DE4443616C2

DE4443616C2 - Verfahren zur Herstellung von Hybrid-Faserverbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE4443616C2
Application number: DE19944443616
Authority: DE
Inventors: Joachim Heydweiller; Josefa Risch
Original assignee: Ticona GmbH
Current assignee: Ticona GmbH
Priority date: 1994-12-07
Filing date: 1994-12-07
Publication date: 2003-03-27
Anticipated expiration: 2014-12-08
Also published as: DE4447957B4; DE4443616A1

Description

Die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen erfolgt in Abhängigkeit von der Faserlänge der Verstärkungsfasern nach mehreren unterschiedlichen Verfahren. Bei Einsatz von Langfasern werden üblicherweise Schmelz-Pultrusionsverfahren angewendet.

Derartige Pultrusionsverfahren sind beispielsweise beschrieben in EP 0 056 703 A1 und EP 0 579 047 A1.

Ein solches Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen enthaltend Metallfasern durch Pultrusion von Endlosmetallfasern wird beschrieben in DE 38 10 598 A1.

In DE 39 23 917 A1 werden metallfaserhaltige, elektrisch leitfähige Polyphenylensulfidharzmischungen beschrieben.

In DE 35 39 509 A1 werden Verbundfolien aus Kunststoff offenbart, die statistisch dispergierte leitende Fasern enthalten.

In EP 207792 A2 wird ein Verbundwerkstoff enthaltend anorganische Fasern mit einem Kohlenstoffkern beschrieben.

DE 34 14 027 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Kupplungsbelägen, wobei anorganische Fasern mit einem wärmehärtbaren Harz imprägniert und mit Kautschukfolien verbunden werden. Beschrieben wird auch gelegentlich der Einsatz von Fasergemischen bei diesen Verfahren. Beim Einsatz von Metallfasern gestaltet sich jedoch ein kontinuierliches Betreiben dieser Verfahren schwierig.

Es werden auch übliche Kabelummantelungsverfahren mit normalen Thermoplasten betrieben.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 16 29 363 A ist ein aufwendiges Verfahren beschrieben bei dem neben einer komplizierten Fadenführung, die Fäden in einen Thermoplast-Knetwulst eines Walzenpaares geführt werden. Auch diese Verfahren sind zur Herstellung von Langfaser-Verbundwerkstoffen mit Metallfasern im kontinuierlichen Betrieb wenig geeignet.

Es bestand deshalb die Aufgabe, ein geeignetes Verfahren zur Herstellung von Hybrid-Faserverbundwerkstoffen zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Hybrid-Faserverbundwerkstoffes, der 3 bis 70 Gew.-% Metallfasern, 5 bis 70 Gew.-% Verstärkungsfasern und mittel- bis hochviskose Thermoplasten enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Schmelz-Pultrusionsverfahren ein oder mehrere Endlosverstärkungsfaserbündel mit geschmolzenen mittel- bis hochviskosen Thermoplasten imprägniert, zusammen durch eine Düse 5 geführt, danach durch ein oder mehrere Flachwalzenpaare 6 zu einem Band ausgewalzt werden und nachfolgend in dieses Band vorgewärmte Metallfasern mittels eines Walzenpaares 7 eingedrückt werden und daß das mit Metallfasern versehene Band dann durch horizontal und vertikal angeordnete Profilwalzenpaare 8 und 9 so umgeformt wird, daß die Metallfasern von den mit Thermoplast imprägnierten Endlosverstärkungsfasern eingehüllt sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Hybrid-Faserverbundwerkstoffen, die 3 bis 70 Gew.-% Metallfasern, 5 bis 70 Gew.-% Verstärkungsfasern und mittel- bis hochviskose Thermoplasten enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Schmelz-Pultrusionsverfahren mehrere Endlosverstärkungsfaserbündel mit geschmolzenen mittel- bis hochviskosen Thermoplasten imprägniert, durch mehrere Düsen 5 geführt und danach durch ein oder mehrere Flachwalzenpaare 6 zu Bändern ausgewalzt werden, daß dann zwischen diese Bänder vorgewärmte Metallfasern geführt werden, die Bänder mit den dazwischen befindlichen Metallfasern mittels eines Walzenpaares 7 zusammengedrückt und durch horizontal und vertikal angeordnete Profilwalzenpaare 8 und 9 so umgeformt werden, daß die Metallfasern von den mit Thermoplast imprägnierten Endlosverstärkungsfasern umschlossen sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das Band mit den eingedrückten Metallfasern bzw. die zusammengedrückten Bänder mit den dazwischen befindlichen Metallfasern durch einen variablen Walzenspalt gezogen wird, bzw. gezogen werden, der durch eine feste und eine achsparallel bewegliche (vertikal) beweglich angeordnete Walze eines Walzenpaares 7 gebildet wird.

In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können das Eindrücken der Metallfasern bzw. das Zusammendrücken der Bänder dadurch erfolgen, daß bei dem Walzenpaar 7 eine Walze mit ebener Mantelfläche und eine Walze mit profilierter Mantelfläche ausgebildet ist oder dadurch, daß beide Walzen eines Walzenpaares 7 mit profilierter Mantelfläche ausgebildet sind.

Es ist weiter vorteilhaft, wenn das Band mit den eingedrückten Metallfasern bzw. die zusammengedrückten Bänder mit den dazwischen befindlichen Metallfasern zusätzlich durch einen variablen Walzenspalt gezogen werden, der durch eine fest angeordnete Walze und eine vertikal beweglich angeordnete Walze eines ineinanderkämmenden Längsprofilwalzenpaares 13 gebildet wird, und/oder
zur Umformung zunächst durch ein horizontal angeordnetes Profilwalzenpaar 8 und danach durch ein vertikal angeordnetes Profilwalzenpaar 9 geführt werden, oder
zur Umformung zunächst durch ein vertikal angeordnetes Profilwalzenpaar 9 und danach durch ein horizontal angeordnetes Profilwalzenpaar 8 geführt werden.

Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Profilwalzenpaare 8 und 9 versetzt angeordnet sind.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Band mit den eingedrückten Metallfasern vor der Umformung durch eine Temperiervorrichtung 14 gezogen.

Für die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hybrid-Faserverbundwerkstoffe können als Polymermatrix Thermoplaste im weiteren Sinne eingesetzt werden, d. h. Stoffe, die sich reversibel oder intermediär thermoplastisch verhalten und ein niedrigeres Erweichungsintervall besitzen als das Material, aus dem die Verstärkungsfasern bestehen.

Bevorzugte Thermoplaste sind Polyethylene, Polypropylene, Polybutylene, Polypentene, Polyvinylchloride, Polymethylmethacrylate, Polyacryilnitrile, Polymethacrylnitrile, Polystyrol enthaltene Mehrphasenkunststoffe wie ABS, Polyamide, Polyurethane, Polyethylenterephthalate, Polybutylenterephthalate, Bisphenol-A-Polycarbonate, Polyphenylensulfide, Polyetherketone, Polyetheretherketone, Polyethersulfone, Polysulfone, Polyetherimide, Polyamidimide und Polyestercarbonate.

Die Thermoplaste können auch in den verschiedensten Kombinationen vorliegen, z. B. als Copolymere, Blockpolymere, Propfpolymere, Mischpolymere und Polymergemische.

Die Verstärkungsfasern können von unterschiedlichster Art sein. Wesentlich ist nur, daß die Verstärkungsfasern einen höheren Erweichungs- bzw. Schmelzpunkt besitzen, als die jeweils vorliegende Thermoplastmatrix. Beispiele für Fasermaterialien sind anorganische Materialien wie silikatische und nichtsilikatische Gläser der verschiedensten Art und Kohlenstoff.

Als Metallfasern können Fasern unterschiedlicher Stärke und Ausführungsqualität, auch versponnene Fasern von Metallen und Metallegierungen eingesetzt werden. Endlosfasern sind nicht zwingend erforderlich. Bevorzugte Metallfasern können nicht koordinierende Stahlfasern oder Fasern aus Kupfer oder Kupferlegierungen sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch für solche Zwecke verwendet werden, bei denen die zugeführte Faser aus den gleichen Materialien wie die Verstärkungsfasern besteht bzw. ein Lichtwellenleiter ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Vorteile auf. Der damit hergestellte Hybrid-Faserverbundwerkstoff erreicht eine höhere Gesamtbruchlast als seine Teilkomponeten.

Die zugeführten Metallfasern können auf der gesamten Länge weniger zugfest sein und können Inhomogenitäten bzw. Schwachstellen aufweisen, da die Hauptzugkraft von den imprägnierten Verstärkungsfasern getragen wird. Besonders vorteilhaft wirkt sich aus, daß Verdickungen und/oder Knoten u. ä. bei den Metallfasern die Vorrichtung durchlaufen, ohne daß an Engstellen Störungen auftreten. Die Metallfasern können weiterhin auf einfache Weise dem laufenden Verfahren zugeführt werden, wenn die übliche Pultrusion und nachfolgende Verformung bereits stabil läuft.

Auch die Verwendung von Endlosmetallfasern ist nicht zwingend erforderlich und es können Faserkombinationen verwendet werden.

Bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hybrid-Faserverbundwerkstoffen aus Glasfasern als Verstärkungsfasern und Metallfasern wurde ein isolierende Wirkung und eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit erreicht. Sie stellen damit wertvolle Ausgangsprodukte für spezielle Anwendungsfälle der thermoplastischen Weiterverarbeitung dar.

Vorteilhaft kann es auch sein, mehrere Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens parallel anzuordnen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens gemäß Anspruch 1.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung von Faserquerschnitten unter Bezug auf Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens gemäß Anspruch 2.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung von Querschnitten der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hybrid-Faserverbundwerkstoffe.

Die Bezugsziffern in den Figuren werden in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Von einer Spule 1 wurden drei Teil-Rovings á 1200 tex einer handelsüblichen E-Glasfaser über eine Vorwärmung 2 einer Imprägniervorrichtung 4 zugeführt und mit Polypropylen (®HOSTALEN PPX® 4221 mit Haftvermittler), das mit einem Extruder 3 zugegeben wurde, bei 280°C imprägniert.

Die imprägnierten Faserstränge wurden durch eine Düse 5 geführt und mittels eines Flachwalzenpaares 6 zu einem Band ausgewalzt. Nach Aufwärmung mit einer Heizvorrichtung 14 wurde in dieses Band eine Kupferfaser mit 0,15 mm Durchmesser, die von einer Spule 10 abgewickelt, über Führungswalzen 11 und 12 geführt und in einem Vorwärmofen 16 vorgewärmt wurde, mittels eines Walzenpaares 7 eingedrückt.

Bei dem Walzenpaar 7 war eine Walze vertikal beweglich angeordnet. Nach erneuter Aufwärmung in einem Ofen 14 und Kalibrierung zwischen zwei ineinanderkämmenden Walzen 13 wurde das Band mit der eingedrückten Kupferfaser mit vertikal und horizontal angeordneten Profilwalzenpaaren 8 und 9 so umgeformt, daß die Kupferfaser von den mit Thermoplast imprägnierten Endlosglasfasern eingehüllt waren. Der Querschnitt des ausgewählten Bandes wurde so eingesetzt, daß die Einhüllung der Kupferfaser nach der Umformung gewährleistet war. Nach Durchlaufen einer üblichen, nicht dargestellten Kühlstrecke, wurde der Hybrid-Faserverbundwerkstoff mittels einer Abzugsvorrichtung 15 abgezogen. Die Geschwindigkeit betrug 5 m/min.

Der Anteil der Glasfasern im Hybrid-Faserverbundwerkstoff betrug 68 Gew.-% und der Anteil der Kupferfaser 3 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Hybrid-Faserverbundwerkstoffes.

Beispiel 2

Von zwei Spulen 1 wurden zwei Rovings einer handelsüblichen E-Glasfaser 1200 tex über eine Vorwärmung 2 einer Imprägniervorrichtung 4 zugeführt und bei 280°C mit Polypropylen wie in Beispiel 1 imprägniert. Die imprägnierten Faserstränge wurden durch Düsen 5 geführt und mittels zweier Flachwalzenpaare 6 zu Bändern ausgewalzt.

Von der Spule 10 und über Führungswalzen 11 und 12 kommend wurde zwischen diese Bänder ein in einem Ofen 16 vorgewärmter Stahlfaserstrang (Beki-Shied® BU 11/12000 304) geführt. Die Bänder und die dazwischen befindlichen Stahlfasern wurden durch ein Walzenpaar 7, mit einer fest und einer vertikal beweglich angeordneten Walze, zusammengedrückt. Nach erneuter Aufwärmung in einem Ofen 14 wurden die zusammengedrückten Bänder mit den dazwischen befindlichen Stahlfasern durch einen variablen Walzenspalt eines ineinanderkämmenden Walzenpaares 13 gezogen und mit vertikal und horizontal angeordneten Profilwalzenpaaren 8 und 9 so umgeformt, daß die Stahlfasern von den imprägnierten Glasfasern umschlossen waren.

Die Querschnitte der ausgewalzten Bänder wurden so eingestellt, daß die Umschließung des Stahlfaserstranges gewährleistet war.

Nach Durchlaufen einer üblichen, nicht dargestellten Kühlstrecke, wurde der Hybrid-Faserverbundwerkstoff mittels einer Abzugsvorrichtung 15 abgezogen. Die Geschwindigkeit betrug 5 m/min. Der Glasfaseranteil im Hybridfaserverbundwerkstoff betrug 15 Gew.-% und der Anteil der Stahlfaser 59 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Hybrid- Faserverbundwerkstoffes.

Bezugszeichenliste

1

Verstärkungsfaserspulen

2

Vorwärmung der Verstärkungsfasern

3

Zuführung der Polymerschmelze

4

Imprägniervorrichtung

5

Düse

6

Flachwalzenpaare

7

Walzenpaare zum Eindrücken der Metallfasern bzw. Zusammendrücken

8

Profilwalzen gegeneinander versetzt horizontal

9

Profilwalzen gegeneinander versetzt vertikal

10

Metallfaserspule

11

Umlenkrolle

12

Leitvorrichtung für Metallfaser

13

Längsprofilwalzen ineinanderkämmend

14

Aufheizvorrichtung

15

Abzugsvorrichtung

16

Vorwärmung für Metallfasern

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Hybrid-Faserverbundwerkstoffes, der 3 bis 70 Gew.-% Metallfasern, 5 bis 70 Gew.-% Verstärkungsfasern und mittel- bis hochviskose Thermoplasten enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Schmelz-Pultrusionsverfahren ein oder mehrere Endlosverstärkungsfaserbündel mit geschmolzenen mittel- bis hochviskosen Thermoplasten imprägniert, zusammen durch eine Düse 5 geführt, danach durch ein oder mehrere Flachwalzenpaare 6 zu einem Band ausgewalzt werden und nachfolgend in dieses Band vorgewärmte Metallfasern mittels eines Walzenpaares 7 eingedrückt werden und daß das mit Metallfasern versehene Band dann durch horizontal und vertikal angeordnete Profilwalzenpaare 8 und 9 so umgeformt wird, daß die Metallfasern von den mit Thermoplast imprägnierten Endlosverstärkungsfasern eingehüllt sind.

2. Verfahren zur Herstellung von Hybrid-Faserverbundwerkstoffen, die 3 bis 70 Gew.-% Metallfasern, 5 bis 70 Gew.-% Verstärkungsfasern und mittel- bis hochviskose Thermoplasten enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Schmelz-Pultrusionsverfahren mehrere Endlosverstärkungsfaserbündel mit geschmolzenen mittel- bis hochviskosen Thermoplasten imprägniert, durch mehrere Düsen 5 geführt und danach durch ein oder mehrere Flachwalzenpaare 6 zu Bändern ausgewalzt werden, daß dann zwischen diese Bänder vorgewärmte Metallfasern geführt werden, die Bänder mit den dazwischen befindlichen Metallfasern mittels eines Walzenpaares 7 zusammengedrückt und durch horizontal und vertikal angeordnete Profilwalzenpaare 8 und 9 so umgeformt werden, daß die Metallfasern von den mit Thermoplast imprägnierten Endlosverstärkungsfasern umschlossen sind.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Band mit den eingedrückten Metallfasern oder die zusammengedrückten Bänder mit den dazwischen befindlichen Metallfasern durch einen variablen Walzenspalt gezogen wird, oder gezogen werden, der durch eine feste und eine achsparallel bewegliche (vertikal) beweglich angeordnete Walze eines Walzenpaares 7 gebildet wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eindrücken der Metallfasern oder das Zusammendrücken der Bänder dadurch erfolgt, daß bei dem Walzenpaar 7 eine Walze mit ebener Mantelfläche und eine Walze mit profilierter Mantelfläche ausgebildet ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eindrücken der Metallfasern oder das Zusammendrücken der Bänder dadurch erfolgt, daß beide Walzen eines Walzenpaares 7 mit profilierter Mantelfläche ausgebildet sind.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Band mit den eingedrückten Metallfasern oder die zusammengedrückten Bänder mit den dazwischen befindlichen Metallfasern zusätzlich durch einen variablen Walzenspalt gezogen werden, der durch eine fest angeordnete Walze und eine vertikal beweglich angeordnete Walze eines ineinanderkämmenden Längsprofilwalzenpaares 13 gebildet wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Band mit den eingedrückten Metallfasern oder die zusammengedrückten Bänder zur Umformung zunächst durch ein horizontal angeordnetes Profilwalzenpaar 8 und danach durch ein vertikal angeordnetes Profilwalzenpaar 9 geführt werden.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Band mit den eingedrückten Metallfasern oder die zusammengedrückten Bänder zur Umformung zunächst durch ein vertikal angeordnetes Profilwalzenpaar 9 und danach durch ein horizontal angeordnetes Profilwalzenpaar 8 geführt werden.

9. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilwalzenpaare 8 und 9 versetzt angeordnet sind.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Band mit den eingedrückten Metallfasern vor der Umformung durch eine Temperiervorrichtung 14 gezogen wird.