Die Erfindung betrifft einen flächigen Verbundwerkstoff gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine Verwendung desselben.

Thermoplastische Kunststoffe werden wegen ihres geringen Gewichts in zunehmendem Masse zur Herstellung von Formteilen, insbesondere von Bauteilen für Kraftfahrzeuge verwendet. Um ihnen eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit zu verleihen, werden sie gewöhnlich mit Verstärkungsfasern verbunden. So werden zum Beispiel flächige Halbzeuge aus glasmattenverstärkten Thermoplasten hergestellt durch Zusammenführen von Endlos-Glasfasermatten mit Wirrfasern und Thermoplast-Schmelzebahnen und Konsolidieren auf einer Doppelbandpresse. Aus dem erhaltenen flächigen Halbzeug können durch Heissverpressen in einer Form Bauteile hergestellt werden. Dabei ist jedoch die Faserverstärkung ungerichtet, d.h., sie wirkt gleichmässig in allen Richtungen ohne Vorzugsrichtung, so dass die Festigkeit solcher Verbünde limitiert ist. In vielen Fällen benötigt man jedoch Bauteile, die in Vorzugsrichtungen verstärkt sind. Dies kann man dadurch erreichen, dass als Verstärkungsfasern Fasergewebe oder Fasergelege aus parallelen Faserbündeln (Rovings) verwendet werden. So ist beispielsweise in der WO 2006/1 1 1037 ein flächiger Verbundwerkstoff beschrieben, der eine Faservlies-Schicht aus Thermoplastfasern und eine Gewebe- oder Gelege- Schicht aus parallelen Verstärkungsfaserbündeln enthält. Die einzelnen Schichten können entweder zusammengenadelt, zusammengenäht oder thermisch miteinander verbunden werden. Dieser Verbundwerkstoff kann durch Heissverpressen zu Bauteilen mit gezielter Verstärkung verarbeitet werden.

Beim Nadeln werden die Faserbündel geöffnet und die Fasern werden teilweise gebrochen. Dabei werden aber die Einzelfasern etwas gegeneinander verscho- ben, so dass die Orientierung teilweise aufgehoben und die Verstärkungswirkung vermindert wird. Beim Vernähen werden die einzelnen Faserbündel durch Bindefäden miteinander und mit den Fasern der Vliesschicht verbunden. Dabei werden aber die Faserbündel nicht geöffnet, so dass die Thermoplast-Schmelze die Gewebe- bzw. Gelege-Schicht nur unvollständig tränken kann, was zu geringerer Tragfähigkeit daraus hergestellter Bauteile führt.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, mit Fasergelegen verstärkte Verbundwerkstoffe bereitzustellen, die die jeweiligen genannten Nachteile nicht aufweisen. Eine weitere Aufgabe bestand darin, flächige Verbundwerkstoffe bereitzustellen, die eine Verstärkung in mehreren Richtungen aufweisen, aus de- nen Bauteile mit einer bidirektionalen Verstärkung hergestellt werden können.

Letzteres wird im Prinzip auch mit den Verbundwerkstoffen nach WO 2006/1 1 1307 erreicht, wenn zur Verstärkung ein Fasergewebe eingesetzt wird. Bei Geweben sind jedoch die Faserbündel an den Kreuzungspunkten onduliert, was zu einer Verminderung der Druckfestigkeit in Faserrichtung führt. Ausserdem befindet sich an den Kreuzungspunkten zwischen den Faserbündeln kein Thermoplast. Diese Trockenstellen haben eine ungleichmässige Tränkung zur Folge. Auch diese Nachteile sollten durch die vorliegende Erfindung vermieden werden.

Weitere Arten von flächigen Verbundwerkstoffen sind in EP 0 203 803 A1 und US 3,761 ,345 A beschrieben.

Die EP 0 203 803 A1 betrifft eine verstärkte Harzmasse, die Lagen aus paral- lelen Verstärkungsfasern und Pufferlagen aus Aramidfasern enthält. Das Fasergebilde ist in einem gehärteten Harz eingelagert. Aramidfasern sind Hoch- leistungsverstärkungsfasern aus einem aromatischen Polyamid, die im Gegensatz zu aliphatischen Polyamiden nicht schmelzbar und deshalb auch nicht thermoplastisch verarbeitbar sind. Die US 3,761 ,345 A beschreibt ein Fasergebilde, das ein Harz absorbieren kann. Daraus können durch Härten des Harzes glasfaserverstärkte Harzartikel hergestellt werden. Das Fasergebilde besteht aus einer Vielzahl von Schichten. In diesen können die Fasern entweder unidirektional oder in Form von Schlaufen vorliegen; ferner kann die mittlere Schicht auch aus wirren Bündeln von kurzen Schnittfasern bestehen. Faservlies-Schichten, in denen die Fasern zumindest teilweise aus einem Thermoplasten bestehen, sind in der US 3,761 ,345 A nicht geoffenbart, darüber hinaus ist die Herstellung von Bauteilen oder Halbzeugen durch thermoplastisches Heissverpressen der Verbundwerkstoffe nicht beschrieben.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein flächiger Verbundwerkstoff, umfassend mindestens eine Schicht A aus einem Faservlies, bestehend aus 40 bis 100 Gew.-% Thermoplastfasern und 60 bis 0 Gew.-% Verstärkungsfasern, oder einer Thermoplastfolie, sowie

mindestens zwei unidirektionalen Fasergelege-Schichten B und B' aus parallelen Verstärkungsfaserbündeln, wobei die Schichten B und B' eine bidirektionale Faserorientierung aufweisen.

Erfindungsgemäss sind beim Verbundwerkstoff die Schichten sowohl miteinan- der vernäht als auch genadelt.

Der Begriff "Thermoplast" ist wie im Fachgebiet allgemein bekannt dahingehend zu verstehen, dass die betreffenden Materialien unter herkömmlichen Verarbeitungsbedingungen aufschmelzbar und thermoplastisch verformbar sind.

Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung enthält das Faservlies der Schicht A bis zu 50 Gew.-% Verstärkungsfasern. Gemäss einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung enthält das Faservlies der Schicht A gar keine Verstärkungsfasern und ist demnach allein aus Thermoplastfasern gebildet. Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schicht A aus einer Thermoplastfolie gebildet. "Bidirektional" bedeutet im Zusammenhang mit zwei Fasergelegen B und B', dass die Längsachse des Fasergeleges B nicht parallel zu der Längsachse des Fasergeleges B' ist. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Verfahren zur Herstellung derartiger Verbundwerkstoffe. Dabei gibt es zwei Varianten:

Bei der ersten Variante werden zunächst die Faservlies-Schicht(en) A nach dem Krempel-, Airlay- oder Spinnvlies-Verfahren oder aber nach dem sogenannten Papiermacherverfahren hergestellt, dann werden die bidirektional zueinander ausgerichteten Gelege-Schichten B und B' mit der bzw. den Schicht(en) A kontinuierlich zusammengeführt. Die Schichten werden dann miteinander vernäht und anschliessend genadelt. Bei der zweiten Variante werden die Thermoplastfolie(n) der Schicht A und die bidirektional zueinander ausgerichteten Fasergelege der Schichten B und B' kontinuierlich zusammengeführt, miteinander vernäht und anschliessend genadelt.

Bevorzugte Schichtanordnungen sind B - A - B' und B - A - B' - A - B. Weitere Anordnungen mit mehreren, bis zu 20 Schichten sind möglich. Es ist bevorzugt, dass immer eine Faservlies- bzw. Thermoplastfolien-Schicht A zwischen zwei Gelege-Schichten B bzw. B' angeordnet ist. Für spezielle Anwendungen ist auch eine Anordnung, bei der eine Schicht A aussen liegt, möglich. Die Faserorientierung der Schichten B bzw. B' ist bidirektional, bevorzugte Orientierungen sind 0 90°, 30 -30°, 457 -45° und 607 -60° gegenüber einer Referenzrichtung in der Schichtanordnung wie beispielsweise deren Längsachse L. Dementsprechend beträgt der spitze Zwischenwinkel zwischen den jeweiligen Faserrichtungen vorzugsweise 60° oder 90°. Die Schichtenlagen sind dabei vor- zugsweise symmetrisch anzuordnen. Die Figur 1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Schichtanordnung B - A - B' mit einer bidirektionalen Faserorientierung 457 -45° der Schichten B bzw. B' gegenüber einer Längsachse L. Die Flächengewichte der einzelnen Schichten liegen vorzugsweise zwischen 20 bis 1 Ό00 g/m ² , insbesondere 30 bis 1 Ό00 g/m ² , ganz besonders zwischen 150 und 300 g/m ² . Die einzelnen Gelege-Schichten können auch unterschiedliche Flächengewichte aufweisen. Die Flächengewichte sind so auszuwählen, dass der Anteil der gesamten Verstärkungsfasern im Verbundwerkstoff vorzugsweise 20 bis 80 Gew.-%, insbesondere 30 bis 70 Gew.-% und besonders bevorzugt etwa 60 Gew.-% beträgt.

Bevorzugte Verstärkungsfasern sind Glasfasern und Kohlenstofffasern, daneben sind auch Aramidfasern, Basaltfasern, Naturfasern, und Fasern aus höher schmelzenden Polymeren sowie Hybridfasern, z.B. aus Glasfasern und Polypropylenfasern geeignet. Vorzugsweise sind die Faserarten in den einzelnen Schichten jeweils gleich. Die Verstärkungsfasern des Geleges liegen vorzugsweise als Faserbündel mit einem Titer zwischen 300 und 4'800 tex vor. Bevorzugte Thermoplasten in dem Faservlies bzw. in der Thermoplastfolie sind Polypropylen und schmelzbare Polyamide, namentlich aliphatische Polyamide; daneben sind auch andere Thermoplasten, wie Polyester, Polyethersulfon, Po- lyetherketone und Polyetherimid geeignet. Polyetherketone zeichnen sich insbesondere durch eine gute Temperaturbeständigkeit aus. Verbundwerkstoffe mit besonders guter Fliessfähigkeit werden erhalten, wenn der Thermoplast Polypropylen mit einem Schmelzflussindex (melt flow index, MFI) (230°C, 2.16 kg) zwischen 10 und 400, insbesondere bei etwa 120 g/10 min ist. Die Thermoplaste zur Herstellung des Faservlieses der Schicht A können in sehr unterschiedlichen Abmessungen und Geometrien bereitgestellt werden. Die einzelnen Schichten des Verbundwerkstoffs sind sowohl miteinander vernäht als auch genadelt.

Beim Nähen werden die Faserbündel des Geleges miteinander durch einen Näh- faden verbunden, welcher Maschen bildet. Dadurch werden die Verstärkungsfasern in ihrer parallelen Orientierung fixiert. Geeignete Nähfäden können aus Glas, Polypropylen, Polyamid, sowie aus PET oder Polyetherketonen gebildet sein. Auch Acetat- und Viskosefäden können verwendet werden. Vorzugsweise sind die Nähfäden aus demselben Thermoplasten gebildet wie die Thermoplastfasern bzw. die Thermoplastfolie der Schicht A, vorzugsweise also aus Polypropylen bzw. Polyamid.

Die Figur 2 zeigt die Schichtanordnung B - A - B' der Figur 1 in einem Quer- schnitt entlang der Faserorientierung der Schicht B nach dem Vernähen. Der Nähfaden N verbindet dabei die Faserbündel der Schichten B' und B. In der Folge wird diese Schichtanordnung noch genadelt.

Durch das Nadeln werden, wie bereits ausgeführt, die Faserbündel geöffnet und die Fasern werden teilweise gebrochen. Ausserdem werden durch die Widerhaken der Nadeln Thermoplastfasern aus dem Vlies in das Gelege hineingezogen. Ähnliches passiert auch beim Nadeln der Thermoplastfolie, wo durch die Widerhaken Bruchstücke bzw. Fäden aus der Folie herausgerissen und in das Gelege hinein gezogen werden. Das Nadeln kann auf üblichen Nadelstühlen mit Filzna- dein vorgenommen werden. Die Zahl der Nadelstiche kann zwischen 5 und 100 pro cm ² , insbesondere zwischen 20 und 40 Einstiche pro cm ² liegen.

Dies alles hat zur Folge, dass die Thermoplast-Schmelze aus dem Faservlies bzw. der Thermoplastfolie beim anschliessenden Heissverpressen in die Gelege- Schichten eindringen und diese gleichmässig tränken kann. Wenn der Nähfaden aus demselben Thermoplasten besteht, verschmilzt er beim Heissverpressen ebenfalls; er ist danach ohnehin nicht mehr erforderlich.

Dadurch, dass die Faserbündel zusätzlich miteinander vernäht sind, behalten sie beim Nadeln ihre Orientierung bei, und da durch das Nähen auch die Gelege- Schicht mit der Faservlies-Schicht bzw. mit der Thermoplastfolie verbunden ist, besteht auch nicht die Gefahr, dass die Schichten beim Transport und bei der späteren Weiterverarbeitung verrutschen. Die erfindungsgemässen flächigen Verbundwerkstoffe können bei Temperaturen oberhalb des Erweichungsbereichs des Thermoplasten in Formen direkt zu dreidimensionalen Bauteilen verpresst werden, oder sie können durch Heissverpressen, z.B. in einer Doppelbandpresse, zu flächigen Halbzeugen, vorzugsweise mit einer Dicke von 0.5 bis 5 mm, konsolidiert werden.