EP3642266A1 - Flächiges halbfertigprodukt mit einer kunststoffmatrix - Google Patents

Flächiges halbfertigprodukt mit einer kunststoffmatrix

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Publication number
EP3642266A1
EP3642266A1 EP18731468.7A EP18731468A EP3642266A1 EP 3642266 A1 EP3642266 A1 EP 3642266A1 EP 18731468 A EP18731468 A EP 18731468A EP 3642266 A1 EP3642266 A1 EP 3642266A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fibers
semi
finished product
matrix
reactive
Prior art date
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Pending
Application number
EP18731468.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Wolf
Claude Hosotte
Philipp Frei
Raphael Schaller
Beat Bruderer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nolax AG
Original Assignee
Nolax AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Nolax AG filed Critical Nolax AG
Publication of EP3642266A1 publication Critical patent/EP3642266A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C08L2205/14—Polymer mixtures characterised by other features containing polymeric additives characterised by shape
    • C08L2205/16—Fibres; Fibrils

Definitions

  • the invention relates to a flat semifinished product, a Ver ⁇ drive for the production of sheet semi-finished products and the use of a sheet semi-finished product according to the preambles of the independent claims.
  • Fiber-reinforced plastics win for making constructive ⁇ tureller components increasingly important. Such components are particularly suitable for use in motorsport, aerospace, rail ⁇ nen poverty- and aircraft. For example, these construction ⁇ share the same performance a lower weight than conventional components made of steel, aluminum or wood on, leading to savings in energy - leads and fuel consumption.
  • Fiber-reinforced plastics can be achieved, for example, by embedding fibers in a plastic matrix and then curing.
  • the plastic matrix is dominated by thermosetting resin systems.
  • the fibers and resin may be combined with suitable hardeners and stored in an uncured state.
  • the crosslinking to a fiber-reinforced plastic then takes place only at a later time ⁇ point.
  • epoxy resins are used as resins.
  • these are storage-stable only for a limited time due to the presence of hardeners and accelerators in the resin matrix.
  • such reactive systems are stored at low temperatures (about -20 ° C) and must be thawed before further processing.
  • WO 2015/097097 A1 describes a storage-stable prepreg based on an epoxy resin which cures to a thermoset with a crosslinking agent.
  • the storage stability is by a spatial separation of reactive resin and crosslinking agent after the drying achieved.
  • the mixing of the components can then be carried out by increasing the temperature at which all components are melted.
  • these latently reactive epoxy resins cause relatively long pressing times at relatively high temperatures during the processing of the prepregs. Longer pressing times and higher process temperatures would also affect the types of fibers that can be used. Low melting fiber types such as polyamide, polyethylene or polyester are not usable. In addition, only curing to duromers is possible.
  • thermosets have the disadvantage that they lead to cracks and cracks in the material under high and instantaneous mechanical action and thus to a weakening of the material.
  • WO 99/29755 describes a process for the preparation of storage-stable, latently reactive layers and powders of surface-deactivated, solid polyisocyanates and dispersions or aqueous solutions of isocyanate-reactive polymers, which can be used as adhesives and covers.
  • WO 2013/139704 discloses storage-stable prepreg (pre-impregnated fibers) on the basis of low-viscosity polyurethane systems and articles made flat fiber composite components (moldings, composite components) obtained by means of an impregnation process for fibers-reinforced materials such as woven and nonwoven ⁇ the.
  • isocyanate and / or polyurethane-based latent-reactive plastic compositions are disclosed in WO 03/016374, WO 2016/205254 and WO 2016/205255.
  • a plastic composition comprising polyurethane and a latently reactive, in particular encapsulated, surface-deactivated or blocked, isocyanate which
  • Plastic composition to an elastomer, in particular to a thermoplastic elastomer, is curable
  • the fibers are embedded in the matrix continuous fibers, wherein the fibers are preferably aligned unidirectionally.
  • the fibers are enveloped by the matrix.
  • the wrapping can be done for example by spraying with the matrix or by pulling the fibers through a matrix solution.
  • the inventive semi-finished product has the advantage that the fibers impregnated completely, that is surrounded by the plastic matrix ⁇ are. Before further processing (ie shaping and curing), the semi-finished product can be stored at room temperature over a long period of time.
  • the semi-finished product according to the invention is further distinguished by the fact that it is suitable for the production of fiber composite component with a high resistance to mechanical action.
  • the resistance to mechanical action also results from the use of continuous fibers. Such fibers increase the stiffness and strength of the composite.
  • continuous fibers are all fibers having a length of 50 mm.
  • the fibers are unidirectionally aligned.
  • unidirectional means that the longitudinal axes of the individual fibers are substantially parallel, and “substantially parallel” means that the
  • Longitudinal axes of the fibers do not enclose angles of more than ⁇ 25 ° with each other. Preferably, the angles between the longitudinal axes of the fibers are less than ⁇ 10 °.
  • Unidirectional semi-finished products have the advantage that they can be stacked along the course of force. If several planar semi-finished products, each with unidirectional fibers aligned twisted to each other, resulting in a particularly high resistance to ⁇ over mechanical influences from different sides.
  • the fibers can be based on proteins, cellulose, synthetic polyme ⁇ ren or inorganic substances.
  • Protein-based fibers can be selected from the group: wool, silk, angora, cashmere, casein, collagen, ardine and zein.
  • Cellulosic fibers may be cotton and bast fibers such as cotton, linen, hemp or jute. Cellulosic fibers may also be wood-based such as Viscose, Modal, Lyocell, Cupro, acetate.
  • Fibers of synthetic polymers may be selected from the group: polyethylene, polyester; Polyamide; aramid; Polypropylenes; Polyurethane (elastane); Acrylic; polytetrafluoroethylene; Polyphenylene-2, 6-benzobisoxazole; Liquid crystal polymers (LCP), in particular ⁇ poly (p-hydroxybenzoic acid-co-hydroxy-6-naphthoic acid.
  • the group of fibers of inorganic substances include carbon, ceramics, glass, quartz, metal.
  • the fibers may be embedded as single fibers in the matrix or previously spun into a thread and embedded as a thread. Likewise, the fibers may have been processed into threads and then into a fabric, thereby embedding the fabric. It is possible to embed ⁇ also filaments. Where among filaments artificial, arbitrarily long fibers to be understood. It is also conceivable that a combination of different fibers is embedded.
  • the plastic composition comprises a polyurethane and a latently reactive isocyanate.
  • the isocyanate is preferably encapsulated or surface-deactivated or blocked.
  • a radiation-crosslinkable isocyanate would also be conceivable.
  • the amount Behaves ⁇ nisse between polyurethane and isocyanate may vary.
  • the following compositions for surface-deactivated isocyanates are conceivable: At 100 parts by weight (pbw) of polyurethane, 5 to 10 pbw of toluene-2,4-diisocyanate dimer (TDI dimer) can be added.
  • IPDI trimer isophorone diisocyanate trimer
  • HDI trimer hexamethylene-4,6-diisocyanate trimer
  • the latent-reactive isocyanate takes place at room temperature- no reaction between the isocyanate and the free OH groups of the polyurethane.
  • the sheet-like semi-finished product can be stored at room temperature ⁇ for a long time without any hassle.
  • the reaction process ie the reaction with a surface-deactivated isocyanate, can be carried out by briefly starting the reactions at low temperatures ( ⁇ 120 ° C). But it can be used, which until hö ⁇ higher temperatures, for example at temperatures above 120 ° blocked isocyanates can be activated.
  • the molding process eg pressing, vacuum bag process or autoclave
  • Short cycle times can be used, which has a positive influence on the usable fibers. It is thus also possible to use low-melting fiber types, for example polyamide, polyethylene or polyester.
  • the plastic composition is preferably in the form of an aqueous dispersion.
  • the plastic composition may also be present as a powder or melt.
  • the application of the dispersion can be carried out, for example, by spraying, knife coating, impregnation, infusion and / or vacuum infusion.
  • the fibers can also be pulled through the dispersion solution and thereby spread.
  • the dispersion promotes fiber spreading. As a result, the degree of wetting can be increased, which leads to optimum fiber incorporation and a high fiber content in the matrix.
  • the plastic composition is essentially free of VOC (volatile organic compounds). This increases occupational safety when dealing with the plastic composition.
  • terer functional additives such as flame retardants, agents with antimicrobial activity, adhesion promoters eg to increase the affinity for metals or to increase the affinity to rubber or similar materials, fluorescence agents or UV protection agents, have further properties.
  • the fibers are arranged substantially in longitudinal extension to a main surface of the semi-finished product.
  • Unidirectional semi-finished products have the advantage that they can be stacked along the course of force. After further processing (pressing, curing), a robust and resistant fiber composite component can thus be obtained.
  • the fibers of the flat semi-finished product are preferably spread.
  • the fiber spreading also allows the use of different types of fibers ⁇ Licher in a semi-finished product.
  • the use of different plastic compositions in a semi-finished product is conceivable. As a result, different properties can be combined in the material.
  • Another aspect of the invention relates to a process for the production of sheet semi-finished products comprising a matrix, in particular as described above.
  • the method includes the step of embedding fibers in a matrix.
  • the matrix has at least one latently reactive plastic composition, which is curable to form an elastomer, in particular a thermoplastic elastomer.
  • the semi-finished product produced in this way can be mounted at room temperature ⁇ over a long period.
  • latent-reactive, encapsulated, surface-deactivated or blocked isocyanate makes it possible to activate only at high temperatures. This is in contrast to two-component systems whose reactivity depends on the activation state of a catalyst.
  • Such Sys ⁇ tems are typically re ⁇ already active at temperatures below 100 ° C and can thus ER- short-lasting shelf life ranges are.
  • the latent reactive plastic composition can be cured at temperatures in the range of 60 to 180 ° C, preferably 100 to 140 ° C.
  • the curing can be done after shaping.
  • the semi-finished product is optionally cut and placed in a mold ⁇ tool, such as a press.
  • the curing can take place simultaneously.
  • the reactivation temperatures can be low compared to conventional methods and thus also allow the use of low-melting fiber types. Subsequently, the fiber composite component can be removed from the mold and, if necessary, reworked.
  • the fibers may for albumin, cellulose, synthetic polyme ⁇ ren or inorganic substances such as off already in the foregoing, based described in detail.
  • a combination of different fibers in a semi-finished product is also conceivable. By choosing the fibers, the properties of the semi-finished product as well as of the fiber composite component can be controlled.
  • the plastic composition preferably comprises polyurethane and a latent reactive isocyanate.
  • the isocyanate can be verkap ⁇ selt, ober sunlightdes15ert or blocked.
  • Latent reactive isocyanates remain unreactive at room temperature for a long time. As a result, semi-finished products produced in this way can be stored for months and without any effort before further processing. Reactivation may be at lower temperatures compared to conventional processes. Process times and energy input can be reduced.
  • such a plastic composition results in an elastomer, in particular a thermoplastic elastomer, with soft and hard segments.
  • the resulting fiber composite member exhibits high end properties such as cohesion, tensile strength, toughness, fatigue, aging.
  • the component is essentially stress-free compared to other fiber composites.
  • the plastic composition is preferably an aqueous dispersion. But also powder and melts are possible.
  • the dispersion allows complete impregnation of the fibers.
  • the drying of the semi-finished product before storage essentially releases no polluting solvents.
  • the fibers are arranged substantially in longitudinal extension to a main surface of the semi-finished product. Unidirectional semi-finished products can be layered along the force curve, thus high mechanical properties can be achieved.
  • the fibers are preferably spread. The spreading takes place in particular during embedding.
  • Fiber integration is optimized. It is also possible that individual fibers are coated with different plastic compositions. This allows further properties to be combined in the semi-finished product.
  • the invention also relates to a method which can be produced between 300ym and 500ym di ⁇ blocks semi-finished products between lOOym and 1mm thick, preferably between 150 ym and 700 ym thick, very particularly preferred.
  • Such Halbfertigpro ⁇ products can be used for the production of components, which should have high stability and robustness.
  • the unidirectional semi-finished products may have a fiber volume fraction of between 1 and 99%, preferably between 40 and 80% and most preferably between 55 and 65%.
  • Another aspect of the invention relates to a flat semifinished product, in particular a producible or manufactured as described above.
  • the sheet-like semi-finished product may be composed of the same fibers embedded in a plastic matrix, the different fibers embedded in a plastic matrix, the same fibers embedded in different plastic matrices or different Fa ⁇ fibers embedded in plastic matrices different best ⁇ hen.
  • the semi-finished product can be adapted according to its use in the properties.
  • Such semi-finished products are suitable for the production of a wide variety of fiber composite components.
  • the components are characterized by high resistance and longevity.
  • Another aspect of the invention relates to the use of a flat semi-finished product as described above for the production of protective equipment, vehicle components, sports and leisure articles, tools, cases, machine components, Klei ⁇ tion and jewelry.
  • protective equipment can be understood to mean the equipment against heat from forces such as the fire brigade, or even military clothing and equipment.
  • the semi-finished products according to the invention are suitable for vehicle components in the aerospace and automotive industries, railway vehicles or ships.
  • the Halbfertigpro ⁇ products for the production of tires, hoses, clothing and body parts can be used or as vehicle armor.
  • the flat semi-finished products with the plastic matrix can be used, for example, for textiles such as sails.
  • Sports and leisure goods for example, helmets, ten ⁇ nistrainr, securing loops, loops for climbing carabiners, ice hockey sticks, skis, boots, ski boots, bicycle frames, tents, Stand UP paddle boards.
  • tool handles sanding belts, transport and drive belts, toothed and drive belts, tension elements on the crane, ropes, suitcases, bags, jewelry made of, for example, multi-layered composite of carbon-carbon fiber, watches, shoes.
  • composition of the dispersion is composition of the dispersion:
  • Dispercoll® U XP 2702 (of Covestro AG) is an aqueous dispersion of anio ⁇ American aliphatic polyurethane.
  • a latent reactive system with a content of polyurethane and isocyanate of about 60% and water is formed of about 40%.
  • the high-performance fibers are spread and impregnated, so that after drying at 45 ° C. Unidirectional high-performance tapes are created.
  • the matrix material with which the fibers are embedded is at this time ⁇ point still latently reactive.
  • High-strength and high-rigidity Po ⁇ lyethylen fibers such as Dyneema SK75 1760 dtex, are spread at 5 m / min and impregnated. After drying, a layer of this sheet-like semi-finished product ⁇ has a mass density of about 15 g / m 2 with a fiber volume fraction of 60% and a Mat ⁇ rixvolumenanteil of 40%.
  • these laminates are at 100 mbar and 110 ° C for 10 min to form a composite kon ⁇ consolidated for.
  • the matrix is ⁇ tivated for curing ak.
  • This textile shows a mass occupancy of about
  • tear propagation test (a so-called "trouser test") based on DIN EN ISO 13937-2 and (2) T-peel test in accordance with DIN EN ISO 11339. Testing takes place 24 hours after production of the samples 20 ° C and 65% relative humidity ⁇ have been stored moisture.
  • Test specimens from 150 mm to 50 mm are cut longitudinally along the center line over a distance of 75 mm. In a universal testing machine, these test pieces are further pulled apart at a test speed of 10 mm / min.
  • composition of the dispersion is composition of the dispersion:
  • the anionic, aqueous polyurethane dispersion Dispercoll® U XP 2702 becomes a latently reactive system with a water-dispersed blocked isocyanate, Trixene Aqua B 201 (a (dimethylpyrazole) blocked hexamethylene-1,6-diisocyanate trimer from Lanxess) formulated.
  • cross ply composite cross
  • these laminates are consolidated at 100 mbar and 160 ° C for 30 minutes to form a composite.
  • the matrix is activated to cure.
  • This textile shows a mass occupancy of about 340 g / m 2 .
  • the pattern stored wor ⁇ are at 20 ° C and 65% relative humidity the.
  • the tear propagation test and the T-peel test are carried out according to the conditions as explained in Example 1.
  • a fabric was made with a Dispersi ⁇ onszusammen applicant according to the input section of this ⁇ In Game 2, but without the addition of the blocked isocyanate.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein flächiges Halbfertigprodukt aufweisendeine Matrix mit wenigstens einer latent reaktiven Kunst- stoffzusammensetzung, welche zu einem Elastomer, insbesondere einem thermoplastischen Elastomeraushärtbar istundin der Matrix eingebetteten Fasern. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellung flächiger Halbfertigprodukte.

Description

Flächiges Halbfertigprodukt mit einer Kunststoffmatrix
Die Erfindung betrifft ein flächiges Halbfertigprodukt, ein Ver¬ fahren zum Herstellen von flächigen Halbfertigprodukten sowie die Verwendung eines flächigen Halbfertigproduktes gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Faserverstärkte Kunststoffe gewinnen für die Herstellung struk¬ tureller Bauteile zunehmend an Bedeutung. Solche Bauteile eignen sich insbesondere zum Einsatz im Motorsport-, Raumfahrt-, Schie¬ nenfahrzeug- und Flugzeugbau. Beispielsweise weisen diese Bau¬ teile bei gleicher Leistungsfähigkeit ein geringeres Gewicht als konventionelle Bauteile aus Stahl, Aluminium oder Holz auf, was zu Einsparungen bei Energie - und Kraftstoffverbrauch führt.
Faserverstärkte Kunststoffe lassen sich beispielsweise durch Einbettung von Fasern in eine Kunststoffmatrix und anschliessendes Aushärten erzielen. Als Kunststoffmatrix dominieren dabei duromere Harzsysteme. Alternativ können die Fasern und das Harz mit geeigneten Härtern kombiniert werden und in einem ungehärteten Zustand gelagert werden. Die Vernetzung zu einem faserverstärkten Kunststoff erfolgt dann erst zu einem späteren Zeit¬ punkt. Typischerweise werden als Harze Epoxidharze eingesetzt. Diese sind jedoch aufgrund der Anwesenheit von Härtern und Be- schleunigem in der Harzmatrix nur eine begrenzte Zeit lagerstabil. Um eine vorzeitige Vernetzung zu vermeiden werden solche reaktiven Systeme bei tiefen Temperaturen (ca. -20°C) gelagert und müssen vor der Weiterverarbeitung angetaut werden. WO 2015/097097 AI beschreibt ein lagerstabiles Prepreg auf Basis eines Epoxidharzes, das mit einem Vernetzungsmittel zu einem Duromer aushärtet. Die Lagerstabilität wird dabei durch eine räumliche Trennung von Reaktivharz und Vernetzungsmittel nach der Trocknung erzielt. Die Durchmischung der Komponenten kann dann durch Temperaturerhöhung erfolgen, bei der alle Komponenten geschmolzen vorliegen. Diese latent reaktiven Epoxidharze verursachen jedoch bei der Verarbeitung der Prepregs verhältnismässig lange Presszeiten bei verhältnismässig hohen Temperaturen. Längere Presszeiten und höhere Prozesstemperaturen hätten auch Ein- fluss auf die verwendbaren Fasertypen. Tiefschmelzende Faserarten, wie beispielsweise Polyamid, Polyethylen oder Polyester, sind nicht verwendbar. Zudem ist lediglich die Aushärtung zu Duromeren möglich. Duromere haben jedoch den Nachteil, dass sie bei hoher und instantaner mechanischer Einwirkung zu Sprüngen und Rissen im Material führen und damit zu einer Schwächung des Materials . WO 99/29755 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von lagerstabilen, latent reaktiven Schichten und Pulvern von oberflä- chendesaktivierten, festen Polyisocyanaten und Dispersionen oder wässrigen Lösungen von isocyanatreaktiven Polymeren, die als Klebstoffe und Abdeckungen verwendet werden können.
WO 2013/139704 offenbart lagerstabile Prepregs (vorimprägnierte Fasern) auf der Basis von niedrigviskosen Polyurethansystemen und daraus hergestellte flache Faserverbundbauteile (Formkörper, Verbundbauteile) , die mittels eines Imprägnierverfahrens für Fa- sern-verstärkte Materialien wie Gewebe und Vlies erhalten wer¬ den .
Latent-reaktive KunststoffZusammensetzungen auf Isocyanat und/oder Polyurethan-Basis sind ausserdem in WO 03/016374, WO 2016/205254 und WO 2016/205255 offenbart.
Es fehlt im Stand der Technik jedoch an über lange Zeit lagerfä¬ higen flächigen Halbfertigprodukten mit hohen Steifigkeits- und Festigkeitswerten, wie sie etwa durch die Verwendung von Endlosfasern gewährleistet werden können.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung ein flächiges Halbfertigprodukt bereitzustellen, das verkürzte Prozesszeiten zur Aushärtung aufweist sowie nach dem Aushärten widerstandsfähig gegenüber hoher und instantaner mechanischer Einwirkung ist. Das Halbfertigprodukt soll über län- gere Zeit lagerstabil sein. Es ist auch Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen flächigen Halbfertigproduktes sowie eine Verwendung eines solchen Produktes be¬ reitzustellen. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Patentansprü¬ chen definierte Vorrichtung, Verfahren und Verwendung gelöst. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen . Die Erfindung betrifft ein flächiges Halbfertigprodukt aufwei¬ send
eine Matrix mit wenigstens einer latent reaktiven
KunststoffZusammensetzung umfassend Polyurethan und ein latent reaktives, insbesondere verkapseltes , oberflä- chendesaktivertes oder blockiertes, Isocyanat, welche
KunststoffZusammensetzung zu einem Elastomer, insbesondere zu einem thermoplastischen Elastomer, aushärtbar ist ;
in der Matrix eingebetteten Endlosfasern, wobei die Fa- sern bevorzugt unidirektional ausgerichtet sind.
Unter „Einbetten" ist dabei eine makroskopische Ansicht zu ver¬ stehen, d.h. eine äussere Ansicht. Unter „Einbetten" ist insbe- sondere imprägnieren zu verstehen. Die Fasern sind von der Matrix umhüllt. Das Umhüllen kann beispielsweise durch Besprühen mit der Matrix oder durch Durchziehen der Fasern durch eine Matrixlösung erfolgen.
Das erfindungsgemässe Halbfertigprodukt hat den Vorteil, dass die Fasern vollständig imprägniert, d.h. von der Kunststoff¬ matrix umgeben, sind. Vor der Weiterverarbeitung (d.h. Formgebung und Aushärtung) kann das Halbfertigprodukt bei Raumtempe- ratur über einen langen Zeitraum gelagert werden kann.
Das erfindungsgemässe Halbfertigprodukt zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass es sich zur Herstellung von Faserverbund- Bauteil mit einer hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber mechani- scher Einwirkung eignet.
Die Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischer Einwirkung resultiert auch aus der Verwendung von Endlosfasern. Solche Fasern erhöhen die Steifigkeit und Festigkeit des Verbunds.
Im Rahmen dieser Anmeldung sind Endlosfasern alle Fasern aufweisend eine Länge ^ 50 mm.
Bevorzugt sind die Fasern unidirektional ausgerichtet. Unter „unidirektional" wird hier verstanden, dass die Längsachsen der einzelnen Fasern im Wesentlichen parallel verlaufen. Unter „im Wesentlichen parallel verlaufen" wird verstanden, dass die
Längsachsen der Fasern untereinander keine Winkel von mehr als ±25° einschliessen . Bevorzugt betragen die Winkel zwischen den Längsachsen der Fasern weniger als ±10°.
Unidirektionale Halbfertigprodukte haben den Vorteil, dass sie gezielt entlang dem Kraftverlauf aufgeschichtet werden können. Wenn mehrere flächige Halbfertigprodukte mit jeweils unidirekti- onal ausgerichteten Fasern zueinander verdreht geschichtet werden, ergibt sich eine besonders hohe Widerstandsfähigkeit gegen¬ über mechanischen Einwirkungen von verschiedenen Seiten.
Die Fasern können auf Eiweiss, Cellulose, synthetischen Polyme¬ ren oder anorganischen Substanzen basieren.
Auf Eiweiss basierende Fasern können ausgewählt sein aus der Gruppe: Wolle, Seide, Angora, Kaschmir, Kasein, Kollagen, Ardein und Zein.
Cellulosefasern können Baumwolle und Bastfasern wie Baumwolle, Leinen, Hanf oder Jute sein. Cellulosefasern können auch holzba- siert sein wie beispielsweise Viscose, Modal, Lyocell, Cupro, Acetat .
Fasern aus synthetischen Polymeren können ausgewählt sein aus der Gruppe: Polyethylen, Polyester; Polyamid; Aramid; Polypropy- len; Polyurethan (Elastan) ; Acryl; Polytetrafluorethylen; Poly- phenylen-2 , 6-benzobisoxazol ; Flüssigkristallpolymere (LCP) , ins¬ besondere Poly (p-hydroxybenzoesäure-co-hydroxy-6-naphthoesäure .
Die Gruppe der Fasern aus anorganischen Substanzen umfassen Car- bon, Keramik, Glas, Quarz, Metall.
Die Fasern können als einzelne Fasern in die Matrix eingebettet werden oder aber vorher zu einem Faden versponnen worden sein und als Faden eingebettet werden. Ebenso können die Fasern zu Fäden und dann zu einem Gewebe verarbeitet worden sein, wobei das Gewebe eingebettet wird. Es lassen sich auch Filamente ein¬ betten. Wobei unter Filamente künstliche, beliebig lange Fasern zu verstehen sind. Ebenso ist es denkbar, dass eine Kombination aus unterschiedlichen Fasern eingebettet wird.
Die Möglichkeit verschiedene Faserarten zu verwenden hat den Vorteil, dass sich ein breites Anwendungsfeld erschliesst. Die Eigenschaften des Produktes können an den geplanten Verwendungszweck optimal angepasst werden.
Die KunststoffZusammensetzung weist ein Polyurethan und ein la- tent reaktives Isocyanat auf. Das Isocyanat ist vorzugsweise verkapselt oder oberflächendesaktivert oder blockiert. Denkbar wäre auch ein strahlenvernetzbares Isocyanat. Die Mengenverhält¬ nisse zwischen Polyurethan und Isocyanat können variieren. Beispielsweise folgende Zusammensetzungen für oberflächendesakti- vierte Isocyanate sind denkbar: Bei 100 Gewichtsteilen (pbw = parts by weight) Polyurethan können 5 bis 10 pbw Toluol-2,4- diisocyanat Dimer (TDI Dimer) hinzugegeben werden. Es ist auch möglich zu 100 pbw Polyurethan 15 pbw Isophoron-Diisocyanat- Trimer (IPDI Trimer) dazuzugeben, um eine Vergilbung des Materi- als zu verhindern. Möglich ist auch, ein blockiertes Isocyanat zu verwenden. Bei 100 pbw Polyurethan können beispielsweise 2 bis 15 pbw (Dimethylpyrazol) -blockiertes Hexamethylen-4 , 6- diisocyanat (HDI) Trimer hinzugegeben werden. Durch das latent reaktive Isocyanat erfolgt bei Raumtemperatur- keine Reaktion zwischen dem Isocyanat und den freien OH-Gruppen des Polyurethans. Das flächige Halbfertigprodukt kann bei Raum¬ temperatur über einen langen Zeitraum ohne Aufwand gelagert werden. Der Reaktionsprozess , also die Reaktion mit einem oberflä- chedesaktivierten Isocyanat, kann durch kurzes Anstossen der Reaktionen bei tiefen Temperaturen (<120°C) erfolgen. Es können aber blockierte Isocyanate verwendet werden, welche erst bei hö¬ heren Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen über 120° aktivierbar sind. Der Formgebungsvorgang (z.B. Pressen, Vakuumsackverfahren oder im Autoklav) kann dennoch kurz gehalten werden. Es können kurze Zykluszeiten verwendet werden, was einen positiven Einfluss auf die verwendbaren Fasern hat. Es ist somit auch der Einsatz von tiefschmelzenden Faserarten möglich, beispielsweise Polyamid, Polyethylen oder Polyester.
Die KunststoffZusammensetzung liegt vorzugsweise als wässrige Dispersion vor. Die KunststoffZusammensetzung kann auch als Pulver oder Schmelze vorliegen. Die Auftragung der Dispersion kann beispielsweise durch Sprühen, Aufrakeln, Tränken, Infusion und/oder Vakuuminfusion erfolgen. Die Fasern können aber auch durch die Dispersionslösung hindurchgezogen und dabei gespreizt werden .
Die Dispersion fördert die Faserspreizung . Dadurch kann der Be- netzungsgrad erhöht werden, was zu einer optimalen Fasereinbindung und hohem Faseranteil in der Matrix führt.
Die KunststoffZusammensetzung ist im Wesentlichen frei von VOC (volatile organic Compounds) . Das erhöht den Arbeitsschutz beim Umgang mit der KunststoffZusammensetzung .
Es hat sich überraschend gezeigt, dass sich aus gespreizten und mit der latent reaktiven KunststoffZusammensetzung imprägnierte Fasern mittels des Vakuumsackverfahrens eine Stoffähnliche Hap- tik erzielen lässt.
Das Halbfertigproduktes bzw. des Endproduktes nach dem Aushär¬ ten, d.h. das Faserverbund-Bauteil, können durch den Zusatz wei- terer funktioneller Additive, z.B. Flammschutzmittel, Mittel mit antimikrobieller Wirkung, Haftvermittler z.B. zur Erhöhung der Affinität zu Metallen oder zur Erhöhung der Affinität zu Gummi oder ähnlichen Materialien, Fluoreszenz-Mittel oder UV-Schutz- Mittel, weiter Eigenschaften aufweisen.
Die Fasern werden im Wesentlichen in Längsausdehnung zu einer Hauptfläche des Halbfertigproduktes angeordnet.
Unidirektionale Halbfertigprodukte haben den Vorteil, dass sie gezielt entlang dem Kraftverlauf aufgeschichtet werden können. Nach der Weiterverarbeitung (Pressen, Aushärten) kann somit ein robustes und widerstandfähiges Faserverbund-Bauteil erhalten werden .
Die Fasern des flächigen Halbfertigprodukts sind vorzugswiese gespreizt .
Gespreizte Fasern können besser benetzt werden, die Fasereinbindung und damit der Faseranteil werden erhöht. Ein höherer Faseranteil erhöht die Leistungsfähigkeit des Faserverbund-Bauteils. Die Faserspreizung ermöglicht zudem die Verwendung unterschied¬ licher Faserarten in einem Halbfertigprodukt. Auch der Einsatz unterschiedlicher KunststoffZusammensetzungen in einem Halbfertigprodukt ist denkbar. Dadurch können im Material verschiedene Eigenschaften kombiniert werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von flächigen Halbfertigprodukten aufweisend eine Matrix, insbesondere wie vorhergehend beschrieben. Das Verfahren umfasst den Schritt des Einbettens von Fasern in eine Matrix. Die Matrix weist wenigstens eine latent reaktive Kunststoffzu- sammensetzung auf, welche zu einem Elastomer, insbesondere einem thermoplastischen Elastomer, aushärtbar ist. Das auf diese Weise hergestellte Halbfertigprodukt ist bei Raum¬ temperatur über einen langen Zeitraum lagerbar. Insbesondere ermöglicht es die Verwendung von latent reaktivem, verkapseltem, oberflächendesaktivertem oder blockiertem, Isocyanat dass die Aktivierung erst bei hohen Temperaturen ausgelöst wird. Dies steht im Gegensatz zu Zweikomponentensystemen, deren Reaktivität vom Aktivierungszustand eines Katalysators abhängt. Solche Sys¬ teme sind typischerweise schon bei Temperaturen unter 100°C re¬ aktiv und es kann damit nur kurzanhaltende Lagerstabilität er- reicht werden.
Die latent reaktive KunststoffZusammensetzung kann bei Temperaturen im Bereich von 60 bis 180 °C, bevorzugt 100 bis 140 °C, ausgehärtet werden.
Die Aushärtung kann nach einer Formgebung erfolgen. Dazu wird das Halbfertigprodukt optional zugeschnitten und in ein Form¬ werkzeug eingebracht, beispielsweise eine Presse. Während des Formgebungsvorgangs kann gleichzeitig die Aushärtung erfolgen.
Die Reaktivierungstemperaturen können im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren niedrig sein und ermöglichen somit auch den Einsatz tiefschmelzender Faserarten. Im Anschluss kann das Faserverbund-Bauteil aus dem Formwerkzeug entnommen werden und falls nötig nachbearbeitet werden.
Die Fasern können auf Eiweiss, Cellulose, synthetischen Polyme¬ ren oder anorganischen Substanzen, wie bereits vorhergehend aus- führlich beschrieben, basieren. Auch eine Kombination von verschiedenen Fasern in einem Halbfertigprodukt ist denkbar. Durch die Wahl der Fasern lassen sich die Eigenschaften des Halbfertigproduktes als auch des Faserverbund-Bauteils steuern.
Die KunststoffZusammensetzung weist vorzugsweise Polyurethan und ein latent reaktives Isocyanat auf. Das Isocyanat kann verkap¬ selt, oberflächendesaktivert oder blockiert sein.
Latent reaktive Isocyanate bleiben bei Raumtemperatur über einen langen Zeitraum unreaktiv. Dadurch lassen sich entsprechend her- gestellte Halbfertigprodukte über Monate und ohne Aufwand vor der Weiterverarbeitung lagern. Die Reaktivierung kann im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren bei niedrigeren Temperaturen erfolgen. Prozesszeiten und Energieeintrag können verringert werden .
Beim Aushärten resultiert aus einer derartigen KunststoffZusammensetzung ein Elastomer, insbesondere ein thermoplastisches Elastomer, mit weichen und harten Segmenten. Das resultierende Faserverbund-Bauteil zeigt hohe Endeigenschaften, beispielsweise in Kohäsion, Zugfestigkeit, Zähigkeit, Ermüdung, Alterung. Das Bauteil ist im Vergleich zu anderen Faserverbunden im Wesentlichen spannungsfrei.
Die KunststoffZusammensetzung ist vorzugsweise eine wässrige Dispersion. Aber auch Pulver und Schmelzen sind möglich.
Die Dispersion ermöglicht eine vollständige Imprägnierung der Fasern. Die Trocknung des Halbfertigprodukts vor der Lagerung setzt im Wesentlichen keine umweltbelastenden Lösungsmittel frei.
Die Fasern werden im Wesentlichen in Längsausdehnung zu einer Hauptfläche des Halbfertigproduktes angeordnet. Unidirektionale Halbfertigprodukte lassen sich entlang des Kraftverlaufs schichten, dadurch können hohe mechanische Eigenschaften erzielt werden. Die Fasern werden vorzugsweise gespreizt. Die Spreizung erfolgt insbesondere während des Einbettens.
Es ist möglich unterschiedliche Fasern nebeneinander zu spreizen und somit die Eigenschaften der unterschiedlichen Fasern in ei- nem Halbfertigprodukt zu kombinieren. Dies erhöht zusätzlich die Zugänglichkeit zu verschiedenen Faserverbundwerkstoffen.
Durch das Spreizen wird ausserdem ein erhöhter Benetzungsgrad der Fasern erreicht. Die Fasereinbindung wird optimiert. Es ist auch möglich, das einzelne Fasern mit unterschiedlichen KunststoffZusammensetzungen umhüllt werden. Damit lassen sich weitere Eigenschaften im Halbfertigprodukt kombinieren.
Grundsätzlich lassen sich mit dem beschriebenen Verfahren zwi- sehen 1 und 100 μιη, bevorzugt zwischen 15 und 80 μιη und ganz be¬ sonders bevorzugt zwischen 20 und 50 μιη dicke, unidirektionale Halbfertigprodukte herstellen. Solche Halbfertigprodukte können beispielsweise für die Herstellung von Fahrzeugen und Fahrzeug¬ teilen, für Spiel- und Sportartikeln oder Werkzeuge eingesetzt werden, bei denen tiefes Gewicht und/oder handliche Ausdehnung geschätzt werden.
Die Erfindung betrifft aber auch ein Verfahren, mit welchem sich zwischen lOOym und 1mm dicke, bevorzugt zwischen 150 ym und 700 ym dicke, ganz besonders bevorzugt zwischen 300ym und 500ym di¬ cke Halbfertigprodukte herstellen lassen. Solche Halbfertigpro¬ dukte können für die Herstellung von Bauteilen eingesetzt werden, welche hohe Stabilität und Robustheit aufweisen sollen. Die unidirektionalen Halbfertigprodukte können ein Faservolumenanteil zwischen 1 und 99%, bevorzugt zwischen 40 und 80 % und ganz besonders bevorzugt zwischen 55 und 65 % aufweisen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein flächiges Halb¬ fertigprodukt, insbesondere ein herstellbares oder hergestelltes wie oben beschrieben.
Das flächige Halbfertigprodukt kann aus gleichen Fasern einge- bettet in einer Kunststoffmatrix, unterschiedlichen Fasern eingebettet in einer Kunststoffmatrix, gleiche Fasern eingebettet in unterschiedliche Kunststoffmatrizen oder unterschiedliche Fa¬ sern eingebettet in unterschiedliche Kunststoffmatrizen beste¬ hen .
Das Halbfertigprodukt kann entsprechend seiner Verwendung in den Eigenschaften angepasst werden. Solche Halbfertigprodukte eignen sich zur Erzeugung verschiedenster Faserverbund-Bauteile. Die Bauteile zeichnen sich durch hohe Widerstandsfähigkeit und Lang- lebigkeit aus.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines flächigen Halbfertigproduktes wie vorhergehend beschrieben für die Herstellung von Schutzausrüstung, Fahrzeugbauteile, Sport- und Freizeitartikel, Werkzeuge, Koffer, Maschinenbauteile, Klei¬ dung und Schmuck.
Unter Schutzausrüstung kann beispielsweise die Ausrüstung gegen Hitze von Einsatzkräften wie Feuerwehr verstanden werden oder auch Militärkleidung und Militärausrüstung.
Die erfindungsgemässen Halbfertigprodukte eignen sich für Fahrzeugbauteil in Luft- und Raumfahrt sowie Automobilbau, Schienen- fahrzeuge oder Schiffe. Beispielsweise können die Halbfertigpro¬ dukte für die Herstellung von Reifen, Schläuchen, Bekleidung und Karosserieteile genutzt werden oder als Fahrzeugpanzerung. Die flächigen Halbfertigprodukte mit der Kunststoffmatrix können beispielsweise zu Textilien wie Segel weiterverwendet werden.
Sport- und Freizeitartikel umfassen beispielsweise Helme, Ten¬ nisschläger, Sicherungsschlaufen, Schlaufen für Kletterkarabiner, Eishockeystöcke, Skier, Schuhe, Skischuhe, Fahrradrahmen, Zelte, Stand-UP-Paddel , Boards.
Weiter denkbar sind Werkzeuggriffe, Schleifbänder, Transport- und Antriebsbänder, Zahn- und Antriebsriemen, Zugelemente am Kran, Seile, Reisekoffer, Taschen, Schmuck aus beispielsweise mehrlagigem Verbund aus Gold-Carbonfaser, Uhren, Schuhe.
Im nachfolgenden werden exemplarisch zwei Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. BEISPIEL 1
Zusammensetzung der Dispersion:
Dispercoll® U XP 2702 (von Covestro AG) ist eine wässrige, anio¬ nische Dispersion aus aliphatischem Polyurethan. Durch Kombina- tion mit einer wässerigen Suspension eines deaktivierten Fest- stoff-Isocyanats, Desmodur® LP BUEJ 471 (einem IPDI Trimer von Covestro AG) , entsteht ein latent reaktives System mit einem Ge¬ halt von Polyurethan und Isocyanat von etwa 60% und Wasser von etwa 40%.
Faserspreizung zum flächigen Halbfertigprodukt:
Mit Hilfe dieser Dispersion werden die Hochleistungsfasern gespreizt und imprägniert, so dass nach dem Trocknen bei 45 °C unidirektionale Hochleistungsbänder entstehen. Das Matrixmaterial, mit dem die Fasern eingebettet werden, ist zu diesem Zeit¬ punkt immer noch latent reaktiv. Hochfeste und hochsteife Po¬ lyethylen Fasern, wie Dyneema SK75 1760 dtex, werden bei 5 m/min gespreizt und imprägniert. Eine Lage von diesem flächigen Halb¬ fertigprodukt besitzt nach dem Trocknen eine Massenbelegung von etwa 15 g/m2 mit einem Faservolumenanteil von 60% und einem Mat¬ rixvolumenanteil von 40%.
Laminierung zum Textil:
Diese Halbfertigprodukte können zum Beispiel zu 4-lagigen Lami¬ naten abgelegt werden. Der Schichtaufbau ist vorzugsweise sym¬ metrisch mit Faserorientierung 90 ° /0 ° /0 ° / 90 ° (ein sogenannter Kreuzverbund = cross ply) . In einem Vakuumbeutel werden diese Laminate bei 100 mbar und 110°C für 10 min zu einem Verbund kon¬ solidiert. Bei diesem Prozess wird die Matrix zum Aushärten ak¬ tiviert. Dieses Textil zeigt eine Massenbelegung von etwa
60 g/m2.
Prüfungen :
Gängige Prüfungen für diese Art von Textilien sind:
(1) Weiterreissprüfung (ein sogenannter «Hosen-Test») in Anlehnung an DIN EN ISO 13937-2 und (2) T-Schälprüfung in Anlehnung an DIN EN ISO 11339. Getestet wird 24 Stunden nach Herstellung der Muster, wobei die Muster bei 20°C und 65% relativer Luft¬ feuchtigkeit gelagert worden sind.
(1) Weiterreissprüfung:
Prüfkörper von 150 mm auf 50 mm werden längs entlang der Mittellinie auf einen Weg von 75 mm eingeschnitten. In einer Universalprüfmaschine werden diese Prüfkörper mit einer Prüfgeschwindigkeit von 10 mm/min weiter auseinandergezogen. Das oben beschriebene Textil versagt in Dela- mination bei einer maximalen Kraft von 146 (+/- 10) N (Losgrösse = 3) .
(2) T-Schälprüfung :
Prüfkörper von etwa 150 mm Länge und 20 mm Breite werden zugeschnitten. Der Initialriss befindet sich zwischen den beiden Lagen mit 0 ° -Faserorientierung . In einer Universalprüfmaschine werden diese Prüfkörper mit einer Prüfge¬ schwindigkeit von 50 mm/min weiter auseinandergeschält. Das oben beschriebene Textil zeigt T-Schälkraft Werte von
1.7 (+/- 0.6) N/mm (Losgrösse = 5).
Als Referenz wurde ein vergleichbares Textil hergestellt mit ei¬ ner Dispersionszusammensetzung gemäss dem Eingangsabschnitts dieses Beispiels 1, jedoch ohne Beigabe des deaktivierten Fest¬ stoff-Isocyanats . Die Weitereissprüfung unter den Bedingungen gemäss dem vorstehendem Abschnitt (1) ergibt eine maximale Kraft von 81 (+/- 4) N (Losgrösse = 3) . Die T-Schälkraft unter den Be¬ dingungen gemäss dem vorstehendem Abschnitt (2) liegt bei 1.0 (+/- 0.4) N/mm (Losgrösse = 5).
BEISPIEL 2
Zusammensetzung der Dispersion:
Die anionische, wässrige Polyurethan Dispersion Dispercoll® U XP 2702 (von Covestro AG) wird mit einem wasserdispergierten blockierten Isocyanat, Trixene Aqua B 201 (einem (Dimethylpyrazol-) blockierten Hexamethylen-1 , 6-diisocyanat Trimer von Lanxess) zu einem latent reaktiven System formuliert.
Faserimprägnierung zum flächigen Halbfertigprodukt:
Mit Hilfe dieser Dispersion und mit einem Rakel, werden unidi- rektionale Carbonfaserbänder (Flächengewicht 50g/m2, von TK- Industries) imprägniert. Eine Lage von diesem flächigen Halbfer¬ tigprodukt besitzt nach dem Trocknen eine Massenbelegung von etwa 85 g/m2 mit einem Faservolumenanteil von 50% und einem Mat¬ rixvolumenanteil von 50%.
Laminierung zum Textil:
Diese Halbfertigprodukte können zum Beispiel zu 4-lagigen Lami¬ naten abgelegt werden. Der Schichtaufbau ist vorzugsweise sym¬ metrisch mit Faserorientierung 90 ° /0 ° /0 ° / 90 ° (ein sogenannter Kreuzverbund = cross ply) . In einem Vakuumbeutel werden diese Laminate bei 100 mbar und 160 °C für 30 min zu einem Verbund konsolidiert. Bei diesem Prozess wird die Matrix zum Aushärten aktiviert. Dieses Textil zeigt eine Massenbelegung von etwa 340 g/m2.
Prüfungen :
Getestet wird 24 Stunden nach Herstellung der Muster, wobei die Muster bei 20°C und 65% relativer Luftfeuchtigkeit gelagert wor¬ den sind. Die Weiterreissprüfung und die T-Schälprüfung werden nach den Bedingungen wie unter Beispiel 1 erläutert ausgeführt.
(1) Weiterreissprüfung:
Das Textil gemäss Beispiel 2 versagt in Delamination bei einer maximalen Kraft von 52 (+/- 2) N (Losgrösse = 3) .
(2) T-Schälprüfung :
Das Textil gemäss Beispiel 2 zeigt T-Schälkraft Werte von 2.7 (+/- 0.7) N/mm (Losgrösse = 5). Zum Vergleich wurde ein Textil hergestellt mit einer Dispersi¬ onszusammensetzung gemäss dem Eingangsabschnitts dieses Bei¬ spiels 2, jedoch ohne Beigabe des blockierten Isocyanats. Die Weitereissprüfung unter den Bedingungen gemäss dem vorstehendem Abschnitt (1) ergibt eine maximale Kraft von 41 (+/- 2) N (Los- grösse = 3) . Die T-Schälkraft unter den Bedingungen gemäss dem vorstehendem Abschnitt (2) liegt bei 1.6 (+/- 0.2) N/mm (Los- grösse = 5) .

Claims

Patentansprüche
1. Flächiges Halbfertigprodukt aufweisend
eine Matrix mit wenigstens einer latent reaktiven
KunststoffZusammensetzung umfassend Polyurethan und ein latent reaktives, insbesondere verkapseltes , oberflä- chendesaktivertes oder blockiertes, Isocyanat, welche KunststoffZusammensetzung zu einem Elastomer, insbesondere einem thermoplastischen Elastomer, aushärtbar ist; in der Matrix eingebettete Endlosfasern, wobei die Fasern bevorzugt unidirektional ausgerichtet sind.
2. Flächiges Halbfertigprodukt nach Anspruch 1, wobei die Fa¬ sern auf Eiweiss, Cellulose, synthetischen Polymeren oder anorganischen Substanzen basieren.
3. Flächiges Halbfertigprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis
2, wobei die KunststoffZusammensetzung eine wässrige Dispersion ist.
4. Flächiges Halbfertigprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis
3, wobei die Fasern im Wesentlichen in einer Längsausdehnung zu einer Hauptfläche des Halbfertigproduktes angeordnet sind .
5. Flächiges Halbfertigprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis
4, wobei die Fasern gespreizt sind.
6. Verfahren zur Herstellung von flächigen Halbfertigprodukten aufweisend eine Matrix, insbesondere gemäss einem der An¬ sprüche 1 bis 5, umfassend den Schritt
des Einbettens von Endlosfasern in eine Matrix aufwei¬ send wenigstens eine latent reaktive Kunststoffzusam- mensetzung, welche zu einem Elastomer, insbesondere zu einem thermoplastischen Elastomer, aushärtbar ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die latent reaktive Kunst- stoffZusammensetzung bei Temperaturen im Bereich von 60 bis
180 °C, bevorzugt 100 bis 140 °C, ausgehärtet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Fasern auf Ei- weiss, Cellulose, synthetischen Polymeren oder anorganischen Substanzen basieren.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Kunst¬ stoffZusammensetzung Polyurethan und ein latent reaktives, insbesondere verkapseltes , oberflächendesaktivertes oder blockiertes, Isocyanat aufweist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Kunst¬ stoffZusammensetzung eine wässrige Dispersion ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Fa- sern in Längsausdehnung zu einer Hauptfläche des flächigen
Halbfertigproduktes angeordnet werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Fa¬ sern, insbesondere während dem Einbetten, gespreizt werden.
13. Flächiges Halbfertigprodukt, insbesondere nach einem der An¬ sprüche 1 bis 5, herstellbar oder hergestellt nach einem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 6 bis 12.
14. Verwendung eines flächigen Halbfertigprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 13 für die Herstellung von Kleidung, Fahrzeugbauteile, Sport- und Freizeitartikel, Werkzeuge, Koffer, Maschinenbauteile, Gebäudemembran, Schmuck, An- triebs- und Transportbänder, sowie Zahn- und Antriebsriemen und Zugelemente am Kran.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PT922720E (pt) * 1997-12-11 2002-01-30 Bayer Ag Processo para a preparacao e utilizacao de camadas ou pos reactivos latentes estaveis a armazenagem de poliisocianatos solidos desactivados superficialmente e polimeros de dispersao com grupos funcionais
DE10140206A1 (de) * 2001-08-16 2003-03-06 Bayer Ag Einkomponentige isocyanatvernetzende Zweiphasen-Systeme
US20080090921A1 (en) * 2006-10-12 2008-04-17 Hayes John E DMC-catalyzed polyol containing polyurethane pultrusion formulations and processes
DE102010029355A1 (de) * 2010-05-27 2011-12-01 Evonik Degussa Gmbh Verfahren zur Herstellung von lagerstabilen Polyurethan-Prepregs und daraus hergestellte Formkörper
ITMI20110157A1 (it) * 2011-02-04 2012-08-05 Dow Global Technologies Llc Articoli compositi sottoforma di piastra a base di poliuretano rinforzato con fibre
WO2013139704A1 (de) * 2012-03-20 2013-09-26 Bayer Intellectual Property Gmbh Lagerstabile polyurethan-prepregs und daraus hergestellte faserverbundbauteile
DE102013227142B4 (de) 2013-12-23 2020-06-04 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Langzeitstabile Prepregs, deren Verwendung, Verfahren zu deren Herstellung und Faserverbundwerkstoff
CN107735475B (zh) * 2015-06-18 2021-05-07 陶氏环球技术有限责任公司 用红外辐射固化的潜伏型双组分聚氨基甲酸酯粘合剂
ES2880621T3 (es) * 2016-12-02 2021-11-25 Evonik Degussa Gmbh Productos preimpregnados de poliuretano 1K estables al almacenamiento y cuerpos moldeados a partir de la composición de poliuretano producidos a partir de estos

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