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DE69001786T2 - Verbundwerkstoff mit durch Vorimprägnierung einer endlosen Faser veränderbaren Charakteristiken. - Google Patents

Verbundwerkstoff mit durch Vorimprägnierung einer endlosen Faser veränderbaren Charakteristiken.

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Publication number
DE69001786T2
DE69001786T2 DE90401748T DE69001786T DE69001786T2 DE 69001786 T2 DE69001786 T2 DE 69001786T2 DE 90401748 T DE90401748 T DE 90401748T DE 69001786 T DE69001786 T DE 69001786T DE 69001786 T2 DE69001786 T2 DE 69001786T2
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DE
Germany
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material according
powder
reinforcing
fibers
reinforcing material
Prior art date
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Robert Carbone
Roland Ganga
Michel Leone
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Arkema France SA
Etat Francais
Original Assignee
Elf Atochem SA
Etat Francais
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Publication date
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Publication of DE69001786T2 publication Critical patent/DE69001786T2/de
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Description

  • Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um einen neuen Verbundwerkstoff mit variierbaren Eigenschaften, den man durch Vorimprägnieren einer fortlaufenden Faser erhält.
  • Gemäß EP-O-133 825 ist ein biegsamer Verbundwerkstoff entsprechend der Präambel des Patentanspruches 1 bekannt, der aus einer biegsamen Hülle besteht, die einen Faserstrang umschließt, der vollständig mit feinem Kunststoffpulver imprägniert ist, dessen Schmelzpunkt höher liegt oder dem des Materials entspricht, aus dem die erwähnte Hülle hergestellt wird, sodaß man nach der Herstellung des Halberzeugnisses einen Werkstoff erhält, den man biegen und sogar verknoten kann, ohne daß er bricht, und mit dem man flechten, weben und sogar stricken kann.
  • Welcher Art auch das verwendete Pulver sein mag, so ist es dennoch nicht möglich, sämtliche physikalischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes über gewisse Grenzen hinaus zu verändern. Dies schränkt die Anwendungsmöglichkeiten dieses Verbundwerkstoffes ein, sodaß er beispielsweise nicht im Bereich der Hochfrequenztechniken eingesetzt werden kann.
  • In der Patentschrift FR-A-2 566 324 wird ein vorimprägnierter Werkstoff aus einer äußeren Metall- oder Kunststoffhülle und einem in dieser Hülle enthaltenen Kern beschrieben, der aus Fasern besteht, in die nach dem Öffnen Metallpulver verteilt werden. Dabei wäre noch darauf hinzuweisen, daß die äußere Hülle, falls sie aus einem Polymer besteht, vor dem Schmelzen der Metallmatrize durch Kalzinieren eliminiert wird.
  • Unter diesen Umständen sind bei einem derartigen Endprodukt, das industriell verarbeitet werden soll, die einzelnen Fasern wenig oder gar nicht miteinander verbunden; daher erhält man ein Metallprodukt, dessen physikalische Eigenschaften denen von Metallplatten und/oder -rohren entsprechen.
  • Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen Verbundwerkstoff anzubieten, der mindestens eine durchgehende, biegsame Außenhülle besitzt, die einen fortlaufenden Faserstrang umschließt, mit spezifischem Verstärkungsmaterial in Verbindung mit organischen Teilchen, in Form eines durchgehenden, biegsamen Drahtes, in dem die einzelnen Bestandteile untereinander nicht verbunden sind, sodaß es möglich wird, Halberzeugnisse in Form von Bändern, Geweben und Riemchen herzustellen, mit in einer oder mehreren Richtungen verlaufender gewebter oder gestrickter Struktur.
  • Indem man die Art und/oder die Proportionen der einzelnen Bestandteile des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes variiert, wird es möglich, nicht nur die physikalischen Eigenschaften in jeder Strukturrichtung des Halberzeugnisses zu verändern, sondern auch die spezifischen Eigenschaften des aus dem Halberzeugnis gefertigten Endproduktes zu variieren, um es der vorgesehenen Anwendung optimal anzupassen.
  • Beim Lesen der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes und Betrachtung der Zeichnung im Anhang werden noch andere Eigenschaften und Vorteile deutlich werden, wobei das einzige Bild die Schnittperspektive der Vorderansicht einer Vorrichtung zur Herstellung eines biegsamen Drahtes darstellt.
  • Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff, der am besten die Form eines biegsamen Drahtes haben sollte, und den man z.B. mit der im Patent EP-O-1 331 825 beschriebenen Technik herstellen kann, besteht aus:
  • - fortlaufenden mineralischen, organischen oder metallischen Fasern in Form fortlaufender Multifilamente, die Stränge mit unterschiedlicher Flächenmasse bilden,
  • - einem durch Temperaturerhöhung umformbaren Pulver, das mit der Hülle zusammen eine Matrize bildet, die ihrerseits aus einem geeigneten thermo- oder duroplastischen Polymer besteht,
  • - spezifischem Verstärkungsmaterial, das voll, hohl oder porös sein und aus Pulvern, Kugeln, Lamellen, Pailletten oder Fibrillen bestehen kann, wobei es sich um mineralisches, organisches oder metallisches Verstärkungsmaterial handeln kann, das isolierende, leitende und/oder magnetische Eigenschaften aufweisen kann,
  • - sowie einer Außenhülle, die in den meisten Fällen thermoplastisch ist und die man durch Polymerextrusion erhält, die jedoch auch von anderer Art sein und z.B. durch Umspinnung oder den Durchlauf durch eine Lösung und anschließendes Entfernen des Lösungsmittels hergestellt werden kann.
  • Die Eigenschaften der einzelnen Bestandteile dieses biegsamen Drahtes, wie z.B. chemischer, mechanischer und dielektrischer Widerstand, werden den Eigenschaften entsprechend ausgewählt, die man dem herzustellenden Endprodukt verleihen möchte.
  • Zur Herstellung biegsamen Drahtes bietet sich beispielsweise folgendes Verfahren an:
  • - Öffnen der fortlaufenden Faserstränge über einen Walzendurchgang oder durch Einblasen von Luft,
  • - Einstreuen des Pulvers mit dem spezifischen Verstärkungsmaterial in die erwähnten, geöffneten Stränge,
  • - Umhüllen der Fasern, des Pulvers und des Verstärkungsmaterials, die alle noch unverbunden sind, mit einer fortlaufenden Außenhülle.
  • Das Raumverhältnis zwischen den Strangfasern und der Mischung von Pulver und Verstärkungsmaterial sollte vorzugsweise zwischen 40 und 70 % betragen, und das Gewichtsverhältnis zwischen der Hülle und den übrigen Drahtbestandteilen sollte zwischen 15 und 25 % liegen.
  • Hier wäre darauf hinzuweisen, daß die Außenhülle nicht gleichmäßig mit den Fasern und/oder dem Pulver und Verstärkungsmaterial verbunden ist, um die hohe Biegsamkeit des Drahtes zu erhalten.
  • Ein Herstellungsverfahren für biegsamen Draht aus den obengenannten Bestandteilen könnte z.B. folgendes sein:
  • In einem ersten Schritt wird eine Mischung aus Pulver und Verstärkungsmaterial hergestellt, entweder durch Umhüllen des Verstärkungsmaterials mit dem Pulver, oder durch Zugabe von gekörntem Verstärkungsmaterial um die Pulverkörner herum oder umgekehrt, unter Einsatz des "Dry- Blend"-Systems. Das Raumverhältnis bei der Mischung von Verstärkungsmaterial und Pulver liegt zwischen 90 und 0 %. Die Granulometrie des Polymerpulvers und des spezifischen Verstärkungsmaterials wird so gewählt, daß die Mischung Pulver/Verstärkungsmaterial in die Filamente der fortlaufenden Fasern eindringen kann. Vorzugsweise sollte die Granulometrie des Pulvers zwischen 10 und 60 u liegen, die des Verstärkungsmaterials dagegen zwischen 0,2 und 100 u.
  • Ein fortlaufender Faserstrang (1) wird von einer Spule (2) abgerollt, wobei ein Paar Garnbereitstellungzylinder (3) für den erforderlichen Zug sorgen. Der Strang (1) gelangt über eine dichte Schleuse (7) in einen vollständig geschlossenen Sinterbehälter (4), in dem unter Einwirkung von Druckluft (5) , die in den unteren Kasten eingeleitet wird, die Mischung (5) für das Wirbelstromsintern aufbereitet wird. Der Strang (1) wird durch bekannte, hier nicht dargestellte Mittel, über Rollen oder Riffelzylinder verbreitert oder aufgefasert. Der Strang wird durch Reibung auf diesen Teilen elektrostatisch aufgeladen, um dann, mit der Mischung versehen, den Sinterbehälter über eine zweite dichte Schleuse (8) zu verlassen.
  • Die Schleuse (8) weist folgende Besonderheit auf: sie ist über zwei Thermodichtungen, die hier nicht eingezeichnet sind, sowohl an den Sinterbehälter als auch an die Spitze eines Abdeckwinkels (9) angeschlossen, die den Wärmeaustausch zwischen der Schleuse (8) und der Spitze des Abdeckdreiecks (9) , das aufgrund seiner positiven Heizung (nicht dargestellt) eine Wärmequelle bildet, einerseits und dem Ausgang des Sinterbehälters (4) andererseits, soweit wie möglich reduzieren. Die thermische Isolierung soll die Eindickung der Mischung beim Kontakt mit den heißen Oberflächen verhindern, auf denen sie schmelzen könnte.
  • Die Dichtigkeit der Anschlüsse zwischen Sinterbehälter 4/Schleuse 8/Winkelspitze (9) soll verhindern, daß Partikel des Pulvers und/oder des Verstärkungsmaterials vom Innern der Anlage nach außen dringen und durch Entzündung Unfälle verursachen.
  • Um sämtliche, nicht durch elektrostatische Aufladung am Strang fixierte Partikel in den Sinterbehälter zurückzubefördern, wird in der Schleuse (8) durch eine Pumpe mit geringer Leistung (15) ein leichter Luftzug erzeugt. Diese Pumpe gehört zum Typ der Laborrollenpumpen, wie sie von der Firma W. BACHOFEN in Basel verkauft werden. Der Luftdruck, den diese Pumpen liefern können, liegt zwischen 0,10 und 0,30 Bar und ihre Leistung kann für die Erzeugung eines sogenannten "Bläschen"-Stroms durch die Reduzierung der Rotationsgeschwindigkeit ihres Rollenrotors so gering wie möglich gehalten werden, der die Luftbewegung in einer biegsamen Leitung erzeugt, die von dem erwähnten Rollenrotor zusammengedrückt wird.
  • Kleine Wirbler, die hier nicht dargestellt wurden, um die Zeichnung nicht unnötig zu komplizieren, ermöglichen den Abzug der von der Pumpe (15) eingeblasenen, überschüssigen Luft, sowie das Auffangen der mitgeführten, kleinen Mengen der Mischung.
  • Am Ausgang der Schleuse (8) gelangt der mit der Mischung versehene Strang in die Spitze (9).
  • Die Dreieckspitze (9) wird von dem Extruder (10) mit Kunststoff für die Hülle gespeist, die hier durch ihre Verbindung mit der Spitze dargestellt wird. Der Kunststoff für die Hülle kommt in "Rohrform" aus der Spitze, d.h. der Ausgangsdurchmesser der Kunststoffhülle wird von einer Dornstange definiert, deren Durchmesser größer ist als der Außendurchmesser des Strangs, wobei die Hülle aus geschmolzenem Material sich durch den Zug an dem aus dem Spritzmundstück herausragenden Profil zusammenzieht und erst nach ca. 5 mm Bewegung in der Luft mit dem Strang in Kontakt kommt.
  • Diese Abdeckspitze wird vorteilhafterweise in vertikaler Richtung angebracht. Das Profil ist nach einem Weg von ca. einem Meter an der Luft fast abgekühlt. Es bleibt biegsam und läuft über einen Hakenwirtel (11) mit einem Durchmesser von ca. 600 mm.
  • Bei sehr starken Dichtigkeiten der Mischung ist es vorteilhaft, ein System zu verwenden, das nach unten läuft statt nach oben, wie das auf dem Bild dargestellte System.
  • Bei der Herstellung von vorher imprägniertem, biegsamem Draht kann man über die gesamte Länge die Eigenschaften verändern, indem man die Art und die Granulometrie der zum offenen Strang gegebenen Mischung variiert.
  • Der auf diese Weise hergestellte biegsame Draht mit über die gesamte Länge gleichbleibenden oder variablen Eigenschaften dient zur Herstellung von Halberzeugnissen, in Form von in einer oder mehreren Richtungen verlaufenden, gewebten oder gestrickten Strukturen. Die Eigenschaften der Halberzeugnisse können durch Übereinanderlegen von Drähten verschiedener Art variiert werden. Auf diese Weise erzeugt man ein Halb- oder Zwischenerzeugnis mit über die gesamte Länge, an der Oberfläche oder in der Dicke variablen Motiven.
  • Bei einem anderen Beispiel von biegsamem Draht wird eine Mischung verwendet, bei der das Verstärkungsmaterial dominiert, und die Außenhülle mit einem geeigneten Harz getränkt ist, das mit dem für die Hülle verwendeten Material kompatibel ist. Die in einer oder mehreren Richtungen verlaufenden, gewebten oder gestrickten Strukturen, die man mit einem solchen Draht erhält, werden anschließend mit einem Harz getränkt.
  • Ein weiteres Beispiel für einen komplexeren biegsamen Draht ergibt sich aus der Verwendung einer ersten Hülle, die fortlaufende Fasern, ein Pulver oder eine Mischung Pulver/Verstärkungsmaterial umschließt, sowie einer zweiten Hülle, die der ersten gleichen oder von ihr verschieden sein kann, wobei der Zwischenraum zwischen diesen beiden Hüllen ausschließlich mit Verstärkungsmaterial, mit Pulver oder mit einer zweiten Mischung Pulver/Verstärkungsmaterial gefüllt wird, und die Art und/oder die Proportion der Bestandteile der zweiten Mischung der der ersten entsprechen oder sich von ihr unterscheiden kann.
  • Selbstverständlich ist es auch möglich, einen vorher imprägnierten Draht mit mehr als zwei Hüllen herzustellen, wobei die zwischen den einzelnen Hüllen aufgebrachten Bestandteile im Hinblick auf das gewünschte Ergebnis ausgewählt werden.
  • Die Umwandlung des Halberzeugnisses erfolgt durch Schmelzen und/oder Vernetzung der Mischung/Hülle, wobei sich die Fasern mit der Mischung verbinden, um das fertige Verbundprodukt zu bilden. Im allgemeinen zieht man es vor, die Umwandlung durch die Einwirkung einer Kombination von Wärme und Druck zu erreichen, deren Werte jeweils von den verwendeten Werkstoffen abhängen.
  • Die Eigenschaften der Werkstoffe, wie Viskosität, Kristallisierbarkeit, Kettenlänge, Schmelz-, Abkühl- oder Vernetzungszeit sind ein wichtiger Faktor bei der Herstellung eines guten Verbundwerkstoffes.
  • Die bekannten Verfahren, wie z.B. Präzisionswickelverfahren, Pultrusion oder Verpressen im Autoklaven mit Projektion der abgeschnittenen Fasern, können ebenfalls eingesetzt werden.
  • Die Anwendungsbereiche des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes sind diejenigen aller Verbundwerkstoffe: Strukturen, Platten für gedruckte Schaltkreise, elektromagnetische Fenster, Absorptionsmittel im akustischen und elektromagnetischen Bereich.
  • Die Fasern werden vor allem aus Glasfasern E, R oder S, Aramid, Kieselerde, Polymeren oder Kohlenstoff hergestellt.
  • Das Pulver erhält man aus dielektrischen, thermoplastischen, duroplastischen, oder thermostabilen Polymeren, oder aus Absorptionsmitteln wie leitenden oder chiralen Polymeren.
  • Verstärkungsmaterial sind z.B. volle oder hohle Kugeln aus Kieselerde, Graphit, usw. oder Lamellen bzw. Pailletten aus Mineralen oder Metallen, die die gewünschten dielektrischen Eigenschaften aufweisen.
  • Die Hüllen werden hauptsächlich aus thermoplastischen Polymeren oder leitfähigen Metallen in Form einer Folie oder eines Drahtes hergestellt.
  • Zur Herstellung eines elektromagnetischen Fensters wurde ein biegsamer Draht aus folgenden Bestandteilen hergestellt:
  • - ein Strang (roving) aus Glasfaser E von 320 tex, erhältlich bei Owens Corning Fiberglass,
  • - eine mit dem "dry blend"-Verfahren hergestellte Mischung aus Polyamidpulver 12 "ORGASOL 2002" Nat, mit einer durchschnittlichen Granulometrie von 20 Mikron und hohlen Glaskugeln E 22/X mit einer durchschnittlichen Granulometrie von 30 Mikron, die von der Firma 3M hergestellt werden; das Raumverhältnis der Glaskugeln beträgt 60 %, das des Pulvers 40 %.
  • - einer Polyamidhülle AMNO, erhältlich bei ATOCHEM, mit einer Dichte von 1,6 und melt index 40 (gemessen bei 190º, bei einem Gewicht von 2 kg).
  • Der biegsame Draht, den man nach dem Durchgang durch ein Wirbelstromsinterbad und Umhüllen durch Extrudierung erhält, besteht aus (gewichtsmäßig):
  • Fasern : 60 %
  • Mischung : 23 %
  • Hülle : 17 %
  • Der so hergestellte, vorimprägnierte Draht wird in in einer Richtung verlaufenden, parallelen Fäden in eine Form gelegt, die 3 Minuten lang auf 230ºC erhitzt wird; dann wird er 30 Sekunden lang mit einem Druck von 5 Bar gepreßt, bevor man ihn unter Druck 10 Minuten lang abkühlt. So erhält man einen Stab, der bei der Analyse eine geringe Dielektrizitätskonstante und einen kleinen Verlustwinkel (Eg∂) aufweist.

Claims (20)

1. Biegsamer Verbundwerkstoff, bestehend aus einer Hülle und einem Kern, der aus durchgehenden Fasern und einem durch Temperaturerhöhung umwandelbaren Pulver besteht, das unter Wärmeeinwirkung zusammen mit der Hülle eine Matrize bildet, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem ein Verstärkungsmaterial enthält, dessen Schmelztemperatur höher liegt als die höchste Schmelztemperatur der übrigen Bestandteile des Werkstoffes.
2. Werkstoff gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial und das Pulver nicht von derselben Art sind.
3. Werkstoff gemäß Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial organisch, mineralisch oder metallisch ist.
4. Werkstoff gemäß einem der Patentansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial voll, hohl oder porös ist.
5. Werkstoff gemäß einem der Patentansprüche von 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial isolierend, leitend oder magnetisch ist.
6. Werkstoff gemäß einem der Patentansprüche von 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Raumverhältnis zwischen Verstärkungsmaterial und Pulver zwischen 90 und 0 % liegt.
7. Werkstoff gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Granulometrie des Verstärkungsmittels zwischen 0,2 und 100 Mikron liegt, und zwar vorzugsweise zwischen 10 und 60 Mikron.
8. Werkstoff gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial eine hohle Kugel ist.
9. Werkstoff gemäß Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die hohle Kugel aus Kieselerde oder Graphit besteht.
10. Werkstoff gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgewählte Pulver zu den dielektrischen Polymeren gehört.
11. Werkstoff gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Pulver ein absorbierendes Polymer gewählt wird.
12. Werkstoff gemäß Patentanspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Granulometrie des Pulvers zwischen 10 und 60 Mikron liegt.
13. Werkstoff gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchgehenden Fasern aus Glasfaser, Kohlenstoff, Aramid oder Polymerstoffen bestehen.
14. Werkstoff gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchgehenden Fasern aus Metall sind
15. Werkstoff gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Fasern um dielektrische Fasern handelt.
16. Werkstoff gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Raumverhältnis zwischen den Fasern und einer Mischung aus Pulver und Verstärkungsmaterial zwischen 70 und 5 % liegt, und zwar vorzugsweise zwischen 70 und 30 %.
17. Werkstoff gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle aus einem thermoplastischen Polymer besteht.
18. Werkstoff gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle aus einem duktilen Metall hergestellt ist.
19. Werkstoff gemäß Patentanspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis zwischen der Hülle und dem restlichen Material zwischen 5 und 70 % liegt, und zwar vorzugsweise zwischen 5 und 20 %.
20. Produkt, das aus dem Werkstoff der Patentansprüche 1 bis 19 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß es radioelektrische Eigenschaften besitzt.
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