Faserverbundkunststoff sowie Herstellungsverfahren dazu Die Erfindung betrifft ein Faserflächengebilde, bei dem

Fasern in eine Matrix eingebettet sind.

Faserverbundkunststoffe zeichnen sich im Vergleich zu

metallischen Konstruktionswerkstoffen durch ein deutlich geringeres spezifisches Gewicht und höhere spezifische

Eigenschaften aus.

Es sind Faserverbundkunststoffe beispielsweise aus der

DE 20 2004 008 122 bekannt, sie werden auch als „Organoblech" oder „Hybridgarngewebe" bezeichnet und im Flugzeug-, Schiffsoder Fahrzeugbau sowie in der Energieindustrie eingesetzt, generell bei Leichtbauanwendungen.

Ein Faserverbundkunststoff (FVK) ist ein Mehrphasen- oder Mischwerkstoff aus mindestens zwei Hauptkomponenten, eine bettende Matrix und verstärkende Fasern. Als bettende Matrix wird ein Harz, als Faser beispielsweise eine Glas-,

Kohlenstoff- und/oder Aramidfaser eingesetzt. FVK-Bauteile finden Anwendung in klassischen statischen Konstruktionen und zunehmend auch in dynamisch belasteten Bauteilen oder

Komponenten, beispielsweise in Turbinenkomponenten für die Energieerzeugung inklusive Windräder, Bauteile für (Schienenfahrzeuge, Komponenten elektrotechnischer Geräte (Trafos, Generatoren, Motoren) oder in der Photovoltaik .

Bei der Herstellung wird eine Faser mit dem Harz imprägniert oder infiltriert. Die Fasern tragen in der Regel zumindest teilweise eine Beschichtung, wie beispielsweise eine so genannte Schlichte an der Oberfläche, die zum einen eine glatte Faseroberfläche für die Webschritte gewährleistet zum anderen eine Kompatibilisierung mit der Matrix herstellt. Bei Faserverbunden werden die mechanischen Eigenschaften durch Auswahl der Fasern und Matrixharze bestimmt. Die mechanischen Eigenschaften in Faserrichtung sind vor allem durch die Eigenschaften der Fasern bestimmt, währen in

Querzugsrichtung insbesondere bei DU-Gelegen die

Eigenschaften der Matrix bestimmend sind. In

Faserverbundanwendungen für die Energietechnik;, wie

beispielsweise Windkraft und Medizintechnik beispielsweise Patientenliegen sollen Zug - und Querzugeigenschaften verbessert werden. Bei Glasfaserverbunden ist man auf das E- Glas beschränkt, so dass Eigenschaftsverbesserungen nur über die Matrix eingebracht werden können. Bei CFK-Verbunden stehen beispielsweise auch Hochmodul-Fasern zur Verfügung, durch deren gezielten Einbau die Steifigkeit des Verbundes erhöht wird.

Es besteht immer der Bedarf, die Steifigkeit, Festigkeit, Reißfestigkeit, (Schlag) -Zähigkeit , die Verbesserung des Benetzungsverhaltens der Faser sowie die Schwingfestigkeit und Kompaktheit der FVKs zu optimieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen FVK zu schaffen, der gegenüber der Stand der Technik verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist.

Die Lösung der Aufgabe und der Gegenstand der Erfindung sind in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Figur offenbart. Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass durch den Einbau von Nano-Materialien, beispielsweise in Form

nanopartikulärer Füllstoffe, Sole, Gele und/oder Kolloide, die mechanischen Eigenschaften sowohl in Faserrichtung als auch quer zur Faserrichtung deutlich verbessert werden können . Gegenstand der Erfindung ist daher ein

Faserverbundkunststoff, Faser und eine bettende Matrix umfassend, wobei die bettende Matrix durch Nano-Materialien modifiziert ist. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffes, wobei die Matrix vor dem Einbetten der Faser durch Nano- Materialien modifiziert wird.

Die Modifizierung der Polymermatrix durch Nano-Material findet im noch nicht vollständig und bevorzugt im

ungehärteten und/oder unvernetztem Zustand statt.

Zur Modifizierung der Polymermatrix durch Nano-Material werden bevorzugt Nano-Materialien in Form von nanoskaligen Partikel, beispielsweise als Füllstoffe, in Form von Solen, Kolloiden oder ähnlichem in die bettende Matrix

eingearbeitet .

Als Nano-Materialien eignen sich beispielsweise Si0 ₂ , Al ₂ 0 ₃ , CNTs, metallische Nano-Materialien, Bornitrid (BN) ,

Siliziumcarbid (Sic) , Titnoxid (Ti0 ₂ ) , Bariumtitanat

(BaTi0 ₃ ) , Siliziumnitrid (SiN) , Magnesiumoxid (MgO) und

allgemein Oxide, Nitride, Carbide aller Gruppen und

Übergangs-Metalle, insbesondere auch von Aluminium, Titan, Chrom, Vanadium, Niob und/oder Zirkon.

Die Nano-Materialien können weiterhin die Wärmeleitfähigkeit (für BN und Sic) des FVK erhöhen, insbesondere auch senkrecht zur Faserorientierung, also in Dickenrichtung des Laminats.

Der Füllgrad des Nano-Materials in der bettenden Matrix beträgt beispielsweise 0,05 % bis 70 Gew%, abhängig von der Wirksamkeit des Nano-Materials in der jeweiligen Matrix. Abhängig vom Nano-Material werden verschiedene

Prozentbereiche bevorzugt, beispielsweise wird Nano-Si0 ₂ in Mengen von 7% bis 40 Gew%, Nano-CarbonNanoTubes (CNT) im Bereich von 0,05 bis 5 Gew% und Nano-Al ₂ 0 ₃ in Mengen von 30 bis 50 Gewi eingearbeitet. Bevorzugte Bereiche liegen dann innerhalb dieser Grenzen, also beispielsweise für Nano-Si0 ₂ bei 10 bis 25 Gew%, bei CNT von 0,1 bis 3 Gew% und bei A1 ₂ 0 ₃ bei 30 bis 40 Gew%.

Die Materialien für die bettende Matrix werden dann wie üblich hergestellt und verarbeitet. Demnach umfasst ein

Matrixmaterial beispielsweise neben dem eigentlichen Polymer und dem Nano-Material je nach Ausführungsform auch noch

Additive, Zusatzstoffe, Füllstoffe, Lösungsmittel etc.

Die Verteilung des Nano-Materials innerhalb der bettenden Matrix ist bevorzugt homogen und/oder isotrop, es kann jedoch als Folge der Verarbeitung auch zu Inhomogenitäten in der Verteilung des Nano-Materials in der Matrix kommen.

Beispiele für die bettende Matrix sind polymere Kunststoffe aller Art. Beispiele dafür sind Thermoplaste, Duroplaste,

Harze auf Basis von Epoxid- , Polyurethan-, Acrylat . Es eignen sich außerdem ungesättigte Polyester (UP) -Harze, Vinylester (VE) -Harze, Duromere, Duroplaste, und/oder weitere

Kunstharze .

Beispiele für Thermoplasten sind Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) , Polyamide (PA) , Polyactat (PLA) , Polymethylmethacrylat (PMMA) , Polycarbonat (PC) , Polyethylenterephtalat (PET) , Polyethylen (PE) , Polypropylen (PP) , Polystyrol (PS) ,

Polyetheretherketon (PEEK) , Polyvinylchlorid (PVC) .

Die bettende Matrix kann auch als Blend von mehreren

polymeren Kunststoffen vorliegen. Als Faser können alle Arten von Fasern, insbesondere

Hochleistungsfasern eingesetzt werden, beispielsweise

ausgewählt aus der Gruppe folgender Fasern: Kohlenstofffasern, Glasfaser, Aramidfaser, polymere Fasern wie Polyethylenfaser, Polypropylenfaser, Polystyrolfaser, Polyethylenterephtalatfaser , Keramikfaser wie

Siliziumcarbidfaser, Aluminiumoxidfasern oder sonstige verstärkende Fasern.

Die Fasern können auch als Gemisch von Fasern vorliegen.

Die Fasern können in Form von einem Gewebe, Gewirke, Gelege, Geflecht, Faservlies vorliegen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Fasern beschichtet, so dass beispielsweise nasschemisch eine

Schlichte auf die Faser aufgebracht wurde und/oder diese ummantelt.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform haben die Fasern eine aktivierte Oberfläche, das heißt, die Oberfläche der Fasern, unabhängig davon ob die Faser beschichtet ist oder nicht, ist chemisch und/oder physikalisch aktiviert.

Eine derartige physikalische Aktivierung ist beispielsweise über eine Plasmabehandlung, eine chemische beispielsweise über Säure- /Basebehandlung zu erreichen. Die Fasern mit der aktivierten Oberfläche haben eine wesentlich bessere Adhäsion zu der bettenden Matrix als die Fasern ohne Aktivierung.

Zur Herstellung des FVKs werden die Fasern entweder mit dem unvernetzten Polymer imprägniert, also mit dem unvernetzten Polymer überzogen oder die Fasern werden durch ein Tauchbad mit dem unvernetzten Polymer gezogen. Die FVKs können auch durch einen Tripreg Prozess hergestellt werden.

Durch die Modifizierung mit Nano-Material wird eine

wesentlich stärkere Adhäsion zwischen der bettenden Matrix und der Faser erreicht, unabhängig davon, ob die Faser beschichtet ist oder nicht. Die Fasern liegen beispielsweise in Form von Gewebe, Gewirke, Gelege, Geflecht und/oder Faservlies vor.

Die Faser wird zur Bildung des FVKs beispielsweise durch ein Bad mit dem modifizierten, noch nicht vernetzten Harz

gezogen. Damit wird das Harz in einer dünnen Schicht auf die Faser aufgebracht .

Im Folgenden wird noch anhand eines Diagramms eines

Ausführungsbeispiels gezeigt, welche durchschlagende

Verbesserung im Bezug auf die Faser-Matrix-Adhäsion eine Modifizierung mit Nano-Material bringen kann.

Die Figur 1 zeigt einen Vergleich zwischen der ungefüllten bettenden Matrix links im Diagramm und der mit 0,8Gew% CNT (CarboNanoTubes) gefüllten Matrix rechts davon. Gemessen wurde die Spaltfestigkeit in MPa, die ein direktes Maß für die Adhäsion zwischen der Faser und der bettenden Matrix in einem FVK darstellt.

Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand eines

Ausführungsbeispiels näher erläutert:

Herstellung eines FVK

Zum einen kann ein entsprechendes Laminat über einen RTM- Prozess (z.B. Infusion) und/oder über Vakuuminfusion

folgendermaßen hergestellt werden. Etliche Lagen CarbonFaser- UniDirektional (CF-DU) -Fasergelege werden in eine Form eingebracht. Nach dem Schließen und Verschrauben des

Werkzeuges wird die Form in einem Vakuumschrank auf 80 °C erwärmt und evakuiert. Über eine Öffnung, versehen mit einem Schlauch, wird die Harzmatrix in die Form durch Belüften des Schrankes reingezogen. Das CF-Fasergelege wird dabei

vollständig überflutet. Der Inhalt der Form (CF + Matrix) wird mit einem für die Matrix definierten Temperaturprofil ausgehärtet . Danach wird die Form auf Raumtemperatur

abgekühlt und das fertige FVK in Form eines CFK-Laminats entnommen .

Weiterhin kann auch eine Imprägnierung der einzelnen

Faserlagen mit dem entsprechend modifizierten Harz

durchgeführt werden (Prepreg-Technologie) . In diesem Fall erfolgt die Herstellung des Verbund-Laminats durch ein

Verpressen imprägnierten Faserlagen unter Temperatur und Druck .

Die Viskosität liegt bei den Verarbeitungstemperaturen für den Infusionsprozess < 600 mPas und für den Prepregprozess bei < 3000 mPas, so dass im Prepregprozess auch höhere Nano- Material-Konzentrationen verarbeitet werden können.

Die Si02-Nanopartikel sind beispielsweise gut dispergierbar, bis zu Konzentrationen 40% sind keine Agglomerationen

festzustellen. Der AL-Wert wird durch das Nano-Material nicht wesentlich beeinflusst. Der AL-Wert von 10% Si0 ₂ liegt innerhalb der Messgenauigkeit bei 0,158 im Vergleich zum unmodifizierten Matrixsystem bei 0,150. Als Ausführungsbeispiele seine folgende Materialien genannt, die jedoch beliebig erweitert werden können mit weiteren Nano-Materialien und ebenso für weitere, beispielsweise auch kommerziell verfügbare, polymere Komponenten auf Basis von Epoxidharzen sowie UP- und PU-Harzen:

Harze

Araldite LY556 / Aradur 917 / DY070 Fa. Huntsman (Harzbasis: DGBA)

Araldite CY179 / Aradur 917 / DY070 Fa. Huntsman (Harzbasis: Cycloaliphatisches Epoxidharz)

Nanopox E 470 mit 40% kolloidalen Si02 Partikeln von 20 nm (Harzbasis: DGBA)

Nanopox C 620 mit 40% kolloidalen Si02 Partikeln von 20 nm (Harzbasis: Cycloaliphatisches Epoxidharz)

Nano-Materialien:

Carbon Nanotubes (CNT) : MWCNT, Typ Baytubes C 150P, MWCNT, Typ Nanocyl 7000

Aluminiumoxid: Disperal HP 14

Siliziumoxid: Si02, Nanopox E 470, Nanopox C 620, kolloidal in Epoxidharz eingearbeitet

Alle Typen von kommerziell verfügbaren Kohlenstoff -Fasern in Form von Gelegen und Geweben, insbesondere basierend auf Glas- und Kohlenstofffaser, können eingesetzt werden.

Folgende Teste und/oder Messungen zeigen die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der FVKs (Figur2)

Die Tabellen zeigen, dass im Imprägnierverfahren durch Zusatz von 10% Nano-Si0 ₂ eine Steigerung des E-Moduls in

Querzugsrichtung von ca. 20% erzielt werden kann; in

Hauptbiegerichtung senkrecht zur Faser wird trotz der

Faserdominanz eine Verbesserung des E-Moduls von 10 % erreicht. Durch höhere nano-Si02 Zugaben werden die

mechanischen Eigenschaften weiter verbessert. Ähnliche Verbesserungen werden bei der gleichen 10%igen

Zugaben von nano-Si0 ₂ mit einem Kohlefaser-Gewebe erhalten. Sowohl der E-Modul als auch die Biegefestigkeit nehmen um über 10% zu.

Verbesserung Faser-Matrix Haftung

Es wurde festgestellt, dass in einem Glasfaser verstärkten Material durch die Einarbeitung von CNT in einer

Konzentration von 0,3% die Faser-Matrix-Adhäsion im

Transverse Fiber Bündle Test von 23 N/mm ² für das ungefüllte Harz auf 33 N/mm ² für das modifizierte Harz gesteigert werden kann. Dies entspricht einer Steigerung > 42 %.

Vorteile ergeben sind in der Auslegung der Faserverbund- Bauteile, beispielsweise bei Rotorblattern. Durch die verbesserten mechanischen Eigenschaften kann die Konstruktion material- und gewichtssparender durchgeführt werden. Die Verbesserung der Faser-Matrix Haftung ergeben sich Vorteile bei dynamischen Belastungsf llen, da eine Delamination bei Wechselbelastungen bei höheren Belastungskräften bzw. -Zyklen auftritt. Damit erhöht sich auch die Lebensdauer der

Bauteile .

Durch die Erfindung wird erstmals gezeigt, wie durch einfache Modifizierung einer bettenden Matrix mit Nano-Material in einem FVK eine Steigerung der Adhäsion zwischen Faser und bettender Matrix von beachtlichem Wert, beispielsweise von 50% erreicht werden kann.

Additiv und alternativ zu diesem Effekt kann die Adhäsion zwischen bettender Matrix und Faser noch durch die

Oberflächenaktivierung der Faser deutlich erhöht werden.