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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen an faserverstärkten Verbundwerkstoffen
oder in Zusammenhang mit der Zubereitung faserverstärkter Verbundwerkstoffe.
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Faserverstärkte Verbundstoffe
werden weitgehend verwendet, um Strukturen und Bauteile für den Gebrauch
in einer Reihe verschiedener Industrien zu bilden, zum Beispiel
Luftfahrt, Transport, Elektronik, Bauwesen und Freizeitindustrie.
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Ein üblicher
Ansatz für
das Zubereiten solcher Strukturen oder Bauteile, insbesondere großer Bauteile
oder Strukturen, wie zum Beispiel Bootsrümpfe, Windturbinenschaufeln
oder bestimmte Luftfahrzeugbestandteile, bedingen das Anordnen einer Faserverstärkungseinheit
innerhalb einer Form gefolgt vom Imprägnieren oder Infundieren des
Aufbaus mit einem Gemisch eines oder mehrerer Flüssigharze mit einem oder mehreren
Aushärtmitteln.
Sobald das Imprägnieren
oder das Infundieren des Flüssigharz-/Aushärtmittelgemischs
in den Aufbau komplett ist, wird das Flüssigharz ausgehärtet, um
die endgültige
geformte Struktur oder den endgültigen
geformten Bauteil zu ergeben, typischerweise durch Erhitzen des
Aufbaus.
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Es
gibt eine Anzahl verschiedener Techniken, durch welche ein Harz-/Aushärtmittelgemisch
in den faserigen Verstärkungsaufbau
infundiert oder imprägniert
werden kann. Herkömmliche
Techniken bedingen entweder das Bürsten oder Messen des Harz-/Aushärtmittelgemischs
auf die faserige Verstärkung.
Obwohl solche Techniken in der Praxis einfach und relativ kostengünstig umzusetzen
sind, kann das daraus hervorgehende Produkt in der Qualität unterschiedlich
sein, und die mechanischen Eigenschaften der endgültigen Struktur
oder des Bauteils können
oft minderwertig sein.
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Kürzlich wurden
Flüssigharzinfusionstechnologien,
die gemäß dem Stand
der Technik unter verschiedenen Akronymen, wie zum Beispiel RTM, VaRTM,
SCRIMP, RIFT usw. bekannt sind, entwickelt. Alle diese Techniken
beruhen auf dem grundlegenden Konzept des Einspritzens oder Infundierens von
Harz in eine faserige Verstärkungseinheit,
entweder in einer geschlossenen Form im Fall eines RTM-Prozesses
oder in einem Vakuumsackformen im Fall eines VaRTM- oder SCRIMP
Prozesses. Die Prozesse bieten aufgrund der verbesserten Hygiene und
Sicherheit mit welchen diese hauptsächlich geschlossenen Prozesse
ausgeführt
werden können, den
günstigen
mechanischen Eigenschaften der endgültigen Verbundwerkstoffstruktur
oder des endgültigen
Verbundwerkstoffbauteils und günstiger
Herstellungskosten zahlreiche Vorteile im Vergleich zu den herkömmlichen
Techniken.
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Beim
Zubereiten faserverstärkter
Bauteile durch einen Flüssigharzinfusionsprozess
wurde beobachtet, dass eine Tendenz des Flüssigharzes, das in die faserige
Verstärkungseinheit
infundiert wird, besteht, sich in bestimmten Bereichen der Einheit
während
des Infundierens und des Aushärtens
abzureichern. Diese Erscheinung ist insbesondere häufig, wenn
ein Vakuum-Harzinfusionsprozess verwendet wird, um große Bauteile
vorzubereiten, wie zum Beispiel Windturbinenschaufeln oder Bootsrümpfe und/oder
wenn das Flüssigharz,
das in die faserige Verstärkungseinheit
infundiert wird, eine besonders niedrige Viskosität hat (weil
niedrige Viskositäten zum
Beispiel besondere Vorteile hinsichtlich der Infusionsgeschwindigkeit
bieten). Das Auftreten von Harzabreicherung kann insbesondere nachteilig sein,
weil die endgültige
Struktur oder der endgültige Bauteil,
die nach dem Aushärten
des Flüssigharzes geformt
werden, nicht die ursprünglich
beabsichtige Verteilung des Harzes in seiner ganzen Struktur enthält. Die
mechanischen Eigenschaften und die Leistung der Struktur oder des
Bauteils, die so geformt werden, können folglich kompromittiert
werden, insbesondere in Bereichen, in welchen die Harzabreicherung
aufgetreten ist. Das Auftreten von Harzabreicherung kann oft durch
die Gegenwart weißer
Stellen auf der Oberfläche
glasverstärkter
Bauteile visualisiert werden. Diese können während des Infundierens auftreten
oder erst nach dem Aushärten
sichtbar werden.
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In
dem Fall eines VaRTM-Prozesses zum Beispiel, umfassen die Bereiche
der Einheit, deren besondere Anfälligkeit
für das
Auftreten von Harzabreicherung beobachtet wurde, die Bereiche in
der Nähe
der Saugverrohrung, welche die Vakuumpumpe mit der Form verbindet,
wo die Harzabreicherung dazu tendiert, als Ergebnis der Saugkraft
aufzutreten, die von der Vakuumpumpe erzeugt wird, und Bereiche,
die mit senkrecht geneigten Abschnitten der Form in Berührung sind,
an welchen sich die Harzabreicherung auch als Ergebnis von Schwerkraftwirkungen
ergeben kann. Die Harzabreicherung in diesen Bereichen tritt insbesondere
mit Wahrscheinlichkeit auf, sobald alle Räume zwischen Fasern und Faserverstärkung völlig mit
dem infundierten Flüssigharz
gesättigt
sind. Ferner ist der Stützdruck,
der an der Einheit von dem Vakuumsack angelegt wird, typischerweise
kleiner als 1 bar (100 kPa), was als solches unzureichend ist, um
zu vermeiden, dass das Flüssigharz
aus senkrecht geneigten Abschnitten der Zusammensetzung unter der
Schwerkraft ausfließt.
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Ist
das Harz ein Epoxidharz, wird das Problem ferner betont, wenn die
Einheit erhitzt wird, um zu bewirken, dass das Harz aushärtet, weil
die Viskosität
von Epoxidharzen während
des Aushärtzyklusses
signifikant sinkt. Obwohl das ähnlich
ist wie bei anderen Harzsystemen, ist es bei flüssigen Epoxidharzen weniger
wahrscheinlich, dass sie diesem Sinken der Viskosität durch
einen schnellen Gelier-Aushärtmechanismus
entgegenwirken können.
Die vorübergehend
unkontrollierte Verringerung der Viskosität, insbesondere beim Koppeln
mit der Tatsache, dass es oft erforderlich ist, die Vakuumabsaugung
an der Einheit aufrechtzuerhalten, sobald die Harzinfusion vollständig ist
und auch während
des Aushärtzyklus,
steigert die Tendenz zur Harzabreicherung insbesondere in empfindlichen
Bereichen noch mehr.
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Ein
Ansatz zum Lösen
dieses Problems besteht darin, ein sehr schnelles Aushärtsystem
zu verwenden; die Gelierzeit für
formulierte Epoxidharzinfusionssysteme kann auf nur einige Minuten
und in manchen Fällen
sogar weniger verringert werden. Das kann sich jedoch schwerwiegend
auf die Viskosität
der Zusammensetzung während
des Infusionsprozesses auswirken und auf die Sicherheit des Vorgangs,
denn derartig hohe Reaktivität
ist oft vom Erzeugen hoher exothermer Hitze begleitet.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Zusammensetzung zum Zubereiten einer faserverstärkten Verbundwerkstoffstruktur
oder eines faserverstärkten Verbundwerkstoffbauteils
durch einen Harzinfusionsprozess bereitzustellen, bei dem die Abreicherung des
Harzes in Bereichen, die zur Harzabreicherung neigen, signifikant
verringert oder komplett eliminiert wird.
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Pfund
(„Resin
Infusion in the US Marine Industry", Reinforced Plastics (1994), Band 38,
Nr. 12, Seiten 32–34)
hat ein Harztransfer-Form- und allmähliches Schichtungsverfahren
mit Vakuumunterstützung
(VaRTM-PLP), Infusionsverfahren gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw.
10, unter Lichthärten
eines mit Harz infundierten Schichtstoffs beschrieben. Der gehärtete Abschnitt
des Schichtstoffs kann an jeder Stelle gestoppt oder gestartet werden,
indem der Schichtstoff beim Infundieren sequenziell maskiert wird.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung und wie in Anspruch 1 definiert,
wird eine faserige Verstärkungseinheit
bereitgestellt, die mit einem Gemisch aus einem Flüssigharz
und einem Aushärtmittel
für das
Harz imprägniert
ist, wobei die faserige Verstärkungseinheit
ferner Fixiermittel aufweist, die an einer oder mehreren Stellen und/oder
innerhalb der faserigen Verstärkung
angeordnet sind, wobei das Fixieren bedeutet, dass die Konfiguration
so ist, dass das lokale Fixieren des Flüssigharzes in der Nähe der Fixiermittel
verliehen wird.
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Vorzugsweise
ist das Fixiermittel ein physikalisch-chemisches Mittel, durch welches die
Viskosität
des Flüssigharzes
gesteigert werden kann. Das physikalisch-chemische Fixiermittel kann das Hinzufügen eines
Zusatzstoffes mit einem intrinsischen viskositätsverbessernden Merkmal aufweisen,
wie zum Beispiel ein Verdickungsmittel oder thixotrope Stoffe oder
alternativ das Hinzufügen
eines Beschleunigungsmittels, das mit dem Flüssigharz-/Aushärtmittelgemisch
reagiert, um ein Gel zu bilden. Die Steigerung der Viskosität, die in
dem Flüssigharz
verliehen wird, kann entweder genutzt werden, um eine Region des
Flüssigharzes
innerhalb der Einheit zu fixieren, oder um eine Barriere zu schaffen,
um das Fließen des
Flüssigharzes
aus einer spezifizierten Zone der Einheit zu verhindern oder zumindest
zu behindern.
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Ein
bevorzugtes physikalisch-chemisches Fixiermittel wurde in Anspruch
12 definiert.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Zubereiten einer faserverstärkten
Verbundwerkstoffstruktur oder eines faserverstärkten Verbundwerkstoffbauteils
wie in Anspruch 18 definiert bereitgestellt.
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Das
Problem der Harzabreicherung, dessen Auftreten im Anschluss an das
Zubereiten einer faserverstärkten
Verbundwerkstoffstruktur oder eines faserverstärkten Verbundwerkstoffbauteils
mit Harzinfusionsprozess beobachtet wird, kann durch die vorliegende
Erfindung gelöst
werden, indem das Fixiermittel selektiv in den Bereichen der Einheit
positioniert wird, die zu Harzabreicherung neigen (das heißt in senkrecht
geneigten Abschnitten der Form oder bei einem VaRTM-Verfahren zum
Beispiel in den Bereichen, die die Vakuumverrohrung umgeben), wobei
das Bilden einer endgültigen
ausgehärteten
Struktur oder eines Bauteils ermöglicht
wird, die/der eine im Wesentlichen gleichförmige Verteilung von Harz in
ihrer/seiner ganzen Struktur hat. Es ist klar, dass das lokale Fixieren
des Flüssigharzes
in der Nähe
der Fixiermittel der Tendenz des Harzes, aus diesen Bereichen zu
fließen,
vorbeugt oder sie im Wesentlichen behindert, sei es unter Schwerkrafteinwirkung
oder durch jede andere Treibkraft.
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Zusätzlich zum
Bereitstellen einer Lösung des
Problems der Harzabreicherung kann es auch Fälle geben, in welchen das kontrollierbare
lokale Fixieren des Harzes verwendet werden kann, um andere erstrebenswerte
Auswirkungen zu erzielen, wie zum Beispiel das Schließen oder
Blockieren einer Saugrohrverbindung zwischen der Vakuumpumpe und
der Formeinheit sowohl in einem VaRTM- als auch in einem SCRIMP-Prozess. Dieser
Effekt könnte
erstrebenswert sein, um das kontrollierte Infundieren des Harzes
in die Einheit zu erleichtern, und könnte durch das Anordnen eines
Fixiermittels in der Nähe
der Öffnung
eines Vakuumsaugrohrs erzielt werden, so dass, wenn das Harz das
Fixiermittel erreicht und das lokale Fixieren des infundierten Harzes
verliehen wird, das Saugrohr effektiv geschlossen oder blockiert
wird. Dieser Effekt könnte
genutzt werden, um sequenziell eine Anzahl verschiedener Saugrohre
zu schließen,
während
das Flüssigharz allmählich in
verschiedenen Bereichen der Einheit infundiert, so dass es ermöglicht wird,
dass das Vakuumsaugen allmählich
in den restlichen Bereichen der Einheit konzentriert wird, in welchen
das komplette Infundieren noch nicht erzielt wurde.
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Bekannte
Verfahren, durch welche das lokale Fixieren eines Flüssigharzes
innerhalb der Einheit durch die Richtung der Hitze auf lokale Bereiche
einer Trägerzusammensetzung
verwirklicht werden könnte,
wodurch das Aushärten
des Harzes an dieser Stelle gefördert
wird sind in Butler et al., Proc. Int. Conf. Compos. Mater, 10th
(1995), Band 3, 269-276 und Shull et al., Proceedings of SPIE, The
International Society for Optical Engineering (2000), 3993, 19-22,
beschrieben. Bei solchen Prozessen besteht jedoch die Möglichkeit,
dass der Wärmetransfer
das Aushärten
des Harzes über
die erstrebenswerten Bereiche hinaus fördert. Wenn zum Beispiel das
Harzsystem als hoch reaktionsfähig
formuliert wird, das heißt,
wenn ein schnelles Aushärten
bei niedrigen Temperaturen erstrebenswert ist, besteht die Möglichkeit
zum Fördern
der Aushärtreaktion über exotherme
Verstärkung.
Wenn keine Maßnahmen
getroffen werden, um dies einzuschränken, besteht die Möglichkeit,
dass das Aushärten
des Harzes über größere Bereiche
der Zusammensetzung gefördert wird,
insbesondere in dicken Abschnitten der Einheit. Hingegen beruhen
bestimmte hier beschriebene Zusammensetzungen und Prozesse der Erfindung
nicht auf starker Reaktionschemie, um das lokale Fixieren von Harz
zu verwirklichen, so dass das Problem der unerwünschten exothermen Verstärkung eliminiert wird.
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Bei
der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Ausdruck „Fixiermittel" ein Mittel zum Verleihen der
lokalen Fixierung des Flüssigharzes,
das in die faserige Verstärkungseinheit
infundiert wird, durch ein physikalisch-chemisches Mittel, durch
welches die Viskosität
des Flüssigharzes
gesteigert werden kann.
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Es
wird insbesondere vorgezogen, dass das Fixiermittel ein chemisches
Mittel ist, durch welches die Viskosität des Flüssigharzes durch die Reaktion eines
so genannten „Beschleunigungsmittels" mit dem infundierten
Flüssig harz-/Härtmittelgemisch
gesteigert wird. Diese Reaktion steigert die Viskosität, indem
das lokale Gelieren des Flüssigharzes
veranlasst und dadurch vermieden wird, dass das Flüssigharz
frei in dem Bereich fließt,
in dem das chemische Mittel angewandt wird, und daher verwendet
werden kann, um dem Auftreten von Harzanreicherung vorzubeugen.
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Die
Reaktion des Flüssigharz-/Härtmittelgemischs
mit dem Beschleunigungsmittel ergibt nicht unbedingt das volle Aushärten des
Harzes in der Nähe
des Fixiermittels. Es ist nur erforderlich, dass die Viskosität des Flüssigharzes
auf ein Maß gesteigert
wird, das ausreicht, um sein Fließen zu verhindern und daher
sein Abreichern aus der Nähe
des chemischen Mittels. Das volle Aushärten des fixierten Bereichs
kann durch fortgesetzte Reaktion zwischen dem Harz und dem Härtmittel
auftreten, oft bei erhöhter
Temperatur. Alternativ kann das Beschleunigungsmittel, das in diesem
Bereich angewandt wird, ebenfalls an dieser fortgesetzten Reaktion
beteiligt sein.
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Das
Beschleunigungsmittel kann entweder direkt auf der Oberfläche der
faserigen Verstärkungseinheit
angewandt und/oder in diese imprägniert
werden, oder, wenn diese Einheit aus einer Anzahl von Blättern oder
Lagen eines faserverstärkten
Werkstoffs besteht, kann das Beschleunigungsmittel an einige oder
alle dieser einzelnen Blätter
oder Lagen angewandt und/oder in sie imprägniert werden. Die letztere
Anwendungsform ist besonders erstrebenswert, wenn ein umfassendes
Fixieren des Flüssigharzes durch
die ganze Einheit an einer gegebenen Lage gewünscht wird.
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Während das
Flüssigharz-/Aushärtmittelgemisch
in die faserige Verstärkungseinheit
eindringt, kann das Beschleunigungsmittel in dem umgebenden Bereich
dispergiert werden. Wenn das der Fall ist, wird vermutet, dass der
Gebrauch des Beschleunigungsmittels in Berei chen der Einheit am
geeignetsten wäre,
in welchen die Harzfließrate
durch die Einheit während
des Infusionsprozesses niedrig ist. In der Praxis befinden sich
die meisten Bereiche der Einheit, die zur Harzabreicherung tendieren
und in welchen das Fixieren des Flüssigharzes daher erstrebenswert
ist, um die Peripherie der Einheit, wo die Einheit typisch dünner und
die Harzfließrate
typisch niedriger ist. In diesen Bereichen werden daher das Dispergieren
und das Verdünnen
des Beschleunigungsmittels in den umgebenden Bereich durch das Fließen des
Infusionsharz-/Härtmittelgemischs eingeschränkt.
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Vorzugsweise
tritt die lokale Reaktion zwischen dem Beschleunigungsmittel und
dem Flüssigharz-/Aushärtmittelgemisch
zu einem Zeitpunkt nahe des Endes der Harzinfusion auf, wenn die
Fließrate niedrig
ist.
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In
dem Fall des SCRIMP-Prozesses, bei dem das schnelle Fließen des
Flüssigharz-/Aushärtmittelgemischs über die
Oberfläche
der unteren Fläche
der Einheit begünstigt
wird, bevor entgegen der Formoberfläche durchdrungen wird, könnte das
Beschleunigungsmittel vorzugsweise an einer Anzahl von Lagen über die
Stärke
der faserigen Verstärkungseinheit
und nicht nur auf der Oberfläche
der Einheit angewandt werden.
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In
dem Fall der VaRTM-Prozesse kann das Beschleunigungsmittel auf die
faserige Verstärkung vor
dem Ablassen der Einheit und Infundieren der faserigen Verstärkung mit
dem Flüssigharz/Aushärtmittelgemisch
aufgetragen werden.
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Obwohl
ein pures Auftragen des Beschleunigungsmittels auf die faserige
Verstärkungseinheit
im Allgemeinen vorgezogen wird, können einige zusätzliche
Komponenten in das Beschleunigungsmittel aufgenommen werden, um
das Fixieren des Beschleunigungsmittels innerhalb und/oder auf der
Fläche
der faserigen Verstärkung
zu unterstüt zen.
Ein Beispiel einer solchen zusätzlichen
Komponente, die verwendet werden kann, ist ein thixotroper Stoff,
wie zum Beispiel pyrogene Kieselsäure, erhältlich bei Cabot Corporation
unter dem Warenzeichen Cabosil® oder von Degussa Ltd.
unter dem Warenzeichen Aerosil®.
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Wenn
das Anbringen puren Beschleunigungsmittels an irgendeiner Stelle
eine lokale Beschleunigungsmittelkonzentration, die zu hoch ist, ergeben
kann, kann das Beschleunigungsmittel in einem Lösemittel gelöst werden,
das später
abgespült wird.
Wichtig ist, dass jedes Trägerlösemittel
komplett eliminiert wird, und das kann unter Einsatz von Hitze und/oder
Vakuumprozessen erfolgen. Der Fachmann versteht, dass eine solche
Technik während
eines Vakuumharzinfusionsprozesses durch das Ableiten aus der Einheit
vor der Harzinfusion erfolgen kann, wenn das Beschleunigungsmittel
als eine Lösung
zugeführt
wird. Ferner kann das Zuführen
einer Lösung
des Beschleunigungsmittels das Auftragen des Beschleunigungsmittels
auf die faserige Verstärkung
durch eine entsprechende Sprüh- oder
Maltechnik durch den Formtechniker erleichtern. Es kann dann auch
für das
Trägerlösemittel
passend sein, wie oben beschrieben eliminiert zu werden, indem man
auf den Einsatz des Vakuums zurückgreift,
das normalerweise mit dem Hineinziehen des Flüssigharzes in die Einheit assoziiert
wird. Allerdings müssen
alle Einschränkungen,
die durch die Tätigkeit
des Beschleunigungsmittels auferlegt werden, berücksichtigt werden.
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Es
wird jedoch bevorzugt, dass das Beschleunigungsmittel auf die faserige
Verstärkungseinheit
in der Form eines so genannten „Beschleunigungsmittelträgers" aufgebracht wird.
Mit „Beschleunigungsmittelträger" ist ein Stück oder
ein Streifen eines geeigneten Trägersubstrats
gemeint, das/der mit dem Beschleunigungsmittel imprägniert wird.
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Der „Beschleunigungsmittelträger" kann getrennt als
Stücke
oder Streifen des Trägersubstrats bereitgestellt
werden, die mit dem Beschleunigungsmittel vorimprägniert wurden.
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird daher ein „Beschleunigungsmittelträger" bereitgestellt,
der auf und/oder in einer faserigen Verstärkungseinheit, die ein Trägersubstrat
aufweist, das mit einem Beschleunigungsmittel wie hier definiert
imprägniert
ist, angeordnet werden kann.
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Der
Gebrauch eines „Beschleunigungsmittelträgers" ist besonders vorteilhaft,
weil er das Erfordernis für
den Formtechniker umgeht, das Beschleunigungsmittel direkt zu handhaben.
Wie für
das Auftragen des Beschleunigungsmittels direkt auf die faserige
Verstärkungseinheit
wie oben besprochen, wird vorgezogen, dass das Trägersubstrat
mit dem Beschleunigungsmittel allein imprägniert wird, es kann aber in
manchen Fällen
erforderlich sein, zusätzliche
Komponenten (zum Beispiel Cabosil®) hinzuzufügen, um
das Fixieren des Reagens entweder innerhalb oder auf der Fläche des
Trägersubstrats
zu unterstützen.
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Es
kann jedes geeignete Trägersubstrat
zum Vorbereiten eines „Beschleunigungsmittelträgers" verwendet werden.
Geeignete Beispiele umfassen Textilien, insbesondere leichte Stoffe
und grobe Gewebe aus natürlichen
oder synthetischen Fasern, wie zum Beispiel Nylon, Polyester, Baumwollglasfaser oder
Kohlenstofffaser in gesteppten, gestrickten, gewobenen oder Mattenformen.
Das Trägersubstrat des „Beschleunigungsmittelträgers" könnte daher entweder
das gleiche Material sein wie die faserige Verstärkungseinheit oder unterschiedlich.
In den meisten Fällen
wird ein „Beschleunigungsmittelträger" auf dünne Abschnitte
der faserigen Verstärkung aufgebracht.
In solchen Fällen
kann eine ausreichende Menge des Beschleunigungsmittels auf ein
leichtes Stoffmaterial imprägniert
werden, wie zum Beispiel die gesteppten Stoffe oder Träger, die
oft in der Klebe technik verwendet werden. Diese sehr leichten imprägnierten
Artikel eignen sich besonders gut für das Einschließen in einem
getränkten
Windturbinenschaufel-Verstärkungsmittel
oder einem Bootsrumpf, weil ihre Wirkung auf die Leistung des endgültigen Bauteils
wahrscheinlich vernachlässigbar
ist. Der „Beschleunigungsmittelträger" kann auf die Fläche der
faserigen Verstärkung
oder alternativ, wenn die faserige Verstärkung aus einer Anzahl von
Lagen oder Blättern
von Verstärkungsmaterial
besteht, zwischen einigen oder allen dieser Lagen oder Blätter angewandt
werden. Die letztere Anwendungsform ist besonders erstrebenswert,
wenn ein umfassendes Fixieren des Harzes durch die ganze Stärke der
faserigen Verstärkungseinheit
erforderlich ist. In manchen Fällen
kann es vorzuziehen sein, die „Beschleunigungsmittelträger", die zwischen jeweiligen
Blättern oder
Lagen der faserigen Verstärkung
angebracht werden, zu staffeln, so dass ein allmähliches und kontrolliertes
Steigern der Viskosität
des Harzes verliehen wird, während
das Harz durch die Einheit infundiert. Das ist insbesondere erstrebenswert
in dicken Abschnitten der Einheit, in welchen der Harzfluss wahrscheinlich
hoch ist.
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Das
Beschleunigungsmittel könnte
auf das Trägersubstrat
des „Beschleunigungsmittelträgers" in einem Lösemittel
wie oben in Zusammenhang mit dem Aufbringen des Beschleunigungsmittels
direkt auf die faserige Verstärkungseinheit
besprochen, aufgebracht werden. In solchen Fällen könnten das Lösemittelimprägnieren
und das darauf folgende Lösemittelentfernen
Teil des Herstellungsprozesses des „Beschleunigungsmittelträgers" sein.
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Das
Trägersubstrat
kann an der faserigen Verstärkungseinheit
unter Gebrauch eines kleinen Stichs oder Knotens aus Glasfaser gesichert
werden, auf eine Art ähnlich
der, bei der die verschiedenen Schichten der faserigen Verstärkungseinheit
typisch aneinander gesichert werden. Experimentieren bestimmt das
optimale Positionieren dieser Stücke
für jede
Anwendung, sowohl in der Ebene x-y (in der Ebene der Verstärkung) als
auch in der Ebene z (durch die Einheit). Die genaue Positionierung
ist wahrscheinlich für
jede Verstärkung
einzigartig.
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Vorzugsweise
ist der „Beschleunigungsmittelträger" leicht erkennbar
farbig, um ihn von dem Rest der faserigen Verstärkung zu unterscheiden, außer wenn
das ästhetische
Aussehen wichtig ist, und er daher die gleiche Farbe (oder keine
Farbe) wie der Rest der Faserverstärkung haben kann. In dem vorherigen
Fall wird ein Rotton als besonders geeignet für das adäquate Vermitteln der verstärkten Reaktivität dieses
speziellen Teils der Einheit betrachtet.
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Während das
Harz in die faserige Verstärkungseinheit
eindringt und auf das Beschleunigungsmittel trifft, wird der Aushärtprozess
beschleunigt, und die Viskosität
des Flüssigharzes
steigt viel schneller als in anderen Bereichen, in welchen kein Beschleunigungsmittel
gegenwärtig
ist. Je nach der genauen Beschaffenheit des ausgewählten Beschleunigungsmittels
kann Hitze rasch weiter entwickelt werden, und entsprechendes Aufmaß sollte
für diese
Möglichkeit
nach Bedarf vorgesehen werden. Da jedoch die Hauptanwendung dieser
Beschleunigungsmittel in erster Linie in dünnen senkrechten Abschnitten
der faserigen Verstärkungseinheit
liegt, in welchen die Harzabreicherung am stärksten aufzutreten tendiert,
sollte die Reaktionsenthalpie schnell verteilt werden und nur wenige
Probleme aufwerfen. Signifikante Wärmeleitung kann jedoch auch
das Aushärten
des nicht beschleunigten Bereichs des benachbarten Harzes fördern, wie
oben beschrieben, was erstrebenswert sein kann oder auch nicht.
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Das
ausgewählte
Beschleunigungsmittel, sei es für
das direkte Auftragen auf die faserige Verstärkungseinheit oder zum Vorimprägnieren
auf oder in einen „Beschleunigungsmittelträger", hängt von
dem spezifischen Harz-/Aushärtmittelgemisch,
das in der Zusammensetzung vorhanden ist, ab. Für jedes gegebene Harz-/Aushärtmittelgemisch
könnte
jedes geeignete Beschleunigungsmittel verwendet werden, um das lokale
Gelieren des Flüssigharzes
auszulösen.
Die Hauptkriterien, welchen solche Beschleunigungsmittel vorzugsweise
entsprechen sollten, lauten:
- (i) unter Vakuum
nicht flüchtig,
- (ii) schnelles und einfaches Mischen mit dem Flüssigharz-/Aushärtmittelgemisch,
- (iii) Kompatibilität
mit dem Aushärten
des Infusionsharz-/Aushärtmittelsystems,
- (iv) leichtes Lokalisieren auf der faserigen Verstärkung und
- (v) Fördern
des schnellen und effizienten Aushärtens des Infusionsharzsystems.
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In
einigen Fällen
ist es vorzuziehen, dass das Harz ein Epoxidharz ist, das mit einem
Aminaushärtmittel
gemischt wird, und in diesen Fällen
kann das Beschleunigungsmittel ein Reagens sein, das entweder mit
dem Aminaushärtmittel
und/oder dem Epoxidharz reagiert, um das Aushärten zu beschleunigen oder
fortschreiten zu lassen. Typische Beschleunigungsmittel, die verwendet
werden könnten, um
das lokale Gelieren eines Epoxidharz-/Aminaushärtmittelgemischs zu veranlassen,
sind anorganische Salze verschiedener Metalle. Geeignete Beispiele
für solche
Salze schließen
die in
US 4 668 736 ,
US 5 198 146 ,
US 5 958 593 ,
US 4 101 459 und
US 5 442 035 beschriebenen ein, wobei
der gesamte Inhalt dieser hiermit durch Bezugnahme eingegliedert wird.
Dies sind bekannte Beschleuniger für das Aminaushärten von
Epoxidharzen.
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Merkaptanverbindungen,
wie zum Beispiel die der Reihe Capcure® könnten ebenfalls
als Beschleuniger verwendet werden. Merkaptanverbindungen reagieren
mit Epoxidharzen sehr leicht und härten sie schnell aus, insbesondere
in Gegenwart tertiärer
Aminaushärtmittel.
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Das
Beschleunigungsmittel kann auch ein Mittel sein, das eine Michael-Additionsreaktion
mit dem Aminaushärtmittel
ergibt, um ein Addukt zu bilden, das dann mit dem Epoxidharz reagiert,
um eine stark vernetzte Harzmatrize zu bilden. Ein solches Beschleunigungsmittel
ist Dipentaerythritolpentaacrylat (Sartomer® 399).
Sartomer® 399
wird insbesondere für
das Acrylatpolymerisieren über
die 5-ungesättigten
Reste auf dem Molekül
empfohlen. Seine Fähigkeit,
eine Michael-Additionsreaktion mit Aminaushärtmitteln zu erfahren, wurde
ebenfalls berichtet. Die Reaktion zwischen Sartomer® 399
und dem Harz-/Aminaushärtmittelgemisch
resultiert anfänglich
in dem Bilden eines gummiartigen Gels. Bei dieser Form ist das Epoxidharz
effektiv immobil in der Verstärkung,
behält
jedoch die Fähigkeit,
eine Aminaushärtung
zu erfahren, entweder durch eine weitere Reaktion in einer ähnlichen
Art oder durch den Aushärtmechanismus,
der für
den Hauptteil der Harzinfusion konzipiert ist.
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Ein
Nachteil im Zusammenhang mit dem Gebrauch von Sartomer® 399
besteht in seinem Potenzial, eine unkontrollierbare Freie-Radikale-Polymerisationsreaktion
zu zeigen. Um die Chancen zu verringern, dass dies eintritt, können Inhibitoren
in der Zusammensetzung enthalten sein. Da die Michael-Additionsreaktion
mit Sartomer® 399,
die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, nicht auf solcher Chemie
freier Radikale beruht, könnten
die Aktivität und
das Laden der Freie-Radikale-Inhibitoren verstärkt werden, um die Gefahr des
Auftretens der Freie-Radikale-Polymerisationsreaktion weiter zu
eliminieren und dadurch die Anwendbarkeit und Sicherheit dieses
Verfahrens zu steigern.
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Das
Auftreten von Harzabreicherung, das bei Flüssigepoxidharzen beobachtet
wird, ist bei Harzsystemen mit Freie-Radikale-Aushärtung nicht so
sehr ein Problem wie die ungesättigten
Polyesterharze, weil diese Harzsysteme anders als die Epoxidharze
leicht in einer vorbestimmten Zeit nach dem Infundieren zum Gelieren
modifiziert werden können. Das
erlaubt das schnelle Auftreten des Gelierens um die Zeit, in welcher
die Harzinfusion abgeschlossen ist und vor dem Fördern des vollen Wärmeaushärtens. Das
erfordert eine gut durchdachte Auswahl der Initiatoren, Verzögerer und
Inhibitoren, welche der Fachmann auszuführen versteht. Es kann jedoch noch
Fälle geben,
in welchen das kontrollierbare, lokale Gelieren des Freie-Radikaleausgehärteten Harzes
noch erforderlich ist. Ein Beispiel für einen solchen Fall wäre die oben
genannte Anwendung, bei der das lokale Gelieren des Flüssigharzes
verwendet werden könnte,
um die Ansaugung zu verschließen, die
durch Vakuum angewandt wird, sobald die Einheit oder einer ihrer
Bereiche voll mit dem Harz infundiert ist.
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Das
Gelieren der Freie-Radikale-Harzsysteme wird in der Hauptsache durch
Wärme vermittelt und
könnte
daher durch lokales Erhitzen der Zusammensetzung ausgelöst werden.
Zusätzliche
Komponenten, wie zum Beispiel Inhibitoren, sind gewöhnlich in
der Zusammensetzung enthalten, um das Reaktionsprofil zu modifizieren
und das Gelieren des Harzes durch bevorzugtes Reagieren mit dem
Auslösungselement
zu verzögern.
Nur wenn diese Inhibitoren aufgebraucht sind, kann die schnelle
Polymerisationsreaktion wirklich „durchgreifen", und die Additionspolymerisationsreaktion
fördert
dann das schnelle Harzgelieren. Geeignete Kombinationen von Komponenten
zum Verwirklichen dieses Effekts sind dem Fachmann gut bekannt.
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Das
schnelle Produzieren des Auslöseelements
kann auch anders als durch Wärme
bewirkt werden. Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung
könnte
das Bilden hochreaktiver Radikalelemente einfach über den
Gebrauch von Katalysatoren gefördert
werden. Diese können
entweder als echte Katalysatoren wirken, wobei sehr kleine Anteile
gut funktionieren, sogar in der Feststoffphase, oder als Teil eines
Reduktions-Oxidationspaars (Redox). Bestimmte Ausführungsformen
der Erfindung könnten das
Lokalisieren einer Hälfte
eines Redox-Paars auf einem „Beschleunigungsmittelträger" und der anderen
Hälfte
in dem Harz-/Aushärtmittelgemisch
aufweisen. Während
das Polyesterharz in die Einheit infundiert wird, könnte die
gegenseitige Wirkung zwischen den zwei Hälften des Redox-Paars das schnelle
Aushärten
des gegenwärtigen
ungesättigten
Elements beginnen. Diese Reaktion reicht, um zumindest lokal die
Effekte der Inhibitoren in der Formel zu überwinden. Bestimmte Metallionen
könnten
ebenfalls verwendet werden, um das Aufgliedern der Freie-Radikale-Initiatoren
zu katalysieren, und niedrige Konzentrationen geeigneter Metallsalze
könnten auf
dem „Beschleunigungsmittelträger" isoliert oder alternativ
direkt auf oder in die faserigen Verstärkung selbst aufgetragen werden.
Es wird vorausgesagt, dass die Freie-Radikale-Initiatoren, die katalysierter Fragmentation
unterliegen, auch unter normaler Wärmeauslösung funktionieren würden, nur
läuft die Reaktion
unter normaler Wärmeauslösung mit
einer viel kontrollierbareren Rate ab. Im Wesentlichen besteht die
Aufgabe darin, einen Grad „unkontrollierter" Reaktion des „Beschleunigungsmittelträger"-Orts zu fördern. Jeder
dieser Ansätze
für das
lokale katalytische Auslösen
der Polymerisation könnte
unabhängig
von der Hauptreaktionschemie wirken.
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Das
Beschleunigungsmittel, ob es nun pur auf die faserige Verstärkungseinheit
aufgetragen oder innerhalb der Einheit in Form eines vorimprägnierten „Beschleunigungsmittelträgers" positioniert wird,
kann leicht auf ausgewählte
Bereiche der Einheit angewandt werden, in welchen das lokale Fixieren
des infundierten Flüssigharzes
erforderlich ist. Es ist klar, dass das selektive Positionieren
des Beschleunigungsmittels das Muster des Voraushärtgelierens,
das sich ergibt, vorschreibt. Das Muster des erforderlichen Gelierens
hängt von
jeder spezifischen Anwendung ab. In manchen Fällen kann es zum Beispiel vorteilhaft
sein, ein Voraushärt-Geliermuster so zu
organisieren, dass freie Kanäle
nicht fixierten Harzes verbleiben, durch die Restluft oder flüchtige Nebenprodukte
aus dem System entfernt werden können.
Das verringert die Wahrscheinlichkeit des Fangens gasförmiger Elemente,
die zur Porosität
des Schichtstoffs beitragen und daher eine Verringerung der Qualität der Endstruktur
oder des Bauteils verursachen würden.
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In
manchen Fällen
ist es auch vorteilhaft, Kanäle
nicht fixierten Flüssigharzes
innerhalb der Einheit zu belassen, um es dem Flüssigharz zu erlauben, an dem
gelierten Harz und/oder über
dessen Oberseite vorbei zu fließen.
Mit einer solchen Anordnung ist es für das Flüssigharz schwieriger, durch
die Zusammensetzung zurück
zu fließen,
sobald die Infusion komplett ist, so dass das Flüssigharz innerhalb des gewünschten
Bereichs der Zusammensetzung zurück
gehalten wird und es ihm daher erlaubt wird, normal auszuhärten.
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Ferner
kann das Beschleunigungsmittel auch an die faserige Verstärkung in
Form einer oder mehrerer Linien Beschleunigungsmittels, die direkt auf
die faserige Verstärkung
aufgetragen werden, angewandt werden, oder als ein oder mehrere
Streifen eines vorimprägnierten „Beschleunigungsmittelträgers", die auf der Einheit
angebracht werden, so dass, wenn das Flüssigharz mit dem Beschleunigungsmittel
in Berührung
kommt, eine Reaktion zwischen dem Beschleunigungsmittel und dem Harz-/Aushärtmittelgemisch
eintritt und das Bilden einer Barriere aus geliertem Harz ergibt,
die konfiguriert sein kann, um das Fließen der benachbarten Bereiche
des Flüssigharzes
aus dem ausgewählten
Bereich der Einheit zu verhindern oder zumindest zu behindern. Bei
dieser Anordnung „wächst" die Barriere effektiv
aus dem Flüssigharz,
während
die Reaktion mit dem Beschleunigungsmittel stattfindet.
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Alternativ
könnten
besondere Formen des „Beschleunigungsmittelträger"-Stücks verwendet werden,
um das Bilden gelierter oder ausgehärteter Harz-„Taschen" durch die Einheit
zu fördern,
was verwendet werden könnte,
um effektiv Harz zu fangen und damit das Herausfließen aus
einer ausgewählten Zone
unter Schwerkrafteinwirkung zu verhindern.
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Vorzugsweise
sollte im Anschluss an das Infundieren und das abschließende Aushärten des Harzes
der endgültige
Verbundwerkstoffbauteil oder die Struktur sich nicht von der unterscheiden,
die ohne lokale Beschleunigung vorbereitet wurde, außer der
offensichtlich verbesserten Qualität in den Bereichen, die zu
Harzabreicherung neigen, wo das Flüssigharz innerhalb der Einheit
fixiert wurde.
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Die
Menge an Beschleunigungsmittel, die auf die faserige Verstärkung aufgebracht
wird, und zwar entweder direkt oder vorimprägniert innerhalb eines „Beschleunigungsmittelträgers", muss ausreichen,
um das lokale Fixieren des Flüssigharzes
in der Einheit zu verleihen. In manchen Fällen kann die erforderliche
Charge hoch (>10 %
Massenanteil) sein, und, wenn das der Fall ist, funktioniert das
Beschleunigungsmittel am besten da, wo die Harzfließrate innerhalb
der Einheit niedrig ist. In Bereichen, in welchen die Fließrate hoch
ist, kann das Beschleunigungsmittel durch die Einheit gespült und von dem Harz
wie oben besprochen verdünnt
werden. Das kann die resultierende Steigerung der Viskosität des Flüssigharzes,
die auftritt, verringern, und auch das Lokalisieren des Harzfixierens
verringern. Um diese Erscheinung zu berücksichtigen, könnten verschiedene
Chargen eines Beschleunigungsmittels an verschiedene Bereiche der
Einheit angewandt werden, um die verschiedenen Fließraten zu
berücksichtigen, oder,
alternativ, könnten „Beschleunigungsmittelträger"-Stücke mit
verschiedenen Beschleunigungsmittelchargen zum Fixieren des Flüssigharzes
bei verschiedenen Fließraten
vorbereitet werden. Zum Beispiel könnte ein „Beschleunigungsmittelträger"-Stück oder
-Streifen eine hohe Charge an Beschleunigungsmittel für Bereiche
mit schnellem Harzfluss enthalten und eine niedrigere Charge der
Zusammensetzung für
Bereiche mit langsamem Harzfluss. Alternativ könnte ein reaktiveres Beschleunigungsmittel
in Bereichen angeordnet werden, wo der Fluss des Harzes schnell
ist, und ein Beschleunigungsmittel mit einer niedrigeren Reaktivität könnte an
Bereiche angewandt werden, in welchen der Harzfluss langsam ist.
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Ein
Vorteil des Vermittelns des lokalen Fixierens des Flüssigharzes
durch Veranlassen des Gelierens des Harzes durch die Reaktion mit
einem Beschleunigungsmittel besteht darin, dass während des Aushärtzyklus,
in dem die Harzzusammensetzung ursprünglich erhitzt wird, die Viskosität der gelierten Bereiche
des Harzes hoch bleibt, wodurch der Fluss des Harzes aus den gelierten
Bereichen heraus verhindert oder zumindest signifikant verringert
wird. Dieses Merkmal ist besonders wichtig, wenn das Flüssigharz,
das in die Einheit infundiert wird, ein Epoxidharz ist, bei dem
eine anfängliche
Verringerung der Viskosität
während
des Erhitzens des Harzes zum Aushärten auftreten kann, und die
darauf folgende Erhöhung
der Viskosität,
während
das Aushärten stattfindet,
ist gewöhnlich
viel langsamer als das „Pseudobefehlsaushärten", das mit Freie-Radikale- Systemen möglich ist.
Beim Fehlen eines Beschleunigungsmittels überwindet das Verringern der Viskosität, das durch
das Steigern der Temperatur verursacht wird, zumindest für eine Weile
jede Steigerung der Viskosität
aufgrund des Fortschreitens des Harzes und Fortsetzens des Aushärtens. Während dieses
Teils des Prozesses sind die Probleme des unerwünschten Harzflusses (gegen
welchen die Erfindung schützen
soll) am akutesten. Gewöhnlich werden
Isoliermaterialien verwendet, um die infundierte Einheit während des
Aushärtens
abzudecken, und, wenn dies der Fall ist, zeigt sich das Auftreten der
Harzabreicherung eventuell erst beim Abformen des endgültigen ausgehärteten Bauteils
oder der Struktur. Das Problem wird auch durch den Gebrauch eines
Harzsystems mit niedriger Viskosität verschlimmer, welcher von
einer Anzahl von Betreibern von Schnellinfusionssystemen bevorzugt
wird.
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Es
ist auch klar, dass es für
die Betreiber, die ein Vakuum-Harzinfusionsverfahren anwenden, normal
ist, das Niveau des Vakuums zu mäßigen, das
an die Einheit angelegt wird, um es an jedes Stadium des Herstellungsprozesses
anzupassen. Ein hohes Vakuum wird daher verwendet, während das
Harz ursprünglich
in die Verstärkung
gesaugt wird, und ein niedrigeres Vakuum wird verwendet, wenn die
Einheit voll gefüllt
ist. Das Aufrechterhalten eines niedrigen Vakuums ist während des
Aushärtens
wichtig, um das Auftreten von Porosität in dem Schichtprodukt zu
vermeiden, das sich aus flüchtigen
Matrizenkomponenten, durch freigesetzte Luft oder flüchtige Reaktionsprodukte
ergibt. Das ständige
Anlegen mindestens eines leichten Vakuums unterstützt das Konsolidieren
der Struktur und das Verwirklichen des korrekten Harz-/Verstärkungsverhältnisses.
Durch das Aufrechterhalten des Vakuums wird das Fließen von
Harz mit niedriger Viskosität
innerhalb der Einheit ferner noch verstärkt.
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Es
stellt sich ferner oft als schwierig heraus, eine gleichförmige Hitzeverteilung
an großen
Formen zu produzieren, wie zum Beispiel bei einer Windturbinenschaufelform.
Das kann dazu führen,
dass längere
Aushärtzeiten
erforderlich sind, während
Bereiche, die schwer zu erhitzen sind, auf die erforderte Temperatur
gebracht werden. Ein weiterer Vorteil des Fixierens des Harzes durch
Gelieren unter solchen Umständen
besteht daher darin, dass es diesen Bereichen effektiv einen Vorsprung
verleiht, obwohl es das Erfordernis des Wärmenachaushärtens nicht ganz ersetzt. Das
geschickte Anordnen solcher Fixiermittel kann daher das Erfordernis
der Bereitstellung signifikanter zusätzlicher Erhitzung während des Aushärtzyklus
umgehen.
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Bei
einer weiteren alternativen Ausführungsform
der Erfindung erhält
das chemische Fixiermittel, durch das die Viskosität des Flüssigharzes
angehoben wird, das Hinzufügen
eines viskositätsverstärkenden
Materials in der Form von Extraharz, das dazu dient, die lokale
Viskosität
des Flüssigharzes, das
in einen ausgewählten
Bereich infundiert, zu steigern. Das Extraharz hat vorzugsweise
eine höhere Viskosität als das
Hauptharz und kann teilweise vernetzt (B-Stufe) oder eine alternative
Harzform sein, wie zum Beispiel eine feste oder halbfeste Harzform (zum
Beispiel festes oder halbfestes Bisphenol A, wobei das Infusionsharz
ein flüssiges
Bisphenol A ist oder ein Epoxidanalog oder eine Formulierung mit niedriger
Viskosität).
In den meisten Fällen
hat das zusätzliche
Harz ein höheres
Molekulargewicht und daher eine höhere Viskosität als das
Flüssigharz,
das zum Imprägnieren
des Hauptteils der faserigen Verstärkung verwendet wird. Das zusätzliche
Harz könnte
auf die faserige Verstärkung
entweder als eine Paste oder als pure Auftragung aufgetragen werden. Zusätzlich kann
das Harz auch direkt auf die faserige Verstärkungseinheit aufgetragen oder
auf oder in ein oder mehrere Blätter
des Trägersubstrats
imprägniert werden
(zum Beispiel Stoffabschnitte oder faserige Verstärkung),
die anschließend
auf oder innerhalb der faserigen Verstärkungseinheit positioniert
werden. Obwohl es Nachteile gibt, die darin bestehen, dass die viskositätserhöhenden Effekte
zu lokal sind (das heißt
auf die Zwischenschichtenlagen der faserigen Verstärkung allein
beschränkt),
kann ein Herausspülen
des zusätzlichen
Harzes auftreten, wenn das Flüssigharz-/Aushärtmittelgemisch
durch die faserige Verstärkung
infundiert, und obwohl das Aushärten
durch das Auflösen
des Aushärtmittels
in dem Flüssigharz-/Aushärtmittelgemisch
beeinträchtigt werden
kann, ist diese Form des Fixiermittels bei bestimmten Anwendungen
wertvoll.
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Alternativ
weist das chemische Mittel zum Steigern der Viskosität des Flüssigharzes
das Hinzufügen
eines Verdickungsmittels oder thixotropen Materials auf. Geeignete
Beispiele für
thixotrope Stoffe können
hydrophobe Kieselerde (z.B. Carbosil®),
Zeolith, Tonerden, kurze Glasfasern oder Kugeln sein. Solche Materialien
können
an die Einheit trocken oder als Paste aufgebracht werden, obwohl
vorsichtig vorgegangen werden muss, um sicherzustellen, dass ein
effizientes Mischen mit dem Infusionsharz eintritt.
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Das
Flüssigharz
kann die faserige Verstärkungseinheit
durch jeden geeigneten Harzinfusions- oder Imprägnierprozess imprägnieren
oder infundieren. Vorzugsweise wird das Harz durch einen Flüssigharzinfusionsprozess
infundiert, wie zum Beispiel einen VaRTM-, SCRIMP-, RIFT- oder RTM-Prozess.
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Bei
den Zusammensetzungen und dem Prozess der vorliegenden Erfindung
kann die faserige Verstärkungseinheit
aus jedem beliebigen der oben als mögliche Trägersubstrate der „Beschleunigungsmittelträger"-Einheit erwähnten Materialien
hergestellt werden.
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Die
Auswahl des geeigneten Aushärtmittels, das
mit dem Harz zu mischen ist, hängt
von dem Typ des verwendeten Harzes ab, und ein Fachmann weiß, wie geeignete
Kombinationen ausgewählt
werden.
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Allein
zur Veranschaulichung wird eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung detaillierter unten unter Bezugnahme auf die begleitende
Zeichnung beschrieben.
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1 ist
eine schematische Veranschaulichung des Endabschnitts einer Harzinfusions-Schichteinheit
für einen
großen
Strukturbauteil im teilweisen Schnitt.
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Der
Endabschnitt der Vakuum-Harzinfusions-Schichteinheit 101,
die in 1 gezeigt ist, weist eine Form 102 für einen
großen
Strukturbauteil auf, der in diesem Fall eine Windturbinenschaufel
ist. In Berührung
mit der Oberfläche 102a der
Form 102 befindet sich eine faserige Verstärkungseinheit 103,
die mit einem undurchlässigen äußeren Blatt 104 abgedeckt
ist, um einen dichten Vakuumsack zu bilden.
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Die
faserige Verstärkungseinheit 103 besteht aus
mehreren Blättern
aus Stärkungsstoff,
die miteinander befestigt sind. In dem Hauptkörper der Schichteinheit, das
heißt
in dem Bereich, der durch den Pfeil 107 in 1 dargestellt
ist, ist ein SCRIMP-Infusionsnetz zwischen der faserigen Verstärkung 103 und dem
undurchlässigen
Außenblatt 104 positioniert.
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Der
Vakuumsack ist mit einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) verbunden,
deren Betrieb das Entleeren des Vakuumsacks ergibt (und somit der
darin gekapselten faserigen Verstärkung 103) und verursacht,
dass ein Flüssigharz-/Aushärtmittelgemisch, wie
zum Beispiel Prime 20 von SP Systems Ltd. (ein zweiteiliges
System mit Flüssigharz
und Aushärtmittel,
in dem die zwei Bestandteile im richtigen Verhältnis kurz vor dem Injizieren/Infundieren
vorgemischt werden) in die faserige Verstärkungseinheit 103 aus einem
Vorratsbehälter
(nicht gezeigt) durch das Harzeinlassrohr 105 gesaugt wird.
Harzinfusionskanäle (nicht
gezeigt) sind bereitgestellt, um es dem Harz zu erlauben, die faserige
Verstärkungseinheit 103 auf kontrollierte
Art zu durchdringen. Die in 1 gezeigte
Schichteinheit ist so konzipiert, dass das Harz schnell über den
Hauptkörperbereich,
der durch den Pfeil 107 dargestellt ist, fließt, und
sich dann langsamer zu der Formoberfläche 102 ausbreitet.
Das Fließen
in den senkrecht geneigten Abschnitten der Schichteinheit, wie zum
Beispiel in dem Bereich 106, der in 1 gezeigt
ist, tritt dann in die Richtung des Pfeils 108 ein.
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Sobald
das Infundieren mit dem Flüssigharz-Aushärtmittelgemisch
komplett ist, wird das Harz ausgehärtet, um den Windturbinenschaufelabschnitt
zu bilden.
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Wie
oben besprochen, wurde beobachtet, dass das Flüssigharz-/Aushärtmittel,
das in die Einheit infundiert wird, dazu tendiert, aus bestimmten Bereichen
der Einheit herauszufließen,
bevor das Aushärten
des Harzes erleichtert werden kann. Die bemerkenswertesten Bereiche,
in welchen das Auftreten dieser Erscheinung beobachtet wurde, sind
die Bereiche, die die Vakuumsaugverrohrung umgeben, die die Vakuumpumpe
mit der Einheit verbindet, und die Bereiche der Einheit, die mit
senkrecht geneigten Abschnitten der Formoberfläche in Berührung sind, wie zum Beispiel
der Bereich 106 in 1. Der Bereich 106 entspricht
dem Kleberflansch der Windturbinenschaufel und das Auftreten von
Harzabreicherung in diesem Teil der Schaufelstruktur kann insbesondere
den mechanischen Eigenschaften und der Leistung dieses Flansches
schaden.
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Um
daher zu verhindern, dass Flüssigharz-/Aushärtmittelgemisch
aus diesem Bereich der Schichteinheit ausfließt, werden „Beschleunigungsmittelträger"-Stücke 101a, 110b und 110c auf und/oder
innerhalb der faserigen Verstärkung 103 (wie
in 1 gezeigt) vor dem Infundieren des Flüssigharz-/Aushärtmittelgemischs
positioniert. Diese Stücke
bestehen aus einem oder mehreren Blättern Stoff (oder jedem anderen
geeigneten faserigen Trägermaterial),
die mit einer Beschleunigungssubstanz imprägniert sind, die mit dem Flüssigharz-/Aushärtmittelgemisch
reagieren kann, um ihm wie oben definiert lokales Gelieren zu verleihen.
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Während das
Flüssigharz-/Aushärtmittelgemisch
in den senkrecht geneigten Bereich 106 der faserigen Verstärkungseinheit 102 infundiert,
kommt es mit der Beschleunigungssubstanz in Berührung, und die Gelierreaktion
tritt ein. Diese Gelierreaktion steigert die Viskosität des Flüssigharz-/Aushärtmittelgemischs
in der Nähe
des „Beschleunigungsmittelträger"-Stücks, das
wiederum das Auftreten von Harzabreicherung aus diesem Bereich durch
Schwerkrafteffekt verhindert oder zumindest minimiert. Das Harz kann
dann normal ausgehärtet
werden, um eine Windturbinenschaufel zu bilden, die eine im Wesentlichen
gleichförmige
Harzverteilung durch ihre ganze Struktur, inklusive dem Kleberflansch
hat.