DE102011087194A1

DE102011087194A1 - Large-Tow-Kohlenstofffaser-Verbundmaterial mit verbesserten Biegeeigenschaften und verbesserten Oberflächeneigenschaften

Info

Publication number: DE102011087194A1
Application number: DE201110087194
Authority: DE
Inventors: Hyun Min Kang; Sang Mu Lee; Chi Hoon Choi; Cheol Choi; Sang Sun Park
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2013-03-14
Also published as: KR20130028561A; US20130065469A1; CN102990999A

Abstract

Es ist ein Kohlenstofffaser-Verbundmaterial offenbart, das 30 bis 80 Gew.-% eines Kohlenstofffasergewebes, bei dem eine Filamentstärke der Kohlenstofffasern 24 K bis 100 K beträgt; 0,1 bis 20 Gew.-% eines Kohlenstofffaservlieses, dessen Gewicht pro Flächeneinheit 10–500 g/m2 beträgt; und 10 bis 70 Gew.-% eines Polymerharzes, dessen Viskosität beim Transfer 0,01–10 Pa·s beträgt, umfasst. Es ist in vorteilhafter Weise möglich, ein spritzgegossenes Produkt aus dem Kohlenstofffaser-Verbundmaterial zu erhalten, das gute Oberflächeneigenschaften und gute Biegeeigenschaften aufweist, indem – unter Verwenden des Kohlenstofffaser-Verbundmaterials – das Kohlenstofffaservlies selektiv auf eine Oberfläche des Materials aufgebracht wird.

Description

Hintergrund
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kohlenstofffaser-Verbundmaterial, bei welchem eine LargeTow-Kohlenstofffaser eingesetzt wird, um die Produktivität zu verbessern und um die Kosten des Spritzgussverfahrens für ein Kohlenstofffaser-Verbundmaterial mit Hilfe eines Harztransfer-Spritzgussverfahrens zu senken, wobei das Kohlenstofffaser-Verbundmaterial Probleme, die mit den Oberflächeneigenschaften in Zusammenhang stehen, die durch die Anwendung desselben verursacht werden, vermindert und gleichzeitig ein Verbundmaterial mit guten Biegeeigenschaften bereitgestellt wird.
(b) Stand der Technik
Ein Kohlenstofffaser-Verbundmaterial mit – im Vergleich zu Stahl und Leichtmetall – ausgezeichneter spezifischer Festigkeit wurde bislang nur in militärischer Ausrüstung und in der Ausrüstung für Luft- und Raumfahrt angewendet, die extrem feste und leichte Materialien erfordern. Daneben wurde es auch aufgrund seines ungeheuer teuren Preises für das Chassis oder Karosserieteile von Rennwagen oder Edelautomobilen verwendet. Aufgrund des leichten Gewichts der Kohlenstofffaser hat die Anwendung jedoch zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs, zu einer Abnahme der Korrosionsbeständigkeit, zu Schlagfestigkeit und zu Agilität geführt. Aufgrund seiner Formbarkeit erhöht sich durch die Anwendung zudem das Ausmaß der Gestaltungsfreiheit. Eine großtechnische Anwendung in der Automobilindustrie für Massenproduktionen kann aufgrund der geringen Produktivität und der hohen Kosten für das Kohlenstofffaser-Verbundmaterial jedoch noch nicht umgesetzt werden.
Aufgrund der strengeren Umweltbestimmungen und der dauerhaft hohen Ölpreise steigt seit kurzem das Interesse an der Anwendung eines Kohlenstofffaser-Verbundmaterials in Hybridfahrzeugen und elektrischen Fahrzeugen. Die Verwendung in diesen Fahrzeugen würde zu einer Reduktion des Gesamtgewichts des Fahrzeugs und zu einer Verringerung der erforderlichen Batteriekapazität und Motorgröße sowie gleichzeitig zu einer Steigerung der Fahrleistung und des Antriebsbereichs führen. Ebenso können durch die Verwendung die Kosten für die Batterie und den Motor gesenkt werden.
Dementsprechend wurden verschiedene Versuche unternommen, um das Produktivitätsproblem zu lösen, welches eines der größten Probleme in Verbindung mit der Anwendung in der industriellen Massenproduktion darstellt, da es die Entwicklung einer Spritzgusstechnik zur Verbesserung der Produktivität eines aus dem Verbundmaterial spritzgegossenen Produkts, das eine hohe Festigkeit/Steifigkeit und eine gute Qualität besitzen soll, erfordert. Ein Spritzgussverfahren für ein Kohlenstofffaser-Verbundmaterial, das als Strukturmaterial verwendet werden soll, ist ein Verfahren des Laminierens von Prepregs („Prepregs” = „preimpregnated fibers” = vorimprägnierte Fasern). Genauer gesagt wird ein Harz, bevor es dem Spritzguss unterzogen wird, bei einer hohen Temperatur/einem hohen Druck vorimprägniert.
Aufgrund seiner geringen Produktivität und ebenso aufgrund seiner hohen Kosten wird dieses Verfahren jedoch nach und nach durch das Harztransfer-Spritzguss-(Resin Transfer Molding, RTM-)Verfahren ersetzt. Insbesondere wird ein Kohlenstofffaser-Gewebe mit einer bestimmten Form in eine Spritzgussform eingebracht und ein duroplastisches Harz wird in eine Aushöhlung der Spritzgussform transferiert, worauf dieses in das Gewebe einimprägniert und gleichzeitig ausgehärtet wird, so dass ein spritzgegossenes Produkt erhalten wird. Eine Spritzgussform für den Transfer des Harzes ist gewöhnlich eine Spritzgussform mit einer hohen Steifigkeit, im Falle eines großen spritzgegossenen Produkts wird jedoch für einen Teil der Spritzgussform ein biegsames Material verwendet.
Traditionell wurde auch das VaRTM (Vakuum Assisted Resin Transfer Molding; vakuumgestütztes Harztransfer-Spritzguss-) Verfahren dazu verwendet, die Dauer des Harztransfers zu verkürzen. Beim VaRTM wird an die einem Harz-Inlet gegenüberliegende Seite ein Vakuum angelegt. Wenn jedoch ein biegsames Material für einen Teil der Spritzgussform verwendet wird, kann das Harz nicht mehr in einem Gewebe verteilt werden, weil der Harzfluss aufgrund des engen Kontakts der Spritzgussform mit einem spritzgegossenen Material blockiert wird.
Um diese Probleme zu lösen, wird üblicherweise eine netzartige dünne Folie als Medium zur Verteilung des Harzes verwendet, um so die Verteilung des Harzes zu erleichtern. Dieses Medium zur Verteilung des Harzes wird jedoch üblicherweise aus einem aus dem Verbundmaterial spritzgegossenen Produkt entfernt und entsorgt. Das Medium zur Verteilung des Harzes muss das Harz effizient verteilen können, da das Medium jedoch nach dem Spritzguss entfernt wird, können die Produktionskosten ansteigen und Umweltprobleme verursacht werden.
Als eine Möglichkeit, diese Probleme zu lösen, wurde ein Verfahren verwendet, bei dem eine Kerbe für die Verteilung des Harzes auf der Oberfläche eines Kernmaterials, wie beispielsweise Polyurethan bildenden Mitteln, gebildet wird, verwendet ( japanisches Patent Nr. 2000-501659 und japanisches Patent Nr. 2001-510748 ). Ferner wurde als ähnliche Technik auch ein Verfahren in Betracht gezogen, bei dem eine Kerbe zur Verteilung des Harzes in einer formgebenden Spritzgussform gebildet wird ( japanische Patentveröffentlichung Nr. 2001-62932 ). Diese Verfahren berücksichtigen jedoch nicht die Abnahme der Oberflächenqualität, die auftreten kann, wenn eine LargeTow-Kohlenstofffaser verwendet wird.
Ein Kohlenstofffaser-Verbundmaterial, das in der Luft- und Raumfahrtechnik eingesetzt wurde, ist zumeist SmallTow von 1~42 K [K steht für 1.000 und 12 K bezeichnet ein Bündel von Kohlenstofffasern, das bis zu 12.000 Fasern mit einem Durchmesser von 7~10 μm enthält], in Materialien für eine industrielle Verwendung, einschließlich Fahrzeugen, ist jedoch die Verwendung einer LargeTow-Kohlenstofffaser mit 24 K~50 K zunehmend mehr gewünscht. Wenn eine LargeTow-Kohlenstofffaser verwendet wird, kann die Produktivität verbessert werden, da das Produktionsvolumen pro Zeiteinheit zunimmt und ebenso die Kosten reduziert werden, da eine LargeTow-Kohlenstofffaser kostengünstiger ist als eine SmallTow-Kohlenstofffaser. So ist entsprechend eine Lösung für ein Harztransfer-Spritzgussverfahren, das gute Oberflächeneigenschaften bereitstellt, selbst wenn eine LargeTow-Kohlenstofffaser verwendet wird, erforderlich. Ebenso ist gewünscht, dass das Verfahren auch eine höhere Produktivität aufweist und die Kosten gesenkt werden können.
Zusammenfassung der Offenbarung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verbundmaterial bereit, das eine Abnahme der Oberflächenqualität, die hervorgerufen wird, wenn in dem Verbundmaterial eine HeavyTow-Kohlenstofffaser verwendet wird, verhindert oder erheblich verringert und ebenso die Produktivität verbessert und die Kosten reduziert, wenn das Verbundmaterial mit Hilfe eines Harztransfer-Spritzgussverfahrens hergestellt wird.
In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Kohlenstofffaser-Verbundmaterial bereit, das zu 30 bis 80 Gew.-% aus einem Kohlenstofffasergewebe, bei dem die Filamentstärke der Kohlenstofffasern 24 K bis 100 K beträgt, zu 0,1 bis 20 Gew.-% aus einem Kohlenstofffaservlies und zu 10 bis 70 Gew.-% aus einem Polymerharz besteht.
Die vorstehend angegebenen und weitere Merkmale der Erfindung werden im Folgenden erläutert.
Kurze Beschreibung der Figuren
Im Folgenden werden die vorstehend angegebenen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen derselben beschrieben, welche in den beigefügten Figuren veranschaulicht sind, die hierin nachfolgend lediglich zu Veranschaulichungszwecken angegeben sind und die vorliegende Erfindung daher in keiner Weise einschränken sollen. In den Figuren gilt:
1 ist eine schematische Darstellung eines Harztransfer-Spritzgussverfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A, B sind Aufnahmen, die eine ebene Oberfläche eines LargeTow-Kohlenstofffaser-Verbundmaterials vor (A) oder nach (B) dem Aufbringen einer Zusammensetzung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen; und
3A, B sind Aufnahmen, die eine Oberfläche eines biegbaren Abschnitts eines LargeTow-Kohlenstofffaser-Verbundmaterials vor (A) oder nach (B) dem Aufbringen einer Zusammensetzung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Die in den Figuren angegebenen Bezugszeichen bezeichnen die folgenden Bauteile, wie sie nachfolgend weiter erläutert sind:
Es sollte verstanden werden, dass die beigefügten Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugter Merkmale zeigen, die die zugrunde liegenden Prinzipien der Erfindung veranschaulichen. Spezielle Merkmale der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich von zum Beispiel bestimmten Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen, werden zum Teil durch die Bedingungen und Umstände der speziell angestrebten Anwendung und Verwendung bestimmt werden.
In den Figuren bezeichnen die Bezugszeichen jeweils gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung
Im Folgenden wird nun ausführlich auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, die beispielhaft in den beigefügten Figuren veranschaulicht und nachfolgend beschrieben sind. Obwohl die Erfindung anhand von beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, soll verstanden werden, dass die vorliegende Beschreibung die Erfindung nicht auf diese beispielhaft angegebenen Ausführungsformen einschränken soll. Vielmehr soll die Erfindung nicht nur die beispielhaft angegebenen Ausführungsformen, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen abdecken, die im Geiste und Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, enthalten sein können.
Es soll verstanden werden, dass der Begriff „Fahrzeug” oder „Fahrzeug-” oder ein weiterer ähnlicher Begriff, wie er hierin verwendet wird, Motorfahrzeuge allgemein, wie beispielsweise Personenfahrzeuge, einschließlich Geländewagen (sports utility vehicles, SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen, sowie Hybridfahrzeuge, elektrische Fahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge und Fahrzeuge, die mit weiteren alternativen Kraftstoffen betrieben werden (z. B. Kraftstoffen, die aus anderen Quellen als Erdöl stammen), einschließt. Wie es hierin verwendet wird, bezeichnet ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das über zwei oder mehr Antriebsquellen verfügt, zum Beispiel Fahrzeuge, die sowohl mit Benzin als auch mit Strom betrieben werden können.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kohlenstofffaser-Verbundmaterial, das ein duroplastisches Kohlenstofffaser-Verbundmaterial ist, bei welchem eine LargeTow-Kohlenstofffaser eingesetzt wird, die mit Hilfe eines Harztransfer-Spritzgussverfahrens hergestellt wurde, und das gute Oberflächen- und Biegeeigenschaften aufweist.
Das Kohlenstofffaser-Verbundmaterial gemäß eines Charakteristikums der vorliegenden Erfindung umfasst 30 bis 80 Gew.-% eines Kohlenstofffasergewebes, das eine Filamentstärke der Kohlenstofffasern von 24 K bis 100 K aufweist, 0,1 bis 20 Gew.-% eines Kohlenstofffaservlieses mit einem Gewicht pro Flächeneinheit von 10–500 g/m², und 10 bis 70 Gew.-% eines Harzes mit einer Viskosität beim Einspritzen von 0,01–10 Pa·s. Dieses Verbundmaterial ist durch gute Oberflächeneigenschaften und gute Biegeeigenschaften gekennzeichnet, wenn das Kohlenstofffaservlies selektiv auf die Materialoberfläche aufgebracht wird, wenn das Verbundmaterial mit Hilfe eines Harztransfer-Spritzgussverfahrens hergestellt wird.
Die Kohlenstofffaser kann eine beliebige Faser sein, einschließlich einer Faser, die aus einer Polyacrylnitril-(PAN-)Faser, einer Pechfaser, einer Rayonfaser oder einer Ligninfaser hergestellt wurde. Die Kohlenstofffaser kann hergestellt werden, indem die Faser mit anderen Faserarten gemischt wird und, wenn zwei oder mehrere Fasern miteinander gemischt werden, können andere Fasern als Kohlenstofffasern, wie beispielsweise Glasfasern oder Aramidfasern, zusammen verwendet werden. Diese Kohlenstofffaser kann vorzugsweise eine auf PAN basierende Kohlenstofffaser mit guten physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise einer guten Festigkeit und einem guten Biegemodul, und einem guten Kostengleichgewicht sein. Die Kohlenstofffaser wird im Allgemeinen mit einem oder mehreren Oberflächenbehandlungsverfahren oder -materialien behandelt. Ein geeignetes Oberflächenbehandlungsverfahren ist ein Verfahren, bei dem die Oberfläche der Kohlenstofffaser mit Hilfe eines geeigneten Verfahrens oxidiert wird und mit einem Material, wie beispielsweise Polyamid, Urethan und Epoxy beschichtet wird. Die Oxidation der Oberfläche der Kohlenstofffaser mit Hilfe des geeigneten Verfahrens kann durch Einbringen einer funktionellen Gruppe, die dann ein gutes Adhäsionsvermögen bezüglich des Beschichtungsmaterials zeigt, erfolgen. Dies hilft dabei, das Dispersionsvermögen der Faser in der Zusammensetzung zu verbessern. Die Menge des bei der Oberflächenbehandlung verwendeten Beschichtungsmaterials kann etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Kohlenstofffaser betragen.
Eine Kristallgröße der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Kohlenstofffaser, die mittels Weitwinkel-Röntgenstrahlstreuung (Wide-Angle X-ray Scattering, WAXS) gemessen wird, kann bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 6 nm liegen. Wenn die Größe weniger als 1 nm beträgt, kann die spezifische Festigkeit der Kohlenstofffaser selbst abnehmen, da keine ausreichende Carbonierung oder Graphitierung der Kohlenstofffaser vorliegt. In manchen Fällen nimmt die mechanische Festigkeit der erhaltenen spritzgegossenen Produkte daher ab. Wenn die Größe jedoch mehr als 6 nm beträgt, ist zwar die Leitfähigkeit der Kohlenstofffaser selbst aufgrund einer ausreichenden Carbonisierung und Graphitierung der Kohlenstofffaser ausgezeichnet, die Faser ist jedoch schwach und kann leicht beschädigt werden und es wird daher nicht bevorzugt, eine gute Kompensationswirkung bezüglich der physikalischen Eigenschaften zu erhalten, da die Faserlänge in dem spritzgegossenen Produkt leicht zu kurz wird. Die Größe kann in einem Bereich von 1,3 bis 4,5 nm, besonders bevorzugt 1,6 bis 3,5 nm und ganz besonders bevorzugt und insbesondere 1,8 bis 2,8 nm liegen. Der mittlere Durchmesser einer einzelnen Faser der Kohlenstofffaser liegt in einem Bereich von 1 bis 20 μm, vorzugsweise 4 bis 15 μm, besonders bevorzugt 5 bis 11 μm und ganz besonders bevorzugt 6 bis 8 μm. Wenn der Durchmesser kleiner als 1 μm ist, können nicht die gewünschten mechanischen Eigenschaften erhalten werden und wenn er größer als 20 μm ist, kann die Kompensationswirkung bezüglich der spezifischen Festigkeit abnehmen.
Die Menge der Kohlenstofffaser kann vorzugsweise etwa 30 bis etwa 80 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung, besonders bevorzugt etwa 40 bis 60 Gew.-% und noch weiter bevorzugt etwa 40 bis etwa 50 Gew.-% betragen. Wenn die Menge weniger als 30 Gew.-% beträgt, kann nicht die gewünschte mechanische Festigkeit erhalten werden, und wenn sie mehr als 80 Gew.-% beträgt, kann die Formbarkeit abnehmen, da das Harz für den Spritzguss das Versteifungsmittel nicht vollständig imprägnieren kann. Es wäre daher schwierig, ein hinreichend leichtes Produkt herzustellen.
Die Filamentstärke der Kohlenstofffasern kann – im Hinblick auf die Produktivität und eine Kostenreduzierung – vorzugsweise 24 K–100 K betragen, besonders bevorzugt 30 bis 70 K und ganz besonders bevorzugt 40 bis 60 K. Wenn die Stärke weniger als 24 K beträgt, kann die Kohlenstofffaser im Hinblick auf die Kosten und die Produktivität keinen Vorteil bieten, und wenn sie mehr als 100 K beträgt, können die Eigenschaften aufgrund einer durch die geringe Imprägnierungsleistung verursachte, starke Blasenbildung verschlechtert werden.
In der vorliegenden Erfindung gibt es drei Arten an Kohlenstofffasergeweben, wie mit einer Leinwandbindung, einer Köperbindung und einer Atlasbindung wie bei einem allgemeinen Gewebe, die man eine Drei-Basis-Gewebebindung oder eine Originalgewebebindung nennt, was für Modifikationen oder das Auslösen bzw. Beginnen/Starten der Gewebebindungen von grundlegender Bedeutung ist. Die Originalgewebebindung kann modifiziert und aufgebracht werden, indem man sie an die Spezifikationen bzw. Eigenschaften des finalen spritzgegossenen Produkts anpasst.
Das Gewicht des Kohlenstofffaservlieses, das selektiv auf eine Oberfläche des Verbundmaterials aufgebracht werden kann, pro Flächeneinheit kann vorzugsweise 10 bis 500 g/m², besonders bevorzugt 100 bis 300 g/m² und ganz besonders bevorzugt 150 bis 200 g/m² betragen. Wenn das Gewicht pro Flächeneinheit kleiner als 10 g/m² ist, kann die Festigkeit des Gewebes zu klein werden, da es zu dünn werden kann, und die Porosität kann zu groß werden, so dass es während der Anwendung nicht einfach handzuhaben sein kann, und wenn es mehr als 500 g/m² beträgt, können die physikalischen Eigenschaften des Verbundmaterials selbst entscheidend abnehmen, da das Produkt übermäßig dick ist.
Das Kohlenstofffaservlies kann bevorzugt in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 20 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundmaterials, besonders bevorzugt 1 bis 15 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 5 bis 10 Gew.-% verwendet werden. Wenn die Menge kleiner als 0,1 Gew.-% ist, ist es schwierig, eine Verstärkung der Oberfläche und eine Verbesserung der Biegeeigenschaften zu erreichen. Währenddessen können, wenn sie mehr als 20 Gew.-% beträgt, die gewünschten mechanischen Eigenschaften nicht erhalten werden.
In der vorliegenden Erfindung kann die Viskosität des duroplastischen Harzes bei seinem Transfer vorzugsweise 0,01 bis 10 Pa·s, besonders bevorzugt etwa 0,01 bis 5 Pa·s und besonders bevorzugt etwa 0,01 bis 1 Pa·s betragen. Wenn die Viskosität des Harzes beim Transfer weniger als 0,01 Pa·s beträgt, können die physikalischen Eigenschaften schlechter werden, und durch Verdampfen des niedermolekularen Bestandteils während des Aushärtens können Blasen erzeugt werden. Im Gegensatz dazu werden, wenn sie mehr als 10 Pa·s beträgt, Blasen erzeugt, da das Harz aufgrund einer Abnahme seiner Beweglichkeit („flexibility”) während des Spritzgießens nicht vollständig einimprägniert wird, so dass die physikalischen Eigenschaften abnehmen können.
In der vorliegenden Erfindung kann die Menge des Harzes bevorzugt 10 bis 70 Gew.-% betragen, besonders bevorzugt 20 bis 60 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 25 bis 50 Gew.-%. Wenn die Menge an Harz weniger als 10 Gew.-% beträgt, können die Eigenschaften aufgrund der geringen Imprägnierung abnehmen. Im Gegensatz dazu können die gewünschten mechanischen Eigenschaften für ein Strukturmaterial nicht erhalten werden, wenn sie mehr als 70 Gew.-% beträgt.
Standardkriterien zur Auswahl eines verwendbaren Harzes sind dessen chemische Beständigkeit, mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften und dessen Beständigkeit gegen Einflüsse aus der Umgebung. Beispielsweise kann Isophthalpolyester verwendet werden, wenn eine hohe und mäßige chemische Beständigkeit erforderlich ist; ein auf einem Vinylester basierendes Harz kann verwendet werden, wenn weiterhin eine große Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist; und ein Epoxyharz mit niedriger Viskosität kann verwendet werden, wenn gute mechanische und thermische Eigenschaften gefordert sind. Die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann ferner zusätzlich zu den Bestandteilen ein Flammschutzmittel, ein Antioxidationsmittel, einen Wärmestabilisator, ein Schmiermittel, einen Farbstoff, ein Pigment und ein anorganisches Füllmaterial enthalten.
Die Zusammensetzung wird in einem Harztransfer-Spritzgussverfahren verwendet, so dass ein spritzgegossenes Produkt bereitgestellt wird. Mit diesem Verfahren kann eine komplexe dreidimensionale Struktur mit einer Anisotropie im faserverstärkten Verbundmaterials bereitgestellt werden; und es weist eine erhebliche Produktzuverlässigkeit und ausgezeichnete Reproduzierbarkeitseigenschaften auf, so dass es zum Spritzgießen eines Verbundmaterialbauteils geeignet ist. Daneben können, in Massenproduktion, komplexe Formen kostengünstig hergestellt werden und hochpräzise Produkte realisiert werden. Das Harztransfer-Spritzgussverfahren wird durchgeführt, indem eine faserverstärkende Vorform in eine Spritzgussform mit einer gewünschten Form eingebracht wird und ein Harz durch einen Einlass in die Spritzgussform transferiert wird und dieses anschließend zum Zwecke des Spritzgießens erwärmt wird. Das Harztransfer-Spritzguss-(resin transfer molding, RTM)Verfahren weist geringe anfängliche Kosten für die Vorbereitung der Spritzgussform, die Ausrüstung und Vorrichtungen, wie beispielsweise die Transfermaschine, auf, da diese im Gegensatz zu einem anderen Harztransfer-Spritzgussverfahren bei niedrigen Drücken (z. B. 20–50 psi) betrieben wird. Daneben sind die Steuerung der Menge und der Richtung eines inneren Versteifungsmittels und der Einbau eines Einsatzstücks zur Verbindung derselben mit anderen Bauteilen vereinfacht.
1 zeigt eine schematische Abbildung eines in der vorliegenden Erfindung verwendeten Harztransfer-Spritzgussverfahrens. Wie aus der Darstellung gesehen werden kann, gibt es einen Anschluss, an dem an der Seite, die der Stelle, an der das Harz eingebracht wird, gegenüberliegt, Druck für einen Spritzguss unter niedrigem Druck aufgebracht wird, um die Geschwindigkeit und die Qualität des Transfers zu verbessern. Das Kohlenstofffaservlies, wie es vorstehend beschrieben ist, ist an der Oberfläche angeordnet, um die Oberflächeneigenschaften zu verbessern, indem das Fließverhalten des Harzes gleichmäßiger gemacht wird, wie dies in 1 gezeigt ist. Entsprechend dem Zweck des Produkts kann das Gewebe angeordnet werden und anschließend kann dessen Form in eine Form gebracht werden, die die Oberseite, die Unterseite oder das gesamte Kohlenstofffasergewebe abdeckt. Wenn das Kohlenstofffaservlies selektiv auf die Oberfläche oder auf einen Teil derselben aufgebracht wird, zeigt dieser Teil daher gute Oberflächeneigenschaften und eine ausgezeichnete Biegefestigkeit/Steifigkeit.
Das spritzgegossene Produkt, das, wie es vorstehend beschrieben ist, erzeugt wurde, kann für elektrische Bauteile eines Fahrzeugs und als Struktur-/Halbstrukturmaterial mit einem erheblich verringerten Gewicht eingesetzt werden. Bevorzugte Gegenstände können den Boden für einen Reservereifen, die Heckklappe und/oder einen Sitzrahmen einschließen, die jeweils sowohl eine gute Oberflächenqualität als auch gute Biegeeigenschaften erfordern.
[Beispiel]
Im Folgenden werden die folgenden Beispiele bereitgestellt, um die Erfindung weiter zu veranschaulichen, jedoch sollen sie nicht als Einschränkung der Erfindung angesehen werden. Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung und sollen diese nicht einschränken.
Die in den Beispielen der vorliegenden Erfindung verwendeten Verfahren sind nachfolgend beschrieben.
(1) Messung der Biegeeigenschaften
Die Biegefestigkeit und die Steifigkeit wurden mit Hilfe eines Drei-Punkte-Biegeversuchs unter Verwenden eines vorbereiteten Teststücks gemäß ASTM D790 bei einer Geschwindigkeit des Kreuzkopfs von 2 mm/min gemessen, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. Das Teststück, bei dem das Kohlenstofffaservlies auf eine Seite aufgebracht wurde, wurde so angeordnet, dass sich die Seite des Kohlenstofffaservlieses oben befand, und die Biegeeigenschaften wurden gemessen.
(2) Messung der Dehnungseigenschaften
Die Dehnungsfestigkeit und die Steifigkeit wurden bei einer Geschwindigkeit des Kreuzkopfs von 5 mm/min unter Verwenden eines vorbereiteten Teststücks gemäß ASTM D30309 getestet, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
(3) Messung der relativen Dichte
Die relative Dichte wurde unter Verwenden eines vorbereiteten Teststücks gemäß ASTM D792 gemessen, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
[Vergleichsbeispiel 1]
Die Erfindung wurde ausführlich unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen derselben beschrieben. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass an diesen Ausführungsformen Änderungen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Geiste der Erfindung, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert ist, abzuweichen.
Das duroplastische Harz zum Vorbereiten des Teststücks wurde durch Mischen eines Epoxyharzes mit niedriger Viskosität (KFR-320 (Kukdo Chemical Co., Ltd.)) und eines Aushärtungsmittels (KFH-350 (Kukdo Chemical Co., Ltd.)) und anschließendem Mischen mit 30 Gew.-% eines aliphatischen bifunktionalen Glycidylether-Verdünnungsmittels für eine niedrigere Viskosität hergestellt. Drei Schichten eines Kohlenstofffaservlieses mit einem Gewicht pro Flächeneinheit von 300 g/m² wurden in eine vorbereitete Spritzgussform eingebracht und dann wurde, wie in 1 gezeigt ist, das Harztransfer-Spritzgießen bei niedrigem Druck, z. B. 1–10 Torr, durchgeführt. Die Aushärtung erfolgte über 5 Stunden bei 60°C, und eine anschließenden Aushärtung über 24 Stunden bei Raumtemperatur. Als Folge davon lag der Harzanteil bei 81 Gew.-% und der Anteil des Kohlenstofffaservlieses lag bei 19 Gew.-%. Die relative Dichte, die Biegeeigenschaften und die Dehnungseigenschaften des Teststücks wurden gemessen und sind in Tabelle 1 angegeben.
[Vergleichsbeispiel 2]
Zwei Schichten eines Gewebes mit Köperbindung und 50 K (2/2 Twill Fabric, Zoltek Corporation) wurden in eine vorbereitete Spritzgussform eingebracht, und dann, wie in 1 gezeigt, wurde das Harztransfer-Spritzgießen bei niedrigem Druck mit dem Harz durchgeführt, welches dem in Vergleichsbeispiel 1 hergestellten Harz entspricht. Die Aushärtung erfolgte über 5 Stunden bei 60°C, und eine anschließenden Aushärtung über 24 Stunden bei Raumtemperatur. Als Folge davon lag der Harzanteil bei 31 Gew.-% und der Anteil des Kohlenstofffaservlieses lag bei 69 Gew.-%. Die relative Dichte, die Biegeeigenschaften und die Dehnungseigenschaften des Teststücks wurden gemessen und sind in Tabelle 1 angegeben.
[Beispiel 1]

Eine Schicht eines Kohlenstofffaservlieses mit einem Gewicht pro Flächeneinheit von 300 g/m² und eine Schicht eines Gewebes mit Köperbindung und 50 K (2/2 Twill Fabric, Zoltek Corporation) wurden, wie in 1 gezeigt, aufeinander angeordnet und dann wurde, wie in 1 gezeigt, das Harztransfer-Spritzgießen bei niedrigem Druck mit dem Harz durchgeführt, welches dem in Vergleichsbeispiel 1 hergestellten Harz entspricht. Die Aushärtung erfolgte über 5 Stunden bei 60°C, und eine anschließenden Aushärtung über 24 Stunden bei Raumtemperatur. Als Folge davon lag der Harzanteil bei 54 Gew.-% und der Anteil des Kohlenstofffaservlieses lag bei 46 Gew.-%. Die relative Dichte, die Biegeeigenschaften und die Dehnungseigenschaften des Teststücks wurden gemessen und sind in Tabelle 1 angegeben. [Tabelle 1]

	Relative Dichte	Biegefestigkeit [MPa]	Biegesteifigkeit [GPa]	Zugfestigkeit [MPa]	Zugsteifigkeit [GPa]	Verhältnis von Harz: Kohlenstoff
Vgl.-Bsp. 1	1,17 ± 0,005	74,8 ± 8,3	2,3 ± 0,3	43,0 ± 6,3	1,2 ± 0,2	81:19
Vg1.-Bsp. 2	1,48 ± 0,019	386,4 ± 97,8	22,1 ± 7,7	445,3 ± 32,0	11,8 ± 0,5	31:69
Bsp. 1	1,30 ± 0,015	832,3 ± 285	77,9 ± 33,5	142,9 ± 24,6	5,2 ± 0,4	54:46

Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, weist das Beispiel 1, das mit dem Kohlenstofffaser-Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, im Vergleich zum Teststück, das nur aus dem Kohlenstofffaservlies hergestellt wurde (Vergleichsbeispiel 1) sowie dem Teststück, das nur aus dem Kohlenstofffasergewebe mit Köperbindung und 50 K hergestellt wurde (Vergleichsbeispiel 2), verbesserte Eigenschaften auf, wie beispielsweise eine zweimal so große oder noch größere Biegefestigkeit und eine dreimal so große oder noch größere Biegesteifigkeit auf. Dieser Effekt kann daher herrühren, dass das aus dem Kohlenstofffaser-Verbundmaterial der Erfindung hergestellte Teststück an seinem oberen Teil eine gegen eine Kompressionskraft beständige Struktur und an seinem unteren Teil eine gegen eine Dehnungskraft beständige Struktur aufweist, wenn eine Kompressionskraft auf einen oberen Teil eines Teststücks wirkt und eine Dehnungskraft auf einen unteren Teil des Teststücks wirkt, wenn eine Kraft mit einer bestimmten Größe oder mehr in einer Richtung wirkt, die – um das Teststück zu biegen – senkrecht zum Teststück verläuft. Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, besitzt das Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung ferner eine niedrigere relative Dichte als das aus nur dem LargeTow-Kohlenstofffasergewebe (50 K) hergestellte Teststück, so dass es für eine ultraleichte Struktur, die ausgezeichnete Biegeeigenschaften aufweisen muss, eingesetzt werden kann.
Wie in 2 gezeigt ist, wurde, wenn ein ebenes Teststück aus dem LargeTow-Kohlenstofffasergewebe hergestellt wurde, aufgrund einer Nicht-Imprägnierung mit dem Harz oder einem Schrumpfen des Harzes an der Kohlenstofffaserlücke ein Prägephänomen erzeugt.
Das gleiche Phänomen trat nicht auf, wenn das Kohlenstofffaser-Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wurde. Wie in 3 gezeigt ist, wurde ferner, wenn ein Produkt mit einer Biegsamkeit unter Verwenden der LargeTow-Kohlenstofffaser spritzgegossen wurde, festgestellt, dass der gebogene Teil nicht imprägniert war, wenn jedoch das Verbundmaterial der Erfindung verwendet wird, trat dieses Phänomen nicht in Erscheinung.
Das Kohlenstofffaser-Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung verhindert oder reduziert in vorteilhafter Weise eine Verschlechterung der Oberflächeneigenschaften, die auftritt, wenn ein LargeTow-Kohlenstofffaser-Verbundmaterial spritzgegossen wird, um die Produktivität zu verbessern und die Kosten zu reduzieren, und zeigt gleichzeitig eine Verbesserung der Biegeeigenschaften und – aufgrund der Verringerung der relativen Dichte – einen gewichtsreduzierenden Effekt. Das Kohlenstofffaser-Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung kann daher gute Biegeeigenschaften und gute Oberflächeneigenschaften für eine Struktur eines Fahrzeugs mit einer komplexen Form oder ein spritzgegossenes Produkt mit einer Halbstruktur bereitstellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2000-501659 [0008]
JP 2001-51074 [0008]
JP 2001-62932 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM D790 [0038]
ASTM D30309 [0039]
ASTM D792 [0040]

Claims

Kohlenstofffaser-Verbundmaterial, umfassend: 30 bis 80 Gew.-% eines Kohlenstofffasergewebes, bei dem eine Filamentstärke der Kohlenstofffasern 24 K bis 100 K beträgt; 0,1 bis 20 Gew.-% eines Kohlenstofffaservlieses; und 10 bis 70 Gew.-% eines Polymerharzes.
Kohlenstofffaser-Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei das Kohlenstofffaservlies auf der Oberfläche des Kohlenstofffasergewebes angeordnet ist.
Kohlenstofffaser-Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei das Gewicht des Kohlenstofffaservlieses pro Flächeneinheit in einem Bereich von 10 bis 500 g/m² liegt.
Kohlenstofffaser-Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei die Viskosität des Polymerharzes beim Transfer in einem Bereich von 0,01 bis 10 Pa·s liegt.
Kohlenstofffaser-Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei das Kohlenstofffasergewebe eine Leinwandbindung, eine Köperbindung oder eine Atlasbindung aufweist.
Kohlenstofffaser-Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei die mit Hilfe eines Weitwinkel-Röntgenstrahlstreuungs-Verfahrens gemessene Kristallgröße der Kohlenstoffasern 1 bis 6 nm beträgt und der mittlere Durchmesser einer einzelnen Faser in einem Bereich von 1 bis 20 μm liegt.
Kohlenstofffaser-Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei der Kohlenstofffaser ferner eine Glasfaser oder eine Aramidfaser beigemischt werden.
Kohlenstofffaser-Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei der Kohlenstofffaser Glaswolle oder ein nicht durchgängiges Faservlies beigemischt und auf das Kohlenstofffaservlies aufgebracht werden.
Kohlenstofffaser-Verbundmaterial nach Anspruch 3, wobei das Polymerharz einen Isophthalpolyester, ein auf Vinylester basierendes Harz und/oder ein Epoxyharz mit niedriger Viskosität umfasst.
Kohlenstofffaser-Verbundmaterial nach Anspruch 1, das ferner ein Flammschutzmittel, ein Antioxidationsmittel, einen Wärmestabilisator, ein Schmiermittel, einen Farbstoff, ein Pigment und ein anorganisches Füllmaterial umfasst.
Fahrzeugteil, aufweisend: ein Kohlenstofffaser-Verbundmaterial, umfassend: 30 bis 80 Gew.-% eines Kohlenstofffasergewebes, bei dem die Filamentstärke der Kohlenstofffasern 24 K bis 100 K beträgt; 0,1 bis 20 Gew.-% eines Kohlenstofffaservlieses; und 10 bis 70 Gew.-% eines Polymerharzes.
Fahrzeugteil nach Anspruch 11, wobei das Kohlenstofffaservlies auf der Oberfläche des Kohlenstofffasergewebes angeordnet ist.
Fahrzeugteil nach Anspruch 11, wobei das Gewicht des Kohlenstofffaservlieses pro Flächeneinheit in einem Bereich von 10 bis 500 g/m² liegt.
Fahrzeugteil nach Anspruch 11, wobei die Viskosität des Polymerharzes beim Transfer in einem Bereich von 0,01 bis 10 Pa·s liegt.
Fahrzeugteil nach Anspruch 11, wobei das Kohlenstofffasergewebe eine Leinwandbindung, eine Köperbindung oder eine Atlasbindung aufweist.
Fahrzeugteil nach Anspruch 11, wobei die mit Hilfe eines Weitwinkel-Röntgenstrahlstreuungs-Verfahrens gemessene Kristallgröße der Kohlenstoffasern 1 bis 6 nm beträgt und der mittlere Durchmesser einer einzelnen Faser in einem Bereich von 1 bis 20 μm liegt.
Fahrzeugteil nach Anspruch 11, wobei der Kohlenstofffaser ferner eine Glasfaser oder eine Aramidfaser beigemischt werden.
Fahrzeugteil nach Anspruch 11, wobei der Kohlenstofffaser Glaswolle oder ein nicht durchgängiges Faservlies beigemischt und auf das Kohlenstofffaservlies aufgebracht werden.
Fahrzeugteil nach Anspruch 13, wobei das Polymerharz einen Isophthalpolyester, ein auf Vinylester basierendes Harz und/oder ein Epoxyharz mit niedriger Viskosität umfasst.
Fahrzeugteil nach Anspruch 11, wobei das Kohlenstofffaser-Verbundmaterial ferner ein Flammschutzmittel, ein Antioxidationsmittel, einen Wärmestabilisator, ein Schmiermittel, einen Farbstoff, ein Pigment und ein anorganisches Füllmaterial umfasst.