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Dokumentenidentifikation DE10151357B4 28.12.2006
Titel Faserverbundformteil, Zwischenprodukt und Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundformteils
Anmelder Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 51147 Köln, DE
Erfinder Riedel, Ulrich, Dr., 38104 Braunschweig, DE;
Mosch, Jürgen, 38518 Gifhorn, DE;
Hagedorn, Wolfgang, 38126 Braunschweig, DE
Vertreter GRAMM, LINS & PARTNER GbR, 38122 Braunschweig
DE-Anmeldedatum 22.10.2001
DE-Aktenzeichen 10151357
Offenlegungstag 08.05.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.12.2006
IPC-Hauptklasse B29C 70/40(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B29B 15/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B29C 70/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundformteils aus einem Verstärkungsmaterial aus Naturfasern und einem aushärtenden Biopolymer, bei dem das zugeschnittene Verstärkungsmaterial mit dem Biopolymer in flüssiger Form getränkt und anschließend durch Pressen geformt und ausgehärtet wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Zwischenprodukt zur Herstellung eines Faserverbundformteils.

Die Erfindung betrifft ferner ein Faserverbundformteil, aufgebaut mit einem Verstärkungsmaterial aus Naturfasern und einem ausgehärteten Biopolymer.

Faserverbundwerkstoffe werden insbesondere dann verwendet, wenn hohe Festigkeiten und Steifigkeiten bei geringem Gewicht erzielt werden sollen. Die vorteilhaften Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe ergeben sich aus den geringen Dichten der verwendeten Matrixharze, wie ungesättigte Polyester, Phenolharze, Epoxydharze usw., und die darin eingebetteten hochfesten und hochsteifen Fasern (Glas-, Aramid-, Kohlenstofffasern usw.). Zur Erstellung des Verbundes zwischen diesen Materialien sind verschiedenste Fertigungstechnologien entwickelt worden, u. a. die Presstechnik. Die klassischen Faserverbundwerkstoffe werfen jedoch oftmals erhebliche Probleme hinsichtlich ihrer Verwertung nach dem Ablauf ihrer Nutzungsdauer auf. Die Kombination dieser Werkstoffe aus verschiedenartigen und in der Regel sehr beständigen Fasern und Matrizes erweist sich als großes Erschwernis für das Recycling. Eine bloße Deponierung verbietet sich angesichts der wachsenden Umweltproblematik immer mehr.

Einen bekannten Lösungsansatz bieten naturfaserverstärkte Biopolymere. Werden Pflanzenfasern, wie z. B. Flachs, Hanf, Ramie, Jute usw., in Biopolymer-Matrizes, z. B. Zellulose-, Stärke-, Milchsäure-, Schellackderivate oder pflanzenölbasierte Duroplaste eingebettet, können Faserverbunde hergestellt werden, die durch CO2-neutrale Verbrennung, Rohstoffrecycling und unter Umständen durch Kompostierung umweltverträglich entsorgt werden können. Darüber hinaus wird durch die Verwendung nachwachsender Rohstoffe das Problem der intensiven Nutzung endlicher Ressourcen vermieden.

Die Herstellung der herkömmlichen Faserverbundwerkstoffe mit petrostämmigen Matrixsystemen erfolgt mit Hilfe der Presstechnik durch im Wesentlichen zwei Verfahren, das Nasspressen und das Prepreg-Verfahren.

Beim Nasspressen wird das Faserhalbzeug mit einem Harz imprägniert und das noch nasse Halbzeug in das heiße Formgebungswerkzeug eingebracht. Nach dem Pressen kann das fertige Bauteil entnommen und der Nachbearbeitung zugeführt werden.

Ein Nasspressverfahren zur Herstellung eines Faserverbundmaterials auf der Basis von Naturfaservliesen ist durch DE 41 39 226 A1 bekannt. Dabei wird auf ein vorgetrocknetes Vlies ein Bindemittel aufgesprüht, dem beim kontinuierlichen Weitertransport des Vlieses Verstärkungsmaterialien, wie Glasfasern und Blähglaskugeln zugegeben werden. Nach einem gewissen Grad der Vortrocknung des als Matrix dienenden Bindemittels wird mit Walzen eine Vorverdichtung der Schicht vorgenommen, bevor die so hergestellten Lagen geschnitten werden.

Mehrere geschnittene Lagen werden aufeinander gestapelt, nochmals mit Walzen vorverpresst und dann in einem Formwerkzeug ausgehärtet. Durch die Aufbringung des die Matrix bildenden Bindemittels auf eine Vliesbahn, die erst anschließend geschnitten wird, nachdem das Bindemittel sich durch Trocknen etwas vorverfestigt hat, wird der Schneidvorgang vereinfacht, allerdings erfordert das Verfahren wegen der erforderlichen genauen Abstimmung des Trocknungsprozesses des Bindemittels vor den Vorverfestigungen mit den Walzen genaue Einstellungen der Vorschubgeschwindigkeit und des Bindemittelauftrages und ist daher schwierig durchzuführen.

Beim Prepreg-Verfahren wird das Faserhalbzeug mit einem Harz imprägniert und anschließend getrocknet. In diesem Zustand kann es transportiert, gelagert und bearbeitet, beispielsweise zugeschnitten, werden. Zur Herstellung des Faserverbundformteils wird das Prepreg in das Formgebungswerkzeug eingebracht und heiß gepresst, wodurch das duroplastische Harz vernetzt. Nach der vorbestimmten Presszeit kann das fertige Bauteil entnommen und der Nachbearbeitung zugeführt werden.

Die zur Verfügung stehenden biopolymeren Matrixsysteme erlauben eine Herstellung von Faserverbundformteilen nur im Nassverfahren. Demzufolge muss der Arbeitsschritt „Tränkung des Faserhalbzeuges" unmittelbar von dem Fertigungsschritt „Pressen" gefolgt werden. Eine Vorbereitung des regelmäßig zugelieferten textilen Faser-Verstärkungsmaterials, beispielsweise das Zuschneiden für einen bestimmten Anwendungsfall, muss an dem nicht formstabilen Verstärkungsmaterial in relativ komplizierter Weise vorgenommen werden. Darüber hinaus ist die Handhabung des Verstärkungsmaterials zum Zwecke des Transports, der Lagerung usw. schwierig.

Beispielsweise durch WO 94/26492 A1 und US 5,480,603 A ist es bekannt, herkömmliches Verstärkungsmaterial als so genannte Preform auszubilden, indem das Verstärkungsmaterial mit einer Schicht aus einem teilweise aushärtenden Harz versehen wird. Dadurch wird das Verstärkungsmaterial vorformbar und kann als Vorform in die eigentliche Form eingelegt werden, in die dann ein herkömmliches chemisches Bindemittel eingepresst wird. Die Vorform soll dabei noch porös bleiben, damit das als Matrixharz wirkende Bindemittel das Substrat durchdringen kann. Als wesentlich wird hierbei angesehen, dass das Harz der Preform mit dem die Matrix bildenden Bindemittel ausreagieren kann. Das Aufbringen des klebenden Harzes auf das Verstärkungsmaterial erfolgt üblicherweise durch eine Pulverbeschichtung. Zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit des Auftrags kann das Harz auch in Form einer wässrigen Dispersion aufgesprüht werden, wenn anschließend in einem Trocknungsschritt das Wasser entfernt wird, bevor, beispielsweise durch Aufheizen, das Harz zum partiellen Aushärten gebracht wird. Für die Herstellung eines Faserverbundformteils mit einem Verstärkungsmaterial aus Naturfasern und einem durch ein Biopolymer gebildetes Matrixharz enthält dieser Stand der Technik keine Anregungen.

Die vorliegende Erfindung geht somit von der Problemstellung aus, die Herstellung eines Faserverbundformteils mit umweltverträglichen Biopolymeren zu ermöglichen, ohne die genannten Handhabungsnachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Ausgehend von dieser Problemstellung ist erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass auf das Verstärkungsmaterial zur Bildung eines verbessert handhabbaren Zwischenprodukts eine chemische Bindeflüssigkeit dünn so aufgetragen wird, dass das Verstärkungsmaterial nach dem Trocknen der Bindeflüssigkeit schubfest und klebfrei ist, und dass dem schubfest und klebfrei ausgebildeten Verstärkungsmaterial das Biopolymer zugeführt und dass Faserverbundformteil in einem Formgebungswerkzeug fertig gestellt wird.

Erfindungsgemäß ist ein Zwischenprodukt zur Herstellung eines mit einem Biopolymer ausgehärteten Faserverbundformteils gebildet aus einem Verstärkungsmaterial aus Naturfasern, dass durch eine flüssig aufgebrachte, getrocknete dünne Schicht eines chemischen Bindemittels schubfest und klebfrei ausgebildet ist.

Ein erfindungsgemäßes Faserverbundformteil der eingangs erwähnten Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Biopolymer auf ein durch das Verstärkungsmaterial und einer auf das Verstärkungsmaterial aufgetragenen dünnen Schicht aus einem chemischen Bindemittel gebildetes Zwischenprodukt aufgebracht ist.

Mit der vorliegenden Erfindung wird somit die Erkenntnis ausgenutzt, dass für die Verbesserung der Handhabung des Verstärkungsmaterials vor der eigentlichen Herstellung des Faserverbundformteils nur eine sehr geringe Menge eines chemischen Bindemittels erforderlich ist, um das Verstärkungsmaterial durch eine schubfeste und klebfreie Ausbildung besser handhabbar und bearbeitbar zu machen und dass eine derartig geringe Menge des chemischen Bindemittels die umweltverträgliche Entsorgung des Faserverbundformteils nach Ablauf seiner Nutzungsdauer nicht beeinträchtigt.

Die Verbesserung der Handhabung ergibt sich für den Transport, die Lagerung und die Bearbeitung, insbesondere für das Zuschneiden des Verstärkungsmaterials durch Stanzen.

Das erfindungsgemäß schubfest und klebfrei ausgebildete Verstärkungsmaterial wird regelmäßig vor dem Pressen in mehreren Lagen gestapelt, da Faserverbundformteile regelmäßig mit zahlreichen Lagen eines Verstärkungsmaterials gebildet werden.

Der erfindungsgemäße dünne Auftrag der Bindeflüssigkeit erlaubt auch eine gewisse Vorformung des Verstärkungsmaterials beim Trocknen der Bindeflüssigkeit. Die Aufbringung der Bindeflüssigkeit auf das Verstärkungsmaterial kann nach jedem bekannten Verfahren, also mittels Sprüh-, Walzen-, Kalander- oder Tränkbadauftrag erfolgen, wobei der Auftrag durch ein Tränkbad bevorzugt ist.

Obwohl das erfindungsgemäß beschichtete Verstärkungsmaterial kein Prepreg im herkömmlichen Sinne ist, da die eigentliche Matrix des Faserverbundformteils durch das später zugeführte Biopolymer gebildet wird, lässt sich das erfindungsgemäß schubfest und klebfrei ausgebildete Verstärkungsmaterial in ähnlicher Weise wie ein herkömmliches Prepreg verarbeiten.

Der Anteil des chemischen Bindemittels an der gesamten Bindemittelmatrix des erfindungsgemäßen Faserverbundformteils beträgt deutlich weniger als 20 Gew.%.

Das erfindungsgemäß verwendete Biopolymer ist vorzugsweise ein Duroplast, der aus der Gruppe der aushärtenden Zellulose-, Stärke-, Milchsäure-, Schellackderivate und der pflanzenölbasierten Duroplaste ausgewählt ist.

Die beigefügte Zeichnung verdeutlicht den Herstellungsprozess für ein erfindungsgemäßes Faserverbundformteil an einem Ausführungsbeispiel. Es zeigen:

1 eine Schnittdarstellung der Fasern eines gewebten Faser-Verstärkungsmaterials

2 eine Schnittdarstellung gemäß 1 nach dem Aufbringen einer dünnen Beschichtung mit einem chemischen Bindemittel und

3 eine Schnittdarstellung gemäß 2 für das fertige Faserverbundformteil nach dem Aushärten des Biopolymerharzes.

1 verdeutlicht Fasern 1, die als Kett- und Schussfasern eines gewebten Verstärkungsmaterials dargestellt sind.

2 lässt erkennen, dass die Fasern 1 eine dünne Beschichtung mit einem chemischen Bindemittel 2 erhalten haben, wobei die Beschichtung so dünn ist, dass das gebildete Verstärkungsmaterial gerade schubfest geworden ist und sich somit leicht handhaben und bearbeiten, beispielsweise Stanzen, lässt. Das chemische Bindemittel 2 führt somit lediglich zu einer gewissen Fixierung der verschiedenen Fasern 1 zueinander, nicht jedoch zu einer Einbettung der Fasern in eine Polymermatrix.

Diese Einbettung der Fasern 1 mit ihrer Beschichtung 2 in eine Matrix eines Biopolymers 3 ist in 3 dargestellt. In dieser Darstellung ist deutlich, dass die Beschichtung 2 mit einem chemischen Bindemittel nur einen kleinen Bruchteil der gesamten Einbettung der Fasern 1 in dem Faserverbundformteil ausmacht und dass nahezu das gesamte Einbettungsvolumen durch das Biopolymer 3 gestellt wird. Das Verhältnis der Menge des chemischen Bindemittels 2 zur Menge des Biopolymers liegt unter 20 Gew.%., vorzugsweise unter 5 Gew.%.

Nachfolgend ist beispielhaft die Herstellung eines Faserverbundformteils beschrieben:

Ein Naturfaserhalbzeug, das als Gewebe, Flies, Gelege, Papier, Gestrick, Gewirk usw. aus Flachs, Hanf, Jute, unter den Handelsnamen Lyocell oder Newcell vertriebenen zellulosebasierten Fasern, Sisal, Bromeliafasern oder Ramie bestehen kann, vorzugsweise ein Flachsgewebe 1 (Leinwandbindung, Garn, Nm 3,6, Faserlänge 60 bis 150 mm, 17 bis 28 micron bei normalen Klimabedingungen, Flächengewicht ca. 250 g/m2 wird mit einer 0,5 bis 20 % einer Bindeflüssigkeit versetzt). Die genannten zellulosebasierte Fasern werden z. B. durch Zerkleinerung von Holz und Faserbildung aus dem zerkleinerten Material hergestellt.

Die Bindeflüssigkeit kann auf Vinylbasis (Arcylat, Styrol-Acrylate, Vinyl-Acrylate, Vinyl-Acetate, Ethylen-Vinyl-Acetate, Styrol-Butadien, Polyvinylchlorid, Ethylen-Vinyl-Chlorid, Vinyl-Alkohol, Butadien-Acrylat), aus der Klasse der Elastomere (Polyurethan, Silikon-Elastomer, Naturkautschuk) oder aus der Klasse vernetzte Duroplaste (Phenolharz, Melaminharz, Harnstoffharz, Formaldehydharz, Epoydharz, Alkydharz, Polyesterharz) gebildet oder mit einen Comonomer (Ethylen, Butadien, Butyl-Acrylat, Ethyl-Acrylat, Vinyl-Acetat, Vinyl-Chlorid, Methyl-Methacrylat, Styrol, Acrylnitril) versetzt sein. Eine bevorzugte Bindeflüssigkeit ist 4 % Polyvinylalkohol.

Die Beschichtung des Naturfaserhalbzeuges mit der Bindeflüssigkeit kann in Form eines Sprüh-, Walzen-, Tränkbad oder Kalanderauftrages erfolgen, vorzugsweise mittels eines Tränkbades.

Nach dem Trocknen steht ein schubfestes und klebfreies Verstärkungsmaterial zur Verfügung. Die die Lagen eines Faserverbundformteils bildenden Verstärkungsmaterialien werden entsprechend dem gewünschten Schnittmuster ausgestanzt.

Zur endgültigen Herstellung des Faserverbundformteils werden die Einzellagen entsprechend einem Lagenplan geschichtet und in ein Formgebungswerkzeug, das sich in einer Presse befindet, eingebracht.

Das Formgebungswerkzeug ist auf 50 bis 200°C, vorzugsweise etwa 150°C, aufgeheizt. Anschließend wird eine genau abgewogene Menge eines Duroplasten aus nachwachsenden Rohstoffen in die Kavität gegeben. Geeignete Duroplaste dieser Art sind unter den Bezeichnungen PTP (Firma Preform), Tribest (Firma Cognis), Elastoflex (Firma Elastogran/BASF) im Handel. Diese Polymere reagieren wie Epoxydharze, ungesättigte Polyester, Acrylate, Vinylester oder Polyurethane. Sie können mit entsprechenden Beschleunigern, vorzugsweise Tribest L 380 gemischt mit Comonomeren bis zu 49 %, vorzugsweise 20% Methacrylsäure und 10 % Photomer 3005F sowie 1 bis 5 % eines Peroxids, vorzugsweise 3 % PK 295 V und 0–10 % eines Beschleunigers C12 oder CA12, vorzugsweise jedoch ohne Beschleuniger, versetzt werden. Die Presse wird geschlossen und nach 0,25 bis 5 Minuten, vorzugsweise nach 2 Minuten wieder geöffnet und das fertige Bauteil entformt.

Die erfindungsgemäßen Faserverbundformteile können in allen herkömmlichen Anwendungsbereichen für Faserverbundformteile eingesetzt werden, beispielsweise in Elektrotechnik, im Bauwesen, im Automobilbau, in der Schifffahrt, in der Luftfahrt, im Behälterbau, Gerätebau für Sportartikel usw. Sie bieten den Vorteil eines problemlosen Recycling bei einer problemlosen Handhabung und Bearbeitung des Verstärkungsmaterials zur Vorbereitung des eigentlichen Herstellungsprozesses.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundformteils aus einem Verstärkungsmaterial aus Naturfasern (1) und einem aushärtenden Biopolymer (3), bei dem das zugeschnittene Verstärkungsmaterial mit dem Biopolymer (3) in flüssiger Form getränkt und anschließend durch Pressen geformt und ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Verstärkungsmaterial zur Bildung eines verbessert handhabbaren Zwischenprodukts eine chemische Bindeflüssigkeit (2) dünn so aufgetragen wird, dass das Verstärkungsmaterial nach dem Trocknen der Bindeflüssigkeit (2) schubfest und klebfrei ist, und dass dem schubfest und klebfrei ausgebildeten Verstärkungsmaterial das Biopolymer (3) zugeführt und dass Faserverbundformteil in einem Formgebungswerkzeug fertig gestellt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schubfest und klebfrei ausgebildete Verstärkungsmaterial vor dem Pressen in mehreren Lagen gestapelt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass erst das schubfest und klebfrei ausgebildete Verstärkungsmaterial zugeschnitten wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuschneiden durch Stanzen vorgenommen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial beim Trocknen der Bindeflüssigkeit (2) vorgeformt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindeflüssigkeit (2) mittels eines Tränkbades aufgebracht wird. Faserverbundformteil, aufgebaut mit einem Verstärkungsmaterial aus Naturfasern (1) und einem ausgehärteten Biopolymer (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Biopolymer (3) auf ein durch das Verstärkungsmaterial und einer auf das Verstärkungsmaterial aufgetragenen dünnen Schicht aus einem chemischen Bindemittel (2) gebildetes Zwischenprodukt aufgebracht ist. Faserverbundformteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Naturfasern (1) aus Flachs-, Hanf-, Ramie-, Jutefasern oder zellulosebasierte Fasern gebildet sind. Faserverbundformteil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Biopolymer (3) ein Duroplast ist. Faserverbundformteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Biopolymer aus der Gruppe aus aushärtenden Zellulose-, Stärke-, Milchsäure-, Schellackderivaten und pflanzenölbasierten Duroplasten ausgewählt ist. Faserverbundformteil nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch mehrere aufeinander gestapelte Lagen des mit dem chemischen Bindemittel (2) beschichteten Verstärkungsmaterials. Zwischenprodukt zur Herstellung eines mit einem Biopolymer (3) ausgehärteten Faserverbundformteils, gebildet aus einem Verstärkungsmaterial aus Naturfasern (1), das durch eine flüssig aufgebrachte, getrocknete dünne Schicht eines chemischen Bindemittels (2) schubfest und klebfrei ausgebildet ist.






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