DE60011108T2

DE60011108T2 - Verstärkungsschicht zum gebrauch in verbundwerkstoffen die mit vakuumtechnologie hergestellt werden

Info

Publication number: DE60011108T2
Application number: DE60011108T
Authority: DE
Inventors: Etienne Claeys
Original assignee: Syncoglas NV SA
Current assignee: OCV Fabrics Belgium BVBA
Priority date: 1999-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: US6790507B1; WO2001015887A1; DE60011108D1; EP1216139B1; NL1012935C2; EP1216139A1; AU7513000A; ES2222233T3; ATE267690T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkungsschicht für Verbundwerkstoffe, die mit Vakuumtechnik hergestellt werden sollen, wie auch auf eine Baueinheit von Verstärkungsschichten und Verbundwerkstoffen, welche die Verstärkungsschicht enthält.
Vakuumtechniken werden verwendet, um Verbundwerkstoffe in einem geschlossenen Formsystem herzustellen. Ein Vakuum wird in der Form mittels einer kleinen Öffnung an einem äußeren Ende der Form erzeugt, während das Harz am anderen Ende über eine kleine Öffnung zugeführt wird. Das Harz füllt die Form aufgrund des Unterdrucks in der Form.
Bei solchen Techniken werden üblicherweise recht einfache Formen verwendet. In einigen Fällen bestehen solche Formen nur aus einer unteren Form mit einer Abdeckfolie. Wenn ein Vakuum in der Form erzeugt wird, ergibt sich ein Außendruck auf die Form von etwa 1 bar. Wenn die Form teilweise flexibel ist, so etwa wenn eine Abdeckfolie als obere Form eingesetzt wird, wird dieser Druck auch auf die Verstärkungsschicht ausgeübt, die in der Form vorliegt. Da die Form, wie sie war, kollabiert und die Verstärkungsschicht hierin auch komprimiert wird, wird der Polymertransport in vielen Fällen schwieriger gemacht oder sogar verhindert.
Weil die Vakuumtechnik bei relativ niedrigen Formkosten verwendet werden kann, ist sie ein vorteilhaftes Verfahren. Um nichtsdestoweniger die Verwendung dieser Vakuumtechnik mit diesen einfachen Formen zu ermöglichen, werden derzeit sogenannte "Entlüfter" ("bleeders"), wie in US 4,942,013 beschrieben, verwendet. Dies sind zwischen die Verstärkungsschichten eingefügte Zwischenschichten, um so noch einen Harztransport zu gestatten. Solche "Entlüfter" sind beispielsweise durchgehende Glasmatten, die nicht durch den Außendruck auf die Form und ihren Inhalt komprimiert werden können. Solche "Entlüfter" sind jedoch im allgemeinen ein disruptives Element im Endprodukt, da sie unnötige Dicke, Gewicht, Harz- und Materialverbrauch verursachen können. Darüber hinaus hinterlassen sie eine harzreiche Stelle im Endprodukt, wodurch sie eine Gefahr von Lufteinschluss bewirken.
Die vorliegende Erfindung hat daher zur Aufgabe, eine Verstärkungsschicht bereitzustellen, die besonders zum Ausbilden von Verbundwerkstoffen mittels einer Vakuumgestützten Harztransferformungstechnik geeignet ist.
Dies wird bei der Erfindung durch eine Verstärkungsschicht erzielt, die im wesentlichen aus einem Verstärkungsmaterial und zu einem kleineren Teil aus Harzführungsfäden von im wesentlichen rundem Querschnitt, welche im wesentlichen ihre Querschnittsform während des Formens behalten, zum Leiten des Harzes an ihnen entlang, bestehen, wobei die Fäden im wesentlichen in Richtung des Harztransports orientiert sind. Aufgrund der formbewahrenden Natur der Transportfäden werden sie nicht durch den Außendruck abgeflacht, sondern behalten ihre Form. Es ist gefunden worden, dass hinreichende Öffnungen dadurch längs der Fäden bleiben, um Harztransport zu gestatten. Die Transportgeschwindigkeit des Harzes kann durch die Wahl der Fadendicke und durch die Anzahl von Fäden beeinflusst werden.
Die Harz-führenden Fäden können in derselben Ebene wie der Rest des Verstärkungsmaterials liegen. In diesem Fall ersetzen sie vorzugsweise einen Teil dieses Materials, wobei kein zusätzliches Gewicht hinzu kommt. Diese Erfindung ist jedoch auch effektiv, wenn die Harzführungsfäden zwischen den verschiedenen Schichten von Verstärkungsmaterial gelegen sind.
Obwohl das Problem des Komprimierens des Verstärkungsmaterials bei verschiedenen Arten von Verstärkungsmaterial auftreten kann, ist es ein besonderes Problem im Falle von Verstärkungsmaterial, welches zumindest teilweise die Form von endlosen Fäden, welche im wesentlichen parallel nebeneinander liegen, oder Multifilamenten annimmt. Multifilamente sind Bündel von einzelnen Fäden, die nicht innerhalb eines Bündels wechselseitig aneinander befestigt sind und die auch nicht verflochten sind. Sie breiten sich daher im Falle eines Außendrucks in eine flache Oberfläche aus.
Die Formbewahrung der Harz-führenden Fäden gemäß der Erfindung kann auf verschiedene Arten erzielt werden. Es ist daher möglich, zwei oder mehr gezwirnte einzelne Fäden oder einen einzelnen verdrillten Faden einzusetzen. Zusätzlich kann Formbewahrung auch mittels einer im wesentlichen starren Beschichtung erzielt werden, die auf die gesamte oder einen Teil der Oberfläche des Fadens aufgebracht wird. Solch eine Beschichtung stellt wieder sicher, dass die Fäden nicht komprimiert werden können. Obwohl es evident ist, dass eine Beschichtung über die gesamte Oberfläche die besten Resultate ergibt, es ist jedoch auch möglich, um Material zu sparen, sich mit einer Beschichtung in Teilen in mittleren Abständen zu begnügen, so dass sie hinreichende Starrheit für die Fäden bereitgestellt wird, um ihre Kompression unter einem Druck von etwa 1 bar zu verhindern. Als Beschichtung können beispielsweise ein Klebstoff oder andere auf dem Gebiet der Textilverarbeitung bekannte Appreturen verwendet werden.
Wenn die Harz-führenden Fäden Monofilamentfäden sind, bilden sie bereits ein Loch und können aus diesem Grund nicht abgeflacht werden. Ein ähnliches Ergebnis kann erzielt werden, wenn die Transportfäden mit einer Hülle versehen sind. Solch eine Hülle kann beispielsweise Gewirke oder ein Geflecht sein. Die Formbewahrung der Harz-führenden Fäden kann gleichermaßen weiterhin dadurch sichergestellt werden, dass sie einen Teil einer Struktur von Fäden bilden, die miteinander durch eine Bindung so verbunden sind, dass die runde Form der Transportfäden nicht oder kaum verzogen werden kann. Beispiele solcher Strukturen sind beispielsweise Gaze oder Gewebe, die gemäß der Rachel-Technik hergestellt sind.
Sowohl die verstärkenden Materialien als auch die Harzführenden Fäden gemäß der Erfindung können aus den üblichen Verstärkungsmaterialien gebildet werden, die für die Versteifung von Plastik eingesetzt werden, wie etwas Glas, Kohlenstoff, Kevlar (RTM), Flachs, anderen pflanzlichen oder synthetischen Fasern oder deren Kombinationen. Das für die Harz-führenden Fäden eingesetzte Material kann dasselbe wie der Rest des Verstärkungsmaterials oder ein anderes sein. Glas wird meistens als Verstärkungsmaterial und als Material für die Transportfäden verwendet.
Eine Verstärkungsschicht gemäß der Erfindung wird in der Praxis im allgemeinen in einer Baueinheit aus einer Mehrzahl von Schichten eingesetzt. Solch eine Baueinheit umfasst zumindest eine Verstärkungsschicht gemäß der Erfindung und kann zusätzlich beispielsweise Vorgarne und Matten umfassen. Es wird jedoch empfohlen, die Harz-führenden Fäden gleichförmig über die verschiedenen Verstärkungsschichten verteilt einzusetzen, da dann die homogenst mögliche Harzverteilung erhalten wird.
Die Erfindung erstreckt sich schließlich auf Verbundwerkstoffe, die aus zumindest einer Schicht oder Baueinheit gemäß der Erfindung bestehen, die in Harz eingebettet sind.
Durch Verwendung einer oder mehrerer Verstärkungsschichten gemäß der Erfindung zur Herstellung von Verbundwerkstoffen unter Verwendung der Vakuumtechnik kann nun ein Verbundwerkstoff ohne zwischengefügte Schichten (Entlüftung) mit vielen Vorteilen hergestellt werden. Erstens wird verhindert, dass sich eine harzreiche Schicht in der Mitte des Laminats bildet. Es gibt die Gefahr von Lufteinschluss, der in einer solchen Schicht stattfindet. Zusätzlich ist es durch Wählen des gleichen Materials für die Transportfäden wie für den Rest der Schicht möglich, zu verhindern, dass das Endprodukt laminatfremde Substanzen enthält. Da die Harzführenden Fäden gemäß der Erfindung vorzugsweise einen Teil des Rests des Verstärkungsmaterials ersetzen, wird der Verbundwerkstoff keine größere Dicke erfordern als tatsächlich wünschenswert. Da gemäß der Erfindung keine Zusatzschicht benötigt wird und die Fäden vorzugsweise verwendet werden, um einen Teil des Verstärkungsmaterials zu ersetzen, wird kein unnötiger Verbrauch des Harzes erforderlich. Eine zusätzliche Belüftung, welche keine Funktion im fertigen Laminat hat, erhöht darüber hinaus das Gewicht des Laminats. Dies wird ebenfalls durch die Harzführenden Fäden gemäß der Erfindung verhindert. Weiterhin wird verhindert, wenn die Dicke die gleiche ist, dass weniger Verstärkung eingeführt werden kann. Da eine Entlüftung selbst bereits eine relativ große Dicke aufweist, kann weniger echtes Material, welches die Verstärkung bereitstellt, verwendet werden. Die Belüftung wird aus kreuzweisen Fasern gebildet, die keine oder kaum irgendeine Verstärkung in einer Richtung bereitstellen.
Bei dieser Anmeldung versteht man unter "Verbundwerkstoff" ein Material, bei dem die Stützfunktion fast vollständig durch das Versteifungsmaterial (Verstärkungsmaterial) übernommen wird. Das Harz hat hierin einen dichtenden Charakter und dient zum Zwecke des Zusammenhalts und der Spannungsübertragung.
Unter "Vakuumtechnik" versteht man das Saugen von Harz mittels eines Vakuums durch eine geschlossene Form, die in sich eine oder mehr Verstärkungsschichten für den Zweck des Ausbildens eines Verbundwerkstoffs aufweist.
Eine "Verstärkungsschicht" ist eine Menge von Verstärkungsmaterial, welches Anhaftung zeigt. Der Begriff "Verstärkungsmaterial" wird für die Komponenten verwendet, aus denen eine Verstärkungsschicht besteht, wie etwa Multifilamente, Glasvorgewebe usw.
Die Erfindung wird weiter unter Bezugnahme auf das untenstehend folgende Beispiel erleuchtet.
Beispiel
Vergleich des Harztransports in verschiedenen Arten von Verstärkungsmaterial
1. Testanordnung
Die längliche Verstärkungsschicht zum Testen wurde zwischen zwei Lagen von als Form dienender Folie platziert. Die Folienblätter wurden ringsum abgedichtet, um die Erzeugung eines Vakuums in der Form zu ermöglichen. Ein Vakuum wurde an einem Ende der Form angelegt, während Harz am anderen Ende in die Form eingeleitet wurde. Ein Messlineal wurde in Längsrichtung der Form positioniert, um ein Bestimmen der von dem Harz pro Zeiteinheit abgedeckten Distanz zu ermöglichen.
2. Verstärkungsmaterialien
Als erstes Vergleichsmaterial wurde eine Baueinheit aus Verstärkungsschichten aus sechs Schichten unidirektionaler Gewebe hergestellt, wobei jede Schicht in Längsrichtung ein Gewicht von 1125 g/m² Glasvorgewebe und in Querrichtung ein Gewicht von 75 g/m² Glasvorgewebe aufwies. Eine Glasmatte von 50 g/m² wurde daran befestigt. Solch eine Baueinheit kann nicht ohne jegliche Probleme mittels Vakuumtechniken zu einem Verbundwerkstoff ausgeformt werden. Eine kontinuierliche Glasmatte von 450 g wurde daher als "Entlüfter" zwischen der dritten und der vierten Schicht von undirektionalen Geweben platziert. Die Dicke dieser kontinuierlichen Matte war ungefähr 0,8 mm. Die Dicke jeder Schicht unidirektionalen Gewebes betrug 0,9 mm.
Als zweites Vergleichsmaterial wurde die oben beschriebene Baugruppe von Verstärkungsschichten ohne den Entlüfter verwendet.
Beim Material gemäß der Erfindung wurden 20 g/m² Glasvorgewebe im oben erwähnten Gewebe von 1250 g/m² durch verzwirntes Glasgarn in der Richtung ersetzt, in welche der Harztransport gerichtet werden muss. Das Gewebe wird durch diesen Austausch nicht merklich verändert.
3. Ergebnis
Mittels des Vergleichsmaterials mit dem genannten (kontinuierlichen Matten-) Entlüfter kann das Harz mit der Vakuumtechnik in 15 min über etwa 35 cm transportiert werden. Ohne die kontinuierliche Glasmatte als Entlüfter, findet man, dass der Transport sich nur auf 10 cm in 15 min summiert. Der Harztransport im Material gemäß der Erfindung beläuft sich auf 35 cm in 15 min.
Es ist aus dem Vorstehenden ersichtlich, dass mit viel weniger Material und in einer einfachen Weise ein zumindest gleich gutes Ergebnis gemäß der Erfindung erhalten werden kann, als wenn ein Entlüfter eingesetzt wird.

Claims

Verstärkungsschicht für durch eine Vakuum-gestützte Harztransferformungstechnik zu formende Verbundwerkstoffe, wobei die Schicht im wesentlichen aus einem Verstärkungsmaterial besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht weiter zu einem kleineren Teil aus Harzführungsfäden von im wesentlichen rundem Querschnitt besteht, die im wesentlichen ihre Querschnittsform während des Formens bewahren, um längs von ihnen das Harz zu führen, wobei die Fäden im wesentlichen in Richtung des Harztransports orientiert sind.
Verstärkungsschicht gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportfäden in derselben Ebene wie der Rest des Verstärkungsmaterials liegen.
Verstärkungsschicht gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportfäden an einer oder beiden Seiten der Verstärkungsschicht anliegen.
Verstärkungsschicht gemäß Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial zumindest teilweise die Form von Endlosfäden, die im wesentlichen parallel angrenzend zueinander liegen, oder Multifilamenten annimmt.
Verstärkungsschicht gemäß Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Formbewahrung der Transportfäden erreicht wird, indem sie aus zwei oder mehr gezwirnten Einzelfäden bestehen.
Verstärkungsschicht gemäß Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Formbewahrung der Transportfäden dadurch erreicht wird, dass sie aus gedrillten Einzelfäden bestehen.
Verstärkungsschicht gemäß Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Formbewahrung der Transportfäden dadurch erreicht wird, dass sie aus einer Beschichtung bestehen, die auf der gesamten oder einem Teil der Oberfläche des Fadens aufgebracht ist.
Verstärkungsschicht gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein Klebstoff ist.
Verstärkungsschicht gemäß Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Formbewahrung der Transportfäden dadurch erreicht wird, dass sie Monofilamentfäden sind.
Verstärkungsschicht gemäß Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Formbewahrung der Transportfäden dadurch erreicht wird, dass sie mit einer Hülle versehen sind.
Verstärkungsschicht gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle aus einem Gewirke besteht.
Verstärkungsschicht gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle aus einer Umflechtung besteht.
Verstärkungsschicht gemäß Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Formbewahrung der Transportfäden dadurch erreicht wird, dass sie Teil einer Struktur von Fäden bilden, die miteinander durch eine Bindung verbunden so sind, dass die runde Form der Transportfäden nicht oder kaum verzogen werden kann.
Verstärkungsschicht gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Formbewahrung der Transportfäden dadurch erreicht wird, dass sie einen Teil einer Gaze bilden.
Verstärkungsschicht gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Formbewahrung der Transportfäden dadurch erreicht wird, dass sie einen Teil eines Gewebes bilden, welches gemäß der Rachel-Technik hergestellt ist.
Verstärkungsschicht gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportfäden aus Glas, Kohlenstoff, Kevlar (RTM), Flachs, anderen pflanzlichen oder synthetischen Fasern oder deren Kombinationen gebildet sind.
Verstärkungsschicht gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial aus Glas, Kohlenstoff, Kevlar (RTM), Flachs, anderen pflanzlichen oder synthetischen Fasern oder deren Kombinationen gebildet wird.
Verstärkungsschicht gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportfäden aus demselben Material wie das Verstärkungsmaterial hergestellt sind, aus welchem der Rest der Schicht besteht.
Baueinheit von Verstärkungsschichten, umfassend zumindest eine Verstärkungsschicht gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.
Verbundwerkstoff, bestehend aus zumindest einer in Polymer eingebetteten Schicht gemäß den Ansprüchen 1 bis 18 oder einer Baueinheit gemäß Anspruch 19.