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Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Formkör-
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pern und Profilen Formteile aus faserverstärkten Thermoplasten werden
üblicherweise hergestellt, indem in Thermoplastgranulate Fasern eingearbeitet werden
oder Gemische aus Thermoplastgranulaten oder -Pulvern und Fasern in der Hitze z.B.
auf Extrudern oder Spritzgußmaschinen verformt werden.
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Diese Verfahren gestatten nicht die Einarbeitung von langen Fasern
in die Thermoplastmatrix, z.B. von Geweben, und lassen aufgrund der Einarbeitungs-
und Verarbeitungsprobleme meist nicht mehr als 30 Gew.-% Verstärkungsfasern, z.B.
Glasfasern, zu.
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Tränkt man Gewebe aus Verstärkungsfasern mit Thermoplastmaterialien,
so erhält man starre Halbzeuge, die in Pressen heiß verformt werden können zu Formteilen
mit guten Eigenschaften. Auch bei diesen Prozessen ist wegen der erforderlichen
Gleichmäßigkeit der Imprägnierung die Menge an einzuarbeitendem Verstärkungsgewebe
limitiert.
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Die starren Halbzeuge sind jedoch aufgrund ihrer Starrheit oft unvorteilhaft
in der Handhabung und Verarbeitung.
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Bestreut man Gewebe mit Thermoplastpulvern, so hat man zwar ein flexibles
Halbzeug, das sich bequem in Formen o.ä. einlegen läßt, beim Heißverpressen sind
die Viskositäten und Fließwege der entstehenden Thermoplastschmelze jedoch so ungünstig,
daß die einzelnen Fasern der Gewebegarne nicht oder nur sehr unvollständig vom Thermoplast
umflossen bzw. umschlossen werden können, d.h.
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es resultieren Formteile mit unbefriedigenden mechanischen Eigenschaften.
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Glasfaserverstärkte Profile mit hohen Anteilen an Verstärkungsfasern
werden erhalten, wenn Faserstränge (Rovings) mit Reaktionsharzen, die in relativ
dünnflüssiger Form vorliegen, getränkt und dann durch beheizte Kalibrierstrecken
gezogen und so unter Verformung ausgehärtet werden. Derartige Profile sind jedoch
duroplastisch, d.h., sie sind vernetzt und können später in der Wärme nicht verformt
werden. Dieses Verfahren ist auf Reaktionsharze beschränkt und für den Einsatz von
vorgefertigten hochmolekularen thermoplastischen Polymerwerkstoffen nicht geeignet.
Es besteht jedoch ein Bedarf an verstärkungsfaserhaltigen Profilen aus Thermoplasten.
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Die vorliegende Erfindung führt zu im wesentlichen lunkerfreien Thermoplastformteilen
mit Verstärkungsfasergehalten bis über 70 Gew.-% (z.B. Glas) mit Fasern beliebiger
Länge, die weitgehend vom Thermoplast als homogener Matrix umschlossen werden. Sie
verwendet flexible textile Halbzeuge aus Gemischen von mindestens zwei Faserarten,
bei denen mindestens eine Faserart schmelzbar ist
und als Thermoplast
fungiert und mindestens eine Faserart beim Schmelzen der vorgenannten Faserart als
solche erhalten bleibt, wenn die textilen Halbzeuge unter Verformung heißverpreßt
werden.
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Als Faser wird im folgenden ein endloses oder begrenzt langes Monofil
bezeichnet, und als Garn die Zusammenfassung vieler Fasern zu einem Multifilament.
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Stapelfasern sind - wie üblich - kurz geschnittene Fasern.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten
Formkörpern aus thermoplastischem Material durch Heißverpressen von flexiblen textilen
Gebilden aus Gemischen von mindestens zwei Fasertypen, wobei mindestens eine Fasertype
unter Heißpreßbedingungen schmelzbar ist und als Thermplast fungiert und mindestens
eine andere Fasertype unter den vorgenannten Bedingungen als solche erhalten bleibt
und im Fertigteil als verstärkende Faser fungiert, ist dadurch gekennzeichnet, daß
man als textile Gebilde eine aus Fasern bzw. Garnen (.A.) aufgebaute Matrix mit
thermoplastischem Charakter verwendet, die unidirektional bzw. parallel ausgerichtet,
bzw.
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vor oder nach Aufschmelzen der thermoplastischen Anteile weitgehend
unidirektional bzw. parallel ausrichtbare, verstärkende Fasern bzw. Garne (.B.)
im Verbund enthält, wobei die Fasern bzw. Garne (.A.) ganz oder teilweise aus verstärkendem
Material bestehen, und das verstärkende Material (B) vor oder während des Schmelzens
zum Heißverpressen durch Recken unidirektional bzw. parallel ausgerichtet wird.
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Beim Recken wird bevorzugt eine Zugspannung in Richtung des geplanten
Fadenverlaufes von (.B.) ausgeübt.
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Von besonderem Interesse sind: entweder Fasern mit dem Charakter von
Bi- oder Mehrkomponenten, Fasern mit Stern-, Hantel- oder Kern-Mantelstruktur gemäß
Figur 1c, d, e neben den Normalstrukturen gemäß Figur 1 a, b, und/oder Garne bzw.
Faserbündel, Rovings mit Bi- oder Mehrkomponenten-Aufbau gemäß Fig. 1f, g, h, i,
k, wobei mindestens eine Komponente den thermoplastischen (--) und mindestens eine
Komponente den verstärkenden Anteil darstellt.
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Von besonderem Interesse sind: aus Fasern und/oder Garnen bzw. Faserbündeln,
Rovings aufgebaute textile Gebilde der prinzipiellen idealisierten Strukturen gemäß
Fig. 2 (1-10), wobei die Richtung der Zugspannung durch Pfeile in Vorzugsrichtung
angegeben ist.
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In einer besonderen Ausführungsform sind diese flexiblen textilen
Gebilde Bündel oder Stränge aus den beschriebenen Fasern bzw. Garnen.
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Thermoplast sind hier alle Werkstoffe, die sich reversibel oder intermediär
thermoplastisch verarbeiten lassen, beispielsweise Metalle und deren Legierungen,
Gläser und insbesondere organische Werkstoffe. Bei den organischen Werkstoffen handelt
es sich vor allem um gegebenenfalls Lösungsmittel enthaltende, vorzugsweise aber
lösungsmittelfreie
bekannte organische thermoplastische Formmassen. Es kann sich aber auch um thermoplastische
Reaktivsysteme, d.h. um Duroplasten handeln, die beim Erhitzen eine thermoplastische
Phase durchlaufen und dann unter Molekülvergrößerung oder Vernetzung ihren Thermoplastcharakter
irreversibel verlieren. Beispiele hierfür sind Polymerisate, insbesondere Vinylpolymerisate,
z.B.
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Polyolefine, Polyvinylester, Polyvinylether, Polyacryl-und -methacrylate,
Polyvinylaromaten, Polyvinylhalogenide, sowie die verschiedensten Copolymeren, Block-,
Pfropf-, Liquid-crystal-, Mischpolymere oder Polymergemische.
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Spezielle Vertreter sind: Polyethylene, Polypropylene, Polybutene,
Polypentene, Polyvinylchloridtypen, Polymethylmethacrylate, Poly (meth)acrylnitriltypen,
gegebenenfalls modifizierte Polystyrole oder Mehrphasenkunststoffe wie ABS. Ferner
Polyadditions-, Polykondensations-, Polyoxidations- oder Cyclisierungspolymere,
LC-Polymere, wie Polyamide, Polyurethane, Polyharnstoffe, Polyimide, Polyester,
Polyether, Polyhydantoine, Polyphenyloxide, Polyphenylensulfide, Polysulfone, Polycarbonate,
sowie deren Mischformen, deren Mischungen und Kombinationen mit anderen Polymeren
oder Polymervorstufen, beispielsweise Polyamid-6; Polyamid-6,6; Polyethylentherephthalate,
Bisphenol-A-Polycarbonat, usw. oder als intermediär thermoplastische Werkstoffe,
die zumeist als Vorstufen zu höher polymeren Strukturen anzusehen sind:
Phenolharzvorläufer,
Furanharzvorläufer, Melaminharze, Epoxidverbindungen, Verbindungen mit polymerisationsfähigen
Doppelbindungen bzw. additionsfähigen Doppelbindungen, Polyimidvorläufer, höhermolekulare
Polyisocyanate oder auch Kombinationen aus reaktionsfähigem Polymer und bei angemessen
hohen Temperaturen reaktionsfähigem Vernetzer, z.B. OH-, NH- oder COOH-Gruppen enthaltende
Polymere und Vernetzer mit Methylolgruppen.
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Es können die genannten Polymeren jedoch auch als Verstärkungsfasermaterial
dienen, wenn sie mit tiefer schmelzenden Fasern verarbeitet werden, die erfindungsgemäß
als thermoplastische Anteile fungieren.
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Als flexible textile Gebilde werden z.B. verstanden Rovings, Faserstränge,
Fasergarne, Gewirke, Gelege, Gestricke, Geflechte, Gewebe, Vliese aus Fasern oder
Garnen, die noch eine Flexibilität besitzen, so daß sie zumindest aufgerollt oder
-ohne zu brechen - gebogen werden können, vorzugsweise haben solche Gebilde, z.B.
in Form von Strängen, Bändern, Schläuchen, Flächengebilden, jedoch einen normalen,
wenig steifen textilen Charakter.
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Die textilen, flexiblen Gebilde sollen aus Gemischen von mindestens
zwei Fasertypen bestehen.
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Hierbei ist es erfindungsgemäß auch möglich, Mehrkomponentenfasern
zu verwenden, z.B. zwei Fasertypen in einer Faser zu vereinen, indem man eine Bifilarfaser
oder- Kern-
Mantelfaser verwendet; bei einer Kern-Mantelfaser ist
der Thermoplast bevorzugt als Fasermantel angeordnet. Gewöhnlich sind die verschiedenen
Fasertypen aber getrennt.
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Hierbei ist es möglich, die verschiedenen Fasertypen im Gemisch miteinander
zu verarbeiten, wobei ein möglichst gleichförmiges Gemisch möglichst parallel liegender
Fasern verschiedenen Typs anzustreben ist, es ist aber auch möglich, im textilen
Gebilde Garne aus verschiedenen Fasertypen, z.B. Stapelfasern oder Endlosfasern,
im möglichst gleichförmigen Gemisch zu verarbeiten, es können auch z.B. in einem
Gewebe Kette und Schuß aus den verschiedenen Fasertypen bestehen.
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Die statistische Mischung möglichst parallel liegender Fasern verschiedenen
Typs ist für endlose Fasern oder Langfasern durch Zusammenführen der verschiedenen
Fasertypen, durch gemeinsames Verspinnen mit nebeneinanderliegenden Spinndüsen oder
durch simultanes Einspeisen in die üblichen textilen Verarbeitungsprozesse leicht
erreichbar, bei Kurzfasern oder der Herstellung von Sandwichstrukturen können die
verschiedenen Fasertypen z.B.
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durch elektrostatische Flockungsverfahren und späteres gerichtetes
gleichförmiges Umlegen des Faserflors z.B.
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auf beheizten Walzen gemischt werden.
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Die Kombination von Fasern mit verschiedenen Schmelzpunkten zur Erzeugung
von thermoplastisch verformbaren Halbzeugen ist prinzipiell seit längerem bekannt,
z.B.
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zur Verfestigung von Vliesen mittels eingearbeiteter thermoplastischer
Schmelzklebefasern oder auch zur Verfestigung von Fasersträngen aus nicht schmelzenden
Fasern durch senkrecht dazu in Abständen geführte thermoplastische Verklebungsfasern.
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Im allgemeinen handelt es sich hier jedoch um textile Konstruktionen,
die nicht direkt zur Erzeugung von faserverstärkten Thermoplastformteilen dienen
können, sondern zuvor mit Reaktionsharzen oder Thermoplastplatten kaschiert oder
ausgerüstet werden müssen. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, solche mit Harzen
ausgerüstete Gewebe thermoplastisch zu Formteilen zu verpressen, deren Kette und
deren Schuß aus verschiedenen Fasertypen mit um mindestens 200C verschiedenen Schmelzpunkten
bestehen, oder Vliese aus solchen Fasergemischen thermoplastisch zu verarbeiten.
Die vorliegende Erfindung benutzt dagegen Gemische im wesentlichen parallel liegender
Verstärkungsfasertypen, die durch Recken verdichtet und unidirektional gerichtet
sind und die ohne weiteren Harzzusatz verarbeitet werden können.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Gestricke
und deren Varianten, in denen die mindestens zwei Typen von Fasern bzw. Garnen in
einem Gemisch der schematisiert in den Fällen a bis h dargestellten Anordnung vorliegen.
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Es sind abe auch durch Aufsteppen, Aufnähen, Einweben, Einziehen oder
durch andere Techniken zugängliche Konstruktionen mit Fasern bzw. Garnen A bzw.
B in Betracht zu ziehen, von denen einige beispielhaft gemäß 1 bis 19 (Seite 4)
dargestellt sind.
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Neben den gezeigten Anordnungen sind auch deren Kombinationen in Betracht
zu ziehen, oder auch Stränge, Faser-oder Stapelgarne aus Bifilar- oder Kern/Mantelfasern.
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Bei Halbzeug, das in Form von Fasersträngen vorliegt, sind die Anordnungen
f bis h von besonderem Interesse.
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Selbstverständlich sind auch Mehrfache und Kombinationen der gezeigten
Anordnungen möglich, z.B. mehr als nur je eine Faser oder ein Faserbündel (Garn)
je eines Fasertpys in den Fällen a bis h.
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Die textilen Gebilde sollen aus mindestens zwei Fasertypen aufgebaut
sein, wobei mindestens eine als Thermoplast fungiert und mindestens eine andere
als solche erhalten bleibt, während die erstere Fasertype beim Heißpreßvorgang in
die umgebende Matrix überführt wird.
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Die Fasern können geschlichtet oder ungeschlichtet sein.
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Zumeist werden geschlichtete Fasern verwendet, wobei es von Vorteil
sein kann, bei den nicht schmelzenden Fasern Schlichten zu verwenden, die auf den
jeweiligen Thermoplasttyp optimiert sind. Solche Schlichtetypen z.B. für Glasfasern
sind bekannt.
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Es können auch oberflächlich oxydierte, metallisierte oder
anderweitig
veränderte Fasern in Betracht gezogen werden.
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Das Gewichtsverhältnis von thermoplastischen zu anderen Fasertypen
kann innerhalb des als Halbzeug dienenden textilen Gebildes schwanken, z.B., um
an bestimmten geometrischen Bezirken des angestrebten Formteils spezielle Verstärkungseffekte
zu erzielen; üblicherweise ist das textile Gebilde jedoch gleichmäßig aufgebaut,
was die flächig-durchschnittliche Faserzusammensetzung angeht. Natürlich kann z.B.
durch Einweben oder Aufsticken oder Einstricken spezieller Muster oder Geometrien
in das textile Gebilde dessen Gesamtcharakter speziellen Erfordernissen in Bezug
auf die Verarbeitbarkeit oder die Eigenschaften der daraus herzustellenden Formkörper
angepaßt werden.
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Das Gewichtsverhältnis der Fasertypen kann prinzipiell beliebig gewählt
werden. Die beste Formteilfestigkeit wird erhalten, wenn der nicht thermoplastisch
verformende Faseranteil 10 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 85 Gew.-%, insbesondere
60 bis 80 Gew.-% ist.
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Der thermoplastische Fasertyp kann aus den oben beschriebenen thermoplastischen
Werkstoffen bestehen. Bevorzugt sind die Durchmesser und Längen der thermoplastischen
Faseranteile etwa den Durchmessern und Längen der nicht als Thermoplast fungierenden
Faseranteile gleich.
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Als nicht als Thermoplast fungierende Fasern werden solche verstanden,
die unter den für die thermoplastischen
Faseranteile geeigneten
Heißpreßbedingungen noch nicht schmelzen bzw. thermoplastisch verformt werden, d.h.
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als solche erhalten bleiben. Es ist durchaus möglich, daß solche Fasern,
etwa Glasfasern, bei höheren Temperaturen ebenfalls als Thermoplast wirken könnten.
Außer Glasfasern sind hier beispielsweise sonstige anorganische und organische Fasern
geeignet, wie etwa Kohlenstofffasern, Fasern aus verschiedensten Metallen und Metalllegierungen,
etwa aus Stahl, Messing, Kupfer, Aluminium, aus verschiedensten Metallnitriden oder
-carbiden, Metalloxidfasern, etwa Al-Oxidfasern, Silikatfasern, z.B.
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Kaolinfasern, Ca-Silikatfasern, Ca-Sulfatfasern, Fasern aus verschiedensten
Gläsern, Fasern aus organischen Polymeren, etwa Polyacrylnitrilfasern, Polyester-,
Polyamidfasern, Polyimidfasern, wie sie z.B. unter den Handelsnamen Dralon, Trevira,
Perlon, Kevlar bekannt geworden sind.
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Die erfindungsgemäß zusammengesetzten flexiblen textilen Gebilde sind
besonders gut handhabbar. Sie können gerollt, gewickelt, geknickt aufbewahrt werden
und gegebenenfalls durch den Herstellungsprozeß des textilen Gebildes speziell strukturiert
und den Erfordernissen des Formteils speziell angepaßt sein.
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Sie lassen sich demgemäß auch z.B. kontinuierlich von der Rolle verarbeiten
oder auch gegebenenfalls direkt vor Ort.
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Zweckmäßigerweise werden die als Halbzeug dienenden textilen Gebilde
vor dem Verarbeiten möglichst gut getrocknet. Die Verarbeitung geschieht durch Heißpressen,
gegebenenfalls unter Anlegen eines Vakuums oder auch Hochvakuums oder unter Schutzgas
nach dem Fachmann geläufigen Methoden.
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Bei der Verarbeitung soll erfindungsgemäß das textile Gebilde, vorzugsweise
in Richtung des Fadenlaufes von (B) (vgl. Seite 4) gereckt werden, um eine Unidirektionalisierung
und weitgehende Parallelisierung der Fasern von (B) herbeizuführen.
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Das kann bei textilen Gebilden, die z.B. eine einfache Maschenstruktur
(gegebenenfalls nur in ausgewählten Bereichen) besitzen, bereits weitgehend vor
dem Schmelzprozeß oder auch während des Schmelzprozesses und vor oder gegebenenfalls
während des Preßvorgangs erfolgen.
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Vorzugsweise wird mit einer Vorspannung gearbeitet und während der
Erhitzung weiter unter Spannung bei gleichzeitiger Elongation und mit wachsendem
Preßdruck gearbeitet.
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Das ist in den einfachsten Fällen immer dann gewährleistet, wenn das
textile Gebilde z.B. in Form eines Stranges durch konische Düsen, die Temperaturen
zwischen 80 und 6000C, vorzugsweise 80 - 3800C aufweisen, gezogen oder auch durch
Walzenpaare mit entsprechender Beheizung gezogen werden kann. Auf diesem Wege lassen
sich gegebenenfalls stufenweise bzw. mehrstufig hochverstärkte Stränge und Bänder
herstellen.
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Im Falle des Tiefziehens flächiger textiler Gebilde der erfindungsgemäßen
Art erfolgt die Reckung zumindest partiell während des Tiefziehprozesses und des
zumeist damit kombinierten Heißverpressens im angegebenen Temperaturbereich.
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Die Preßdrucke können zwischen 0,5 und über 200 bar liegen, sie richten
sich, wie auch die Preßtemperaturen von ca. 80 bis über 380°C, vorzugsweise 1500-3000C,
nach den Erfordernissen des Fasermaterials, der Konstruktion des textilen Gebildes
und der Form für das Formteil und können von Fall zu Fall leicht durch Vorversuche
ermittelt werden.
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Der Verformungsprozeß kann auch in mehreren Druck- und/ oder Temperaturstufen
vorgenommen werden, z.B., um zunächst eine Vorverfestigung des ursprünglich flexiblen
Halbzeuges zu erzielen und später die endgültige Verformung anzuschließen. Auch
partielle Heißpreßmaßnahmen zur Modifizierung des ursprünglichen textilen Halbzeuges
sind möglich, z.B. die partielle Verfestigung oder Verschweißung an speziellen geometrischen
Orten des Halbzeuges.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß auch solche thermoplastischen Materialien zu faserverstärkten Formteilen verarbeitet
werden können, die besonders hochviskose Schmelzen ergeben und daher unter konventionellen
Verarbeitungsbedingungen ein schlechtes Fließverhalten zeigen. Durch die im vorfabrizierten
Halbzeug, z.B. einem Gestrick,
vorgegebene räumliche Nähe der beiden
Faseranteile ist im letzten Verarbeitungsschritt zum Fertigteil nur ein sehr kurzer
Fließweg von der thermoplastischen Komponente zu erbringen.
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Auch ist es auf die erfindungsgemäße Verfahrensweise besonders einfach,
Formteile aus kombinierten Verstärkungsfasern wie z.B. Glas/Kohlenstoff oder Glas/Aramide
etc.
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herzustellen, deren gleichzeitige Einarbeitung in thermoplastische
Granulate für den Spritzguß in Mengen größer 20 % außerordentlich schwierig, wenn
nicht unmöglich ist.
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Arbeitet man mit textilen flexiblen Faserbündeln, dann kann man Profile
und Formkörper durch Ziehen (kontinuierlich oder intermittierend) durch beheizbare
Düsen oder Düsenkaskaden mit gegebenenfalls unterschiedlichen Geometrien oder Temperaturen
bzw. Drücken bzw. Geschwindigkeiten oder in Zugrichtung geöffnete Formen oder beheizte
(Metall)Tauchbäder unter Verformung herstellen.
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Auch das Verformen auf beheizbaren Rollenpaaren, Walzenstühlen oder
in Walzen spalten oder auch ohne direkte Berührung mit Formoberflächen, z.B. durch
Ausübung eines Zuges auf den Faserstrang oder durch Umwickelung eines Stranges,
z.B. auch mit thermisch schrumpffähigen Fäden, und gleichzeitiges oder vorheriges
oder nachheriges Beheizen, gegebenenfalls unter Schutzgas, kommt hier in Betracht.
Die Umwickelung kann auch mit Metall- oder Mineral-bzw. Glasfasern erfolgen, die
Beheizung durch Wärmeleitung, Heizgas, Wärmestrahlung, Hochfrequenz, Ultraschall,
Mikrowellen oder sonstige Verfahren.
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Die Verwendung von Antihaftbeschichtungen oder Gleitmitteln auf der
Verformungsstrecke ist in Betracht zu ziehen, z.B. Fluorpolymere, Wachse, Fette,
Silikonöle usw.
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Vorzugsweise erfolgt das Heißverpressen von textilen Schläuchen, Bändern,
Streifen oder der Faserbündel unter Zugspannung kontinuierlich zwischen beheizbaren
Profilrollen oder mittels beheizbarer Düsen bzw. Düsenstrecken. Auf diese Weise
lassen sich besonders leicht vorzugsweise unidirektional verstärkte endlose Profile,
z.B. Rundstäbe, Stäbe mit rechteckigen, dreieckigen, T-förmigen, U-förmigen, Z-förmigen
oder O-förmigen Querschnitten, z.B. Rohre herstellen. Insbesondere unidirektional
faserverstärkte Thermoplastprofile sind so herstellbar, die aufgrund des hohen,
mit diesem Verfahren erreichbaren Verstärkungsfasergehalt hervorragende Zugfestigkeiten
der Längsrichtung besitzen.
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Durch Umwickeln von Gegenständen unter Zugspannung und bei Aufschmelzbedingungen
(z.B. gegebenenfalls IR-Strahlung) mittels erfindungsgemäß aufgebauten textilen
Binden oder Bändern, Schläuchen, Faserbündeln, lassen sich diese Gegenstände mit
einer mechanisch hoch leistungsfähigen Oberflächenschicht versehen.
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Die erfindungsgemäßen Halbzeuge sollen prinzipiell Bündel oder Scharen
von möglichst parallel liegenden oder durch Zug vor dem oder während des Aufschmelzpro-
zesses
parallelisierbaren Verstärkungsfasern darstellen.
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Es ist aber auch daran zu denken, daß diese Faseranordnung durch nicht
parallel liegende Fasern fixiert werden kann, z.B. durch Umwickelung oder Vernadelung
von Faserbündeln oder indem Faserbündel durch Schußfäden oder Verflechtungen oder
Verschweißungen, Verklebungen fixiert sind. Es ist ebenfalls in Betracht zu ziehen,
daß anstelle oder zusammen mit Faserbündeln auch Bändchen aus Fasern verwendet werden
können. Diese können ihrerseits wieder Gewirke, Gelege, Geflechte, Gestricke, Gewebe
oder Vliese aus Fasern, Garnen oder Bändchen sein. Es kann auch an eine Fixierung
der Fasern innerhalb der Faserbündel durch eine partielle oder durchgehende, mehr
oder weniger lockere Verklebung durch verschiedenste Bindemittel gedacht werden.
Oftmals kann jedoch ohne derartige Fixierungshilfen gearbeitet werden, es reicht
dann die natürliche Parallellage der Fasern in der unidirektional angeordneten Faserschar
aus.
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Es können auch Stränge verschiedener Fasertypen in gegebenenfalls
speziellen Geometrien zu einem Halbzeug vereinigt sein, so daß z.B. Profile erhältlich
sind, die in einzelnen Bereichen mit Glasfasern, in anderen Bereichen mit C-Fasern
verstärkt sind.
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Die flexiblen Halbzeuge sollen aus mindestens zwei Fasertypen bestehen.
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Hierbei ist als ein Sonderfall in Betracht zu ziehen, daß es erfindungsgemäß
auch möglich ist, zwei Fasertypen in einer Faser zu vereinen, indem man eine Bifilarfaser
oder Kern-Mantelfaser verwendet, im erfindungsgemäßen Fall ist bei einer Kern-Mantelfaser
der Themoplast bevorzugt als Fasermantel angeordnet. Ublicherweise sind die mindestens
zwei Fasertypen jedoch als getrennte Individuen im Gemisch in einer Art Roving enthalten.
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Hierbei ist es möglich, die verschiedenen Fasertypen vor- -zugsweise
als solche im Gemisch miteinander zu verarbeiten, wobei ein möglichst gleichförmiges
Gemisch möglichst parallel liegender Fasern verschiedenen Typs anzustreben ist.
Es ist aber auch möglich, im textilen Gebilde Garne aus verschiedenen Fasertypen,
z.B. Stapelfasern oder Endlosfasern, im möglichst gleichförmigen Gemisch zu verarbeiten.
Es kann auch in Betracht gezogen werden, z.B.
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in einem Gewebeband Kette und Schuß aus den verschiedenen Fasertypen
zu verwenden.
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Die statistisch möglichst gute Mischung möglichst parallel liegender
Fasern verschiedenen Typs ist für endlose Fasern oder Langfasern durch Zusammenführen
der verschiedenen Fasertypen durch simultanes Einspeisen in die üblichen textilen
Verarbeitungsprozesse in dem Fachmann geläufiger Weise leicht möglich.
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Eine prototypische Darstellung verschiedener Ausführungsformen ist
beispielhaft auf Seite 4 dieses Textes gegeben.
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Die Verfahrensprodukte lassen sich z.B. verwenden zur Herstellung
von Verankerungs- und Federelementen, Abspannvorrichtungen, Aufhängevorrichtungen,
Zugaufnahmeelementen in Mänteln oder Seelen von Elektro-, Mikrowellen- oder Lichtleitkabeln,
als Zug- oder Schiebewellen zum Einführen in Leerrohre, als Verstärkungselemente
in Kunststoffen, organischen und anorganischen Betonen, Erden und Mörteln, als Nägel
und Schrauben, Splinte, Rohre und Stäbe, als Platten-, Gehäuse-, Behälter- und Karosseriewerkstoff,
als verschweißbares Konstruktionsmaterial oder thermisch verformbares hochverstärktes
Kunststoffhalbzeug mit linearer, flächiger oder räumlicher Ausbildung.
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In den folgenden Beispielen sind Teile immer Gewichtsteile und Prozente
immer Gewichtsprozente, sofern nichts anderes vermerkt ist.
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Die folgenden Beispiele sind mit polyamidverträglichen (geschlichteten)
Glasfasern (etwa 25 ßm ~) und Polyamid ausgeführt. Das Polyamid ist eine Perlonfaser
(etwa 20 Am ~) und stellt den Thermoplasten dar. An die Stelle der Glasfasern können
auch Kohlenstoff- oder Polyaramid-oder Metallfasern treten, und an die Stelle von
Perlon auch aromatische Polycarbonate, Polystyrol, Polypropylen oder Polyethylenterephthalat.
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Beispiel 1 Durch Zusammenführen von (Monofilen) Fasern im Gewichtsverhältnis
72 (Glas) zu 28 (Perlon) wird eine Art Garn (Roving) hergestellt, das in schwach
gezwirnter und ungezwirnter Form aufgespult wird.
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Aus dem ungezwirnten Material und aus dem schwach gezwirnten Material
wird je ein Strickteil (A und B) mit einem m2 -Gewicht von ca. 1 100 g hergestellt.
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Weiterhin wird aus einem Glasfaserroving und einem Polyamid-Roving
im Gewichtsverhältnis 60 % Glas zu 40 % Polyamid ein gleichartiges Strickteil (C)
hergestellt, bei dem jedoch jeweils sich eine Maschenreihe Glas und eine Maschenreihe
Polyamid abwechseln.
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Alle Strickteile sind voll textil flexibel und lassen sich aufwickeln,
vernähen, thermisch verschweißen und falten.
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Die Strickteile stellen 5 cm breite Bänder dar, der Fadenlauf (d.h.
im Rahmen des vorliegenden Gesamttextes die Richtung, in der der Faden durch das
textile Teil läuft, ohne Rücksicht auf Umlenkungen örtlicher Art, z.B.
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durch die Maschenstruktur) liegt parallel zur Längsachse des Bandes.
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Dieses Band wird über Silikagel getrocknet und mittels einer Zugvorrichtung
unter einer konstanten Zugspannung
von 9 N durch ein Metallbad
von 2500C gezogen, wobei eine Elongation um ca. 300 8 erfolgt und gleichzeitig eine
Verminderung der Breite auf ca. 20 %.
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Der entstandene Strang verläßt das Metallbad durch eine konische Schlitzdüse
mit einem zur anschließenden Luft-Kühlstrecke geöffneten Querschnitt von 2 mm x
10 mm.
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Man erhält ein nahezu unidirektional verstärktes Polyamidbandprofil,
das sich bei 1800C bleibend verformen läßt und hohe Steifigkeit besitzt.
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Eine optische Untersuchung läßt erkennen, daß bei dem aus dem Strickteil
A hergestellten Profil eine schwache Wellenlinie der Verstärkungsfasern in Fadenlaufrichtung
resultiert, und daß die einzelnen Stränge der Verstärkungsfasern sich durchdringen.
Die Abweichung von einer streng unidirektionalen Anordnung der Verstärkungsfasern
ist jedoch nur gering.
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Ein nahezu gleichartiges Bild bietet auch das Profil aus dem Strickteil
B. Beim aus dem Strickteil C hergestellten Profil zeigt sich eine strenge, sich
nicht durchdringende Parallellage der Verstärkungsfasern mit nur sehr geringer Wellung
in Zugrichtung des Profiles.
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Es werden bei den Profilen aus A, B und C die folgenden Zugfestigkeiten
in Richtung der Profilachse gemessen:
A 1 200 Nimm2 B 1 055 N/mm2
C 910 N/mm2 Die bei idealerem Aufbau geringere Zugfestigkeit bei C erklärt sich
aus dem geringeren Glasanteil in dieser Probe.
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Beispiel 2 Auf ein 5 cm breites Polyamidband wird durch einen Zick-Zack-Stich
ein Glasfasergarn in mehreren Reihen, die sich überlappen, in Achsrichtung des Bandes
beidseitig auf gebracht, so daß das entstehende textile Gebilde (Band) die Strukturelemente
12 von Seite 4 in sich wiederholender Folge repräsentiert. Im resultierenden Band
sind die Gewichtsverhältnisse von Polyamidanteil zu Glasanteil 40 zu 60.
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Dieses Band wird auf der bei Beispiel 1 beschriebenen Apparatur unter
gleichen Bedingungen durch die beheizte Ziehstrecke gezogen. Man erhält ein Bandprofil
mit einer Festigkeit von 855 Nimm , in dem die Glasfäden nahezu parallel liegen.
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Beispiel 3 Ein durch Kombination von Bisphenol-A-Polycarbonatfasern
(endloses Filamentgarn, ca. 10 dtex) und E-Glasfasern (endlos) hergestelltes Faserbündel
(sog. Kombinationsroving) im Verhältnis 20:80 wird unter geringer Zugspannung
so
durch eine geheizte Düse ( > 2000C) gezogen, daß die Polycarbonat fasern schmelzen
und unter der formgebenden Kraft der Düse zwischen die E-Glasfasern dringen. (Die
Düse kann auch in ihrem Innern unter Vakuum - >1 Torr -stehen.) Unmittelbar hinter
der geheizten Düse wird das so gebildete verstärkte Thermoplastprofil mit einer
geeigneten Vorrichtung, wie sie Stand der Technik ist, mehr oder weniger eng mit
einem organischen oder anorganischen Fasermaterial umwunden, um die Querdruckfestigkeit
des entstehenden Profils zu erhöhen.
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Ein so hergestelltes 3-mm-Rundprofil hat eine Zugfestig-2 keit von
ca. 1600 N/mm2 und eine Bruchkraft von ca.
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8000 N.
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Beispiel 4 Nach einer Beispiel 3 analogen Verfahrensweise kann statt
eines gemischten Rovings auch ein Roving aus Kern/ Mantel-Fasern (Mantel Polycarbonat
oder auch andere Thermoplaste, Kern E-Glas oder auch S-Glas) verwendet werden. Man
erhält bei Verwendung von Bisphenol-A-Polycarbonat und E-Glas ein gleichartiges
Profil mit den in Beispiel 3 genannten Eigenschaften.
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