EP2646499A2 - Faserverbundkunststoff sowie herstellungsverfahren dazu - Google Patents

Faserverbundkunststoff sowie herstellungsverfahren dazu

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EP2646499A2
EP2646499A2 EP12705231.4A EP12705231A EP2646499A2 EP 2646499 A2 EP2646499 A2 EP 2646499A2 EP 12705231 A EP12705231 A EP 12705231A EP 2646499 A2 EP2646499 A2 EP 2646499A2
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resins
fibers
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Heinrich Zeininger
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Siemens AG
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Definitions

  • the invention relates to a fiber fabric in which
  • Fibers are embedded in a matrix.
  • Fiber reinforced plastics are distinguished compared to metal ⁇ metallic structural materials by a significantly explicat- res specific gravity and higher specific properties.
  • Fiber composite plastics for example, from
  • a composite fiber plastic is a multiphase or mixed material of at least two main components, a bedding matrix and reinforcing fibers.
  • a resin as a fiber, for example, a glass, carbon ⁇ material and / or aramid fiber used.
  • FRP components are used in traditional static constructions and increasingly also in dynamically loaded components or components, such as in turbine components for Energyzeu ⁇ supply, including wind turbines, components for (rail) vehicles, components of electrical equipment (transformers, generators, motors) or in photovoltaics.
  • a fiber is impregnated or infiltrated with the resin.
  • the fibers typically carry at least partially a coating, such as a so-called ⁇ sizing on the surface, on the one hand a smooth fiber surface area for the weaving steps ensures on the other hand produces a compatibilization with the matrix.
  • sizing consists of wet-chemical silane, ester acrylate or epoxy resin compounds and others.
  • the object of the present invention is therefore to provide an FRP which has improved mechanical properties compared to the prior art.
  • the present invention is a fiber composite plastic comprising fibers and a bedding matrix, wherein the surface of the fiber is activated by chemical and / or physical ⁇ cal means so that it reacts upon contact with the bedding matrix with this and so chemical
  • the invention provides a process for producing a fiber composite plastic, wherein the upper surface of the fiber ⁇ is physically and / or chemically activated immediately before embedding in the matrix.
  • Covalent single or multiple bonds are referred to as chemical bonds.
  • Polar or ionic bonds and hydrogen bonds refer to physical, secondary valence bonds.
  • fiber all types of fibers, in particular high-performance fibers can be used, for example, selected from the group of the following fibers: carbon fibers, glass fiber, aramid fiber, polymeric fibers such as polyethylene fiber, polypropylene fiber, polystyrene fiber, polyethylene terephthalate fiber, ceramic fiber such as silicon carbide fiber, alumina fibers or other reinforcing fibers.
  • the fibers may be in the form of a woven, knitted, scrim, braid, non-woven fabric.
  • thermoplastics such as epoxy resins, unsaturated polyester (UP) resins, vinyl ester (VE) resins, thermosets, thermosets and / or synthetic resins.
  • resins can contain all types of fillers, according to a preferred embodiment, nanoscale particles are incorporated into the bedding matrix, for example the resin.
  • the fibers are coated, so that, for example, wet-chemically a size has been applied to the fiber and encapsulates it.
  • the size is for example of silane or epoxy ⁇ materials. Further examples are acrylates and polyurethane Esterverbindun ⁇ gene as well as the entire area of the polymeric resin systems that can be applied as a solution or in a dispersion to the fibers.
  • the Akti ⁇ vation referred by introducing into a plasma, example ⁇ as introduction into a low-pressure or atmospheric-pressure plasma.
  • corona systems are also suitable for physical surface activation.
  • chemical and / or physical activation of the surface of, for example, coated fiber this is put into a reactive state, so brought to an energetic mountain, so that it reacts with everything, with which it comes into contact, and thus into an energy valley falls.
  • the contacting with the bedding matrix accordingly preferably follows directly on the activation so that it is reacted with this matrix and not with the surrounding gases or moisture.
  • the fiber composite plastic is prepared so that the surface of the fiber is physically and / or chemically activated immediately before embedding in the matrix.
  • the physical activation by means of plasma also allows a thin organic or inorganic film to be deposited from the plasma, which then forms the reactive fiber surface, which is also referred to as plasma coating.
  • the vibration load capacity under fluctuating or changing loads can be increased under tensile, bending and shear loads.
  • the figure shows the diagram of a reference glass fiber with epoxy resin in comparison with the flame-silanized and a plasma-activated surface of the glass fiber.
  • the reference had a strength of 12.42 MPa.
  • This Fes ⁇ ACTION could be increased by 50% by a so-called Pyrosil compiler, that is the deposition of a wetting improving silicate layer, therefore also called Flammsilanmaschine, by 25% and replaced with 100 seconds in plasma by 33% and 30 seconds in the plasma
  • the invention shows for the first time which increases in strength can be achieved by improving the adhesion between the fiber and the bedding matrix in FVks.
  • the invention relates to a fiber sheet, embedded in which Fa ⁇ fibers in a matrix. According to the invention an increased mechanical strength is achieved by IMPROVE ⁇ tion of adhesion between the fiber and the matrix.
  • interlaminar shear strength also called gap strength, or Transverse Fiber Bundle Test (TFBT).
  • TFBT Transverse Fiber Bundle Test

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Faserflächengebilde, bei dem Fasern in eine Matrix eingebettet sind. Gemäß der Erfindung wird eine gesteigerte mechanische Festigkeit durch Verbesserung der Adhäsion zwischen der Faser und der Matrix erreicht.

Description

Beschreibung
Faserverbundkunststoff sowie Herstellungsverfahren dazu Die Erfindung betrifft ein Faserflächengebilde, bei dem
Fasern in eine Matrix eingebettet sind.
Faserverbundkunststoffe zeichnen sich im Vergleich zu metal¬ lischen Konstruktionswerkstoffen durch ein deutlich geringe- res spezifisches Gewicht und höhere spezifische Eigenschaften aus .
Es sind Faserverbundkunststoffe beispielsweise aus der
DE 20 2004 008 122 bekannt, sie werden auch als "Organoblech" oder "Hybridgarngewebe" bezeichnet und im Flugzeug-, Schiffs¬ oder Fahrzeugbau sowie in der Energieindustrie eingesetzt, generell bei Leichtbauanwendungen.
Ein Faserverbundkunststoff (FVK) ist ein Mehrphasen- oder Mischwerkstoff aus mindestens zwei Hauptkomponenten, eine bettende Matrix und verstärkende Fasern. Als bettende Matrix wird ein Harz, als Faser beispielsweise eine Glas-, Kohlen¬ stoff- und/oder Aramidfaser eingesetzt. FVK-Bauteile finden Anwendung in klassischen statischen Konstruktionen und zuneh- mend auch in dynamisch belasteten Bauteilen oder Komponenten, beispielsweise in Turbinenkomponenten für die Energieerzeu¬ gung inklusive Windräder, Bauteile für (Schienen-) Fahrzeuge, Komponenten elektrotechnischer Geräte (Trafos, Generatoren, Motoren) oder in der Photovoltaik .
Bei der Herstellung wird eine Faser mit dem Harz imprägniert oder infiltriert. Die Fasern tragen in der Regel zumindest teilweise eine Beschichtung, wie beispielsweise eine so ge¬ nannte Schlichte an der Oberfläche, die zum einen eine glatte Faseroberfläche für die Webschritte gewährleistet zum anderen eine Kompatibilisierung mit der Matrix herstellt. Diese
Schlichte besteht beispielsweise aus nasschemisch aufgebrach- ten Silan-, Ester- Acrylat- oder Epoxidharzverbindungen und anderen .
Es besteht immer der Bedarf, die Steifigkeit, Festigkeit, Reißfestigkeit, (Schlag) -Zähigkeit, die Verbesserung des Be- netzungsverhaltens der Faser sowie die Schwingfestigkeit und Kompaktheit der FVKs zu optimieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen FVK zu schaffen, der gegenüber der Stand der Technik verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist.
Die Lösung der Aufgabe und der Gegenstand der Erfindung sind in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offen- bart .
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass die Adhäsion zwischen der Faser und der bettenden Matrix essentiell für die mechanischen Eigenschaften des FVKs ist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Faserverbundkunststoff, Fasern und eine bettende Matrix umfassend, wobei die Oberfläche der Faser durch chemische und/oder physikali¬ sche Mittel so aktiviert ist, dass sie beim Kontakt mit der bettenden Matrix mit dieser reagiert und so chemische
und/oder physikalische Bindungen zu dem Matrixmaterial auf¬ baut. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffes, wobei die Ober¬ fläche der Faser unmittelbar vor dem Einbetten in die Matrix physikalisch und/oder chemisch aktiviert wird.
Als chemische Bindung werden kovalente Einfach- oder Mehrfachbindungen bezeichnet. Polar oder ionogen aufgebaute Bindungen und Wasserstoffbrückenbindungen bezeichnen physikali- sehe, nebenvalente Bindungen.
Als Faser können alle Arten von Fasern, insbesondere Hochleistungsfasern eingesetzt werden, beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe folgender Fasern: Kohlenstofffasern, Glasfaser, Aramidfaser, polymere Fasern wie Polyethylenfaser, Polypropylenfaser, Polystyrolfaser, Polyethylenterephtalatfa- ser, Keramikfaser wie Siliziumcarbidfaser, Aluminiumoxidfa- sern oder sonstige verstärkende Fasern. Die Fasern können in Form von einem Gewebe, Gewirke, Gelege, Geflecht, Faservlies vorliegen .
Als bettende Matrix können alle Arten von Kunststoffmatrizen eingesetzt werden, beispielsweise Thermoplasten, Harze, wie Epoxidharze, ungesättigte Polyester (UP) -Harze, Vinylester (VE) -Harze Duromere, Duroplaste und/oder Kunstharze. Diese Harze können alle Arten von Füllstoffen enthalten, nach einer bevorzugten Aus führungs form sind nanoskalige Partikel in die bettende Matrix, also beispielsweise das Harz, eingearbeitet.
Nach einer bevorzugten Aus führungs form sind die Fasern beschichtet, so dass beispielsweise nasschemisch eine Schlichte auf die Faser aufgebracht wurde und diese ummantelt.
Die Schlichte ist beispielsweise aus Silan- oder Epoxidharz¬ materialien. Weitere Beispiele sind Acrylate Esterverbindun¬ gen und Polyurethan sowie der gesamte Bereich der polymeren Harzsysteme, die als Lösung oder in einer Dispersion auf die Fasern aufgebracht werden können.
Als "chemische Aktivierung" wird beispielsweise das Kontak¬ tieren der beschichteten oder unbeschichteten Verstärkungsfaser mit Säuren, oxidierenden Säuren, Basen, reduzierenden Ba- sen, Flammsilanisierung, oder ähnliches bezeichnet.
Als "physikalische Aktivierung" wird beispielsweise die Akti¬ vierung durch Einbringen in ein Plasma bezeichnet, beispiels¬ weise Einbringen in ein Niederdruck-, oder Atmosphärendruck- plasma. Weiterhin sind auch Coronasysteme geeignet für die physikalische Oberflächenaktivierung . Durch die chemische und/oder physikalische Aktivierung der Oberfläche der, beispielsweise auch beschichteten, Faser wird diese in einen reaktiven Zustand versetzt, also auf einen energetischen Berg gebracht, so dass sie mit allem, womit sie in Berührung kommt, abreagiert und somit in ein Energietal fällt. Die Kontaktierung mit der bettenden Matrix folgt entsprechend bevorzugt unmittelbar auf die Aktivierung, so dass mit dieser Matrix und nicht mit den umgebenden Gasen oder Feuchte abreagiert wird.
Bevorzugt wird der Faserverbundkunststoff so hergestellt, dass die Oberfläche der Faser unmittelbar vor dem Einbetten in die Matrix physikalisch und/oder chemisch aktiviert wird. Durch die physikalische Aktivierung mittels Plasma kann auch ein dünner organischer oder anorganischer Film aus dem Plasma abgeschieden werden, der dann die reaktive Faseroberfläche bildet, das wird auch als Plasmabeschichtung bezeichnet. Durch die Erfindung werden deutliche Verbesserungen bei den Organoblechen, insbesondere im Hinblick auf
- das Benetzungsverhalten der Fasern und damit eine bessere Infiltration der Polymermatrix
- Steigerung der statischen mechanischen Konstruktionsei- genschaften Modul, Festigkeit, Dehnung in Zug, Schub und
Biegung
- Steigerung der dynamisch-mechanischen Eigenschaften: Die Schwingbelastbarkeit bei schwellender oder wechselnder Belastung kann bei Zug-, Biegung und Schubbelastung ge- steigert werden.
Im Folgenden wird noch anhand einer Figur gezeigt, wie die Festigkeit des FVKs durch die Aktivierung der Faseroberfläche und folgende verbesserte Adhäsion zwischen Faser und betten- der Matrix gesteigert werden konnte: Die Figur zeigt das Diagramm einer Referenz-Glasfaser mit Epoxidharz im Vergleich mit der flammsilanisierten und einer plasmaaktiverten Oberfläche der Glasfaser.
Die Referenz hatte eine Festigkeit von 12,42 MPa. Diese Fes¬ tigkeit konnte durch ein so genanntes Pyrosilverfahren, also die Abscheidung einer Benetzung verbessernden Silikatschicht, daher auch Flammsilanisierung genannt, um 25 % und durch 100 Sekunden im Plasma um 33% und 30 Sekunden im Plasma um 50% gesteigert werden
Die Erfindung zeigt erstmals, welche Festigkeitssteigerungen durch die Verbesserung der Adhäsion zwischen der Faser und der bettenden Matrix bei FVks erreicht werden kann.
Die Erfindung betrifft ein Faserflächengebilde, bei dem Fa¬ sern in eine Matrix eingebettet sind. Gemäß der Erfindung wird eine gesteigerte mechanische Festigkeit durch Verbesse¬ rung der Adhäsion zwischen der Faser und der Matrix erreicht.
Geprüft und nachgewiesen wird eine verbesserte Faser-Matrix- Adhäsion beispielsweise durch interlaminare Scherfestigkeit, auch Spaltfestigkeit genannt oder Transverse Fibre Bündle Test (TFBT) .

Claims

Patentansprüche
1. Faserverbundkunststoff, Fasern und eine bettende Matrix umfassend, wobei die Oberfläche der Fasern durch chemische und/oder physikalische Mittel so aktiviert ist, dass sie beim Kontakt mit der bettenden Matrix mit dieser reagiert und so chemische und/oder physikalische Bindungen zu dem Matrixmate¬ rial aufbaut.
2. Faserverbundkunststoff nach Anspruch 1, wobei die Faser ausgewählt ist aus der Gruppe folgender Fasern: Kohlenstoff¬ faser, Karbonfaser, Glasfaser, Aramidfaser, polymere Faser wie Polyethylenfaser, Polypropylenfaser, Polystyrolfaser, Po- lyethylenterephtalatfaser und/oder Keramikfaser.
3. Faserverbundkunststoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei die bettende Matrix ausgewählt ist aus folgenden Matrices: Ther¬ moplasten, Harze, wie Epoxidharze, ungesättigte Polyester
(UP) -Harze, Vinylester (VE) -Harze, Duromere, Duroplaste und/oder Kunstharze.
4. Faserverbundkunststoff nach einem der vorstehenden Ansprü¬ che, wobei die Mittel zur Aktivierung der Oberfläche der Fa¬ ser ausgewählt sind aus folgender Gruppe: Plasma- und/oder Coronamodifizierung, Säure/Basemodifizierung, oxidative oder reduktive Modifizierung, Flammsilanisierung und/oder Beflam- mung .
5. Faserverbundkunststoff nach einem der vorstehenden Ansprü¬ che, wobei die Oberfläche der Faser zumindest zum Teil eine Beschichtung umfasst.
6. Faserverbundkunststoff nach einem der vorstehenden Ansprü¬ che, wobei die Oberfläche der Faser zumindest zum Teil eine Beschichtung mit einer Schlichte umfasst.
7. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffes, wobei die Oberfläche der Faser unmittelbar vor dem Einbetten in die Matrix physikalisch oder chemisch aktiviert wird.
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