EP3147393B1 - Textile bewehrung mittels garn und verfahren zur vorbereitung eines garns - Google Patents

Textile bewehrung mittels garn und verfahren zur vorbereitung eines garns Download PDF

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EP3147393B1
EP3147393B1 EP16190540.1A EP16190540A EP3147393B1 EP 3147393 B1 EP3147393 B1 EP 3147393B1 EP 16190540 A EP16190540 A EP 16190540A EP 3147393 B1 EP3147393 B1 EP 3147393B1
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EP
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yarn
plasma
mineral
reinforcement
layer
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Matthias Lieboldt
Frank Schladitz
Manfred Curbach
Viktor Mechtcherine
Maik Fröhlich
Urte Kellner
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Leibniz Institut fuer Plasmaforschung und Technologie eV
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    • D—TEXTILES; PAPER
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    • E04C5/166—Connectors or means for connecting parts for reinforcements the reinforcements running in different directions

Definitions

  • the invention relates to a textile reinforcement using yarn, so that a component comprising a matrix material and the reinforcement is formed.
  • An aqueous, mineral matrix material for example concrete, can also be used as the matrix material.
  • the invention also relates to a method for preparing a yarn, in particular a multifilament yarn, which can be used as a textile reinforcement, in particular in an aqueous, mineral matrix material.
  • Concrete as a building material is very well suited to absorbing pressure loads. However, it has only a low absorption capacity with regard to tensile stress and shows a pronounced brittle material failure. Concrete components therefore need reinforcement to absorb tensile stresses, for example resulting from bending moments or from constrained stresses (e.g. shrinkage, temperature).
  • the combination of concrete and reinforcement that absorbs tensile forces creates a high-performance building material.
  • the reinforcement can be installed in various geometrical configurations, mostly using lattice structures or rods. So far, construction steel has been used as the material, which, depending on the exposure, has to be protected against corrosion with concrete covers of up to 5.5 cm.
  • Textile-reinforced concrete or textile-reinforced concrete is a composite material made of concrete and a textile fabric.
  • the textile scrim serving as reinforcement preferably consists of multifilament yarns, AR glass, carbon and/or basalt being used as materials.
  • the individual multifilament yarns referred to below as rovings, are composed of several thousand filaments.
  • the filament diameters are in a range between approx. 7 ⁇ m (carbon) and 20 ⁇ m (AR glass). If the rovings were laid uncoated in the concrete, only the outer filaments of the rovings would bond with the concrete.
  • the inner filaments regularly have no connection to the concrete matrix. This means that primarily only the outer filaments are involved in the load transfer and the potential load-bearing capacity of the yarns is not fully utilised.
  • the roving or the textile is provided with a polymer coating with regard to the filaments or an impregnation of the entire roving, which infiltrates into the structure.
  • styrene butadiene and epoxy resin are mainly used as coating materials.
  • the bonding behavior between the inner filaments of the yarns is improved and the load-bearing reserves of the yarn material are thus better utilized.
  • the bond between the yarn and the surrounding fine concrete is increased.
  • the load-bearing capacity of the coated structures is therefore significantly higher than that of the uncoated rovings or textiles.
  • the load is transferred in the same way with bar-shaped reinforcements made of fiber-reinforced plastic.
  • the reinforcement materials typically used, such as carbon, and also the concrete as a matrix material are significantly more temperature-resistant and durable than the plastic coating that encases the reinforcement material and connects it to each other and to the matrix material.
  • the coating which as a boundary layer is particularly decisive for the crucial bond to the surrounding matrix of the component, therefore essentially determines the temperature and fire behavior, the long-term behavior and the time-dependent deformation behavior of textile concrete under load (creeping). Therefore, the properties of the coating material are of great importance.
  • the current reinforcements comparable to fiber-reinforced plastics, have a flat or rod-shaped coating or a binding matrix, which, however, is neither very temperature-resistant nor durable.
  • the problem with the plastics used to date is that they are usually very temperature-sensitive, depending on the system used. From temperatures between 40 °C and 120 °C, the positive effect of the coating decreases. Softening significantly reduces their function.
  • a component verification in case of fire usually requires a temperature resistance of the coating of up to 600 °C.
  • continuous stress on the plastics can lead to pronounced creeping of the coating and thus to an unwanted, very significant increase in deformation of the composite component.
  • the durability that plastics have for a limited time can lead to embrittlement and/or aging, particularly due to the alkaline environment in the concrete.
  • the polymer dispersions used to increase the utilization of the theoretical yarn strength can be applied to the yarn structures relatively cheaply in terms of production technology and are also able to infiltrate the structures more easily.
  • the properties of the coated reinforcement structures can be specifically adjusted to the handling requirements. This applies to deformability, for example.
  • the polymers are usually applied in the form of dispersions to flat textile structures using coating rollers and then thermally dried and crosslinked using infrared radiation.
  • Rod-shaped fiber reinforcements are manufactured by pultruding with suitable systems of thermoplastic or thermoset resins. The publication describes such a method by way of example U.S. 4,728,387 A .
  • Coating materials that are well suited in terms of their properties in concrete are, for example, aqueous suspensions of mineral inorganic binders.
  • a technological problem with the aforementioned approach is that the uncoated fiber surfaces of multifilament yarns (e.g. carbon) do not have an affinity for the aqueous suspensions of mineral inorganic binders.
  • the known solutions for applying the polymeric coatings can therefore in particular not be transferred to aqueous mineral coatings and matrix systems without adaptations and/or extensions of the technology. Due to the properties of the multifilament yarns that have little affinity for the suspensions, only insufficient encapsulation and/or embedding in the mineral matrix is achieved. Due to the reduced bond, the load-bearing reserves of the fiber structures are only insufficiently utilized.
  • the use of plasma-chemical processes is also known from the publications WO 2007/113444 A2 , JP 2009 197 143 A , WO 2014/142109 A1 and WO 2001/55487 A2 known. That in the pamphlet WO 2007/113444 A2
  • the method described provides for the modification of glass fibers to be used as reinforcement.
  • the chemical modification is carried out by resorting to a surface treatment using a homogeneous plasma in a controlled oxidizing or nitrating gas atmosphere.
  • the aim is to improve the bond with an aqueous impregnation or an organic or inorganic matrix through which the glass fibers are guided after plasma treatment.
  • the plasma treatment in pamphlets JP 2009 197 143 A is described, however, is directed to carbon fibers.
  • the carbon fibers are also to be used in a high-strength composite material.
  • the carbon fibers are impregnated with a synthetic resin and previously treated in a Subjected to inert gas atmosphere. This improves the bond with the synthetic resin.
  • the pamphlet WO 2014/142109 A1 also deals with the treatment of fibers for use in a fiber reinforced synthetic resin, where carbon and glass fibers are provided using a sizing agent. Ozone oxidation, UV radiation and plasma treatment are used to pretreat the fibers. Here, too, the goal is improved wettability with the matrix resin in order ultimately to improve impregnation with the synthetic resin.
  • the object of the invention is therefore to improve the wettability of yarns or rovings, in particular multifilament yarns, in a simple and inexpensive manner, especially for aqueous mineral coatings, so that additional mineral or metallic layers can be applied to the fiber surface.
  • a method or a process is to be made available with which the fiber surface of reinforcement structures can be made more affinity or more hydrophilic with respect to aqueous suspensions of mineral, inorganic binder matrices.
  • a textile reinforcement with improved wettability and a reinforced component are to be offered.
  • the object of the invention is achieved by a method according to claim 1, a reinforcement according to claim 6 and a use according to claim 12.
  • the plasma treatment only serves to modify the manufacturing process of a fiber.
  • Post-treatment with plasma is intended to improve the mechanical properties.
  • the improved wettability of the filaments or the application of mineral layers can generally significantly increase the bonding behavior or load transfer of reinforcement structures made of multifilament yarns.
  • Additional measures can be taken to improve the composite properties, for example by profiling the yarns or structures. These can be carried out by locally applying resin systems, which in turn behave problematically with regard to higher temperatures and/or the effects of fire.
  • a targeted modification of the fiber surface e.g. carbon, AR glass, basalt
  • another substance here for example in the form of an aqueous suspension with very fine mineral substances.
  • the plasma interacts with the fiber surfaces or with the fiber size applied during production.
  • the surface energy can be adjusted in a targeted manner through the interaction plasma - surface in the form of a change in the molecular structures on the surface and the associated increase in the proportion of polar bonds , which leads to an improvement in the wettability or reactivity with the coating/impregnation material.
  • boundary conditions are especially process parameters such as the composition of the process gases, process time, excitation frequency and power, pressure and gas throughput.
  • the approach to activating the fiber surfaces can also be transferred to other matrix systems such as polymer dispersions or various resin systems.
  • the layer application process is based on plasma-chemical processes (PECVD method, English: plasma-enhanced chemical vapor deposition), in which a precursor corresponding to the ceramic material, e.g. HMDSO (hexamethyldisiloxane) or TEOS (tetraethylorthosilicate), is used.
  • PECVD method plasma-enhanced chemical vapor deposition
  • HMDSO hexamethyldisiloxane
  • TEOS tetraethylorthosilicate
  • electrically conductive contacting of carbon structures has hitherto been produced by pressing on metallic sleeves or strips.
  • metallic layers By applying metallic layers using the PVD process, electrically conductive yarns (carbon) can be permanently contacted.
  • the PVD process is based on the atomization of conductive material, which condenses on the yarn structure in the course of the coating process and is thus deposited there. Magnetron sputtering with argon as the working gas is used as the sputtering process.
  • the ultimate goal for the primary application is to increase the bond properties between the individual filaments and the mineral matrix both within the yarns and outside of the surrounding mineral matrix in cement-bound components.
  • the mineral matrix instead of the mineral matrix, other matrix systems are also conceivable.
  • PECVD Plasma-enhanced chemical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • the plasma can burn directly at the substrate to be coated (direct plasma method) or in a separate chamber (remote plasma method).
  • the application can be done over the entire surface or gradually.
  • the gradual or section-by-section application enables a dosed introduction of the bonding forces in order to control the load-deformation behavior and failure behavior of the material according to the respective requirements.
  • end anchorages of prestressed reinforcement structures can be produced by applying ceramic layers.
  • prestressed reinforcement structures e.g. carbon, AR glass, basalt
  • ceramic layers With carbon, these have the additional advantage that the lateral pressure sensitivity for grasping the reinforcements is reduced.
  • the electrical contacting of carbon by applying metals enables a low-resistance and permanent connection.
  • the object of the invention is also achieved by a textile reinforcement according to claim 6 and a component reinforced in this way according to claim 11.
  • FIG. 1 shows schematically an embodiment of a reinforcement according to the invention comprising a yarn 1 and a detail of the yarn 1, in particular a multifilament yarn.
  • the multifilament yarns or rovings form a scrim.
  • the treatment of the roving according to the invention takes place only as a partial modification 2 in order to enable the application of mineral layers, here a ceramic as an additional mineral layer 3, at the nodes of the fabric.
  • FIG. 2 shows schematically an embodiment of a yarn 1 according to the invention, which instead of a full-area modification 2, ie treatment of the surface or application of another material, also has the modification 2 in sections or only at the end. It is important how the forces are transmitted to the matrix material, especially while avoiding the matrix material being torn out by overload. The treatment in the end area ensures improved end anchorage 4. Shown is the application of a ceramic as an additional mineral layer 3.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine textile Bewehrung mittels Garn, so dass ein ein Matrixmaterial und die Bewehrung umfassendes Bauteil gebildet wird. Als Matrixmaterial kommt auch ein wässriges, mineralisches Matrixmaterial, beispielsweise Beton, in Betracht. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Vorbereitung eines Garns, insbesondere Multifilamentgarn, das als textile Bewehrung insbesondere in einem wässrigen, mineralischen Matrixmaterial zum Einsatz kommen kann.
  • Der Baustoff Beton ist sehr gut geeignet zur Aufnahme von Druckbelastungen. Er besitzt jedoch nur ein geringes Aufnahmevermögen hinsichtlich einer Zugbeanspruchung und zeigt ein ausgeprägt sprödes Materialversagen. Daher benötigen Betonbauteile zur Aufnahme von Zugspannungen, beispielsweise resultierend aus Biegemomenten oder aus Zwangsspannungen (z. B. Schwinden, Temperatur), eine Bewehrung. Durch die Kombination von Beton und zugkraftaufnehmender Bewehrung entsteht ein hochleistungsfähiger Baustoff. Die Bewehrung kann hierbei in verschiedenen geometrischen Anordnungen eingebaut werden, wobei meistens gitterförmige Strukturen oder Stäbe zur Anwendung kommen. Als Material wird bisher Baustahl eingesetzt, der in Abhängigkeit vorliegender Expositionen mit Betonüberdeckungen von bis zu 5,5 cm gegen Korrosion geschützt werden muss. Zur Reduzierungen der Betonüberdeckungen wird deshalb seit mehreren Jahren an korrosionsunempfindlichen Materialien wie Carbon oder alkaliresistentem Glas (AR-Glas) geforscht und es werden Bewehrungen aus diesen Materialien für eine breite baupraktische Anwendung vorbereitet. Ein erster Schritt wurde mit dem Verbundmaterial Textilbeton erreicht.
  • Textilbeton oder auch textilbewehrter Beton ist ein Verbundwerkstoff aus Beton und einem textilen Flächengebilde (Gelege). Das als Bewehrung dienende Textilgelege besteht bevorzugt aus Multifilamentgarnen, wobei als Werkstoffe AR-Glas, Carbon und/oder Basalt eingesetzt werden. Die einzelnen Multifilamentgarne, nachfolgend als Roving bezeichnet, sind aus mehreren tausend Filamenten zusammengesetzt. Die Filamentdurchmesser liegen in einem Bereich zwischen ca. 7 µm (Carbon) und 20 µm (AR-Glas). Würde man die Rovings unbeschichtet in den Beton einlegen, würden sich lediglich die äußeren Filamente der Rovings mit dem Beton verbinden. Die inneren Filamente haben regelmäßig keine Verbindung zur Betonmatrix. Somit werden sich in erster Linie nur die äußeren Filamente an der Lastabtragung beteiligen und die potenzielle Tragfähigkeit der Garne wird nicht ausgenutzt.
  • Zur gewünschten Beteiligung aller Filamente am Lastabtrag wird der Roving bzw. das Textil mit einer Polymerbeschichtung bezüglich der Filamente bzw. einer Imprägnierung des gesamten Rovings versehen, die in die Struktur infiltriert. Als Beschichtungsmaterialien kommen heute überwiegend Stryrolbutadien und Epoxidharz zum Einsatz. Das Verbundverhalten zwischen den inneren Filamenten der Garne wird verbessert und damit werden die Tragreserven des Garnmaterials stärker ausgenutzt. Gleichzeitig wird auch der Verbund zwischen Garn und umgebendem Feinbeton gesteigert. Die Tragfähigkeit der beschichteten Strukturen ist damit deutlich höher als die der unbeschichteten Rovings bzw. Textilien. In gleicher Weise erfolgt die Lastabtragung auch bei stabförmigen Bewehrungen aus faserverstärktem Kunststoff.
  • Die typischerweise verwendeten Bewehrungsmaterialien, wie beispielsweise Carbon, und auch der Beton als Matrixmaterial sind deutlich temperaturbeständiger und dauerhafter als die Kunststoffbeschichtung, die das Bewehrungsmaterial umhüllt und untereinander und mit dem Matrixmaterial verbindet. Die Beschichtung, die als Grenzschicht insbesondere für den entscheidenden Verbund zur umgebenden Matrix des Bauteils maßgebend ist, bestimmt daher wesentlich das Temperatur- bzw. Brandverhalten, das Dauerstandverhalten und das zeitabhängige Verformungsverhalten von Textilbeton unter Last (Kriechen). Deshalb kommt den Eigenschaften des Beschichtungsmaterials eine hohe Bedeutung zu.
  • Neben den vielen herstellungstechnologischen und gebrauchstechnischen Vorteilen besitzen die aktuellen Bewehrungen, vergleichbar mit faserverstärkten Kunststoffen, in flächiger oder stabförmiger Form eine Beschichtung bzw. eine Bindematrix, welche allerdings weder sehr temperaturbeständig noch dauerhaft ist. Das Problem der bisher verwendeten Kunststoffe ist, dass diese in Abhängigkeit des verwendeten Systems zumeist sehr temperaturanfällig sind. Ab Temperaturen zwischen 40 °C und 120 °C lässt die positive Wirkung der Beschichtung nach. Durch Erweichen wird ihre Funktion erheblich gemindert. Bei einem Bauteilnachweis für den Brandfall ist meist eine Temperaturbeständigkeit der Beschichtung von bis zu 600 °C erforderlich. Des Weiteren kann eine andauernde Belastung der Kunststoffe zum ausgeprägten Kriechen der Beschichtung und damit zur ungewollten, sehr deutlichen Verformungszunahme des Verbundbauteils führen. Die Dauerhaftigkeit, die bei Kunststoffen für eine begrenzte Zeit gegeben ist, kann insbesondere durch das alkalische Milieu im Beton zu einer Versprödungen und/oder Alterung führen.
  • Die zur Erhöhung der Ausnutzung der theoretischen Garnfestigkeit eingesetzten Polymerdispersionen lassen sich herstellungstechnologisch relativ günstig auf die Garnstrukturen auftragen und sind auch in der Lage, die Strukturen leichter zu infiltrieren. Durch Modifikation und Anpassung der Polymere können die Eigenschaften der beschichteten Bewehrungsstrukturen gezielt an die Erfordernisse des Handlings eingestellt werden. Dies betrifft beispielsweise die Verformbarkeit. Die Polymere werden meist in Form von Dispersionen über Beschichtungswalzen auf flächige textile Strukturen aufgetragen und mittels Infrarotstrahlung thermisch getrocknet und vernetzt. Stabförmige Faserbewehrungen werden durch Pultrudieren mit geeigneten Systemen aus thermoplastischen oder duroplastischen Harzen hergestellt. Ein solches Verfahren beschreibt beispielhaft die Druckschrift US 4 728 387 A .
  • Während die nach dem Stand der Technik genutzten Polymere eine gute Beschichtung auch von Rovings zulassen, ist dies bei alternativen Materialien, die sehr temperaturbeständig und dauerhaft sind und auch im alkalischen Milieu im Beton nicht zu einer Versprödungen oder Alterung, nicht der Fall. Hinsichtlich ihrer Eigenschaften im Beton gut geeignete Beschichtungsmaterialien sind beispielsweise wässrige Suspensionen mineralischer anorganischer Bindemittel.
  • Es wäre somit sinnvoll eine Methode zu entwickeln, mit der auf die polymere Kunststoffbeschichtung verzichtet werden kann und die Bindung der einzelnen Filamente durch temperaturbeständige Matrices, beispielsweise auf mineralischer Basis, erfolgt. Dies ist vor allem für die Sicherstellung des Hochtemperaturverhaltens (Feuerwiderstand) von hoher Bedeutung. Wenn dazu Multifilamentgarne in kompakter Form durch eine mineralische Bindemittelsuspension geführt werden, erfolgt aufgrund der Partikelgröße der Bindemittelbestandteile eine Infiltrierung nur im äußeren Bereich des Garns, so dass die inneren Filamente unbenetzt bleiben. Ein Lösungsversuch wird mit der Druckschrift US 6 174 5959 B1 angeboten, mit der eine nichtrostende Umhüllung von Stäben, Leitungen oder Rohren erreicht werden soll und die auch als mineralisches Matrixmaterial Zement (vgl. Sp. 8, Z. 63) vorsieht. Dabei kommt es nicht auf statische Aspekte, sondern auf die Dichtheit der Umhüllung an. Dafür werden die Filamentbündel jedoch verdrillt oder nochmals quer zur Hauptfaserrichtung umwickelt. Beides würde Carbonfasern angesichts der geringen Festigkeit quer zur Längsrichtung zerstören. Zweifel an der Ausführbarkeit bleiben daher bestehen, soweit die Offenbarung auf mineralisches Matrixmaterial bzw. auf Carbonfasern (vgl. Sp. 14, Z. 14 - 17) abstellt. Wie hingegen eine für statische Anwendungen wichtige sichere Anbindung zwischen den Fasern und der umgebenden Matrix erreicht werden soll, wird nicht dargelegt, sondern nur behauptet (vgl. Sp. 8, Z. 38 - 39; Sp. 10, Z. 16 - 17). Tatsächlich wird es bisher ungelöste Probleme damit geben, eine angemessene Benetzung der Fasern mit dem Matrixmaterial zu erreichen, sofern ein wässriges, mineralisches Matrix- bzw. Beschichtungsmaterial Verwendung finden soll.
  • Ein technologisches Problem bei dem zuvor genannten Lösungsansatz besteht folglich darin, dass die unbeschichteten Faseroberflächen von Multifilamentgarnen (beispielsweise Carbon) sich nicht affin gegenüber den wässrigen Suspensionen mineralischer anorganischer Bindemittel verhalten. Die bekannten Lösungen zum Auftrag der polymeren Beschichtungen können daher insbesondere nicht ohne Anpassungen und/oder Erweiterungen der Technologie auf wässrige mineralische Beschichtungen und Matrixsysteme übertragen werden. Auf Grund der wenig affinen Eigenschaften der Multifilamentgarne gegenüber den Suspensionen wird eine nur unzureichende Umhüllung und/oder Einbettung in die mineralische Matrix erzielt. Durch den verminderten Verbund werden die Tragreserven der Faserstrukturen nur unzureichend ausgenutzt.
  • Die Nutzung plasmachemischer Prozesse ist auch aus den Druckschriften WO 2007/113444 A2 , JP 2009 197 143 A , WO 2014/142109 A1 und WO 2001/55487 A2 bekannt. Das in der Druckschrift WO 2007/113444 A2 beschriebene Verfahren sieht die Modifikation von als Bewehrung einzusetzenden Glasfasern vor. Die chemische Modifikation erfolgt dabei durch Rückgriff auf eine Oberflächenbehandlung durch ein homogenes Plasma in einer kontrollierten oxidierenden oder nitrierenden Gasatmosphäre. Ziel ist die Verbesserung des Verbunds mit einer wässrigen Imprägnierung oder einer organischen oder anorganischen Matrix, durch die die Glasfasern nach der Plasmabehandlung geführt werden.
  • Die Plasmabehandlung, die in Druckschrift JP 2009 197 143 A beschrieben wird, ist hingegen auf Carbonfasern gerichtet. Die Carbonfasern sollen ebenfalls in einem hochfesten Kompositmaterial zum Einsatz kommen. Hierzu werden die Carbonfasern mit einem Kunstharz imprägniert und zuvor der Behandlung in einer Inertgasatmosphäre unterzogen. Hierdurch wird der Verbund mit dem Kunstharz verbessert.
  • Die Druckschrift WO 2014/142109 A1 befasst sich ebenfalls mit der Behandlung von Fasern zum Einsatz in einem faserverstärkten Kunstharz, wobei Carbon- und Glasfasern unter Verwendung eines Leimungsmittels vorgesehen sind. Zur Vorhandlung der Fasern sind Ozonoxidation, UV-Bestrahlung und Plasmabehandlung vorgesehen. Das Ziel ist auch hier eine verbesserte Benetzbarkeit mit dem Matrixharz, um letztlich die Imprägnierung mit dem Kunstharz zu verbessern.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Benetzbarkeit von Garnen oder Rovings, insbesondere Multifilamentgarnen, auf einfache und kostengünstige Weise zu verbessern, vor allem für wässrige mineralische Beschichtungen, damit auf die Faseroberfläche zusätzliche mineralische oder metallische Schichten aufgetragen werden können. Es soll eine Methode oder ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, womit die Faseroberfläche von Bewehrungsstrukturen affiner bzw. hydrophiler gegenüber wässrigen Suspensionen von mineralischen, anorganischen Bindemittelmatrices gestaltet werden kann. Weiterhin sollen eine textile Bewehrung mit verbesserter Benetzbarkeit und ein bewehrtes Bauteil angeboten werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, einer Bewehrung nach Anspruch 6 sowie einer Verwendung nach Anspruch 12.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Zwar sind plasmachemische bzw. plasmaphysikalische Prozesse an sich bekannt aus dem Stand der Technik:
    • Käppler, Iris; Hund, Rolf-Dieter, Cherif, Chokri: Surface modification of carbon fibres using plasma technique. Autex Research Journal, Band 14, Heft 1, Seiten 34-38, ISSN (Print) 1470-9589, 001: 10.2478/v10304-012-0048-y, March 2014.
    • Hier werden jedoch nur die Oberflächeneigenschaften mittels Plasma manipuliert mit dem Ziel einer besseren Benetzbarkeit der Filamente zum Kleben der Garne, was als Ersatz für die textiltechnische Bindung dienen soll.
  • Lee, Seung-Wook; Lee, Hwa-Young; Jang, Sung-Yeon; Jo, Seong-Mu; Lee Hun-Soo; and Le, Sungho: Tensile Properties and Morphology of Carbon Fibers Stabilized by Plasma Treatment. Carbon Letters, Vol. 12, No. 1 March 2011, pp. 16-20.
  • Hierbei dient jedoch die Plasmabehandlung nur einer Modifikation des Herstellungsprozesses einer Faser. Durch eine Nachbehandlung mit Plasma sollen dabei die mechanischen Eigenschaften verbessert werden.
  • Überraschend zeigte sich nach der erfindungsgemäßen Anpassung und Anwendung derartiger Prozesse auf Garne, insbesondere Multifilamentgarne, für den Einsatz als textile Bewehrung, dass ein verbesserter Verbund der Fasern zur Beschichtung oder zur umgebenden (insbesondere mineralischen) Matrix durch eine Vorbehandlung der Fasern, die eine Modifizierung der Oberfläche zum Ergebnis hat, erreicht werden konnte. Der Ansatz der vorliegenden Erfindung besteht darin, an sich bekannte Methoden und Verfahren auf Basis plasmachemischer und -physikalischer Prozesse zur Verfügung zu stellen und derart zu modifizieren, so dass mit ihnen:
    • die Faseroberfläche von Multifilamentgarnen affiner/hydrophiler gegenüber den wässrigen Suspensionen von mineralischen anorganischen Bindemittelmatrices gestaltet werden kann,
    • auf der Faseroberfläche von Multifilamentgarnen zusätzliche mineralische Schichten (beispielsweise Keramik) zur Steigerung des Verbundes aufgetragen werden können,
    • auf der Faseroberfläche von Multifilamentgarnen zusätzliche elektrisch leitfähige Schichten zur Kontaktierung aufgetragen werden können (beispielsweise für Heizgelege, Sensorik etc.).
  • Durch die verbesserte Benetzbarkeit der Filamente oder das Auftragen mineralischer Schichten kann das Verbundverhalten bzw. der Lastabtrag von Bewehrungsstrukturen aus Multifilamentgarnen generell entscheidend gesteigert werden.
  • Einen vielversprechenden positiven Effekt im Hinblick auf die Steigerung des Verbundverhaltens zeigte sich bei der Plasmabehandlung von Carbongarnen zur Oberflächenmodifizierung (Hydrophilierung), welche nachfolgend in mineralischen Matrices eingebettet wurden. Für die technologische Umsetzung zeigte sich als besonders vorteilhaft, dass sich auf der Faseroberfläche und zwischen den Filamenten im Faserbündel leichter kristalline Strukturen herausbilden können.
  • Zur Verbesserung der Verbundeigenschaften können zusätzliche Maßnahmen, beispielweise durch Profilierung der Garne bzw. Strukturen ausgeführt werden. Diese können durch einen lokalen Auftrag mit Harzsystemen ausgeführt werden, welche sich wiederum problematisch in Bezug auf höhere Temperaturen und/oder Brandeinwirkung verhalten.
  • Bei dem plasmachemischen Prozess wird eine gezielte Modifizierung der Faseroberfläche (beispielsweise Carbon, AR-Glas, Basalt) für einen nachfolgenden Auftrag mit einem weiteren Stoff, hier beispielsweise in Form einer wässrigen Suspension mit mineralischen Feinststoffen, ausgeführt. Im Rahmen der plasmabasierten Modifizierung erfolgt eine Wechselwirkung des Plasmas mit den Faseroberflächen bzw. mit der herstellungstechnologisch aufgebrachten Faserschlichte. In Abhängigkeit der gewählten Prozessparameter (Zusammensetzung der Prozessgase, Prozesszeit, Anregungsfrequenz und -leistung, Druck und Gasdurchsatz) kann durch die Interaktion Plasma - Oberfläche in Form von Änderung der Molekülstrukturen an der Oberfläche und der damit verbundenen Erhöhung des polaren Bindungsanteils die Oberflächenenergie gezielt eingestellt werden, was zu einer Verbesserung der Benetzungsfähigkeit bzw. Reaktionsfähigkeit mit dem Beschichtungs-/ Imprägnierungsmaterial führt.
  • Neben der erwähnten wässrigen mineralischen Suspension sind durch Anpassungen der Prozessbedingungen und der technologischen Randbedingungen auch andere Arten von Beschichtungs-/ Matrixmaterialien denkbar. Solche Randbedingungen sind vor allem Prozessparameter, wie Zusammensetzung der Prozessgase, Prozesszeit, Anregungsfrequenz und -leistung, Druck und Gasdurchsatz.
  • Der Ansatz zur Aktivierung der Faseroberflächen kann somit neben mineralisch basierten Systemen wie bewehrten Beton auch auf andere Matrixsysteme, wie beispielsweise Polymerdispersionen oder verschiedene Harzsysteme übertragen werden.
  • Weiterhin kann das Verbundverhalten der Bewehrungsstrukturen durch die Abscheidung von keramischen Lagen verbessert werden. Der Prozess des Schichtauftrags basiert auf plasmachemischen Prozessen (PECVD-Verfahren, englisch: plasma-enhanced chemical vapour deposition), bei denen ein dem keramischen Material entsprechender Präkursor, z.B. HMDSO (Hexamethyldisiloxan) oder TEOS (Tetraethylorthosilicat), zur Anwendung kommt. Der Auftrag kann abschnittsweise bzw. lokal begrenzt erfolgen (beispielsweise Knoten), so dass der Vorteil der Flexibilität der Bewehrungsstrukturen aus Multifilamentgarnen erhalten bleibt.
  • Elektrisch leitfähige Kontaktierungen von Carbonstrukturen (Heizgelegen) werden, soweit bekannt, bisher durch Aufpressen von metallischen Hülsen oder Bändern hergestellt. Durch den Auftrag von metallischen Schichten, der mittels PVD-Verfahren erfolgt, können elektrisch leitende Garne (Carbon) dauerhaft kontaktiert werden. Das PVD- Verfahren basiert auf der Zerstäubung von leitendem Material, welches im Laufe des Beschichtungsprozesses auf der Garnstruktur kondensiert und somit dort abgeschieden wird. Als Zerstäubungsprozess kommt das Magnetronsputtern mit Argon als Arbeitsgas zum Einsatz.
  • Der Kern der Erfindung liegt vor allem in der Möglichkeit der Plasmatechnologie zur Modifikation der Oberflächeneigenschaften von Materialien, die an sich zwar seit mehreren Jahrzehnten bekannt ist. Die praktische und kommerzielle Anwendung für industrielle Problemlösungen ist mit der Zeit deutlich angestiegen. Die Anwendungsfelder sind dabei sehr verschieden. Neben der Oberflächenmodifikation zum Fügen verschiedener Materialien spielt auch die Oberflächenmodifikation (u. a. mittels Schichtauftrag) zur Verbesserung der Gebrauchseigenschaften eine große Rolle, beispielsweise Kratzschutz, Verspiegelung, Bedruckbarkeit, Barriereschutz etc.
  • Demgegenüber ist der Einsatz der Plasmatechnologie zur Modifikation von Faseroberflächen in Multifilamentgarnen mit dem Ziel einer besseren Benetzbarkeit (Hydrophilierung) mit wässrigen mineralischen Suspensionen trotz der langen Bekanntheit der zugrundeliegenden Technologie nicht bekannt und stellt mit seinem überraschenden Effekt das Wesentliche der vorliegenden Erfindung dar.
  • Das finale Ziel für den vorrangigen Anwendungszweck ist die Erhöhung der Verbundeigenschaften zwischen den einzelnen Filamenten und der mineralischen Matrix sowohl innerhalb der Garne als auch außerhalb zur umgebenden mineralischen Matrix in zementgebundenen Bauteilen. Anstelle der mineralischen Matrix sind auch andere Matrixsysteme denkbar.
  • Eine weitere Neuheit besteht in dem Auftrag mineralischer Schichten (Keramik) mittels PECVD-Verfahren auf (Carbon-) Bewehrungsstrukturen. Die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (englisch plasma-enhanced chemical vapour deposition, PECVD; auch engl. plasma-assisted chemical vapour deposition, PACVD, genannt) ist eine Sonderform der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), bei der die chemische Abscheidung durch ein Plasma unterstützt wird. Das Plasma kann direkt beim zu beschichtenden Substrat (Direktplasma-Methode) oder in einer getrennten Kammer (Remote-Plasma-Methode) brennen.
  • Der Auftrag kann vollflächig oder graduell erfolgen. Der graduelle bzw. abschnittsweise Auftrag ermöglicht eine dosierte Einleitung der Verbundkräfte, um das Last-Verformungsverhalten und Versagensverhalten des Materials den jeweiligen Anforderungen entsprechend zu steuern.
  • Ebenso können Endverankerungen von vorgespannten Bewehrungsstrukturen (beispielsweise Carbon, AR-Glas, Basalt) durch den Auftrag von keramischen Schichten hergestellt werden. Bei Carbon haben diese den zusätzlichen Vorteil, dass die Querdruckempfindlichkeit zum Fassen der Bewehrungen reduziert wird.
  • Die elektrische Kontaktierung von Carbon durch Auftragen von Metallen ermöglicht eine widerstandsarme und dauerhafte Verbindung.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine textile Bewehrung gemäß Anspruch 6 und ein derart bewehrtes Bauteil gemäß Anspruch 11.
  • Wesentliche Vorteile sind beispielsweise:
    • bessere Benetzbarkeit der Filamentoberflächen von Multifilamentgarnen mit wässrigen mineralischen Suspensionen (Hydrophilierung);
    • keine chemische Behandlung zur Aktivierung der Faseroberflächen erforderlich;
    • Anwendbarkeit in einem großtechnischen Herstellungsprozess;
    • eine zusätzliche Kunststoffbeschichtung zwischen Beton und Garnen oder Filamenten ist nicht notwendig;
    • die Bewehrungsstrukturen sind damit temperaturbeständiger und dauerhafter als bisherige Lösungen;
    • durch vollständiges oder graduelles Auftragen keramischer Schichten kann das Verbundverhalten gesteuert werden;
    • eine gradueller Schichtauftrag ermöglicht den Erhalt der Flexibilität der Bewehrung beim Handling;
    • durch Abscheidung metallischer Schichten können Carbonstrukturen leitfähig kontaktiert werden (beispielsweise Heizmatten);
    • die Bewehrungsstrukturen besitzen einen hervorragenden Verbund zum später umgebenden Beton (chemisch kompatible Matrices von Bewehrung und Beton).
  • Durch die verbesserte Benetzbarkeit der einzelnen Filamente werden das Verbundverhalten bzw. der Lastabtrag der finalen Bewehrungsstruktur entscheidend gesteigert. Hierdurch ist eine hohe Ausnutzung der Tragreserven der Garnstrukturen bei der Einbettung in mineralischen Matrixsystemen insbesondere im Hinblick auf das Verhalten von Verbundbauteilen (z. B. aus Textilbeton) bei erhöhten Temperaturen (einschließlich Brandbeanspruchung) erreichbar. Als Bewehrungsstrukturen sind sowohl Stäbe als auch gitterförmigen Strukturen vorgesehen.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen.
  • Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewehrung umfassend ein Garn 1 sowie ein Detail des Garns 1, insbesondere eines Multifilamentgarns. Die Multifilamentgarne bzw. Rovings, bilden ein Gelege. Die erfindungsgemäße Behandlung des Rovings erfolgt nur als partielle Modifikation 2, um an den Knotenpunkten des Geleges, um dort den Auftrag von mineralischen Schichten, hier einer Keramik als zusätzlicher mineralischer Schicht 3, zu ermöglichen.
  • Fig. 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Garns 1, das anstelle einer vollflächigen Modifikation 2, also Behandlung der Oberfläche oder Auftrag eines weiteren Materials, auch abschnittsweise oder nur am Ende die Modifikation 2 aufweist. Dabei ist von Bedeutung, wie die Kräfte auf das Matrixmaterial übertragen werden, v. a. unter Vermeidung eines Herausreißens von Matrixmaterial durch Überlast. Die Behandlung im Endbereich sorgt für eine verbesserte Endverankerung 4. Dargestellt ist der beschichtende Auftrag einer Keramik als zusätzlicher mineralischer Schicht 3.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Vorbereitung eines Garns (1) oder Rovings, bestehend aus Carbon, Basalt oder alkaliresistentem Glas, abgekürzt AR-Glas, insbesondere ein Multifilamentgarn, für einen Einsatz als textile Bewehrung in einem Matrixmaterial, insbesondere einem mineralischen Matrixmaterial, wobei die Oberfläche des Garns (1) oder Rovings mittels eines plasmachemischen und/oder plasmaphysikalischen Prozesses in der Weise modifiziert wird, dass durch die resultierende Modifikation (2) zumindest die Benetzbarkeit verbessert wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf die modifizierte Oberfläche ein Auftrag einer zusätzlichen mineralischen Schicht (3) oder einer zusätzlichen metallischen Schicht erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche des Garns (1) derart vorbereitet wird, dass vollflächig oder graduell die wenigstens eine zusätzliche mineralische Schicht (3) zur Steigerung des Verbundes mit dem Matrixmaterial aufgetragen wird, wobei der Auftrag durch das plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidungsverfahren, abgekürzt PECVD-Verfahren, erfolgt und ein dem mineralischen Material entsprechender Präkursor zur Anwendung kommt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei als zusätzliche mineralische Schicht (3) eine keramische Schicht vorgesehen ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei als Präkursor Hexamethydisiloxan, abgekürzt HMDSO, oder Tetraethylorthosilicat, abgekürzt TEOS, vorgesehen sind.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche des Garns (1) oder Rovings derart vorbereitet wird, dass auf der Oberfläche des Garns (1) oder Rovings wenigstens die zusätzliche metallische Schicht eine elektrisch leitfähige Schicht ist, geeignet zur elektrischen Kontaktierung, die aufgetragen wird indem der Auftrag von den zusätzlichen metallischen Schichten mittels physikalische Gasphasenabscheidungsverfahren, abgekürzt PVD-Verfahren, erfolgt, wobei als Zerstäubungsprozess das Magnetronsputtern mit Argon als Arbeitsgas vorgesehen ist.
  6. Textile Bewehrung, umfassend ein Garn (1) oder Roving, bestehend aus Carbon, Basalt oder alkaliresistentem Glas, abgekürzt AR-Glas, insbesondere ein Multifilamentgarn, das Garn (1) oder Roving an seiner Oberfläche mittels eines plasmachemischen und/oder plasmaphysikalischen Prozesses behandelt und in der Weise modifiziert ist, dass durch diese Modifikation (2) zumindest eine verbesserte Benetzbarkeit erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf die modifizierte Oberfläche eine zusätzliche mineralische Schicht (3) oder eine zusätzliche metallische Schicht aufgetragen ist.
  7. Bewehrung nach Anspruch 6, wobei als zusätzliche mineralische Schicht (3) eine Keramik vorgesehen ist.
  8. Bewehrung nach Anspruch 6, wobei die auf die Oberfläche des Garns (1) aufgetragene wenigstens eine zusätzliche metallische Schicht eine elektrisch leitfähige Schicht (3) ist, die zur elektrischen Kontaktierung geeignet ist.
  9. Bewehrung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, ausgeführt als ein Stab oder eine gitterförmige Struktur.
  10. Bauteil, umfassend ein Matrixmaterial und eine Bewehrung nach einem der Ansprüche 6 bis 8.
  11. Bauteil nach Anspruch 10 , wobei das Bauteil als ein Betonbauteil, umfassend Beton als Matrixmaterial, ausgeführt ist.
  12. Verwendung des als Bewehrung nach Anspruch 8 dienenden Garns (1) oder Rovings zusätzlich als elektrisch aktives Bauteil eines Heizgeleges oder einer Sensoranordnung.
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