DE112012003520T5 - Ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundmaterials, und ein Brett hergestellt aus diesem Verbundmaterial - Google Patents
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Abstract
Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Verbundmaterialien, aufweisend: Stapeln von Schaumstoff- oder Holzschichten (10) mit Schichten (20, 200, 201) von naturfaserbasiertem Verbundmaterial; Verbinden der Schichten; Erhalten einer Vielzahl von strukturierten Teilen (100) durch Schneiden des erhaltenen Stapels (1) rechtwinkelig zu den Schichtebenen, wobei die Dicke der Teile zwischen 1 mm und einigen dm ist.
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf Faserverbundmaterialen, und auf ein Verfahren für die Herstellung dieser.
- Verbundmaterialen sind oft dank Ihrer hoch spezifischen mechanischen Eigenschaften seit den letzten 40 Jahren in Benutzung, insbesondere in aeronautischen und Weltallanwendungen. In den letzten Jahren haben Verbundmaterialien, die aus natürlichen Fasern hergestellt sind, aufgrund des wachsenden Umweltbewusstseins eine erhöhte Aufmerksamkeit erhalten. Aufgrund deren niedriger Kosten, deren niedrigen Umweltbeeinflussung und relativ hoch spezifischer mechanischer Eigenschaften bilden natürliche Fasern eine neue Alternative zu Glasfasern als Verstärkung für Verbundmaterialien.
- Bis jetzt wurden verschiedene Typen von natürlichen Fasern extrahiert und charakterisiert, so wie Flachs, Hanf, Jute, Ramie, Kenaf, Sisal, Henequen, Bambus, Seide oder Baumwolle. Gegenwärtig erscheinen Flachs und Hanf aufgrund Ihrer Kombination von hoch spezifischen Eigenschaften, Verfügbarkeit, Gewinnung mit niedrigem Energieverbrauch, niedriger Pflanzenpflege während des Wachstums, geringer Bewässerung und einem zero-carbon footprint unter den vielversprechendsten zu sein. Zusätzlich zu besserer spezifischer Steifigkeit im Vergleich zu Glasfasern, Flachsfasern wurden mit ausgezeichneten Dämpfungseigenschaften berichtet, und die Energie, die zum Erzeugen von 1 kg Flachsfasermatten benötigt wird, ist nur 1/6 der von Glasfasern und nur 1/13 von der von Karbonfasern.
- Wenn ein natürliches faserbasiertes Material vollständig von erneuerbaren Ressourcen gewonnen werden kann, ist es als Biopolymer bekannt. Ein alternativer Ansatz für das Erzeugen von natürlichen faserbasierten Verbundmaterialien ist die Verwendung von thermoplastischen Polymeren, die mit natürlichen Fasern als Verstärkung des Polymermaterials verwendet werden. Thermoplastische Polymere wie PET oder Polypropylen sind gut für die Wiederverwendung in einem Recyclingschritt geeignet: In Kombination mit natürlichen Fasern wie Hanf bleiben die mechanischen Eigenschaften relativ konstant von einem Recyclingschritt zu dem nächsten. Biopolymere basierend auf natürlichen Fasern haben den Vorteil einfacher verarbeitbar zu sein, da die Fasern weniger abreibend sind als die meisten synthetischen Fasern.
- Die gegenwärtige Erfindung richtet sich auf Materialien basierend zumindest teilweise auf Naturfaserbasierten Materialien.
- Nach einem Aspekt, bezieht sich die gegenwärtige Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundmaterials, aufweisend:
Stapeln von Schichten von Schaumstoff oder Holz mit Schichten von Naturfaserbasierten Verbundmaterialien;
Verbinden der Schichten;
Erhalten einer Vielzahl von strukturierten Teilen durch Schneiden des erhaltenen Stapel rechtwinkelig zu den Schichtebenen, wobei die Dicke der Teile zwischen 1 mm und einigen dm ist;
optional, Formen der strukturierten Teile durch Fräsen, Schleifen und/oder Spanen. - Dieses Herstellungsverfahren kann kontinuierlich oder in einem Schubverfahren durchgeführt werden.
- Nach einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Platte bzw. ein Brett eines Verbundmaterials, aufweisend:
eine obere Seite und eine untere Seite;
einen Stapel von Schichten von Schaumstoff oder Holz adhäsiv mit Schichten von Naturfaserbasierten Verbundmaterial, wobei die Schichten sich in eine Richtung erstrecken, die grundsätzlich rechtwinkelig zu mindestens einer der Seiten ist. - Die Höhe des Stapels mag höher sein als die Breite der Schichten zwischen der oberen Seite und der unteren Seite.
- Diese strukturierte Platte kann als Kern für verschiedene Objekte, wie Skikerne, Snowboardkerne, Blätter für Windturbinen, aeronautische Teile, Dach oder Deckenteile für Fahrzeuge usw. dienen. Dieser Kern kombiniert die niedrige Dichte eines zellulären Festkörpers (Schaumstoff, Holz, usw.) mit hohen spezifischen, anisotropischen und anpassbaren Eigenschaften von Faser-Kunststoff-Verbund (FKV). Der Schlüsselvorteil von diesen Materialien ist.
- • Signifikant erhöhte Kompressions- und Schermodule in einer Richtung (3–100 mal höher) gegenüber Schaumstoff alleine;
- • Signifikant erhöhte Kompressions- und Scherkräfte in einer Richtung (2–20 mal höher);
- • Signifikant erhöhte Kern-Seiten-Adhäsion (+50%–150%) gegenüber Standardschaumstoff aufgrund der optimierten Stressübertragung von den Seiten in den Kern;
- • Geringes zusätzliches Gewicht und geringe Kosten, da (i) wenig Material zu dem Schaumstoff hinzugefügt wird, und (ii) die Möglichkeit eines kontinuierlichen Prozesses besteht;
- • Verbesserte Adhäsion zwischen den Naturfasern und dem Harz, im Vergleich zu den besten möglichen Adhäsionen zwischen Glass- oder Carbonfasern und dem Harz.
- Die Erfindung wird besser verstanden mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele illustriert durch die Figuren, in denen:
-
1a einen Stapel von Schaumstoff und Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) unter Verwendung von Gewebetextilien hergestellt aus eindirektionalen (UD) Faserschichten, die in +/–45° als FKV Schicht orientiert sind, zeigt; -
1b einen Stapel von Schaumstoff und Natur FKVs unter Verwendung von Leinwandbindung als FKV Schicht zeigt; -
2a einen verbundenen Stapel von Schaumstoff- und Natur FKV-Schichten zeigt; -
3a Beispiele von Schnittlinien zeigt; -
3b ein Beispiel von resultierenden Platten/Brettern zeigt; -
4a ein Beispiel eines gefrästen Profils, hier ein Skikern, zeigt. - Detaillierte Beschreibung der Erfindung
- Wir werden nun ein Beispiel des Herstellungsverfahrens nach der Erfindung beschreiben. In diesem Beispiel weist das Verfahren die Hauptschritte I bis IV auf.
- Das Verfahren I/IV: Stapeln der Schichten
- Während des ersten Schritts, wie in den
1A und1B gezeigt, werden die Schichten10 eines strukturierten Festkörpers (vorzugsweise eine Schaumstoffplatte oder eine Holzplatte wie balsa oder anderes Leichtgewichtsholz) mit mit Naturfasern verstärkten Polymerschichten20 ,200 ,201 gestapelt, wobei: - • Die Schaumstoff- oder Holzschicht
10 kann eine variable Dicke t haben, vorzugsweise im Bereich 0.5 cm < t < 10 cm - • Die Schaumstoff- oder Holzschicht
10 kann aus jedem gemeinhin bekannten Polymerschaum, wie PVC, PP, PET oder anderen thermoplastischen Polyester, PU, PS, SAN oder jedem natürlichen zellulären Festkörper wie Holz oder Kork usw. hergestellt werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Festkörper aus einem recyclebaren Material, wie PET oder PP hergestellt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Festkörper aus einem thermoplastischen Material hergestellt, das einfach durch die Anwendung von Wärme und Druck mit den benachbarten Schichten des gleichen Materials verbunden werden kann. - • Verschiedene Typen von Holz oder Schaumstoffschichten
10 können innerhalb desselben Stapels1 benutzt werden, z. B. eine Mischung zwischen Schaumstoffschichten, Holzschichten, oder verschiedenen Schichten von Holz/Schaumstoff mit unterschiedlichen Dichten. - • Die Anzahl der Naturfaserschichten
20 ,200 ,201 zwischen jeder Schaumstoff- oder Holzschicht kann variieren; vorzugsweise wird eine Schicht wie in1B benutzt, aber zwei oder mehr Schichten können wie in1A benutzt werden. - • Die Naturfaserschichten
20 ,200 ,201 können aus einem Textil hergestellt werden, z. B. einem genähten oder einem gewebten Textil, einem Gelege, einem multiaxialen Gelege, usw.. - • Die Fasern, die die Naturfaserschichten bilden, sind vorzugsweise Naturfasern (Kenaf, Bambus, Flachs, Hanf, Jute, Ramie, Sisal, Henequen, Seide, Wolle oder Baumwolle usw.), aber können zusätzlich auch irgendwelche Polymerfasern enthalten.
- Nach verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung weist zumindest eine der Naturfaserschichten
20 ,200 ,201 auf: - (i) ein 45° mit Leinwandbindung gewebtes Textil, d. h. ein Textil mit Naturfasern, die +45° relativ zu der Längsrichtung der Schichten (0° ist parallel zu der Längsrichtung, 90° rechtwinkelig zu der längsrichtung der Schaumstoff- oder Holzplatte
10 ) orientiert sind; - (ii) ein ±45° mit Leinwandbindung gewebtes Textil, d. h. ein Textil mit Naturfasern, die –45° orientiert sind, und mit anderen Naturfasern, die +45° relativ zu der Längsrichtung der Schichten orientiert sind;
- (iii) ein Textil mit Naturfasern, die –45° orientiert sind, mit anderen Naturfasern, die +45° orientiert sind, und weiteren anderen Naturfasern, die 90° relativ zu der Längsrichtung der Schichten orientiert sind.
- Die Verwendung von Textilien
20 , die eine einzige Schicht aufweisen, ohne eine Unterschicht, reduziert das Gesamtgewicht des Produkts. - Wie später beschrieben wird können zumindest einige der Naturfaserschichten
20 ,200 ,201 ein Textil aufweisen, in dem thermoplastische Fasern eingebettet und mit Naturfasern gemischt sind. In einem Ausführungsbeispiel können die erzeugenden Fäden mit Fäden vermischt werden, die sowohl Natur- als auch Polymerfasern enthalten. - Das Verfahren II/IV: Verbinden
- Wie in
2A illustriert sind die verschiedenen Schichten10 ,20 ,200 ,201 adhäsiv miteinander verbunden, um so eine Platte bzw. ein Brett1 aus einem Stapel1 von Schichten10 ,20 zu bilden, die grundsätzlich parallel zu der oberen Seite und/oder zu der unteren Seite der Platte sind. - Verschiedene Verfahren können für das Verbinden der Naturfasern mit den Schaumstoff- oder Holzschichten verwendet werden: Wenn die Naturfaserschichten
20 ,200 ,201 schon ein thermoplastisches Material enthalten, z. B. zusätzliche Fäden zusätzlich zu den Naturfaserfäden, oder als gemischte Fäden, so kann das Verbinden durch das erhitzen und zusammenpressen des Stapels1 erreicht werden, so dass das thermoplastische Material schmilzt und mit dem Schaumstoff oder Holz10 verschweisst wird. Alternativ können die Naturfaserschichten20 ,200 ,201 vor oder während des Stapelns mit einem thermoplastischen Pulver, das mit den Schaumstoff- oder den Holzschichten10 verschweisst wird, imprägniert werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Material für die thermoplastischen Fasern/Fäden oder für thermoplastisches Pulver das gleiche wie das Material für den Schaumstoff; das verbessert die Qualität der Verbindung und erleichtert das Recycling des Endprodukts. Dieses Material kann PET, Polypropylen, PA, PE, PVC, TPU, PS, EVA, SAN, PLA oder thermoplastischer Polyester wie z. B. PET sein. - In einem alternativen Ausführungsbeispiel können die Naturfasertextilschichten
20 während des Stapelprozess imprägniert werden oder können vorher komplett oder teilweise mit einem adhäsiven Material, wie z. B. Duroplastharz, z. B. einem Epoxyharz, imprägniert werden. Alternativ kann eine thermoplastische oder eine adhäsive Schicht zwischen die Schichten20 ,200 ,201 der Naturfaserverbundstoffe und einer Schaumstoff- oder Holzschicht10 angeordnet werden und für das Verbinden dieser Schichten verwendet werden. Die Verwendung von zusätzlichen Adhäsiven hat den Vorteil die Hitzeresistenz zu verbessern, z. B. wenn das Produkt unter Verwendung weiterer Hitze involvierender Schritte weiterverarbeitet wird; allerdings macht es das Recyclen wesentlich schwieriger. - Das Verfahren III/IV: Schneiden
- Wie in
3A gezeigt wird das erhaltene Verbundmaterial1 rechtwinkelig zu der Platte und zu den Schichtebenen geschnitten. Dies resultiert in Platten100 , die in3B gezeigt sind und die obere Seiten103 und untere Seiten102 entsprechend der Schnittebenen haben, d. h. rechtwinkelig zu den Schichtebenen. Der Schnitt kann wie in3A und3B gezeigt, gerade oder gekurvt (nicht gezeigt) sein, wobei letzteres in eine Platte bzw. ein Brett resultiert mit einer unteren und/oder oberen Seite102 ,103 , die nicht flach ist. - • Die Dicke der Platte
100 (d. h. der Abstand zwischen benachbarten Schnittebenen) kann zwischen 1 mm und einigen dm variieren - • Die Schnittlinien können oder können nicht parallel zueinander sein, so dass Platten
100 mit oberen und unteren Seiten, die parallel oder nicht parallel zueinander sind, hergestellt werden. Verschiedene Platten können verschiedene Dicken und/oder verschiedene vertikale Abschnitte haben. - • Wenn ein Duroplastharz in den natürlichen FKV-Schichten verwendet wird, kann ein Nachhärteschritt hinzugefügt werden, um die Glaspunkttemperatur (Tg) des Polymers oder des Harzes zu erhöhen.
- Das Verfahren IV/IV: Fräsen/Sanden
- Wie in
4A gezeigt kann die erhaltene Platte100 als strukturelles Kernmaterial verwendet werden, welches gefräst/gesandet/gespant werden kann: - • Um die Form in der Ebene zu verändern (z. B. um eine Ski- oder Snowboardform zu erhalten)
- • Um die Dicke entlang der Platte zu verändern (in jeder Richtung, z. B. entsprechend der Skidicke)
- • Bevorzugterweise werden Computer numerisch kontrollierte (CNC) Werkzeugmaschinen für das Fräsen verwendet
- Anwendungen
- Die strukturierten Kernmaterialen, die in dieser Erfindung offenbart wurden, können potentiell in einer breiten Varietät von Anwendungen verwendet werden, wie z. B.:
- • Skikerne
- • Snowboardkerne
- • Strukturierte Kernmaterialien in der Windenergiebranche (Blätter), in der Schifffahrtsbranche, Transportbranche (Sandwichstrukturen für Böden/Decken), Luftfahrtbranche, Wände im Ingenieurbau und im Bauwesen, usw.
- Das Produkt kann in einem Batch erzeugt werden; allerdings besteht eine ökonomisch höchst effiziente Option aus einer kontinuierlichen Fertigungslinie, die Extrusionsschäumen der Schaumstoffschichten zwischen imprägnierten FKV Schichten gefolgt von Festigen und Schneiden zu der richtigen Form verbinden.
Claims (17)
- Verfahren zum Herstellen von Verbundmaterialien, aufweisend: Stapeln von Schaumstoff- oder Holzschichten (
10 ) mit Schichten (20 ,200 ,201 ) von naturfaserbasiertem Verbundmaterial; Verbinden der Schichten; Erhalten einer Vielzahl von strukturierten Teilen (100 ) durch Schneiden des erhaltenen Stapels (1 ) rechtwinkelig zu den Schichtebenen, wobei die Dicke der Teile zwischen 1 mm und einigen dm ist. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Stapel rechtwinkelig zu den Schichtebenen entlang einer gekurvten Bahn geschnitten wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eine der Schichten des naturfaserbasierten Verbundmaterials eine Vielzahl von Schichten (
200 ,201 ) mit Naturfasern in verschiedenen Ausrichtungen aufweist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens eine der Schichten des naturfaserbasierten Verbundmaterials (
20 ,200 ,201 ) ein Textil mit Naturfasern, die +45° orientiert sind, und mit anderen Naturfasern, die –45° relativ zu der Längsrichtung der Schichten orientiert sind, aufweist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens eine der Schichten des naturfaserbasierten Verbundmaterials (
20 ,200 ,201 ) ein Textil mit Naturfasern, die +45° orientiert sind, mit anderen Naturfasern, die –45° orientiert sind, und mit anderen Naturfasern, die 90° relativ zu der Längsrichtung der Schichten orientiert sind, aufweist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens eine der Schichten des naturfaserbasierten Verbundmaterials (
20 ,200 ,201 ) sowohl Natur- als auch thermoplastische Fasern enthält, und wobei die Schritte des Verbindens der Schichten das Erhitzen der thermoplastischen Fasern aufweist, um dies mit dem Schaumstoff zu verschweissen. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schritt des Verbindens das Imprägnieren der Schichten des faserbasierten Verbundmaterial (
20 ,200 ,201 ) mit einem thermoplastischen Pulver, und das Erhitzen des thermoplastischen Polymerpulvers aufweist, um mit der Schaumstoffschicht (10 ) zu verschweissen. - Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei das Material für die thermoplastischen Fasern oder des thermoplastischen Pulvers das gleiche ist wie das Material für die Schaumstoffschicht (
10 ). - Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Material eines von thermoplastischem Polyester, PP, PLA, PA ist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schritt des Verbindens vor dem Stapeln das Imprägnieren mindesten einer der Schichten des naturfaserbasierten Verbundmaterials (
20 ,200 ,201 ) mit einem adhäsiven Material aufweist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schritt des Verbindens das Anordnen einer thermoplastischen oder einer adhäsiven Schicht zwischen einer Schicht des naturfaserbasierten Verbundmaterials (
20 ,200 ,201 ) und einer Schaumstoff- oder Holzschicht (10 ) aufweist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei jedes der strukturierten Teile ein Platte oder ein Brett (
100 ) ist aufweisend eine obere Seite (103 ) und eine untere Seite (102 ), wobei die Schichten rechtwinkelig zu der Ebene der oberen oder der unteren Seite sind. - Verfahren nach Anspruch 12, weiter aufweisend: Formen der Platte oder des Bretts (
100 ) durch Fräsen, Sanden und/oder Spanen der oberen Seite (103 ) und/oder der unteren Seite (102 ). - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Schritte des Stapelns, des Verbindens und des Schneidens in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess durchgeführt werden.
- Produkt hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bestehend aus einem Kern für einen Ski, für ein Snowboard, für ein Windblatt, für ein Geschosswant oder für eine Bauwand.
- Platte oder Brett (
100 ) eines Verbundmaterials aufweisend: eine obere Seite (103 ) und eine untere Seite (102 ); ein Stapel von Schaumstoff oder Holz (10 ), der adhäsive mit Schichten von naturfaserbasiertem Verbundmaterial verbunden ist, wobei die Schichten in eine Richtung grundsätzlich rechtwinkelig zu mindestens einer der Seiten verläuft. - Platte oder Brett (
100 ) nach Anspruch 16, wobei die Höhe des Stapels (1 ) höher ist als die Breite der Schichten zwischen der oberen Seite und der unteren Seite.
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