SE532271C2 - En återvinningsbar komposit och ett förfarande och en materialsats för att producera denna - Google Patents

Description

532 271 vakuumsäckformas hela paketet och läggs in i en ugn eller i en autoklav för att kompositen skall hårda.

Det är också känt att använda så kallade ”prepregs” när en komposit framställs. En prepreg är en fiber som har impregnerats på förhand med matrisen, till exempelvis epoxiharts, innan den används för laminering. Detta är en mycket renare process eftersom prepregen redan är halvhärdad. I jämförelse med vätlaminering betyder detta att man kan utesluta steget att rulla våt epoxiharts på fibrerna. Skikten läggs mot ett verktyg eller gjutform och vakuumsäckformas och värms sedan upp i en ugn eller i en autoklav för att hårda kompositen.

Den vanligaste kolflberbaserade kompositen som används idag är kolfiber tillsammans med termoplast eller epoxiharts. Såsom nämnts ovan föredras det termoplastiska fyllmedlet vid massproduktion. När det kommer till mer komplicerade strukturer föredras användning av cpoxiharts som fyllmedel. Att använda epoxiharts kommer också att göra det möjligt att uppnå ett högre fiberinnehåll, volymmässigt, i den slutliga produkten, det vill säga omkring 70 % istället för omkring 30-50 %, vilket är vanligt när en termoplast används. Det högre fiberinnehållet kommer självklart göra den slutliga produkten mycket starkare. istället för kolfiber, kan fibrer såsom glasfiber, aramidfibrer, polyesterfibrer, borfibrer etc användas.

Det är också känt att använda naturfibrer. Detta är ett intressant angreppssätt i ljuset av den pågående diskussionen kring miljöbelastningen. Exempel på sådana naturfibrer är jute, hampa, sisal, lin och liknande. För att tillverka en kompositkropp blandas naturfibrerna med fibrer av ett termoplastiskt syntetiskt material eller så impregneras naturfibrerna direkt med ett termoplastiskt bindemedel och förformas till fibermattor. Fibermattorna kan sedan formas till önskad form genom att pressas i en dyna vid en gjuttemperatur som motsvarar den för det syntetiska materialet som används. Ett problem med att använda naturfibrer är den låga termiska stabiliteten hos naturfibrer, det vill säga de kan inte värmas över 250° C annars så kan de skadas. På grund av detta har bindemedel med låga smälttemperaturer använts, till exempelvis polypropen, polyeten, etenvinylacetat etc.

US 7,067,443 beskriver en kompositkropp i flera skikt som inkluderar termoplastiska skikt och skikt med termoplastiska syntetmaterial för framställning av komponenter isynnerhet för motorfordon. Det grundläggande konceptet hos denna uppfinning är att använda ett förstärkningsinlägg tillsammans med naturfibrer för att 532 2?'l förbättra styrkeegenskaperna hos den slutliga produkten. Förstärkningsinlägget kan vara polyesterfibrer, glasfibrcr eller kolfibrer.

US 2004/0235376 beskriver ett strukturellt förstärkningsskikt för användning i ett laminat för ett fordons inre takklädsel. Den inre takklädseln innefattar åtminstone en av kolfibrer och naturfibrer och ett termoplastiskt bindemedel används för att få fibrerna att vidhäfta varandra. Denna uppfinning beskriver vidare ett laminatmaterial som inkluderar kolfibrer som har en smältpunkt och/eller nedbrytningspunkt som ligger ovanför förbränningspunkten av de andra kompositmaterialen. Detta kommer att göra att kolfibern som är innesluten i kompositen återvinningsbar. Laminatet värms upp till en temperatur som ligger ovanför smält och/eller nedbrytningspunkten för kolfibrerna och ovanför förbränningspunkterna för de andra kompositmaterialen för att reducera de andra kompositmaterialen till aska och lämna kvar kolfibrerna för vidare användning. Det är sant att kolfibrerna återvinns men för att göra detta så krävs en relativt hög mängd med energi.

Förfarandena som används i den ovan nämnda kända tekniken använder pressgiutning för att framställa kompositmaterial. I samband med den föreliggande uppfinningen är inte detta det föredragna förfarandet eftersom den föreliggande uppfinningen är riktad mot att framställa komplicerade formar i små serier och föremål med stora ytor. Även om det skulle vara möjligt att framställa mycket komplexa former och föremål med stora ytor genom att använda pressgiutning skulle det vara extremt dyrt att tillverka sådana verktyg.

GB 2 322 823 beskriver ett förfarande för att framställa ett membran som används i ett vakuumsäckformningssystem. Vidare beskrivs hur vakuumsäcksystemet används för att framställa ett kompositmaterial. Vakuumsäckformning är ett förfarande för att åstadkomma tryck på ett komposit medan hartsen härdat och konsolidering sker.

Vakuumsäcken formas av ett par gummimembran som omsluter en värmematta däremellan. Elektriska anslutningar är anordnade på värmemattan, som kan kopplas in i ett spänningsuttag på 240/ll0 volt. När kornpositen framställs läggs den i en giutformshalva och vakuumsäcken placeras över den med dess kanter tätade mot gjutformen. Vakuum skapas i säcken och spänningen läggs på värmemattan för att värma upp kompositen till dess härdningstemperatur. Den stora fördelen med detta förfarande är att härdning kan ske på godtycklig plats, det vill säga man är inte bunden till att använda ugnen eller en autoklav. Nackdelen är emellertid att storleken på 532 271 vakuumsäckcn måste anpassas till storleken på kompositen som framställs. Detta gör det nödvändigt att tillverka vakuumsäckar med en integrerad värmemattai en mängd olika storlekar.

US 4,267,l47 beskriver ett förfarande för att framställa en stor strukturell komponent tillexempel båtar och swimmingpoolar av fiberförstärkta syntetiska material. En lufttät folie läggs tätande över skikt med förimpregncradc fibermaterial.

Luften under folien evakueras sedan för att skapa tryck och pressa skiktet mot gjutformen. För att hårda syntetiska material används stora värmemattor, liknande elektriska filtar. Vanligtvis täcker värmemattorna inte hela objektet och de måste flyttas runt för att hårda hela objektet. Det föreslås också att flera värmemattor används för att övervinna detta problem. Trots detta faktum har förfarandet problem vid gränserna mellan områden som härdas vid olika tidpunkter, vilka kanske inte härdar om inte särskild vikt läggs därvid. Om flera värmemattor används och de överlappar varandra kan det påverka den användbara livslängden för värmemattorna.

US 6,355,203 visar ett förfarande för att återuppbygga eller rekonstruera ett kompositföremål som har en defekt där värmekällan som används för att hårda matrisen som används för att laga skadan är en strålkälla, vars emission inkluderar infraröd strålning. Denna värmekälla kan endast användas för att hårda små ställen på ett kompositobjekt.

Det skulle sålunda vara önskvärt om det fanns en värmekälla för att hårda kompositer som är flexibel och anpassningsbar till den individuella formen hos kompositen utan att ha problem med överlappande områden eller att behöva skräddarsy värmekällorna för den specifika kompositen som framställs.

Det skulle också vara önskvärt att kunna framställa en komposit som är återvinningsbar utan att behöva använda en mängd energi för att återvinna den.

Sammanfattning av uppfinningen Det är följaktligen ett syfte med den föreliggande uppfinningen att tillhandahålla en återvinningsbar komposit i vilken kolñbrer enkelt kan återvinnas och vars process inte behöver en mängd energi för att starta.

Detta syfte löses med en komposit som har förstärkningsmaterial innefattande natur- och kolfibrer och i vilken fibrerna är inbäddade i en matris av epoxiharts, om möjligt, i framtiden baserad på förnybara resurser. 532 2?'l I en föredragen utföringsform innefattar kompositen cnkelriktade kolfibrer och naturfibrerna är hampa. Det finns ett antal fördelar med att använda hampa som naturfiber. Hampa har ett högt energiinnehåll, hög styrka och en låg densitet.

Kompositen är lämplig för både rena laminat såväl som till sandwichpaneler, det vill säga bikakematerial eller andra kärnmaterial, gjutna i ett steg.

Ett ytterligare syfte med den föreliggande uppfinningen är att tillhandahålla ett förfarande för att framställa en återvinningsbar komposit utan att använda en ugn eller en autoklav. Detta löses genom ett förfarande som använder en värmekabel som lindas kring kompositobjektet som ska härdas. Användningen av en värmekabel har den fördelen att en tillräckligt lång värmekabel kan användas för nästan varje storlek och geometri hos ett föremål förutsatt att överskottskabeln kan tas omhand på ett lämpligt sätt.

Det är vidare ett syfte med den föreliggande uppfinningen att tillhandahålla en byggsats som kan användas för att utföra förfarandet enligt den föreliggande uppfinningen. Detta löses genom att tillhandahålla en byggsats som innefattar en värrnekabel och en speciellt utvecklad ram anpassad för att ta hand om överskottskabeln på ett organiserat sätt.

Beskrivning av ritningarna Den föreliggande uppfinningen och dess många syften och fördelar kommer att bli tydliga genom att läsa följande beskrivning av föredragna utföringsformer tillsammans med de bifogade ritningarna, i vilka; Figur l visar ett exempel på en återvinningsbar komposit enligt den föreliggande uppfinningen.

Figur 2 visar en ram för att linda upp överskottsvärmekabel.

Figur 3 visar en sidovy av ramen som visas i figur 2. 533 2'?'l Beskrivning av föredragna utföringsformer Med hänvisning nu till ritningarna, där likadana hänvisningsbeteekningar identifierar identiska eller motsvarande element och isynnerhet till figur l visas ett exempel på en återvinningsbar komposit 2. I dess grundläggande form innefattar kompositen 2 en kärna 4 av naturfibrer, tillexempel jute, hampa, sisal, lin och liknande. l en föredragen utföringsform används hampa som naturfiber. Det finns många miljöfördelar om hampa används som kärna. För det första kan hampa odlas i många olika klimat, vilket gör det möjligt att samla upp hampa lokalt och därmed minska miljöpåverkan som förorsakas av transporter. För det andra är hampa den enda plantan som avlägsnar skadedjur från jorden och det finns sålunda inget behov att använda bekämpningsmedel när hampa odlas. För det tredje har hampa ett högt energiinnehåll vilket är användbart när kompositen återvinns enligt den föreliggande uppfinningen.

En annan fördel med hampa är att den har en låg densitet, en relativt hög styrka och hög kapacitet att absorbera energi. Dessa egenskaper i kombination med den extremt höga styrkan och styvheten hos kolfibrer 6 kommer att ge en mycket bra komposit som är användbar för många olika applikationer. l den föredragna utföríngsformen är sålunda kärnan 4 tillverkad av hampa, företrädesvis en hampa prepreg. Om hampa prepregen används eller inte påverkar teorietiskt sätt inte kvalitén och prestandan hos det slutliga kompositföremålet men ger fördelar när förfarandet enligt den föreliggande uppfinningen utförs såsom kommer att beskrivas i detalj nedan. l praktiken finns emellertid en skillnad mellan att använda prepreghampa och torr hampa. När torr hampa används kommer det nästan vara omöjligt att framställa den slutliga kompositen med en exakt på förhand bestämd mängd matris. När torr hampa används kommer det sålunda att vara mycket svårt att fastställa egenskaperna hos den slutliga kompositen. Genom att använda hampa prepreg istället för torr hampa är det möjligt att påverka den slutliga kvaliteten hos produkten eftersom mängden matris är enkelt kontrollerbar.

På båda sidorna om kärnan 4 av hampa är åtminstone ett skikt av kolfibrer 6 anordnat. Två skikt 6 visas i figur l. Det skall förstås att orienteringen hos kolfibrerna 6, som visas i figur l, skiljer sig 90° mellan det första närmaste skiktet som ligger närmast kärnan 4 och det andra yttre skiktet. Syftet med kolfibrerna 6 är att förstärka hampan och sålunda kan orienteringen, antalet skikt och placeringen av 532 2?'l kolfibrerna 6 göras på en mängd olika sätt beroende på vilka egenskaper som önskas i den slutliga produkten, vilket är väl känt av en fackman på området. Också kolfibrerna kan vara torra kolfibrer, torra återvinningsbara kolfibrer eller prepregade (förimpregnerade) kolfibrer eller någon kombination därav och är företrädesvis enkelriktade, vilket förstärker återvinningsegenskaperna hos den slutliga kompositen 2 och också den slutliga styrkan hos kompositen.

För att binda naturfibrerna och kolfibrerna samman används en matris med epoxiharts 8. Epoxihartsen ger hampafibrerna ett utmärkt hydrofobt skydd, vilket är överlägset i förhållande till vad som är möjligt när termoplaster och hartsplaster används. Också kolfibrerna 6 visar en mycket låg vattenabsorption. Att anordna kolfibrer 6 runt en kärna 4 av hampa ger en utmärkt ångbarriär. Användningen av epoxiharts 8 gör det möjligt att komma nära den optimala gränsen för den maximala fibervolymen. Användningen av epoxiharts 8 kommer att ge en fibervolym på omkring 70%, jämfört med en fibervolym på 30-50%, som kan uppnås när termoplaster eller hartsplaster används som matris eller fyllnadsmaterial. Detta kommer självklart ha en positiv effekt på styrkan hos kompositen och är också miljövänligare eftersom mängden icke förnybart material i den slutliga kompositen minskas.

Det skall förstås att termen epoxiharts skall tolkas brett. Även om epoxihartser idag är baserade på vanlig petrokemisk olja förutses att det i framtiden kan framställas av något förnybart eller biologiskt material och sålunda skall epoxiharts tolkas i denna anda.

Såsom nämnts ovan är det enklare att återvinna enkelriktade kolfibrer än vävda kolfibrer. Kombinationen av kolfiber och hampa kommer att underlätta möjligheten för kolfibrerna att frisläppas när förbränning inträffar. Förbränningen av kompositen är mycket enkel att starta och kan jämföras med förbränningen av ljus (veke-effekten). Hampan kommer att fungera som bränsle och kolfibrerna som veke.

Såsom nämnts kommer en minimal mängd av energi krävas för att starta processen som frisläpper den internt lagrade energin hos kompositen. Kompositen kommer sålunda att ge tillbaka energi när den förbränns istället för att kräva energi vilket är vanligt för en vanligt kolfiber/epoxikomposit. Den frigjorda energin kan tas omhand i ett fjärrvärmeverk eller liknande.

För att ytterligare öka ätervinningsbarheten hos kompositen kan band eller skikt med naturfibrer, till exempelvis hampa anordnas mellan varje skikt av enkelriktade kolfibrer. Det skall förstås att tunna tygremsor eller fibermattor eller 532 271 syntetfibrer kan användas för att separera olika koltiberskikt för att göra det mera ätervinningsbart.

Nu kommer ett förfarande för att framställa ett kompositmaterial att beskrivas. Såsom nämnts ovan är förfarandet enligt den föreliggande uppfinningen mest användbart i samband med framställningen av kompositmaterial som har komplexa geometrier. Förfarandet kan kort beskrivas som en elektrouppvärmd vakuumsäcksformningsteknologi. Vakuumsäcksformning såsom beskrivits ovan är en vanligt använd teknologi för att framställa kompositer och är välkänt av fackmannen på området och kommer därför inte att beskrivas i detalj. När kompositen har preparerats och vakuumsäckformats kommer den att behöva värme för att härda.

Vanligtvis används en ugn eller en autoklav för detta syfte. Detta är emellertid mycket energislukande. Enligt den föreliggande uppfinningen används en värmekabel som värmekälla. Värmekabeln kan anslutas direkt till elnätet, dvs. ett 240/1 lO-volts uttag.

Användningen av en värmekabel kommer sålunda att göra framställningen av kompositer mycket mer flexibel eftersom kompositen kan framställas på godtycklig plats där det finns ett nätuttag. Användningen av ugnar och autoklaver är mycket mera stationära.

Det som är viktigt när en värmekabel används är att värmealstringen hos kabeln kan styras. Värmekabeln lindas runt objektet som skall värmas upp med ett på förhand definierat avstånd mellan varje lindning och kan fästas med tejp, företrädesvis aluminiumtejp. Avståndet mellan varje lindning bestäms av kapaciteten hos värmekabeln och mängden värme som behövs för att härda kompositen. Företrädesvis används ett avstånd på 50 mm för att optimera värmeeffekteii, men kortare avstånd kommer naturligtvis att ge en större värme och större avstånd kommer att ge mindre värme till föremålet som skall härdas. För att minska energiförbrukningen täcks värmekabelri med ett skikt med en isoleringsfolie för att hålla kvar värmen i kompositen som framställs. Längden för värmekabeln kan vara 50 meter eller någon annan lämplig längd. I en föredragen utföringsform av uppfinningen kan värmekablar anslutas i serie för att öka längden därav.

När värmekabeln används är det viktigt att kabeln inte korsar sig sj älv eller stöter emot sig själv eftersom detta påtagligt kommer att påverka den användbara livslängden för värmekabeln. Överskott av värmekabel kan därför enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen lagras på en speciellt konstruerad ram lO, som visas i figurerna 2 och 3. Figurerna 2 och 3 visar ramen lO och värmekabeln 12 lindad runt 532 2?'l öglor eller hyskor 14. Ramen 10 innefattar två longitudinella ben och två vertikala ben och är tillverkad av trä eller något annat värmemotståndskraftigt material. Ramen 12 är försedd med öglor eller hyskor 12, skruvar eller spikar, vilka ned an betecknas lindningsstödorgan, med vilka överskottsvärmekabel styrs på ett sådant sätt att den lindas upp runt ramen. På ramen 10 som visas i figur 2 är det möjligt att linda värmekabeln 12 i två skikt, av vilka endast ett visas i figuren. Det första skiktet, som visas i figur 2, lindas runt lindiiingsstödorganen 14 som är anordnade på de longitudinella benen av ramen 10. Det andra skiktet, ej visat, kan lindas runt lindningsstödorganet 16, som är anordnat på de vertikala benen av ramen 10. Det finns olika sätt att arrangera och anordna lindningsstödorganen 14, 16 på benen av ramen 10. Till exempel kan såsom figur 3 visar öglor 16 vara anordnade på båda sidor om de vertikala benen på ramen 10 och figur 2 visar öglorna 16 anordnade på toppen av de vertikala benen. Avståndet mellan lindningsstödorganen kan vara runt 50 mm, men kan också vara något annat avstånd beroende på värmekapaciteten hos värmekabeln. Större kapacitet kommer naturligtvis kräva ett större avstånd eller värmekabeln kan skadas.

Det kanske verkar udda att beteckna en ram av trä som värmeresistent men det skall förstås att förfarandet för att laminera den föredragna koinpositen enligt uppfinningen vanligtvis använder en temperatur på omkring 100-l50° C för att hårda laminatet. Temperaturen beror på vilken typ av epoxihartssystem som används som matris. Det är möjligt att använda temperaturer upp till 220° C enligt den föreliggande uppfinningen. Sålunda kan trä enligt denna aspekt anses vara värmeresistent.

Naturligtvis kan andra material användas som ram, det viktiga är att de är värrneresisteiita och ej ledande.

För att utföra förfarandet enligt den föreliggande uppfinningen tillhandahålles en användbar materialsats. Materialsatsen innefattar värmekabeln 12, som företrädesvis ärjordad, och en apparatlåda som har en termostat och värmesensorer. Värmekabeln är sålunda klar att använda utan några åtgärder av användaren. Vidare kan materialsatsen innefatta den ovan beskrivna ramen för att ta hand om överskottsvärmekabeln, om så är fallet. 1 en vidare utföringsform av uppfinningen innefattar materialsatsen också alla de komponenter som är nödvändiga för att utforma vakuumsåckformingssteget enligt förfarandet i den föreliggande uppfinningen. Sådana komponenter kan vara olika frisläppnings-, aluminium- och isoleringsfolier, tätningsmassor, aluminiumtejp och digitala termometrar. Den kan också inkludera korrugerade pappskivor eller liknande 532 2?'l lO på vilka ramen och överskottsvärmekabeln kan placeras för att skydda golvet eller bordet, på vilka de läggs. Andra komponenter som kan införlivas i materialsatsen kan vara material för formningsverktyg, en vakuumpump, slangar etc. Även om den föreliggande uppfinningen har beskrivits med hänvisning till föredragna utföringsformer skall det förstås att andra utföringsformer och variationer är likväl möjliga inom ramen för uppfinningen, som bäst definieras av de bifogade patentkraven.

Claims (12)

532 27"! ll PATENTKRAV

1. l. En återvinningsb ar komposit som har förstärkningsmaterial innefattande natur- (4) och kolfiber (6) inbäddade i en matris av epoxiharts (8), varvid naturñbrerna används som en kärna (4) i kompositen, vilken kärna (4) på båda sidor omges av flera skikt med kolfiber (6) kännetecknad av att kolfiberskikten (6) är separerade av inlägg av naturfiber, företrädesvis hampa.

2. En återvinningsbar komposit enligt patentkrav l, kännetecknat av att kolfibrerna (6) är enkelriktade.

3. En återvinningsbar komposit enligt något av patentkraven 1 eller 2 kännetecknat av att kärnan (4) är hampa prepreg.

4. En återvinningsbar komposit enligt något av föregående patentkrav kännetecknat av att kolfibrerna är fórimpregnerade kolfibrer.

5. En återvinningsbar komposit enligt något av föregående patentkrav, kännetecknat av att kolfibrerna är återvunna kolfibrer.

6. En återvinningsbar komposit enligt något av patentkrav l till 4, kännetecknat av att kolfibrerna är torra fibrer eller någon kombination av torra, nya, återvunna och fórimpregnerade kolfibrer.

7. Ett forfarande för att framställa en återvinningsbar komposit enligt något av patentkraven 1-6, innefattande stegen att: preparera kompositen skikt på skikt, vakuumsäckforma den preparerade komposíten, linda värmekabel runt den vakuumsäckformade kompositen, linda, om tillämpligt, överskott av värmekabeln runt en ram, och ansluta värmekabeln till en strömkälla.

8. Ett förfarande enligt patentkrav 7, ytterligare innefattande steget att täcka den vakuumsäckformade kompositen och värrnekabeln med en isoleringsfolie. 532 27"! 12

9. Ett förfarande enligt patentkrav 7 eller 8, i vilket steget att preparera kompositen innefattar steget att impregnera naturñbrerna med epoxiharts.

10. l0. Ett förfarande enligt något av patentkraven 7-9, i vilket steget att preparera kompositen innefattar steget att impregnera kolfibrerna med epoxiharts.

11. En materíalsats för att utföra förfarandet såsom det definieras i patentkraven 7-10, innefattande en ram (10), en värmekabel (12) och en apparatlåda som har en termostat och värmesensorer.

12. En materialsats enligt patentkrav ll, ytterligare innefattande vakuumsäckforrnningskomponenter.