DE68904140T2 - MIXED YARN FOR MATERIALS MADE OF DIFFERENT MATERIALS USING THERMOPLASTICS AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF. - Google Patents
MIXED YARN FOR MATERIALS MADE OF DIFFERENT MATERIALS USING THERMOPLASTICS AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF.Info
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Abstract
Description
Diese Erfindung betrifft Mischgarne für Verbundstoffe mit thermoplastischer Matrix, insbesondere eine aus thermoplastischen Fasern bestehende thermoplastische Matrix, sowie ihr Herstellungsverfahren.This invention relates to blended yarns for thermoplastic matrix composites, in particular a thermoplastic matrix consisting of thermoplastic fibers, and to their manufacturing process.
Die Druckschrift EP-A-156 600 betrifft ein kontinuierliches Garn, welches einen innigen Verbund von Garnen aus thermoplastischen Fasern und von nichtthermoplastischen Verstärkungsfasern aufweist.The document EP-A-156 600 relates to a continuous yarn which has an intimate bond of yarns made of thermoplastic fibers and non-thermoplastic reinforcing fibers.
Die Druckschrift EP-A-156 600 betrifft einen Mischapparat für natürliche oder künstliche Textilfasern, welcher mehrere hintereinander angeordnete Zerreiß- oder Ziehmaschinen umfaßt, wobei die aus zwei Maschinen kommenden Bänder am Eingang einer dritten Maschine vereinigt werden.The document EP-A-156 600 relates to a mixing apparatus for natural or artificial textile fibers, which comprises several tearing or drawing machines arranged one behind the other, the strips coming from two machines being combined at the inlet of a third machine.
Es ist bekannt, daß bei den gegenwärtig für die Herstellung dieser Verbundstofftypen benutzten Verfahren die im allgemeinen die Form von Multifilamenten aufweisenden Verstärkungsfasern (Kohlenstoff-, Aramid- oder Glasfasern) abwechselnd mit Multifilamenten der thermoplastischen Matrixfasern gewebt werden.It is known that in the processes currently used to manufacture these types of composites, the reinforcing fibres (carbon, aramid or glass fibres), generally in the form of multifilaments, are woven alternately with multifilaments of the thermoplastic matrix fibres.
Diese thermoplastischen Matrixfasern gehören zu den klassischen Familien: Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetherimid (PEI), usw ...These thermoplastic matrix fibers belong to the classic families: polyetheretherketone (PEEK), polyphenylene sulfide (PPS), polyetherimide (PEI), etc...
Diese Herstellungstechnik weist verschiedene Nachteile auf, unter denen anzuführen sind:This manufacturing technique has several disadvantages, among which are:
- schlechte Netzbarkeit,- poor networkability,
- beträchtlicher Hohlraumanteil,- considerable void space,
- Schichtspaltung der Verstärkungsfasern.- Delamination of the reinforcing fibres.
Eine andere Technik besteht darin, die Multifilamente der Verstärkungsfasern und die Multifilamente der thermoplastischen Fasern zu durchmischen.Another technique is to mix the multifilaments of the reinforcing fibers and the multifilaments of the thermoplastic fibers.
Dadurch läßt sich eine Verbesserung des erhaltenen Ergebnisses feststellen, die oben angeführten Probleme aber werden nicht vollständig gelöst. Andereseits verhindern die ziemlich hohen Kosten dieser Technik praktisch ihren Einsatz in der industriellen Serienfertigung.This allows an improvement in the result obtained, but does not completely solve the problems mentioned above. On the other hand, the relatively high cost of this technology practically prevents its use in industrial mass production.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, Mischgarne für Verbundstoffe mit thermoplastischer Matrix vorzusehen, welche es gestatten diese Probleme zu beherrschen und zu lösen.The aim of this invention is to provide blended yarns for composites with thermoplastic matrix, which allow these problems to be controlled and solved.
Die erfindungsgemäßen Mischgarne weisen einen innigen Verbund von Garnen aus Verstärkungsfasern und von Garnen aus thermoplastischen Matrixfasern auf und sind dadurch gekennzeichnet, daß jedes des Fasergarne vorab durch Zerreißen mittels eines langsamen und zunehmenden Ziehens von Multifilamenten erhalten wurde.The mixed yarns according to the invention have an intimate composite of yarns made of reinforcing fibers and of yarns made of thermoplastic matrix fibers and are characterized in that each of the fiber yarns was previously obtained by tearing by means of a slow and increasing pulling of multifilaments.
Die Garne aus Verstärkungsfasern werden aus Kohlenstoff-, Aramid- oder Glasfasergarnen ausgewählt.The reinforcing fiber yarns are selected from carbon, aramid or glass fiber yarns.
Die Garne aus thermoplastischen Matrixfasern werden aus Polyethetetherketon (PEEK)-, Polyphenylensulfid (PPS)-, Polyethersulfon (PES)-, Polyetherimid (PEI),- Fasergarnen als auch aus den anderen Fasergarnen, die für diesen Zweck bekannt sind, wie z.B. den Polyamiden und den Polyimiden, ausgewählt.The yarns made of thermoplastic matrix fibres are made of polyethetetherketone (PEEK), polyphenylene sulphide (PPS), Polyethersulfone (PES), polyetherimide (PEI) fiber yarns as well as other fiber yarns known for this purpose, such as polyamides and polyimides.
Nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das relative Verhältnis der Verstärkungsfasern und der thermoplastischen Matrixfasern, welches selbstverständlich abhängig von den Eigenschaften der Matrixfasern, insbesondere ihrer Viskosität bei Wärme, variieren kann, für die Verstärkungsfasern ungefähr 65% und für die thermoplastischen Matrixfasern ungefähr 35%.According to a preferred embodiment of the invention, the relative ratio of the reinforcing fibers and the thermoplastic matrix fibers, which can of course vary depending on the properties of the matrix fibers, in particular their viscosity when heated, is approximately 65% for the reinforcing fibers and approximately 35% for the thermoplastic matrix fibers.
Aufgabe der Erfindung ist es auch ein Verfahren zur Herstellung von Mischgarn und Verbundmaterialen gemäß der Erfindung bereitzustellen.The object of the invention is also to provide a method for producing mixed yarn and composite materials according to the invention.
Gemäß diesem Verfahren werden die Multifilamente der Verstärkungsfasern und die Multifilamente der thermoplastischen Matrixfasern jeweils für sich einem getrennten Zerreißvorgang durch langsames und zunehmendes Ziehen unterzogen, danach werden die derart erzeugten Bänder von diskontinuierlichen Fasern auf einer Ziehmaschine der Intersecting-Bauart gefacht, und das diese Ziehmaschine verlassende Band anschließend in einer zweiten Ziehmaschine mit anderen identischen Bändern gefacht, wobei dieser Vorgang mehrere Male derart wiederholt wird, daß der innigst mögliche Verbund erhalten wird, und danach wird das schließlich erzeugte Band den klassischen Langfaser-Spinnvorgängen unterzogen:According to this process, the multifilaments of the reinforcing fibers and the multifilaments of the thermoplastic matrix fibers are each subjected to a separate tearing process by slow and increasing drawing, then the bands of discontinuous fibers thus produced are plied on an intersecting-type drawing machine, and the band leaving this drawing machine is then plied with other identical bands in a second drawing machine, this process being repeated several times in such a way that the most intimate bond possible is obtained, and then the band finally produced is subjected to the classic long fiber spinning processes:
Durchlaufen einer Spindelbank, Spinnen im eigentlichen Sinne, Spulen, Fachen und Zwirnen.Going through a spindle bank, spinning in the true sense, winding, plying and twisting.
Die derart erzeugten Garne sind geeignet durch Weben, Stricken oder Flechten in Verbundstoffe umgewandelt zu werden, welche im Vergleich mit den gemäß den Verfahren des Stands der Technik hergestellten Stoffen vielfältige Vorteile aufweisen.The yarns produced in this way are suitable for being transformed by weaving, knitting or braiding into composite materials which, in comparison with the materials produced according to the processes Materials manufactured using state-of-the-art technology have a wide range of advantages.
Diese Vorteile sind die folgenden:These advantages are the following:
- sehr gute Netzbarkeit der Verstärkungsfasern,- very good wettability of the reinforcing fibres,
- sehr geringer Hohlraumanteil,- very low void content,
- eine Drapierbarkeit der Textiloberflächen, welche es gestattet, ausziehbare oder nicht ausziehbare Oberflächen zu formen,- a drapability of the textile surfaces, which allows to form extendable or non-extendable surfaces,
- sehr gute Isotropie des Stoffes in der Richtung der Verstärkungsfasern,- very good isotropy of the material in the direction of the reinforcing fibres,
- hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen Schichtspaltung. Tatsächlich erscheint der Stoff ein monolithischer Stoff zu sein, der seine ursprüngliche Schichtstruktur "vergessen" hat.- excellent resistance to layer splitting. In fact, the material appears to be a monolithic material that has "forgotten" its original layered structure.
Der Verbundstoff weist außerdem eine sehr gute Tauglichkeit für Heißprägen auf.The composite material also has very good suitability for hot stamping.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren von Mischgarnen für Verbundstoffe wird jetzt im Detail mit Bezug auf die beigefügte schematische Zeichnung beschrieben, was der Erläuterung dient ohne in irgendeiner Weise einzuschränken. In dieser Zeichnung ist:The manufacturing process of mixed yarns for composites according to the invention will now be described in detail with reference to the attached schematic drawing, which is for illustrative purposes without being limiting in any way. In this drawing:
Fig 1 ein Diagramm der Längen der Fasern, die dem Zerreißvorgang unterworfen wurden;Fig 1 is a diagram of the lengths of the fibres subjected to the tearing process;
Fig 2 eine sehr schematische Ansicht der Zerreißanordnung, undFig 2 a very schematic view of the tearing arrangement, and
Fig 3 eine sehr schematische Darstellung des Verbindens der zerrissenen Fasern, welches ein Band von erfindungsgemäßen Mischgarnen ergibt.Fig. 3 is a very schematic representation of the joining of the torn fibers, which results in a ribbon of mixed yarns according to the invention.
In den Figuren sind die Verstärkungsfasern allgemein mit 2 bezeichnet und die thermoplastischen Matrixfasern mit 3.In the figures, the reinforcing fibers are generally designated with 2 and the thermoplastic matrix fibers with 3.
In der in Fig 2 dargestellten Zerreißanordnung werden die aus den Garnspulen 10 kommenden Multifilamentstränge, (wobei es sich um Multifilamente von Verstärkungsfasern oder thermoplastischen Matrixfasern handelt) einem Zerreißvorgang durch kontrolliertes Ziehen und Brechen unterworfen, wobei die Geschwindigkeiten der Ziehbereiche 11,12 und der Brechbereiche 13,14 fortschreitend zunehmen, derart, daß:In the tearing arrangement shown in Fig. 2, the multifilament strands coming from the yarn spools 10, (which are multifilaments of reinforcing fibres or thermoplastic matrix fibres) is subjected to a tearing process by controlled drawing and breaking, the speeds of the drawing areas 11,12 and the breaking areas 13,14 increasing progressively such that:
V&sub1;&sub0; < V&sub1;&sub2; < V&sub1;&sub3; < V&sub1;&sub4;V₁₀₋ < V₁₂ < V₁₃ < V₁₄
was es ermöglicht am Ausgang ein Band diskontinuierlicher Fasern zu erhalten, deren mittlere Länge vollkommen beherrschbar ist.which makes it possible to obtain at the output a ribbon of discontinuous fibers whose average length is completely controllable.
Diese Länge ist im übrigen im Diagramm von Fig 1 dargestellt, in welchem auf der Ordinate die Faserlängen in mm und auf der Abszisse die Population der Fasern, ausgedrückt durch die prozentuale Anzahl der Fasern dieser Population, aufgetragen sind.This length is also shown in the diagram in Fig. 1, in which the ordinate represents the fiber lengths in mm and the abscissa represents the population of fibers, expressed as the percentage number of fibers in this population.
Es versteht sich von selbst daß für die Bänder der diskontinuierlichen Verstärkungsfasern 2 und für die Bänder der diskontinuierlichen thermoplastischen Matrixfasern 3 verschiedene Zerreißanordnungen benutzt werden.It goes without saying that different tearing arrangements are used for the bands of discontinuous reinforcing fibers 2 and for the bands of discontinuous thermoplastic matrix fibers 3.
Die verschieden, auf diese Weise erzeugten Bänder 2 und 3 werden danach mittels irgendeiner der bekannten Einrichtungen zu der in Fig 3 dargestellten Mischvorrichtung geführt.The different strips 2 and 3 produced in this way are then fed by any of the known devices to the mixing device shown in Fig. 3.
Es handelt sich um eine Anordnung mit einem Ziehbereich 15 von der Intersecting-Bauart, welche es gestattet am Ausgang ein inhomogenes Band 4 von untereinander verbundenen Verstärkungsfasern 2 und Matrixfasern 3 zu erhalten, welches "Spuren" jeder der Komponenten enthält.It is an arrangement with a drawing area 15 of the intersecting type, which makes it possible to obtain at the output an inhomogeneous band 4 of interconnected reinforcement fibers 2 and matrix fibers 3, which contains "traces" of each of the components.
Jedes der auf diese Weisse erzeugten Bänder 4 wird am Ausgang dieser Maschine mit anderen, identischen Bändern in einer der in Fig 3 dargestellten identischen Anordnung zusammengefügt; dieser Vorgang wird ungefähr viermal wiederholt, wodurch es möglich ist, erfindungsgemäße Mischgarne mit den gewünschten Endanteilen der Verstärkungsfasern und der thermoplastischen Fasern zu erhalten, wobei diese Anteile wohlverstanden in Abhängigkeit der thermoplastischen Matrixfasereigenschaften, insbesondere ihrer Wärmeviskosität, variieren kann, und im allgemeinen ungefähr 65% für die Verstärkungsfasern und ungefähr 35% für die thermoplastischen Matrixfasern betragen. Diese Fasergarne bestehen aus einem innigen Verbund von Verstärkungsfasern und von thermoplastischen Matrixfasern.Each of the bands 4 produced in this way is combined at the output of this machine with other identical bands in an identical arrangement shown in Fig. 3. this operation is repeated approximately four times, making it possible to obtain mixed yarns according to the invention with the desired final proportions of reinforcing fibers and thermoplastic fibers, it being understood that these proportions can vary depending on the properties of the thermoplastic matrix fibers, in particular their thermal viscosity, and are generally approximately 65% for the reinforcing fibers and approximately 35% for the thermoplastic matrix fibers. These fiber yarns consist of an intimate composite of reinforcing fibers and thermoplastic matrix fibers.
Das Band wird anschließend den klassischen Langfaser- Spinnvorgängen unterzogen:The tape is then subjected to the classic long-fibre spinning processes:
- Durchlaufen einer Spindelbank,- Passing through a spindle bank,
- Spinnen,- Be crazy,
- Spulen,- Wash,
- Fachen,- compartments,
- Zwirnen,- twisting,
wodurch das erfindungsgemäße Fasermischgarn mit thermoplastischer Matrix erzeugt werden kann, und wobei dieses Fasergarn selbstverständlich geeignet ist, danach durch Weben, Stricken oder Flechten weitergebildet zu werden.whereby the fiber blend yarn according to the invention can be produced with a thermoplastic matrix, and whereby this fiber yarn is of course suitable for subsequent further development by weaving, knitting or braiding.
Dieses Garn besitzt keine bestimmten mechanischen Eigenschaften, da im Moment des Formens die thermoplastische Fasermatrix schmilzt und dabei die Verstärkungsfasern einschließt. Die Eigenschaften des so erhaltenen Verbundstoffs sind also nur von den Eigenschaften der elementaren Fasern und ihrer Verbindung mit der thermoplastischen Matrix abhängig.This yarn does not have any specific mechanical properties because, at the moment of molding, the thermoplastic fiber matrix melts, enclosing the reinforcing fibers. The properties of the composite thus obtained therefore depend only on the properties of the elementary fibers and their connection with the thermoplastic matrix.
Die angefügte Tabelle I faßt die Eigenschaften von drei Typen von erfindungsgemäßen Mischfasergarnen zusammen. In der Tabelle sind sowohl die Verstärkungsfasern als auch die thermoplastischen Matrixfasern variiert. TABELLE I Matrix Schmelztemperatur Verstärkung KOHLENSTOFF (CARBONE HR) Modul Dichte Faser GLAS (VERRE E) ARAMID HRThe attached Table I summarizes the properties of three types of mixed fiber yarns according to the invention. In the table, both the reinforcing fibers and the thermoplastic matrix fibers are varied. TABLE I Matrix Melting temperature Reinforcement CARBON (CARBONE HR) Modulus Density Fiber GLASS (VERRE E) ARAMID HR
In Tabelle II werden die Eigenschaften verschiedener, aus den erfindungsgemäßen Mischfasergarnen hergestellter Verbundstoffe mit dem Stand der Technik entsprechenden, in der Literatur beschriebenen Verbundstoffen verglichen. TABELLE II BIEGUNG SCHERUNG ZUG Referenz Proben Faser Volumenanteil % Dichte g/cm² Hohlraumanteil % Bruchgrenze (GPa) Modul (GPa) Bruchgrenze (MPa) X : Tabelle IV Seite 10 XX : Tabelle No II Seite 123 - letzte SpalteIn Table II, the properties of various composites made from the mixed fiber yarns according to the invention are compared with state-of-the-art composites described in the literature. TABLE II BEND SHEAR TENSILE Reference Samples Fibre Volume Fraction % Density g/cm² Void Fraction % Breaking Strength (GPa) Modulus (GPa) Breaking Strength (MPa) X : Table IV Page 10 XX : Table No II Page 123 - last column
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