WO2016155886A1 - Verfahren zum verarbeiten eines bauteils, bauteil, bauteileinheit und beschichtetes bauteil - Google Patents

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Christoph Uhlig
Thomas Kruse
Mathias Jessrang
Paulin Fideu
Wolfgang Schulze
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • C08J2379/04—Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain; Polyhydrazides; Polyamide acids or similar polyimide precursors

Definitions

  • the invention relates to a method for processing a component, for example for connecting a component to a joining partner or for providing a coating, a component, a
  • Component unit and a coated component.
  • Carbon fibers used.
  • the individual components can basically be glued together.
  • bonded joints are not certified according to the Federal Aviation Administration's AC20-107B.
  • Reasons for this are a susceptibility of
  • Adhesive bonds with respect to fluctuating process parameters and in particular a possible contamination of adhesive surfaces are Adhesive bonds with respect to fluctuating process parameters and in particular a possible contamination of adhesive surfaces.
  • Adhesive bonds are based primarily on the physical effect of adhesion, which is very sensitive to
  • thermoset-based components Adhesive surfaces of thermoset-based components
  • CONFIRMATION COPY Treatment method is a plasma treatment or a
  • EP0734411B1 is a process for the degradation of polycyanuratumblen materials
  • Polycyanurates in particular of polycyanurates, polycyanurate prepolymers and polycyanurate plastics.
  • Polycyanurates can be prepared by polycyclotrimerization from di- or polyfunctional
  • Solvent for example, in a cyclic ether, such as THF, a chlorinated hydrocarbon, such as
  • Methylene chloride or a nitrogen-containing solvent for example pyrrolidone or NMP.
  • the solvent used may also be the compound containing NH 2 groups used for the aminolysis, for example ammonia or primary amine, optionally in the condensed state under pressure or
  • Amino alcohols are obtained by the process di- and / or
  • polyfunctional amines and / or alcohols which can be used as starting materials for the production of polyurethanes, melamine resins, epoxy resins, polyesters, polycarbonates, etc.
  • di- or polyfunctional phenols can be converted back into the corresponding di- or polyfunctional cyanates, which can be used as starting materials for new polycyanourat tone materials, so that can be spoken of a real recycling material.
  • the object of the invention is to provide a component with a duromer-based matrix which is prepared for producing a high-strength compound, for example a high-strength compound with a joining partner or a coating. Furthermore it is
  • Object of the invention a reliable method for processing a component, in particular for connecting a component with a joining partner or for providing a coating, a To provide heavy-duty component unit and a coated component with an improved adhesive coating.
  • Polycyanurates for example for joining a component (1) to a joining partner (2) or for providing a coating (42) comprising the steps
  • the first agent is mixed with a third agent which is selected from solvents selected from acetone, butanone, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 2-methyl-1-propanol, 2-methyl-2 propanol, 1-butanol, 2-butanol, THF, DMSO, dioxane, CHC1 3, CH 2 C1 2 NMP, MPA and water, particularly preferably a solvent having a dipole moment of at least 5 x 10 "30 Cm is selected.
  • the third agent is chosen from ketones and alcohols, in all of which it is further preferred if the third agent is selected from acetone,
  • Methyl ethyl ketone and alcohols having one to four carbon atoms is selected, in the case of alcohols, monohydric alcohols are very particularly preferred. In all of this, it is further particularly particularly preferred when the third agent is chosen from acetone, methyl ethyl ketone and isopropanol. In all of these it is further preferred if the first agent is selected from ammonia, a substituted hydrazine, an amine of formula (1)
  • X is selected from -H, -OH, -NH 2 , -NHR 1 and R 2 -Y-, wherein R 1 is an aliphatic or aromatic hydrocarbon radical
  • R2 is a divalent aliphatic or aromatic
  • Hydrocarbon radical having 1 to 20 carbon atoms and Y is any bivalent radical, preferably -H, -OH, -NH 2 or - NHR 1 ;
  • Z is an aliphatic or aromatic hydrocarbon radical having 1 to 20 C atoms, which may be substituted, Z is preferably a group R 3 -A, wherein R 3 is a divalent aliphatic or
  • hydrazines are aromatic hydrocarbon radical having 1 to 20 carbon atoms and A is any bivalent radical, preferably -OH, -NH 2 or -NHR.
  • substituted hydrazines very particularly preferred hydrazines are benzyl, phenyl or methylhydrazine. In all of this, it is further preferred if the first means below
  • Ethylenediamine, 2-aminoethanol, 3-aminopropanol, N-methylethanolamine and diethanolamine preferably selected from ethylenediamine, 2-aminoethanol, 3-aminopropanol and N-methylethanolamine, and particularly preferably ethylenediamine is used.
  • the second agent is a coating agent, preferably a primer, paint or a gelcoat or a
  • step a) treating a surface or a surface area with a first agent (16) or a mixture of first agent with a third agent in a temperature range of at least 45 ° C to the boiling point or Boiling range of the first agent (16) or the mixture of the first agent is carried out with a third agent, wherein the boiling points are based on the pressure prevailing during the treatment.
  • a temperature range of 30 ° C below its boiling point to the boiling point is particularly preferred.
  • step b) through the surface (8) reactive, mobile molecules of the crosslinking second agent (30) penetrate into the Einwirk Scheme (22), wherein by the Penetrating the molecules of the crosslinking second agent (30) into the area of action (22) extending from the surface (8) into the area of action (22)
  • Diffusion zone (38) is formed, and upon curing of the second means (30) the molecules of the second means (30) with each other and with the functional groups (26) in the diffusion zone (38) form a homogeneous network (33).
  • at least one penetration depth (s) of the first means (16) into the volume region (10) and / or a gradient with respect to the widening and functionalization of the matrix network (12) in the exposure region is further preferred.
  • Processing temperature (Tl) is set. In all of this it is further preferred if an excess amount of the first agent
  • Joining partner (2) is an uncured second component, wherein at least a subset of the second means (30) of
  • the joining partner (2) is a metal part, or at least one prior to coating or coating
  • the invention also includes a component obtainable by a method according to the invention as described above, and a component unit (3) produced by a method according to the invention as described above from a component
  • the invention further comprises a storable component obtainable by a process according to the invention as described above, wherein step b) 1 to 1000 hours after step a) is carried out, and particularly preferably such a storable component whose Duromer matrix network (12) of polycyanurates by a chemical substitution reaction in the area of action (22) by a first means (16) selected from compounds having a reactive NH 2 or NH groups, expanded and functionalized, wherein the matrix network (12) within the Einwirk Schlettivos
  • An inventive component has a duromer-based
  • Matrix network which expanded by a chemical substitution reaction in the area of action of a first agent
  • the component is storable.
  • “storable” means stable at least for a limited period of time.
  • the storage time can be influenced by corresponding environmental factors such as storage temperature.
  • the component is long-term stable, for example, can be stored for over a year and longer.
  • chemical and physical parameters preferably remain stable over a long period of time to years.
  • the component is therefore only partially expanded and not complete.
  • the first agent is preferably a reagent.
  • the completion of the widening and functionalization can be done, for example, by the fact that the first agent is completely used up. Alternatively, the termination by a
  • wash out or rinsing and the like of the first means Furthermore, it is conceivable to bind the first agent by means of a binder introduced into the area of action.
  • a component is understood to mean its entire processing or process chain, meaning that both a workable input material, for example an uncured semi-finished product such as a prepreg, and an end product per se are understood as one component or in the latter case, the component may for example be in the form of a thermoset-based pure resin.
  • coating is meant both the application of an informal substance to the component as in the case of a coating, and the application of an already existing material layer to the component or the connection of the component to the material layer.
  • the coating can be inserted in a mold and then the component can be built up on the coating.
  • molecules of a second agent have penetrated into the exposure region, wherein a diffusion zone is formed by the penetration.
  • a depth measured from the surface may be equal to or less than a depth of the exposure region.
  • the depth of the diffusion zone can not be deeper than the depth of the exposure region, since only in the expanded matrix network, a diffusion of the second agent has taken place.
  • the second means is for example a connecting means and enables a high-strength connection with a joining partner.
  • the component with the diffusion zone is also storable, wherein for storage, possibly other environment parameters must be set than when storing the component in at least partially expanded and
  • component according to the invention having a duromer-based matrix, for example for joining a component according to the invention with a joining partner or for providing a coating
  • at least one surface of the component is subjected to a surface treatment, wherein the at least one surface is surface-treated with a first agent.
  • the first agent penetrates through the surface into a surface-adjacent volume region of the matrix network and acts on the surface and in the surface
  • Einwirk Symposium or process area of the first means an expansion and functionalization of the matrix network of the component is achieved.
  • functional groups of the matrix network are formed, wherein the matrix network in the area of action after the
  • Einwirk Sector a extending from the surface into the volume range extending diffusion zone is formed.
  • the second agent is cured, whereby upon curing the molecules of the second agent form a homogeneous network with each other and with the functional groups in the diffusion zone.
  • “Homogeneous network” means primarily that in a well-defined and well-characterized hardening chemistry similar stable chemical links as those of the non-pretreated matrix network and the
  • the homogeneous network has a network topology that is at least similar to the topology of the original matrix network of the device, and at least similar to the network topology described by the second means
  • the homogeneous network has similarly stable polyfunctional covalent chemical compounds with a similar chemical structure to the original matrix network. All relevant or almost all parameters show a gradual or
  • homogeneous means that the network is essentially a uniform, continuous matrix with the same chemical and network topological structure without any structural and structural changes
  • the step of penetrating molecules of the second agent into the partially expanded and functionalized matrix network of the device may immediately follow the expansion and functionalization. Due to the shelf life of the component with its partially widened and functionalized matrix network, however, the treatment of the component with the second means can also take place with a time delay. The intrusion of
  • Molecules of the second agent can by exceeding the
  • the matrix network in the at least one surface and in the surface-adjacent volume region is widened to a penetration depth of the first means, and at the same time the degree of functionalization is increased.
  • Functional groups are formed which make it possible to form a compound which is insensitive to adhesion-preventing and strength-reducing contaminations and thus highly resistant to the second agent, since chemical and physical effects are chemical covalent
  • connection or connection according to the invention is based not only on the pure
  • Diffusion zone is a homogeneous network consisting of the original matrix network and the network of the connection means, whereby by functionalizing the old matrix network, i. in particular by a widening and the formation of functional groups, these networks are covalently linked together.
  • Connection is so insensitive to adhesion-preventing and strength-reducing contaminants that it allows, for example, a joining of duromer-based primary components in aircraft without the use of mechanical fasteners such as rivets.
  • long-term properties of the compound, for example in bulk, are testable and thus predictable.
  • the molecules of the bonding agent form a precisely defined network under chemical reaction with each other and with the matrix of the component.
  • the network expansion and the formation of the functional groups are not only found in the surface itself, but also in a near-surface volume range, so that the molecules of the second agent such as monomers and oligomers can easily diffuse in depth, whereby the stability of the compound is increased .
  • the penetration of the first means and the joining of the component with the joining partner or the coating of the component can be accelerated by applying temperature and / or pressurization when bringing or applying the coating become.
  • the diffusion zone extends over the entire range of action, so that after curing no free functional groups exist
  • the first agent can simultaneously carry out a chemical removal of the surface. This is advantageous for repairs, for example, since fiber layers can be freed locally from the matrix network and / or local, chemically adhering impurities can be removed without the need for a separate processing step.
  • the bonding process is similar to a conventional bonding process after formation of the functional groups by the first agent from a production point of view. From physical and
  • connection mechanism is completely different from a conventional bonding process. Because the
  • Primary connection of the second agent to the device is based on chemical bonding in the diffusion zone and the interpenetration of the expanded matrix network and the network formed by the second device.
  • precured means that the component has been heated above its glass transition temperature for a certain time and thus partial crosslinking, for example up to 50%, has already taken place, but still sufficiently reactive
  • Invention "fully cured.” That is, the component was heated so long that a complete or 100% crosslinking has taken place.Reactive groups are no longer present.
  • a prepreg is mentioned.
  • Mobile means liquid, gaseous or viscous or a solid dissolved in the liquid
  • the first means may be at least a subset of a third agent having at least one additive which is one for first agent has a different chemical property.
  • the additive may be a cleaning agent and cause a chemical cleaning of the surface of the component, so that a separate cleaning step of the at least one surface can be omitted.
  • the third means becomes
  • Processing temperature can be adjusted.
  • the method can be precisely defined, in particular with regard to chemical and physico-chemical parameters, such as the chemical composition of the third agent, in particular the first agent (constituents and concentration), temperature and time or duration of the surface treatment. This allows effective and accurate quality control of the connection. Deviating from physical methods, such as a mechanical destruction test and
  • Exemplary methods of providing the at least one surface with the first agent and / or third agent are dipping baths, spraying jobs, coating jobs, steaming, paste and film application, and the like.
  • dipping baths In the case of an immersion bath, it is, for example, advantageous from a process engineering point of view if the surfaces which are not to be pretreated are masked.
  • spraying for example, under a for
  • the spray application offers, for example, the advantage that the processing agent can be adjusted during the treatment in terms of its composition and amount.
  • the first agent and / or third agent may be applied by a carrier material.
  • Support material is the at least one surface, so to speak
  • the carrier material may be on the at least one
  • a carrier film which is provided on its side facing the component adhesive side with the first means and / or third means.
  • the component can be stored with the adhering carrier material and thus already have at least one appropriately activated volume range in the case of use.
  • surface treatment is performed by the following methods:
  • first agent and / or third agent by means of a coating process, in particular in the spray application or in the coating application.
  • the component is cured and the joining partner is a cured second component with a
  • the joining surface of the surface ⁇ treatment is subjected.
  • the component and the joining partner have a matrix material with a same
  • Connection level of the component and the joining partner in the other components extends.
  • the joining partner is a
  • precured second component wherein at least a portion of the second composition of uncured components of the
  • Matrix material of the joining partner is formed. Because the matrix material of the joining partner provides at least a subset of the second agent, the amount of second agent to be provided and separately supplied can be reduced. Depending on
  • Degree of cure of the joining partner can be subjected to its at least one joining surface of the surface treatment.
  • the joining partner is a
  • Matrix material of the joining partner is formed. This may possibly be completely dispensed with the supply of a separate second means.
  • An example of an uncured component is a semi-finished product such as a prepreg. Of course, a prepreg may also be an already pre-crosslinked semi-finished product.
  • the joining partner is a metal part whose joining surface, which corresponds to the at least one surface, is preferably surface-pretreated, for example in the form of an etching process.
  • the etching process is the Joining partners in the region of its at least one joining surface prepared in such a way that an optimal connection of the second means with the joining partner takes place and thus a high-strength connection between the component and the joining partner is achieved.
  • a cured component with a duromer-based matrix is combined with another cured component
  • a cured component with a duromer-based matrix is joined with an uncured component with a resin matrix without or with the aid of a second agent.
  • a hardened component with a duromer-based matrix is joined to a metal part with the help of a second agent.
  • a cured component with a duromer-based matrix is joined with a fiber-metal laminate composite using a second agent.
  • a cured component with a duromer-based matrix is joined with a thermoplastic matrix fiber composite component with the aid of a second agent.
  • a cured component with a duromer-based matrix is added to a precured component with a resin matrix without or with the aid of a second agent.
  • a precured component with a duromer-based matrix is added to at least one precured component with a matrix without or with the aid of a second agent.
  • the surface treatment with the first means is carried out with the method according to the invention such that the area of action is not limited to a surface area close to the volume, but up to millimeters or more. several fiber layers extending deep into the component.
  • the surface treatment method according to the invention also a macroscopic softening of larger areas of a component with a duromer matrix can be achieved, and in the following
  • this macroscopic softening can be used to compensate for tolerances or gaps.
  • This lower exposure range up to millimeters can be achieved, for example, by longer times and / or higher temperatures in the surface treatment and by a greater concentration of the first agent
  • the functional body is a
  • Strain gauge is, length changes, voltages and drgl. of the component are detected. Is the functional body
  • the coating itself can be designed as a functional body in the form of a functional layer.
  • the coating can be specially colored, act as an anti-corrosion or anti-adhesion layer, and / or be provided with particles for generating an electrical or optical conductivity.
  • the second means used is an agent which has the same curing chemistry as a matrix material of the component and / or joining partner or of the coating.
  • optimal networking can be achieved. For example, if the matrix of the component is cyanurate, has the second agent
  • cyanate-containing composition preferably a cyanate-containing composition.
  • Exemplary materials for the first agent are amino group-containing chemical compounds.
  • a component unit according to the invention with a component and with a joining partner is joined according to the method according to the invention.
  • the component unit in the connection region is insensitive to adhesion-preventing and strength-reducing contaminations.
  • An inventively coated component is after the
  • Such a coating applied is characterized by a very high connection to the component.
  • the repair-suitable fiber composite plastics were produced by hand impregnation with subsequent pressing.
  • a mixture dissolved in MEK consisting of 81% by mass of Lonza Primaset TM BA 230 S (without MEK), 9% by mass of bisphenol A and 10% by mass of DOW Fortegra TM 100 was used.
  • the solution was diluted with MEK until the run-off time determined with DIN EN ISO 2431 cup was about 55 s.
  • An aviation-grade glass fiber fabric from P-D INTERGLAS (Erbach, Germany) was used.
  • the impregnation of the fibers was carried out by pouring individual layers of fabric over with the impregnating resin dissolved in MEK. To remove the excess resin, each fabric layer was similarly stripped four times on a tripod rod. Following were always eight each
  • n-butylamine was used for treating the resin matrix in a defined range.
  • the treatment was carried out using two rectangular aluminum molds (about 190 x 50 x 20 mm 3 )
  • the mold was heated by means of a hot plate to a temperature of about 70 ° C and the resin treated by the treatment reagent in the region of the chambers. After treatment of the resin matrix, the mold was opened, the excess
  • 1 shows a component unit, a component and a
  • FIGS. 2 to 8 an operating principle of the method according to the invention, exemplified at a matrix portion of
  • FIG. 20 shows a coated component according to the invention in which
  • Coating a functional body is embedded.
  • FIG. 1 shows a front view of a component unit 3 connected to one another from a component 1 and a joining partner 2 by means of a method according to the invention.
  • Component unit 3 is for example a shell element of a
  • Fuselage wherein the component 1, for example, a skin panel and the joining partner, for example, a stiffening element as a longitudinal reinforcement for stabilizing the skin field indicates.
  • the component 1 has a duromer-based matrix, for example a cyanurate-containing matrix, preferably singulated in the indicated reinforcing fibers 4 such as carbon fibers, glass fibers, aramid fibers, natural fibers and the like are embedded.
  • a duromer-based matrix for example a cyanurate-containing matrix, preferably singulated in the indicated reinforcing fibers 4 such as carbon fibers, glass fibers, aramid fibers, natural fibers and the like are embedded.
  • the joining partner 2 is also a component with a duromer-containing matrix in this embodiment.
  • the matrix of the joining partner 2 has the same material composition as the matrix of the component 1. Accordingly, the joining partner 2 here has a cyanurate-containing matrix, in which occasionally indicated reinforcing fibers 6 are embedded.
  • the component 1 is for the simplified understanding of the active principle in the cured state, that is, the component 1 has been completely cured. Reactive groups are no longer available.
  • FIG. 2 shows a section through the component 1 in the region of a surface 8.
  • the surface 8 delimits a surface
  • Volume range 10 of the component 1 and serves to arrange the joint partner 2 not shown in Figures 2 to 8 with a
  • the surface 8 counts to the volume area 10 and is thus of the term
  • the component 1 and thus also the volume region 10 are penetrated by a matrix network 12 which is of multifunctional nature
  • the matrix network 12 is formed by trifunctional crosslinking sites.
  • the surface treatment of the surface 8 takes place with a mobile means in which a first means 16 is contained.
  • the first agent will be referred to as reagent and the agent containing the reagent as processing agent and third agent, respectively.
  • the reagent 16 forms a subset of the
  • Processing agent Another subset of the processing agent
  • a cleaning agent may be used to dry-clean the surface 8.
  • the application of the processing agent and thus of the reagent 16 takes place for example in the context of a
  • Immersion bath 18 are masked in the not to be provided with the reagent 16 other or remaining surfaces of the component 1 in order to limit a treatment on the surface 8 (see Figures 1, 10 and 11 or 1, 15 and 16).
  • the reagent 16 is depicted here in the form of difunctional molecules. Other subsets of the processing means such as the exemplary detergent are not shown for reasons of clarity. Alternatively, the reagent 16 may also comprise other types of molecules, also in combination with difunctional molecules, such as higher functional or partially monofunctional molecules.
  • FIG. 4 shows how the reagent 16 enters the matrix network 12 after a time t1> 0.
  • the molecules of the reagent 16 diffuse into the matrix network 12, thereby expanding the matrix network 12 up to its penetration depth s. In doing so, they separate at least some of the links 14 and enter into network node point 24 at this point.
  • the matrix network 12 is thus functionalized in the active region 22 of the reagent 16, including in the surface 8, wherein the
  • Network nodes 24 whose links 14 are broken, functional groups 26 are formed. So there is a
  • the component 1 with the partially expanded and functionalized matrix network 12 is storable in this state, so that a subsequent
  • Processing step does not have to connect immediately.
  • the component 1 is chemically stable at least over a certain period of time, and preferably over a longer period of time, for example over a period of more than one year. There are no unreacted molecules 24 of the reagent 16 in the matrix network 12.
  • Matrix network 12 are removed.
  • Processing agent composition a processing agent amount and thus a reagent composition (components and concentration) and a reagent amount, the contact time tl and a
  • Processing step can, as described for Figure 5, due to the shelf life of the component 1 offset in time. He can, however, also immediately the expansion and functionalization connect.
  • the connecting means 30 has not yet penetrated into the widened matrix network 12 or into the action region 22.
  • the bonding agent 30 is quasi an adhesive and in this embodiment has difunctional molecules, but can also, in combination with difunctional molecules, higher-functionality or partially monofunctional molecules
  • FIG. 7 shows an intrusion of the molecules of the bonding agent 30 or a physical diffusion of the molecules into the exposure region 22 at the time t2> 0.
  • the bonding agent 30 essentially only hardens after it has been diffused. It is preferred if the connecting means 30 completely in the
  • FIG. 8 shows the final state after curing. During curing or hardening reaction, the molecules of the
  • Connecting means 30 both together and thus form chemical compounds 31, as well as with the functional groups 26 of the matrix network 6 and form with these also chemical
  • a homogeneous network 33 is created which consists of the original matrix network 12 and the network 34 of the connection means 30, whereby functionalization and widening of the old matrix network 12 connect these two networks 12, 34 covalently to the common homogeneous network 33 ,
  • the formation of the homogeneous network 33 is not only superficially close to the surface 8, but can take place up to the penetration depth s.
  • Connection means 30 connected to each other to the network 34.
  • this extends to the penetration depth s and thus represented the penetration region 22 before the penetration of the connection molecules (see FIGS. 4 to 7), by means of the reagent 16 a
  • the homogeneous network 33 also provides a homogeneous connection between the exclusive one due to its mates of the matrix network 12 with the liaison network 34
  • the matrix network 12 and the connecting medium network 34 and thus also the homogeneous network have the same or very similar stable polyfunctional covalent chemical compounds with a similar chemical structure, so that as a result
  • the connecting means 30 reacts with itself, forming its own
  • FIGS. 9 to 14 an exemplary embodiment of a method according to the invention for achieving a connection described in FIGS. 2 to 8 or for creating the component unit 3 shown in FIG. 1 is explained in a stepwise manner.
  • component 1 in this exemplary embodiment has a cured plastic matrix, in particular a cyanurate-based resin matrix.
  • Plastic matrix are reinforcing fibers 4, for example
  • the joining partner 2 is likewise here a component with a hardened plastic matrix, in particular a cyanurate-containing resin matrix, in which reinforcing fibers 6 are embedded.
  • the at least one surface 8 of the component 1 and the at least one joining surface 11 of the joining partner 2 is subjected to a surface treatment to the surface 8 and the joining surface 11 with the
  • this is a dip bath treatment in the exemplary embodiment shown here.
  • the components 1 and the joining partner 2 are immersed in a dip 18 for a predetermined exposure time tl.
  • the immersion bath 18 contains the processing means with the reagent 16 adjusted to a specific temperature T 1 and composition, wherein to avoid any interaction of the reagent 16 on surfaces to be left free, they are shown in FIG.
  • the component 1 and the joining partner 2 are removed from the immersion bath 18 and, if necessary, dried or freed from excess processing means and thus from the excess reagent 16.
  • the masking is removed from the surfaces.
  • the component 1 and the joining partner 2 are now in their from the surface 8 and the joining surface 11 on the surface limited impact area 22 including the surface 8 functionalized.
  • Their matrix networks 12 are, as described in FIGS. 3 to 5, expanded to the penetration depth s and provided with functional groups 26.
  • the bonding agent 30 is applied to the surface 8 and / or the surface
  • connection to the widening and functionalization take place, however, due to the storability of the surface-treated component 1, the treatment with the connecting means 30 can also take place with a time delay.
  • the connecting means 30 has as
  • the same material composition as the component 1 and the joining partner 2 is described above and is therefore preferably also cyanate-containing in the exemplary embodiment shown here.
  • the joining partner 2 After application of the connecting means 30, as indicated in FIG. 13, the joining partner 2 is positioned with its joining face 11 to the component 1. Between the component 1 and the joining partner 2, the connecting means 30 is arranged, which establishes a contact between the surface 8 and the joining surface 11.
  • the connecting means 30 diffuses into the respectively widened matrix network 12 of the component 1 and the joining partner 2 and hardens to form the homogeneous
  • FIGS. 15 to 18 show a further exemplary embodiment of the method according to the invention.
  • Embodiment according to Figures 9 to 14 of the joining partner 2 is here of an uncured with a plastic resin
  • pre-impregnated semi-finished fiber product prepreg
  • the corresponding reinforcing fibers 6 has.
  • the surface treatment of a joining surface 11 of the joining partner 2 is omitted. Only one surface 8 of the hardened component 1 is subjected to the surface treatment, here likewise in the form of a dip bath 18, for providing the surface 8 with the reagent 16.
  • Connecting means 30 is formed by the uncured matrix material of the joining partner 2 and thus by the matrix material of
  • connection means 30 as in the previous embodiment of Figures 9 to 13 omitted here. However, if required, a separate connection means 30 can also be supplied at least partially, so that the connection means 30 is partially formed by uncured components of the matrix material of the joining partner 2.
  • the component 1 and the joining partner 2 are subjected to a temperature for a certain time
  • Component unit 3 connected.
  • FIG. 20 shows a component 1 which is at least at one
  • Surface 8 is provided with a coating 42 in which a functional body 44 is embedded.
  • the component 1 has a duromer-based matrix, for example a cyanurate-containing matrix, preferably singulated in the
  • reinforcing fibers 4 such as carbon fibers, glass fibers, aramid fibers, natural fibers and the like are embedded.
  • the functional body 44 is here, for example, a
  • Other functional bodies 44 are, for example, signal and / or current guides, antennas. Likewise, functional layers such as lightning protection may be integrated into the coating 42.
  • the surface 8 of the component 1 becomes a surface treatment described in FIGS. 1 to 19
  • the surface 8 is provided with a means or
  • Processing means surface treatment containing at least a first agent or reagent 16, which penetrates through the surface 8 in a surface-adjacent volume region 10 of the matrix network 12 and acts on the surface 8 and in the volume region 10.
  • a chemical substitution reaction in the area of action causes a widening and functionalization of the
  • Matrix network 12 are formed so that the matrix network 12 in the active region 22 after the surface treatment more functional groups 26 than before the surface treatment.
  • a diffusion zone 38 extending from the surface 8 into the volume region 10 is formed.
  • the coating agent molecules form with each other and with the functional groups 26 in the diffusion zone 38 during curing of the
  • Connecting means 30 and the coating a homogeneous network 33. Before or during the coating of the functional body 44 is positioned on the surface 8 and thereby embedded in the coating 42.
  • a component with a duromer matrix network which by a chemical substitution reaction in the area of action of a first agent, such as a reagent, expanded and
  • An effective region has more functional groups than outside the Einwirk Schemes, and wherein the component is storable, a method for processing such a component, wherein upon curing of a second agent, such as a bonding agent or a coating agent, molecules of the second agent with each other and with functional groups of the component form a homogeneous network in a diffusion zone, a component unit and a second agent, such as a bonding agent or a coating agent, molecules of the second agent with each other and with functional groups of the component form a homogeneous network in a diffusion zone, a component unit and a second agent, such as a bonding agent or a coating agent, molecules of the second agent with each other and with functional groups of the component form a homogeneous network in a diffusion zone, a component unit and a

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Abstract

Offenbart sind ein Bauteil mit einem Duromer-Matrixnetzwerk, das durch eine chemische Substitutionsreaktion im Einwirkbereich eines ersten Mittels, beispielsweise ein Reagenz, aufgeweitet und funktionalisiert ist, wobei das Matrixnetzwerk innerhalb des Einwirkbereichs mehr funktionelle Gruppen aufweist als außerhalb des Einwirkbereichs, und wobei das Bauteil lagerfähig ist, ein Verfahren zur Verarbeitung eines derartigen Bauteils, wobei beim Aushärten eines zweiten Mittels, beispielsweise ein Verbindungsmittel oder ein Beschichtungsmittel, Moleküle des zweiten Mittels untereinander und mit funktionellen Gruppen des Bauteils in einer Diffusionszone ein homogenes Netzwerk bilden, eine Bauteileinheit sowie ein beschichtetes Bauteil.

Description

Verfahren zum Verarbeiten eines Bauteils , Bauteil , Bauteileinheit und beschichtetes Bauteil
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten eines Bauteils, beispielsweise zum Verbinden eines Bauteils mit einem Fügepartner oder zum Versehen mit einer Beschichtung, ein Bauteil, eine
Bauteileinheit und ein beschichtetes Bauteil.
In modernen Luft- und Raumfahrzeugen werden verstärkt Bauteile bestehend aus einer Matrix, insbesondere einer Duromermatrix, und einer Vielzahl von in der Matrix eingebetteten Fasern, wie
Kohlenstofffasern, eingesetzt. Die einzelnen Bauteile lassen sich grundsätzlich miteinander verkleben. Allerdings sind beispielsweise im Bereich einer Primärstruktur eines Flugzeugs Klebeverbindungen nach der AC20-107B der Federal Aviation Administration nicht zertifiziert. Gründe hierfür sind eine Anfälligkeit von
Klebeverbindungen bezüglich schwankenden Prozessparameters und insbesondere einer möglichen Kontamination von Klebeflächen.
Klebeverbindungen beruhen vorrangig auf dem physikalischen Effekt der Adhäsion, die sehr empfindlich gegenüber
Oberflächenungenauigkeiten ist. Zum Einhalten der Erfordernisse der AC20-107B sind die einzelnen Bauteile untereinander oder an
Metallflächen zusätzlich zur Klebung mittels
schadensausbreitungsverhindernden Einrichtungen wie herkömmlichen Befestigungsmitteln in Form von Niete zu fügen.
Zur Oberflächenbehandlung von Klebeflächen sind aus dem Metallbau beispielsweise Ätzverfahren bekannt, deren Wirksamkeit über
individuelle Badzusammensetzungsparameter überwacht werden können. Klebeflächen von duromerbasierten Bauteilen werden
herkömmlicherweise angeraut. Dies erfolgt beispielsweise mittels einem Schleifprozess oder einer Laserbehandlung. Als alternative
BESTÄTIGUNGSKOPIE Behandlungsmethode ist eine Plasmabehandlung oder eine
Koronabehandlung der Klebeflächen bekannt.
Aus dem europäischen Patent mit der Nummer EP0734411B1 ist ein Verfahren zum Abbau von polycyanurathaltigen Materialien,
insbesondere von Polycyanuraten, Polycyanurat-Prepolymeren und polycyanurathaltigen Kunststoffen bekannt. Polycyanurate können durch Polycyclotrimerisierung aus di- oder polyfunktionellen
Cyanaten gebildet werden. Dabei wird das polycyanurathaltige
Material in fein verteilter Form bereitgestellt. Dies kann zum einen dadurch geschehen, dass das Material in einem geeignetem
Lösungsmittel aufgenommen wird, beispielsweise in einem cyclischen Ether, wie THF, einem chlorierten Kohlenwasserstoff, wie
Methylenchlorid oder einem stickstoffhaltigen Lösungsmittel, beispielsweise Pyrrolidon oder NMP. Als Lösungsmittel kann auch die für die Aminolyse eingesetzte NH2-Gruppen enthaltende Verbindung verwandt werden, beispielsweise Ammoniak oder primäres Amin, gegebenenfalls in kondensiertem Zustand unter Druck oder
aufgeschmolzen. Durch Verwendung geeigneter Diamine oder
Aminoalkohole erhält man mit dem Verfahren di- und/oder
polyfunktionelle Amine und/oder Alkohole, die als Ausgangsstoffe für die Herstellung von Polyurethanen, Melaminharzen, Epoxidharzen, Polyestern, Polycarbonaten, etc. eingesetzt werden können.
Anfallende di- bzw. polyfunktionelle Phenole können wieder in die entsprechenden di- bzw. polyfunktionellen Cyanate umgewandelt werden, welche als Ausgangsstoffe für neue polycyanurathaltige Materialien eingesetzt werden können, so dass von einem echten stofflichen Recycling gesprochen werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil mit einer duromerbasierten Matrix zu schaffen, das zur Herstellung einer hochfesten Verbindung, beispielsweise einer hochfesten Verbindung mit einem Fügepartner oder einer Beschichtung, vorbereitet ist. Des Weiteren ist es
Aufgabe der Erfindung, ein zuverlässiges Verfahren zur Verarbeitung eines Bauteils, insbesondere zum Verbinden eines Bauteils mit einem Fügepartner oder zum Versehen mit einer Beschichtung, eine hochbelastbare Bauteileinheit und ein beschichtetes Bauteil mit einer verbessert anhaftenden Beschichtung zu schaffen.
Es hat sich nun überraschend und für den Fachmann nicht vorhersehbar herausgestellt, dass ein Verfahren zum Verarbeiten eines Bauteils (1) aus Faserverbundwerkstoff mit einer Duromer-Matrix aus
Polycyanuraten, beispielsweise zum Verbinden eines Bauteils (1) mit einem Fügepartner (2) oder zum Versehen mit einer Beschichtung (42), umfassend die Schritte
a) Behandeln einer Oberfläche oder eines Oberflächenbereichs mit einem ersten Mittel (16) , gewählt unter Verbindungen mit wenigstens einer reaktiven NH2- oder NH-Gruppe;
b) Behandeln der Oberfläche oder des Oberflächenbereichs mit einem zweiten Mittel (30) , gewählt unter Cyanaten, Epoxidharzen,
Isocyanaten und Acrylaten, den Nachteilen des Standes der Technik abhilft.
Dabei ist es bevorzugt, wenn das erste Mittel mit einem dritten Mittel vermischt ist, welches unter Lösungsmitteln gewählt unter Aceton, Butanon, Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, 2- Methyl-l-Propanol, 2-Methyl-2-Propanol , 1-Butanol, 2-Butanol, THF, DMSO, Dioxan, CHC13, CH2C12 NMP, MPA und Wasser, besonders bevorzugt ein Lösungsmittel mit einem Dipolmoment von wenigstens 5 x 10"30 Cm gewählt wird. Bei all dem ist es weiter bevorzugt, wenn das dritte Mittel unter Ketonen und Alkoholen gewählt wird. Bei all dem ist es weiter bevorzugt, wenn das dritte Mittel unter Aceton,
Methylethylketon und Alkoholen mit ein bis vier Kohlenstoffatomen gewählt wird, im Fall von Alkoholen sind einwertige Alkohole ganz besonders bevorzugt. Bei all dem ist es weiter beonders stark bevorzugt, wenn das dritte Mittel unter Aceton, Methylethylketon und Isopropanol gewählt wird. Bei all dem ist es weiter bevorzugt, wenn das erste Mittel unter Ammoniak, einem substituierten Hydrazin, einem Amin der Formel (1)
NH2-X (1) und/oder einem Amin der Formel (2)
Z-NH-X (2) gewählt wird, worin
X ausgewählt ist unter -H, -OH, -NH2, -NHR1 und R2-Y-, wobei R1 ein aliphatischer oder aromatischer Kohlenwasserstoffrest mit
insbesondere 1 bis 20 C-Atomen ist, der substituiert sein kann, R2 ein zweiwertiger aliphatischer oder aromatischer
Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 20 C-Atomen ist und Y für einen beliebigen zweiwertigen Rest steht, bevorzugt -H, -OH, -NH2 oder - NHR1;
Z ist ein aliphatischer oder aromatischer Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 20 C-Atomen, der substituiert sein kann, bevorzugt ist Z eine Gruppe R3-A, worin R3 ein zweiwertiger aliphatischer oder
aromatischer Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 20 C-Atomen ist und A für einen beliebigen zweiwertigen Rest steht, bevorzugt für -OH, -NH2 oder -NHR1. Unter den substituierten Hydrazinen sind ganz besonders bevorzugte Hydrazine das Benzyl-, Phenyl- oder Methylhydrazin . Bei all dem ist es weiter bevorzugt, wenn das erste Mittel unter
Ethylendiamin, 2-Aminoethanol, 3-Aminopropanol, N-Methylethanolamin und Diethanolamin, bevorzugt unter Ethylendiamin, 2-Aminoethanol, 3- Aminopropanol und N-Methylethanolamin gewählt wird und besonders bevorzugt Ethylendiamin verwendet wird. Bei all dem ist es weiter bevorzugt, wenn das zweite Mittel ein Beschichtungsmittel , bevorzugt eine Grundierung, Lackierung oder ein Gelcoat oder ein
Verbindungsmittel, bevorzugt ein Klebstoff oder ein Dichtstoff darstellt, mit dem ein Fügepartner (2) mit dem Bauteil (1) verbunden wird. Bei all dem ist es weiter bevorzugt, wenn der Schritt a) , das Behandeln einer Oberfläche oder eines Oberflächenbereichs mit einem ersten Mittel (16) oder einer Mischung aus erstem Mittel mit einem dritten Mittel in einem Temperaturbereich von wenigstens 45°C bis zum Siedepunkt oder Siedebereich des ersten Mittels (16) oder der Mischung aus erstem Mittel mit einem dritten Mittel durchgeführt wird, wobei die Siedepunkte auf den bei der Behandlung herrschenden Druck bezogen sind. Bei höher siedenden Mitteln, etwa Ethanol, Metylethylketon oder noch höher siedenden Mitteln ist ein Temperaturbereich von 30 °C unter deren Siedepunkt bis zum Siedepunkt besonders bevorzugt. Bei all dem ist es weiter bevorzugt, wenn das erste Mittel (16) durch die Oberfläche (8) in einen
oberflächenangrenzenden Volumenbereich (10) des Matrixnetzwerks (12) eindringt und auf die Oberfläche (8) und in dem Volumenbereich (10) wirkt, wobei durch eine chemische Substitutionsreaktion im
Einwirkbereich eine Aufweitung und Funktionalisierung des
Matrixnetzwerkes (12) des Bauteils (1) erfolgt, wobei funktionelle Gruppen (26) des Matrixnetzwerks (12) gebildet werden und das
Matrixnetzwerk (12) im Einwirkbereich (22) nach der
Oberflächenbehandlung mehr funktionelle Gruppen (26) aufweist als vor der Oberflächenbehandlung, und dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) durch die Oberfläche (8) reaktive, mobile Moleküle des vernetzenden zweiten Mittels (30) in den Einwirkbereich (22) eindringen, wobei durch das Eindringen der Moleküle des vernetzenden zweiten Mittels (30) in den Einwirkbereich (22) eine sich von der Oberfläche (8) in den Einwirkbereich (22) hineinerstreckende
Diffusionszone (38) gebildet wird, und beim Aushärten des zweiten Mittels (30) die Moleküle des zweiten Mittels (30) untereinander und mit den funktionellen Gruppen (26) in der Diffusionszone (38) ein homogenes Netzwerk (33) bilden. Bei all dem ist es weiter bevorzugt, wenn zumindest eine Eindringtiefe (s) des ersten Mittels (16) in den Volumenbereich (10) und/oder ein Gradient bezüglich der Aufweitung und Funktionalisierung des Matrixnetzwerkes (12) im Einwirkbereich
(22) über eine Zusammensetzung des dritten Mittels, eine Menge des dritten Mittels, eine Einwirkzeit (tl) und/oder eine
Bearbeitungstemperatur (Tl) eingestellt wird. Bei all dem ist es weiter bevorzugt, wenn eine überschüssige Menge des ersten Mittels
(16) und/oder dritten Mittels aus dem Einwirkbereich (22)
herausgewaschen und/oder durch Trocknen entfernt wird. Bei all dem ist es weiter bevorzugt, wenn entweder die zumindest eine Oberfläche
(8) vor der Oberflächenbehandlung gegenüber übrigen Oberflächen des Bauteils (1) zumindest partiell abgedichtet wird oder übrige
Oberflächen zur zumindest einen Oberfläche (8) zumindest partiell maskiert werden. Bei all dem ist es weiter bevorzugt, wenn entweder das Bauteil (1) ausgehärtet ist und der Fügepartner (2) ein ausgehärtes zweites Bauteil ist, dessen Fügefläche (11) auch der Oberflächenbehandlung unterzogen wird, oder der Fügepartner (2) ein vorausgehärtetes zweites Bauteil ist, wobei zumindest eine Teilmenge des zweiten Mittels (30) von unausgehärteten Bestandteilen des
Matrixmaterials des Fügepartners (2) gebildet wird, oder der
Fügepartner (2) ein unausgehärtetes zweites Bauteil ist, wobei zumindest eine Teilmenge des zweiten Mittels (30) von
unausgehärteten Bestandteilen des Matrixmaterials des Fügepartners
(2) gebildet wird, oder der Fügepartner (2) ein Metallteil ist, oder vor dem Beschichten oder beim Beschichten zumindest ein
Funktionskörper (44) und/oder eine Funktionsschicht auf dem Bauteil
(1) im Bereich der Oberfläche (8) positioniert wird, der in die Beschichtung (42) eingebettet wird. Die Erfindung umfasst auch ein Bauteil erhältlich nach einem erfindungsgemäßen Verfahren wie oben beschrieben, sowie eine Bauteileinheit (3) , hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren wie oben beschrieben aus einem Bauteil
(1) und einem Fügepartner (2) sowie ein beschichtetes Bauteil (1), hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren wie oben
beschrieben. Die Erfindung umfasst weiterhin auch ein lagerfähiges Bauteil erhältlich nach einem erfindungsgemäßen Verfahren wie oben beschrieben, wobei Schritt b) 1 bis 1000 Stunden nach Schritt a) durchgeführt wird und besonders bevorzugt ein solches lagerfähiges Bauteil, dessen Duromer-Matrixnetzwerk (12) aus Polycyanuraten durch eine chemische Substitutionsreaktion im Einwirkbereich (22) durch ein erstes Mittel (16) , das unter Verbindungen mit einer reaktiven NH2- oder NH-Gruppen ausgewählt ist, aufgeweitet und funktionalisiert ist, wobei das Matrixnetzwerk (12) innerhalb des Einwirkbereichs
(22) mehr funktionelle Gruppen (26) aufweist als außerhalb des
Einwirkbereichs (22) .
Ein erfindungsgemäßes Bauteil weist ein duromerbasiertes
Matrixnetzwerk auf, das durch eine chemische Substitutionsreaktion im Einwirkbereich eines ersten Mittels aufgeweitet und
funktionalisiert ist, wobei das Matrixnetzwerk innerhalb des Einwirkbereichs mehr funktionelle Gruppen aufweist als außerhalb des Einwirkbereichs. Erfindungsgemäß ist das Bauteil lagerfähig.
„Lagerfähig" im Sinne der Erfindung bedeutet zumindest zeitlich begrenzt stabil. Die Lagerdauer kann dabei durch entsprechende Umgebungsfaktoren wie Lagerungstemperatur beeinflusst werden.
Bevorzugterweise ist das Bauteil langzeitstabil , kann beispielsweise über ein Jahr und länger gelagert werden. Mit anderen Worten, chemische und physikalische Parameter bleiben bevorzugt über einen langen Zeitraum bis hin zu Jahren stabil.
Die Lagerfähigkeit wird durch ein Beenden der Aufweitung und
Funktionalisierung im Einwirkbereich mittels des ersten Mittels eingestellt. Das Bauteil ist also nur abschnittsweise aufgeweitet und nicht vollständig. Das erste Mittel ist bevorzugterweise ein Reagenz. Die Beendigung der Aufweitung und Funktionalisierung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das erste Mittel vollständig aufgebraucht ist. Alternativ kann die Beendigung durch ein
Auswaschen bzw. Ausspülen und dergleichen des ersten Mittels erfolgen. Weiterhin ist es vorstellbar, das erste Mittel mittels eines in den Einwirkbereich eingebrachten Bindemittels zu binden.
Unter einem „Bauteil" und im Folgenden auch unter einem
„Fügepartner" im Sinne der Erfindung wird ein Bauteil über seine gesamte Verarbeitungs- bzw. Prozesskette verstanden. Somit wird als ein Bauteil sowohl ein bearbeitungsfähiges Eingangsmaterial, beispielsweise ein unausgehärtetes Halbzeug wie ein Prepreg, als auch ein Endprodukt an sich verstanden. Das Bauteil kann mit oder ohne Verstärkungsfasern ausgeführt sein. Im letzteren Fall kann das Bauteil beispielsweise als duromerbasiertes Reinharz vorliegen.
Unter „Beschichten" wird sowohl das Aufbringen eines formlosen Stoffes auf das Bauteils wie bei einer Lackierung, als auch das Aufbringen einer bereits bestehenden Materialschicht auf das Bauteil bzw. das Verbinden des Bauteils mit der Materialschicht verstanden. Beispielsweise kann die Beschichtung in einer Werkzeugform eingelegt sein und dann das Bauteil auf der Beschichtung aufgebaut werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind Moleküle eines zweiten Mittels in den Einwirkbereich eingedrungen, wobei durch das Eindringen eine Diffusionszone gebildet ist. Eine von der Oberfläche gemessene Tiefe kann gleich oder kleiner einer Tiefe des Einwirkbereichs sein. Die Tiefe der Diffusionszone kann jedoch nicht tiefer als die Tiefe des Einwirkbereichs sein, da nur im aufgeweiteten Matrixnetzwerk ein Eindiffundieren des zweiten Mittels erfolgt ist. Das zweite Mittel ist beispielsweise ein Verbindungsmittel und ermöglicht eine hochfeste Verbindung mit einem Fügepartner. Wenn das zweite Mittel ein Beschichtungsmittel ist, so ermöglicht es eine optimale
Anbindung an dem Bauteil. Bevorzugterweise ist das Bauteil mit der Diffusionszone ebenfalls lagerfähig, wobei zur Lagerung eventuell andere Umgebungsparamter eingestellt werden müssen als beim Lagern des Bauteils im zumindest abschnittsweise aufgeweiteten und
funktionalisierten Zustand.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verarbeiten eines
erfindungsgemäßen Bauteils mit einer duromerbasierten Matrix, beispielsweise zum Verbinden eines erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Fügepartner oder zum Versehen mit einer Beschichtung, wird zumindest eine Oberfläche des Bauteils einer Oberflächenbehandlung unterzogen, wobei die zumindest eine Oberfläche mit einem ersten Mittel oberflächenbehandelt wird. Das erste Mittel dringt durch die Oberfläche in einen oberflächenangrenzenden Volumenbereich des Matrixnetzwerks ein und wirkt auf die Oberfläche und in dem
Volumenbereich. Durch eine chemische Substitutionsreaktion im
Einwirkbereich bzw. Prozessbereich des ersten Mittels wird eine Aufweitung und Funktionalisierung des Matrixnetzwerkes des Bauteils erreicht. Hierbei werden funktionelle Gruppen des Matrixnetzwerks gebildet, wobei das Matrixnetzwerk im Einwirkbereich nach der
Oberflächenbehandlung mehr funktionelle Gruppen als vor der
Oberflächenbehandlung aufweist. In einem nachfolgenden Schritt dringen durch die Oberfläche reaktive, mobile Moleküle eines vernetzenden zweiten Mittels in den Einwirkbereich ein, wobei durch das Eindringen der Moleküle des zweiten Mittels in den
Einwirkbereich eine sich von der Oberfläche in den Volumenbereich hineinerstreckende Diffusionszone gebildet wird. Das zweite Mittel wird ausgehärtet, wobei beim Aushärten die Moleküle des zweiten Mittels untereinander und mit den funktionellen Gruppen in der Diffusionszone ein homogenes Netzwerk bilden.
„Homogenes Netzwerk" bedeutet vorrangig, dass in einer definierten und gut charakterisierbaren Härtungschemie ähnlich stabile chemische Verknüpfungen wie die des nicht vorbehandelten Matrixnetzwerkes und des
Verbindungsmittels bzw. Beschichtungsmittels gebildet werden. Das homogene Netzwerk weist eine Netzwerk-Topologie auf, die zumindest ähnlich der Topologie des ursprünglichen Matrixnetzwerks des Bauteils ist und zumindest auch ähnlich der Netzwerktopologie, die durch das zweite Mittel nach
Aushärten gebildet wird. Das homogene Netzwerk weist ähnlich stabile mehrfunktionelle kovalente chemische Verbindungen mit ähnlicher chemischer Struktur wie das ursprüngliche Matrixnetzwerk auf. Sämtliche relevanten bzw. nahezu sämtliche Parameter zeigen einen allmählichen bzw.
schrittweisen Verlauf, so dass Parametersprünge ausgeschlossen sind. Ein sprunghafter Übergang bzw. steiler Gradient in der Diffusionszone liegt nicht vor. Sprunghafte Änderungen der Materialeigenschaften werden verhindert. Mit anderen Worten „homogen" bedeutet, dass das Netzwerk im Wesentlichen eine einheitliche, durchgängige Matrix mit gleicher chemischer und netzwerktopologischer Struktur ohne Sprünge in Struktur und
Eigenschaften aufweist.
Der Schritt des Eindringens von Molekülen des zweiten Mittels in das abschnittsweise aufgeweitete und funktionalisierte Matrixnetzwerk des Bauteils kann sich der Aufweitung und Funktionalisierung unmittelbar anschließen. Aufgrund der Lagerfähigkeit des Bauteils mit seinem abschnittsweise aufgeweiteten und funktionalisierten Matrixnetzwerk kann die Behandlung des Bauteils mit dem zweiten Mittel jedoch auch zeitversetzt erfolgen. Das Eindringen der
Moleküle des zweiten Mittels kann durch ein Überschreiten der
Glasübergangstemperatur des Eiwirkungsbereiches begünstigt werden. Erfindungsgemäß wird das Matrixnetzwerk in der zumindest einen Oberfläche und im oberflächenangrenzenden Volumenbereich bis zu einer Eindringtiefe des ersten Mittels aufgeweitet, und gleichzeitig der Grad der Funktionalisierung erhöht. Es werden funktionelle Gruppen gebildet, die die Bildung einer gegen adhesionsverhindernde und festigkeitsreduzierende Kontaminationen unempfindlichen und somit hochbelastbaren Verbindung mit dem zweiten Mittel ermöglichen, da chemische und physikalische Effekte chemische kovalente
Verbindungen und gegenseitige Netzwerkdurchdringung zwischen den beteiligten Partnern schaffen. Die somit erzielbare erfindungsgemäße Verbindung bzw. Anbindung basiert nicht nur auf dem rein
physikalischen Effekt der Adhäsion. Es entsteht in einer
Diffusionszone ein homogenes Netzwerk, das aus dem ursprünglichen Matrixnetzwerk und dem Netzwerk des Verbindungsmittels besteht, wobei durch eine Funktionalisierung des alten Matrixnetzwerks, d.h. insbesondere durch eine Aufweitung und die Bildung der funktionellen Gruppen, diese Netzwerke kovalent miteinander verbunden sind. Eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildete Verbindung bzw.
Anbindung ist derart unempfindlich gegen adhesionsverhindernde und festigkeitsreduzierende Kontaminationen, dass sie beispielsweise ein Fügen von duromerbasierten primären Bauteilen im Flugzeugbau ohne die Verwendung von mechanischen Befestigungsmitteln wie Niete ermöglicht. Zudem sind Langzeiteigenschaften der Verbindung, beispielsweise im Bulk, prüfbar und somit vorhersagbar.
Die Moleküle des Verbindungsmittels bilden unter chemischer Reaktion untereinander und mit der Matrix des Bauteils ein exakt definiertes Netzwerk. Die Netzwerkaufweitung und die Bildung der funktionellen Gruppen sind dabei nicht nur in der Oberfläche selbst, sondern auch in einem oberflächennahen Volumenbereich vorzufinden, so dass die Moleküle des zweiten Mittels wie Monomere und Oligomere leicht in die Tiefe diffundieren können, wodurch die Stabilität der Verbindung erhöht wird. Das Eindringen des ersten Mittels und das Fügen des Bauteils mit dem Fügepartner oder das Beschichten des Bauteils kann durch Temperaturbeaufschlagung und/oder Druckbeaufschlagung beim Zusammenbringen bzw. Aufbringen der Beschichtung beschleunigt werden. Optimalerweise erstreckt sich die Diffusionszone über den gesamten Einwirkbereich, so dass nach Aushärtung keine freien funktionellen Gruppen existieren
Neben einer Aufweitung und Funktionalisierung kann durch das erste Mittel gleichzeitig ein chemischer Abtrag der Oberfläche erfolgen. Dies ist zum Beispiel bei Reparaturen vorteilhaft, da Faserlagen lokal vom Matrixnetzwerk befreit werden können und/oder lokale, chemisch anhaftende Verunreinigungen entfernt werden können, ohne dass hierzu ein separater Bearbeitungsschritt notwendig ist.
Der Verbindungsprozess ist nach Bildung der funktionellen Gruppen durch das erste Mittel aus fertigungstechnischer Sicht einem herkömmlichen Klebeprozess ähnlich. Aus physikalischer und
chemischer Sicht ist der Verbindungsmechanismus jedoch komplett unterschiedlich zu einem herkömmlichen Klebeprozess. Denn die
Verbindung des zweiten Mittels mit dem Bauteil basiert vorrangig auf chemischer Bindung in der Diffusionszone und der gegenseitigen Durchdringung des aufgeweiteten Matrixnetzwerkes und des durch das zweite Mittel neugebildeten Netzwerks.
„Vorausgehärtet" bedeutet im Sinne der Erfindung, dass das Bauteil für eine bestimmte Zeit über seine Glasübergangstemperatur erwärmt wurde und somit bereits eine teilweise Vernetzung, beispielsweise bis zu 50%, stattgefunden hat, aber noch ausreichend reaktive
Gruppen vorhanden sind. „Ausgehärtet" bedeutet im Sinne der
Erfindung „vollständig ausgehärtet". Das heißt, das Bauteil wurde derart lange erhitzt, dass eine vollständige bzw. 100%-Vernetzung stattgefunden hat. Reaktive Gruppen liegen nicht mehr vor.
„Unausgehärtet" bedeutet, das keine Vernetzung vorliegt.
Beispielhaft ist ein Prepreg genannt. „Mobil" bedeutet, flüssig, gasförmig oder viskos oder ein Feststoff gelöst im flüssigen
Lösungsmittel .
Das erste Mittel kann zumindest eine Teilmenge eines dritten Mittels sein, das zumindest ein Zusatzmittel aufweist, welches eine zum ersten Mittel andersartige chemische Eigenschaft aufweist. Beispielsweise kann das Zusatzmittel ein Reinigungsmittel sein und eine chemische Reinigung der Oberfläche des Bauteils bewirken, so dass ein separater Reinigungsschritt der zumindest einen Oberfläche entfallen kann. Wenn das erste Mittel eine Teilmenge eines dritten Mittels ist, wird selbstredend das dritte Mittel zur
Oberflächenbehandlung aufgetragen bzw. die Oberfläche des Bauteils dadurch einer Oberflächenbehandlung unterzogen, dass sie mit dem dritten Mittel behandelt wird.
Bevorzugterweise kann zumindest eine Eindringtiefe des ersten
Mittels in den Volumenbereich und/oder ein Gradient in dem
Einwirkbereich über eine Zusammensetzung des dritten Mittels, eine Menge des dritten Mittels, eine Einwirkzeit und/oder eine
Bearbeitungstemperatur eingestellt werden. Durch die Parameter kann das Verfahren genau definiert werden, insbesondere im Hinblick auf chemische und physikalisch-chemische Parameter, wie die chemische Zusammensetzung des dritten Mittels, insbesondere des ersten Mittels (Bestandteile und Konzentration) , Temperatur und Zeit bzw. Dauer der Oberflächenbehandlung. Dies ermöglicht eine wirksame und genaue Qualitätskontrolle der Verbindung. Abweichend von physikalischen Methoden, wie einer mechanischen Zerstörungsprüfung und
zerstörungsfreien Prüfungen, erlaubt die chemische Natur der Mittel eine Qualitätskontrolle nur aufgrund von chemischen und
physikalisch-chemischen Parametern der Oberflächenbehandlung. Diese sind im Fertigungsprozess sehr leicht zu überwachen und
gegebenenfalls in Echtzeit zu korrigieren.
Um das Aufweiten des Matrixnetzwerks und die Bildung der
funktionellen Gruppen exakt bestimmen zu können, kann eine
überschüssige Menge des ersten Mittels und/oder des dritten Mittels aus dem Einwirkbereich herausgewaschen und/oder durch Trocknen entfernt werden.
Ein Freihalten von Oberflächen, die nicht oberflächenbehandelt werden sollen und somit nicht mit dem ersten Mittel und/oder dritten Mittel versehen werden sollen, lässt sich dadurch erreichen, dass die zumindest eine Oberfläche vor der Oberflächenbehandlung
gegenüber den frei zu bleibenden bzw. übrigen Oberflächen
abgedichtet wird. Alternativ können die frei zu bleibenden
Oberflächen maskiert werden. Beispielhafte Verfahren zum Versehen der zumindest einen Oberfläche mit dem ersten Mittel und/oder dritten Mittel sind Tauchbäder, Sprühaufträge, Streichaufträge, Bedampfungen, Pasten- und Filmauftrag und dergleichen. Beim Tauchbad ist es zum Beispiel verfahrenstechnisch günstig, wenn die nicht zu vorbehandelnden Oberflächen maskiert werden. Beim Sprühauftrag hingegen kann die Besprühung beispielsweise unter einer zur
Außenumgebung abgedichteten Glocke erfolgen. Der Sprühauftrag bietet beispielsweise den Vorteil, dass das Bearbeitungsmittel während der Behandlung hinsichtlich seiner Zusammensetzung und Menge eingestellt werden kann. Alternativ kann das erste Mittel und/oder dritte Mittel durch ein Trägermaterial aufgebracht werden. Durch das
Trägermaterial ist die zumindest eine Oberfläche quasi auch
gegenüber den frei zu bleibenden Oberflächen abgedichtet, denn ein Zugang zur zumindest einen Oberfläche ist durch das Trägermaterial versperrt. Das Trägermaterial kann auf der zumindest einen
Oberfläche angeordnet werden und bildet gleichzeitig einen
verlässlichen Schutz gegen Beschädigungen und/oder Verschmutzungen. Es ist beispielsweise eine Trägerfolie, die an seiner dem Bauteil zugewandten Klebeseite mit dem ersten Mittel und/oder dritten Mittel versehen ist. Das Bauteil kann mit dem anhaftenden Trägermaterial gelagert werden und so im Falle einer Verwendung bereits zumindest einen entsprechend aktivierten Volumenbereich aufweisen. Die
Oberflächenbehandlung wird also beispielsweise durch die folgenden Methoden durchgeführt:
• Tauchbad,
• Aufbringen des ersten Mittels und/oder dritten Mittels mittels eines Beschichtungsverfahrens , insbesondere im Sprühauftrag oder im Streichauftrag.
• Aufbringen mittels eines Beschichtungsverfahrens , insbesondere mittels Bedampfens, und/oder • Aufbringen mittels eines Trägermaterials.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Bauteil ausgehärtet und der Fügepartner ist ein ausgehärtes zweites Bauteil mit einer
duromerbasierten Matrix, dessen Fügefläche der Oberflächen¬ behandlung unterzogen wird. Bevorzugterweise haben das Bauteil und der Fügepartner ein Matrixmaterial mit einer gleichen
Härtungschemie. Hierdurch erfolgt nicht nur eine erfindungsgemäße Vernetzung des zweiten Mittels mit dem Bauteil, sondern auch mit dem Fügepartner, so dass sich das homogene Netzwerk über die
Verbindungsebene des Bauteils und des Fügepartners in das jeweils andere Bauteile erstreckt.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Fügepartner ein
vorausgehärtetes zweites Bauteil, wobei zumindest eine Teilmenge des zweiten Mittels von unausgehärteten Bestandteilen des
Matrixmaterials des Fügepartners gebildet wird. Dadurch, dass das Matrixmaterial des Fügepartners zumindest eine Teilmenge des zweiten Mittels stellt, kann die Menge des bereitzustellenden und separat zuzuführenden zweiten Mittels reduziert werden. Je nach dem
Aushärtegrad des Fügepartners kann seine zumindest eine Fügefläche der Oberflächenbehandlung unterzogen werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Fügepartner ein
unausgehärtetes zweites Bauteil, wobei zumindest eine Teilmenge des zweiten Mittels von unausgehärteten Bestandteilen des
Matrixmaterials des Fügepartners gebildet wird. Hierdurch kann eventuell vollständig auf die Zuführung eines separaten zweiten Mittels verzichtet werden. Ein Beispiel für ein unausgehärtetes Bauteil ist ein Halbzeug wie ein Prepreg. Selbstverständlich kann ein Prepreg auch ein bereits vorvernetztes Halbzeug sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Fügepartner ein Metallteil, dessen zur zumindest einen Oberfläche korrespondierenden Fügefläche bevorzugterweise oberflächenvorbehandelt wird, beispielsweise in Form eines Ätzverfahrens. Durch das Ätzverfahren wird der Fügepartner im Bereich seiner zumindest einen Fügefläche derart vorbereitet, dass eine optimale Verbindung des zweiten Mittels mit dem Fügepartner erfolgt und somit eine hochfeste Verbindung zwischen dem Bauteil und dem Fügepartner erzielt wird.
Beispielhaft sind folgende Zustands- und/oder Werkstoffkombinationen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens genannt:
• Ein ausgehärtetes Bauteil mit einer duromerbasierten Matrix wird mit einem anderen ausgehärteten Bauteil mit einer
duromerbasierten Matrix unter Zuhilfenahme eines zweiten
Mittels gefügt.
• Ein ausgehärtetes Bauteil mit einer duromerbasierten Matrix wird mit einem unausgehärteten Bauteil mit einer Harzmatrix ohne oder unter Zuhilfenahme eines zweiten Mittels gefügt.
• Ein ausgehärtetes Bauteil mit einer duromerbasierten Matrix wird mit einem Metallteil unter Zuhilfenahme eines zweiten Mittels gefügt.
• Ein ausgehärtetes Bauteil mit einer duromerbasierten Matrix wird mit einem Faser-Metall-Laminatverbund unter Zuhilfenahme eines zweiten Mittels gefügt.
• Ein ausgehärtetes Bauteil mit einer duromerbasierten Matrix wird mit einem Faserbundbauteil mit thermoplastischer Matrix unter Zuhilfenahme eines zweiten Mittels gefügt.
• Ein ausgehärtetes Bauteil mit einer duromerbasierten Matrix wird mit einem vorausgehärteten Bauteil mit einer Harzmatrix ohne oder unter Zuhilfenahme eines zweiten Mittels gefügt.
• Ein vorausgehärtetes Bauteil mit einer duromerbasierten Matrix wird mit zumindest einem vorausgehärteten Bauteil mit einer Matrix ohne oder unter Zuhilfenahme eines zweiten Mittels gefügt .
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Oberflächenbehandlung mit dem ersten Mittel so vorgenommen, dass sich der Einwirkbereich nicht nur über einen oberflächennahen Volumenbereich, sondern bis zu Millimetern bzw. mehrere Faserlagen tief in das Bauteil hinein erstreckt. Damit kann mit dem erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsverfahren auch eine makroskopische Erweichung größerer Bereiche eines Bauteils mit Duromer-Matrix erreicht werden, und bei dem nachfolgenden
erfindungsgemäßen Schritt des Verbindens kann diese makroskopische Erweichung für einen Ausgleich von Toleranzen oder Spalten genutzt werden. Dieser tiefere Einwirkbereich bis hin zu Millimetern kann beispielsweise durch längere Zeiten und/oder höhere Temperaturen bei der Oberflächenbehandlung sowie durch eine größere Konzentration des ersten Mittels erreicht werden
Beim Versehen des Bauteils mit einer Beschichtung kann es
vorteilhaft sein, einen Funktionskörper in die Beschichtung zu integrieren. Wenn der Funktionskörper beispielsweise ein
Dehnungsmessstreifen ist, können Längenänderungen, Spannungen und drgl . des Bauteils erfasst werden. Ist der Funktionskörper
beispielsweise ein Blitzschutzgitter, kann dieser verlässlich an dem Bauteil befestigt werden.
Dabei sehen Ausführungsbeispiele vor, den zumindest einen
Funktionskörper vor dem Beschichten oder beim Beschichten auf dem Bauteil im Bereich der Oberfläche zu positionieren, so dass der zumindest eine Funktionskörper in die Beschichtung eingebettet wird und somit von dieser von außen bedeckt werden kann, wodurch der zumindest eine Funktionskörper vor versehentlichen Berührungen und somit zumindest begrenzt vor Beschädigungen geschützt ist.
Selbstverständlich kann die Beschichtung selbst als Funktionskörper in Form einer Funktionsschicht ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Beschichtung speziell eingefärbt sein, als Antikorrosions- oder Antihaftschicht wirken, und/oder mit Partikeln zur Erzeugung einer elektrischen oder optischen Leitfähigkeit versehen sein.
Bevorzugterweise wird als zweites Mittel ein Mittel verwendet, das eine gleiche Härtungschemie wie ein Matrixmaterial des Bauteils und/oder Fügepartners bzw. der Beschichtung hat. Hierdurch kann eine optimale Vernetzung erzielt werden. Wenn beispielsweise die Matrix des Bauteils cyanurathaltig ist, hat das zweite Mittel
bevorzugterweise eine cyanathaltige Zusammensetzung.
Beispielhafte Stoffe für das erste Mittel sind eine Aminogruppe enthaltende chemische Verbindungen.
Eine erfindungsgemäße Bauteileinheit mit einem Bauteil und mit einem Fügepartner ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefügt. Durch die erfolgte Funktionalisierung der Matrix des Bauteils im Bereich seiner zumindest einen Oberfläche und dem hierdurch entstehenden homogenen Netzwerk mit dem zweiten Mittel, ist die Bauteileinheit im Verbindungsbereich unempfindlich gegen adhesionsverhindernde und festigkeitsreduzierende Kontaminationen .
Ein erfindungsgemäß beschichtetes Bauteil ist nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet. Eine derartig aufgebrachte Beschichtung zeichnet sich durch eine sehr hohe Anbindung an dem Bauteil aus.
Beispiel
Die Herstellung der reparaturgeeigneten Faserverbundkunststoffe erfolgte im Handimprägnierverfahren mit anschließender Verpressung. Hierfür kam eine in MEK gelöste Mischung bestehend aus 81 Ma-% Lonza Primaset™ BA 230 S (ohne MEK) , 9 Ma-% Bisphenol A und 10 Ma-% DOW Fortegra™ 100 zum Einsatz. Die Lösung wurde mit MEK verdünnt, bis die mit einem nach DIN EN ISO 2431 Becher bestimmte Auslaufzeit etwa 55 s entsprach. Es wurde ein luftfahrtgeeignetes Glasfasergewebe der Firma P-D INTERGLAS (Erbach, Deutschland) verwendet. Die Tränkung der Fasern erfolgte durch Übergießen einzelner Gewebelagen mit dem in MEK gelösten Imprägnierharz. Zum Entfernen des überschüssigen Harzes wurde jede Gewebelage in gleicher Weise viermal an einer Stativstabstange abgestreift. Folgend wurden immer je acht
Einzellagen gleichzeitig im Ofen für 3 Minuten bei 160 °C
getrocknet. Die acht vorvernetzten Prepregs wurden auf einem
Silikonpapier übereinander abgelegt und zwischen zwei Pressblechen in einer Handhebelpresse der Firma Rucks (Glauchau, Deutschland) verpresst. Die Pressdauer war 45 min, der Pressdruck wurde auf 2,5 bar eingestellt und die Härtungstemperatur betrug 170 °C. Anschlie¬ ßend konnten die fertigen Laminate mit einem Harzgehalt von etwa 40 Ma-% bis 45 Ma-% entnommen werden.
Zur Behandlung der Harzmatrix in einem definierten Bereich wurde n- Butylamin verwendet. Die Behandlung wurde unter Zuhilfenahme von zwei rechteckigen Aluminiumformen (ca. 190 x 50 x 20 mm3)
durchgeführt, die Mittig je eine rechteckige, ca. 135 x 30 x 15 mm3 große Vertiefung aufwiesen.
Zwischen die beiden Aluminiumteile wurde ein Laminat verschraubt. Das Laminat hatte hierdurch die Funktion eines Deckels. Auf Ober- und Unterseite des Laminates war somit je eine Aluminiumkammer. Zur Abdichtung der Grenzflächen zwischen Aluminium und Laminat kam ein 2-Komponentensilikon zum Einsatz.
In einem zweiten Schritt wurden je 40-60 ml n-Butylamin in die beiden Kammern eingefüllt und die Einfüllöffnungen fest
verschlossen. Die Form wurde mittels Heizplatte auf eine Temperatur von etwa 70 °C aufgeheizt und das Harz durch das Behandlungsreagenz im Bereich der Kammern Behandelt. Nach erfolgter Behandlung der Harzmatrix wurde die Form geöffnet, das überschüssige
Behandlungsreagenz verworfen, das freigelegte Gewebe mehrmals mit Ethanol gewaschen und das Laminat für 2 h bei 70 °C im
Vakuumtrockenschrank getrocknet.
Nach erfolgter Behandlung der Harzmatrix wurde das behandelte Gewebe erneut infiltriert bzw. beschichtet. Hierzu wurde die zuvor
behandelte Fläche zunächst mit Harz übergössen und ein Fügepartner aus dem gleichen, aber unbehamdelten Material positioniert. Dabei kamen zwei unterschiedliche Harzsysteme zum Einsatz:
• In MEK gelöst: 81 Ma-% Prmaset™ BA 230 S + 9 Ma-% Bisphenol A + 10 Ma-% DOW Fortegra™ F100
• Lösemittelfrei: 72,9 Ma-% Primaset™ L10 + 8,1 Ma-% PT15 + 9% BisA + 10 Ma-% DOW Fortegra™ F100
Durch zusätzliches Verteilen und Einmassieren mit einem Holzspatel konnten alle Fasern durchgängig benetzt werden. Anschließend wurde das reinfiltrierte Laminat samt Fügepartner für 3 min bei 100 °C im Ofen getrocknet. Abschließend wurde das reinfiltrierte Laminat samt Fügepartner für 45 min bei 10 bar und 170 °C verpresst. Die mit dem lösemittelfreien Harz (72,9 a-% Primaset™ L10 + 8,1 Ma-% PT15 + 9% BisA + 10 Ma-% DOW Fortegra™ F100) erhaltenen Fügestellen wiesen im Biege- und Zugversuch unerwartet gute Eigenschaften auf.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand stark vereinfachter schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Bauteileinheit, die ein Bauteil und einen
Fügepartner aufweist, die nach einem erfindungsgemäßen
Verfahren miteinander gefügt wurden,
Figuren 2 bis 8 ein Wirkprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens, beispielhaft erläutert an einem Matrixabschnitt des
Bauteils aus Figur 1,
Figuren 9 bis 14 Schritte eines Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figuren 15 bis 19 Schritte eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
Figur 20 ein erfindungsgemäßes beschichtetes Bauteil, in dessen
Beschichtung ein Funktionskörper eingebettet ist.
In Figur 1 ist ein aus einem Bauteil 1 und einem Fügepartner 2 mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens miteinander verbundenes bzw. eine Bauteileinheit 3 in Vorderansicht gezeigt. Die
Bauteileinheit 3 ist beispielsweise ein Schalenelement eines
Flugzeugrumpfes, wobei das Bauteil 1 beispielsweise ein Hautfeld und der Fügepartner beispielsweise ein Versteifungselement wie eine Längsversteifung zur Stabilisierung des Hautfeldes andeutet.
Wölbungen des Hautfeldes sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt.
Das Bauteil 1 hat eine duromerbasierte Matrix, beispielsweise eine cyanurathaltige Matrix, in der bevorzugterweise vereinzelt angedeutete Verstärkungsfasern 4 wie Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Naturfasern und dergleichen eingebettet sind.
Der Fügepartner 2 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls ein Bauteil mit einer duromerhaltigen Matrix. Bevorzugterweise weist die Matrix des Fügepartners 2 die gleiche WerkstoffZusammensetzung wie die Matrix des Bauteils 1 auf. Demgemäß weist der Fügepartner 2 hier eine cyanurathaltige Matrix auf, in der vereinzelt angedeutete Verstärkungsfasern 6 eingebettet sind.
In den folgenden Figuren 2 bis 8 wird ein erfindungsgemäßes
Wirkprinzip zum Bilden der in Figur 1 gezeigten Bauteileinheit 3 anhand des Bauteils 1 erläutert. Das Bauteil 1 befindet sich zum vereinfachten Verständnis des Wirkprinzips im ausgehärteten Zustand, das heißt, das Bauteil 1 wurde vollständig ausgehärtet. Reaktive Gruppen liegen nicht mehr vor.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch das Bauteil 1 im Bereich einer Oberfläche 8. Die Oberfläche 8 begrenzt oberflächig einen
Volumenbereich 10 des Bauteils 1 und dient zur Anordnung des in den Figuren 2 bis 8 nicht gezeigten Fügepartners 2 mit einer
korrespondierenden Fügefläche 11 (siehe Figur 1) . Die Oberfläche 8 zählt zum Volumenbereich 10 und ist somit vom Begriff
„Volumenbereich" umfasst. Wie in der Schnittansicht zu erkennen, wird das Bauteil 1 und somit auch der Volumenbereich 10 von einem Matrixnetzwerk 12 durchsetzt, das von multifunktionellen
Verknüpfungen 14 gebildet ist. In diesem konkreten
Ausführungsbeispiel wird das Matrixnetzwerk 12 von trifunktionellen Vernetzungsstellen gebildet.
In Figur 3 erfolgt die Oberflächenbehandlung der Oberfläche 8 mit einem mobilen Mittel, in dem ein erstes Mittel 16 enthalten ist. Im Folgenden wird das erste Mittel als Reagenz und das das Reagenz enthaltende Mittel als Bearbeitungsmittel bzw. dritte Mittel bezeichnet. Das Reagenz 16 bildet eine Teilmenge des
Bearbeitungsmittels. Eine weitere Teilmenge des Bearbeitungsmittels kann beispielsweise ein Reinigungsmittel zur chemischen Reinigung der Oberfläche 8 sein. Das Auftragen des Bearbeitungsmittels und somit des Reagenz 16 erfolgt beispielsweise im Rahmen eines
Tauchbades 18, bei dem nicht mit dem Reagenz 16 zu versehene sonstige bzw. übrige Oberflächen des Bauteils 1 maskiert sind, um eine Behandlung auf die Oberfläche 8 zu begrenzen (siehe Figuren 1, 10 und 11 bzw. 1, 15 und 16) . Das Reagenz 16 ist hier in Form von difunktionellen Molekülen bildlich dargestellt. Sonstige Teilmengen des Bearbeitungsmittels wie das beispielhafte Reinigungsmittel sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. Alternativ kann das Reagenz 16 auch andersartige Moleküle, auch in Kombination mit difunktionellen Molekülen, wie höherfunktionelle oder teilweise monofunktionelle Moleküle aufweisen. Zu Beginn der
Oberflächenbehandlung, also zur Zeit tl = 0, hat das Reagenz 16 noch nicht auf die Oberfläche 8 gewirkt und ist somit noch nicht in den Volumenbereich 10 des Bauteils 1 eingedrungen.
In Figur 4 ist gezeigt, wie das Reagenz 16 nach einer Zeit tl > 0 in das Matrixnetzwerk 12 eindringt. Die Moleküle des Reagenz 16 diffundieren in das Matrixnetzwerk 12 ein und weiten dabei das Matrixnetzwerk 12 bis zu ihrer Eindringtiefe s auf. Hierbei trennen sie zumindest einige der Verknüpfungen 14 auf und setzen sich an dieser Stelle in Netzwerkknotenpunke 24 hinein. Das Matrixnetzwerk 12 wird somit im Einwirkbereich 22 des Reagenz 16 einschließlich in der Oberfläche 8 funktionalisiert, wobei an den
Netzwerkknotenpunkten 24, deren Verknüpfungen 14 aufgebrochen sind, funktionelle Gruppen 26 gebildet werden. Es erfolgt also eine
Substitutionsreaktion. Die physikalische Diffusion und die chemische Reaktion (Auftrennen zumindest einiger der Verknüpfungen 14 und Festsetzen an den Netzwerknotenpunkten 24) laufen gleichzeitig ab, so dass das Matrixnetzwerk 12 bereichsweise schon funktionalisiert ist, wohingegen es noch einige unreagierte Moleküle 28 des Reagenz 16 im Einwirkbereich 22 gibt. Gleichzeitig wird die Verbindungfläche 8 durch das beispielhafte Reinigungsmittel in dem Bearbeitungsmittel chemisch gereinigt bzw. makroskopisch in ihrer Tiefe abgetragen. Figur 5 zeigt den Zustand, nach durchgeführter
Oberflächenbehandlung. Das Bauteil 1 mit dem abschnittsweise aufgeweiteten und funktionalisierten Matrixnetzwerk 12 ist in diesem Zustand lagerfähig, so dass sich ein nachfolgender
Bearbeitungsschritt nicht unmittelbar anschließen muss. Das Bauteil 1 ist zumindest über einen gewissen Zeitraum und bevorzugterweise über einen längeren Zeitraum, beispielsweise über einen Zeitraum länger als ein Jahr, chemisch stabil. In dem Matrixnetzwerk 12 befinden sich keine unreagierten Moleküle 24 des Reagenz 16.
Sämtliche Moleküle des Reagenz 16 haben mit dem Matrixnetzwerk 12 bis zur Eindringtiefe s des Reagenz 16 bzw. im Einwirkbereich 22 reagiert und funktionelle Gruppen 26 gebildet oder wurden
beispielsweise mittels einer Waschung aus dem Matrixnetzwerk 12 entfernt. Es ist jedoch grundsätzlich für das Wirkprinzip
unschädlich, wenn nicht alle unreagierten Moleküle 28 aus dem
Matrixnetzwerk 12 entfernt sind.
Die Eindringtiefe s des Reagenz 16 bzw. dessen Moleküle, gemessen senkrecht von der Oberfläche 8 in das Bauteil 1 hinein, und somit die Tiefe, bis zu der das Bauteil 1 im Volumenbereich 10
funktionalisiert ist, sowie ein Gradient dieses funktionalisierten Bereichs bezüglich Funktionalisierung und Netzwerkaufweitung hängt im Wesentlichen von einer jeweiligen
Bearbeitungsmittelzusammensetzung, einer Bearbeitungsmittelmenge und somit einer Reagenzzusammensetzung (Bestandteile und Konzentration) und einer Reagenzmenge, der Einwirkzeit tl und einer
Bearbeitungstemperatur Tl ab.
In Figur 6 ist ein Auftrag eines zweiten Mittels 30 auf die
Oberfläche 8 zum Verbinden des Bauteils 1 mit dem Fügepartner 2 zum Zeitpunkt t2 = 0 gezeigt. Im Folgenden wird zu den Figuren 3 bis 19 das zweite Mittel 30 als Verbindungsmittel bezeichnet. Dieser sich der Aufweitung und der Funktionalisierung anschließende
Bearbeitungsschritt kann, wie zu Figur 5 beschrieben, aufgrund der Lagerfähigkeit des Bauteils 1 zeitlich versetzt erfolgen. Er kann sich jedoch auch unmittelbar der Aufweitung und Funktionalisierung anschließen. Das Verbindungsmittel 30 ist noch nicht in das aufgeweitete Matrixnetzwerk 12 bzw. in den Einwirkbereich 22 eingedrungen. Das Verbindungsmittel 30 ist quasi ein Klebstoff und weist in diesem Ausführungsbeispiel difunktionelle Moleküle auf, kann jedoch, auch in Kombination mit difunktionellen Molekülen, höherfunktionelle oder teilweise monofunktionelle Moleküle
aufweisen .
Figur 7 zeigt ein Eindringen der Moleküle des Verbindungsmittels 30 bzw. eine physikalische Diffusion der Moleküle in den Einwirkbereich 22 zur Zeit t2 > 0. Eine Aushärtung des Verbindungsmittels 30 erfolgt im Wesentlichen erst nach dem Eindiffundieren. Dabei wird es bevorzugt, wenn das Verbindungsmittel 30 vollständig in den
Einwirkbereich 22 eindringt bzw. in diesen hineindiffundiert.
In Figur 8 ist der Endzustand nach der Aushärtung gezeigt. Bei der Aushärtung bzw. Härtreaktion reagieren die Moleküle des
Verbindungsmittels 30 sowohl miteinander und bilden somit chemische Verbindungen 31, als auch mit den funktionellen Gruppen 26 des Matrixnetzwerks 6 und bilden mit diesen ebenfalls chemische
kovalente Verbindungen 32. Es entsteht ein homogenes Netzwerk 33 das aus dem ursprünglichen Matrixnetzwerk 12 und dem Netzwerk 34 des Verbindungsmittels 30 besteht, wobei durch eine Funktionalisierung und Aufweitung des alten Matrixnetzwerks 12 diese beiden Netzwerke 12, 34 kovalent zum gemeinsamen homogenen Netzwerk 33 miteinander verbunden sind. Die Bildung des homogenen Netzwerks 33 erfolgt dabei nicht nur oberflächig nahe der Oberfläche 8, sondern kann bis zur Eindringtiefe s erfolgen.
Bei vollständigem Eindringen des Verbindungsmittels in den
Einwirkbereich 22 entstehen drei Zonen: Eine obere
Verbindungsmittelzone 36, eine mittlere Diffusions- bzw.
Interdiffusionszone 38 und eine untere ursprüngliche Zone 40. In der Verbindungsmittelzone 36 haben sich die Moleküle des
Verbindungsmittels 30 untereinander zum Netzwerk 34 verbunden. In der Diffusionszone 38, die sich von der Oberfläche 8 einschließlich dieser bis zur Eindringtiefe s erstreckt und somit vor dem Eindringen der Verbindungsmoleküle den Einwirkbereich 22 darstellte (siehe Figuren 4 bis 7), erfolgte mittels des Reagenz 16 eine
Funktionalisierung und Aufweitung des Matrixnetzwerks 12 und hierdurch die Bildung des homogenen Metzwerks 33, das sowohl die kovalenten Verbindungen 32 mit dem Verbindungsmittelnetzwerk 34 als auch die Verbindungen 31 der Verbindungsmoleküle untereinander aufweist. In der ursprünglichen Zone 40, die sich von der
Diffusionszone 38 ins Bauteil 1 hineinerstreckt, besteht weiterhin das Matrixnetzwerk 12 im nicht funktionalisierten Zustand und somit im nicht aufgeweiteten Ursprungszustand wie vor der
Oberflächenbehandlung .
Das homogene Netzwerk 33 stellt zudem aufgrund seiner Verknüpfungen des Matrixnetzwerks 12 mit dem Verbindungsmittelnetzwerk 34 eine homogene Verbindung zwischen dem ausschließlichen
Verbindungsmittelnetzwerk 34 in der Verbindungszone 36 und dem ausschließlichen Matrixnetzwerk 12 in der ursprünglichen Zone 40 her. Das Matrixnetzwerk 12 und das Verbindungsmittelnetzwerk 34 und somit auch das homogene Netzwerk weisen gleiche bzw. sehr ähnlich stabile mehrfunktionelle kovalente chemische Verbindungen mit ähnlicher chemischer Struktur auf, so dass als Ergebnis eine
Verbindung geschaffen ist, in der sprunghafte Änderungen der
Materialeigenschaften verhindert werden.
In der Diffusionszone 38 reagiert das Verbindungsmittels 30 zum einen mit sich selbst, bildet also das eigene
Verbindungsmittelnetzwerk 31, und es reagiert zum anderen kovalent mit den funktionellen Gruppen 26 des funktionalisierten und
aufgeweiteten Matrixnetzwerks 12. Damit entsteht sowohl eine netzwerktopologische Durchdringung beider Netzwerke 12, 34 (also des neugeschaffenen Netzwerks 34 des Verbindungsmittels 30 und des funktionalisierten und aufgeweiteten Matrixnetzwerks 12) , als auch eine chemische, d.h. kovalente Verbindung 32 beider Netzwerke 12, 34 zum homogenen Netzwerk 33. Somit ist also eine physikalische und eine chemische Durchdringung geschaffen worden. In den Figuren 9 bis 14 wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzielen einer in den Figuren 2 bis 8 beschriebenen Verbindung bzw. zur Schaffung der in Figur 1 gezeigten Bauteileinheit 3 schrittweise erläutert.
Wie in Figur 9 skizziert und vorerläutert, hat das Bauteil 1 bei diesem Ausführungsbeispiel eine ausgehärtete Kunststoffmatrix, insbesondere eine cyanuratbasierte Harzmatrix. In der
Kunststoffmatrix sind Verstärkungsfasern 4, beispielsweise
Kohlenstofffasern eingebettet. Der Fügepartner 2 ist ebenfalls hier ein Bauteil mit einer ausgehärteten Kunststoffmatrix, insbesondere einer cyanurathaltigen Harzmatrix, in der Verstärkungsfasern 6 eingebettet sind.
Nach dem Bereitstellen des Bauteils 1 und des Fügepartners 2 wird die zumindest eine Oberfläche 8 des Bauteils 1 und die zumindest eine Fügefläche 11 des Fügepartners 2 einer Oberflächenbehandlung unterzogen, um die Oberfläche 8 und die Fügefläche 11 mit dem
Bearbeitungsmittel und somit mit dem Reagenz 16 und dem hier beispielhaften Reinigungsmittel zu versehen. Gemäß den Figuren 10 und 11 ist diese in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine Tauchbadbehandlung. Das Bauteile 1 und der Fügepartner 2 werden in ein Tauchbad 18 für eine vorbestimmte Einwirkzeit tl eingetaucht. Das Tauchbad 18 enthält das Bearbeitungsmittel mit dem auf eine bestimmte Temperatur Tl und Zusammensetzung eingestellte Reagenz 16, wobei zur Vermeidung eines Einwirkens des Reagenz 16 auf frei zu bleibenden Oberflächen diese in dem hier gezeigten
Ausführungsbeispiel maskiert sind (siehe Figur 9) .
Nach dem Ablauf der Einwirkzeit tl werden das Bauteil 1 und der Fügepartner 2 dem Tauchbad 18 entnommen und, wenn notwendig, getrocknet bzw. von überschüssigen Bearbeitungsmittel und somit vom überschüssigen Reagenz 16 befreit. Zudem wird die Maskierung von den Oberflächen entfernt. Das Bauteil 1 und der Fügepartner 2 sind nun in ihren von der Oberfläche 8 bzw. der Fügefläche 11 oberflächig begrenzten Einwirkbereich 22 einschließlich der Oberfläche 8 funktionalisiert . Ihre Matrixnetzwerke 12 sind, wie in den Figuren 3 bis 5 beschrieben, bis zur Eindringtiefe s aufgeweitet und mit funktionellen Gruppen 26 versehen.
Wie in Figur 12 gezeigt, wird nach der Oberflächenbehandlung das Verbindungsmittel 30 auf die die Oberfläche 8 und/oder die
Fügefläche 11 aufgetragen. Wie vorerwähnt zu den Figuren 5 und 6 kann das Auftragen des Verbindungsmittels 30 unmittelbar in
Anschluss an die Aufweitung und Funktionalisierung erfolgen, aufgrund der Lagerfähigkeit des oberflächenbehandelten Bauteils 1 kann die Behandlung mit dem Verbindungsmittel 30 jedoch auch zeitversetzt erfolgen. Das Verbindungsmittel 30 weist wie
vorbeschrieben bevorzugterweise die gleiche Materialzusammensetzung wie das Bauteil 1 und der Fügepartner 2 auf und ist somit in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel bevorzugterweise ebenfalls cyanathaltig .
Nach dem Auftragen des Verbindungsmittels 30 wird, wie in Figur 13 angedeutet, der Fügepartner 2 mit seiner Fügefläche 11 zum Bauteil 1 positioniert. Zwischen dem Bauteil 1 und dem Fügepartner 2 ist das Verbindungsmittel 30 angeordnet, dass einen Kontakt zwischen der Oberfläche 8 und der Fügefläche 11 herstellt.
Abschließend werden gemäß Figur 14 das Bauteil 1 und der Fügepartner 2 unter Temperaturbeaufschlagung für eine bestimmte Zeit
zusammengepresst (T2, t2, p) . Das Verbindungsmittel 30 diffundiert in das jeweils aufgeweitete Matrixnetzwerk 12 des Bauteils 1 und des Fügepartners 2 hinein und härtet unter Bildung des homogenen
Netzwerks 33 in der Diffusionszone 38 (siehe Figur 8) aus. Das Bauteil 1 und der Fügepartner 2 sind nun unempfindlich gegen adhesionsverhindernde und festigkeitsreduzierende Kontaminationen miteinander zur Bauteileinheit 3 verbunden.
In den Figuren 15 bis 18 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach den Figuren 9 bis 14 wird der Fügepartner 2 hier von einem unausgehärteten mit einem Kunststoffharz
vorimpregnierten Faserhalbzeug (Prepreg) gebildet, das entsprechende Verstärkungsfasern 6 aufweist. Wie in den Figuren 15 bis 17
skizziert, entfällt daher die Oberflächenbehandlung einer Fügefläche 11 des Fügepartners 2. Lediglich eine Oberfläche 8 des ausgehärteten Bauteils 1 wird der Oberflächenbehandlung, hier ebenfalls in Form eines Tauchbades 18, zum Versehen der Oberfläche 8 mit dem Reagenz 16 unterzogen.
Wie in Figur 18 gezeigt, wird der Fügepartner 2 nach der
Oberflächenvorbehandlung der Oberfläche 8 des Bauteils 1 mit seiner Fügefläche 11 direkt auf der Oberfläche 8 positioniert. Wie
vorerwähnt zu den Figuren 5 und 6 kann das Zusammenbringen mit dem Fügepartner 2 unmittelbar in Anschluss an die Aufweitung und
Funktionalisierung erfolgen, aufgrund der Lagerfähigkeit des oberflächenbehandelten Bauteils 1 kann die Behandlung mit dem
Verbindungsmittel 30 jedoch auch zeitversetzt erfolgen. Das
Verbindungsmittel 30 wird vom unausgehärteten Matrixmaterial des Fügepartners 2 gebildet und somit vom Matrixmaterial des
Fügepartners 2 bereitgestellt. Der Auftrag eines separaten
Verbindungsmittels 30 wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel nach den Figuren 9 bis 13 entfällt hier. Allerdings kann bei Bedarf auch noch ein separates Verbindungsmittel 30 zumindest teilweise zugeführt werden, so dass das Verbindungsmittel 30 teilweise von unausgehärten Bestandteilen des Matrixmaterials des Fügepartners 2 gebildet wird.
Abschließend werden gemäß Figur 19 das Bauteil 1 und der Fügepartner 2 unter Temperaturbeaufschlagung für eine bestimmte Zeit
zusammengepresst (T2, t2, p) . Das Matrixmaterial des Fügepartners 2 diffundiert zum Teil in das aufgeweitete Matrixnetzwerk 12 des Bauteils 1 bzw. Einwirkbereich 22 des Reagenz 16 hinein und härtet unter Bildung des homogenen Netzwerks 33 in der Diffusionszone 38 (siehe Figur 8) aus. Gleichzeitig härtet der Fügepartner 2 an sich aus. Das Bauteil 1 und der Fügepartner 2 sind nun unempfindlich gegen adhesionsverhindernde und festigkeitsreduzierende
Kontaminationen und somit hochbelastbar miteinander zur
Bauteileinheit 3 verbunden.
In Figur 20 ist ein Bauteil 1 gezeigt, das zumindest an einer
Oberfläche 8 mit einer Beschichtung 42 versehen ist, in der ein Funktionskörper 44 eingebettet ist.
Das Bauteil 1 hat eine duromerbasierte Matrix, beispielsweise eine cyanurathaltige Matrix, in der bevorzugterweise vereinzelt
angedeutete Verstärkungsfasern 4 wie Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Naturfasern und dergleichen eingebettet sind.
Der Funktionskörper 44 ist hier beispielsweise ein
Dehnungsmessstreifen zum Erfassen von Längenänderungen des Bauteils 1. Er ist direkt auf der Oberfläche 8 des Bauteils 1 angeordnet und in die Beschichtung 42 integriert bzw. von dieser umschlossen.
Sonstige Funktionskörper 44 sind beispielsweise Signal- und/oder Stromführungen, Antennen. Ebenso können Funktionsschichten wie Blitzschutzmittel in die Beschichtung 42 integriert sein.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Versehen des Bauteils 1 mit einer Beschichtung 42 wird die Oberfläche 8 des Bauteils 1 einer in den Figuren 1 bis 19 beschriebenen Oberflächenbehandlung
unterzogen. Die Oberfläche 8 wird mit einem Mittel bzw.
Bearbeitungsmittel oberflächenbehandelt, das zumindest ein erstes Mittel bzw. Reagenz 16 enthält, welches durch die Oberfläche 8 in einen oberflächenangrenzenden Volumenbereich 10 des Matrixnetzwerks 12 eindringt und auf die Oberfläche 8 und in dem Volumenbereich 10 wirkt. Dabei erfolgt durch eine chemische Substitutionsreaktion im Einwirkbereich eine Aufweitung und Funktionalisierung des
Matrixnetzwerkes 12. Es werden funktionelle Gruppen 26 des
Matrixnetzwerks 12 gebildet werden, so dass das Matrixnetzwerk 12 im Einwirkbereich 22 nach der Oberflächenbehandlung mehr funktionelle Gruppen 26 aufweist als vor der Oberflächenbehandlung. Beim
nachfolgenden Auftragen der Beschichtung 42 dringen reaktive, mobile Moleküle eines zweiten Mittels in den Einwirkbereich ein, das hier ein Beschichtungsmittel ist. Das Auftragen des Beschichtungsmittels 30 kann unmittelbar in Anschluss an die Aufweitung und
Funktionalisierung erfolgen, aufgrund der Lagerfähigkeit des oberflächenbehandelten Bauteils 1 kann das Auftragen des
Beschichtungsmittels 30 jedoch auch zeitversetzt erfolgen. Durch das Eindringen der Beschichtungsmittelmoleküle in den Einwirkbereich 22 wird eine sich von der Oberfläche 8 in den Volumenbereich 10 hineinerstreckende Diffusionszone 38 gebildet. Dabei bilden die Beschichtungsmittelmoleküle untereinander und mit den funktionellen Gruppen 26 in der Diffusionszone 38 beim Aushärten des
Verbindungsmittels 30 bzw. der Beschichtung ein homogenes Netzwerk 33. Vor oder bei dem Beschichten wird der Funktionskörper 44 auf der Oberfläche 8 positioniert und hierdurch in die Beschichtung 42 eingebettet .
Offenbart sind ein Bauteil mit einem Duromer-Matrixnetzwerk, das durch eine chemische Substitutionsreaktion im Einwirkbereich eines ersten Mittels, beispielsweise ein Reagenz, aufgeweitet und
funktionalisiert ist, wobei das Matrixnetzwerk innerhalb des
Einwirkbereichs mehr funktionelle Gruppen aufweist als außerhalb des Einwirkbereichs, und wobei das Bauteil lagerfähig ist, ein Verfahren zur Verarbeitung eines derartigen Bauteils, wobei beim Aushärten eines zweiten Mittels, beispielsweise ein Verbindungsmittel oder ein Beschichtungsmittel, Moleküle des zweiten Mittels untereinander und mit funktionellen Gruppen des Bauteils in einer Diffusionszone ein homogenes Netzwerk bilden, eine Bauteileinheit sowie ein
beschichtetes Bauteil.
Bezugszeichenliste
1 Bauteil
Fügepartner / zweites Bauteil
3 Bauteileinheit
4 Verstärkungsfaser
6 Verstärkungsfaser
8 Oberfläche
10 Volumenbereich
11 Fügefläche
12 Matrixnetzwerk
14 Verknüpfung
16 erstes Mittel / Reagenz
18 Tauchbad
22 Einwirkbereich
24 Netzwerkknotenpunkt
26 funktionelle Gruppe
28 unreagierte Moleküle
30 zweites Mittel / Verbindungsmittel
31 Verbindungen der Moleküle des zweiten Mittels untereinander
32 Verbindungen der Moleküle des zweiten Mittels mit den funktionellen Gruppen
33 homogenes Netzwerk
34 Netzwerk des zweiten Mittels
36 Verbindungsmittelzone
38 Diffusionszone
40 ursprüngliche Zone
42 Beschichtung
44 Funktionskörper s Eindringtiefe
tl Einwirkzeit Oberflächenbehandlung
t2 Dauer der Druck- und Temperaturbeaufschlagung zum Aushärten
Tl Temperatur Oberflächenbehandlung
T2 Temperatur zum Aushärten p Druck zum Aushärten

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Verarbeiten eines Bauteils (1) aus
Faserverbundwerkstoff mit einer Duromer-Matrix aus
Polycyanuraten, beispielsweise zum Verbinden eines Bauteils (1) mit einem Fügepartner (2) oder zum Versehen mit einer
Beschichtung (42), umfassend die Schritte
a) Behandeln einer Oberfläche oder eines Oberflächenbereichs mit einem ersten Mittel (16) , gewählt unter Verbindungen mit
wenigstens einer reaktiven NH2- oder NH-Gruppe;
b) Behandeln der Oberfläche oder des Oberflächenbereichs mit einem zweiten Mittel (30) , gewählt unter Cyanaten, Epoxidharzen, Isocyanaten und Acrylaten.
Verfahren nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mittel mit einem dritten Mittel vermischt ist, welches unter Lösungsmitteln gewählt unter Aceton, Butanon, Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, 2-Methyl-l-Propanol , 2-Methyl-2- Propanol, 1-Butanol, 2-Butanol, THF, DMSO, Dioxan, CHC13, CH2C12 NMP, MPA und Wasser, bevorzugt ein Lösungsmittel mit einem Dipolmoment von wenigstens 5 x 10"30 Cm gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Mittel unter Ketonen und
Alkoholen gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Mittel unter Aceton,
Methylethylketon und Alkoholen mit ein bis vier Kohlenstoffatomen gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Mittel unter Aceton,
Methylethylketon und Isopropanol gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mittel unter Ammoniak, einem substituierten Hydrazin, einem Amin der Formel (1)
NH2-X (1) und/oder einem Amin der Formel (2)
Z-NH-X (2) gewählt wird, worin
X ausgewählt ist unter -H, -OH, -NH2, -NHR1 und R2-Y-, wobei R1 ein aliphatischer oder aromatischer Kohlenwasserstoffrest mit
insbesondere 1 bis 20 C-Atomen ist, der substituiert sein kann, R2 ein zweiwertiger aliphatischer oder aromatischer
Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 20 C-Atomen ist und Y für einen beliebigen zweiwertigen Rest steht, bevorzugt -H, -OH, -NH2 oder - NHR1;
Z ist ein aliphatischer oder aromatischer Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 20 C-Atomen, der substituiert sein kann, bevorzugt ist Z eine Gruppe R3-A, worin R3 ein zweiwertiger aliphatischer oder aromatischer Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 20 C-Atomen ist und A für einen beliebigen zweiwertigen Rest steht, bevorzugt für - OH, -NH2 oder -NHR1. . Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mittel unter Ethylendiamin, 2- Aminoethanol, 3-Aminopropanol , N-Methylethanolamin und
Diethanolamin, bevorzugt unter Ethylendiamin, 2-Aminoethanol, 3- Aminopropanol und N-Methylethanolamin gewählt wird und besonders bevorzugt Ethylendiamin verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel ein Beschichtungsmittel oder ein Verbindungsmittel darstellt, mit dem ein Fügepartner (2) mit dem Bauteil (1) verbunden wird.
. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) , das Behandeln einer
Oberfläche oder eines Oberflächenbereichs mit einem ersten Mittel (16) oder einer Mischung aus erstem Mittel mit einem dritten Mittel in einem Temperaturbereich von wenigstens 45°C bis zum Siedepunkt oder Siedebereich des ersten Mittels (16) oder der Mischung aus erstem Mittel mit einem dritten Mittel durchgeführt wird, wobei die Siedepunkte auf den bei der Behandlung
herrschenden Druck bezogen sind.
0. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mittel (16) durch die Oberfläche (8) in einen oberflächenangrenzenden Volumenbereich (10) des Matrixnetzwerks (12) eindringt und auf die Oberfläche (8) und in dem Volumenbereich (10) wirkt, wobei durch eine chemische
Substitutionsreaktion im Einwirkbereich eine Aufweitung und Funktionalisierung des Matrixnetzwerkes (12) des Bauteils (1) erfolgt, wobei funktionelle Gruppen (26) des Matrixnetzwerks (12) gebildet werden und das Matrixnetzwerk (12) im Einwirkbereich (22) nach der Oberflächenbehandlung mehr funktionelle Gruppen (26) aufweist als vor der Oberflächenbehandlung, und dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) durch die Oberfläche (8) reaktive, mobile Moleküle des vernetzenden zweiten Mittels (30) in den Einwirkbereich (22) eindringen, wobei durch das Eindringen der Moleküle des vernetzenden zweiten Mittels (30) in den
Einwirkbereich (22) eine sich von der Oberfläche (8) in den Einwirkbereich (22) hineinerstreckende Diffusionszone (38) gebildet wird, und beim Aushärten des zweiten Mittels (30) die Moleküle des zweiten Mittels (30) untereinander und mit den funktionellen Gruppen (26) in der Diffusionszone (38) ein homogenes Netzwerk (33) bilden. · Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Eindringtiefe (s) des ersten Mittels (16) in den Volumenbereich (10) und/oder ein Gradient bezüglich der Aufweitung und Funktionalisierung des
Matrixnetzwerkes (12) im Einwirkbereich (22) über eine
Zusammensetzung des dritten Mittels, eine Menge des dritten Mittels, eine Einwirkzeit (tl) und/oder eine
Bearbeitungstemperatur (Tl) eingestellt wird.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine überschüssige Menge des ersten Mittels (16) und/oder dritten Mittels aus dem Einwirkbereich (22) herausgewaschen und/oder durch Trocknen entfernt wird.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass entweder die zumindest eine Oberfläche (8) vor der Oberflächenbehandlung gegenüber übrigen Oberflächen des Bauteils (1) zumindest partiell abgedichtet wird oder übrige Oberflächen zur zumindest einen Oberfläche (8) zumindest partiell maskiert werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 wobei das Bauteil (1) ausgehärtet ist und der Fügepartner (2) ein ausgehärtes zweites Bauteil ist, dessen Fügefläche (11) auch der
Oberflächenbehandlung unterzogen wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 wobei der
Fügepartner (2) ein vorausgehärtetes zweites Bauteil ist, wobei zumindest eine Teilmenge des zweiten Mittels (30) von
unausgehärteten Bestandteilen des Matrixmaterials des
Fügepartners (2) gebildet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 wobei der
Fügepartner (2) ein unausgehärtetes zweites Bauteil ist, wobei zumindest eine Teilmenge des zweiten Mittels (30) von
unausgehärteten Bestandteilen des Matrixmaterials des
Fügepartners (2) gebildet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 wobei der Fügepartner (2) ein Metallteil ist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 wobei vor dem
Beschichten oder beim Beschichten zumindest ein Funktionskörper (44) und/oder eine Funktionsschicht auf dem Bauteil (1) im
Bereich der Oberfläche (8) positioniert wird, der in die
Beschichtung (42) eingebettet wird.
19. Bauteil erhältlich nach einem Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis 18.
20. Lagerfähiges Bauteil erhältlich als Zwischenprodukt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, dass Schritt b) 1 bis 1000 Stunden nach Schritt a) durchgeführt wird.
21. Bauteil nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass sein
Duromer-Matrixnetzwerk (12) aus Polycyanuraten durch eine chemische Substitutionsreaktion im Einwirkbereich (22) durch ein erstes Mittel (16), das unter Verbindungen mit einer reaktiven NH2- oder NH-Gruppen ausgewählt ist, aufgeweitet und
funktionalisiert ist, wobei das Matrixnetzwerk (12) innerhalb des Einwirkbereichs (22) mehr funktionelle Gruppen (26) aufweist als außerhalb des Einwirkbereichs (22) .
22. Bauteileinheit (3), hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 aus einem Bauteil (1) und einem
Fügepartner (2).
Beschichtetes Bauteil (1), hergestellt nach einem Verfahren ch einem der Ansprüche 1 bis 13 oder 18.
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