EP2121150B1 - Faserverbundwerkstoff und gleitbrettkern aus einem faserverbundwerkstoff auf basis von holzfasermatten, insbesondere für skis oder snowboards - Google Patents

Faserverbundwerkstoff und gleitbrettkern aus einem faserverbundwerkstoff auf basis von holzfasermatten, insbesondere für skis oder snowboards Download PDF

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EP2121150B1
EP2121150B1 EP20080707627 EP08707627A EP2121150B1 EP 2121150 B1 EP2121150 B1 EP 2121150B1 EP 20080707627 EP20080707627 EP 20080707627 EP 08707627 A EP08707627 A EP 08707627A EP 2121150 B1 EP2121150 B1 EP 2121150B1
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EP
European Patent Office
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wood
sliding board
fiber
board core
wood fiber
Prior art date
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EP20080707627
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EP2121150A1 (de
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Michael Theurl
Michael Oberlojer
Rudolf Müller
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THEURL LEIMHOLZBAU GmbH
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THEURL LEIMHOLZBAU GmbH
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    • A63C5/12—Making thereof; Selection of particular materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A63C5/12—Making thereof; Selection of particular materials
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    • Y10T428/31504—Composite [nonstructural laminate]
    • Y10T428/31971—Of carbohydrate
    • Y10T428/31989—Of wood

Definitions

  • the invention relates to a fiber composite.
  • the invention further relates to a sliding board core made of a fiber composite material, which is particularly suitable for installation in skis or snowboards.
  • the invention further relates to a sliding board.
  • the invention relates to a method for producing a fiber composite material, in particular a Gleitbrettkerns.
  • wood is still a virtually predestined material for the production of the entire cores or parts thereof, because it has some mechanical properties which are excellent in relation to its comparatively low density Naturally optimized microscopic structure from predominantly elongated fiber cells with pore-shaped cell cavities are due. Professionals always emphasize the benefits of wooden core skis and snowboards and always place this product in the high-end market segment.
  • Wood with a comparatively low mass, has high tensile and flexural strengths, good vibration damping and high fracture toughness, and exhibits excellent fatigue strengths, both in the case of static fatigue life and in a very high number of alternating deformations.
  • wood As a natural raw material, however, it also shows a typically broad distribution of its properties within the same wood species different growth due to temporally and spatially varying environmental and site conditions (variability of wood properties). This leads to strongly scattering technical values. Thus, for example, the bulk density, which is a significant factor influencing all strength and elasticity values, shows great differences even within the same wooden board and between different production batches.
  • wood has different properties as a function of the action transversely or longitudinally to the fiber direction or radially or tangentially to the growth rings (anisotropy of the wood properties).
  • there is a pronounced hydrophilic behavior of the wood polymers which causes moisture fluctuations even under careful drying and storage of the dried wood under constant climatic conditions.
  • the lowest possible weight with balanced elastic properties of the gliding board core determines the driving characteristics of the gliding board and remains to this day the main goal of developments in this area.
  • thermosetting plastics in particular those made of polyurethane
  • high-strength RIM foams Reactive Injection Molding
  • rigid integral foams with densities of between 0.4 and 0.6 g / cm 3 only Bending strengths of 20-35 MPa and bending moduli of elasticity between 700-1,100 MPa.
  • spruce wood with a common moisture content of 12% shows a density of approx. 0.47 g / cm 3 and with stress gradients parallel to the fiber an average bending strength of 70 MPa, bending modulus of elasticity of 10,000 MPa.
  • Another known disadvantage of plastics is their fast compared to wood material fatigue and insufficient vibration damping.
  • inorganic fibers - in connection with gliding board cores - has to be considered.
  • glass, carbon or aramid fibers have very high tensile strengths, but also high elastic moduli associated therewith. So for example, glass fibers have tensile E moduli of at least 70,000 MPa, carbon fibers of between 250,000 and 380,000 MPa, values which are, for example, 7 to 30 times greater than those of the fiber cells of spruce, for which a tensile modulus of about 11,000 MPa is used. The higher the modulus of elasticity, the stiffer the material. So these inorganic fibers are so stiff that at a higher fiber content in the plastic, the entire composite is too little bend flexible.
  • wood fibers become clear, as they contribute to weight reduction even at high doses in the composite material and bring in the above-described positive bending elastic properties of wood.
  • wood fibers are substantially cheaper on a mass basis than inorganic fibers and plastics, a cost advantage is also achieved.
  • thermoplastics used in addition to the previously mentioned thermosets show a number of well-known disadvantages for sliding board cores with respect to creep behavior, plastic deformability, temperature-dependent variability and high density. These also remain in combination with fibers and can not be prevented by the fiber component.
  • DE 744347 discloses a ski, in particular made of plastics, wherein the insert or deposits between the outsole and the ski upper side consist of lightweight panels. Such a ski may have at the location of the ski bag another deposit made of wood, which allows a screwing of the binding parts.
  • GB 833721 discloses improvements in and for a ski formed in lamination fashion having an elongated core and having a plurality of bonded laminate layers.
  • EP 1,319,503 discloses a composite member of a core layer having on both sides of the core layer disposed polyurethane resin impregnated fiber layers, a cover layer of Class A surface quality on the a fiber layer and optionally a decorative layer on the second fiber layer.
  • DE 23 22 602 A1 discloses a lapping pad having a fibrous sheet structure.
  • the tile structure consists of entangled fibers having pores incorporating synthetic high molecular weight materials.
  • a matted mat is made of natural or synthetic fibers. Furthermore, an application example is explained, in which the matted mat consists of a three-dimensionally entangled nylon fiber material.
  • DE 198 35 983 A1 discloses a method of improving the adhesion of cellulosic natural fibers incorporated into thermoplastic for reinforcement purposes.
  • Plastics can be mixed with organic fibers of wood-cellulose and annual plants.
  • the wood fibers or natural fibers are previously singularized according to the disclosed manufacturing process for further processing in melt processes.
  • staple fibers of suitable length can be obtained from spun jute fibers by cutting processes. This takes place before or after the application of resinous thermosets to improve the adhesion with thermoplastics.
  • These short cut fibers are free-flowing and therefore useful for further use in melt processes comprising injection molding, extrusion and other processes and from which, for example, plastic compound such as injection-molded granules, shaped bodies, wrapped staple fiber, pellet or extrudate are produced.
  • the object of the invention is to provide a producible with reasonable effort fiber composite material with favorable material properties.
  • a fiber composite material is provided, which is produced on the basis of wood fiber mats from mutually entangled wood fibers, are introduced into the thermosetting and / or elastomeric plastics.
  • a sliding board core which comprises a fiber composite material having the features described above.
  • a gliding board in particular a ski or snowboard, which includes a gliding board core having the features described above.
  • a method for producing a fiber composite material wherein in the method the fiber composite based on wood fiber mats is formed of mutually entangled wood fibers, are introduced into the thermosetting plastics and / or elastomeric plastics.
  • thermosets also called thermosets, in particular plastics can be considered that can not be deformed after their curing.
  • plastics in particular dimensionally stable, but elastically deformable plastics can be considered.
  • the plastics can deform under tensile and compressive load, but then return to their original, undeformed shape.
  • the solid or hard tissue of the shoot axes (trunk, branches, twigs) of trees can be regarded as wood.
  • wood can be considered as a material that stores lignin in the cell wall.
  • a lignified (woody) plant tissue may be referred to as wood in particular.
  • physical structures which can be used for sliding on a solid or liquid surface or for sliding through a fluid (for example gas, liquid) can be considered as a gliding board.
  • the outstanding properties of the naturally optimized fiber composite wood can be combined with the advantages of plastics that can be produced in desired shapes in one operation and the above-mentioned disadvantages regarding the inhomogeneities on the wood and the low mechanical properties of the plastics are excluded , Where the mechanical properties of the fiber composite approached as far as possible those of the wood, but can also be selectively changed and still the lowest possible weight is achieved.
  • a sliding board core is created from a fiber composite material, which is particularly suitable for installation in skis or snowboards.
  • This fiber composite material contains a sufficiently high proportion of wood fibers, which are interlinked in the form of mats with or are present without preferred orientation of the fibers, and are introduced into the thermosetting or elastomeric plastics. Due to the definable high and above all uniform wood fiber density of the mats, a homogeneous material with uniform mechanical properties is achieved, but which can also be selectively changed at different points in the core.
  • the gliding board core comprises or consists of a fiber composite material which is produced on the basis of wood fiber mats of mutually felted wood fibers with or without preferential orientation, into which thermosetting or elastomeric plastics are introduced.
  • the plastic polymer takes over the function of the forming binder.
  • mats offer the advantage of a specifically definable and especially uniform wood fiber density, which can be introduced on desired zone sections of the core and the highest possible proportion of wood fibers.
  • the mechanical properties of the core in terms of flexural elasticity, vibration damping and fatigue resistance are as far as possible approximated to those of the wood and, above all, the dosing problems of the injection process at the thinning points to the longitudinal ends are avoided.
  • the mechanical properties can be selectively changed as required at different locations in the core, as is necessary, for example, in the center of the core and at the core ends. This is accomplished by providing sites of higher or lower density and rigidity by local stacking of the mats and compaction or loosening of the mat structure, or by having a preferred fiber orientation, whereby several such mats can be crosswise stacked.
  • any thermosetting or elastomeric plastic comes into question, wherein it is particularly advantageous if such polymers are introduced into the wood fiber mats, which foam in the course of curing and thus transmit the pore structure of the wood fibers in the plastic matrix.
  • the mat with the defined homogeneous fiber structure pre-defines the foamable gaps and thus guarantees foaming with evenly distributed pores of homogeneous size in the plastic.
  • the wood fibers mentioned are obtained, for example, in thermo-mechanical pulping processes, as they have been tested in the fiber board industry for decades. They are reasonably priced as well as easy and safe to supply.
  • the wood fiber mats can be produced therefrom with specifically determinable density and constant entanglement, with or without reinforcement by plastic threads, with or without prior impregnation by synthetic resins.
  • the wood fiber mats are after cutting into hollow molds, which correspond to the geometry of the finished Gleitbrettkernes inserted, the impregnation with the thermosetting or elastomeric plastic component can be done before loading or only then in the form.
  • the location of the wood fibers in the wood fiber mat may be free of a preferred direction, i. isotropic, be.
  • the wood fibers can have a statistical distribution in terms of their orientation in the fiber composite, resulting in uniform mechanical properties in all directions.
  • the location of the wood fibers in the wood fiber mat may have a preferred direction, i. anisotropic.
  • the wood fibers may have an ordered distribution in orientation in the fiber composite, resulting in different mechanical properties in different directions.
  • a composite material based on wood fiber mats and foamed (or foaming) elastomeric or thermosetting polymers and a process for its production is provided.
  • Embodiments of the invention relate to a mats-based composite with wooden fibers from the woody plant trunk / thermomechanical pulping processes into which foamable (or foaming) elastomeric or thermosetting polymers are incorporated, and to a process for its production ,
  • a process for producing a composite formed with wood fibers from the woody plant / thermomechanical pulping process and foamed elastomeric or thermosetting polymers the density values being that of industrially useful coniferous or hardwoods should be sought and the highest possible proportion of wood fibers (for example, at least 30 percent by weight or at least 50 weight percent) should be present, which enter into a predictable uniform distribution of a compound with the foam structure of the polymer.
  • a foamable elastomeric or thermosetting polymer for example polyurethane, can be introduced into previously provided wood fiber mats.
  • the proportion of wood fibers in the composite material is to be kept as high as possible and, moreover, the wood fibers are to be embedded in the plastic matrix in a predeterminable uniform distribution, a suitable process can be found for the reasons described above by introducing the polymer into wood fiber mats.
  • wood fibers can be used in particular from the thermo-mechanical refining process.
  • the log can first be crushed and then fed to a digestion process, for example the thermo-mechanical refining process.
  • the wood fibers can be dried. Since the wood fibers constantly interlock with each other and can not be scattered loose, they can be brought by needling in a spatially matted structure, which usually even small parts by weight of synthetic fibers to reinforce the mat structure are introduced. In this form, the mats can then easily manipulated, cut in shape, stacked, transported and stored.
  • an automatically foaming polyurethane can be used, which brings the advantage of a long experience in combination with wood.
  • the chemical affinity for the free hydroxyl groups of the cellulosic, hemicellulosic and ligninous molecules is also good.
  • Fiber mats may be provided, for example, with thicknesses between 2 mm and 30 mm (or higher: 50 mm or more). Thus, a defined space is given for the subsequent plastic matrix into which it can penetrate.
  • a composite material of natural / wood fiber and foamed elastomeric or thermosetting polymers may be provided.
  • Such a composite material may have at least 40% share of wood fibers.
  • a composite may contain a combination of mats of different density / thickness. Self-foaming polyurethane can be used for such a composite material.
  • a corresponding method for producing a composite material can be configured as a continuous process.
  • a corresponding method for producing a composite material may alternatively be designed as a discontinuous process.
  • fiber cells in all land plants form the supporting and conductive tissue, which is why they are rather elongated and have stronger cell walls.
  • the cell walls of the fiber cells in the trunk of woody plants differ substantially from those of the remaining fiber plants with one or only a few years of growth times, that at the molecular level between the formed as elongated strands macromolecular polysaccharides, ie the cellulose and the hemicelluloses, of which completely different and amorphous lignin, the "lignin or wood pulp", present in high proportions of about 20 to 30 and more percent by weight and in the manner that it forms a matrix in which the cellulosic fibrils are embedded.
  • the lignin content is in the 1-digit percentage range, for hemp, for example, between about 2 and 5 percent by weight. Due to the high proportion of amorphous lignin, the digested, ie isolated wood fibers are much more brittle than those of the other non or less woody fiber plants, whose cell walls are composed almost exclusively of the string-shaped cellulosic framework substances.
  • a decisive advantage of the refiner wood fibers is their consistent quality, which is due to the fact that the fiber cells were formed in the trunk wood from a decades-long centuries active mantle cambium by cell division in constantly the same design.
  • the fiber cells of woody plants with thickness growth are thus firmly in a comprehensive association of more or less the same or similar Cells are involved, wherein the elongated fiber cells of the softwoods are very similar and have a length of typically less than 5 mm.
  • the quality of the fibers from the non-woody plants with one or few years of rotation depends strongly on the growth conditions in the vegetation period (s) concerned.
  • the fiber bundles are present in the bast, ie the soft part of the bark, and thus in a peripheral position around the shoot ("bast fibers"), while those of sisal are embedded in tissue of thin-walled, mostly parenchymatous Cells arranged in the leaf wind ("leaf fibers").
  • the thus obtained wood pulp also called TMP (Thermo-mechanical Pulp) or Refinermaschinen therefore has a wide range of a few 1/10 mm up to about 35 mm with respect to the lengths of its fiber components, however, the average in the range slightly below the natural Length of the single fiber comes to rest, such as between 2 mm and 4 mm. A similarly wide spreading normal distribution applies to their diameter.
  • the wood fibers isolated from the trunk wood of trees thus remain in their length significantly behind that of the fiber bundles of other natural fibers.
  • a fiber composite or a Gleitbrettkern according to an embodiment of the invention may be used as the basis for a ski (for example, an alpine ski or a cross-country ski or a mono-ski), a snowboard, a surfboard, car covers, aircraft panels, furniture parts, panels and others Covering elements for indoor and outdoor use, etc. may be provided. Other applications are possible.
  • Fig. 1 shows a cross-section of a Gleitbrettkerns 100 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the Gleitbrettkern 100 is made of a fiber composite, which is formed on the basis of a wood fiber mat of mutually matted wood fibers 102, in which a thermosetting or elastomeric plastics is introduced. This is, as indicated by reference numeral 104, provided in intermediate spaces between the entangled wood fibers 102.
  • the gliding board core 100 may be provided as a base for a ski and is characterized in that the entangled wood fibers 102 have a preferred direction, namely parallel or substantially parallel to the horizontal dimension of the gliding board core 100 according to FIG Fig. 1 ,
  • an insert 106 is formed with a screw thread, which can be firmly connected by means of a screw or other fastener, for example, with a ski binding or another element to be coupled.
  • Fig. 2 shows a cross section of a Gleitbrettkerns 150 according to another exemplary embodiment of the invention.
  • the gluing board core 150 has different densities and wood fiber portions at different sliding board core zones. More specifically, an area 152 of the gliding board core 150 is one with a smaller one Density is provided as an area 154 of the higher density boarding board core 150. This can be achieved, for example, by applying pressure to the area 154 of the sliding board core 150.
  • Fig. 2 thus shows a gliding board core 150 in which zones 152, 154 of different density are created by compacting the originally homogeneous and constantly dense wood fiber mat at local locations in the gliding board 150, such as is necessary to provide the typical three-dimensional shape together with the peaks raised at the gliding board ends .
  • An important point in the design of the density zones in the board is the fact that even when using an originally homogeneous wood fiber mat with originally constant density zones 152, 154 different density arise when the typical three-dimensional shape of Gleitbrettkernes 150 (8 mm in the middle of the board strong, at the ends only 3 mm) is created by pure compression at the board ends.
  • Fig. 2 therefore illustrates the creation of different density zones 152, 154 by local densification of the original homogeneous constant density wood fiber mats, for example, in the longitudinal direction toward the ends of the gliding board core 150. Also due to the fact that the Gleitbrettkern 150 tapers towards the tips and thus forms a three-dimensional shape. In Fig. 2 also an increase of the core shape is shown on the Gleitbrettspitzen (thicknesses shown in excess compared to length).
  • Fig. 3 to Fig. 7 show various possible combinations of wood fiber mats of different densities with a plastic that may be used, for example, for a fiber composite according to exemplary embodiments of the invention.
  • Fig. 3 shows a fiber composite based on a wood fiber mat 200, in which entangled wood fibers 102, embedded in a matrix 104 of a plastic, are shown.
  • the wood fiber mat may have a relatively low density of For example, 0.05 g / cm 3 to 0.15 g / cm 3 (in which case the plastic 104 is not included).
  • Fig. 4 shows a wood fiber mat based fiber composite 300 according to another exemplary embodiment of the invention.
  • felted wood fibers 102 are embedded, which are embedded in a plastic matrix 104.
  • the wood fiber mat provided with a higher density than according to Fig. 2 , for example, about 0.20 g / cm 3 .
  • Fig. 5 shows a wood fiber mat based fiber composite 400 according to another exemplary embodiment of the invention. This is shaped by two fiber composite panels 200 based on wood fiber mats of the same density 200 arranged one above the other in the manner of a height layer model and connected to one another, for example by gluing. It is on the one hand possible to connect the two fiber composite panels 200 only after curing of the respective plastics 104 with each other, for example, to glue or screw. On the other hand, it is possible to apply two wood fiber mats of the same density to each other and to work together to form a fiber composite by inserting and curing a plastic 104 in both wood fiber mats after application, thereby forming the fiber composite sheets 200 and simultaneously bonding them together.
  • FIG. 6 FIG.
  • FIG. 5 shows a fiber composite 500 according to another embodiment of the invention in which a fiber composite mat 200 based on a first density wood fiber mat is bonded to another fiber composite mat 300 based on a second density (greater than the first density) wood fiber mat.
  • a combination of mat types of different densities for the formation of the fiber composite material 500 in the manner of a height layer model be used.
  • Different wood fiber mat densities in different areas of the fiber composite material 500 can serve, for example, to fulfill different stability and / or flexibility requirements depending on the location. It is on the one hand possible to connect the two fiber composite panels 200, 300 only after curing of the respective plastics 104 with each other, for example, to glue or screw.
  • Fig. 7 shows a fiber composite 600 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • a fibrous composite panel 200 based on a first density wood fiber mat and another fibrous composite panel 300 based on a second density (which is greater than the first density) wood fiber mat are laterally bonded together.
  • a fiber composite panel 200 and a fiber composite panel 300 are arranged side by side and side by side and bonded together on a narrow side / side surface so that the broad sides / main surfaces of the fiber composite panels 200, 300 do not touch.
  • Different wood fiber mat densities in different regions of the fiber composite material 600 can serve, for example, to fulfill different stability and / or flexibility requirements depending on the location.
  • mat types of different densities in the longitudinal direction of the fiber composite 600 may be combined, for example, to produce higher density and stiffness at pointed zones.
  • FIG. 11 shows an overhead view of a wood fiber mat 700 as a base for a gliding board core according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Fig. 9 shows another image 800 of the wood fiber mat Fig. 8 .
  • FIG. 10 Figure 9 shows, with an image 900, how an insert element (for example a connection device for connecting a fiber composite panel with an element to be coupled) is inserted in a wood fiber mat.
  • the insert element can either be cast into the wood fiber mat by potting the wood fiber mat with the integrated insert element by means of a plastic after adding the insert element.
  • the insert element may alternatively be formed after incorporation and curing of plastic into the wood fiber mat in the resulting fiber composite panel, for example, by inserting the insert member into a bore of the fiber composite panel and bonded thereto (eg, bonded).
  • Fig. 11 shows a fiber composite material 1000 according to an exemplary embodiment of the invention, in which previously pressed into the mat and then formed with foamed inserts.
  • Fig. 12 shows another fiber composite material 1100 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Fig. 13 shows a cross-section of a fiber composite panel 1200 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • fibreboards of the manufacturer Faurecia mats of softwood refiner fibers, basis weight 1,200 g / m 2 to 1,800 g / m 2 ; density at thickness 8 mm: 0.15 g / cm 3 or 0.22 g / cm 3
  • the manufacturer BO-System mats made of softwood refiner fibers with basis weight 1,800 g / m 2 .
  • a metal sleeve with internal thread can be used, which may be provided on the base this round or hexagonal spanning and may have a plastic sheath.
  • a composite with a total density in the range of light hardwood or softwood (for example, between 0.40 g / cm 3 and 0.45 g / cm 3 ) can be produced.
  • lighter composite materials for example with a density of 0.35 g / cm 3 .
  • the composite is technologically in competition with solid wood cores, which can be made, for example, of poplar, paulownia (bluebell tree from East Asia, a very light wood), beech, etc. laminated and a density throughout the laminated cross section of, for example, about 0, 43 g / cm 3 may have.
  • Pure PUR cores (polyurethane) with a density of approx. 0.64 g / cm 3 are another benchmark.
  • the core has an effect on the board properties of a gliding board core made therefrom.
  • the requirements are therefore to be made with regard to the material properties, so that above all a desired bending stiffness and a desired bending elasticity can be achieved.
  • the tear strength of the inserted insert which can accommodate the later binding screws to certain Adjust requirements for gliding boards.
  • a standard requirement for such sliding boards may be 4,500 Newtons. It is also possible to inspect snowboards that are made according to fatigue, slap, breakage or edge breakage tests.
  • Wood fiber mats offer the advantage that the inserts can be pressed into the mat before foaming and thus be foamed up when the polyurethane (polyurethane foam) is applied. As a result, a good insert tear resistance can be achieved, and the standard value of 4,500 Newton can be achieved or even exceeded.
  • Modipur 541 can be used.
  • Modipur US 541/22 from Hexcel Composites can be used as a CFC-free polyurethane system (4,4'-diphenylmethane diisocyanate + polyol + low percentage of amines as activator).
  • the viscosity of the mixed system can be kept below 2,000 mPa.s.
  • the field of application is the ski industry, especially for PUR cores produced by injection molding. Up to the beginning of the foaming, the open time can be about 30 seconds, whereby the setting time can be about 1 minute.
  • fiber mat foaming can be performed without form.
  • the fiber mat can be acted upon on both sides with a certain amount of PUR, and the exiting or foamed at the mat surface PUR be removed again.
  • the fiber mat foam can be carried out in the form.
  • the remaining amount of PUR can be mixed.
  • a part (for example, half) thereof may first be filled in a mold become. Then a mat can be inserted. Another part (for example, the other half) can be painted on the mat.
  • the mold can be closed, for example mechanically, hydraulically or pneumatically.
  • Said form can also serve in an industrial manufacturing process for receiving the upper and lower surfaces of the Gleitbrettkernes applied upper and lower straps (for example, Glasmaschineverstärkungsvlies), which can be glued in such a way in the course of PUR-introduction simultaneously firmly with the Gleitbrettkern, and the typical pretend three-dimensional shape of the Gleitbrettkernes.
  • upper and lower straps for example, Glasmaschineverstärkungsvlies
  • the total density of a corresponding device should be about 0.40 to 0.45 g / cm 3 .
  • an optimization can be carried out via a PUR system.
  • Modipur US 23 isocyanate
  • Modipur US 566 mod.5 polyol
  • the component "Polyol Modipur US 541 or Modipur US 566 mod.5" can be heated to about 30 ° C to 35 ° C, the component "Polyol Modipur US 541 or Modipur US 566 mod.5" to reduce the viscosity.
  • the toughness of the mixed system can be correspondingly lower (less viscous), while the start time, the time window from the mixing of the components until the beginning of the foaming, not so far lowered that still can not be guaranteed good handling.
  • the impregnation of the wood fiber mat with a specified ratio of, for example, 1 part by weight of wood fiber mat (with about 8 mm thickness and about 0.20 g / cm 3 ) to 1 part by weight mixed PUR can be further improved. This has proven to be more advantageous than heating both components (isocyanate and polyol). Although in the latter case the viscosity continues to decrease, the starting time tends to be a non-preferred value.
  • a pressurization can be provided, which makes it possible to better convey the PUR into the center of the mat by means of higher pressures.
  • uncompressed wood fiber mats which have a thickness of, for example, 35 mm and thus a density of only about 0.05 g / cm 3 at the same weight per unit area of 1,800 g / m 2 , can be used.
  • the PUR after applying the PUR, to place the mat under compressive pressure so that it is compressed below the desired final thickness and the PUR is thus uniform to the middle of the mat is encouraged.
  • the pressure is removed again and the mold is reduced to the final thickness to be achieved, whereby the mat is relaxed again and is also returned in the course of foaming by the foam pressure from the inside to the final thickness.
  • An example of the dimensioning of a gliding board is a thickness decreasing in the longitudinal direction from the gliding board center to the tips of about 8 mm to about 3 mm, a width of about 24 cm to about 29 cm and a length of about 155 cm.
  • the wood fiber content in the total mass of the composite may be, for example, greater than 50%, or even 30% or more.
  • a suitable range for the mass fraction of the wood fiber is between 20% and 70%, in particular between 40% to 60%.
  • Suitable density zones are at a Gleitbrettkern at about 0.35 g / cm 3 to 0.45 g / cm 3 . In higher densities, however, densities of about 0.65 g / cm 3 and more are possible. In addition to a high stability but also a light weight is desirable, so that a preferred range of values between 0.30 g / cm 3 and 0.65 g / cm 3 , in particular between 0.35 g / cm 3 and 0.45 g / cm 3 .
  • Wood fiber mats have significant advantages over other natural fiber mats for the invention. These include the consistent quality of the wood fibers due to the biological relationships described above compared to the grades of natural fibers from 1 year or less years of growth, which fluctuate greatly from crop year to harvest year.
  • the significantly higher security of supply of wood fibers is another important advantage, because even the sustainably managed wood stocks of the earth are much larger than those of other economically exploited natural fiber plants.
  • a decisive advantage of wood fiber is thus its worldwide security of supply, which is also available without the fluctuations in harvest success typical of seasonally grown fiber plants stand.
  • waste products of wood u. Forestry for the defibration available, which can be utilized according to the invention.
  • many natural fibers other than wood have the disadvantage of pronounced odors. According to the invention, a new wood material is illustratively provided.

Landscapes

  • Dry Formation Of Fiberboard And The Like (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)
  • Nonwoven Fabrics (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Faserverbundstoff.
  • Die Erfindung betrifft ferner einen Gleitbrettkern aus einem Faserverbundwerkstoff, der insbesondere für den Einbau in Skis oder Snowboards geeignet ist.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Gleitbrett.
  • Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoff, insbesondere eines Gleitbrettkerns.
  • Obwohl sich bereits viele Entwicklungen mit alternativen Werkstoffen für Gleitbrettkerne beschäftigen, ist Holz bis heute ein geradezu prädestinierter Werkstoff zur Fertigung der gesamten Kerne oder Teilen davon, denn es hat einige in Relation zu seiner vergleichswert geringen Rohdichte ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, die typischerweise auf den von der Natur optimierten mikroskopischen Aufbau aus überwiegend langgestreckten Faserzellen mit porenförmigen Zellhohlräumen zurückzuführen sind. Fachleute heben die Vorteile von Skis und Snowboards mit Holzkernen stets hervor und reihen dieses Produkt immer in das hochpreisige Marktsegment.
  • Holz weist bei vergleichsweise geringer Masse hohe Zug- und Biegefestigkeiten, eine gute Schwingungsdämpfung sowie hohe Bruchzähigkeiten auf und zeigt ausgezeichnete Ermüdungsfestigkeiten, sowohl im Fall der statischen Dauerstandfestigkeit als auch bei einer sehr hohen Zahl an Wechselverformungen.
  • Als Naturrohstoff zeigt es allerdings auch innerhalb der gleichen Holzart eine typisch breite Streuung seiner Eigenschaften bedingt durch unterschiedliches Wachstum aufgrund zeitlich und räumlich veränderlicher Umwelt- und Standortbedingungen (Variabilität der Holzeigenschaften). Dies führt zu stark streuenden technischen Werten. So weist beispielsweise die Rohdichte, welche einen wesentlichen Einflussfaktor auf alle Festigkeits- und Elastizitätswerte darstellt, selbst innerhalb des gleichen Holzbrettes und zwischen unterschiedlichen Produktionschargen große Differenzen auf. Zudem hat Holz unterschiedliche Eigenschaften in Abhängigkeit der Einwirkung quer oder längs zur Faserrichtung bzw. radial oder tangential zu den Wachstumsringen (Anisotropie der Holzeigenschaften). Hinzu kommt ein ausgesprochen hydrophiles Verhalten der Holzpolymere, wodurch selbst bei einer sorgfältigen Trocknung und Lagerung des getrockneten Holzes unter konstanten Klimaverhältnissen Feuchteschwankungen auftreten.
  • Um die großen Vorteile des von der Natur optimierten Faserverbundwerkstoffes Holz zu nutzen, dessen streuende Eigenschaften jedoch auszugleichen, wurde und wird das Holz zu Stäben oder Furnieren aufgespalten, welche zueinander räumlich versetzt angeordnet und dann brettförmig als sogenanntes Stab- oder Furniersperrholz wieder zusammengesetzt werden. Nur damit können gleichmäßigere technische Werte über große industrielle Stückzahlen hinweg erreicht werden. In Weiterentwicklung dieses Prinzips wurde beispielsweise mit Patent DE 3 406 056 (Franz Hess & Co, 1985) ein Aufbau aus Holzlamellen und Hartschaum bekannt. Weitere Entwicklungen beschäftigten sich mit Gewichtsreduktion durch Fräsung von Nuten und Schlitzen in den Kern. Zuletzt hebt Patent EP 1 493 468 (Schwabe & Baer; 2005) mit einem Sperrholzaufbau aus Bambus die gute Aufnahme von Zug-, Biege- und Torsionsspannungen bei geringem Gewicht hervor.
  • Alle diese Produkte entstehen aber unter großem fertigungstechnischen Aufwand mit einer Vielzahl an Arbeitsschritten, wobei sich zuletzt immer auch eine dreidimensionale spanende Bearbeitung zur Schaffung der typischen verjüngenden Konturen der Kerne zu deren Enden hin anschließen muss. Weiter muss erwähnt werden, dass trotz oben gezeigter Anstrengungen für homogenere Eigenschaften der produzierten Holzwerkstoffe, eine höhere Streuung als bei Kunststoffen nicht vermieden werden kann.
  • Andere Entwicklungen betreffen einen künstlichen Faserverbundwerkstoff auf Basis anorganischer Fasern und Kunststoffen, welcher bereits in der Erzeugung die Form des Gleitbrettkerns erhält und einen absolut gleich bleibenden Aufbau über die großen Stückzahlen einer industriellen Serienfertigung hinweg zeigt. So wurde durch das Patent GB 804 861 (Richard Joseph Thornton, 1958 ) die Herstellung eines Skikerns aus mit anorganischen Fasern verstärkten Polyester- oder Epoxidharzen bekannt und dabei besonders die Notwendigkeit eines guten Quotienten von Masse zu Festigkeit hervorgehoben.
  • Genau diese typische Holzfasereigenschaft kann mit hochdichten anorganischen Fasern konventionell nicht erreicht werden, weswegen schon damals Hohlräume mit aufwändigen Produktionsverfahren notwendig waren. Diesen Fasern liegen nämlich bezüglich Masse die hohen Werte ihrer Ausgangsstoffe zugrunde. So weisen Kohlefasern eine Dichte von ca. 1,8 g/cm3, E-Glas als Ausgangsprodukt von Glasfasern gar 2,6 g/cm3 auf. Demgegenüber hat zwar auch Holz eine sogenannte Reindichte (d.h. die Dichte ermittelt ohne die charakteristischen Faserzellhohlräume, also den Poren) von im Mittel 1,5 g/cm3, durch die Zellanatomie aus Zellwänden um einen hohlen Innenraum reduziert sich die Raumdichte des Faserverbundstoffes aber wesentlich, bei Fichte beispielsweise auf 0,47 g/cm3.
  • Ein möglichst geringes Gewicht bei ausgeglichenen elastischen Eigenschaften des Gleitbrettkerns bestimmt die Fahreigenschaften des Gleitbrettes und bleibt bis heute das wesentliche Ziel der Entwicklungen in diesem Bereich.
  • So wurde als eine weitere Art der Gewichtsreduktion mit Patent DE 1 809 011 (Völkl Franz OHG, 1970) ein Verfahren bekannt, das die Kernherstellung durch Ausfüllen von Hohlformen mit aufschäumenden Duroplasten beschreibt. Darin wird aber auch klar hervorgehoben, dass die ungenügenden Biege- und Torsionsfestigkeiten solcher Schaumstrukturen durch Ummantelung mit anorganischen Faserelementen wie Glasfasern oder Metalldrähten gelöst werden muss.
  • Die technischen Werte von Schäumen aus duroplastischen Kunststoffen, insbesondere solche aus Polyurethan, verdeutlichen dieses Problem. Hochfeste RIM-Schäume ("Reactive Injection Moulding") zeigen zwar Biegefestigkeiten um 80 MPa, kommen aber auf eine Dichte von 1,1 g/cm3, während Hartintegralschäume mit Rohdichten zw. 0,4 - 0,6 g/cm3 nur Biegefestigkeiten von 20 - 35 MPa und Biege-E-Moduli zw. 700 - 1.100 MPa erreichen. Im Vergleich dazu zeigt Fichtenholz bei gängiger Bezugsfeuchte von 12% eine Dichte von ca. 0,47 g/cm3 und bei Spannungsverläufen parallel zur Faser im Mittel Biegefestigkeiten von 70 MPa, Biege-E-Moduli von 10.000 MPa. Ein weiterer bekannter Nachteil der Kunststoffe ist deren im Vergleich zu Holz schnelle Materialermüdung und ungenügende Schwingungsdämpfung.
  • Andere Aufbauten setzten einen laminierten Aufbau der Schaumkerne mit faserverstärkten Ober- und Untergurten oder Kernen mit Wabenstrukturen, welche hohl blieben oder ausgefüllt wurden, in den Mittelpunkt. Diese Entwicklungslinie setzt sich fort bis zur Einbettung strangförmiger und in Kernlängsrichtung ausgerichteter Faserstränge in duroplastische Kunststoffe, wie es aus dem Patent FR 2 881 962 (Skis Rossignol SA, 2006) bekannt wurde. Diese Faserstränge müssen, wie in dem Patent erwähnt, künstlich aus anorganischen Stoffen hergestellt werden, da sich Holzfasern nicht zu Strängen oder Rovings verspinnen lassen.
  • Hier muss auf einen - im Zusammenhang mit Gleitbrettkernen - weiteren Nachteil der anorganischen Fasern eingegangen werden. Glas-, Karbon- oder Aramidfasern haben zwar beispielsweise sehr hohe Zugfestigkeiten, aber auch ebenso hohe zugehörige Elastizitätsmoduli. So weisen Glasfasern Zug-E-Moduli von mindestens 70.000 MPa, Karbonfasern solche zwischen 250.000 - 380.000 MPa auf - Werte, die beispielsweise um das 7- bis 30fache über jenen der Faserzellen von Fichte liegen, für die ein Zug-E-Modul von ca. 11.000 MPa angesetzt wird. Je höher nun ein E-Modul, desto steifer ist das Material. Diese anorganischen Fasern sind also so steif, dass bei einem höheren Faseranteil im Kunststoff der gesamte Komposit zu wenig biegeflexibel wird. Hier tritt der Vorteil der Holzfasern klar zutage, da diese selbst bei hoher Dosierung im Verbundwerkstoff noch zur Gewichtsreduktion beitragen und die oben beschriebenen positiven biegeelastischen Eigenschaften von Holz einbringen. Da zudem Holzfasern massebezogen wesentlich günstiger als anorganische Fasern und Kunststoffe sind, wird auch ein Kostenvorteil erreicht.
  • Die neben den bisher erwähnten Duroplasten verwendeten thermoplastische Kunststoffe zeigen eine Reihe von hinlänglich bekannten Nachteilen für Gleitbrettkerne bezüglich Kriechverhalten, plastischer Verformbarkeit, temperaturabhängiger Variabilität und hoher Dichte. Diese bleiben auch im Verbund mit Fasern erhalten und können durch die Faserkomponente nicht verhindert werden können.
  • DE 744347 offenbart einen Ski, insbesondere aus Kunststoffen, wobei die Einlage oder Einlagen zwischen der Laufsohle und der Skioberseite aus Leichtbauplatten bestehen. Ein solcher Ski kann an der Stelle des Skibackens eine weitere Einlage aus Holz besitzen, die ein Anschrauben der Bindungsteile ermöglicht.
  • GB 833721 offenbart Verbesserungen in und für einen Ski, der in Laminierbauweise mit einem langgestreckten Kern gebildet wird, und eine Mehrzahl von gebondeten Laminatschichten aufweist.
  • EP 1,319,503 offenbart ein Verbundteil aus einer Kernschicht, beidseitig der Kernschicht angeordneten mit Polyurethanharz getränkten Faserschichten, einer Deckschicht mit Class-A-Oberflächenqualität auf der einen Faserschicht und gegebenenfalls einer Dekorschicht auf der zweiten Faserschicht.
  • In der Publikation "BAYPREG FPUR PLUS Natur im Automobil, Verbundwerkstoffe aus Polyurethan", Bestell-Nr.: PU: 52250, Ausgabe 3.00 der Firma Bayer sind Verbundwerkstoffe für den Automobilbau offenbart.
  • DE 23 22 602 A1 offenbart ein Läpp-Kissen mit einer Faserblattstruktur bzw. Fliesstruktur. Die Fliesstruktur besteht aus verfilzten Fasern, welche Poren aufweisen, in die synthetische hochmolekulare Materialien eingebracht sind. Eine verfilzte Matte wird aus natürlichen oder synthetischen Fasern gebildet. Ferner wird ein Anwendungsbeispiel erläutert, in welchem die verfilzte Matte aus einem dreidimensional verfilzten Nylonfasermaterial besteht.
  • DE 198 35 983 A1 offenbart ein Verfahren zur Verbesserung der Haftfestigkeit von zu Verstärkungszwecken in thermoplastischen Kunststoff eingebrachten cellulosischen Naturfasern. Kunststoffe können mit organischen Fasern aus Holz-Cellulose und Einjahrespflanzen versetzt werden. Die Holzfasern bzw. die Naturfasern werden gemäß dem offenbarten Herstellverfahren für die Weiterverarbeitung in Schmelzprozessen zuvor singularisiert. So können aus versponnenen Jutefasern durch Schneidverfahren Stapelfasern geeigneter Länge gewonnen werden. Dies findet vor oder nach der Applikation von harzartigen Duroplasten zur Verbesserung der Haftfestigkeit mit thermoplastischen Kunststoffen statt. Diese Kurzschnittfasern sind rieselfähig und damit für die weitere Verwendung in Schmelzprozessen brauchbar, welche Spritzguss-, Extrusions- und weitere Verfahren umfassen und aus welchen beispielsweise Kunststoff-Compound wie Spritzguss-Granulat, Formkörper, umhüllte Stapelfaser, Pellet oder Extrudat hergestellt werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen mit vertretbarem Aufwand herstellbaren Faserverbundstoff mit günstigen Materialeigenschaften bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Faserverbundstoff, einem Gleitbrettkern, einem Gleitbrett und einem Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundstoffs mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Faserverbundwerkstoff geschaffen, der auf Basis von Holzfasermatten aus untereinander verfilzten Holzfasern hergestellt ist, in die duroplastische und/oder elastomere Kunststoffe eingebracht sind.
  • Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Gleitbrettkern geschaffen, der einen Faserverbundwerkstoff mit den oben beschriebenen Merkmalen aufweist.
  • Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Gleitbrett bereitgestellt, insbesondere ein Ski oder ein Snowboard, das einen Gleitbrettkern mit den oben beschriebenen Merkmalen enthält.
  • Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffs bereitgestellt, wobei bei dem Verfahren der Faserverbundwerkstoff auf Basis von Holzfasermatten aus untereinander verfilzten Holzfasern gebildet wird, in die duroplastische Kunststoffe und/oder elastomere Kunststoffe eingebracht werden.
  • Als Duroplaste, auch Duromere genannt, können insbesondere Kunststoffe angesehen werden, die nach ihrer Aushärtung nicht mehr verformt werden können.
  • Als Elastomere können insbesondere formfeste, aber elastisch verformbare Kunststoffe angesehen werden. Die Kunststoffe können sich bei Zug- und Druckbelastung verformen, finden aber danach wieder in ihre ursprüngliche, unverformte Gestalt zurück.
  • Als Holz kann insbesondere das feste oder harte Gewebe der Sprossachsen (Stamm, Äste, Zweige) von Bäumen angesehen werden. Holz kann insbesondere als Material angesehen werden, das Lignin in die Zellwand einlagert. Somit kann als Holz insbesondere auch ein lignifiziertes (verholztes) pflanzliches Gewebe bezeichnet werden.
  • Als Gleitbrett können insbesondere körperliche Strukturen angesehen werden, die zum Gleiten auf einer festen oder flüssigen Unterlage oder zum Gleiten durch ein Fluid (zum Beispiel Gas, Flüssigkeit) eingesetzt werden können.
  • Erfindungsgemäß können die hervorragenden Eigenschaften des von der Natur optimierten Faserverbundstoffes Holz mit den Vorteilen von Kunststoffen, die in gewünschten Formen in einem Arbeitsgang hergestellt werden können, vereint werden und die oben angeführten Nachteile bezüglich der Inhomogenitäten am Holz und den geringen mechanischen Eigenschaften der Kunststoffe ausgegrenzt werden, wobei die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundstoffes soweit wie möglich denen des Holzes angenähert, aber auch gezielt verändert werden können und trotzdem ein möglichst geringes Gewicht erreicht wird.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Gleitbrettkern aus einem Faserverbundwerkstoff geschaffen, der insbesondere für den Einbau in Skis oder Snowboards geeignet ist. Dieser Faserverbundwerkstoff enthält einen ausreichend hohen Anteil an Holzfasern, welche untereinander vernetzt in Form von Matten mit oder ohne bevorzugter Ausrichtung der Fasern vorliegen, und in die duroplastische oder elastomere Kunststoffe eingebracht werden. Durch die definierbar hohe und vor allem gleichmäßige Holzfaserdichte der Matten wird ein homogener Werkstoff mit gleichmäßigen mechanischen Eigenschaften erreicht, welche aber auch gezielt an unterschiedlichen Stellen im Kern verändert werden können.
  • Erfindungsgemäß weist der Gleitbrettkern einen Faserverbundwerkstoff auf oder besteht daraus, der hergestellt wird auf Basis von Holzfasermatten aus untereinander verfilzten Holzfasern mit oder ohne bevorzugter Ausrichtung, in die duroplastische oder elastomere Kunststoffe eingebracht werden. Das Kunststoffpolymer übernimmt dabei die Funktion des formgebenden Bindemittels.
  • Erfindungsgemäß bieten erwähnte Matten den Vorteil einer gezielt definierbaren und vor allem gleichmäßigen Holzfaserdichte, womit über gewünschte Zonenabschnitte des Kerns auch ein möglichst hoher Anteil an Holzfasern eingebracht werden kann. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften des Kerns im Hinblick auf Biegeelastizität, Schwingungsdämpfung und Dauerstandfestigkeit so weit wie möglich denen des Holzes angenähert und vor allem werden die Dosierungsprobleme der Einspritzverfahren an den dünner werdenden Stellen zu den längsseitigen Enden hin vermieden.
  • Erfindungsgemäß können die mechanischen Eigenschaften je nach Erfordernis an unterschiedlichen Stellen im Kern gezielt verändert werden, wie dies beispielsweise in Kernmitte und an den Kernenden notwendig ist. Dies wird erreicht, indem durch lokale Stapelung der Matten sowie Verdichtung oder Auflockerung der Mattenstruktur Stellen höherer oder niederer Dichte und Steifigkeit geschaffen werden oder indem die Matten eine bevorzugte Faserausrichtung aufweisen, wobei auch mehrere solcher Matten kreuzweise übereinander eingelegt werden können.
  • Als besonders vorteilhaft zeigt sich in diesem Zusammenhang der zuvor erwähnte anatomische Aufbau der Holzfaser aus Zellwänden und Zellhohlräumen, da dadurch das Ziel der Gewichtsreduktion gegenüber schweren anorganischen Kunstfasern selbst bei hohen Faseranteilen gehalten werden kann.
  • Als Kunststoffkomponente kommt jeder duroplastische oder elastomere Kunststoff in Frage, wobei es sich als besonders vorteilhaft zeigt, wenn solche Polymere in die Holzfasermatten eingebracht werden, welche im Zuge der Aushärtung aufschäumen und somit die Porenstruktur der Holzfasern in die Kunststoffmatrix übertragen. Dabei zeichnet die Matte mit der definiert homogenen Faserstruktur die ausschäumbaren Zwischenräume vor und garantiert so eine Schäumung mit gleichmäßig verteilten Poren homogener Größe im Kunststoff.
  • Zudem ist es im Rahmen dieser Erfindung ebenso garantiert, dass - wie bei den reinen Einspritzverfahren - das Einlegen von Inserts für die Aufnahme der Bindungsschrauben oder eine klebefeste Verbindung mit zuvor in die Hohlform eingelegten Laminaten für Ober- und Untergurte oder ähnliches in einem Arbeitsgang mit dem Einlegen der Holzfasermatten möglich ist.
  • Die erwähnten Holzfasern werden beispielsweise in thermo-mechanischen Aufschlussverfahren gewonnen, wie sie in der Faserplattenindustrie seit Jahrzehnten erprobt sind. Sie sind preiswert sowie leicht und versorgungssicher verfügbar. Die Holzfasermatten können daraus mit gezielt bestimmbarer Dichte und beständiger Verfilzung, mit oder ohne Verstärkung durch Kunststofffäden, mit oder ohne vorherige Imprägnierung durch Kunstharze, hergestellt werden.
  • Die Holzfasermatten werden nach Zuschnitt in Hohlformen, welche der Geometrie des fertigen Gleitbrettkernes entsprechen, eingelegt, wobei die Tränkung mit der duroplastischen oder elastomeren Kunststoffkomponente vor dem Einlegen oder auch erst danach in der Form erfolgen kann.
  • Die im Rahmen dieser Anmeldung offenbarten Ausgestaltungen des Faserverbundstoffs gelten auch für den Gleitbrettkern, das Gleitbrett und für das Verfahren. Die im Rahmen dieser Anmeldung offenbarten Ausgestaltungen des Gleitbrettkerns gelten auch für den Faserverbundstoff, das Gleitbrett und für das Verfahren.
  • Die Lage der Holzfasern in der Holzfasermatte kann frei von einer Vorzugsrichtung, d.h. isotrop, sein. Somit können die Holzfasern eine statistische Verteilung hinsichtlich ihrer Orientierung in dem Faserverbundstoff aufweisen, was in allen Richtungen gleichmäßige mechanische Eigenschaften zur Folge hat.
  • Alternativ kann die Lage der Holzfasern in der Holzfasermatte eine Vorzugsrichtung aufweisen, d.h. anisotrop, sein. Somit können die Holzfasern eine geordnete Verteilung hinsichtlich ihrer Orientierung in dem Faserverbundstoff aufweisen, was in unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche mechanische Eigenschaften zur Folge hat.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verbundwerkstoff auf Basis von Holzfasermatten und geschäumten (bzw. schäumenden) elastomeren oder duroplastischen Polymeren sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitgestellt. Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen einen Verbundwerkstoff, der auf Basis von Matten geformt wird, mit Holzfasern aus dem Stamm verholzender Pflanzen/aus thermo-mechanischen Aufschließungsverfahren, in die schäumbare (bzw. schäumende) elastomere oder duroplastische Polymere eingebracht werden, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird daher ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes geformt mit Holzfasern aus dem Stamm verholzender Pflanzen/aus thermo-mechanischen Aufschließungsverfahren und geschäumten elastomeren oder duroplastischen Polymeren geschaffen, wobei als Dichtewerte jene von industriell nutzbaren Nadel- oder Laubhölzern angestrebt werden und ein möglichst hoher Anteil an Holzfasern (zum Beispiel mindestens 30 Gewichtsprozent oder mindestens 50 Gewichtsprozent) vorliegen soll, welche in vorherbestimmbarer gleichmäßiger Verteilung eine Verbindung mit der Schaumstruktur des Polymers eingehen. Erfindungsgemäß kann ein schäumbares elastomeres oder duroplastisches Polymer, beispielsweise Polyurethan, in zuvor bereitgestellte Holzfasermatten eingebracht werden. Wenn der Anteil von Holzfasern im Verbundwerkstoff möglichst hoch gehalten werden soll und zudem die Holzfasern in vorherbestimmbarer gleichmäßiger Verteilung in die Kunststoffmatrix eingebettet werden sollen, kann aus den zuvor beschriebenen Gründen ein geeignetes Verfahren durch Einbringung des Polymers in Holzfasermatten gefunden werden.
  • Ohne sich an ein bestimmtes Verfahren zur Herstellung solcher Matten zu binden, sei hier darauf hingewiesen, dass vor allem Holzfasern aus dem thermo-mechanischen Refinerverfahren verwendet werden können.
  • Es kann das Stammholz zuerst zerkleinert und dann einem Aufschließungsprozess, beispielsweise dem thermo-mechanischen Refinerverfahren, zugeführt werden. Die Holzfasern können getrocknet werden. Da die Holzfasern sich ständig ineinander verhaken und nicht lose gestreut werden können, können diese durch Vernadelung in eine räumlich verfilzte Struktur gebracht werden, wobei zumeist noch geringe Gewichtsteile an Kunstfasern zur Verstärkung der Mattenstruktur mit eingebracht werden. In dieser Form können die Matten dann problemlos manipuliert, in Form geschnitten, gestapelt, transportiert und zwischengelagert werden.
  • Als Polymer kann ein selbsttätig schäumendes Polyurethan eingesetzt werden, was den Vorteil einer langen Erfahrung in Kombination mit Holz mit sich bringt. Die chemische Affinität zu den freien Hydroxylgruppen der zellulosischen, hemizellulosischen und ligninen Moleküle ist zudem gut.
  • Fasermatten können zum Beispiel mit Stärken zwischen 2 mm und 30 mm (oder höher: 50 mm oder mehr) vorgesehen sein. Damit wird für die spätere Kunststoffmatrix ein definierter Raum vorgegeben, in den sie eindringen kann.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein Verbundwerkstoff aus Natur/Holzfaser und geschäumten elastomeren oder duroplastischen Polymeren bereitgestellt sein. Ein solcher Verbundwerkstoff kann mindestens 40% Anteil Holzfasern aufweisen. Ein Verbundwerkstoff kann eine Kombination von Matten unterschiedlicher Dichte/Stärke enthalten. Für einen solchen Verbundwerkstoff kann selbsttätig schäumendes Polyurethan verwendet werden.
  • Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes kann als kontinuierliches Verfahren ausgestaltet sein. Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes kann alternativ als diskontinuierliches Verfahren ausgestaltet sein.
  • Obwohl sich schon eine Reihe von Erfindungen mit faserverstärkten Kunststoffen befassen, ermöglicht keines der bekannten Verfahren die Herstellung eines Verbundwerkstoffes auf der Basis von Matten geformt mit Holzfasern aus dem Stamm verholzender Pflanzen/aus thermo-mechanischen Aufschließungsverfahren und geschäumten elastomeren oder duroplastischen Polymeren, wobei als Dichtewerte jene von industriell nutzbaren Nadel- oder Laubhölzern angestrebt werden und ein möglichst hoher Anteil an Holzfasern vorliegen soll, welche in vorherbestimmbarer gleichmäßiger Verteilung eine Verbindung mit der Schaumstruktur des Polymers eingehen.
  • Der Grund für die geringe Eignung der Holzfaser in den bestehenden Verfahren zur Herstellung von Faser-Polymer-Kompositen liegt in ihren besonderen Charakteristika, welche sie von den übrigen Naturfasern unterscheidet. Im Weiteren soll zunächst auf diese Eigenschaften der isolierten, also aus dem Zellverband gelösten Holzfaser eingegangen werden, welche im Chemismus der Zellwand, dem anatomischen Aufbau des Zellverbandes und den Verfahren zur Lösung der Faserzellen aus diesem Verband, dem sogenannten Aufschließungsverfahren, begründet liegen. Im Folgenden wird mit Faser, Naturfaser, Holzfaser oder Refiner(holz)faser die industriell gewonnene Faser benannt, während der Begriff Faserzelle auf die anatomische Einzelzelle im ursprünglichen Zellverband Bezug nimmt.
  • Grundsätzlich bilden Faserzellen in allen Landpflanzen das Stützund Leitungsgewebe, weswegen sie eher lang gestreckt sind und stärkere Zellwände aufweisen. Die Zellwände der Faserzellen im Stamm verholzender Pflanzen allerdings unterscheiden sich von jenen der restlichen Faserpflanzen mit ein- oder wenigjährigen Wachstumszeiten wesentlich dadurch, dass auf molekularer Ebene zwischen den als lang gezogenen Strängen ausgebildeten makromolekularen Polysacchariden, also der Zellulose und den Hemizellulosen, das davon völlig verschiedene und amorphe Lignin, der "Verholzungs- oder Holzstoff", in hohem Anteil von ca. 20 bis 30 und mehr Gewichtsprozent und in der Art vorliegt, dass es eine Matrix bildet, in der die zellulosischen Fibrillen eingebettet werden. Bei den übrigen Naturfasern bewegt sich der Ligninanteil hingegen im 1stelligen Prozentbereich, bei Hanf beispielsweise zwischen ca. 2 und 5 Gewichtsprozent. Wegen dem hohen Anteil an amorphem Lignin sind die aufgeschlossenen, also isolierten Holzfasern sehr viel spröder als jene der übrigen nicht oder wenig verholzten Faserpflanzen, deren Zellwände fast nur aus den strangförmigen zellulosischen Gerüstsubstanzen aufgebaut werden.
  • Ein entscheidender Vorteil der Refiner-Holzfasern ist allerdings deren gleichbleibende Qualität, die auf den Umstand zurückzuführen ist, dass die Faserzellen im Stammholz von einem über Jahrzehnte bis Jahrhunderte hinweg aktiven Mantel-Kambium aus durch Zellteilung in stetig gleicher Ausgestaltung gebildet wurden. Die Faserzellen verholzender Pflanzen mit Dickenwachstum sind also fest in einen umfangreichen Verband aus mehr oder weniger gleichen oder ähnlichen Zellen eingebunden, wobei sich die langgestreckten Faserzellen der Nadelhölzern sehr ähneln und eine Länge von typischerweise unter 5 mm aufweisen. Demgegenüber ist die Qualität der Fasern aus den nicht verholzenden Pflanzen mit ein- oder wenigjährigem Umtrieb stark von den Wachstumsbedingungen in der oder den betreffenden Vegetationsperioden abhängig. Es ist im Gegensatz zur Faserzelle im Holz das typische anatomische Kennzeichen dieser Faserzellen, dass sie gruppiert zu langgestreckten Faserbündeln aus zum Teil hunderten Einzelzellen und zudem leicht trennbar vom übrigen, nicht faserigen Zellverband auftreten. Bei Flachs, Hanf, Kenaf, Jute und Ramie beispielsweise kommen die Faserbündel im Bast, also dem weichen Teil der Rinde, und somit in Randlage um den Sproß ("Bastfasern") vor, während jene von Sisal eingebettet in Gewebe aus dünnwandigen, zumeist parenchymatischen Zellen im Blatt angeordnet wind ("Blattfasern").
  • Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen der Holzfaser und den übrigen Naturfasern, welche allesamt aus nicht oder wenig verholzenden Pflanzen mit ein- oder wenigjährigem Wachstum gewonnen werden, besteht aber nicht nur im chemischen und anatomischen Aufbau der Faserzelle selbst, sondern bedeutenderweise in der Art der Fasergewinnung. Die Faserzelle im Holz ist fest in einen umfangreichen Verband aus gleichartigen Zellen eingebunden und baut so das Stammholz mit bekannt großen Durchmessern und Höhen auf, während oben beschriebene Bast- oder Blattfasern in Form von leicht zu isolierenden Faserbündeln vorkommen. Daher unterscheiden sich auch die industriellen Verfahren zur Aufschließung und vor allem die Faserprodukte völlig.
  • Mit den Aufschließungsverfahren für Faserpflanzen mit ein- oder wenigjährigem Wachstum können wegen der leichteren Lösung aus der Pflanze diese langen Faserbündel fast vollständig in Ihrer natürlichen Länge isoliert werden. Diese Naturfasern werden somit, abhängig von der Spezies, mit mittleren Längen von ca. 30 cm bis 60 cm gehandelt und können leicht zu Rovings gebündelt, zu Fäden oder Seilen gedreht oder weiter zu Geweben bzw. Vliesen verwoben und, falls erwünscht, auch wieder aufgeschnitten, also in kürzere Abschnitte aufgeteilt werden.
  • Die Aufschließung von Stammholz hingegen benötigt andere Verfahren. Im Rahmen der thermo-mechanischen Refinertechnologie wird es zuerst zerkleinert und die Holzteile anschließend unter Zuführung von Dampf und unter Druck aufgekocht. Da sich nun die Pektine, der "Faserktebstoff", welcher die Einzelzellen aneinander bindet, lösen und das amorphe Lignin plastifiziert, kann das Material einem Scheibenrefiner, einem Mahlwerkzeug, zugeführt werden, wo der Zellverband - im Gegensatz zur Aufschließung der übrigen Faserpflanzen - bis hinunter zur anatomischen Einzelfaser aufgelöst wird ohne diese selbst im größeren Ausmaß zu zerstören. Daneben bleibt aber auch hier noch ein gewisser Anteil an Faserbündel bestehen, die natürlich größere Abmessungen besitzen, wenn auch weit unter den zuvor beschriebenen. Der so gewonnene Holzfaserstoff, auch TMP(Thermo-mechanical Pulp) oder Refinerfasern genannt, weist daher bezüglich der Längen seiner Faserbestandteile einen weiten Bereich von wenigen 1/10 mm bis zu über 35 mm auf, wobei allerdings der Mittelwert im Bereich etwas unterhalb der natürlichen Länge der Einzelfaser zu liegen kommt, so etwa zwischen 2 mm und 4 mm. Eine ähnlich weit ausladende Normalverteilung gilt für deren Durchmesser. Die aus dem Stammholz von Bäumen isolierten Holzfasern bleiben somit in Ihrer Länge deutlich hinter jener der Faserbündel anderer Naturfasern zurück.
  • Es ist ein weiteres typisches Merkmal dieser Refinerfasern, dass sie dazu neigen, sich ineinander zu verhaken und zu watteförmigen Bäuschen zu verfilzen. Das Material ist daher nicht von sich aus streuoder rieselfähig und kann nicht mit einfachen Mitteln gleichmäßig auf ein Band oder in eine Form gelegt oder gestreut werden. Die homogene Verteilung der Fasern in der späteren Kunststoffmatrix ist jedoch eine entscheidende Zielsetzung, da ja einer der Vorteil des Kompositwerkstoffes gerade auch in der Vermeidung der inhomogenen Charakterstika der Naturstoffe liegt. Weiters ist wegen der geringen Längen und der Sprödigkeit der Holzfaser ein Verspinnen zu Fäden, Seilen u.ä. sowie ein weiteres Verweben nicht möglich.
  • Ein Faserverbundwerkstoff bzw. ein Gleitbrettkern gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann als Basis für einen Ski (zum Beispiel einen Alpin-Ski oder einen Langlaufski oder einen Mono-Ski), ein Snowboard, ein Surfbrett, , Automobilverkleidungen, Flugzeugverkleidungen, Möbelteile, Paneele und sonstige Verkleidungselemente für den Innenbereich und für den Außenbereich, etc. vorgesehen sein. Andere Anwendungsgebiete sind möglich.
  • Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 zeigt einen Gleitbrettkern mit eingelassenem Insert zur späteren Aufnahme von Schrauben für einen Bindungsbereich eines Skis gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • Fig. 2 zeigt einen Gleitbrettkern mit lokal verdichteten Bereichen gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • Fig. 3 bis Fig. 7 zeigen verschiedene Kombinationen von Holzfasermatten gleicher oder unterschiedlicher Dichten gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
    • Fig. 8 und Fig. 9 zeigen Bilder von rohen Holzfasermatten zum Beispiel als Basis für Gleitbrettkerne gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
    • Fig. 10 zeigt ein Insert, das in einen Faserverbundstoff gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung eingesetzt ist.
    • Fig. 11 bis Fig. 13 zeigen einen Faserverbundstoff, wie er insbesondere für Gleitbrettkerne geeignet ist, gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
  • Die Darstellungen der Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
  • Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Gleitbrettkerns 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Der Gleitbrettkern 100 ist aus einem Faserverbundstoff hergestellt, der auf Basis einer Holzfasermatte aus untereinander verfilzten Holzfasern 102 gebildet ist, in die ein duroplastischer oder elastomerer Kunststoffe eingebracht ist. Dieser ist, wie mit Bezugszeichen 104 angedeutet ist, in Zwischenräume zwischen den verfilzten Holzfasern 102 vorgesehen.
  • Der Gleitbrettkern 100 kann als Basis für einen Ski vorgesehen sein und zeichnet sich dadurch aus, dass die verfilzten Holzfasern 102 eine bevorzugte Richtung aufweisen, nämlich parallel oder im Wesentlichen parallel zur horizontalen Abmessung des Gleitbrettkerns 100 gemäß Fig. 1.
  • In den Gleitbrettkern 100 ist ein Insert 106 mit einem Schraubengewinde gebildet, das mittels einer Schraube oder eines anderen Befestigungselements zum Beispiel mit einer Skibindung oder einem anderen anzukoppelnden Element fest verbunden werden kann.
  • Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines Gleitbrettkerns 150 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Der Gleitbrettkern 150 weist infolge entsprechender Bearbeitung der Holzfasermatten mittels lokalen Verdichtens unterschiedliche Dichten und Holzfaseranteile an unterschiedlichen Gleitbrettkernzonen auf. Genauer gesagt ist ein Bereich 152 des Gleitbrettkerns 150 mit einer geringeren Dichte vorgesehen als ein Bereich 154 des Gleitbrettkerns 150 mit einer höheren Dichte. Dies kann zum Beispiel mittels Ausübens von Druck auf den Bereich 154 des Gleitbrettkerns 150 erreicht werden.
  • Fig. 2 zeigt somit einen Gleitbrettkern 150, bei dem Zonen 152, 154 unterschiedlicher Dichte durch Verdichten der ursprünglich homogenen und konstant dichten Holzfasermatte an lokalen Stellen im Gleitbrett 150 geschaffen werden, wie sie beispielsweise zur Schaffung der typischen dreidimensionalen Form samt den an den Gleitbrettenden angehobenen Spitzen notwendig ist. Ein wichtiger Punkt in der Ausführung zu den Dichtezonen im Board ist nämlich der Umstand, dass auch bei Verwendung einer ursprünglich homogenen Holzfasermatte mit ursprünglich konstanter Dichte Zonen 152, 154 unterschiedlicher Dichte entstehen, wenn die typische dreidimensionale Form des Gleitbrettkernes 150 (in der Boardmitte 8 mm stark, an den Enden nur mehr 3 mm) durch reine Verdichtung an den Boardenden geschaffen wird.
  • Fig. 2 illustriert daher die Schaffung von Zonen 152, 154 unterschiedlicher Dichte durch lokale Verdichtung der ursprünglich homogenen Holzfasermatten konstanter Dichte, beispielsweise in longitudinaler Richtung zu den Enden des Gleitbrettkerns 150 hin. Auch bedingt dadurch, dass sich der Gleitbrettkern 150 zu den Spitzen hin verjüngt und so eine dreidimensionale Form bildet. In Fig. 2 ist auch eine Anhebung der Kernform an den Gleitbrettspitzen gezeigt (Stärken im Vergleich zu Länge überhöht dargestellt).
  • Fig. 3 bis Fig. 7 zeigen verschiedene mögliche Kombinationen von Holzfasermatten unterschiedlicher Dichten mit einem Kunststoff, die zum Beispiel für einen Faserverbundwerkstoff gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet werden können.
  • Fig. 3 zeigt einen auf einer Holzfasermatte basierenden Faserverbundwerkstoff 200, bei dem miteinander verfilzte Holzfasern 102, eingebettet in eine Matrix 104 aus einem Kunststoff, gezeigt sind. Die Holzfasermatte kann zum Beispiel eine relativ niedrige Dichte von beispielsweise 0,05 g/cm3 bis 0,15 g/cm3 aufweisen (wobei hier der Kunststoff 104 nicht eingerechnet ist).
  • Fig. 4 zeigt einen auf einer Holzfasermatte basierenden Faserverbundwerkstoff 300 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier sind verfilzte Holzfasern 102 vorgesehen, die in eine Kunststoffmatrix 104 eingebettet sind. Allerdings ist bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 die Holzfasermatte mit einer höheren Dichte vorgesehen als gemäß Fig. 2, beispielsweise ca. 0,20 g/cm3.
  • Fig. 5 zeigt einen auf Holzfasermatten basierenden Faserverbundwerkstoff 400 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieser ist geformt, indem nach Art eines Höhenschichtmodells zwei auf Holzfasermatten gleicher Dichte basierende Faserverbundwerkstoffplatten 200 übereinander angeordnet und aneinander verbunden sind, zum Beispiel verklebt sind. Es ist einerseits möglich, die beiden Faserverbundwerkstoffplatten 200 erst nach Aushärten der jeweiligen Kunststoffe 104 miteinander zu verbinden, zum Beispiel zu verkleben oder zu verschrauben. Es ist andererseits möglich, zwei Holzfasermatten gleicher Dichte aneinander anzulegen und gemeinsam zu einem Faserverbundwerkstoff zu verarbeiten, indem nach dem Anlegen ein Kunststoff 104 in beide Holzfasermatten eingebracht und ausgehärtet wird, um dadurch die Faserverbundwerkstoffplatten 200 zu bilden und gleichzeitig miteinander zu verbinden. Fig. 6 zeigt einen Faserverbundwerkstoff 500 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Faserverbundwerkstoffplatte 200 auf Basis einer Holzfasermatte mit einer ersten Dichte mit einer anderen Faserverbundwerkstoffplatte 300 auf Basis einer Holzfasermatte mit einer zweiten Dichte (die größer als die erste Dichte ist) miteinander verbunden sind. Somit kann für das Ausführungsbeispiel von Fig. 5 eine Kombination von Mattentypen unterschiedlicher Dichten für die Formung des Faserverbundwerkstoffs 500 nach Art eines Höhenschichtmodells verwendet werden. Unterschiedliche Holzfasermattendichten können in unterschiedlichen Bereichen des Faserverbundwerkstoffs 500 zum Beispiel dazu dienen, ortsabhängig unterschiedliche Stabilitäts- und/oder Flexibilitätsanforderungen zu erfüllen. Es ist einerseits möglich, die beiden Faserverbundwerkstoffplatten 200, 300 erst nach Aushärten der jeweiligen Kunststoffe 104 miteinander zu verbinden, zum Beispiel zu verkleben oder zu verschrauben. Es ist andererseits möglich, zwei Holzfasermatten unterschiedlicher Dichte aneinander anzulegen und gemeinsam zu einem Faserverbundwerkstoff zu verarbeiten, indem erst nach dem Anlegen ein Kunststoff 104 in beide Holzfasermatten eingebracht und ausgehärtet wird, um dadurch die Faserverbundwerkstoffplatten 200, 300 zu bilden und gleichzeitig miteinander zu verbinden.
  • Fig. 7 zeigt einen Faserverbundwerkstoff 600 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem sind eine Faserverbundwerkstoffplatte 200 auf Basis einer Holzfasermatte mit einer ersten Dichte und eine anderen Faserverbundwerkstoffplatte 300 auf Basis einer Holzfasermatte mit einer zweiten Dichte (die größer als die erste Dichte ist) miteinander lateral verbunden. Anders ausgedrückt sind eine Faserverbundwerkstoffplatte 200 und eine Faserverbundwerkstoffplatte 300 seitlich zueinander bzw. nebeneinander angeordnet und an einer Schmalseite/Seitenfläche miteinander verklebt, so dass sich die Breitseiten/Hauptflächen der Faserverbundwerkstoffplatten 200, 300 nicht berühren. Unterschiedliche Holzfasermattendichten können in unterschiedlichen Bereichen des Faserverbundwerkstoffs 600 zum Beispiel dazu dienen, ortsabhängig unterschiedliche Stabilitäts- und/oder Flexibilitätsanforderungen zu erfüllen. Es ist einerseits möglich, die beiden Faserverbundwerkstoffplatten 200, 300 erst nach Aushärten der jeweiligen Kunststoffe 104 miteinander zu verbinden, zum Beispiel zu verkleben oder zu verschrauben. Es ist andererseits möglich, zwei Holzfasermatten unterschiedlicher Dichte aneinander anzulegen und gemeinsam zu einem Faserverbundwerkstoff zu verarbeiten, indem erst nach dem Anlegen ein Kunststoff 104 in beide Holzfasermatten eingebracht und ausgehärtet wird, um dadurch die Faserverbundwerkstoffplatten 200, 300 zu bilden und gleichzeitig miteinander zu verbinden.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 können Mattentypen unterschiedlicher Dichte in der Längsrichtung des Faserverbundwerkstoffs 600 kombiniert werden, beispielsweise um an spitzen Zonen eine höhere Dichte und Steifigkeit zu erzeugen.
  • Fig. 8 zeigt ein Bild 700 einer Holzfasermatte in Draufsicht als Basis für einen Gleitbrettkern gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Fig. 9 zeigt ein anderes Bild 800 der Holzfasermatte aus Fig. 8.
  • Fig. 10 zeigt mit einem Bild 900, wie ein Insert-Element (zum Beispiel eine Verbindungseinrichtung zum Verbinden einer Faserverbundwerkstoffplatte mit einem anzukoppelnden Element) in eine Holzfasermatte eingefügt ist. Das Insert-Element kann entweder mit in die Holzfasermatte eingegossen werden, indem nach dem Hinzufügen des Insert-Elements die Holzfasermatte mit dem integrierten Insert-Element mittels eines Kunststoffs vergossen wird. Das Insert-Element kann alternativ nach dem Einbringen und Aushärten von Kunststoff in die Holzfasermatte in der resultierenden Faserverbundwerkstoffplatte gebildet werden, indem zum Beispiel das Insert-Element in eine Bohrung der Faserverbundwerkstoffplatte eingesetzt und damit verbunden (zum Beispiel verklebt) wird.
  • Fig. 11 zeigt einen Faserverbundwerkstoff 1000 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem zuvor in die Matte eingedrückte und danach mit eingeschäumte Inserts gebildet sind.
  • Fig. 12 zeigt einen anderen Faserverbundwerkstoff 1100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Fig. 13 zeigt einen Querschnitt einer Faserverbundwerkstoffplatte 1200 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Im Weiteren werden Verfahren zur Fasermattenschäumung gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben.
  • Zum Bilden von Faserverbundwerkstoffen zum Beispiel für Gleitbrettkerne können zum Beispiel Fasermatten des Herstellers Faurecia (Matten aus Nadelholz-Refinerfasern, Flächengewicht 1.200 g/m2 bis 1.800 g/m2; Dichte bei Stärke 8 mm: 0,15 g/cm3 bzw. 0,22 g/cm3) und des Herstellers BO-Systems (Matten aus Nadelholz-Refinerfasern mit Flächengewicht 1.800 g/m2) verwendet werden.
  • Als Insert kann zum Beispiel eine Metallhülse mit Innengewinde verwendet werden, wobei an der Basis diese rund- oder sechseckig ausgreifend vorgesehen sein kann und einen Kunststoffmantel aufweisen kann.
  • Damit kann ein Komposit mit einer Gesamtdichte im Bereich leichter Laub- oder Nadelhölzer (zum Beispiel zwischen 0,40 g/cm3 und 0,45 g/cm3) hergestellt werden. Es ist aber auch möglich, leichtere Komposit-Materialien herzustellen, zum Beispiel mit einer Dichte von 0,35 g/cm3. Der Komposit steht technologisch in Konkurrenz zu Vollholzkernen, die zum Beispiel aus Pappel, Paulownia (Blauglockenbaum aus Ostasien, ein sehr leichtes Holz), Buche, etc. lamelliert hergestellt werden können und eine Dichte über den gesamten lamellierten Querschnitt hinweg von zum Beispiel ungefähr 0,43 g/cm3 aufweisen können. Reine PUR-Kerne (Polyurethan) mit einer Dichte von ca. 0,64 g/cm3 sind ein anderer Vergleichsmaßstab.
  • Der Kern hat Einfluss auf die Board-Eigenschaften eines daraus hergestellten Gleitbrettkerns. Die Anforderungen sind daher bezüglich der Materialkennwerte vorzunehmen, so dass vor allem eine gewünschte Biegesteifigkeit und eine gewünschte Biegeelastizität erreichbar sind. Es ist auch möglich, die Ausreißfestigkeit des eingelegten Inserts, das die späteren Bindungsschrauben aufnehmen kann, an bestimmte Anforderungen für Gleitbretter anzupassen. Zum Beispiel kann eine Normanforderung für solche Gleitbretter bei 4.500 Newton liegen. Es ist auch möglich, Snowboards, die entsprechend hergestellt sind, mit Dauerschwing-, Slap-, Bruch- bzw. Kantenausreißtests zu untersuchen.
  • Holzfasermatten bieten den Vorteil, dass die Inserts vor Schäumung in die Matte eingedrückt werden können und so bei Beaufschlagung des PUR (Polyurethanschaums) fix mit eingeschäumt werden. Dadurch ist eine gute Insert-Ausreißfestigkeit erzielbar, und der Normvorgabewert von 4.500 Newton kann gut erreicht oder sogar überschritten werden.
  • Im Weiteren wird ein Herstellungsverfahren im Detail beschrieben.
  • In einem ersten Schritt kann zum Beispiel Modipur 541 verwendet werden.
  • Hierfür kann zum Beispiel Modipur US 541/22 von Hexcel Composites als FCKW-freies Polyurethansystem (4,4'-Diphenylmethandiisocyanat + Polyol + geringer Prozentsatz Amine als Aktivator) verwendet werden. Die Viskosität des gemischten Systems kann unter 2.000 mPa.s gehalten werden. Als Anwendungsgebiet ist die Skiindustrie zu nennen, vor allem für im Injektionsverfahren hergestellte PUR-Kerne. Bis zu Beginn der Schäumung kann die offene Zeit ca. 30 Sekunden betragen, wobei die Abbindezeit ca. 1 Minute betragen kann.
  • In einem zweiten Schritt kann eine Fasermattenschäumung ohne Form durchgeführt werden. Die Fasermatte kann an beiden Seiten mit einer bestimmten Menge PUR beaufschlagt werden, und das austretende bzw. an der Mattenoberfläche ausschäumte PUR wieder abgenommen werden.
  • In einem dritten Schritt kann die Fasermattenschäumung in Form durchgeführt.
  • Es kann eine eigene Form hergestellt werden. Bei einer Vorgabe der Gesamtdichte von ca. 0,40 g/cm3 und einem Dichteanteil der Matte von ca. 0,20 g/cm3 kann die restliche Menge PUR angemischt werden. Ein Teil (zum Beispiel die Hälfte) davon kann zuerst in eine Form gefüllt werden. Dann kann eine Matte eingelegt werden. Ein anderer Teil (zum Beispiel die andere Hälfte) kann auf die Matte gestrichen werden. Die Form kann zum Beispiel mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch verschlossen werden.
  • Besagte Form kann in einem industriellen Herstellungsprozess auch zur Aufnahme der an Oberseite und Unterseite des Gleitbrettkernes anliegenden Obergurte und Untergurte (zum Beispiel aus Glasfaserverstärkungsvlies) dienen, welche dergestalt im Zuge der PUR-Einbringung gleichzeitig fest mit dem Gleitbrettkern verklebt werden können, und kann die typische dreidimensionale Form des Gleitbrettkernes vorgeben.
  • Es sollte sichergestellt werden, dass die applizierte Menge PUR für eine vollständige Durchdringung der Holzfasermatte ausreicht. Die Gesamtdichte einer entsprechenden Vorrichtung soll bei ca. 0,40 bis 0,45 g/cm3 liegen.
  • Die Schäumung erfolgt relativ schnell. Daher ist die Zeit zum genauen Aufstreichen des PUR kurz, so dass dieser Verfahrensschritt ausreichend schnell durchgeführt werden sollte.
  • In einem vierten Verfahrensschritt kann eine Optimierung über ein PUR-System durchgeführt werden.
  • Hierbei sind Anforderungen an die geringe Viskosität zur besseren Durchtränkung und eine ausreichend lange offene Zeit und ein ausreichend gutes Handling zu beachten.
  • Es kann als System Modipur US 23 von Hexcel Composites verwendet werden. Dies ist ein reines Isocyanat-Prepolymer (Hauptteil 4,4'-Diphenylmetandiisocyanat mit einem bestimmten Gehalt an höherfunktionellen Isocyanaten). Die Viskosität kann ca. 200 mPa.s betragen. Ein Aushärten kann zum Beispiel mit Luft- bzw. Holzfeuchte durchgeführt werden. Dementsprechend ist ohne Beschleunigung des Aushärteprozesses eine relativ lange offene Zeit vorgesehen, beispielsweise mehr als 12 Stunden. Eine wesentliche Beschleunigung der Aushärtung kann durch Beaufschlagung von Wärme erreicht werden.
  • Bei Verwendung eines Modipur US 23 (Isocyanat) plus Modipur US 566 mod.5 (Polyol) kann eine Mischung von 100 Gewichtteilen US 566 zu 135 Gewichtteilen US 23 erfolgen. Das PUR-System kann mit längerer offener Zeit verwendet werden.
  • Durch diese Verfahrensführung kann das Handling bei der Imprägnierung stark verbessert werden.
  • Es kann zur Verringerung der Viskosität die Komponente "Polyol Modipur US 541 oder Modipur US 566 mod.5" auf ca. 30 °C bis 35 °C erwärmt werden. Die Zähigkeit des gemischten Systems kann derart entsprechend geringer (dünnflüssiger) werden, während sich die Startzeit, das Zeitfenster vom Mischen der Komponenten bis zum Beginn der Schäumung, nicht soweit absenkt, dass nicht trotzdem ein gutes Handling gewährleistet werden kann. Die Durchtränkung der Holzfasermatte mit einem festgelegten Verhältnis von beispielsweise 1 Gewichtsteil Holzfasermatte (mit ca. 8 mm Dicke und ca. 0,20 g/cm3) auf 1 Gewichtsteil angemischtes PUR kann so weiter verbessert werden. Dies hat sich als vorteilhafter erwiesen als ein Erwärmen beider Komponenten (Isocyanat und Polyol). Zwar verringert sich in letztem Fall die Viskosität weiter, allerdings tendiert die Startzeit hin zu einem nicht bevorzugten Wert.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Druckbeaufschlagung vorgesehen werden, was ein besseres Fördern des PUR in die Mattenmitte durch höhere Drücke möglich macht. Auch können unverdichtete Holzfasermatten, welche bei gleichem Flächengewicht von 1.800 g/m2 eine Stärke von beispielsweise 35 mm und somit eine Dichte von lediglich ca. 0.05 g/cm3 haben, verwendet werden. In beiden Fällen ist es möglich, nach Aufbringen des PUR die Matte soweit unter Pressdruck zu setzen, dass sie unter die gewünschte Enddicke zusammengedrückt wird und das PUR so einheitlich bis zur Mattenmitte gefördert wird. Daran anschließend und noch vor Beginn der Schäumung wird der Druck wieder weggenommen und die Form auf die zu erzielende Enddicke zurückgenommen, womit sich die Matte wieder entspannt und zudem im Zuge der Schäumung durch den Schaumdruck von innen auf die Enddicke zurückgeführt wird.
  • Ein Beispiel für die Dimensionierung eines Gleitbretts ist eine in longitudinaler Richtung von Gleitbrettmitte zu den Spitzen hin abnehmende Dicke von ca. 8 mm auf ca. 3 mm, eine Breite von ca. 24 cm bis ca. 29 cm und eine Länge von ca. 155 cm.
  • Der Holzfaseranteil an der Gesamtmasse des Komposits kann zum Beispiel größer 50% sein, oder aber auch 30 % oder mehr. Ein geeigneter Bereich für den Massenanteil der Holzfaser liegt zwischen 20% und 70 %, insbesondere zwischen 40% bis 60 %.
  • Geeignete Dichtezonen liegen bei einem Gleitbrettkern bei ca. 0,35 g/cm3 bis 0,45 g/cm3. In höherverdichteten Bereichen sind aber auch Dichten von ca. 0,65 g/cm3 und mehr möglich. Neben einer hohen Stabilität ist aber auch ein leichtes Gewicht erstrebenswert, so dass ein bevorzugter Wertebereich zwischen 0,30 g/cm3 und 0,65 g/cm3 liegt, insbesondere zwischen 0,35 g/cm3 und 0,45 g/cm3.
  • Holzfasermatten weisen gegenüber sonstigen Naturfasermatten für die Erfindung signifikante Vorteile auf. Hierzu zählen die gleichbleibende Qualität der Holzfasern aufgrund der zuvor beschriebenen biologischen Zusammenhänge gegenüber den von Erntejahr zu Erntejahr stark schwankenden Qualitäten von Naturfasern aus 1-jährigem oder wenigjährigem Wachstum. Die wesentlich höhere Versorgungssicherheit der Holzfasern ist ein weiterer wichtiger Vorteil , denn schon allein der nachhaltig bewirtschaftete Holzvorrat der Erde ist wesentlich größer als jener anderer wirtschaftlich genutzter Naturfaserplanzen. Ein entscheidender Vorteil der Holzfaser ist somit deren weltweite Versorgungssicherheit, welche zudem ohne die für saisonal angebaute Faserpflanzen typischen Schwankungen im Ernteerfolg zur Verfügung stehen. Zudem stehen Abfallprodukte der Holz- u. Forstwirtschaft für die Zerfaserung zur Verfügung, die erfindungsgemäß verwertet werden können. Zusätzlich haben viele von Holz verschiedene Naturfasern gegenüber Holz den Nachteil ausgeprägter Gerüche. Erfindungsgemäß ist anschaulich ein neuer Holzwerkstoff bereitgestellt.
  • Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsformen. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung und dem erfindungsgemäßen Prinzip auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungsformen Gebrauch macht.
  • Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass "aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und "eine" oder "ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.

Claims (15)

  1. Faserverbundwerkstoff, der hergestellt ist auf Basis von Holzfasermatten aus untereinander verfilzten Holzfasern, in die duroplastische Kunststoffe und/oder elastomere Kunststoffe eingebracht sind.
  2. Gleitbrettkern, der einen Faserverbundwerkstoff entsprechend dem zuvor angeführten Anspruch aufweist.
  3. Gleitbrettkern nach Anspruch 2, der aus dem
    Faserverbundwerkstoff besteht.
  4. Gleitbrettkern nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Lage der Holzfasern in der Holzfasermatte eine bevorzugte Richtung, insbesondere parallel zu einer längeren Abmessung des Kernes, aufweisen.
  5. Gleitbrettkern nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Lage der Holzfasern in der Holzfasermatte frei von einer Vorzugsrichtung ist.
  6. Gleitbrettkern nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei zwei oder mehrere Holzfasermatten mit bevorzugter Ausrichtung der Holzfasern übereinander gelegt sind und diese zueinander in verschiedenen Winkeln gekreuzte Vorzugsrichtungen der Holzfasern aufweisen, insbesondere einen rechten Winkel von 90°.
  7. Gleitbrettkern nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei eine dreidimensionale Formgebung durch Beschneiden oder Abfräsen der Holzfasermatten sowie durch Schichtung von zwei oder mehreren Holzfasermatten in Form eines Höhenschichtmodells erreicht ist.
  8. Gleitbrettkern nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei durch Nutzung einer gleichmäßigen Dichte der Holzfasermatten über deren gesamte Breite und Länge eine gleichmäßige Dosierung des Holzfaseranteils im gesamten Gleitbrettkern erreicht ist.
  9. Gleitbrettkern nach Anspruch 8, wobei der Gleitbrettkern durch Bearbeitung der Holzfasermatten, wie beispielsweise Verdichten oder Auflockern, unterschiedliche Dichten und Holzfaseranteile an unterschiedlichen Gleitbrettkernzonen aufweist.
  10. Gleitbrettkern nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Holzfasermatten mit einem flüssigen duroplastischen oder elastomeren Kunststoff getränkt sind, welcher im Zuge der Aushärtung aufgeschäumt ist und durch die definiert gleichmäßige Struktur der Holzfasermatten die Faserzwischenräume homogen auskleidet.
  11. Gleitbrettkern nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei eine Reduktion der Masse des Verbundwerkstoffes durch Einbringung eines möglichst hohen Holzfaseranteils, insbesondere eines Holzfaseranteils von mindestens 40%, aufgrund der natürlichen Zellhohlräume erreicht wird.
  12. Gleitbrettkern nach einem der Ansprüche 2 bis 11, ferner aufweisend mindestens eines der folgenden Merkmale:
    der Gleitbrettkern weist eine dreidimensionale Form auf, welche durch Beschneiden oder Abfräsen der Holzfasermatten geformt ist;
    der Gleitbrettkern weist eine dreidimensionale Form auf, welche durch Schichtung von zwei oder mehr Holzfasermatten in Form eines Höhenschichtmodells geformt ist;
    der Gleitbrettkern weist eine dreidimensionale Form auf, welche durch Beschneiden oder Abfräsen der Holzfasermatten sowie anschließender Schichtung von zwei oder mehr zuvor beschnittenen oder abgefrästen Holzfasermatten in Form eines Höhenschichtmodells geformt ist.
  13. Gleitbrett, insbesondere Ski oder Snowboard, das einen Gleitbrettkern entsprechend einem der zuvor angeführten Ansprüche 2 bis 12 enthält.
  14. Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffs, wobei bei dem Verfahren der Faserverbundwerkstoff auf Basis von Holzfasermatten aus untereinander verfilzten Holzfasern hergestellt wird, in die duroplastische Kunststoffe und/oder elastomere Kunststoffe eingebracht werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei aus dem
    Faserverbundwerkstoff ein Gleitbrettkern hergestellt wird.
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