-
Die Erfindung betrifft die Herstellung von faserverstärkten
Kunststoffen, und insbesondere betrifft sie ein neues
Verfahren der Harzimprägnierung bei der Herstellung eines
tafelartigen Materials, bestehend aus einer plattenartigen
Verstärkungsfaser und einem Harz als Matrix.
Als eine Form von faserverstärktem Kunststoff (nachfolgend
als FRP bezeichnet) oder eines Zwischenmaterials zum Erhalt
von FRP existiert eine Struktur, die aus einer
plattenartigen Verstärkungsfaser imprägniert mit Harz
besteht.
-
Das Zwischenmaterial ist im allgemeinen als Prepreg bekannt,
und die vorliegende Erfindung bezieht sich in der Hauptsache
auf ein Verfahren zur Harzimprägnierung bei der Produktion
des Prepreg.
-
Die Imprägnierung von Harz auf diesem Gebiet besteht darin,
eine Faserschicht mit einem durch ein Lösungsmittel oder
durch Erwärmung verflüssigtes Harz zu imprägnieren, ohne
Rücksicht darauf, ob das Harz ein wärmehärtbares oder ein
thermoplastisches Harz ist. Ein repräsentatives
Harzimprägnierungsverfahren, das gegenwärtig am bekanntesten
ist, ist das Heißschmelzverfahren, das eine Verflüssigung
des Harzes durch Erhitzen erlaubt.
-
Die NL-A-6612990 offenbart ein Verfahren zur Imprägnierung
von Matten aus Glasseide mit einer Harzschicht unter
Verwendung von Druckwalzen. Die genannten Walzen haben eine
aufgerauhte Oberfläche, um zu vermeiden, daß ein Unterschied
bei der Geschwindigkeit zwischen der Matte und der
Abdeckfolie auftritt, wodurch die Abdeckfolie in die
Glasseidenmatte ohne Beschädigung der Folie eingedrückt
werden kann.
-
Speziell wird, wie in der dazugehörigen Fig. 8 gezeigt, ein
plattenartiges Material (26) aus Verstärkungsfaser auf einen
Harzfilm (25), bestehend aus einem Trennpapier (24)
gleichmäßig überzogen mit Harz, laminiert, das Harz wird in
das plattenartige Material durch die Heizwalze (27) und die
Druckwalze (28) imprägniert, um ein mit Harz imprägniertes
Prepreg (29) zu erhalten. Über Vorrichtungen zur Herstellung
von Prepregs mittels eines solchen Imprägnierungsverfahrens
wurde zum Beispiel berichtet durch California Graphite
Machines, Inc. (Oranze, CA) und Caratseh AG (Schweiz).
-
Diese Imprägnierungsverfahren werden als
Druckwalzenverfahren bezeichnet, und das Grundproblem dieses
Verfahrens besteht darin, daß ein Ausquetschen des Harzes
durch die Druckwalze eintritt, wenn die
Fördergeschwindigkeit des plattenartigen Materials (26) zur
Steigerung der Produktivität erhöht wird. Das heißt, es
tritt die Erscheinung auf, daß das durch die Heizwalze (27)
in Fig. 8 verflüssigte Harz schon herausgequetscht wird
bevor die Walzen [auf der linken Seite des
Niederhaltepunktes der Walzen (27) und (28) in Fig. 8] es
durch Druck über die Druckwalze (28) in die Faserschicht des
plattenartigen Materials (26) imprägnieren.
-
Diese Erscheinung wird noch deutlicher sichtbar, wenn der
Durchmesser der Fasern, die das mit Harz zu imprägnierende
plattenartige Material (26) bilden, kleiner ist; die
Richtung der Fasern mit der Förderrichtung des
plattenartigen Materials übereinstimmt; die Dicke der
Faserschicht größer ist; oder die Viskosität des Harzes
höher ist.
-
Wenn daher mit dem üblichen Walzenimprägnierungsverfahren
gearbeitet wird, wird die Viskosität des Harzes so gering
wie möglich gehalten, und das Harz wird allmählich in die
Faserschicht durch die Druckwalze imprägniert. Damit wird
die Produktionsgeschwindigkeit des Prepreg durch die
Imprägniergeschwindigkeit des Harzes in die Faserschicht des
plattenartigen Materials bestimmt, und darin besteht das
Problem des üblichen Walzenimprägnierungsverfahrens.
-
Weiterhin ist es für das übliche
Walzenimprägnierungsverfahren erforderlich, den Zustand
einer geringen Viskosität für einen langen Zeitraum zu
halten, und insbesondere sollte bei der Herstellung eines
Prepreg unter Verwendung eines hitzehärtbaren Harzes als
Matrix Vorsicht geboten sein beim Fortgang der
Härtungsreaktion, und dies ist ein Faktor zur Beschränkung
der Harzzusammensetzung.
Zusammenfassung der Erfindung
-
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der
Bereitstellung eines Walzenimprägnierungsverfahrens, das die
Grundprobleme des üblichen Walzenimprägnierungsverfahrens
löst, insbesondere die geringe Imprägnierungsgeschwindigkeit
des Harzes in die Faserschicht und das Herausquetschen des
Harzes, das bei Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeit
auftritt, sowie verschiedene andere Probleme, die durch
Erhitzen über einen längeren Zeitraum auftreten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Fig. 1 zeigt zeichnerisch das Imprägnierungsverfahren, das
eine Druckwalze verwendet mit einem speziell gefurchten
Muster nach der vorliegenden Erfindung.
-
Fig. 2 bis 4 sind Draufsichten und Schnittansichten der
speziellen Muster, die in der vorliegenden Erfindung
verwendet werden.
-
Fig. 5 zeigt zeichnerisch das Imprägnierverfahren mittels
einer gefurchten Druckwalze nach der vorliegenden Erfindung.
-
Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der
Fläche der konvexen Abschnitte und den Gehalt an Harz in dem
Prepreg für eine günstige Imprägnierung zeigt.
-
Fig. 7 ist ein Fließbild des Imprägnierungsverfahrens
mittels elektrischer Heizung.
-
Fig. 8 zeigt die übliche Walzendruck-Imprägnierungsmethode.
Beschreibung der Erfindung
-
Der Kern der vorliegenden Erfindung zur Erreichung des
obigen Zieles ist ein Verfahren zur Harzimprägnierung
mittels einer Walze, das in dem Auflegen eines
plattenartigen Materials (2) auf eine Harzschicht (1) und
dem anschließenden Imprägnieren des Harzes in das
plattenartige Material, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Druckwalze (5) verwendet wird, die ein spezielles gefurchtes
Muster hat, einschließlich konvexer Abschnitte, die von
einer geraden Linie, einer gekrümmten Linie oder beiden
umschlossen werden. Weitere Details der Erfindung sind in
den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche erläutert.
-
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezug auf die
Zeichnungen erläutert.
-
Fig. 1 erläutert das Verfahren der Harzimprägnierung,
gekennzeichnet durch Verwendung einer Druckwalze mit einem
speziellen gefurchten Muster nach der vorliegenden
Erfindung.
-
Ein Laminat, das aus einer Harzfolie (1), die aus einem mit
Harz überzogenen Trennpapier besteht, einem plattenartigen
Material (2) einer Verstärkungsfaser aufgelegt auf die
Harzfolie (1) und einem Trennfilm (3), der wiederum auf das
plattenartige Material (2) aufgelegt ist, besteht, wird auf
der Oberfläche einer Halbtrommel (4) erhitzt, und an dem
Punkt, wo das Harz flüssig wird, wird das Harz in die
Faserschicht des plattenartigen Materials (2) durch die
Druckwalze (5-1) imprägniert. Bei den üblichen Verfahren
ist die Druckwalze (5-1) eine sogenannte Flachdruckwalze
mit einer ebenen Oberfläche, während es sich in der
vorliegenden Erfindung um eine sogenannte Furchendruckwalze
mit einem speziell gefurchten Muster auf der Oberfläche
handelt. Dies ist charakteristisch für die vorliegende
Erfindung.
-
Die Furchendruckwalze kann eine Kombination von zwei oder
mehreren sein (5-1), (5-2), (5-3), . . . und sie kann
weiterhin in Kombination mit Flachdruckwalzen verwendet
werden.
-
Die Furchendruckwalze, deren Verwendung ein Grunderfordernis
für die vorliegende Erfindung ist, wird nachfolgend
erläutert.
-
Als erstes wird das speziell gefurchte Muster der Oberfläche
der Furchendruckwalze, wie sie in der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, erläutert.
-
Von dem Gesichtspunkt her, daß die Verbesserung der
Produktivität von einer Verbesserung der
Imprägnierungsgeschwindigkeit des Harzes in Richtung der
Dicke der Faserschicht abhängt, haben die Erfinder
Untersuchungen an Furchenmustern vorgenommen, die das Harz
in Richtung der Dicke der Faserschicht führen, ohne daß es
herausgequetscht wird.
-
Als Ergebnis wurde geschlußfolgert, daß dies ein Muster mit
konvexen Abschnitten ist, umschlossen durch eine gerade
Linie, eine gekrümmte Linie oder beide. Derartige gefurchte
Muster sind in den Fig. 2 bis 4 gezeigt.
-
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht (a) eines typischen Beispiels
eines gefurchten Musters mit konvexen Abschnitten,
umschlossen von einer geraden Linie, und ein Schnittbild (b)
dieses gefurchten Musters entlang der Linie A-A'. Der Pfeil
stimmt mit der peripheren Richtung der Furchendruckwalze
überein. Dieses Muster hat rhomisch-konvexe Abschnitte,
umgeben von geraden Linien.
-
Fig. 3 ist eine Draufsicht eines gefurchten Musters mit
elliptisch-konvexen Abschnitten, umschlossen von einer
gekrümmten Linie.
-
Fig. 4 ist eine Draufsicht eines anderen Beispiels eines
gefurchten Musters mit konvexen Abschnitten, umschlossen von
geraden Linien. Bei diesem Muster haben die konvexen
Abschnitte eine gekrümmte Form. Die Pfeile stimmen mit der
peripheren Richtung der Furchendruckwalze überein.
-
Die JP-A-57-195619 (S. Kawaguchi) schlägt ein Verfahren zur
Herstellung eines Prepregs vor, bestehend aus dem
Imprägnieren eines Harzes in ein regelloses plattenähnliches
Material durch eine gerillte Walze mit kontinuierlichen
Vertiefungen in peripherer Richtung, wobei Blasen während
der Zeit der Imprägnierung entfernt werden. Dieses Verfahren
unterscheidet sich jedoch deutlich vom erfindungsgemäßen
Verfahren dahingehend, daß die konvexen Abschnitte der
Furchendruckwalze, wie sie in der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, diskontinuierlich sind, wie in Fig. 2 bis 4
gezeigt. Dies ist der Grund dafür, warum nach dem Kawaguchi-
Verfahren Blasen entfernt werden können, nämlich
herausgequetscht werden, jedoch kann die Wirkung des
Imprägnierens von Harz in die Faserschicht nicht erwartet
werden. Das heißt, in Fig. 5 wird ein Teil des Harzes (8),
das sich unterhalb des plattenartigen Materials (7)
befindet, in die aus dem plattenartigen Material bestehende
Faserschicht imprägniert infolge des Druckes durch den
konvexen Abschnitt 9-1 der Furchendruckwalze, und
überschüssiges Harz wird nach vorn gequetscht (auf der
rechten Seite in Fig. 5). Wenn allerdings die konvexen
Abschnitte diskontinuierlich sind wie in der vorliegenden
Erfindung, kann der Fluß des Harzes durch den konkaven
Abschnitt 9-2 gestoppt werden, und darüber hinaus kann die
Richtung des Harzflusses in Richtung des druckfreien
konvexen Abschnittes gelenkt werden, nämlich in die Richtung
der Dicke der Faserschicht durch ein geeignetes
Speichervolumen des konkaven Abschnittes. Das heißt, der
durch das überschüssige Harz an den konvexen Abschnitten
erzeugte Druck kann in Druck umgewandelt werden für die
Imprägnierung des Harzes in Richtung der Dicke der
Faserschicht.
-
Daher sollte die Größe des gefurchten Musters von dem
Durchmesser der Furchendruckwalze, vom Material der Walze,
von den Druckcharakteristika des plattenartigen Materials
und ähnlichem bestimmt werden. Ein Beispiel besteht darin,
daß wenn der Durchmesser der Druckwalze 100 mm oder mehr
beträgt, und das Material der Walze Gummi ist, die maximale
Länge des konvexen Abschnittes in der peripheren Richtung
der Walze vorzugsweise weniger als 8 bis 10 mm beträgt.
-
Das oben erläuterte gefurchte Muster hat relativ fein
verteilte konvexe Abschnitte. Im Falle derartiger Muster mit
konvexen Abschnitten in Form gerader Linien oder gekrümmt er
Linien, die parallel angeordnet sind, wenn zum Beispiel die
Furchendruckwalze Nuten entlang der Rotationsachse der
Druckwalze hat, tritt andererseits theoretisch eine Änderung
der Fließrichtung des Harzes ein, wie in Fig. 5 gezeigt,
jedoch speziell, wenn das plattenartige Material eine in
eine Richtung angeordnete Faserbandplatte (tow sheet) ist,
wird die Orientierung der Fasern ungeordnet in Folge der
Veränderung der Fließrichtung des Harzes, und der Fließweg,
der durch das Harz ersetzten Luft ist verschlossen. Aus
diesen Gründen werden die Muster nicht bevorzugt für die für
die Imprägnierung verwendete Furchendruckwalze.
-
Wie allerdings nachfolgend erläutert, sollte nicht
ausgeschlossen werden, eine Furchendruckwalze zu verwenden,
die kontinuierliche konkave Teile in der Hauptsache in
peripherer Richtung der Druckwalze hat (zum Beispiel eine
gerillte Walze mit Nuten in konstantem Abstand in peripherer
Richtung), nach der Imprägnierung des Harzes in eine
Faserschicht unter Verwendung der Muster der vorliegenden
Erfindung, wie in den Fig. 2 bis 4 gezeigt.
-
Das Verhältnis der Fläche der konvexen Abschnitte zur der
gesamten peripheren Fläche (nachfolgend bezeichnet als
"Verhältnis der konvexen Fläche") wird bestimmt durch die
Dicke des plattenartigen Materials, die mit Harz zu
imprägnieren ist, durch den Anteil des Volumens an Harz in
dem Volumen des imprägnierten plattenartigen Materials
(nachfolgend bezeichnet als "Harzgehalt %"), die Viskosität
des Harzes und ähnliches, jedoch ist der wichtigste Faktor
der Harzgehalt. Als ein Beispiel werden der Harzgehalt und
das optimale Verhältnis der konvexen Fläche durch Versuche
erhalten, wenn das plattenartige Material durch Anordnung
von Kohlenstoffaserbändern erhalten wurde und ein
Basisgewicht von 150 g/m² hatte, und das Harz ein Epoxidharz
von 10 ps (100ºC) ist. Wie in Fig. 6 gezeigt, ist es
erforderlich, das Verhältnis der konvexen Fläche mit
steigendem Harzgehalt herabzusetzen.
-
Wenn das Verhältnis der konvexen Fläche zu groß ist, tritt
ein Herausquetschen des Harzes auf, und wenn es zu gering
ist, wird ein Druck zum beschleunigten Fließen des Harzes in
Richtung der Dicke des plattenartigen Materials nicht
erzeugt, und somit kann die Wirkung der Furchendruckwalze
der vorliegenden Erfindung, wie sie oben erläutert wurde,
nicht erwartet werden. Der Harzgehalt bei der Herstellung
von FRP liegt bei etwa 20 bis 70%,. und das bevorzugte
Verhältnis der konvexen Fläche auf diesem Gebiet beträgt 20
bis 90%, bevorzugter 30 bis 80%.
-
Unter Bezug auf die Tiefe des konkaven Abschnittes muß der
konkave Abschnitt ein solches Volumen haben, daß er den
Harzfluß durch den konvexen Abschnitt über das plattenartige
Material in Richtung der Dicke aufnimmt, und somit ist ein
Beispiel für die Tiefe wenigstens das 0,6-fache der Dicke
des konkaven Abschnittes in dem Falle, wo der Querschnitt
des konkaven Abschnittes ein Dreieck ist, wie in (b) in Fig.
2 gezeigt.
-
Die Furchendruckwalzen der vorliegenden Erfindung, wie sie
oben erläutert wurden, sind solche, die die speziellen
Muster direkt auf der Oberfläche der Walzen haben, jedoch
ist es auch möglich, einen Mustergürtel mit den Mustern der
vorliegenden Erfindung zu verwenden. In diesem Falle kann
die Veränderung der Fließrichtung des Harzes sicherer
durchgeführt werden.
-
Entsprechend den Versuchsergebnissen hängt der optimale
Preßdruck der Furchendruckwalze vom Material der Walze, von
der Harzviskosität, der Dicke der Faserschicht und dem
Harzgehalt ab, jedoch sind etwa 0,5 bis 80 kg/cm,
vorzugsweise 5 bis 40 kg/cm als linearer Druck geeignet.
-
Vorstehend wurde die Harzimprägnierung der erfindungsgemäßen
Furchendruckwalze erläutert. Als nächstes wird eine
Erklärung gegeben, wie die Furchendruckwalze zu verwenden
ist.
-
In Fig. 1 ist, wenn die Druckwalze nur eine
Furchendruckwalze der vorliegenden Erfindung ist, (nämlich
dann, wenn die Druckwalzen 5-2, 5-3 und 5-4 nicht vorhanden
sind), die Imprägnierung des Harzes in die Faserschicht
lokalisiert, was zu einem Prepreg führt, wo das Harz nicht
in alle Abschnitte des plattenartigen Materials imprägniert
ist. In einem solchen Imprägnierungszustand sind Fließwege
in Längsrichtung vorhanden, durch die Luft in Längsrichtung
und in Richtung der Dicke des plattenartigen Material
hindurch gehen kann, und dies ist als Struktur eines Prepreg
bevorzugt, das keine Volumenverkleinerung (debulking)
erfordert. Im allgemeinen, insbesondere dann, wenn ein
Laminat unter Verwendung von hitzehärtbaren Prepregs
hergestellt wird, muß jede Schicht oder müssen verschiedene
Schichten einer Volumenverkleinerung unterworfen werden, um
zwischen den Schichten vorhandene Luft durch
Vakuumverfestigung zu entfernen. Wenn allerdings die zu
laminierenden Prepregs in Verbindung stehende Wege für Luft
enthalten, besteht die Möglichkeit, die Volumenverkleinerung
auszulassen. Dies wird in "Advanced Materials Technology"
hrsg. 1986 durch die Society for the Advancement of Material
and Press ENgl., Seiten 480-490 berichtet.
-
Wie in Fig. 1 gezeigt, wird eine Vielzahl gefurchter Walzen
verwendet, oder sie werden in Kombination mit üblichen
Druckwalzen verwendet, einschließlich Flachdruckwalzen für
die Imprägnierung. Ein typisches Beispiel dafür ist ein
solches, bei dem die Druckwalze (5-1) die Furchendruckwalze
der vorliegenden Erfindung ist, die Druckwalze (5-2) ist
eine gerillte Walze mit kontinuierlichen Nuten in peripherer
Richtung, und die Druckwalze (5-3) ist eine Glattwalze unter
Auslassung der Druckwalze (5-4) in Fig. 1. Entsprechend
einer solchen Kombination wird das Harz lokal imprägniert in
das plattenartige Material durch die Furchendruckwalze (5-1),
und anschließend wird das Harz in Längsrichtung des
plattenartigen Materials übertragen, und zu gleicher Zeit
wird die Luft der Faser durch das Harz mittels der gerillten
Walze (5-2) ersetzt, wodurch das gesamte plattenartige
Material mit dem Harz benetzt wird. In diesem Falle tritt,
da das Harz zuerst in die Faserschicht des plattenartigen
Materials übertragen wird, auch wenn die zweite Druckwalze
eine gerillte Walze ist, die Erscheinung des
Herausquetschens von Harz bei der üblichen
Walzenimprägnierungsmethode nicht auf, sogar wenn die
Fördergeschwindigkeit der Platte hoch ist, und dadurch wird
eine Harzimprägnierung bei hoher Geschwindigkeit möglich.
Auf diese Weise kann die Furchendruckwalze allein oder in
Kombination mit anderen Druckwalzen verwendet werden, jedoch
ist es erforderlich, die Furchendruckwalze als erste Walze
zu verwenden, wenn Druckwalzen zum Zweck der Imprägnierung
verwendet werden.
-
Dies ist erforderlich, um zuerst Harz in Richtung der Dicke
der Faserschicht zu übertragen, bevor das Harz entlang der
Längsrichtung des plattenartigen Materials herausgequetscht
wird, und anschließend das Harz durch die Faserschicht
entlang der Längsrichtung des plattenartigen Materials zu
übertragen. Daher schließt die vorliegende Erfindung die
Gegenwart einer Druckwalze nicht aus, die im wesentlichen
keinen Teil der Imprägnierung des Harzes vor der
Furchendruckwalze der vorliegenden Erfindung ausmacht.
Weiterhin können die Furchendruckwalzen in Kombination von
zwei oder mehreren verwendet werden.
-
Als nächstes werden die für die Imprägnierung bei der
vorliegenden Erfindung verwendeten Matrixharze erläutert. Da
der Kern der vorliegenden Erfindung darin besteht, Harze mit
Fließfähigkeit in eine Faserschicht zu imprägnieren, gibt es
für die zu imprägnierenden Harze keine besondere
Einschränkung, und daher können beliebige Harze verwendet
werden, die nach Erhitzung Fließfähigkeit zeigen, zum
Beispiel wärmehärtbare Harze, wie ungesättigte
Polyesterharze, Epoxidharze, phenolische Harze,
Harnstoffharze, Melaminharze Diallylphthalatharze und
Silikonharze, sowie thermoplastische Harze wie Nylon,
Polysulfone, Polyetherimide, Polyether-Etherketone
Polyvinylchlorid, Polybutylenterephthalat,
Polyethylenterephthalat und Polyethylen.
-
Die für die Imprägnierung mit dem Harz verwendeten
plattenartigen Materialien werden nunmehr erläutert.
-
Ein am häufigsten verwendetes plattenartiges Material ist
eine sogenannte einseitig gerichtete Platte, die durch
Anordnung von Bändern (tows) in paralleler Richtung
hergestellt wird, und das Merkmal des
Imprägnierungsverfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt
sich insbesondere im höchsten Maße bei der Imprägnierung
dieser einseitig gerichteten Platte.
-
Das heißt, im Falle der Imprägnierung eines einseitig
gerichteten plattenartigen Materials unterscheiden sich die
Fließrichtung des Harzes in Richtung der Dicke der
Faserschicht und die in Längsrichtung der Faser
(Längsrichtung der Platte) sehr voneinander, und es tritt am
leichtesten ein Herausquetschen des Harzes auf, und außerdem
wird die Orientierung der Faser nach den üblichen Verfahren
am meisten gestört. Allerdings können nach der vorliegenden
Erfindung sowohl die Probleme des Herausquetschens als auch
der Störung der Orientierung der Fasern gleichzeitig gelöst
werden.
-
Darüber hinaus wird nach dem Imprägnierungsverfahren der
vorliegenden Erfindung die Imprägnierung mit lokaler
Bewegungseinschränkung des plattenartigen Materials
durchgeführt, wie oben erläutert, und kann daher auch für
gewebte Textilerzeugnisse oder nicht gewebte
Texilerzeugnisse angewandt werden, die Aggregate von nicht
orientierten Fasern sind.
-
Zu den plattenartigen Materialien gehören solche, die zum
Beispiel hergestellt sind aus Kohlenstoffasern, Glasfasern,
aromatischen Polyamidfasern, Polyesterfasern und
Polyethylenfasern, wobei sie darauf nicht beschränkt sind.
Allerdings sind plattenartige Materialien, die aus
Kohlenfaserbändern bestehen, deren Einzelfaserdurchmesser
sehr klein ist und die hoch elastisch sind, für das
Harzimprägnierungsverfahren der vorliegenden Erfindung sehr
wirksam wegen des Unterschiedes zwischen der
Fließgeschwindigkeit des Harzes in Richtung der Dicke des
plattenartigen Materials und weil sie in Richtung der
Orientierung der Fasern insbesondere groß ist. Wenn die das
plattenartige Material bildenden Fasern Kohlenstoffasern
sind oder Materialien, die Kohlenstoffasern enthalten, kann
darüber hinaus die Imprägnierungswirkung der vorliegenden
Erfindung verbessert werden durch Anwendung von Wärme, die
unter Einsatz von elektrischem Strom erzeugt wird.
-
Nach der üblichen Technik besteht bei dem Verfahren, bei dem
das unter dem plattenartigen Material angeordnete Harz durch
Erwärmen von unten verflüssigt wird, ein Temperaturabfall in
der Faserschicht. Das heißt, der Abfall der Harztemperatur
infolge der Absorption von Wärme durch die Fasern in der
Faserschicht führt zu einer Erhöhung der Harzviskosität,
wodurch es ein Problem insbesondere bei der Imprägnierung
eines plattenartigen Materials gibt, das aus einer dicken
Faserschicht besteht.
-
Andererseits kann im Falle eines
Harzimprägnierungsverfahrens, das durch Erhitzen unter
Anwendung von elektrischem Strom durchgeführt wird, eine
direkte Erzeugung der Wärme aus den Fasern per se
hervorgerufen werden, wobei die gesamte Faserschicht einer
gegebenen Temperatur ausgesetzt werden kann, und somit kein
Temperaturabfall in einer Faserschicht auftritt und somit
keine Erhöhung der Viskosität des Harzes bei der
Imprägnierung auftritt.
-
Daher ist eine schnelle Imprägnierung des Harzes auch für
ein plattenartiges Material möglich, das aus einer dicken
Faserschicht besteht, durch Kombination des
Imprägnierungsverfahrens der vorliegenden Erfindung, das die
Furchendruckwalze verwendet, mit dem Verfahren des Erhitzens
einer Faserschicht durch Anwendung elektrischen Stromes.
-
Da die Faser direkt erhitzt wird, ist außerdem der
Wärmeverlust gering, und ein schnelles Erhitzen ist möglich.
Damit ist dies ein bevorzugtes Erwärmungsverfahren sowie ein
Hilfsmittel für die schnelle Imprägnierung.
-
Gegenwärtig gehören zu plattenartigen Materialien, die Wärme
nach Anwendung von elektrischem Strom erzeugen,
Kohlenstoffasern. Nach den Versuchsergebnissen sind für
angewandte plattenartige Materialien, worin wenigstens 30
Gewichts-%, vorzugsweise wenigstens 60 Gewichts-% der
Fasern, die in Richtung des Fließens von elektrischem Strom
vorhanden sind, Kohlenstoffasern bevorzugt wegen der
leichten Steuerung der Temperatur des plattenartigen
Materials.
-
Wenn das plattenartige Material aus Kohlenstoffasern
besteht, können die Kohlenstoffasern auf Raumtemperatur bis
500ºC erhitzt werden mittels Gleichstrom oder Wechselstrom,
und die Temperatur wird geeigneterweise in Abhängigkeit der
Produktionsgeschwindigkeit oder der Harzbedingungen zur
Steuerung des Imprägnierungszustandes des Harzes
eingestellt. Es ist absolut möglich, die Viskosität des
Harzes durch Erhitzen des Harzes mittels eines üblichen
Verfahrens gleichzeitig mit dem Erhitzen der
Kohlenstoffasern zu verringern durch Anwendung von
elektrischem Strom bei der Imprägnierung des Harzes. Ein
solches Harzimprägnierungsverfahren, das in Kombination mit
dem Erhitzen durch Anwendung eines elektrischen Stromes
arbeitet, ist zeichnerisch in Fig. 7 dargestellt.
-
In Fig. 7 wird die zugeführte plattenartige Kohlenstoffaser
(11) mit elektrischem Strom zwischen der Walzenelektrode (1)
und der Folienelektrode (3) über die Stromquelle (10) mit
elektrischem Strom beaufschlagt und wird dadurch erhitzt.
Anschließend wird sie auf den Harzfilm (12) des von der
Walze (13) zugeführten Harz-beschichteten Trennpapiers
aufgelegt, und das Laminat wird über die freie Walze (14)
der Spannungs-erzeugenden Walze (15) zugeleitet. Danach wird
das Laminat mit einem Deckfilm (17), der von der Walze (16)
zugeführt wird, abgedeckt, und wird dann der Imprägnierung
des Harzes durch Druck über die Furchendruckwalzen (18-1 bis
18-3) unterzogen, entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Anschließend wird das Trennpapier abgezogen, und die
Oberfläche der Kohlenstoffaserschicht wird in Kontakt mit
der Filmelektrode (III) gebracht. In diesem Falle erzeugt
die Oberfläche der Kohlenstoffaser Wärme im anfänglichen
Stadium des Kontaktes mit der Filmelektrode und befindet
sich im Zustand einer hohen Temperatur, jedoch bewegt sich
zusammen mit der Oberfläche der Filmelektrode (der
elektrische Kontakt ist auf den anfänglichen Kontaktzustand
konzentriert) und wird an der Position der Walze (21) durch
einen Kaltluftgenerator (IV) ausreichend gekühlt. Nachdem
sie von der Filmelektrode getrennt ist, wird die
plattenartige Kohlenstoffaser wiederum auf das Trennpapier
aufgelegt, um ein Prepreg zu erhalten, bestehend aus einem
Harz-imprägnierten plattenartigen Material auf einem
Trennpapier. Die Walzen (19)-(23) sind freie Walzen.
-
Die Form der Elektrode ist nicht kritisch und kann eine
Walzenelektrode, eine Filmelektrode und ähnliches sein,
jedoch ist die Elektrode, die mit dem plattenartigen
Material nach der Imprägnierung in Kontakt gebracht wird,
vorzugsweise eine Filmelektrode.
-
Die effektive Anwendung von elektrischem Strom ist möglich
durch Erhöhung der Kontaktlänge zwischen dem imprägnierten
plattenartigen Material (z. B. Prepreg) und der Elektrode
unter Verwendung einer Filmelektrode, und es ist auch
möglich, das Prepreg ausreichend an der Position zu kühlen,
wo das Prepreg von der Elektrode getrennt wird. Zu diesem
Zweck beträgt die Kontaktlänge zwischen der Elektrode und
dem plattenartigen Material vorzugsweise wenigstens 300 mm.
Allerdings hängt diese Länge von der Konstruktion der
Filmelektrode ab, und es gibt dafür keine spezielle
Einschränkung.
-
Ein Verfahren zur Durchführung der Harzimprägnierung unter
Erhitzen von Kohlenstoffasern durch Anwendung von
elektrischem Strom ist in der JP-A-49-81472 beschrieben,
jedoch ist dies keine Bezugnahme auf eine bevorzugte Form
der Elektrode, und außerdem ist kein Vorschlag enthalten,
wodurch der Erwärmungseffekt bei der Harzimprägnierung eines
plattenartigen Materials bei einer dicken Faserschicht zu
erwarten ist.
-
Die vorliegende Erfindung wird detaillierter mit Hilfe der
folgenden Beispiele erläutert. In den Beispielen wurde die
Messung der Eigenschaften der erhaltenen geformten Platten
nach dem folgenden Methoden durchgeführt.
-
Biegefestigkeit und Biegemodul: ASTM-D790-84A
-
ILSS: ASTM-D2334-84
-
Vf: Archimedes-Verfahren
Beispiel 1
-
(1) Bei der Imprägnierungsvorrichtung, wie sie in Fig. 1
gezeigt ist, wurde ein Harzfilm von 50 cm Breite, bestehend
aus einem Trennpapier, überzogen mit 106 g/m² Harz als
Harzfilm (1), eine einseitig gerichtete Matte (240 g/m²),
bestehend aus 150 Kohlenstoffaserbändern, die parallel
angeordnet waren mit einer Breite von 50 cm (jedes der
genannten Kohlenstoffaserbänder bestand aus einem Bündel von
12 000 Einzelfasern einer Kohlenstoffaser von 8 um
Durchmesser) als plattenartiges Material (2), und ein
Polypropylenfilm von 20 um Dicke als Trennfolie (3)
laminiert und über eine Heizwalze (4) geführt, die auf 130ºC
Oberflächentemperatur erhitzt war.
-
Die bei diesem Beispiel verwendeten Druckwalzen waren
folgende.
-
Druckwalze 5-1 Silikongummiwalze mit 80 Grad Gummihärte und
125 mm äußeren Durchmesser mit gefurchten Mustern wie in
Fig. 2 gezeigt, wobei der rhombisch konvexe Abschnitt eine
kürze Diagonale von 3 mm und eine längere Diagonale von 6 mm
hatte, und die Breite der Nuten des konkaven Abschnittes 0,9
mm betrug und eine Tiefe von 0,8 mm hatte (Verhältnis der
konvexen Fläche: etwa 45%).
-
Druckwalze 5-2: eine metallische, gerillte Walze mit 125 mm
äußerem Durchmesser mit Nuten von 0,7 mm in der Tiefe bei
einem Abstand von 1 mm in peripherer Richtung.
-
Druckwalze 5-3: eine Glattwalze von 125 mm äußerem
Durchmesser.
-
Die Harzimprägnierung erfolgte unter Einsatz dieser
Druckwalzen bei einem Preßdruck von 30 kg/cm und einer
Fördergeschwindigkeit der Kohlenstoffaserplatte (hier
nachfolgend als "Imprägnierungsgeschwindigkeit" bezeichnet)
von 15 m/Min. Es waren keine nichtimprägnierten Abschnitte
vorhanden, und es trat keine Störung der Faserorientierung
auf. Somit wurde einseitig gerichtetes Kohlenstoffaser-
Prepreg mit hoher Qualität erhalten.
(2) Vergleichsbeispiel
-
Die Imprägnierung erfolgte unter den gleichen Bedingungen
wie oben, (1), mit Ausnahme dessen, daß für alle Druckwalzen
(5-1, 5-2 und 5-3) Glattwalzen eingesetzt wurden. Ein für
die Verwendung fertiges Prepreg wurde nicht erhalten wegen
der Störung der Faserorientierung infolge Herausquetschens
und Fließens von Harz und wegen des Vorhandenseins
nichtimprägnierter Abschnitte. Es war erforderlich, um ein
verwendbares Prepreg zu erhalten, den Druck der Druckwalzen
(5-1, 5-2 und 5-3) auf etwa 0,5 kg/cm zu verringern und die
Imprägnierungsgeschwindigkeit auf 0,2 m/Min. Somit war eine
Harzimprägnierung mit hoher Geschwindigkeit unmöglich.
Beispiel 2
-
Ein Unistoff von 200 g/m² wurde hergestellt unter Verwendung
von ungezwirnten Garnen mit 3 K, erhalten durch Bündelung
von Kohlenstoffasern von 8 um Durchmesser mit Kette und
Schuß. Dieses Gewebe wurde auf einen Epoxidharzfilm von 200
g/m² Basisgewicht aufgelegt und wurde einer gemusterten
Druckimprägnierung in gleicher Weise wie in Beispiel 1
unterworfen, mit Ausnahme dessen, daß die Fläche der
konkaven Abschnitte auf der Furchendruckpresse größer war
als die in Beispiel 1, so betrug das Verhältnis der konvexen
Fläche 32%.
-
Das heißt, die Imprägnierung wurde in folgender Weise
durchgeführt.
-
Das aufgelegte Kohlenstoffasergewebe von 200 g/m² und der
Harzfilm von 200 g/m² wurde einer rotierenden Trommel
zugeführt, die auf 130 C erhitzt war, und die Imprägnierung
wurde zuerst durch eine erste gefurchte Walze (5-1) bewirkt
(Musterwalze von 125 mm im Durchmesser) an der Position, wo
die Harztemperatur auf 110ºC erhöht worden war,
anschließend durch eine gerillte Walze mit Nuten bei einem
Abstand von 1 mm, die unmittelbar nach der ersten gefurchten
Walze angeordnet war, und schließlich durch eine Glattwalze.
-
Die Imprägnierungsgeschwindigkeit betrug 10 m/Min, und das
erhaltene Kohlenstoffaser-Prepreg war vollständig mit Harz
imprägniert. Die Imprägnierung des Gewebes dieser Art wurde
wie üblich durch die Glattdruckwalze oder die
Niederdruckwalze bewirkt, um ein Herausquetschen des Harzes
zu verhindern, und in diesem Falle betrug die
Harzimprägnierungsgeschwindigkeit etwa 0,3 m/Min. Das heißt,
wie in Beispiel 1 gezeigt, daß die
Imprägnierungsgeschwindigkeit merklich erhöht werden kann
durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beispiel 3
-
Die Walzenimprägnierung wurde in gleicher Weise wie in
Beispiel 1 durchgeführt, mit Ausnahme dessen, daß nur eine
Druckwalze (5-1) (rhombisches Muster) als Druckwalze
verwendet wurde. Es verblieben insgesamt regelmäßig nicht
imprägnierte Abschnitte bei den erhaltenen Prepregs, und
somit wurden diese Prepregs ohne Volumenverkleinerung
(nondebulking-Verfahren) laminiert. Die Eigenschaften des
erhaltenen Laminates wurden gemessen, um die folgenden
Ergebnisse zu erhalten, die zeigen, daß sich das Laminat in
seinen Eigenschaften nicht unterschied von dem, das erhalten
wurde durch Laminierung der Prepregs, die nach dem
konventionellen Verfahren mit Durchführung der
Volumenverkleinerung erhalten wurde.
-
Die Bedingungen zur Formung des verwendeten Laminates zur
Einschätzung der Eigenschaften waren wie folgt das Laminat
der Prepregs wurde einer Autoklaven-Formung unterzogen, die
aus einem Vorheizen bei 90ºC unter 1 kg/cm² im Vakuum für 30
Minuten bestand und einem Erhitzen bei 130ºC unter 5 kg/cm²
für 60 Minuten.
Laminat von Prepregs erhalten nach dem erfindungsgem. Verfahren (non-debulking) Laminat von Prepregs erhalten nach dem üblichen Verfahren (übliche Volumenverkleinerung) Biegefestigkeit Biegemodul
Beispiel 4
-
Ein plattenartiges Material wurde hergestellt durch
Anordnung von 150 Kohlenstoffaserbändern von 12 K (jeweils
aus 12 000 Kohlenstoffaser-Elementarfäden bestehend) parallel
mit einer Breite von 50 cm. Diese Matte wurde durch Führung
über eine Walzenelektrode mit einer Spannung beaufschlagt
und wurde dann auf einen Harzfilm geführt, der aus einem
Trennpapier bestand, überzogen mit Harz bei 106 g/m² in einer
Breite von 50 cm. Anschließend wurde das Harz in die
Fasermatte unter Anwendung eines Preßdruckes unter 30 kg/cm
mittels einer Furchendruckwalze imprägniert. In diesem Falle
war das Muster auf der Furchendruckwalze das gleiche wie im
Beispiel 1. Unmittelbar nach dieser Furchendruckwalze wurde
die Platte nochmals in Kontakt mit der Elektrode gebracht,
wie in Fig. 1 gezeigt. Die Spannungs-erzeugende Walze wurde
auf 90ºC erhitzt.
-
Die Entfernung zwischen den Elektroden betrug 2,5 m,
zwischen der die Kohlenstoffaserplatte und der Harzfilm
miteinander in einer Länge von 1,5 m in Kontakt gebracht
wurden. In diesem Falle betrug die Spannung 50 V, die
Stromstärke betrug 140 A und die Temperatur der
Kohlenstoffaser 120ºC.
-
Die Imprägnierungsgeschwindigkeit (die Fördergeschwindigkeit
des plattenartigen Materials) betrug 10 m/Min.
-
Die Anordnung der Elektroden ist in Fig. 7 grob zu sehen
Der Imprägnierungszustand in der Faserschicht und die
Eigenschaften eines unter den gleichen Bedingungen wie in
Beispiel 3 erhaltenen geformten Laminates waren wie folgt
Zustand der Imprägnierung: gut, ohne nichtimprägnierte
Abschnitte
-
Biegefestigkeit: 180 kg/mm²
-
Biegemodul: 13,0 T/mm²
-
ILSS: 11,5 kg/mm²
-
Vf: 60%.
Beispiel 5
-
(1) Ein plattenartiges Material wurde hergestellt durch
Anordnung von 30 Kohlenstoffaserbändern (enthaltend 12 000
Kohlenstoffasern) von 12 K mit einer Breite von 50 cm, und
dieses wurde auf ein mit Harz von 200 g/m² überzogenes
Trennpapier in einer Breite von 50 cm zugeführt. Die
Kohlenstoffaserband-Platte wurde mit einer Spannung
beaufschlagt durch Passieren einer Walzenelektrode, bevor
sie mit dein mit Harz überzogenen Papier in Kontakt gebracht
wurde, und wurde anschließend auf das mit Harz überzogene
Papier aufgebracht. Das Harz wurde mit den gleichen
Furchendruckwalzen wie in Beispiel 1 imprägniert.
Unmittelbar danach wurde die Platte nochmals mit einer
Elektrode in Kontakt gebracht. Der Preßdruck betrug 30
kg/cm, und die Fördergeschwindigkeit betrug 5 m/Min.
-
Die Entfernung zwischen den Elektroden, die Spannung und die
Stromstärke betrugen 2 m bzw. 50 V bzw. 260 A, und die
Temperatur der Kohlenstoffaser betrug 120º C. Die
Spannungserzeugende Walze wurde auf 120ºC erhitzt.
-
Der Imprägnierungszustand des Harzes in der Faserschicht und
die Eigenschaften des durch Formung unter den gleichen
Bedingungen wie in Beispiel 3 erhaltenen Laminates sind
unten aufgeführt.
-
Zustand der Imprägnierung: gut, ohne nichtimprägnierte
-
Abschnitte
-
Biegefestigkeit: 182 kg/mm²
-
Biegemodul: 12,0 T/mm²
-
ILSS: 11,6 kg/mm²
-
Vf: 60%.
(2) Vergleichsbeispiel
-
Die Imprägnierung erfolgte unter den gleichen Bedingungen
wie im obigen Beispiel 5 mit Ausnahme dessen, daß die
Anwendung der Spannung auf die Kohlenstoffaser nicht
erfolgte und die Spannungs-erzeugende Walze auf 130ºC
erhitzt wurde. Die Ergebnisse sind wie folgt:
-
Zustand der Imprägnierung: nicht gut, mit
nichtimprägnierten Abschnitten von etwa 40% der
gesamten Oberfläche
Eigenschaften: die Eigenschaften wurden wegen der
unzureichenden Imprägnierung nicht gemessen.
-
Nach der vorliegenden Erfindung kann das Herausquetschen von
Harz bei der Imprägnierung verhindert werden, und es wird
eine Produktion von Prepregs bei hoher Geschwindigkeit
möglich durch Anwendung von Furchendruckwalzen. Darüber
hinaus wird die Produktion von Prepregmatten ohne
Volumenverkleinerung möglich. Außerdem kann im Falle von
Kohlenstoffasern eine dicke Prepregmatte unter Einsatz des
Verfahrens der Erwärmung durch Anwendung von elektrischem
Strom in Kombination damit hergestellt werden. Die
Produktion einer solchen Prepregmatte war nach dem üblichen
Verfahren nicht möglich.