getragen wird. Besonders vorteilhaft wirkt sich aus, daß Verdickungen und/oder Knoten u.ä. bei den Metallfasern die Vorrichtung durchlaufen, ohne daß an Engstellen Störungen auftreten. Die Metallfasern können weiterhin auf einfache Weise dem laufenden Verfahren zugeführt werden, wenn die übliche Pultrusion und nachfolgende Verformung bereits stabil läuft.
Auch die Verwendung von Endlosmetallfasern ist nicht zwingend erforderlich und es können Faserkombinationen verwendet werden.
Bei erfindungsgemäßen Hybrid-Faserverbundwerkstoffen aus Glasfasern als Verstärkungsfasern und Metallfasern wurde ein isolierende Wirkung und eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit erreicht. Sie stellen damit wertvolle Ausgangsprodukte für spezielle Anwendungsfälle der thermoplastischen Weiterverarbeitung dar.
Vorteilhaft kann es auch sein, mehrere Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens parallel anzuordnen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung des zur Herstellung von Hybrid-Faserverbundwerkstoff gemäß Anspruch 3 einsetzbaren Verfahrens.
2 zeigt eine schematische Darstellung von Faserquerschnitten unter Bezug auf 1.
3 zeigt eine schematische Darstellung des zur Herstellung von Hybrid-Faserverbundwerkstoff gemäß Anspruch 4 einsetzbaren Verfahrens.
4 zeigt eine schematische Darstellung von Querschnitten der erfindungsgemäßen Hybrid-Faserverbundwerkstoffe.
Die Bezugsziffern in den Figuren werden in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Von einer Spule 1 wurden drei Teil-Rovings á 1200 tex einer handelsüblichen E-Glasfaser über eine Vorwärmung 2 einer Imprägniervorrichtung 4 zugeführt und mit Polypropylen (^®HOSTALEN ^®PPX 4221 mit Haftvermittler), das mit einem Extruder 3 zugegeben wurde, bei 280 °C imprägniert.
Die imprägnierten Faserstränge wurden durch eine Düse 5 geführt und mittels eines Flachwalzenpaares 6 zu einem Band ausgewalzt. Nach Aufwärmung mit einer Heizvorrichtung 14 wurde in dieses Band eine Kupferfaser mit 0,15 mm Durchmesser, die von einer Spule 10 abgewickelt, über Führungswalzen 11 und 12 geführt und in einem Vorwärmofen 16 vorgewärmt wurde, mittels eines Walzenpaares 7 eingedrückt.
Bei dem Walzenpaar 7 war eine Walze vertikal beweglich angeordnet. Nach erneuter Aufwärmung in einem Ofen 14 und Kalibrierung zwischen zwei ineinanderkämmenden Walzen 13 wurde das Band mit der eingedrückten Kupferfaser mit vertikal und horizontal angeordneten Profilwalzenpaaren 8 und 9 so umgeformt, daß die Kupferfaser von den mit Thermoplast imprägnierten Endlosglasfasern eingehüllt waren. Der Querschnitt des ausgewählten Bandes wurde so eingesetzt, daß die Einhüllung der Kupferfaser nach der Umformung gewährleistet war. Nach Durchlaufen einer üblichen, nicht dargestellten Kühlstrecke, wurde der Hybrid-Faserverbundwerkstoff mittels einer Abzugsvorrichtung 15 abgezogen. Die Geschwindigkeit betrug 5 m/min.
Der Anteil der Glasfasern im Hybrid-Faserverbundwerkstoff betrug 68 Gew.-% und der Anteil der Kupferfaser 3 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Hybrid-Faserverbundwerkstoffes.
Beispiel 2
Von zwei Spulen 1 wurden zwei Rovings einer handelsüblichen E-Glasfaser à 1200 tex über eine Vorwärmung 2 einer Imprägniervorrichtung 4 zugeführt und bei 280°C mit Polypropylen wie in Beispiel 1 imprägniert. Die imprägnierten Faserstränge wurden durch Düsen 5 geführt und mittels zweier Flachwalzenpaare 6 zu Bändern ausgewalzt.
Von der Spule 10 und über Führungswalzen 11 und 12 kommend wurde zwischen diese Bänder ein in einem Ofen 16 vorgewärmter Stahlfaserstrang (^®Beki-Shield BU 11/12000 304) geführt. Die Bänder und die dazwischen befindlichen Stahlfasern wurden durch ein Walzenpaar 7, mit einer fest und einer vertikal beweglich angeordneten Walze, zusammengedrückt. Nach erneuter Aufwärmung in einem Ofen 14 wurden die zusammengedrückten Bänder mit den dazwischen befindlichen Stahlfasern durch einen variablen Walzenspalt eines ineinanderkämmenden Walzenpaares 13 gezogen und mit vertikal und horizontal angeordneten Profilwalzenpaaren 8 und 9 so umgeformt, daß die Stahlfasern von den imprägnierten Glasfasern umschlossen waren.
Die Querschnitte der ausgewalzten Bänder wurden so eingestellt, daß die Umschließung des Stahlfaserstranges gewährleistet war.
Nach Durchlaufen einer üblichen, nicht dargestellten Kühlstrecke, wurde der Hybrid-Faserverbundwerkstoff mittels einer Abzugsvorrichtung 15 abgezogen.
Die Geschwindigkeit betrug 5 m/min. Der Glasfaseranteil im Hybridfaserverbundwerkstoff betrug 15 Gew.-% und der Anteil der Stahlfaser 59 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Hybrid-Faserverbundwerkstoffes.

Claims

Hybrid-Faserverbundwerkstoff, der 3 bis 70 Gew.-% Metallfasern, 5 bis 70 Gew.-% Verstärkungsfasern und mittel- bis hochviskose Thermoplasten enthält, erhältlich durch ein Verfahren, bei dem in einem Schmelz-Pultrusionsverfahren ein oder mehrere Endlosverstärkungsfaserbündel mit geschmolzenen mittel- bis hochviskosen Thermoplasten imprägniert, zusammen durch eine Düse 5 geführt, danach durch ein oder mehrere Flachwalzenpaare 6 zu einem Band ausgewalzt werden und nachfolgend in dieses Band vorgewärmte Metallfasern mittels eines Walzenpaares 7 eingedrückt werden und daß das mit Metallfasern versehene Band dann durch horizontal und vertikal angeordnete Profilwalzenpaare 8 und 9 so umgeformt wird, daß die Metallfasern von den mit Thermoplast imprägnierten Endlosverstärkungsfasern eingehüllt sind.
Hybrid-Faserverbundwerkstoff, der 3 bis 70 Gew.-% Metallfasern, 5 bis 70 Gew.-% Verstärkungsfasern und mittel- bis hochviskose Thermoplasten enthält, erhältlich durch ein Verfahren, bei dem in einem Schmelz-Pultrusionsverfahren mehrere Endlosverstärkungsfaserbündel mit geschmolzenen mittel- bis hochviskosen Thermoplasten imprägniert, durch mehrere Düsen 5 geführt und danach durch ein oder mehrere Flachwalzenpaare 6 zu Bändern ausgewalzt werden, daß dann zwischen diese Bänder vorgewärmte Metallfasern geführt werden, die Bänder mit den dazwischen befindlichen Metallfasern mittels eines Walzenpaares 7 zusammengedrückt und durch horizontal und vertikal angeordnete Profilwalzenpaare 8 und 9 so umgeformt werden, daß die Metallfasern von den mit Thermoplast imprägnierten Endlosverstärkungsfasern umschlossen sind.
Hybrid-Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, erhältlich durch ein Verfahren, bei dem das Band mit den eingedrückten Metallfasern oder die zusammengedrückten Bänder mit den dazwischen befindlichen Metallfasern durch einen variablen Walzenspalt gezogen wird oder gezogen werden, der durch eine feste und eine achsparallel bewegliche (vertikal) beweglich angeordnete Walze eines Walzenpaares 7 gebildet wird.
Hybrid-Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, erhältlich durch ein Verfahren, bei dem das Eindrücken der Metallfasern oder das Zusammendrücken der Bänder dadurch erfolgt, daß bei dem Walzenpaar 7 eine Walze mit ebener Mantelfläche und eine Walze mit profilierter Mantelfläche ausgebildet ist.
Hybrid-Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, erhältlich durch ein Verfahren, bei dem das Eindrücken der Metallfasern oder das Zusammendrücken der Bänder dadurch erfolgt, daß beide Walzen eines Walzenpaares 7 mit profilierter Mantelfläche ausgebildet sind.
Hybrid-Faserverbundwerkstoff Anspruch 1 oder 2, erhältlich durch ein Verfahren, bei dem das Band mit den eingedrückten Metallfasern oder die zusammengedrückten Bänder mit den dazwischen befindlichen Metallfasern zusätzlich durch einen variablen Walzenspalt gezogen werden, der durch eine fest angeordnete Walze und eine vertikal beweglich angeordnete Walze eines ineinanderkämmenden Längsprofilwalzenpaares 13 gebildet wird.
Hybrid-Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, erhältlich durch ein Verfahren, bei dem das Band mit den eingedrückten Metallfasern oder die zusammengedrückten Bänder zur Umformung zunächst durch ein horizontal angeordnetes Profilwalzenpaar 8 und danach durch ein vertikal angeordnetes Profilwalzenpaar 9 geführt werden.
Hybrid-Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, erhältlich durch ein Verfahren, bei dem das Band mit den eingedrückten Metallfasern oder die zusammengedrückten Bänder zur Umformung zunächst durch ein vertikal angeordnetes Profilwalzenpaar 9 und danach durch ein horizontal angeordnetes Profilwalzenpaar 8 geführt werden.
Hybrid-Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, erhältlich durch ein Verfahren, bei dem die Profilwalzenpaare 8 und 9 versetzt angeordnet sind.
Hybrid-Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, erhältlich durch ein Verfahren, bei dem das Band mit den eingedrückten Metallfasern vor der Umformung durch eine Temperiervorrichtung 14 gezogen wird.