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Dokumentenidentifikation DE19743545A1 30.04.1998
Titel Verfahren zur Verarbeitung von Prepreg-Verschnittresten
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80636 München, DE
Erfinder Pannkoke, Kord, Dr.-Ing., 28203 Bremen, DE
DE-Anmeldedatum 01.10.1997
DE-Aktenzeichen 19743545
Offenlegungstag 30.04.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.04.1998
IPC-Hauptklasse C08J 11/06
IPC-Nebenklasse C08J 5/18   C08K 13/00   C08J 5/24   
Zusammenfassung Es wird ein Verfahren zur Verarbeitung von aus mit unausgehärtetem, duroplastischen Harz imprägnierten Kohlenstoffasern bestehenden Prepreg-Verschnittresten beschrieben. Nach Entfernung der Trägerfolien von den Verschnittresten werden diese in Stücke geschnitten. Anschließend werden die geschnittenen Stücke einer auf eine Temperatur von 20°C unter der Glastemperatur des unausgehärteten Harzes, abgekühlten Schneidmühle zugeführt und dort zerkleinert. Die zerkleinerten Stücke, das sogenannte Rezyklat, verläßt die Schneidmühle über ein Sieb und wird auf einem Träger abgelegt. Vorteilhafter Weise besteht der Träger aus einer Trägerfolie. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Trägerfolie aus einem Klebstoff ähnlicher chemischer Zusammensetzung wie das Harz besteht. Das Rezyklat wird im letzten Schritt des Verfahrens in einem Preß- oder Autoklavverfahren zu Formteilen verarbeitet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung von Prepreg-Verschnittresten. Hochleistungsverbundwerkstoffe wie kohlenstoffaserverstärkter Kunststoff (CFK) werden vornehmlich im Luftfahrtbereich eingesetzt, wo eine hohe mechanische Belastbarkeit bei gleichzeitig niedrigem Gewicht gefordert ist. Die Fertigung von Bauteilen aus CFK erfolgt zumeist unter Verwendung von Prepregs. Diese "pre-impregnated tapes" sind mit unausgehärtetem duroplastischem Harz imprägnierte Kohlenstoffasern. Das weiche und klebrige Material ist mit Schutzfolien versehen. Bei der Fertigung werden diese Folien abgezogen, die Prepregs zugeschnitten und in eine Form gebracht. In einem Autoklaven entstehen dann durch Aushärtung die Formteile. Die dabei anfallenden Verschnittreste werden nachträglich im Autoklaven ausgehärtet und anschließend zu sehr feinem Pulver vermahlen. Dieses Pulver läßt sich bei der Kunststoffgranulatherstellung als Füllmaterial zusetzen. Auf diese Weise wird die gesamte Wertschöpfung des Prepreg-Materials vernichtet. Außerdem bereitet es Schwierigkeiten, das Pulver am Markt abzusetzen und insofern ist oft nur die Deponierung des Pulvers möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verarbeitung von Prepreg- Verschnittresten anzugeben, das die Struktur des Prepreg-Materials weitgehend erhält und somit einen weiteren Einsatz des Materials ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.

Mit dem im Anspruch 1 angegebenen Verfahren ist es möglich, Prepreg-Verschnitte (ohne Folie) zu zerkleinern und zu einer homogenen Masse zu verarbeiten. Dies geschieht unter größtmöglicher Beibehaltung der für Verbundwerkstoffe typischen, guten gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften. Dazu werden die in Stücke geschnittenen Prepeg-Reste in einer abgekühlten Schneidmühle zerkleinert und anschließend gezielt zu Formteilen verarbeitet. Die Kühlung der Schneidmühle bewirkt, daß das Harz hart und spröde wird und daß jegliche Reibungswärme über das Kühlmittel sofort abgeleitet wird. Auf diese Weise können die Reste zerkleinert werden, ohne daß eine Erwärmung des Materials und die damit einhergehende Vorhärtung des Matrixpolymeren stattfinden, was zur Folge hat, daß das Rezyklat nicht sofort weiterverarbeitet werden muß, sondern sich auch länger und qualtiätsgesichert zwischenlagern läßt. Um die Verarbeitbarkeit der Prepreg-Reste zu gewährleisten, sind Temperaturen von ca. 20°C unterhalb der Glastemperatur des unausgehärteten Harzes beim Schneiden ausreichend. Vorteilhaft ist, wenn die Schneidmühle mit flüssigem Stickstoff abgekühlt wird. Der Einsatz dieses Mediums, das ein wesentlich höheres Kühlvermögen aufweist (bis minus 196°C) als für das Verfahren benötigt wird, ermöglicht es, den Bedarf an Kühlmittel niedrig zu halten. Nach dem Zerkleinerungsprozeß in der Schneidmühle liegt das Rezyklat in Form einer baumwollartigen Wirrfaserstruktur vor. Die so entstandene, neuartige dreidimensionale Verstärkung des Rezyklates ist insbesondere für den Einsatz von biegebelasteten Komponenten wichtig. Das die Schneidmühle verlassende Rezyklat wird auf einen Träger abgelegt.

Das auf dem Träger abgelegte Rezyklat kann entweder in einem Preßverfahren, in dem Rezyklat-Stücke verpreßt werden oder in einem Preß- oder Autoklavverfahren in dem die Rezyklat-Stücke, die auf einer Klebefolie abgelegt sind, mit dieser zusammen verarbeitet werden.

Durch den Zusatz von weiteren Stoffen zum Rezyklat können vorteilhafte Eigenschaften desselben erreicht werden:

  • - Durch Zugabe von keramischen Pulvern werden gute Abriebeigenschaften bei Verschleißbeanspruchung erzeugt.
  • - Durch Zugabe von aufschäumbarem Polymer wird ein äußerst leistungsfähiger, weil dreidimensional verstärkter Schaum erzeugt.
  • - Durch Zugabe von zusätzlichem Harz wird der Einfluß auf die Porösität und die Dichte des resultierenden Werkstoffes genommen.

Das Verfahren wird anhand der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert:

Beispiel 1

Die von den beiden Trägerfolien befreiten Prepreg-Abfälle wurden auf handliche Stücke zurechtgeschnitten und einer Schneidmühle zugeführt. Auf eine Vorkühlung der Prepregs wurde aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Materials verzichtet. Es wurde eine modifizierte, mit Stickstoff abkühlbare Schneidmühle verwendet. In den Siebkorb der Schneidmühle wurde ein Rundlochsieb (Lochdurchmesser 10 mm) eingesetzt. Unter dem Siebauslaß wurde eine Kunststoffolie ausgelegt, um das Rezyklat definiert und flächig aufzufangen. Die Prepreg-Stücke wurden in die abgekühlte Mühle gegeben, versprödeten innerhalb kürzester Zeit und konnten so definiert zerkleinert werden. Da die zerkleinerten Fasern sehr leicht sind, flogen sie, getrieben vom durch den Schneidrotor und den verdampfenden Stickstoff erzeugten Luftstrom, durch den Siebauslaß auf die kontinuierlich verschiebbare Trägerfolie. Die Faserlängenverteilung hängt vom Lochdurchmesser des Siebes ab. Eine Faserlängenverteilung bei Verwendung eines Siebes mit einem Lochdurchmesser von 10 mm ist in Fig. 1 dargestellt. Aufgrund der Kühlung von nur 20°C unterhalb der Glastemperatur des unausgehärteten Harzes (in diesem Fall -35°C) wird der Harzverlust niedrig gehalten und betrug nur zwei Gewichtsprozent. Die Fasern blieben nahezu vollständig mit dem Matrixpolymeren imprägniert, was der Fig. 2, einer rasterelektronischen Aufnahme des geschnittenen Materials, deutlich entnehmbar ist. Das in der Schneidmühle zerkleinerte Rezyklat wurde anschließend in einer Presse weiterverarbeitet. Es konnten durch Verpressen des Rezyklates in einem entsprechendem Gesenk Platten in Dicken von 3 bis 25 mm hergestellt werden. Ein Gesenk zur Herstellung dünner Platten ist in Fig. 3 dargestellt. Zum Verpressen wurde das Rezyklat von der Trägerfolie genommen und im Gesenk gleichmäßig verteilt. Zur Unterstützung der Verdichtung wurde das Rezyklat bei Raumtemperatur vorgepreßt. Um eine ausreichende Konsolidierung des Materials zu erreichen, sind Preßdrücke von ca. 15 bar vorteilhaft. Hierdurch wird gewährleistet, daß das niedrigviskose Harz die Fasern benetzt und miteinander verbindet.

Das verpreßte Rezyklat wies folgende Eigenschaften auf:

  • - Die Dichte lag zwischen 0,7 und 0,8 g/ccm (gegenüber ca. 1.5 g/ccm des Neumaterials).
  • - Die Zugfestigkeit betrug 80 MPa.
  • - Die Biegefestigkeit betrug 140 MPa.

Beispiel 2

Die Zerkleinerung der Prepreg-Abfälle erfolgte wie im Beispiel 1 mit dem Unterschied, daß das geschnittene Material auf einer Klebstoffolie flächig abgelegt wurde (Fig. 4). Die Folie besteht aus einem dem Prepreg-Harz ähnlichen und nach gleichem Zeit-Temperaturzyklus auszuhärtenden Folienklebstoff. Die mit geschnittenem Prepreg-Material belegte Klebstoffolie wird als Prepreg-Rezyklat-Folie bezeichnet. Zur Weiterverarbeitung wurden Prepreg-Rezyklat- Folien übereinander in einem in Fig. 3 dargestellten Gesenk in einer Anordnung gemäß Fig. 5 gelegt und bei einem Druck von drei bar verpreßt. Während des Preßvorgangs zerläuft der Folienklebstoff der Trägerfolie und erzeugt eine zusätzliche Imprägnierung des geschnittenen Materials mit Harz.

Das verpreßte Rezyklat wies folgende Eigenschaften auf:

  • - Die Dichte lag bei ca. 1,2 g/ccm (gegenüber ca. 1,5 g/ccm des Neumaterials).
  • - Die Zugfestigkeit betrug bis zu 100 MPa.
  • - Die Biegefestigkeit betrug bis zu 190 MPa.

Die Anwendung eines Preßdrucks von 6 bar verbesserte die mechanischen Eigenschaften des Fertigmaterials. Für die Durchführung dieses Verfahrens ist insbesondere die Autoklavtechnik geeignet.

Die hergestellten Prepreg-Rezyklat-Folien lassen sich nicht nur alleine (Fig. 5) sondern auch in zahlreichen Varianten und je nach Anwendung in den Aufbau und die Fertigung von CFK-Laminaten zurückführen. Ein Beispiel für die Integration der Prepreg-Rezyklat-Folien in ein CFK-Laminat ist in Fig. 6 dargestellt.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Verarbeitung von aus mit unausgehärtetem, duroplastischen Harz imprägnierten Kohlenstoffasern bestehenden Prepreg-Verschnittresten mit folgenden Schritten:
    1. - Entfernen der Trägerfolien von den Verschnittresten;
    2. - Schneiden der Prepreg-Verschnittreste in Stücke;
    3. - Zerkleinerung der geschnittenen Stücke in einer auf 20°C unter die Glastemperatur des unausgehärteten Harzes abgekühlten Schneidmühle und Ablegen des so entstandenen Rezyklates auf einen Träger;
    4. - Weiterverarbeitung des Rezyklates in einem Preß- oder Autoklavverfahren unter Aushärtung des Materials.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Schneidmühle über ein Sieb verlassende Rezyklat durch eine verfahrbare Trägerfolie aufgefangen wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfolie aus einem Klebstoff ähnlicher chemischer Zusammensetzung wie das Harz besteht.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rezyklat von dem Träger abgenommen wird und in einer Presse unter Druck und der Aushärtetemperatur des Harzes verarbeitet wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rezyklat mit Folie in einer Presse oder einem Autoklaven unter Druck und der Aushärtetemperatur des Harzes verarbeitet wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rezyklat zu Platten einer Dicke von 3 bis 25 mm verarbeitet wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßdruck 15 bar beträgt.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßdruck 6 bar beträgt.
  9. 9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rezyklat vor dem Preßvorgang keramische Pulver, aufschäumbare Polymere oder Harze zugegeben werden.
  10. 10. Platte aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kunststoff, hergestellt im Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Dichte zwischen 0,7 und 0,8 g/ccm liegt, ihre Zugfestigkeit 80 MPa und ihre Biegefestigkeit der 3-Punkt Biegung 140 MPa beträgt.
  11. 11. Platte aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kunststoff, hergestellt im Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Dichte 1,2 g/ccm, ihre Zugfestigkeit 100 MPa und ihre Biegefestigkeit der 3-Punkt Biegung 190 MPa beträgt.






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