DE4119173A1 - Verbund- und hybridwerkstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbund- und Hybridwerkstoff mit einer Polymermatrix und einer Verstärkungskomponente in Form eines textilen Flächengebildes.

Derartige Kunststoff-Verbund- und Hybridwerkstoffe besitzen wegen ihrer guten mechanischen Eigenschaften und ihrem geringen Gewicht ein weites Anwendungsgebiet, wobei durch Variieren der Polymermatrix, der Verstär­ kungskomponenten und ihrer gegenseitigen Anordnung ein gewünschtes Ei­ genschaftsprofil erzeugbar ist. Die als Bindemittel wirkende Polymerma­ trix ist dabei im allgemeinen ein ausgehärtetes Harz aus einem thermo­ plastischen oder duromeren Kunststoff, während die Verstärkungskompo­ nenten von natürlichen oder synthetischen, organischen oder anorgani­ schen Fasern gebildet werden. Da im Verbund die Verstärkungsmaterialien die mechanischen Eigenschaften, wie z. B. Festigkeit und Steifigkeit, maßgeblich bestimmen, hat die Art des Verstärkungsmaterials und seine Anordnung im Verbundwerkstoff einen entscheidenden Einfluß. Als Verstär­ kungskomponenten werden folglich Fasern mit hohen Elastizitätsmodulen und hoher Reißfestigkeit verwendet. Hochleistungsfasern dieser Art sind beispielsweise Glasfasern und insbesondere Kohlenstoff- und Aramidfa­ sern, die in der Hauptbeanspruchungsrichtung angeordnet sind. Das Ein­ betten dieser Fasern in Form von Flachgeweben in die Polymermatrix hat den Vorteil, daß auch unter Langzeitzug der Kunststoff nicht viskosela­ stisch zu kriechen beginnt, solange die Beanspruchung in Geweberichtung erfolgt.

Die hochfesten Fasern sind jedoch nicht problemlos verwendbar, da sie meist nur eine geringe Bruchdehnung besitzen. Gerade die Fasern mit der höchsten Reißfestigkeit, die Hochmodul-Kohlefasern, haben die niedrigste Bruchdehnung. Eine gewisse Biegbarkeit eines Konstruktionswerkstoffes ist jedoch erforderlich, damit örtliche Spannungskonzentrationen nicht zu örtlichen Brüchen, sondern zu Spannungsumlagerungen führen. Häufig stellt man schon bei geringen Belastungen eine Rißbildung fest, und zwar infolge der geringen Dehnung der Faserverstärkung. Desweiteren treten am Bauteil häufig Stoßbelastungen auf, so daß von den Fasern auch eine ge­ wisse Schlagzähigkeit erwartet wird, die im allgemeinen korreliert mit der jeweiligen Bruchdehnung.

Neben den aus zwei Bestandteilen aufgebauten Verbundwerkstoffen sind daher auch sogenannte Hybridwerkstoffe bekannt, die zwei oder mehrere verschiedene Faserarten kombinieren, um dadurch bestimmte Eigenschaften zu erzielen, wie z. B. verbesserte Schlagzähigkeit, indem gleichzeitig Glas- oder Aramidfasern und Kohlenstoffasern in eine Epoxidharzmatrix eingebaut werden. Die Tatsache, daß die Fähigkeit der Kohlenstoffasern, die spezifische Festigkeit eines Werkstoffs wesentlich zu steigern, nicht völlig ausgeschöpft werden kann, hat schließlich zur Übernahme von Stahl in einen hybriden Stoffverbund geführt, was allerdings der typi­ schen Forderung des modernen Leichtbaus, Gewichtsminderung unter Beibe­ haltung oder gar Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, entgegen­ läuft.

Schließlich entstehen durch den heterogenen Aufbau des Verbundes und der orthotropen Eigenschaften der Fasern, d. h. ungleiche Eigenschaften in Faserrichtung und quer dazu, innere Spannungen, die aus Quellungen und Wärmedehnungen resultieren. Um aus Fasern und Kunststoffen ein leichtes und mechanisch stabiles Bauteil herstellen zu können, sollten die Poly­ mermatrix und Verstärkungskomponente allerdings für die meisten Kraft­ einleitungsfälle einen Verbundstoff bilden und nicht durch Knistern ein gegenseitiges Loslösen anzeigen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Verbund- und Hybridwerkstoff zu schaffen, der die durch Temperatur und Medieneinfluß aus den äußeren Kräften, Momenten und den inneren Verformungen hervorgerufenen Werk­ stoffbelastungen reduziert.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ge­ löst.

Hierdurch wird ein Verbund- und Hybridwerkstoff geschaffen, der unter äußeren Lasten wie Biegung, Querkraft und Torsion zu einer verminderten Rißbildung neigt, da die Polfäden für eine Spannungsableitung von der Oberware zur Unterware oder umgekehrt sorgen und die beiden textilen Lagen sicher miteinander verankern. Ober- und Unterware der Mehrlagenware sind somit zueinander lagefixiert, woraus eine leistungsfähige Einlage re­ sultiert. Bei Druckbelastungen oder Stauchungen des Werkstoffs oder Lami­ nats quer zur Ebene des Ober- oder Unterware üben die Polfäden zudem eine Stützwirkung aus, die ein Ausknicken der Einlage und die damit verbundene Delamination entfallen läßt. Zudem wird die Schlagzähigkeit durch Erhöhen der Sprungkraft verbessert. Eine mit der erfindungsgemäßen Mehrlagenware erzeugte Verstärkung erhöht somit nicht nur die Festigkeit, die Steifigkeit und die Dimensionsstabilität eines polymeren Grundstoffs, sondern auch seine Verformbarkeit.

Für die Fadensysteme der Oberware und Unterware sowie die Polfäden können die als Verstärkungsstoffe bekannten Fasern verwen­ det werden, wie natürliche, organische Fasern, z. B. Jute, Sisal; synthe­ tische, organische Fasern, z. B. Polyester, Polyacrylnitril, Polyamid, Aramid (Kevlar 49); synthetische, anorganische Fasern, z. B. Glas, Bor, Stahl; Kohlefasern. Je nach Größe und Richtung der Werkstoffbelastung kann die Ober- und Unterware aus gleichen oder verschiedenen Fasern hergestellt sein. Also können beispielsweise die Kettfäden aus Aramid­ fasern bestehen, während für die Schußfäden Kohlefasern eingesetzt wer­ den. Die Polfäden können demgegenüber aus den gleichen Fasern wie die Kettfäden und/oder Schußfäden hergestellt sein oder auch aus einer für die Kett- und Schußfäden nicht vorgesehenen Faser bestehen, z. B. aus Glasfasern.

Die als Verstärkungsstoff eingesetzten Fasern können entweder als Sta­ pelfasern zu Garnen versponnen sein oder als Mono- und/oder Multifila­ mente ausgebildet sein. Die hochfesten Garne wie Aramid, Glas und Koh­ lenstoff sind im allgemeinen Multifilamentgarne und werden hier vor­ zugsweise für die Kett-, Schuß- und Polfäden verwendet. Für die Polfäden kann jedoch auch vorteilhaft sein, Monofilamentgarne einzusetzen.

Die Länge der Polfäden liegt zwischen 0,1 und 1 mm. Die Dichte der Polfäden kann variieren zwischen sehr dicht und weniger dicht und liegt vorzugsweise zwischen 3 Millionen Polfäden/m² und 0,1 Millio­ nen Polfäden/m².

Vorzugsweise handelt es sich bei der Mehrlagenware um einen unaufgeschnittenen Velours, bei dem die Polketten von der Oberware zur Unterware oder umgekehrt wechseln und dabei zwei textile Flächengebilde aufeinanderliegend verbinden, so daß diese reibschlüssig in Eingriff stehen.

Die Aufteilung der Last zwischen Lage und Matrix hängt auch vom Volu­ mengehalt der Komponenten ab. Hinsichtlich dieses Volumengehalts hat sich ein Gewichtsverhältnis von Lage zu Kunststoff von 50 : 50 als vorteilhaft herausgestellt. Der Volumengehalt an Lagen kann geändert und angepaßt werden durch einerseits Wahl der Dichte der Polfäden und andererseits Einbau mehrerer Mehrlagen in das Laminat. Neben der Mehr­ lagenware sind auch textile Einfachlagen in die Matrix einbettbar. Diese Einfachlagen sind vorzugsweise ein- oder zweiseitig mit Noppen ausgebil­ det.

Als Matrix-Kunststoffe sind unter anderem verwendbar bei den Thermopla­ sten Polyamide, Polypropylen, Polybutylen- und Polyethylenterephthalat, Polyacetal, ABS und Polycarbonat, bei den Elastomeren Kautschuk und Po­ lyurethane, bei den duromeren Reaktionsharzen die ungesättigten Polye­ ster (UP-Harze), Epoxide und Vinylester.

Eine wesentliche Voraussetzung für ein leistungsfähiges Eigenschaftsni­ veau ist eine feste Haftung zwischen dem Verstärkungsmaterial und der Kunststoffmatrix. Durch die Kombination von Mehrlagenwaren und Einfach­ lagenwaren mit Noppen zu einer Verstärkungskomponente kann die Anbindung im Verbund verbessert und damit die Gefahr des Delaminierens reduziert werden.

Schließlich kann der Werkstoff mit einer wasserabweisenden Beschichtung ausgestattet sein, die insbesondere bei Einsatz dieser Verbund- und Hy­ bridwerkstoffe im Schiffsbau von Bedeutung ist. Diese Beschichtung kann aus Silikonkautschuk oder Polyurethan bestehen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt eines ersten Aus­ führungsbeispiels eines Laminats aus einem Verbund- und Hybridwerkstoff,

Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt eines zweiten Aus­ führungsbeispiels des Laminats,

Fig. 3 zeigt schematisch einen Querschnitt eines dritten Aus­ führungsbeispiels des Laminats,

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Laminats 1 eines Ver­ bund- und Hybridwerkstoffs mit einer Polymermatrix 2 und einem textilen Flächengebilde 3, das in die aushärtbare Polymermatrix 2 eingebettet ist. Das textile Flächengebilde 3 wird von einer Mehrlagenware gebildet, die eine Oberware 4 und eine Unterware 5 umfaßt. Mittels Polfäden 6 sind die Oberware 4 und Unterware 5 aneinandergezogen und liegen ohne Abstand über­ einander, wodurch eine Verstärkungseinheit aus zwei aneinandergehefteten textilen Lagen entsteht. Ober- und Unterware 4 und 5 können gewebt, ge­ strickt, gewirkt, getuftet oder als Raschelware ausgebildet sein, und die Polfäden 6 können durch Web- oder Maschentechnik in die Ober- und Unterwa­ re 4 und 5 eingebunden sein.

Das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel umfaßt als textiles Flächengebilde 3 ein Mehrlagengewebe. Dieses Mehrlagengewebe besteht aus einem Obergewebe 4 und einem Untergewebe 5, die durch in Kettrichtung ein­ gewebte Polfäden 6 miteinander verbunden sind. Ober- und Untergewebe 4 und 5 besitzen in bekannter Weise verkreuzte Kettfäden 7 und Schußfäden 8. Ne­ ben Leinwandbindung kann die Bindung des Grundgewebes auch Rips, gemisch­ ter Rips, Panama oder auch Köper bzw. Atlas sein. Vorzugsweise sind Ober­ und Untergewebe 4 und 5 mit einer lockeren Einstellung gewebt.

Die Art der Einbindung der Polfäden 6 erfolgt vorzugsweise über V-Noppen. Die Länge der Polfäden 6 liegt zwischen 0,1 und 1 mm, wodurch ein ab­ standsloses Aufeinanderliegen der Ober- und Unterware 4 und 5 erreicht wird. Durch das Polfadensystem wird somit ein Mehrlagengewebe erzeugt, dessen Gewebelagen zu einer Einheit verankert sind, wobei in dieser Ein­ heit die beiden Lagen 4 und 5 eine Scherelastizität zueinander besitzen. Die Dichte der Polfäden 6 beträgt 1,5 Millionen Polfäden/m² und liegt vor­ zugsweise zwischen 3 Millionen Polfäden/m² und 0,1 Millionen Polfäden/m².

Die zu dem Gewebe verwebten Garne bestehen aus hochfesten Fasern mit einer hohen Reißfestigkeit und einem hohen Elastizitätsmodul. Verwendbar sind natürliche, organische Fasern wie Jute, Sisal; synthetische, orga­ nische Fasern wie Polyester, Polyacrylnitril, Polyamid, Aramid; synthe­ tische, anorganische Fasern wie Glas-E, Glas-R, Glas-S, Glas-Quarz, Be­ rylliumoxid, Bornitrid, Zirkonoxid, Zirkonsilikat, Siliciumsilikat, Bor mit Wolfram-Seele, Bor+SiC mit W-Seele, Magnesium, Aluminium, Stahl, Molybdän, Tantal, Wolfram; Kohlefasern wie Hochfeste Fasern (HT), Hoch­ modulFaser (HM); sowie andere hochfeste Fasern. Derartige hochfeste Fa­ sern sind im allgemeinen zu Multifilamentgarnen verarbeitet. Die demge­ genüber dicken Monofilamentgarne sind ebenfalls geeignet, werden allerdings vorzugsweise nur für die Pol­ fäden verwendet. Darüber hinaus sind auch die aus Stapelfasern gespon­ nenen Garne aus hochfestem Material einsetzbar.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Kettfä­ den, die Schußfäden und die Polfäden aus der gleichen hochfesten Faser, wie z. B. Aramid. Existiert eine starke Beanspruchung des Laminats in nur einer Richtung, z. B. der Kettrichtung oder Schußrichtung, so können nur die Kettfäden oder die Schußfäden aus einer noch festeren Faser, wie z. B. der Kohlefaser, bestehen. Aus Kostengründen werden häu­ fig auch Glasfasern eingelagert, die sich mit Aramid- und/oder Kohlefa­ sern sowie anderen hochfesten Fasern in dem Mehrlagengewebe gemäß Fig. 1 kombinieren lassen. Schließlich kann für die Polfäden noch eine ge­ genüber den Fasern für Kettfäden und Schußfäden andere hochfeste Fa­ ser verwendet werden, so daß drei verschiedene Faserarten das Doppelge­ webe aufbauen können.

Kunststoffe für die Polymermatrix sind Thermoplaste wie Polyamide, Poly­ propylen, Polybutylen- und Polyethylenterephthalat, Polyacetal, Acryl- Butadien-Styrol-Copolymerisate (ABS) und Polycarbonat; Elastomere wie Kautschuk und Polyurethan; sowie duromere Reaktionsharze wie die unge­ sättigten Polyester (UP-Harze), Epoxide und Vinylester. Dazu kommt die große Anzahl der härtbaren Formmassen auf Basis Pheno- und Aminoplast Vorteile bei der Formherstellung gegenüber zur Zeit eingesetzten Epoxiden bieten die Thermoplaste, da flächige gewebeverstärkte Thermoplasthalbzeu­ ge sich nach dem Erhitzen auf eine Temperatur, bei der das Matrixpolymer genügend fließfähig ist, in einem Preßwerkzeug umformen lassen. Thermopla­ sthalbzeuge sind somit beliebig lagerbar.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Laminats 1, bei dem meh­ rere Mehrlagengewebe 3 in die Polymermatrix 2 eingebettet sind. Die Anzahl der übereinanderliegenden Mehrlagen kann zwischen 2 und 15 liegen.

Neben der Kombination mehrerer Mehrlagengewebe 3 zu einer Verstärkungskom­ ponente kann auch ein Verbund textiler Flächengebilde eingesetzt werden, bei dem Mehrlagenwaren mit Einlagenwaren in der Schichtenfolge kombiniert werden. Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Laminats 1, bei dem die Mehrlagengewebe 3 mit einem Einlagengewebe 9 kombiert sind. Dieses Einlagengewebe 9 ist vorzugsweise ein- oder zweiseitig mit Noppen 10 ausgebildet.

Claims (9)

1. Verbund- und Hybridwerkstoff, bestehend aus einer Polymermatrix und ei­ ner Verstärkungskomponente in Form eines textilen Flächengebildes, dadurch gekennzeichnet, daß als textiles Flächengebilde (3) eine Mehrlagenware vorgesehen ist mit einer Oberware (4) und einer Unterware (5), die durch Web- oder Maschentechnik eingelegte Polfäden (6) mit einer Scherelastizi­ tät zueinander aufeinanderliegend verankert sind.

2. Verbund- und Hybridwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober- und Unterware (4, 5) gewebt, gestrickt, gewirkt, getuftet oder gestochen sind.

3. Verbund- und Hybridwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Länge der Polfäden (6) zwischen 0,1 und 1 mm liegt.

4. Verbund- und Hybridwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Polfäden (6) zwischen 0,1 Millionen Polfäden/m² und 3 Millionen Polfäden/m² liegt.

5. Verbund- und Hybridwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadensysteme der Ober- und Unterware (4, 5) sowie die Polfäden (6) aus hochfesten Fasern, wie Glas, Kohlenstoff, Aramid oder hochfestem Polyethylen, bestehen.

6. Verbund- und Hybridwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Polymermatrix (2) Thermoplaste, Elastomere, Duro­ mere oder ungesättigte Polyester vorgesehen sind.

7. Verbund- und Hybridwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Mehrlagenwaren (3) in der Polymermatrix (2) eingebettet sind.

8. Verbund- und Hybridwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrlagenwaren (3) zusammen mit textilen Einfach­ lagen (9) den Schichtenverbund einer Verstärkungskomponente bilden.

9. Verbund- und Hybridwerkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfachwaren von einer Grundware mit ein- oder zweiseitigen Noppen (10) gebildet wird.