Flugzeugkomponenten

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der US Provisional

Patentanmeldung Nr. 61/255,220, eingereicht am 27. Oktober 2009 und der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2009 050 787.6, eingereicht am

27. Oktober 2009, deren Inhalte hierin durch Referenz inkorporiert werden. Die vorliegende Erfindung betrifft Kunststoffbauteile mit einer Glimmer-haltigen Sperrschicht und deren Verwendung als Flugzeugbauteile mit verbessertem

Brandverhalten.

Der Anteil von Kunststoffen im Flugzeugbau wird kontinuierlich erhöht. Dabei ist das Verhalten von Kunststoffen im Brandfall ein entscheidendes Auswahlkriterium für die Matrixwerkstoffe wie auch für die Verstärkungsfasern.

An die in Flugzeugen verwendeten Kunststoffmaterialien werden hinsichtlich ihres Durchbrand- und Flammenausbreitungsverhaltens hohe Anforderungen gestellt. Gleichzeitig müssen diese Materialien gewissen mechanischen Anforderungen genügen und sollten außerdem ein möglichst geringes Gewicht aufweisen. Bei vielen Kunststoffen verhalten sich die Eigenschaften gegenläufig, so dass z.B. eine Optimierung des Gewichts oder der mechanischen Eigenschaften auf Kosten der Brandeigenschaften erzielt wird. Will man andererseits das Brandverhalten optimieren, führt dies häufig zu teuren und schweren Bauweisen.

Grundsätzlich ist der Einsatz von Glimmerpartikeln in Form eines sogenannten Glimmerpapiers als Brandschutzkomponente in Primärisolierungen für Flugzeuge bekannt. Dabei wird das Glimmerpapier zwischen zwei Folien eingebracht, wodurch ein mehrlagiges glimmerhaltiges Laminat gebildet wird. Zusammen mit Glaswolle kann das Laminat dann als Isolationssystem zur Verbesserung des Durchbrand- verhaltens in einem Flugzeug eingesetzt werden.

Um die Brandanforderungen sicherstellen zu können, werden heute auch intrinsisch schwer entflammbare Kunststoffe oder Kunststoffe, die durch Zugabe von

Flammschutzmitteln hinsichtlich ihres Brandverhaltens optimiert wurden, eingesetzt.

Weiterhin ist bekannt, Sperrschichten auf Kunststoffen, insbesondere bei

Faserverbundbauweise, in Form von Metallfolien wie z.B. Aluminiumfolien anzubringen. Bei der Verwendung solcher Metallfolien als Sperrschichten ergeben sich aber einige Nachteile wie z.B. eine geringere Temperaturbeständigkeit

(geringere Sperrwirkung bei hohen Temperaturen), Korrosion oder eine

unerwünschte elektrische Leitfähigkeit. Unter Berücksichtigung der obigen Ausführungen besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, kunststoffhaltige Bauteile für ein Flugzeug (z.B. den druckbelüfteten Raum eines Flugzeugs) bereit zu stellen, die ein möglichst gutes Brandverhalten wie z.B. hohe Durchbranddauer, geringe Entflammbarkeit oder geringe Rauchdichte zeigen, gleichzeitig aber eine möglichst hohe Flexibilität bei der Auswahl geeigneter Kunststoffe zur Optimierung des Gewichts und/oder

mechanischen Verhaltens ermöglichen. Weiterhin ist erwünscht, dass Werkstoffe mit geringen Materialkosten eingesetzt werden können und sich Bauteile durch ein einfaches und kostengünstiges Verfahren herstellen lassen. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Bereitstellung eines Kunststoffbauteils für ein Flugzeug, umfassend

(i) ein Substrat, das einen oder mehrere duroplastische Kunststoffe umfasst, und (ii) eine oder mehrere Schichten, die auf dem Substrat aufgebracht sind, wobei zumindest eine Schicht Sl Glimmer umfasst.

Die Glimmer beinhaltende Schicht Sl (nachfolgend auch als Sperrschicht bezeichnet) zeichnet sich durch eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit und sehr gute Sperrwirkung im Brandfall aus. Es wird eine signifikante Verzögerung der thermischen Freisetzung von Kunststoffbestandteilen bewirkt und führt unter anderem zu einer Verbesserung hinsichtlich Rauchdichte, Menge an toxischen Brandgaskomponenten, Wärmefreisetzung, Brennbarkeit, Durchbrandverhalten (z.B. von Strukturbauteilen und/oder im Frachtraum).

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff„duroplastischer

Kunststoff in seiner üblichen, dem Fachmann geläufigen Bedeutung verwendet und bezieht sich auf einen Kunststoff, der nach seiner Aushärtung nicht mehr verformt bzw. aufgeschmolzen werden kann und als relativ harter Polymerwerkstoff vorliegt.

Bevorzugt wird der duroplastische Kunststoff aus einem Epoxidharz, einem

Phenolharz, einem Polyesterharz, insbesondere einem ungesättigten Polyesterharz, einem Triazinharz, einem Biopolymerharz, bevorzugt einem solchen aus

nachwachsenden organischen Rohstoffen (wie z.B. einem Polyfurfuryl- Alkohol- Harz) oder einem Gemisch dieser Harze ausgewählt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die Begriffe„Epoxidharz",

„Phenolharz",„Triazinharz" und„Polyesterharz" so zu verstehen, dass neben den für diese Harze typischen Monomereinheiten auch andere Comonomereinheiten zumindest in einem gewissen Anteil vorliegen können. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Substrat um einen Verbundwerkstoff. Der Begriff„Verbundwerkstof ' wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung in seiner üblichen, dem Fachmann geläufigen Bedeutung verwendet und bezieht sich daher auf einen Werkstoff mit einer Kunststoffmatrix und darin vorliegenden Verstärkungsfasern. Bevorzugt enthält die Kunststoffmatrix zumindest einen duroplastischen Kunststoff. Hinsichtlich geeigneter duroplastischer Kunststoffe kann auf die obigen Ausführungen verwiesen werden, d.h. bevorzugt handelt es sich bei dem duroplastischen Kunststoff um ein Epoxidharz, ein

Phenolharz, ein Polyesterharz, insbesondere ein ungesättigtes Polyesterharz, ein Triazinharz, ein Biopolymerharz, bevorzugt ein solches aus nachwachsenden organischen Rohstoffen (wie z.B. ein Polyfurfuryl- Alkohol-Harz) oder ein Gemisch dieser Harze.

Hinsichtlich geeigneter Verstärkungsfasern für den Verbundwerkstoff kann auf gängige, dem Fachmann bekannte Fasern verwiesen werden. Bevorzugt werden die Verstärkungsfasern aus Glasfasern, Kohlefasern, Naturfasern, Polyethylenfasern, insbesondere hochverstreckten Polyethylenfasern, Aramidfasern, oder

Kombinationen dieser Fasern ausgewählt. Wie oben ausgeführt, ist/sind eine oder mehrere Schichten auf dem Substrat angebracht, wobei zumindest eine Schicht Sl Glimmer umfasst.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die dem Fachmann geläufigen Typen von Glimmer verwendet werden, z.B. Phlogopit, Muskowit, Fluorphlogopit, Mikanit, oder deren Gemische. Bevorzugte Glimmertypen sind Phlogopit, Muskowit oder deren Gemische. Glimmer sind Schichtsilikate, die meist eine plättchenförmige Kristallmorphologie aufweisen. Um das Brandverhalten der Glimmer haltigen Sperrschicht möglichst zu optimieren, ist es bevorzugt, dass der Glimmer in der Schicht Sl parallel zur Substratoberfläche orientiert vorliegt, d.h. eine möglichst gleichmäßige Ausrichtung der Glimmerpartikel verwirklicht wird. Dies kann z.B. durch geeignete

Auftragungsverfahren erreicht werden, die nachfolgend noch ausführlicher beschrieben werden.

Bevorzugt liegt der Glimmer in der Schicht Sl in einer Menge von mindestens 80 Gew.-%, bevorzugter mindestens 90 Gew%, noch bevorzugter mindestens 95 Gew% vor. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, dass die Schicht Sl vollständig aus Glimmer besteht.

Je nach Anforderungsprofil kann entweder die Schicht Sl direkt auf dem Substrat aufgebracht sein oder es kann eine weitere Schicht zwischen der Schicht Sl und dem Substrat angebracht sein. Ist eine weitere Schicht zwischen der Schicht Sl und dem Substrat angebracht, so kann diese weitere Schicht bevorzugt einen Klebstoff enthalten. Bevorzugt ist die Schicht Sl direkt auf dem Substrat angebracht, d.h. der Glimmer ist unmittelbar in Kontakt mit der Substratoberfläche.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Glimmer beinhaltende Schicht S 1 entweder nur auf einer Oberflächenseite des Substrats oder alternativ auf Vorder- und Rückseite des Substrats vorliegen. Bevorzugt liegt der Glimmer in einer Menge von < 50 g/m ² Substratoberfläche, bevorzugter < 30 g/m ² Substratoberfläche, noch bevorzugter < 10 g/m ²

Substratoberfläche vor. Die Mindestmenge an Glimmer auf der Substratoberfläche kann z.B. 25 g/m ² oder 15 g/m ² oder auch 5 g/m ² Substratoberfläche betragen. Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Flugzeugbauteil bereit gestellt, welches das oben beschriebene Kunststoffbauteil umfasst. Bei diesen Flugzeugbauteilen kann es sich z.B. um Kabinenbauteilen,

Frachtraumverkleidungen, elektrische und/oder elektronische Baugruppen,

Komponenten bzw. Bauteile im druckbelüfteten Raum, Komponenten des Flügels oder Komponenten des Flugzeugrumpfes handeln. Gemäß eines weiteren Aspekts betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Kunststoffbauteils, umfassend die Bereitstellung eines Substrat, das zumindest einen duroplastischen Kunststoff oder zumindest ein zu einem duroplastischen Kunststoff vernetzbares Polymer umfasst, und

das Aufbringen einer oder mehrerer Schichten auf das Substrat, wobei zumindest eine Schicht Sl Glimmer umfasst.

Hinsichtlich geeigneter duroplastischer Kunststoffe und Glimmertypen kann auf die obigen Ausführungen verwiesen werden. Der Begriff„ein zu einem duroplastischen Kunststoff vernetzbares Polymer" bezieht sich auf die noch nicht ausgehärtete Vorstufe des duroplastischen Polymers, d.h. des noch ungehärteten duroplastischen Kunststoffs.

Grundsätzlich kann das Aufbringen der Schicht bzw. Schichten auf das Substrat, welches bevorzugt ein Verbundwerkstoff ist, vor, während und/oder nach dem Aushärten des duroplastischen Kunststoffs erfolgen. In einer bevorzugten

Ausführungsform wird die Glimmer- haltige Schicht S 1 direkt auf dem Substrat aufgebracht und das Aufbringen der Schicht Sl erfolgt vor und/oder während des Aushärtens des duroplastischen Kunststoffs. In diesem noch nicht ausgehärteten Zustand ist das Polymer harz noch klebrig und kann daher die Fixierung der

Schicht(en) auf der Substratoberfläche unterstützen. Beispielsweise kann die Herstellung bzw. Bereitstellung des Substrats in Form eines Prepreg erfolgen. Das Aufbringen der Glimmer enthaltenden Schicht Sl erfolgt bevorzugt zu einem Zeitpunkt, in dem die Aushärtung des Kunststoffs noch nicht erfolgt bzw. noch nicht abgeschlossen ist. Auf diese Weise erfolgt also die Fixierung bzw. feste Anbindung der Schicht S 1 auf dem Substrat während des

Aushärtungsschrittes des duroplastischen Kunststoffes. Der Begriff„Prepreg" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung in seiner üblichen, dem Fachmann geläufigen Bedeutung verwendet und bezieht sich daher auf ein Halbzeug, welches aus Fasern, bevorzugt Endlosfasern, und einer ungehärteten duroplastischen

Kunststoffmatrix besteht.

Der Glimmer kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren in Partikelform oder in bereits fixierter Form, insbesondere in Form eines Glimmerpapiers, auf das Substrat aufgebracht werden. Der Begriff„Glimmerpapier" wird in seiner üblichen, dem Fachmann geläufigen Bedeutung verwendet. Unter einem Glimmerpapier versteht man ein Blatt, das gemäß den üblichen Techniken der Papiererzeugung hergestellt wird und

überwiegend Glimmerpartikel, meist in Form orientierter plättchenförmiger Partikel. Glimmerpapier mit und ohne Bindemittel ist kommerziell erhältlich.

Zur Fixierung des Glimmerpapiers auf dem Substrat kann vorher eine

Klebstoffschicht auf der Substratoberfläche angebracht worden sein. Alternativ kann das Glimmerpapier vor dem Aushärten oder während des Aushärtens des duroplastischen Kunststoffs, also zu einem Zeitpunkt, in dem das Harz noch eine gewisse Klebrigkeit aufweist, mit der Substratoberfläche in Kontakt gebracht werden. Beim anschließenden Aushärten des duroplastischen Kunststoffs erfolgt dann die endgültige Fixierung des Glimmerpapiers auf dem Substrat.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Glimmer-haltige Schicht Sl in einem elektrostatischen Auftragungsverfahren auf das Substrat aufgebracht. In diesem bevorzugten Verfahren kann eine elektrostatische Aufladung des Glimmer und/oder der Substratoberfläche erfolgen. In einer bevorzugten Variante wird eine Glimmerschicht auf eine Folie aufgebracht und über elektrostatische

Wechselwirkungen auf der Folienoberfläche gehalten, gefolgt von dem Übertragen der Glimmerschicht auf das Substrat oder eine auf dem Substrat vorliegende Schicht, wobei dies bevorzugt dadurch erreicht wird, indem die Oberfläche des Substrats oder die auf dem Substrat vorliegende Schicht klebrig ist und die auf der Folie

vorliegende Glimmerschicht nach dem in Kontakt bringen mit der Oberfläche des Substrats oder der Schicht an dieser anhaftet. Bevorzugt erfolgt das Übertragen der auf der Folie vorliegenden Glimmerschicht auf das Substrat, welches z.B. als Prepreg vorliegt, indem diese Glimmerschicht mit dem Substrat vor und/oder während des Aushärtens des duroplastischen Kunststoffs in Kontakt gebracht wird.

Bevorzugt wird in diesem elektrostatischen Auftragungsverfahren zunächst eine Folie elektrostatisch (z.B. durch Reibung) aufgeladen und anschließend wird der Glimmer auf die Folie aufgebracht, z.B. durch Aufstreuen von pulverförmigem Glimmer/Glimmerflocken, d.h. Partikelauftrag. Glimmerpartikel ohne direkten Kontakt zur elektrostatisch aufgeladenen Folienoberfläche können z.B. durch entsprechendes Abschütteln dieser Partikel von der Folie wieder entfernt werden. Dadurch erhält man zunächst eine Folie mit einer sehr dünnen, im Idealfall einlagigen Glimmerpartikelschicht.

In einem nächsten Schritt wird diese Folie mit der Substratoberfläche in Kontakt gebracht und die Glimmerpartikelschicht auf die Substratoberfläche übertragen. Dies wird bevorzugt dadurch erzielt, dass die Substratoberfläche noch eine gewisse Klebrigkeit aufweist, z.B. indem das in Kontakt bringen der Folie mit der

Substratoberfläche vor dem Aushärten bzw. während des Aushärtens des

duroplastischen Kunststoffes erfolgt und somit das Harz noch eine gewisse

Klebrigkeit aufweist. Alternativ kann nach dem Aushärten des duroplastischen

Kunststoffs auf der Substratoberfläche eine Klebstoffschicht angebracht werden und die elektrostatisch aufgeladene, mit einer Glimmerschicht versehene Folie mit dieser Klebstoffschicht in Kontakt gebracht werden. Mit einem solchen elektrostatischen Auftragungsverfahren lässt sich eine sehr dünne, aber dennoch dicht gepackte Glimmerpartikelschicht mit einer ausgeprägten gleichförmigen Orientierung der Partikel auf dem Substrat erzeugen.

Wie bereits oben erwähnt, ist es im Rahmen der vorliegen Erfindung auch möglich, den Glimmer in Pulverform auf das Substrat aufzustreuen. Dabei ist es bevorzugt, dass entweder auf dem Substrat eine Klebstoffschicht angebracht ist oder alternativ das Aufstreuen vor dem Aushärten und/oder während des Aushärtens des

duroplastischen Kunststoffs erfolgt. Eine bessere Orientierung der Glimmerpartikel kann dadurch erreicht werden, indem die aufgebrachte Glimmerschicht einem Druck, bevorzugt senkrecht zur Schichtoberfläche, ausgesetzt wird.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können aufgrund des Aufbringens der Glimmer-haltigen Schicht Sl Werkstoffe für das Kunststoffbauteil eingesetzt werden, deren Brandeigenschaften den Einsatz in gefährdeten Flugzeugbereichen eigentlich verbieten.

Durch Werkstoffaustausch kann eine Verbesserung der Bauteileigenschaften bewirkt werden. So führt z.B. der Einsatz von Aramidfasern im duroplastischen Kunststoff zu einem besseren Impactver halten. Ein solches Kunststoffbauteil mit Aramidfasern kann z.B. bevorzugt in Frachtraumverkleidungen eingesetzt werden.

Durch gezielten Werkstoffaustausch im Substrat, der durch das Aufbringen der Glimmer-haltigen Schicht Sl ermöglicht wird, lassen sich auch ein besseres elektrisches Isolierverhalten und ein optimiertes Korrosions verhalten an AL-CKF- Kontaktstellen erzielen.

Wie bereits oben erwähnt, lassen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung Polyesterharze als duroplastische Kunststoffe im Substrat einsetzen, was zu einer Kostensenkung führt. Weiterhin lassen sich Polyethylenfasem (PE-Fasern) anstelle von Glasfasern, z.B. in der Cockpittüre, einsetzen, wodurch sich eine

Gewichtsreduzierung erzielen lässt. Gemäß eines weiteren Aspekts betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des oben beschriebenen Kunststoffbauteils als Flugzeugbauteil, welches bevorzugt aus Kabinenbauteilen, Frachtraumverkleidungen, elektrischen und/oder

elektronischen Baugruppen, Komponenten bzw. Bauteilen in einem druckbelüfteten Raum, Komponenten des Flügels und/oder Komponenten des Flugzeugrumpfes ausgewählt wird.

Anhand der nachfolgenden Beispiele wird die vorliegende Erfindung eingehender erläutert. Beispiele

Bei den in den Beispielen verwendeten Substraten handelt es sich um Proben mit folgendem Sandwichaufbau:

Epoxidharz-Glassgewebe- Prepreg

Nomexwabe

Epoxidharz-Glassgewebe- Prepreg

Auf dieses Substrat wurde der Glimmer entweder in Form eines Glimmerpapiers oder als Glimmerpulver (bzw. Glimmerflocken) wie folgt aufgebracht:

Applikation des Glimmerpapiers:

Probenaufbau mit Prepregs, Glimmerpapier direkt auf die Oberfläche (einseitig) auflegen, Probe bei 125°C / 60 Minuten / 3 MPa zwischen Trennfolie härten.

Applikation der Glimmerflocken:

Variante 1 : Statische Aufladung von Tedlar®-Trennfolien durch Reiben eines Woll- Lappens auf der Folie, Glimmer ausreichend auf die waagerecht liegende Folie streuen; Folie senkrecht halten und vorsichtig abschütteln; es verbleiben die Glimmerpartikel mit direktem Kontakt auf der Folie.

Variante 2: Prepreg mit Lösungsmittel besprühen (Klebrigkeit erhöhen),

Glimmerpartikel aufstreuen und abschütteln.

Die Proben wurden hinsichtlich ihrer Entflammbarkeit, Rauchdichte, Toxizität vermessen. Hinsichtlich der Entflammbarkeit zeigt sich eine Verbesserung von bis zu 25%. Hinsichtlich der Rauchdichte zeigt sich eine Verbesserung um bis zu 65%>.

Hinsichtlich der Toxizität (HCl) zeigt sich eine Verbesserung von bis zu 70%.

Die Angaben beziehen sich auf den Vergleich zwischen Sandwichbauweisen ohne bzw. mit Glimmer.