Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines bändchenförmigen Kompositwerkstoffs und einen so erhaltenen Kompositwerkstoff.

Kompositwerkstoffe aus Verstärkungsfasern und Matrixmaterial sind allgemein bekannt. Bei der Herstellung solcher Kompositwerkstoffe wird in der Regel ein Matrixmaterial auf die Verstärkungsfasern aufgebracht, beispielsweise als Pulver, oder die Verstärkungsfasern werden zwischen zwei Lagen Matrixmaterial gelegt. Nachteilig bei der Aufbringung des Matrixmaterials mit Hilfe von Pulver ist, dass im fertigen Produkt häufig eine ungleichmäßige Verteilung des Matrixmaterials auf der Faser vorliegt. Bei der Verwendung von Lagen aus Matrixmaterial

(beispielsweise Folien) ist es in der Regel so, dass das Matrixmaterial erwärmt wird, um die Verstärkungsfasern einzuschließen, wobei das flüssige Matrixmaterial über die Verstärkungsfasern hinaus fließt. Hierdurch entsteht ein Randbereich nur aus Matrixmaterial ohne Verstärkungsfasern, der in einem anschließenden

Prozessschritt abgeschnitten werden muss.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem ein bändchenförmiger Kompositwerkstoff hergestellt werden kann, ohne dass Randbereiche nur aus Matrixmaterial entstehen, wodurch ein Abschneiden eines solchen Randbereichs überflüssig wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines

bändchenförmigen Kompositwerkstoffes, wobei mindestens eine Lage aus

Verstärkungsfasern direkt zwischen zwei Lagen aus thermoplastischen Fasern angeordnet wird, wobei alle drei Lagen mit einem Druck von mindestens 2 bar und Hitze beaufschlagt werden, so dass die thermoplastischen Fasern schmelzen und die Verstärkungsfasern umschließen. Die Lage aus umschlossenen

Verstärkungsfasern wird unter Druck abgekühlt, bis das thermoplastische Material nicht mehr fließfähig ist.

Die direkte Anordnung der mindestens einen Lage aus Verstärkungsfasern zwischen den zwei Lagen mit thermoplastischen Fasern bedeutet, dass die Lage aus Verstärkungsfasern im direkten Kontakt zu den thermoplastischen Fasern steht. Es liegt folglich keine weitere Lage aus einem anderen Material mehr zwischen den Verstärkungsfasern und den Lagen aus thermoplastischen Fasern. Bei Erwärmung der Lagen (thermoplastische Faserlage, Lage aus

Verstärkungsfasern, thermoplastische Faserlage) erfolgt die Höhe der Erwärmung abhängig von dem verwendeten thermoplastischen Material. Es versteht sich, dass ein Temperaturbereich gewählt wird, der die thermoplastischen Fasern fließ fähig macht, so dass ein Umschließen der Verstärkungsfasern möglich wird. Die Verstärkungsfasern sind von den zuvor geschmolzenen thermoplastischen Fasern umschlossen, wenn wenigstens 70% der Faseroberfläche, bevorzugt über 80 % und besonders bevorzugt etwa 100 %der Faseroberfläche, von dem

thermoplastischen Matrixmaterial bedeckt sind.

Unter dem Begriff thermoplastische Fasern sollen beispielsweise Fasern,

Filamente, Stapelfaser, Multifilamentfasern, Garne, Monofilamente oder

Bändchengarne aus thermoplastischem Material verstanden werden. Als thermoplastisches Material für die thermoplastischen Fasern ist jedes Material geeignet, dessen Schmelzbereich oder Schmelzpunkt nicht größer ist als 500 °C, bevorzugter nicht größer als 350 °C. Die Erwärmung und die Abkühlung erfolgen unter Druck. Dabei ist klar, dass der Druck ebenfalls von den zu verwendeten Materialien abhängig ist. Der Druck ist so zu wählen, dass das flüssige thermoplastische Material gleichmäßig die

Verstärkungsfasern bedeckt. Ist es gewünscht, dass auch innerhalb der Lage aus Verstärkungsfasern Matrixmaterial gelangt, so wird der Druck entsprechend erhöht. Der Druck bei der Abkühlung des Matrixmaterials sollte so eingestellt werden, dass das Matrixmaterial nicht weiter fließen kann, während der

Abkühlungsphase. Es kann folglich bevorzugt sein, wenn der Druck während des Abkühlens geringer gewählt wird, als während der Phase, in der die

Verstärkungsfasern mit dem Matrixmaterial umschlossen werden sollen.

Durch das vorgeschlagenen Verfahren ist es möglich, dass das thermoplastische Material nur die Oberfläche der Verstärkungsfasern umschließt und innerhalb der Lage aus Verstärkungsfasern eindringt, ohne dass es seitlich austritt. Bei bisher üblichen Verfahren erfolgte stets ein Austritt des Matrixmaterials, so dass es bei der Herstellung des Kompositwerkstoffs immer mindestens einen Randbereich nur aus Matrixmaterial gab. Dieser Randbereich musste in einem weiteren

Verfahrensschritt entfernt werden, was das Verfahren des Stands der Technik aufwändiger macht. Zudem wird unnötig viel Matrixmaterial in den bisher bekannten Verfahren verbraucht, wenn ein solcher ungenutzter Randbereich entsteht.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Druckbeaufschlagung im

gesamten Herstellungsprozess bis zur Abkühlung kontinuierlich beibehalten. Das bedeutet, dass während des Erwärmens, des Aufschmelzens und der Abkühlung immer ein Druck, der größer ist als der normale Atmosphärendruck, auf den herzustellenden Kompositwerkstoff wirkt. Selbstverständlich kann der Druck verringert oder erhöht werden während der Herstellung und in Abhängigkeit der verschiedenen Herstellungsschritte (Aufschmelzen, Umschließen, Abkühlen). Vorzugsweise wird während des Aufschmelzens der thermoplastischen Fasern ein Druck von mindestens 2 bis etwa 20 bar, bevorzugter 2 bis 8 bar und ganz besonders bevorzugt von 2 bis 5 bar eingestellt.

Vorzugsweise wird während des Abkühlens der umschlossenen

Verstärkungsfasern ein Druck von etwa 2 bis etwa 10 bar, bevorzugter 2 bis 5 bar und ganz besonders bevorzugt von 2 bis 3 bar eingestellt.

Die Angabe„etwa" soll so verstanden werden, dass eine Fehlertoleranz von +/- 3 % darin enthalten ist.

Erfindungsgemäß wird als thermoplastische Fasern für mindestens eine der beiden Lagen ein (thermoplastisches) Bändchengarn verwendet. Besonders bevorzugt weisen beide Lagen aus thermoplastischen Fasern dies als

Bändchengarne auf. Unter einem Bändchengarne sollen insbesondere die Garne verstanden werden, wie sie in der internationalen Anmeldung WO 2013/1 17728 beschrieben sind.

Derartige Bändchengarne werden z.B. hergestellt durch ein Verfahren umfassend die folgenden Schritte:

a) Vorlegen eines Garnes aus Multifilamenten auf Basis Polyamid und/oder Polyester,

b) Aufspreizen des Garnes, dass nicht mehr als fünf Filamente übereinander liegen,

c) Fixieren des Garnes durch Ausbildung einer Matrix aus einem oder mehreren (geeigneten) Fixiermitteln,

d) Aufwickeln des fixierten Garnes, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Fixiermittel ausgewählt werden aus einer Gruppe bestehend aus Copolyamiden,

Copolyestern und Silikonen sowie Mischungen oder Blends daraus. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens eine der zwei Lagen aus thermoplastischen Fasern als thermoplastische Fasern ein Multifilamentgarn auf. Besonders bevorzugt weisen beide Lagen als

thermoplastische Fasern ein Multifilamentgarn auf. Ganz besonders bevorzugt bestehen beide Lagen im Wesentlichen vollständig aus einem thermoplastischen Multifilamentgarn. Im Wesentlichen vollständig meint, dass die Lagen zu etwa 95% bis 100% aus thermoplastischem Multifilamentgarn bestehen.

Die GB 2 237 583 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines

bändchenförmigen Kompositwerkstoffs, wobei mindestens eine Lage aus

Verstärkungsfasern direkt zwischen zwei Lagen aus thermoplastischen Fasern angeordnet sind, wobei alle Lagen mit einem Drucke und Hitze beaufschlagt werden, sodass die thermoplastischen Fasern zu einem thermoplastischen Material schmelzen, das die Verstärkungsfasern umschließt.

Die D1 offenbart u.a. nicht, dass mindestens eine Lage der thermoplastischen Fasern bzw. Filamente in Form eines Bändchengarns vorliegt.

Durch die Wahl dieser Form kommt es im Laufe der Herstellung des Komposits zu einer deutlichen verbesserten Prozessstabilität.

Die Gründe dafür sind der besonders geringe Abstand und die reduzierte

Bauschigkeit des thermoplastischen Bändchengarns zu den Verstärkungsfasern, sowie die sich daraus ergebenden kurzen Fließwege und den erhöhten

Wärmeübergang.

Insbesondere wird durch die festgelegte Vorzugsrichtung der thermoplastischen Fasern sowie durch die Orientierung dessen Polymermoleküle in Faserrichtung, die durch den Schmelzpinnprozess eingestellt wird, das Fließverhalten senkrecht zu den Verstärkungsfasern der Verstärkungsfasern eingeschränkt und in

Verstärkungsrichtung bevorzugt. Damit führt die Bändchenform der thermoplastischen Fasern zu einer

Verbesserung des Fließverhaltens, auch bereits ohne das Vorhandensein von thixotropen Additiven.

Vorzugsweise werden als thermoplastische Fasern, Fasern aus aliphatischen und teilaromatischen Polyamiden, Polyoxymethylen (POM), Polyestern, PEEK, PEN, POK, PP, PE oder PVC oder Gemischen hieraus verwendet. Bevorzugt weisen die thermoplastischen Fasern thixotropische Additive auf.

Vorzugsweise werden als thixotropische Additive pyrogene Kieselsäure, Luvotix HAT, Luvotix AB, Luvotix EAB, Luvotix P 100 -15, BYK-405, BYK-420 oder BYK- 425 verwendet. Durch die Verwendung von thixotropischen Additiven kann, je nach verwendetem thermoplastischem Material, noch besser das Austreten des thermoplastischen Materials über den Bereich der Lage aus Verstärkungsfasern verhindert werden. Es soll klar sein, dass bereits ohne die thixotropischen Additive mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 der Austritt des Matrixmaterials und die Bildung eines verstärkungsfaserfreien Randbereichs verhindert werden kann. Die

thixotropischen Additive können allerdings das Verfahren hinsichtlich

Temperaturschwankungen oder Druckschwankungen, die sich auf das

Matrixmaterial und dessen Fließfähigkeit auswirken, unempfindlicher machen. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden als

Verstärkungsfasern Glasfaser (Roving), Carbonfaser (Tow), Basaltfaser,

Keramikfaser, Viskosefasern, Metallfasern oder Naturfaser oder Mischungen der genannten Fasern für die Lage aus Verstärkungsfasern verwendet. Vorzugsweise besteht die mindestens eine Lage aus Verstärkungsfasern aus etwa 60 bis 100%, bevorzugter aus 80 bis 95%, aus einer der genannten Fasern oder einer Mischung aus den genannten Fasern. Besonders bevorzugt werden als Verstärkungsfaser Glasfaser verwendet, wobei die Glasfaser vorzugsweise eine Feinheit von 1200 bis 2400 tex hat. Vorzugsweise besteht eine Lage aus thermoplastischen Fasern aus mindestens einer Schicht, vorzugsweise aus zwei Schichten aus thermoplastischen

Multifilamentgarnen, die unidirektional angeordnet sind. Bei mehr als einer Schicht aus thermoplastischen Multifilamentgarnen sind die Schichten vorzugsweise unidirektional zueinander innerhalb der Lage angeordnet.

Bevorzugt besteht die mindestens eine Lage aus Verstärkungsfasern aus einer Schicht unidirektional angeordneter Verstärkungsfasern. Die Verstärkungsfasern werden bevorzugt vor der Umschließung mit dem thermoplastischen Material gespreizt. Auch bevorzugt ist, wenn die mindestens eine Lage aus

Verstärkungsfasern aus mehr als einer Schicht aus unidirektional angeordneten Verstärkungsfasern besteht. Die unterschiedlichen Schichten können dabei unidirektional oder multiaxial zueinander angeordnet werden innerhalb der mindestens einen Lage aus Verstärkungsfasern. Bevorzugt erfolgt das Aufschmelzen des thermoplastischen Garns im Verfahren in einem Temperaturbereich von etwa 160 bis etwa 350 °C.

Vorzugsweise erfolgt das gesamte Verfahren zur Herstellung des

bändchenförmigen Kompositwerkstoffs in einer Doppelbandpresse (siehe Figur 2).

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Kompositwerkstoff hergestellt nach dem Verfahren (mit oder ohne bevorzugte Ausführungsformen), wie eben beschrieben. Der durch das Verfahren hergestellte Kompositwerkstoff zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Bändchenform aufweist, wobei sowohl in

Querrichtung als auch in Längsrichtung des bändchenförmigen

Kompositwerkstoffes dieser ein gleichbleibendes Verhältnis zwischen thermoplastischen Material und Verstärkungsfasern hat. Der Kompositwerkstoff weist folglich einen etwa gleichen Faservolumengehalt über die Breite und die Länge des bändchenförmigen Kompositwerkstoffes auf. Unter einem gleichbleibenden Verhältnis zwischen thermoplastischen Material und Verstärkungsfasern ist gemeint, dass der bändchenförmige Kompositwerkstoff im Wesentlichen keine Bereiche aufweist, in denen nur Matrixmaterial oder nur Verstärkungsfaser vorliegen, sondern in etwa alle Bereiche des

Kompositwerkstoffes immer ein in etwa gleiches Verhältnis von Verstärkungsfaser zu Matrixmaterial vorliegt. Es sein darauf hingewiesen, dass dieses

gleichbleibende Verhältnis durch die Herstellung des bändchenförmigen

Kompositwerkstoffs erreicht wurde und nicht durch zusätzliche Arbeitsschritte, wie beispielsweise das Entfernen von Randbereichen nur aus Matrixmaterial.

Die Erfindung wird anschließend anhand zweier Figuren näher beschrieben, wobei die Figuren nur mögliche Ausführungsformen der Erfindung darstellen.

Figur 1 (Figur 1A und Figur 1 B) zeigt schematisch den Aufbau eines

bändchenförmigen Kompositwerkstoffes vor dem Verfahren zu dessen Herstellung und den fertigen bändchenförmigen Kompositwerkstoff.

Figur 2 zeigt schematisch eine Doppelbandpresse zur Herstellung des

bändchenförmigen Kompositwerkstoffes.

In Figur 1A ist schematisch eine Explosionsdarstellung des Aufbaus des zu fertigen bändchenförmigen Kompositwerkstoffs dargestellt. Mindestens eine 1 aus Verstärkungsfasern 1 a liegt direkt zwischen zwei Lagen 2 aus

thermoplastischen Fasern 2a. Die Verstärkungsfasern 1 a und die

thermoplastischen Fasern 2a sind unidirektional angeordnet. Figur 1 B zeigt schematisch einen bändchenförmigen Kompositwerkstoff 3 so, wie er nach dem Verfahren aussehen soll. Die Lage 1 aus Verstärkungsfasern 1 a ist im Wesentlichen vollständig von dem thermoplastischen Matrixmaterial 2b (oder auch thermoplastisches Material 2b) bedeckt, das durch die Aufschmelzung der thermoplastischen Fasern 2a entstanden ist. Ein Querschnitt zeigt, dass beide Oberflächen des bändchenförmigen Kompositwerkstoffes 3 von dem

thermoplastischen Matrixmaterial 2b bedeckt sind, ohne dass thermoplastisches Matrixmaterial 2b über den Rand der Lage 1 aus Verstärkungsfasern 1 a

hinausgelaufen ist. Folglich hat der bändchenförmige Kompositwerkstoff 3 sowohl in Querrichtung (Pfeil Q) als auch in Längsrichtung (Pfeil L) ein etwa

gleichbleibendes Verhältnis zwischen thermoplastischen Matrixmaterial 2b und Verstärkungsfasern 1 a.

In Figur 2 ist schematisch eine Doppelbandpresse 4 dargestellt. Die

Doppelbandpresse 4 weist zwei Transportbänder 5 und 6 auf, die mittels

Umlenkrollen 7 geführt werden. Einige oder alle der Umlenkrollen 7 können mit Drucksystemen 8 (beispielsweise Federn) ausgestattet sein, so dass der Druck durch die Transportbänder 5 und 6 auf ein Material 9 weitergegeben werden kann. Die Doppelbandpresse 4 weist Thermoelemente 10 auf, durch die das Material 9 erwärmt oder gekühlt werden kann. Im vorliegenden Beispiel erfolgt durch die Thermoelemente 10 A eine Erwärmung des bändchenförmigen

Kompositwerkstoffes 3 (das als Material 9 durch die Doppelbandpresse 4 geführt wird) bis die thermoplastischen Fasern 2 geschmolzen sind und eine

thermoplastische Matrixlage 2b auf den Verstärkungsfasern 1 a gebildet haben. Dann wird der bändchenförmige Kompositwerkstoff 3 durch das Thermoelement 10B gekühlt, bis die thermoplastische Matrixlage 2b nicht mehr fließfähig ist. Aus dem Aufbau der dargestellten Doppelbandpresse 4 wird deutlich, dass der Druck auf das Material 9 variabel einstellbar ist. Beispielsweise kann der Druck im

Bereich der Thermoelemente 10A höher gewählt werden als der Druck im Bereich des Thermoelements 10B. Vorzugsweise wird der Druck bei dem Schmelzen der thermoplastischen Fasern so gewählt, dass die Verstärkungsfasern durch die Erwärmung nicht schrumpfen. Das heißt, abhängig von dem Schmelzbereich des thermoplastischen Materials der thermoplastischen Fasern und der sich daraus ergebenen Temperatur und dem Material der Verstärkungsfasern wird ein Druck beim Aufschmelzen gewählt, um zu verhindern, dass die Verstärkungsfasern (auf Grund der Temperatur) schrumpfen. Dem Fachmann ist klar, dass dieser Druck abhängig ist von dem thermoplastischen Material und dem Material der Verstärkungsfasern.