DE102015121397A1

DE102015121397A1 - Verfahren zum Herstellen eines formstabilen Faserbauteiles sowie eine ein Bindemittel enthaltende Suspension hierfür

Info

Publication number: DE102015121397A1
Application number: DE102015121397.4A
Authority: DE
Inventors: Uwe Gradl
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2017-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines formstabilen Faserbauteiles unter Verwendung eines Fasern aufweisenden Rohlings, wobei der Rohling mit einer eine Bindemittelkomponente enthaltenden Suspension versetzt wird und diese ausgehärtet wird, der mit der die Bindemittelkomponente enthaltenden Suspension versetzte Rohling unter Wärmeeinwirkung in einem Formwerkzeug umgeformt wird, wobei der mit der die Bindemittelkomponente enthaltenden Suspension versetzte Rohling unter Wärmeeinwirkung in einem Formwerkzeug umgeformt wird und die Suspension unter Wärmeeinwirkung im Formwerkzeug ausgehärtet wird und als Suspension eine ein Trennmittel aufweisende Suspension verwendet wird, wobei als Trennmittel ein organisches Trennmittel aus der Gruppe der Polysaccharide verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines formstabilen Faserbauteiles nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine eine Bindemittelkomponente enthaltende Suspension gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der WO 95/26938 A1 bekannt. Hierhin wird eine Fasermatte mit einem Bindemittel versehen, sodass eine ”nasse” Fasermatte erhalten wird. Die ”nasse” Fasermatte wird mithilfe einer Form in eine gewünschte Kontur gepresst. Die Pressung erfolgt mit geringem Druck und bei Umgebungstemperatur.
Eine aushärtbare Formmasse zur Durchführung dieses bekannten Verfahrens enthält ein hochtemperaturfestes Bindemittel, eine partikelförmige Komponente eines porenhaltigen Materials und eine faser- oder nadelförmige Verstärkungskomponente. Sämtliche Komponenten sind anorganischer Art.
Aus der DE 19943411 ist ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern bekannt, wobei die Formkörper aus flexiblen textilen Substraten hergestellt sind und mit anderen Formkörpern kraft-, stoff- und formschlüssig verbindbar sind. Eine mechanische Versteifung der flexiblen textilen Substrate erfolgt durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Drahtflammspritzen und/oder Lichtbogenspritzen und/oder Hochgeschwindigkeitsspritzen (HVOF) und/oder Plasmasprühen.
Bei der Herstellung von Formkörpern nach dem Stand der Technik werden anorganische Bindemittel verwendet. Derartige Bindemittel verursachen hohe Verschmutzungen an der Fertigungsanlage.
Insbesondere als problematisch wird die Adhäsion des verwendeten Bindemittels am Formwerkzeug während eines thermischen Formprozesses von Faservliesstrukturbauteilen angesehen.
Hieraus ergibt sich die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines formstabilen Faserbauteiles unter Verwendung eines Fasern aufweisenden Rohlings anzugeben, welches eine Verschmutzung der Werkzeuge und der Anlagenteile verringert. Insbesondere soll das benetzte Faservlies unter thermischen Einfluss in ein formstabiles Bauteil überführbar sein. Weiterhin soll eine Suspension angegeben werden, die keine oder nur eine sehr geringe Haftung zum beheizten Formwerkzeug aufbaut, sodass Verschmutzungen vermindert oder vermieden sind.
Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Suspension mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den jeweils von den unabhängigen Ansprüchen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein bekanntes Verfahren zum Herstellen eines formstabilen Faserbauteiles unter Verwendung eines Fasern aufweisenden Rohlings, bei dem der Rohling mit einer eine Bindemittelkomponente enthaltene Suspension versetzt wird und diese ausgehärtet wird, wird erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass der mit der die Bindemittelkomponente enthaltenden Suspension versetzte Rohling unter Wärmeinwirkung in einem Formwerkzeug umgeformt wird, wobei die Suspension unter Wärmeeinwirkung im Formwerkzeug ausgehärtet wird und als Suspension eine ein Trennmittel aufweisende Suspension verwendet wird, wobei das organische Trennmittel aus der Gruppe der Polysaccharide ist.
Überraschenderweise konnte die Verwendung eines organischen Trennmittels die eingangs genannte technische Problematik lösen. Eine Werkzeugverschmutzung tritt nicht mehr auf. Die Erfindung ermöglicht es somit, das mit dem Bindemittel benetzte Faservlies unter Einwirkung von Wärme zu einem Strukturbauteil zu formen und auszuhärten. Hierbei entsteht eine sehr starke Haftwirkung des Bindemittels am beheizten Formwerkzeug. Diese Haftwirkung konnte erfindungsgemäß durch Zugabe eines organischen Trennmittels zur Suspension bewältigt werden, wobei das Vlies keine Haftung mehr zum Werkzeug aufbaut, aber das Bindemittel in das Vlies eindringt, dort aushärtet und eine verschlossene Außenseite auf der Oberfläche des Strukturbauteils ergibt.
Diese Schicht ist mechanisch stabil und schützt die nicht benetzten Fasern im Kern des Materials vor dem Entweichen. Somit können durch diese Methode die Bauteile rückstandslos auf einem unbeschichteten Stahlwerkzeug gefertigt werden. Aufgrund des thermischen Einflusses benötigt das Bindemittel im Faservlies weniger als eine Minute zum Aushärten. Durch diese kurze Reaktionszeit sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hohe Stückzahlen leicht möglich. Die verwendete Suspension zeigt ebenso hervorragende Mischeigenschaften, die eine leichte Verwendung im Transfermedium mit zum Beispiel Wasser zulässt.
Insgesamt können als Vorteile der Erfindung angesehen werden:

– Die Materialkosten zum Durchführen des Verfahrens sind günstig, die Suspension erfordert keine kostenintensiven Zutaten. I
– Insgesamt ist eine einfache Prozesstechnik realisierbar.

Mit einem organischen Trennmittel kann die Prozesstemperatur geringer angesetzt werden als im Stand der Technik. Hierdurch entstehen Energiespareffekte.
Durch das Bilden einer geschlossenen Außenoberfläche wird ein Ausrieseln der Fasern des Vliese, die weiter innen im Faserbauteil angeordnet sind und nicht mit der Suspension benetzt wurden, zuverlässig verhindert. Eine solche nicht vollständige Durchdringung des Vlieses mit Bindemittel ist sogar erwünscht, da der Kern des Faservlieses aus untereinander nicht gebundenen Fasern besteht und somit das Faservlies im Kern akustisch wirksam bleibt.
Die Erfindung ermöglicht es zudem, komplexere Bauteilstrukturen zu realisieren. Ein anderer Vorteil ist, dass die Bauteilerzeugung mit umweltfreundlichen Komponenten stattfinden kann und die verwendeten organischen Trennmittel einfache Chemikalien darstellen, die keine Abhängigkeit von einem spezialisierten Lieferanten verursachen.
Es hat sich gezeigt, dass die entstehenden Strukturbauteile/Faserbauteile sehr gute mechanische Eigenschaften im Vergleich zu unbenetzten Faservliesen haben und eine verbesserte Montage zwischen einem Trägerbauteil und einem Formfaservlies möglich ist. Es ist sogar möglich, Bausätze aus mehreren Formfaserbauteilen, die ineinander greifen können, vorzubereiten. Es sind keine konturnahen Vlieszuschnitte des Rohlings notwendig, da bei einer Fertigung im Werkzeug geschlossene Kanten erzeugt werden und damit ein endkonturgetreues Faserbauteil im Werkzeug fertig erstellt wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise unter Verwendung eines unbeschichteten, beheizten Stahlwerkzeuges mit Pinch-Kanten, das heißt mit verschlossenen, abgerundeten Kanten ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Trennmittel Stärke, zum Beispiel Reisstärke, Kartoffelstärke oder besteht aus Kohlenhydraten.
Als Bindemittelkomponente können bevorzugt Alkalisilikat-Kleber mit Kaolin auf Wasserglasbasis verwendet werden.
Zur Vorbereitung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Bindemittelkomponente, das Trennmittel und Wasser, welches als Transfermedium dient zu einer Klebermischung verrührt.
Vor dem Einlegen des Rohlings wird dieser matten – und/oder bahnenartig vorbereitet und beidseitig mit der Suspension benetzt und/oder besprüht.
Das Besprühen erfolgt bevorzugt derart, dass die Suspension in einer Menge von 0,03 g/cm² bis 0,15 g/cm², bevorzugt 0,04 g/cm² bis 0,08 g/cm² auf der Rohlingsoberfläche aufgetragen wird.
Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, dass die aufgetragene Menge der Suspension derart auf den Faserrohling abgestimmt ist, dass zumindest einige im Querschnitt innen liegende Fasern nicht benetzt werden, das heißt dass insbesondere weder im Benetzungsschritt noch im temperierten Werkzeug mit der Suspension in Kontakt kommen. Dies hat den Vorteil, dass am fertigen Faserbauteil ein Kern mit nicht miteinander verbundenen Fasern besteht, zwischen denen Lufteinschlüsse vorhanden sind. Derartige ”Hohlkammern” sorgen für eine akustische Dämmwirkung der Faserbauteile, die besonders gewünscht ist.
Beim Aushärten der Suspension wird flächig wie stirnseitig bezüglich des Faserrohlings eine geschlossene Oberfläche des Formteiles erzeugt, wobei die geschlossene Oberfläche derart beschaffen ist, dass nicht benetzte Fasern aus dem Kern des Faserbauteiles nicht ausrieseln können.
Eine geschlossene Oberfläche im Sinne dieser bevorzugten Ausführungsform bedeutet nicht, dass diese porenfrei ist. Es können durchaus Poren vorhanden sein, insbesondere Poren, die Luft zum Kern des Faserbauteiles hindurchlassen. Die Poren sind jedoch so klein, dass jedenfalls Fasern oder abgebrochene Teile von Fasern nicht durch diese hindurch nach außen gelangen können und somit nicht ausrieseln können.
Ein solches Bauteil kann bevorzugt dadurch erreicht werden, dass die Formgebung des Faserrohlings im Wege des Press-Pinchens in einem Werkzeug mit geschlossenem und/oder abgerundetem Kanten erfolgt.
Das Press-Pinchen kann beim erfindungsgemäßen Verfahren bei relativ niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen von 200–250°C mit einer Pressenkraft von mindestens 10 kN erfolgen.
Als geeignete Vliese haben sich Vliese herausgestellt, welche Fasern aus E-Glas, Basalt und/oder Silikat oder Mischungen hieraus aufweisen.
Eine Materialstärke des ausgehärteten Faserbauteiles liegt zweckmäßigerweise zwischen 3 mm und 15 mm.
Des Weitern wird erfindungsgemäß eine Suspension angegeben, die eine Bindemittelkomponente aufweist und besonders zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung geeignet ist, wobei die Suspension eine Trennmittelkomponente aufweist, die ein organisches Trennmittel aus der Gruppe der Polysaccharide besitzt oder aus einer solchen gebildet ist.
Das Trennmittel kann dabei bevorzugt Stärke, zum Beispiel Reisstärke, Kartoffelstärke sein und/oder aus Kohlenhydraten bestehen.
Für die Suspension eignet sich insbesondere eine Bindemittelkomponente aus einem Alkalisilikat-Kleber mit Kaolin auf Wasserglasbasis.
Die Suspension besitzt außerdem bevorzugt als Transferkomponente Wasser.
Die Trennmittelkomponente ist dabei bevorzugt derart ausgewählt, dass ab einer Temperatur von wenigstens 40°C, bevorzugt ab 50°C die Trennmittelkomponente verkleistert.
In allen bevorzugten Ausführungsformen ist die Trennmittelkomponente derart gewählt, dass bei Erreichen einer Anwendungstemperatur des Faserbauteiles, welche größer ist als eine Formtemperatur des Formwerkzeuges, welches zur Herstellung des Faserbauteiles verwendet wird, die Trennmittelkomponente oxidiert und aus dem Faserbauteil ausdifundiert, wobei Kohlenstoff und Bestandteile des Trennmittels im Faserbauteil verbleiben.
Es hat sich gezeigt, dass bei der Verwendung von organischen Trennmitteln gemäß der Erfindung ausdiffundierende Bestandteile bei der Erstbenutzung des Faserbauteiles unschädlichen Charakter haben und sowohl für die Umwelt als auch für die Gesundheit unbedenklich sind.
Im Folgenden wird anhand der einzigen (1) das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft erläutert:
Ein Gesamtprozessablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung der erfindungsgemäßen Suspension ist in 1 dargestellt. Zunächst wird ein Fasern aufweisender Rohling (Vlies), der beispielsweise als Rollenware vorliegt zugeschnitten (Schritt 1: Zuschnitt des Rohlings. Aus einem Kleber, das heißt einem Bindemittel, aus Stärke, das heißt einem Trennmittel und aus Wasser, das heißt einem Transfermedium wird im Schritt 2 eine Suspension gemäß der Erfindung angesetzt
Im Schritt 3 wird die Suspension ein- oder beidseitig auf den Zuschnitt des Rohlings aus Schritt 1 aufgetragen.
In einem nächsten Schritt 4 wird der benetzte Rohling in ein beheiztes Werkzeug bei circa 220°C eingelegt.
Im nächsten Schritt 5 erfolgt ein Press-Pinchen mit mindestens 10 kN Pressenkraft.
Nach dem Press-Pinchen erfolgt in einem 6. Schritt ein Halten und Aushärten des Formteiles im Werkzeug.
Im Schritt 7 kann das fertige Faserbauteil aus dem Werkzeug entnommen werden.
Die fertigen Faserbauteile sind endkonturnahe Formteile.
Nachfolgend werden noch Reaktionsgleichungen angegeben, die das erfindungsgemäße Verfahren weiter verdeutlichen sollen. Dabei sind beispielhaft folgende Edukte vorhanden:

– Alkalisilikat-Kleber mit Kaolin (Schichtsilikat auf Wasserglasbasis)
– Reisstärke: C₆H₁₀O₅
– Wasser: H₂O
– Silikatfaser-Vlies: SiO₂

Beim Mischen finden folgende Reaktionen statt:
Das Wasser wird mit der Stärke und dem Kleber gemischt. Es kommt zu keiner Reaktion, da sich die Komponenten nach einer gewissen Zeit wieder entmischen wenn die Mischung ruht. Es handelt also um einen rein physikalischen Mischvorgang ohne chemische Reaktionen.
Beim Auftragen auf das Silikatfaser-Vlies geschieht Folgendes:
Es kommt ebenfalls zu keiner chemischen Reaktion, die Mischung dringt nur in das Vlies ein und haftet an der Oberfläche der Fasern.
Beim Erwärmen/Erhitzen im Werkzeug treten folgende chemische Reaktionen auf. Beispielhaft ist hier eine Werkzeugtemperatur von 220°C angegeben. Es erfolgt eine Trocknung des Alkalisilikat-Klebers:
Die chemische Trocknung von Wasserglas erfolgt durch Aufnahme von CO₂. yMe₂OxxSiO₂ + CO₂ → xMe₂CO₃ + ySiO₂aq
Das Wasser aus der Mischung verdampft durch vorhandene Entspannungslöcher im Werkzeug.
Die Reisstärke wird beim Erhitzen nicht ersetzt.
Das Reisstärkemolekül ”verkleistert” bei niedrigen Temperaturen (zum Beispiel ab 50°C) und schafft damit einen Antihaftfilm auf dem Faservlies. Aus diesem Grund klebt trotz Alkalisilikat-Kleber das Vlies nicht am beheizten Stahlwerkzeug an.
Nach dem erstmaligen Erreichen einer Anwendungstemperatur, die beispielsweise größer als 300°C liegt tritt ein ”Verbrennen” der Reisstärke auf, wobei dass benetzte Silikatfaser-Vlies mit dem Alkalisilikat-Kleber und dem Kaolin übrig bleibt. Das Reisstärkemolekül löst sich in seine Kohlenstoffbestandteile auf.
Bezugszeichenliste

1: Zuschnitt des Rohlings
2: Vorbereiten einer Suspension
3: Auftragen der Suspension auf Rohling
4: Einlegen in Werkzeug
5: Press-Pinchen
6: Halten-Aushärten
7: Fertiges Bauteil entnehmen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 95/26938 A1 [0002]
DE 19943411 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines formstabilen Faserbauteiles unter Verwendung eines Fasern aufweisenden Rohlings, wobei: a) Der Rohling mit einer eine Bindemittelkomponente enthaltenden Suspension versetzt wird und diese ausgehärtet wird, der mit der die Bindemittelkomponente enthaltenden Suspension versetzte Rohling unter Wärmeeinwirkung in einem Formwerkzeug umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass b) der mit der die Bindemittelkomponente enthaltenden Suspension versetzte Rohling unter Wärmeeinwirkung in einem Formwerkzeug umgeformt wird und die Suspension unter Wärmeeinwirkung im Formwerkzeug ausgehärtet wird und als Suspension eine ein Trennmittel aufweisende Suspension verwendet wird, wobei als Trennmittel ein organisches Trennmittel aus der Gruppe der Polysaccharide verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel Stärke, z. B. Reisstärke (C₆H₁₀O₅), Kartoffelstärke (C₆H₁₀O₅), Dextrin oder Kohlenhydrate verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension als Bindemittelkomponente Alkalisilikat-Kleber mit Kaolin auf Wasserglasbasis aufweist.
Verfahren nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindemittelkomponente das Trennmittel und Wasser zu einer Klebermischung verrührt werden.
Verfahren nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fasern aufweisende Rohling matten- und/oder bahnenartig vorliegt und beidseitig mit der Suspension benetzt und/oder besprüht wird.
Verfahren nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension in einer Menge von 0,03 g/cm² bis 0,15 g/cm², bevorzugt 0,04 g/cm² bis 0,08 g/cm² auf der Rohlingoberfläche aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der benetzte Rohling in einem temperierten Werkzeug verformt und zumindest teilweise ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgetragene Menge der Suspension derart auf den Faserrohling abgestimmt ist, dass zumindest einige im Querschnitt innen liegende Fasern nicht benetzt werden, insbesondere weder im Benetzungsschritt noch im temperierten Werkzeug mit der Suspension in Kontakt kommen.
Verfahren nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aushärten der Suspension flächig wie stirnseitig bezüglich des Faserrohlings eine geschlossene Oberfläche des Formteils entsteht, sodass nicht benetzte Fasern nicht ausrieseln können.
Verfahren nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung des Faserrohlings im Wege des Presspinchen in einem Werkzeug mit geschlossenen und/oder abgerundeten Kanten erfolgt.
Verfahren nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Presspinchen bei einer Temperatur von 200°C–250°C mit einer Pressenkraft von mindestens 10 kN erfolgt.
Verfahren nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fasern aufweisendes Vlies verwendet wird, wobei die Fasern aus E-Glas, Basalt und/oder Silikat oder Mischungen hieraus bestehen.
Verfahren nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialstärke des ausgehärteten Faserbauteiles zwischen 3 mm und 15 mm liegt.
Suspension aufweisend eine Bindemittelkomponente, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension eine Trennmittelkomponente aufweist, wobei als Trennmittelkomponente ein organisches Trennmittel aus der Gruppe der Polysaccharide ausgewählt ist.
Suspension nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel Stärke, z. B. Reisstärke (C₆H₁₀o₅), Kartoffelstärke (C₆H₁₀O₅), Dextrin und/oder Kohlenhydrate sind.
Suspension nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension als Bindemittelkomponente Alkalisilikat-Kleber mit Kaolin auf Wasserglasbasis aufweist.
Suspension nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension als Transferkomponente Wasser aufweist.
Suspension nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmittelkomponente ab einer Temperatur von wenigstens 40°C, insbesondere 50°C verkleistert.
Suspension nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmittelkomponente bei Erreichen einer Anwendungstemperatur des Faserbauteiles, welche größer ist als eine Formtemperatur der Formwerkzeuges oxidiert und aus dem Faserbauteil ausdiffundiert, wobei Kohlenstoff und Bestandteile des Trennmittels im Faserbauteil verbleiben.