EP2959044A1

EP2959044A1 - Faserbasierte trägerstruktur für flüssigkeiten und feststoffpartikel

Info

Publication number: EP2959044A1
Application number: EP14705188.2A
Authority: EP
Inventors: Gerald Ortlepp; Renate LÜTZKENDORF; Thomas Reussmann; Martin Danzer; Wolfgang Schmitz; Cornelia Finckh; Dörte Marlow
Original assignee: SGL Automotive Carbon Fibers GmbH and Co KG
Current assignee: SGL Automotive Carbon Fibers GmbH and Co KG
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2015-12-30
Also published as: WO2014128149A1; JP2016510091A; CN105339540A; HK1215597A1; DE102014102079A1; KR20150120445A; US20150354111A1; CA2900996A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine faserbasierte Trägerstruktur aus Anteilen industriell erzeugter Verstärkungsfaserstoffe, welche als eine erste Verstärkungsfaserkomponente endliche Fasern in einer wirren Anordnung umfasst und welche als eine zweite Verstärkungsfaserkomponente endliche Faserbündel umfasst, wobei die faserbasierte Trägerstruktur weiterhin ein Porensystem aufweist. Gemäß der Erfindung werden endliche Einzelfasern und endliche Faserbündel als Mischung bevorzugt in einer isotropen wirren Anordnung verwendet zur Erzeugung einer faserbasierten Trägerstruktur, deren Porensystem offenzellig und von außen offen zugänglich ist. Diese faserbasierte Trägerstruktur ermöglicht durch Wahl eines definierten Mischungsverhältnisses aus endlichen Faserbündeln und endlichen Einzelfasern die Aufnahme von Flüssigkeiten und/oder Feststoff Partikeln, wobei über das Mischungsverhältnis die Tränkbarkeit und die Aufnahmefähigkeit von flüssigen und/oder festen pulverförmigen Stoffen einstellbar ist.

Description

Faserbasierte Träqerstruktur für Flüssigkeiten und Feststoff Partikel Die vorliegende Erfindung betrifft eine faserbasierte Trägerstruktur aus Anteilen industriell erzeugter Verstärkungsfaserstoffe, umfassend als eine erste Verstärkungsfaserkomponente endliche Fasern in einer wirren Anordnung und umfassend als eine zweite Verstärkungsfaserkomponente endliche Faserbündel, wobei die faserbasierte Trägerstruktur weiterhin ein Porensystem aufweist.

[Stand der Technik]

In der WO 2012/072 405 A1 ist ein unidirektionale Faserbänder aufweisender Faservorformling beschrieben, der aus zwei Zonen aufgebaut ist, die sich voneinander unterscheiden. Dieser bekannte Faservorformling hat somit einen anisotropen Aufbau. In einer ersten Zone sind Verstärkungsfaserbündel angeordnet, die eine

Harzzusammensetzung aufweisen, während die zweite Zone einen unidirektional ausgerichteten Verstärkungsgarnstrang umfasst, sowie ebenfalls eine Harzzusammensetzung. Ziel dieses Dokuments ist die Bereitstellung eines Faservorform- lings, der eine Anpassung an die jeweiligen lokalen Belastungen im Bauteil ermög- licht.

Die WO 2010/139077 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs mit den Merkmalen der eingangs genannten Gattung. Dieser umfasst eine mindestens 20 Vol. % Luftporen enthaltende Kernschicht aus einem Wirrfa- sern verstärkten thermoplastischen Kunststoff und Verstärkungsstreifen aus kontinuierlichen, parallelen, unidirektionalen Verstärkungsfasern, die ein-oder beidseitig in die Oberfläche der Kernschicht eingeprägt sind. Die Verstärkungsfasern der Außenschicht werden mit Thermoplastbinder auf die Kernschicht thermisch aufgeschweißt. Es bleibt offen, wie der Luftporengehalt in der Kernschicht gezielt einge- stellt werden könnte bzw. ob diese Poren überhaupt noch von außen zugänglich sind. Hier liegt eine hohe Produktanisotropie zwischen Kern und Außenschicht vor. Die in die Oberfläche der Kernschicht eingeprägten Verstärkungsfaserstreifen sind parallel zueinander ausgerichtet. In diesem Dokument geht es um die Herstellung eines Verbundwerkstoffs mit hoher Festigkeit und Steifigkeit, der eine gute

Schallabsorption aufweist. Die Poren haben keine Bedeutung für die Aufnahme von Flüssigkeiten oder Feststoff Partikeln, d.h. es wird keine Tränkbarkeit angestrebt. Die DE 10 2007 012 608 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Preform für eine kraftflussgerechte Faserverbundstruktur, bei der ein durch aufspreizen eines Faserbündels erhaltenes flaches Faserband an einer vordefinierten Position platziert und danach mittels eines Bindermaterials fixiert wird. Da hier eine lastgerechte Anordnung der Faserbänder angestrebt wird, ergibt sich eine hohe Produkta- nisotropie. Es werden keine definierten Mischungen von Einzelfasern und Faserbündeln eingesetzt.

Die DE 10 2008 026 161 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, bei dem mit Endlosverstärkungsfasern gearbeitet wird, die mit einem Matrixmaterial unter Bildung eines imprägnierten Fasermaterials in unmittelbarer Nähe einer Formdüse zusammengeführt werden. Auch hier geht es um eine lastgerechte Anordnung von Verstärkungsfasern, was zu einer hohen Anisotropie in Faserausrichtung führt, wobei endlose Verstärkungsfasern eingesetzt werden.

Bei der Herstellung von Faserschichten in der klassischen Textilindustrie im Bereich der Vliesstoffe oder vliesähnlichen Füllstoffe ist man stets bestrebt, die eingesetzten endlichen Faserstoffe möglichst zu 100% komplett zu vereinzeln. Noch vorhandene Restfaserbündel, bei Chemiefasern auch als Schnittbündel bezeich- net, werden als Fehlstellen definiert und sollten möglichst nicht vorkommen. Dementsprechend spricht man nach dem derzeitigen Stand der Technik von Vliesstoffen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie aus Fasern bestehen, deren Lage sich nur mit den Methoden der Statistik beschreiben lässt. Vliesstoffe werden nach dem Fasermaterial (z.B. dem Polymer bei Chemiefasern), dem Bindungsverfah- ren, der Faserart (Stapel- oder Endlosfasern), der Faserfeinheit und der Faserorientierung unterschieden. Die Fasern können dabei definiert in einer Vorzugsrichtung abgelegt werden oder gänzlich stochastisch orientiert sein wie beim Wirrlagen-Vliesstoff oder Wirrvlies. Ein Vliesstoff mit definierten Anteilen von Faserbün- dein und Einzelfasern als Trägerstruktur für Substanzen sowie dessen Verwendung im Bereich der Faserverbundwerkstoffe ist bisher nicht bekannt. Die Trägerstruktur kann hier eine lose Faserschüttung bis zum verfestigten 2D- und SD- Gebilde, z.B. Vliesstoff = 2D, sein. Konventionelle Vliesstoffe, die mechanisch, thermisch oder chemisch gebunden sein können, verfügen je nach Faserstoff, Fasergeometrie (Dicke, Länge), Faserstoffmischung und Fertigung bzw. Verfestigung über nachweisbare Eigenschaften, um Flüssigkeiten oder Feststoff partikel in Form von Pulvern zu binden. Bei Flüssigkeiten spricht man von einem bestimmten Saugvermögen, was sich darin äu- ßert, dass mehr oder minder große Flüssigkeitsmengen - meist handelt es sich hier um wässrige, dünnflüssige Systeme für Anwendungen im Bereich der Reinigung oder des Aufsaugens im Sinne der Entsorgung, in einem Vliesstoff bis in die Innenlagen aufgenommen werden. Zähe Flüssigkeiten oder Schmelzen können ohne zusätzliche Hilfsmaßnahmen nur an der Vliesoberfläche aufgenommen wer- den. Mit zunehmender Zähigkeit/Viskosität der Flüssigkeit wird es immer schwieriger, diese bis in den Kern einer Vliesstoffschicht hineinzubringen. Hier hilft man sich mit langen Tränkzeiten, mit einer zusätzlichen aufwändigen Besaugung des Vliesstoffes z.B. mittels Vakuum oder über Druckinjektion mit nur begrenzten Erfolgen.

Ähnlich problematisch ist es, in solche konventionellen Vliesstoffe aus Einzelfasern Festpartikel in Form von Pulvern oder feinen Partikeln einzutragen. Sie bleiben meist auf der Vliesoberfläche liegen und dringen nur in oberflächennahe Schichten. Das engporige System aus Zwischenräumen beim Einsatz von Einzel- fasern verhindert ein tieferes Eindringen bis in den Vlieskern. Dieses hohe Partikelrückhaltevermögen von konventionellen Vliesstoffen wird beispielsweise in der Staub- oder Aerosolfiltration vorteilhaft ausgenutzt, ist jedoch in anderen Anwendungsbereichen z.B. bei der Herstellung faserverstärkter Kunststoffe, wo später aushärtende Matrixmaterialien in Form von zähen Flüssigkeiten oder Pulvern möglichst homogen in Verstärkungsfaservliesstoffen, -schüttungen oder matten eingebracht werden müssen, äußerst hinderlich.

Im Bereich der faserverstärkten Kunststoffe ist es erforderlich, dass pulverförmige Bindesubstanzen und zähviskose Flüssigbinder möglichst dicke Verstärkungsfaserschichten gleichmäßig durchdringen, um im späteren Faserverbundwerkstoff einen gleichmäßigen Fasergehalt über den Produktquerschnitt zu erhalten. Hier hilft man sich, indem man mitunter Matten aus 100% Schnittfaserbündeln einsetzt. Solche sogenannten Schnittrovingmatten, beispielsweise auf Basis von Glasfa- sern, verfügen zwar über eine gute Durchdringbarkeit mit hochviskosen Flüssigkeiten und Bindepulvern, sind jedoch nicht in der Lage, solche Bindesubstanzen im Sinne einer Depotbildung in großen Mengen bindend aufzusaugen und zu halten.

[Aufgabe der Erfindung]

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine faserbasierte Trägerstruktur mit den eingangs genannten Merkmalen zu definieren, hergestellt zum Beispiel aus Faserschüttungen aus endlichen Faserstoffen zufälliger Anordnung/Orientierung, die mattenähnlich oder dreidimensional geformt als Verstär- kungsfaserhalbzeug eine hohe und steuerbare Durchtränkbarkeit mit zähen Flüssigkeiten und Pulvern aufweist und gleichzeitig hohe Mengen dieser Substanzen im Inneren gleichmäßig verteilt deponieren kann.

Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine faserbasierte Trägerstruktur der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.

Die Erfindung stellt eine faserbasierte Trägerstruktur zur Herstellung faserverstärkter Verbundwerkstoffe zur Verfügung, die durch Einsatz einer definierten Mischung aus endlichen wirr angeordneten Faserbündeln und endlichen wirr angeordneten Einzelfasern besonders für die Aufnahme von Flüssigkeiten , Schmelzen und/oder

Feststoff Partikeln geeignet ist, wobei über das Mischungsverhältnis Faserbündel : Einzelfasern die Tränkbarkeit und die Aufnahmefähigkeit von flüssigen, auch zähflüssigen, und/oder festen pulverförmigen Stoffen einstellbar ist. Die Faserträ- gerstruktur verfügt hierbei in Länge, Breite und Dicke über eine gleiche Struktur und zeichnet sich durch ein offenzelliges, von außen offen zugängiges Porensystem aus. Die erfindungsgemäße Faserträgerstruktur besteht nicht wie in WO 2012/072405 A1 beschrieben aus mindestens zwei unterschiedlichen Produktzonen verschiedener Zusammensetzung und Orientierung oder wie in WO 2010/139077 beschrieben aus einem Kern und einer komplett anders aufgebauten Deckschicht aus Endlosfasern.

Bevorzugt resultieren die endlichen Faserbündel in der vorliegenden Erfindung aus ursprünglich endlosen, jedoch auf endliche Längen zerkleinerten Verstär- kungsfaserbündelstücken oder Multifilamentgarnstücken, bei denen die Einzelfasern durch nicht natürliche, bindende Mittel parallel über mindesten 50% ihrer Länge aneinander mechanisch lösbar haften. Es können aber auch Faserstoffe aus Recyclingprozessen sein, wenn diese bündelartig im Sinne dieser Erfindung resultieren.

Mit dieser Definition werden die bekannten Faserbündel der Naturfasern wie Flachs, Hanf, Nessel und Kenaf ausgeschlossen.

Diese langen, parallel und mechanisch lösbar aneinanderhaftenden Fasern im Faserbündel unterscheiden sich wesentlich von den in der Literatur beispielsweise beim Vermaschen oder Vernadeln von Vliesstoffen genannten Faserbündeln, die nur auf einer kurzen Strecke « 50% der Faserlängen z.B. beim lokalen Zusammenfassen von Wirrfasern in einem Vermaschungshäkchen oder in den Widerhaken beim Vernadeln aus vereinzelt vorliegenden Einzelfasern gebildet werden. Diese in der Literatur beschriebenen Faserbündel werden im Gegensatz zu den in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen endlichen Faserbündeln nur lokal durch äußere Presskräfte oder Bindepunkte zusammengehalten. Sie entstehen erst während der textilen Verarbeitung und werden in der Fachliteratur auch als mechanische Verfestigungspunkte bezeichnet, wohingegen die Faserbündel in der beschriebenen Erfindung bereits im Ausgangsmaterial, dem Faserstoff, vorhanden sind und nicht während des Verarbeitungsprozesses gezielt gebildet werden. Die in der verwendeten Mischung zum Einsatz kommenden Einzelfasern können aus dem gleichen oder einem anderen Polymer wie die eingesetzten Faserbündel bestehen. Dieses besondere, aus beiden Fasersystemen, Faserbündeln und Ein- zelfasern gebildete Trägerstruktur in definiert einheitlicher oder unterschiedlicher Dicke und/oder Flächenmasse wird mechanisch, thermisch und/oder chemisch stabilisiert und so fixiert, dass mindestens 10, maximal 90% des resultierenden, verfestigten Faserträgers aus Faserbündeln mit einer minimalen Anzahl von 10 parallel aneinanderhaftenden Einzelfasern bestehen und ein über die gesamte Struktur offen zugängliches, offenzelliges Porensystem entsteht. Das Porensystem umfasst eine Vielzahl miteinander verbundener Hohlräume, die durch Transportkanäle miteinander verbunden sind, um von außen aufgebrachte Pulver und/oder Flüssigkeiten in die Hohlräume zu transportieren zu können. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das Produkt aus einer definierte Mischung aus einzelnen endlichen Fasern und endlichen Faserbündeln zu erzeugen, diese zu einer Fläche oder dreidimensional zu formen und anschließend zu fixieren. Der Anteil der eingesetzten Faserbündel bestimmt dabei im entscheidenden Maß die Durchtränkbarkeit bzw. die Eindringtiefe hochviskoser und pulvriger Substanzen in die Produktschicht. Der Anteil der Einzelfasern bestimmt dabei im entscheidenden Maß die Eindringbarkeit speicherbarer Flüssigkeiten oder Pulver. Je höher der Anteil an Faserbündeln in der Struktur, desto höher der Anteil an größeren Hohlräumen mit Makroporen und teilweise durchgängigen Kanälen, je höher der Anteil an Einzelfasern in der Struktur desto höher der Anteil an kleineren Hohlräumen. Die Hohlräume sind dabei durch Transportkanäle miteinander verbunden, um von außen aufgebrachte Pulver und/oder Flüssigkeiten oder Schmelzen in die Hohlräume transportieren zu können. Überraschend hat sich gezeigt, dass in Abhängigkeit zu den Masseanteilen von Einzelfasern zu Faserbündeln sich die Tränkbarkeit einer solchen Struktur mit zähen Flüssigkeiten und Pulvern verändert. Je höher der Anteil an Einzelfasern ist, desto länger dauert ein Durchtränken und desto schlechter dringt ein Pulver in diese Struktur ein.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass dieser Effekt über eine gezielt einstellbare Mischung aus beiden Komponenten gezielt ausgebildet und gesteuert wird. Beim erfindungsgemäßen Produkt werden deshalb endliche Faserstoffe gleicher oder unterschiedlicher Art in zwei Formen, einer bündeligen, unzerfaserten Form und einer faservereinzelten Form in definierten Mengenanteilen so verarbeitet, dass in einer vliesstoffähnlichen Matte oder einem dreidimensionalem Formteil mindestens 10%, jedoch maximal 90% der eingesetzten Fasern noch als unzerfa- serte Bündel verbleiben und damit maßgeblich die weitere Verwendbarkeit als Faserhalbzeug zur Verstärkung von Kunststoffen bestimmt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Faserbündel und die Einzelfasern dabei in zufälliger Anordnung, ohne definierte Orientierung vor, wie man sie zum Beispiel durch eine wirre Schüttung erreicht.

Derartige Mischungen können einerseits durch gravimetrisches Abwiegen einer oder mehrerer bündeliger Faserkomponenten mit einer oder mehreren faserver- einzelten Faserkomponenten und anschließendes Durchmischen beispielsweise mit textiler Mischtechnik definiert erzeugt werden. Andererseits ist es möglich, ausgehend von einem > 90% faserbündeligen Ausgangsmaterial durch nachfolgende Bearbeitungsprozesse wie das textile Faseröffnen mittels Öffner, die Behandlung durch eine Mühle (DE102009023641 ) mit Reißer, Krempelwolf oder ähn- lieh arbeitenden Aggregaten einen je nach Öffungsintensität einstellbares Masseverhältnis zwischen Faserbündeln und Einzelfasern zu erzeugen. In Versuchsreihen sind dabei die anzuwendende Öffnungstechnik, Passagenanzahl und Parameter im Zusammenspiel mit dem Charakter des faserbündeligen Ausgangsmaterials so aufeinander einzustellen, dass der gewünschte Restbündelanteil im Pro- dukt resultiert. Haupteinflussparameter im Ausgangsmaterial sind die Faserbündellänge und die Haftintensität der Einzelfasern in den vorgelegten Faserbündeln. Das mechanisch lösbare parallele Aneinanderhaften der Einzelfasern über eine Länge > 50% der Einzelfaserlänge in den Bündeln wird maßgeblich durch die Art und Menge auf der Faseroberfläche befindlicher, faserpolymerfremder, adhäsiv wirkender Substanzen wie beispielsweise Schlichten und Avivagen bestimmt. Als

Bindemittel in den Bündeln können auch nicht vernetzte und/oder nicht ausgehärtete Polymere eingesetzt werden. Wichtiges Kriterium ist, dass diese Bündel mechanisch relativ leicht auflösbar sein müssen. Auf diese Art und Weise ist es technisch möglich, konstante Anteile von 10% bis 90% Faserbündeln und den Rest als Einzelfasern in einem Fasergemenge zu erzeugen, die durch mechanische und/oder pneumatische Verarbeitungsprozesse nachfolgend zu einer in Dicke und Flächenmasse definierten konstanten oder vari- ierenden Faserschicht aufgebaut werden kann. Die Faserbündel sind dabei so charakterisiert, dass sie aus mindestens 10 parallel aneinanderhaftenden Einzelfasern bestehen, die über mindesten 50% ihrer Länge aneinander haften. Die Faserbündel können mechanisch relativ leicht und ohne Faserschädigungen in kleinere Bündel bzw. Einzelfasern aufgelöst werden.

Diese Mischung aus Faserbündeln und Einzelfasern mit einem definierten und über die Produktionszeit konstant bleibendem Anteil an Faserbündeln und Einzelfasern führen zu einem definierten Dicken- und Flächenmasseprofil, wobei die Dicke als auch die Flächenmasse bei der Bildung der Faserschüttung zeitlich und flächig einheitlich oder gezielt unterschiedlich ausgebildet sein kann.

Für die Herstellung und Verarbeitung dieser Fasermischung aus bündeligen und vereinzelten Faserkomponenten können konventionelle faserverarbeitende Aggregate der Textilbranche wie Öffner, Mischkammern, Füllschächte, Airlay- und Faserblasanlagen eingesetzt werden, die jedoch technisch und technologisch so modifiziert sein müssen, dass das angestrebte Mischungsverhältnis von Bün- delanteilen und vereinzelten Fasern sichergestellt wird. Solche Modifikationen beinhalten eine Reduzierung der Anzahl von faseröffnenden Passagen, den Verzicht auf Karden und Krempel im Verarbeitungsprozess, die Reduzierung von Öffnungswalzendrehzahlen, den Einsatz gröberer Walzenbeschläge beim Durchmischen, Homogenisieren und Dosieren und die Vergrößerung von Abständen zwi- sehen zerfasernd wirkenden Arbeitsaggregaten. Alle Maßnahmen dienen im Gegensatz zum Stand der Technik dazu, die im Endprodukt vorteilhaft wirkenden Faserbündelanteile nicht oder nur in einem geringen Maß zu zerfasern. Deshalb wird in einer bevorzugten Ausführungsform auf den Einsatz von Karden und Krempel im Verarbeitungsprozess verzichtet. Die Art der Modifikationen ist abhängig von der zum Einsatz kommenden Anlagentechnik, dem eingesetzten Fasermaterial und dem im Endprodukt gewünschten Anteil von Faserbündeln. In Versuchen sind deshalb alle Einflussparameter gegeneinander abzustimmen und die notwendigen Anlagen- und Technologiemodifikationen vorzunehmen. Zum Legen der losen Faserschicht aus bündeligen und zerfaserten Anteilen eignen sich prinzipiell mechanisch und/oder pneumatisch arbeitende Aggregate wie Füllschächte, Airlay- oder Faserblasanlagen. Auch hier gilt, dass speziell über oben genannte Maßnahmen Anlagen und Verfahren so ausgelegt sein müssen, dass sie einerseits mischungshomogenisierend, andererseits in ihrer Faseröffnung / Zerfaserungsintensität definiert und nur so stark faseröffnend wirken, dass der angestrebte Zielbereich von Faserbündelanteil und Einzelfaseranteil erreicht wird. Werden im bestimmten Maß faseröffnende Aggregate eingesetzt, muss die zerfasernde Wirkung dieser Aggregate durch einen höheren Faserbündelanteil im be- reitgestellten Ausgangsmaterial berücksichtigt werden. Die Mischung aus Faserbündeln und Einzelfasern wird wirr abgelegt.

Während der Prozesse der Mischung und Homogenisierung und des Legens der Faserschicht können bereits pulverförmige Substanzen, thermisch bindende Kom- ponenten oder flüssige Bindemittel mit eingebracht werden, die nicht ursprünglicher Bestandteil der eingesetzten Fasern und/oder Faserbündel sind. Diese bindenden Komponenten werden eingesetzt zur Fixierung des Porensystems und der Trägerstruktur aus Einzelfasern und Faserbündeln und/oder als bindende Komponente in der Bildung der faserverstärkten Verbundwerkstoffe. Nach der Bildung der losen Faserschicht aus homogen verteilten Faserbündeln und Einzelfasern definierter Anteile ist es notwendig, diese besondere Struktur zu fixieren und gegen Handhabungsbeanspruchungen druck - und zugstabil zu machen. Hierzu können mechanische Verfahren wie das Vernadeln oder Vermaschen oder Bindemittelverfestigungen bindemittelhaltiger oder thermoplasthaltiger Schüttschichten ange- wandt werden.

Die Einwirkung von Kontakt- oder Strahlungshitze oder ein Durchströmen mit heißer Luft wirken aufschmelzend oder trocknen Flüssigbinderanteile. Das Aufbringen von Bindemitteln zur Fixierung des Porensystems und der Trägerstruktur aus Einzelfasern und Faserbündeln und/oder als bindende Komponente in der Bildung der faserverstärkten Verbundwerkstoffe nach der Schüttschichtbildung in Form einer Bepulverung oder eines Besprühens ist ebenso technisch möglich und wird vom Einsatzzweck der verfestigten Schicht bestimmt. Auch hier erfolgt die Verfestigung in der Regel durch eine das Bindemittel trocknende oder eine auf- bzw. anschmelzende Wärmebehandlung. Durch diese Prozesse wird das gezielt erzeugte Porensystem im Vlieshalbzeug fixiert. Das offene Porensystem des vliesartigen Halbzeuges besteht aus kleinen Hohlräumen, die sich insbeondere als Zwischenräume zwischen den wirren, sich kreuzenden und im Durchmesser sehr dünnen Einzelfasern bilden, und größeren Hohlräumen, die als Zwischenräume zwischen den wirren sich kreuzenden und im Durchmesser wesentlich größeren Faserbündeln entstehen. Je nach Anteil der Faserbündel an den Einzelfasern entsteht ein dementsprechend feineres oder gröberes offenporiges Hohlraumsystem bzw. Porensystem mit unterschiedlichen Tränkbarkeiten und Substanzspeichervermögen. Diese, entsprechend der Anteile von Einzelfasern und Faserbündeln gezielt ein- stellbaren Poren bzw. Hohlräume übernehmen in der nachfolgenden Weiterverarbeitung die Funktion des Bindemitteltransportes, bzw. der Bindemittelinfiltration des Vlieshalbzeuges sowie das Festhalten des Bindemittels im Vlieshalbzeug. Das gröbere, offene Porensystem bildet Transportkanäle für dickflüssige, zähviskose Bindeharze und Pulver, die bis in das Zentrum der Vliesschicht reichen. Da- mit ist es möglich eine angestrebte komplette, durchgängige Tränkung mit zähen Flüssigkeiten und Pulvern wesentlich zu unterstützen, was die Imprägniertechnologie kosten- und technologieseitig vereinfacht, Tränkzeiten verkürzt und den Einsatz dickerer Verstärkungsfaserhalbzeuge ermöglicht. Die feineren Poren auf Basis der Einzelfasern sorgen im Produkt dafür, dass die eingedrungenen Bindean- teile schwammartig im Produkt festgehalten und eingelagert werden.

Der Anteil von feinen und groben Poren wird durch die jeweiligen Anteile von groben Faserbündeln und feinen Einzelfasern im Vliesstoff bestimmt. In Abhängigkeit von Vliesdicke, einzusetzendem Tränkmedium zur Bildung der verfestigten Trägerstruktur oder des faserverstärkten Formteils und der Infiltrationstechnologie sind die Anteile von Faserbündeln und Einzelfasern in Vorversuchen für das jeweilige einzusetzende Fasermaterial zu testen und festzulegen. Durch das mechanische Vernadeln oder einen ähnlichen Prozess können zur bestehenden Porenstruktur zusätzliche vertikale Stichkanäle ausgebildet werden, die einen Bindemitteltransport in die Vliesschicht unterstützen und die Funktion der Tränkbarkeit be- einflussen. Durch eine Komprimierung der geschütteten Faserschicht wird in der

Regel die Durchtränkbarkeit des Vlieses reduziert und die Depotwirkung verringert. Im Zusammenspiel von Pressprozessen zur Vliesdickenreduzierung und angewandter Vliesverfestigung wird die erzeugte Tränkbarkeit nochmals gezielt be- einflusst und in ihrer Endqualität und -quantität fixiert. Der Einsatz dieser Faserhalbzeuge mit definiert faserbündeligen Anteilen konzentriert sich auf den Bereich der Faserverbundwerkstoffe. Dementsprechend sind die eingesetzten Faserstoffe im Bereich der üblichen Verstärkungsfaserstoffe an- gesiedelt. Dies können organische Faserstoffe wie para-Aramide als auch Glas- und Carbonfaserstoffe einschl. derartiger Faserstoffe aus verschiedenen Recyclingprozessen sein.

[Beispiele]

Ausführungsbeispiel 1

Ausgehend von einem stark faserbündeligen Ausgangsmaterial auf Basis mechanisch aufbereiteter Carbonfasergelege wurden durch unterschiedliche Faseröffnungsintensitäten auf einem Walzenöffner (Material 1 ) und einer Krempel 2 (Material 2) Faserschüttungen unterschiedlicher Faserbündeligkeiten erzeugt und diese zu einer gleichmäßigen Flächenmasse von 500 g/m² bei einer konstanten Schüttdicke aufgebaut. Die zum Einsatz gekommenen Carbonfasern aus einem mechanischen Recyclingprozess verfügten über eine mittlere Länge der Faserbündel von 45 mm. An den beiden Fasermaterialien wurde durch manuelles Durchmustern der Faserbündelanteil massebezogen ermittelt, mittels einer Luftdurchströmmethode der Luftdurchströmwiderstand als Maß einer Offenporigkeit und Zugänglichkeit für Partikel und Flüssigkeiten erfasst und mittels eines Tropfentestes bei Einsatz einer höherviskosen Flüssigkeit die Tropfen-Einsinkzeiten in Anlehnung an den TEGE- WA-Tropfentest als Maß für die Tränkbarkeit ermittelt.

Folgende Ergebnisse stellten sich ein:

Parameter Einheit Material Material 2

1

Faserbündeligkeit ^* [%] 80,5 51 ,9

Luftdurchströmwiderstand als Maß [mm Isop- 377 430 der Porosität^** ropanol]

Einsinkzeit im Tropfentest ^*** [s] 120 - 150 280 - 310

^* Die Faserbündeligkeit wurde durch manuelles Durchmustern einer Faserprobe von 1 g, Wägung der Anteile an Bündeln aus mindestens 10 Einzelfasern und Errechnung des masseprozentualen Anteils ermittelt.

*^* Die Bestimmung des Luftdurchströmwiderstandes erfolgte auf der Grundlage einer Veröffentlichung im Jahr 1964 von Geitel, K. : „Zur Theorie der Luftströmung durch Faserpfropfen", in„Faserforschung und Textiltechnik" 15 (1964)Heft 1 , S. 21 -29. Hier wird die Theorie der Luftströmung durch Faserpfropfen beschrieben. Danach ist der Druckabfall über einer durchströmten Fasermenge abhängig von

der strömenden Luftmenge je Zeiteinheit,

den Abmessungen der Messkammer (Durchmesser, Höhe),

der Viskosität des strömenden Mediums,

der Porosität der Fasermenge und

- der Faseroberfläche .

Mittels des Wollfeinheitsprüfer Typ 4/15/1 der Fa. Medimpex (Ungarn) wurde die Porosität eines Faserpfropfens mittels dieser Luftdurchströmungsmethode ermittelt. Der Faserpropfen ist in diesem Fall der Probekörper, gebildet aus der nach dem Ausführungsbeispiel hergestellten Trägerstruktur. Dabei wurden alle Parame- ter außer dem zu prüfenden Fasermaterial konstant gelassen. Der durch den Faserpfropfen erzeugte Luftwiderstand wird im Messgerät in [mm] einer Isopropa- nolflüssigkeitssäule abgelesen. Die Säulenhöhe in [mm] ist dabei direkt proportional zum aufgebauten Luftdurchströmwiderstand und damit indirekt proportional zu Porosität. Die Prüfungen wurden jeweils an 1 ,4 g Fasermaterial bei einer Luft- durchströmgeschwindkigkeit von 400 l/min vorgenommen.

^*** Im modifizierten Tropfentest wurde als Prüfflüssigkeit eine CMC-Lösung mit einer Viskosität (25 °C) bei Schergefälle 2/s von 1 ,7 Pas. Die Masse des Prüftropfens betrug stets 0,5 g. Ausführungsbeispiel 2

Ausgehend von einem stark faserbündeligen Ausgangsmaterial auf Basis mechanisch aufbereiteter Carbonfasergelege wurde dies mit 7% einer thermisch erwei- chenden Bindefaser GRILON MS 6,7 dtex/Varioschnitt innig über ein Mischbett und 1 Mischpassage mit einem Groböffner bei Einsatz einer mischöffnenden Stiftwalze und Zufuhr des Materials über ein Walzenpaar vermischt. Eine Hälfte dieser konstanten Ausgangsfasermischung aus stark faserbündeligen Carbonrecycling- fasern und thermisch erweichenden Bindefasern im Mischungverhältnis von 93/7 wurde anschließend über einen Speiser FBK 536 der Fa. Trützschler bei 2 m/min zu einer losen Schüttung von 370 g/m² gelegt. Die andere Hälfte des Ausgangsmaterials wurde als Vergleichsmaterial durch ein 2maliges Krempeln mit einer Walzenkrempel bei Einsatz von 3 Arbeiter/Wenderpaaren mit 10 m/min zu Krem- pelflor verarbeitet und mittels Quertäfler lose übereinandergeschichtet, so dass dabei eine Flächenmasse von 370 g/m² resultierte.

Anschließend wurden beide lose Faserschichten, Speiserschicht und gekrempelte und gelegte Schicht, mit einer Thermofix der Fa. Schott & Meissner bei einer Durchlaufgeschwindigkeit von 2 m/min, einer Heiztemperatur von 190°C und einem Spalt von 1 ,5 mm, in dem die beiden Faserschichten nacheinander zwischen einem oberem und unterem Transportband durch die thermische Verfestigungsanlage geführt wurden, zu einer Matte teilverfestig und die ausgebildeten Hohlraum- und Porenstrukturen fixiert.

Anschließend wurde an beiden Vliesstoffmatten die Wasseraufnahme nach DIN 53923 als Maß der Speicherfähigkeit für Flüssigkeiten durchgeführt. Vor der thermischen Verfestigung wurde der Masseanteil der Faserbündel in beiden losen Faserschichten ermittelt.

Folgende Ergebnisse stellten sich ein:

Probe Vliestoffmattenart

Speisergelegt Krempelgelegt

Wasseraufnahme nach DIN 53923

1202 % 929 %

2 1069 % 930 %

3 1097 % 866 %

4 1065 % 846 %

5 1097 % 902 % Mittelwert 1106 % 895 %

Faserbündel-

Anteil 85% 6,6 %

Während bei der ersten erfindungsgemäßen faserbasierten Trägerstruktur ein hoher Anteil an Faserbündeln verwendet wurde (Verhältnis Anteil Faserbündel zu Einzelfasern ca. 5,66 : 1 ) ist bei der krempelgelegten Vliesstoffmatte, die als Vergleichsmaterial diente (in der obigen Tabelle rechts), der Einzelfaseranteil ver- gleichsweise hoch (Verhältnis Anteil Einzelfasern zu Faserbündeln ca. 14,15 : 1 ). Die obige Tabelle zeigt, dass die Wasseraufnahme bei dem erfindungsgemäßen Trägermaterial wesentlich höher ist als bei dem Vergleichsmaterial.

Claims

[Patentansprüche]

1 . Faserbasierte Trägerstruktur für Flüssigkeiten, Schmelzen und Feststoffpartikel aus Anteilen industriell erzeugter Verstärkungsfaserstoffe,

umfassend als eine erste Verstärkungsfaserkomponente endliche Fasern in einer wirren Anordnung,

umfassend als eine zweite Verstärkungsfaserkomponente endliche Faserbündel, wobei die faserbasierte Trägerstruktur weiterhin ein Porensystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass

endliche Einzelfasern und endliche Faserbündel als Mischung in einem definierten Mischungsverhältnis von 1 : 9 bis 9 : 1 vorliegen und dass das Porensystem of- fenzellig und von außen offen zugänglich ist.

2. Faserbasierte Trägerstruktur nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, das die endlichen Einzelfasern und endlichen Faserbündel in einer isotropen, wirren Anordnung vorliegen.

3. Faserbasierte Trägerstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch eine Faserschüttung ausgebildete Porenstruktur teilverdichtet und mechanisch, thermisch und/oder chemisch stabilisiert und fixiert ist.

4. Faserbasierte Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelfaseranteile in der Mischung aus Faserbündeln und Einzelfasern erhalten wurden durch nicht vollständiges Öffnen von Faserbündeln.

5. .Faserbasierte Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel eine mittlere Bündeldicke von mindestens 10 Einzelfasern aufweisen, die über mindestens 50% der Faserlänge parallel aneinanderhaften.

6. Faserbasierte Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel und/oder mindestens ein Anteil der Einzelfasern über eine Faserlängenverteilung verfügen.

7. Faserbasierte Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel eine von den Einzelfasern verschiedene mittlere Länge aufweisen.

8. Faserbasierte Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese vor der Ausbildung der Faserschicht, gleichmäßig verteilt zugemischt, erweichbare Bindefasern und/oder ein Pulver umfasst.

9. Faserbasierte Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die als Ausgangsmaterial eingesetzten Faserstoffe eine einheitliche Stoffnatur und Geometrie aufweisen oder eine Mischung von Faserstoffen unterschiedlicher Stoffe und/oder Geometrie sind.

10. Verfahren zur Herstellung einer faserbasierten Trägerstruktur nach ei- nem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass man eine oder mehrere bündelige Faserkomponenten sowie eine oder mehrere faservereinzelte Faserkomponenten jeweils gravimetrisch abwiegt und anschließend mit textiler Mischtechnik durchmischt.

1 1 . Verfahren zur Herstellung einer faserbasierten Trägerstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasermischung volumetrisch und/oder pneumatisch in einer Schicht mit einer Dicke von 0,5 bis 20 cm, vorzugsweise 2 bis 10 cm, lose und bevorzugt ohne vorrangige Orientierung abgelegt wird.