DE2046432B2

DE2046432B2 - Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Bauelemente

Info

Publication number: DE2046432B2
Application number: DE2046432A
Authority: DE
Inventors: Joseph Franklyn Pasadena Calif. Schirtzinger (V.St.A.)
Original assignee: Air Logistics Corp (ndgesd Staates Californien) Pasadena Calif (vsta)
Current assignee: Air Logistics Corp (ndgesd Staates Californien) Pasadena Calif (vsta)
Priority date: 1969-10-14
Filing date: 1970-09-21
Publication date: 1979-05-03
Also published as: DE2046432A1; DE2046432C3; GB1302234A; CA952420A; US3686048A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von bahnförmigen Bauelementen mit parallelen Fasern, die durch Bindemittel zusammengehalten werden.

Ftiserverstärkte Materialien, welche in der Natur als Hölzer und Gräser, z.B. als Rohrholz, Schilf und Bambus vorkommen, sind ausgezeichnete natürliche Baurnmaterialien. Sie besitzen aufgrund der langen, dünnen Fasern aus Lignin, welche mit einem harzhaltigen Einbettungsmaterial zusammengehalten werden, ein ausgezeichnetes Verhältnis von Stabilität zu Gewicht Dieses Material hat viele Vorteile gegenüber homogenen Materialien, welche für denselben Zweck Verwendung Finden. Die Fasern sind allgemein parallel und durch ein Einbettungsmaterial zusammengehalten, welches Belastungen in Querrichtung von einer Faser zur anderen überträgt Wenn eine oder mehrere Fasern brechen, werden die Spannungen zu benachbarten und intakten Fasern Obertragen. Aufgrund dieser Wirkungsweise halten faserverstärkte Materialien auch solchen Belastungen stand, welche bei homogenen Materialien wie Glai oder gehärtetem Stahl häufig zum Bruch fahren.

Bei dem Verweh, festerer und leichtere Materialien alt diejenigen, welche in der Natur vorkommen, herzustellen, wurden natürliche und synthetische Fasern durch natürliche und synthetische Einbettungsmaterialien miteinander verbunden. Ausgezeichnete Ergebnisse ergeben sich bei der Verwendung von Glas, Bor, Kohle und Einkristall-Metallfascrn in polymeren, keramischen und metallischen Einbettungsmaterialien.

Die Stabilität bzw. Festigkeit des Endprodukts wird jedoch weitgehend von der geraden und parallelen Anordnung der hochfesten Fasern beeinflußt Der s Grund hierfür liegt darin, daß die verstärkenden Fasern eine Zugfestigkeit im Bereich von etwa 20 000 kp/cm² bis mehr als 70 000 kp/cm² haben, wohingegen die Bindemittel gewöhnlich Zugfestigkeiten von nur etwa 700 bis etwa 1400 kp/cm² besitzen. Daher sollte eine an

ίο das Endprodukt angelegte Last in erster Linie von den hochfesten Fasern getragen bzw. aufgenommen werden. Wenn diese jedoch einerseits nicht gerade und andererseits nicht parallel und in Richtung der angelegten Kraftkomponente angeordnet sind, so ist die Kraft bzw. Last weitgehend durch das Einbettungsmaterial aufzunehmen, welches aufgrund seiner geringeren Stabilität und Zugfestigkeit leichter zu Bre η gehen kann. Aufgrund von Rissen und Bruchstellen wird die Last ungleichmäßig auf die Fasern übertragen, was ein

Reißen der die Last aufnehmenden Fasern aufgrund

einer Überlastung oder eines inneren Abriebs zur Folge haben kann. Dies wiederum führt schließlich zu einem

Bruch und zur Zerstörung des Gesamtbauteils. Die Stabilität und Zugfestigkeit von glasfaserver-

stärkten Kunststoffen ist aufgrund der kurzen Längen der Fasern normalerweiser gering. Es wurden bereits glasfaserverstärkte Schichtbaustoffe auf verwebten Vorgespinsten oder Gewebematerialien hergestellt, die jedoch ebenfalls bezüglich der Fasern selbst von vergleichsweise geringer Zugfestigkeit bzw. Stabilität sind, da die Glasfasern sinusförmig geführt sind und sich unter Spannung strecken, so daß die Zugspannung von den Fasern auf das Harzbindemittel übertragen wird

Die Verwendung von glasfaserverstärkten Kunststof-

fen, deren Fasern verdreht bzw. verzwirnt sind, führt zu einem Baustoff bzw. -teil mit erheblich verbesserter Stabilität bzw. Zugfestigkeit die einige hundert Prozent über derjenigen der zuvor besprochenen verstärkten Kunststoffe liegt Die Erhöhung der Zugfestigkeit ist in erster Linie darauf zurückzuführen, daß die Fasern unter Spannung verdreht werden und daher gerade und gewöhnlich parallel verlaufen, da die beim Verdrehen des Fadens verwendeten Materialien gerade Vorgespinstfasern sind.

Zur Herstellung der Endprodukte, z.B. Platten, Rohre, Winkelstücke, Rinnen und dergleichen aus faserverstärkten Kunststoffen können die verstärkenden Fasern auch unter Spannung auf eine Oberfläche aufgelegt werden, um alle Fasern pferallel zu halten.

Wenn jedoch Belastungen in mehr als einer Richtung aufgenommen werden müssen, so bedarf es eines Schichtbaustoffe«, aus übereinander angeordneten Lagen paralleler Fasern, welche nach der Richtung der angelegten Lasten orientiert sind.

Fortlaufende verstärkte Fasern werden gewöhnlich von Spulen oder ähnlichen Anordnungen zugeführt, auf denen sich die Faser »setzen« oder »marzellieren«, d. h. in Windungen oder Wellen legen, konnte. Daher erhält die Faser einen bleibenden schraubenlinienförmigen oder sinusförmigen Verlauf, Wenn auch eine Fasergruppe während des üblicherweise Verwendung findenden Harz-Beschichtens unter Spannung parallel gehalten wird, so bleiben die Fasern nur so lange gerade und parallel, wie die Spannung aufrecht erhalten wird. Es wurde bisher noch keine annehmbare Lösung dafür gefunden, die Fasern gerade und unter Spannung zu halten, wenn mehrere Faserlagen übereinander gelegt werden sollten, um eine hohe Stabilität in mehreren

Richtungen zu gewährleisten.

Man hat bereits versucht, ein Bindemittel in einem leicht flüchtigen Lösungsmittel zu verwenden, welches einen Restfilm aus teilweise ausgehärteten Harzen auf der Faser zurückläßt Nachteile ergaben sich jedoch daraus, daß einige der Faserstränge normalerweise mit einem kontinuierlichen Film des Harzbinders fiberzogen wurden, der verhinderte, daß das nachfolgend aufgetragene Harz-Einbettungsmaterial die Einzelfäden eines Vorgespinststrangs vollständig fiberzog bzw. benetzte. Der Harzbinder ist für gewöhnlich nicht genügend fest, um die Fasern während der Behandlung zusammenzuhalten und ein Trennen der Fasern zu verhindern. Außerdem ist es unzweckmäßig, eine Reihe von Lagen bzw. Schichten paralleler Fasern vollständig zu imprägnieren, da die Kapillarfluß verzögert wird. Der Versuch, diesem Problem durch die erneute Verflüssigung des Harzes zu begegnen, scheitert daran, daß die Fasern nach dem Nachlassen der Spannung ihre parallele Anordnung verlassen und in die zuvor eingeprägte wellen- bzw. sinusförmige Konfiguration zurückkehren.

Weiterhin ist aus der DE-Gm 17 63 587 ein Verfahren zum Herstellen von bahnförmigen Bauelementen mit parallelen Fasern bekannt, bei dem die Faserbahnen vor ihrer Weiterverarbettung zu faserverstärkten Bauteilen mit Hilfe eines Klebstoffes und eines quer verlaufenden Spinnfadens zusammengehalten werden. Auch hier sind aber die bereits vorstehend angesprochenen Probleme vorhanden, wobei hinzukommt, daß der quer gerichtete Spinnfaden bei der Weiterverarbeitung zu einem Bauteil aus mehreren Schichten i?x Gesamtdicke eventuell unerwünscht vergrößert

Der Erfindung liegt die Aufgabe nigrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem bahnförmige Bauelemente der eingangs genannten Art so hergestellt werden können, daß die parallele Lage der Fasern im Bauelement auch bei der Weiterverarbeitung des Bauelementes aufrechterhalten bleibt

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Bahn mit in geringem Abstand zueinander verlaufenden parallelen Fasern gespannt wird, dann als Bindemittel körnige Harzteilchen Ober die Bahn verteilt und diese zur Bildung einer Vielzahl von brückenartigen Klebeverbindungen zwischen den die Bahn bildenden Fasern bis fiber ihren Schmelzpunkt erwärmt werden, und daß die Harzbrücken vor dem Entspannen der Bahn verfestigt werden.

Vorzugsweise wird hierbei die aufgebrachte Menge an körnigem Harz so bemessen, daß Brückenverbindungen zwischen bis zu 50% benachbarter Faseroberflächen entstehen.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den großen Vorteil, daß sie zur Entstehung eines offenen und unter innerer Spannung stehenden gitterartigen Bauelemisntes aus parallelen Fasern führt, in welchem vorgefornite Durchlässe vorhanden sind, die dem nachfolgenden Fluß eines Füllstoffs dienen, wenn ein aus einer oder mehreren Lagen bestehendes, durch parallele Fasern verstärktes Endprodukt hergestellt werden soll. Die brückenartigen Klebeverbindungen verhindern ein Zerreißen der Parallelanordnung während der nachfolgenden Herstellung des Endproduktes. Das bisher bekannte und bemängelte Zurückbewegen der einzelnen Fasern in ihre wellige Form wird vermieden.

Obwohl in der Praxis die Erfindung auf die Herstellung von Brückenstrukturen aus irgendeinem beliebigen Fasermaterial anwendbar ist, sind die folgenden Erläuterungen insbesondere auf die Herstellung von Parallelfaser-Bauteilen aus Glasfasern abgestellt Eine Bahn aus geraden, parallelen Fasern wird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß man die zur Bildung einer Bahn der gewünschten Breite und Dicke erforderliche Anzahl von Spulen bzw. Haspeln aus Glasfasern auf einem Spannrahmen oder Aufsteckgatter anbringt, von dem einzelne Stränge zur Bildung Jer Bahn unter Spannung abgezogen werden. Diese Glasfaserfäden sind vorzugsweise mit einer sogenannten Schlichte überzogen, welche ein Schutzmittel für die Glasoberfläche und ein geeignetes Kupplungsagens zur Förderung der gegenseitigen Adhäsion zwischen dem Glas und dem zu verwendenden Harz-Einbettungsmaterial enthält

Der hier Verwendung findende Begriff »Harz« umfaßt sowohl anorganische als auch organische Stoffe, welche mit den Fasern verträglich sind und an ihnen haften, die außerdem bei Zimmertemperatur normalerweise fest sind und bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Fasern schmelzen.

Danach wird eine abgemessene Menge von körnigem Harzmaterial gleichmäßig über die Bahn aus geraden und parallelen Fasern verteilt Die Menge des zu verteilenden kömigen Harzmaterials ist nicht sehr kritisch, muß jedoch ausreichend sein, um die zur Erreichung des vorgesehenen baulichen Zusammenhalts unter den Fasergruppen erforderliche Anzahl von in gegenseitigem Abstand stehenden Kapiilarbrücken zwischen den Kontaktoberflächen der zylindrischen parallelen Fasern bilden zu können. Andererseits darf die Harzmenge nicht so groß sein, daß alle zylindrischen Kontaktflächen zwischen den Fasern benetzt bzw. imprägniert werden. Vorzugsweise sollte die Menge des kornförmigen Harzes so gewählt sein, daß die gegenseitigen Abstand habenden Kapillarbrücken zwischen etwa 50% oder weniger der zylindrischen Kontaktflächen der Fasern gebildet werden. Da die Harzteilchen nach der Erwärmung zwischen benachbarten Fasern fließen und im Idealfall wir sehr kleine Brücken bilden, ist die für die Gesamtfläche der Bahn erforderliche Harzmenge wesentlich geringer als die gesamte Kontaktfläche zwischen benachbarten zylindrischen Fasern, welche die Bahn bilden.

Die Aufbringung der Harzteilchen kann manuell, z. B. unter Verwendung eines Schattelgeräts, und mechanisch erfolgen, indem man z. B. eine Bahn durch eine Zone, in welcher der granulatförmige Harz unter Fließbettbedingungen gehalten wird, mit einer solchen Geschwindigkeit leitet, daß sich die gewünschte Menge an Harzteilchen auf der Bahn ansammeln kann. Auch ein elektrisches Verfahren zum Niederschlagen der Harzteilchen kann verwendet werden, da die Fasern normalerweise eine Oberflächenladung besitzen. Körnige Harzteilchen können auf der Oberfläche unter Neutralisation der Oberflächenladung abgelagert werden, indem man eine Vorrichtung, beispielsweise in Art eines Oxy-Dry-Sprflhers verwendet, der gewöhnlich zum Aufbringen von Stärketeilchen beim Offsetdrucken Verwendung findet

Die zu verteilenden Harzteilchen können warm-aushärtbar oder thermoplastisch sein und können aus gleichem, ähnlichen oder nicht-ähnlichen Material wie die zu verwendende Einbettungsmasse bzw. Matrix bestehen. Die Harzteilchen sollten jedoch ausreichend verträglich mit dem Einbettungsmaterial sein, damit eine Adhäsion am Brückenpunkt stattfindet

Zum Zwecke der Erläuterung, jedoch ohne die

Erfindung hierauf zu beschränken, werden die folgenden, im Rahmen der Erfindung verwendbaren thermoplastischen Harze genannt: Azetalharze; Acrylharze, wie Methacrylsäure-methyl-ester, Methacrylsäutemethyl-ester/Styrol-MischpoIymerisatejAmid-Polymerisate; Zellulose Harz; Äthylen-Polymerisate, wie Polyäthylen, Äthylen-vinylchlorid-Mischpolymerisate und Äthylen/Norbornen-Mischpolymerisate; Propylen-Poiymerisate, wie Polypropylen und Äthylen/Propylen-Mischpolymerisate; Polycarbonate; Polyäther; Polysulfone; Polyurethane; Styrol Polymerisate, wie Acrylnitril-Styrol-Butadien Komplexe; Vmyl-Polymerisate, wie Polyvinylchlorid, Polyvinylazetat und ähnliche Thermoplaste, wie sie üblicherweise als Einbettungsmaterial für faserverstärkte Teile Verwendung finden.

Ebenfalls nur beispielsweise werden als warmaushärter.de Polymerisate normalerweise feste, härtbare Epoxidharze genannt, wie solche auf der Basis von Bisphenol »A« und epoxidiertem Cyclopentadien; ferner Phenol-formaldehyd-Harze; Diallyl-phthalat-Harze; Melamin-formaldehyd-Harze; ^Dhenol furfural-Harze; Urethan-Harze und ähnliche wannaushärtende Harze, wie sie als Einbettungsmaterial in faserverstärkten Bauteilen Verwendung finden.

Die Bahn und die darauf aufgebrachten Harzteilchen werden sodann erhitzt, um die Harzteilchen zum Schmelzen zu bringen und Haftbrückenstellen zwischen zwei oder mehr benachbarten parallelen Fasern herzustellen. Die Brückenstellen werden sodann ausgehärtet, um das erfindungsgemäße parallele Fasernetzwerk zu schaffen.

Bei der Verwendung von thermoplastischen Harzen wird die Verfestigung durch einfaches Abkühlen der Harzbrücken vor dem Entspannen der Fasern erreicht Im Falle von warmaushärtenden Harzen werden die Brücken entsprechend dem verwendeten warmaushärtenden Material ausreichend lange ausgehärtet, damit die Querverbindungs-Reaktion, welche normalerweise warmaushärtendes Harz eigen ist, auftreten kann.

Sobald die Harzbrücken hergestellt und erhärtet sind wird die an den Fasern anliegende Spannung entfernt Bei einer kontinuierlichen Betriebsweise, bei der das aus parallelen Fasern bestehende Gitter- bzw. Netzwerk kontinuierlich hergestellt wird, kann die sich ergebende Bahn in beliebige Formen und Größen, je nach dem nachfolgenden Aufbau der faserverstärkten Bauteile zerschnitten werden. Das Verfahrensprodukt ist ein normalerweise flexibles Bauteil, in welchem die parallelen Fasern mit anderen Fasern verbunden sind, um einen Vorproduktstrang durch zufällige und intermittierende Bindungsbrücken zu bilden, welche den Zusammenschluß aufrecht erhalten und gleichzeitig den Zustrom von lüssigem Einbettungsharz in die Fadenzwischenräums gestatten. Die Harzbrücken verhindern eine seitliche Bewegung der Fäden infolge »Auswaschens« des füssigen Harzes in nachfolgenden Preß- und Form von längen und dienen dadurch der Herstellung eines verbesserten Laminats mit parallelen' Versiärkungselementen in jeder der verstärkenden Schichten bzw. Lagen.
Da nur ein kleiner Teil des Harzes tatsächlich zur

s Herstellung des Verbunds zwischen den parallelen Fasern verwendet wird, bleibt das sich ergebende Vorprodukt flexibel und kann in irgendeine beliebige Form gebracht werden. Um ein verstärktes Faserbauteil aus dem bahnförmigen Vorprodukt herzustellen, bedarf es nur eines Aufbaus einer beliebigen Zahl von Faserlaminaten bzw. -lagen auf einer Arbeitsfläche, wobei die Faseriagen nach den Richtungen der angenommenen oder vorgesehenen Kraftvektoren orientiert werden. Eine oder mehrere Matten können in einer Reihe, unter einem rechten Winkel oder unter irgendeinem Winkel zueinander angeordnet werden. Sobald die gewünschte Zahl von Matten auf der Arbeitsfläche angeordnet worden ist wird ein flüssiges Einbettungsharz aufgebracht und durch die Faserzwischenräume derart geleitet, daß es alle in der Gesamtanordnung enthaltene Fasern vollständig benetzt Danach wird die Gesamtanordnung vorzugsweise gepreßt und im Falle der Verwendung eines thermoplastischen Einbettungsmaterials abgekühlt oder bei Vorwendung eines warmaushärtenden Einbettungsmaterials einem Aushärtprozeß unterzogen. Obwohl das thermoplastische oder warmaushärtende Harz vorzugsweise gleich dem zur Herstellung der Brücken verwendeten Harz ist, ist diese Bedingung jedenfalls dann nicht erforderlich, wenn das resultierende Einbettungsmaterial mit den Harzbrücken bis zu einem gewissen Grad verträglich ist, damit keine Ausgangsstellen für Brüche gebildet werden.
So kann beispielsweise ein glasfaserverstärktes Rohr von außergewöhnlicher axialer Stabilität und Zugfestigkeit dadurch hergestellt werden, daß man eine längliche Bahn um einen Dorn rollt, wobei die Fasern in Axialrichtung verlaufen, und danach ein Sinbettungsharz aufbringt

Ein Rohr mit zueinander proportionalen axialen und radialen Zugfestigkeiten kann in ähnlicher Weise dadurch herstellt werden, daß man eine ziemlich dünne kontinuierliche Bahn unter einem entsprechenden Winkel zur Dornachse um einen Dorn wickelt und danach den Einbettungsharz aufträgt Selbstverständlich bestimmt der Wickelwinkel die relativen axialen und radialen Zugfestigkeiten bzw. Stabilitätseigenschaften des Rohrs.
Wenn auch das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise für glasfaserverstärkte Bauteile beschrieben wurde, ist ohne weiteres verständlich, daß auch die Herstellung von faserverstärkten Bauteilen aus anderen Materialien, z. B. aus keramischem Material, Metallen und Einkristallen durch die Erfindung gedeckt wird.

Die Erfindung bezieht sich fernes such auf andere Einbettungssysteme, z. B. keramische Stoffe, homcgene Metalle, Schaumstoffe und dergleichen.

Claims

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von bahnförmigen Bauelementen mit parallelen Fasern, die durch Bindemittel zusammengehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn mit in geringem Abstand zueinander verlaufenden parallelen Fasern gespannt wird; dann als Bindemittel körnige Harzteilchen über die Bahn verteilt und diese zur Bildung einer Vielzahl von brückenartigen Klebeverbindungen zwischen den die Bahn bildenden Fasern bis über ihren Schmelzpunkt erwärmt werden, und daß die Harzbrücken vor dem Entspannen der Bahn befestigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgebrachte Menge an körnigem Harz so bemessen wird, daß Brückenverbindungen zwischen bis zu 50% benachbarter Faseroberflächen entstehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasern Glasfasern verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel ein thermoplastisches Harz verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel ein warmaushärtendes Harz verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein warmaushärtendes Epoxidharz ist.

7. Verwendung der nach einem der Ansprüche 1 fcis 6 hergestellten Bauelemente als Verstärkungseinlage für faserverstärkte Bauteile.