DE69814129T2

DE69814129T2 - Vorformling aus unidirektionalen fasern und regellosen matten

Info

Publication number: DE69814129T2
Application number: DE1998614129
Authority: DE
Inventors: T. Brenda COLEGROVE; D. Warren WHITE; P. Johnny GENDREAU; G. Curt WILKINSON; Nicholas Lawrence VARHOLAK
Original assignee: Dow Chemical Co; Dow United Technologies Composite Products Inc
Current assignee: Dow Chemical Co; Dow United Technologies Composite Products Inc
Priority date: 1997-10-28
Filing date: 1998-09-29
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2018-09-30
Also published as: US6096669A; EP1027206B1; EP1027206A1; WO1999021697A1; AU9591398A; DE69814129D1

Description

Diese Erfindung betrifft Vorformlinge, sogenannte Preforms, für Formpressverfahren, insbesondere Harzinjektionsverfahren, sowie Verfahren zur Herstellung der Vorformlinge.
Vorformlinge für Harzinjektionsverfahren (RTM) bestehen im typischen Fall aus Schichten ausgerichteten Fasermaterials, die vor ihrem Einfügen in eine Harzeinspritz-Form zusammengesetzt und geformt werden. Es wird dann Harz in die Form eingespritzt, das zwischen die Fasern dringt, um das Verbundwerkstoffteil auszufüllen. Dieses Verfahren zur Herstellung von Verbundteilen ist als „Harz-Spritzpressen" oder „Harzinjektionsverfahren" (RTM, engl. Resin Transfer Molding) bekannt.
Bei einem derartigen Verfahren gestaltet sich das Hinzufügen einer Schicht unidirektionaler Fasern problematisch, da es nicht möglich ist, trockene unidirektionale Fasern während des Zusammensetzens der Preform genau passend ausgerichtet zu halten. Da die Fasern dazu neigen auseinander zu gehen, ist es ebenfalls schwierig, die Fasern in eine Preform zu platzieren. Selbst wenn es gelänge, eine Schicht trockener unidirektionaler Fasern in die Preform zu platzieren, würden die Fasern vermutlich während der Harzinjektion auseinandergehen und sich verschieben, was die Festigkeit der hergestellten Teile vermindert und es schwierig macht, eine Übereinstimmung der hergestellten Teile beizubehalten.
Zur Überwindung dieses Problems wurde eine vorimprägnierte Preform aus unidirektionalen Fasern mit einem Harzgehalt von ca. 35 Gew.-% verwendet. Obwohl dies zum Zusammenhalten der Fasern ausreichte, war bei dieser Preform keine Imprägnierung der Preform mit Matrixharz während des Formpressvorgangs möglich. Andererseits erwies sich eine Preform aus unidirektionalen Fasern mit geringem Harzgehalt (3 bis 5 Gew.-%), wie beispielsweise im US-Patent 5,496,602 beschrieben, als schwierig in der Bearbeitung, was zu Faserbruch führte.
Trockene Faservorformlinge, bei denen die unidirektionalen Fasern entweder zusammengesteppt sind oder von einem kleinen Anteil an Querfasern zusammengehalten werden, stellen eine Alternative zu vorimprägnierten Faservorformlingen dar. Das Zusammensteppen vermindert jedoch die Zähigkeit des Verbundstoffs und die trockenen Fasern lassen sich nur schwer vorbenetzen.
In der Druckschrift DE-A-195 36 627 ist ein mehrschichtiges unidirektionales Lagengefüge aus Verstärkungsfasern zur Herstellung von Faserverbandstoffen offenbart, das durch Zuführung verschiedener Schichten in einem kontinuierlichen Herstellvorgang auf einer Vorrichtung herstellbar ist.
Die Rovings werden von einem Spulengestell oder Spulengatter abgezogen, homogenisiert oder dünner gemacht und während ihres Verlaufs durch ein Paar Druckwalzen mittels eines beidseitig klebrigen Fasergitters zumindest auf einer Seite mit einer Fasermatte oder einem Faserflor zusammengepresst, wobei das klebrige Fasergitter von einer Zuführtrommel abgezogen wird und durch ein Klebstoffbad verläuft, welches dem Eingang in das Druckwalzenpaar vorgeschaltet ist.
Anders ausgedrückt lehrt die Druckschrift DE-A-195 36 627 die Verwendung eines klebstoffbeschichteten Fasergitternetzes, mit dem eine Fasermatte verbunden wird. Das Fasernetz wird in Klebstoff getaucht und dann durch die Faserschichten gefädelt, wodurch im wesentlichen die verschiedenen Schichten zusammengesteppt werden.
Dies macht ein Hindurchfädeln dieser mit Klebstoff getränkten Faser durch eine Preform unter gleichzeitiger Beibehaltung der passenden Ausrichtung der unidirektionalen Fasern schwierig.
In der Druckschrift DE-A-195 36 627 ist kein auf zumindest einer Seite der unidirektionalen Fasern vorhandenes Harzfilmgitter offenbart. Es wird also kein Harzfilmgitter verwendet.
Es wäre wünschenswert, eine Preform aus unidirektionalen Fasern bereitstellen zu können, deren Harzgehalt einerseits ausreicht, um die Fasern in der gewünschten Form und Stellung zu halten, andererseits aber auch gering genug ist, um die Porosität der entstandenen Preform beizubehalten, damit diese während nachfolgender Pressformvorgänge mit Matrixharz imprägnierbar ist. Außerdem wäre es auch im Hinblick auf eine Verringerung der Einspritzzeit und eine verbesserte Faservorbenetzung wünschenswert, eine für das RTM-Harz besser durchdringbare Preform aus unidirektionalen Fasern bereitstellen zu können.
Gemäß einem ersten Merkmal handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um einen zur Verwendung in einem Kunstharz-Spritzpressverfahren geeigneten Vorformling, der folgendes umfasst: (1) eine oder mehrere Schichten einer nicht-gewobenen regellosen Matte aus Schnittfasern, und (2) eine oder mehrere Schicht(en) einer Serie von Kabeln oder Tauen aus unidirektionalen Fasern, die durch einen polymeren aushärtbaren Kunstharzfilm zusammengehalten wird bzw. werden. Der polymere aushärtbare Kunstharzfilm liegt in Form eines Gitters vor, so dass nur ein Teil des Oberflächenbereichs der Fasern mit dem polymeren aushärtbaren Kunstharzfilm in Kontakt kommt. Vorzugsweise hat das polymere aushärtbare Kunstharzfilmgitter die Form eines Rautenmusters. Es sind jedoch auch andere Muster, beispielsweise Quadrate, Rechtecke, Dreiecke, Kreise und Ellipsen, möglich. Das Harzfilmgitter ist auf einer oder beiden Seite(n) der unidirektionalen Kohlenstoff-Fasern vorhanden.
Gemäß einem zweiten Merkmal handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings, das folgende Schritte umfasst: (1) Bereitstellen eines Harzfilmgitters, (2) Bilden eines Harz-Faser-Bandes durch Aufbringung einer Harzfilmgitterschicht auf zumindest einer Seite einer Vielzahl unidirektional ausgerichteter Kohlenstoff-Fasern in einer Menge, die ausreicht, um die Fasern in der gewünschten Form und Stellung zu halten, die jedoch auch gering genug ist, um die Porosität des entstandenen Vorformlings beizubehalten, damit er während nachfolgender Pressformvorgänge mit Matrixharz imprägniert werden kann, (3) Erhitzen des Harz-Faser-Bandes, um das auf den Fasern befindliche Harz zum Schmelzen zu bringen und (4) Aufkleben einer nicht-gewobenen regellosen Matte auf eine oder beide Seite(n) des Harz-Faser-Bandes unter Einsatz von Wärme und Druck.
Das Verfahren sowie der Vorformling gemäß vorliegender Erfindung können zur Herstellung verstärkter Einlagerungsverbundwerkstoffe verwendet werden. Die Verbundwerkstoffe sind als Konstruktionsmaterial verwendbar.
1 zeigt in perspektivischer Darstellung die Bildung eines rautenförmigen Harzfilmgitters auf einem Abziehpapier;
2 zeigt in perspektivischer Darstellung die Herstellung eines unidirektionalen Faserbands;
3 ist eine Ansicht entlang Linie 2-2 von 2, die das unidirektionale Faserband zeigt;
4 zeigt in perspektivischer Darstellung die Bildung der Preform gemäß vorliegender Erfindung;
5 ist eine Ansicht entlang Linie 4-4 von 4, die die Kombination aus oberer Abziehpapierschicht, Kohlepapier, rautenförmigem Harzfilmgitter und unterer Abziehpapierschicht zeigt;
6 zeigt die Rautenmaße der Gummi-Druckwalze, die zur Bildung eines rautenförmigen Filmgitters auf einem Abziehpapier verwendet wird.
Wie 1 zeigt, wird zum Erhalt einer Schmelze in einem Ofen vorerhitztes Harz 2 zwischen eine aufgeheizte ortsfeste Walze 3 und eine aufgeheizte Drehwalze 4 einer allgemein mit 1 bezeichneten Harzdruckvorrichtung geleitet. Die Aufheiztemperatur für beide Walzen ist vom Harz abhängig und wird so gewählt, dass optimale Harzviskosität für den Harzdruckvorgang erzielt wird, d. h. ca. 10000 cps. Ist das verwendete Kunstharz Cytec^TM 5250-4 RTM (welches nachstehend definiert ist), dann werden die Walzen auf 66°C aufgeheizt.
Abziehpapier 6 von der Papierzuführwalze 5 wird durch Drehung der Papierzuführwalze 5, der Druckwalze 7 und der Papieraufnahmewalze 9 in den Walzenspalt zwischen Druckwalze 7 und Drehwalze 4 geleitet. Auf der Druckwalze 7 befinden sich erhöhte Rautenmuster oder andere Muster wie Quadrate, Rechtecke, Dreiecke, Kreise und Ellipsen. Der Spalt zwischen Druckwalze 7 und Drehwalze 4 ist so eingestellt, dass ausreichend Druck erzielt wird, um die Harzschmelze von der Drehwalze 4 auf die Abschnitte des Abziehpapiers 6 zu übertragen, die gegen die Drehwalze 4 und die erhöhten Rautenmuster gedrückt werden, wodurch ein Rautenmuster einer Harzfilmgitterschicht 8 auf Abziehpapier 6 gebildet wird. Das Filmgitter 8 auf Abziehpapier 6 wird auf die Aufnahmewalze 9 aufgerollt. Das Gewicht des Harzfilmgitters lässt sich durch Einstellung der Geschwindigkeit der Drehwalzen, der Temperatur der aufgeheizten Walzen, und des Spalts zwischen den Walzen 4 und 7 regulieren. Die Maße des Rautenmusters sind in 6 gezeigt.
Die Wahl des Harzes für das Harzfilmgitter hängt von den für die beabsichtige Anwendung gewünschten Eigenschaften ab. Das Harz sollte mit dem letztendlich zur Herstellung eines kunstharz-spritzgepressten Teils verwendeten RTM-Harz kompatibel sein. Das Harz kann auch eine Mischung von Harzen mit ähnlicher Rückgratstruktur, aber unterschiedlichem Molekulargewicht sein, um eine zum Bedrucken von Papier mit dem Harznetzfilm wünschenswerte Viskosität zu erzielen. Eine geringere Viskosität des Harzes trägt dazu bei, dass ein geringeres Gewicht des Harzfilms erhalten wird.
Harze, die bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung zur Herstellung des Harzfilmgitters verwendet werden können, sind u. a. Epoxyharze, sowie Gemische aus Epoxyharzen und Härtern, Polyamide, beispielsweise Bismaleimidharze; Polycyanatesterharze; Vinylesterharze; sowie Benzocyclobuten. Derartige Harze sind in den US-Patenten 4,992,228; 5,080,851; 5,427,725 und 5,427,726 beschrieben. Ein weiteres geeignetes Harz ist 1,1'-MDA-Bismaleimid- (BMI) Harz, das in der Industrie als Cytec^TM 5250-4RTM BMI-Harz bekannt ist und von der Cytec Chemical Company hergestellt wird.
Epoxyharze, die bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind die Diglycidylether von Biphenol, Bisphenolen, hydrocarbyl-substituiertem Biphenol, hydrocarbyl-substitutiertem Bisphenol, phenol- oder hydrocarbyl-substituierten Bisphenol-Aldehyd-Novolak-Harzen, ungesättigtem Kohlen- Wasserstoff-Phenol oder hydrocarbyl-substituierten Phenolharzen oder Kombinationen daraus.
Vinylesterharze, die bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind die Acrylate oder Methacrylate von Polyglycidylethern von Verbindungen mit durchschnittlich mehr als einer phenolischen Hydroxylgruppe pro Molekül.
Mischungen aus Epoxyharzen und Härtern, die bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind unter anderem (a) eine Mischung aus D.E.N. 438 Epoxyharz, hergestellt von The Dow Chemical Company, sowie ein bekannter Härter wie Diaminodiphenylsulfon; (b) ein zur Herstellung von Polyurethanen geeignetes Gemisch aus Polyisocyanat und Polyol, beispielsweise SPECTRIM^® MM310; (c) Epoxy-Cyanatesterharzsysteme, wie E-905L-Harz von BP Chemicals; und (d) PR500, hergestellt von 3M.
D.E.N. 438 ist ein Epoxy-Novolak-Harz mit einer Viskosität von 20000 bis 50000 cps bei 25°C und einem epoxyäquivalenten Gewicht von 176 bis 181. PR500-Harz ist ein fluorenhaltiges Harz mit sowohl Epoxy- als auch Aminfunktionalität, so dass es ohne separaten Härter aushärtet. Es besitzt eine Viskosität von 110 cps bei 155°C. Vorzugsweise kann bei Verwendung von PR500 dieses mit einem anderen Harz wie PT500 Epoxyharz gemischt werden, welches ebenfalls von 3M hergestellt wird. PT500 Epoxyharz ist ein pulverförmiger Klebrigmacher mit einer Viskosität von 2 × 10⁶ cps bei 65°C und mit PR500 kompatibel. Das PT500-Harz hilft bei der Einstel lung der Klebrigkeit des Harzfilms und kann bedarfsgerecht variiert werden.
Der Harzgehalt der Preform muss ausreichen, um die Fasern in der gewünschten Form und Stellung zu halten, aber gleichzeitig auch gering genug sein, um die Porosität der entstandenen Preform beizubehalten, damit sie während nachfolgender Pressformvorgänge mit Matrixharz imprägniert werden kann. Im allgemeinen beträgt der Harzgehalt der Preform zwischen 2 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von Faser und Harz. Vorzugsweise beträgt der Harzgehalt der Preform 6 bis 12 Gew.-%, und im meist-bevorzugten Fall, 8 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von Faser und Harz.
Zur Verwendung als Abziehpapier oder Filme geeignete Materialien sind im Handel erhältlich, beispielsweise Mylar^TM, ein von der 3M Company hergestellter Polyesterfilm.
Die Druckwalze 7 kann aus Naturkautschuk oder Synthesegummi, Polyurethan oder anderen synthetischen Elastomeren hergestellt sein. Die Druckwalze 7 kann auch aus Metall mit eingraviertem Gittermuster sein.
Wie 2 zeigt, durchlaufen eine Vielzahl von Tauen aus unidirektionalen Fasern 10 zunächst einen Kamm 11 zur Ausrichtung der Fasern, und anschließend zwei Reihen von Rüttelwalzen 12. Zur Verbesserung von Faserausrichtung und Tauintegration werden die beiden Walzen an jedem Ende der Reihen in einer Richtung senkrecht zur Faserrichtung gerüttelt. Bei Verlauf unter einer Heizlampe 13 hindurch werden die Fasern erhitzt, bevor sie durch ein Paar aufgeheizter Walzen 14 geleitet werden, wo zwei Harzfilmgitterschichten 8 auf Abziehpapier 6, die gleichzeitig das Paar von Walzen 14 durchlaufen, die Fasern in Sandwichanordnung zwischen sich aufnehmen. Die Walzen 14 werden auf eine Temperatur aufgeheizt, die zum Schmelzen des Harzes ausreicht und im typischen Fall zwischen 60°C und 121°C liegt. Ist das hierfür verwendete Harz zum Beispiel Cytec^TM 5250-4RTM, dann werden die Walzen auf 66°C aufgeheizt.
Der Spalt zwischen dem Walzenpaar 14 ist so eingestellt, dass sich ausreichender Druck für die (durch die aufgeheizten Walzen erweichten) Harzfilmgitterschichten 8 ergibt, um diese auf beide Seiten der unidirektional ausgerichteten Fasern 10 zu übertragen. Die unidirektional ausgerichteten Fasern 10, die auf beiden Seiten mit Harzfilmgitter 8 beschichtet sind, werden dann über eine (auf die selbe Temperatur wie die Walzen 14) aufgeheizte Platte 15 geführt, um das Harz auf den Fasern zum Schmelzen zu bringen, wodurch sich das unidirektionale Faserband 16 ergibt. Wie in 3 gezeigt ist, umfasst das unidirektionale Faserband 16 unidirektionale Fasern 10, die beidseitig mit Harzfilmgitter 8 auf Abziehpapier 6 bedeckt sind. Das unidirektionale Faserband 16 wird dann durch die Quetschwalzen 17 geleitet, wo die untere Abziehpapierschicht 6 entfernt und anschließend auf die Aufnahmewalze 18 aufgerollt wird. Das unidirektionale Faserband 16 mit der oberen Abziehpapierschicht 6 wird dann auf die Aufnahmewalze 19 aufgerollt.
Die im vorliegenden Text benutzten Begriffe „Tau" oder „Spinnkabel" beziehen sich auf ein loses ungezwirntes Fasertau bzw. Faserkabel aus Kohlenstoff-, Graphit-, Glas-, Aramid-, Quarz-, Bor- oder Siliziumcarbidfasern oder auch anderen Fasern, die zur Verstärkung von plastischen Verbundwerkstoffteilen verwendet werden können.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung soll der Begriff „Tau" bzw. „Spinnkabel" auch aus mehreren Tauen bestehende Garne abdecken. Allgemein können zwischen 3000 und 50000 Fasern in einem einzigen Tau enthalten sein.
Wie es in 4 gezeigt ist, werden das unidirektionale Faserband 16 (mit dem Abziehpapier 6), die nicht-gewobene regellose Matte 20 und das Abziehpapier 21 gleichzeitig durch Quetschwalzen 22 geleitet, so dass einerseits die nicht-gewobene regellose Matte 20 auf dem unidirektionalen Faserband 16 aufliegt, und andererseits das Abziehpapier 21 auf der nicht-gewobenen regellosen Matte 20. Die aus Abziehpapier 6, unidirektionalem Faserband 16, nicht-gewobener regelloser Matte 20 und Abziehpapier 21 bestehende Anordnung wird dann zwischen einer (auf die selbe Temperatur wie die Walzen 14 aufgeheizten) Platte 23 und einem Druckschlitten 24 hindurchgeleitet. Der Druckschlitten 24 bewegt sich dabei in Faserrichtung hin und her. Die von der aufgeheizten Platte 23 ausgestrahlte Wärme und der vom Schlitten 24 ausgeübte Druck bewirken ein Haften der nicht-gewobenen regellosen Matte 20 am unidirektionalen Faserband 16. Der entstandene Vorformling 25 verläuft dann durch ein Walzenpaar 26, wobei das Abziehpapier 21 von der nicht-gewobenen regellosen Matte 20 abgezogen und dann auf die Aufnahmewalze 27 aufgerollt wird. Der Vorformling 25 wird dann auf die Aufnahmewalze 28 auf gerollt. Wie es in 5 gezeigt ist, besteht der Vorformling 25 hierbei aus einer ersten Schicht aus nicht-gewobener regelloser Matte 20, einer zweiten Schicht aus Harzfilmgitter 8, einer dritten Schicht aus unidirektionalen Fasern 10, und einer vierten Schicht aus Harzfilmgitter 8.
Die nicht-gewobene regellose Matte besteht aus durch ein Bindemittel zusammengehaltenen Schnittfasern. Geeignete Fasern sind Kohlenstoff-, Graphit-, Glas-, Aramid-, Quarz-, Bor- und Siliziumcarbidfasern, oder andere Fasern zur Verwendung für die Verstärkung plastischer Verbundwerkstoffteile. Geeignete Bindemittel sind diejenigen Harze, die mit dem letztendlich zur Herstellung eines Kunstharz-spritzpressgeformten Teils verwendeten Harz kompatibel sind, zum Beispiel die in den US-Patenten 5,480,603 und 5,593,758 beschriebenen wässrigen Klebrigmacherdispersionen. Andere geeignete Bindemittel sind die zuvor zur Bildung des Harzfilmgitters beschriebenen Harze.
Vorzugsweise hat die nicht-gewobene regellose Matte ein möglichst geringes Gewicht, wobei noch genug mechanische Integrität vorhanden sein muss, dass eine Bearbeitung ohne Gefahr eines Einreißens oder einer Verformung möglich ist, um die Bandeigenschaften so unidirektional wie möglich belassen zu können.
Die Vorformlinge gemäß vorliegender Erfindung sind bei der Herstellung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen durch wohlbekannte Pressformungsverfahren, beispielsweise dem Kunstharz-Spritzpressen, verwendbar. Das Kunstharz-Spritzpressen ist beispielsweise auf den Sei ten 220–229 der vierten Ausgabe des Kunststofftechnik-Handbuchs "Plastics Engineering Handbook of the Society of the Plastics Industry, Inc." beschrieben. Die faserverstärkten Verbundwerkstoffe und die diese enthaltenden Formteile bzw. Produkte lassen sich für Konstruktionsmaterialien und -teile verwenden.
Faserverstärkte Verbundwerkstoffe sind im Stand der Technik wohlbekannt und beispielsweise auf S. 260–281 der „Kirk-Othmer Ency. Chem., Tech.-Supp., Composites, High Performance" (J. Wiley & Sons 1984) beschrieben. Ein Verbundwerkstoff umfasst typischerweise eine Vielzahl von Fasern (Verstärkungsfasern), die in einem Kunststoff (der Matrix) eingebettet sind. Typischerweise verleihen die Fasern dem Verbundwerkstoff Festigkeit und/oder Steife, und die Matrix hält die Fasern in ihrer Ausrichtung und in gegenseitigem Abstand, sie überträgt Scherbelastungen zwischen Faserschichten, damit diese einem Biegen und Zusammendrücken standhalten, und sie schützt die Fasern vor oberflächlicher Beschädigung.
Fakultativ können einzelne Lagen der Preform nach Aufbringung des Klebrigmachers auf die Verstärkungsfasern geformt oder zusammenlaminiert werden (ein Thermoformungsschritt). Zum Beispiel können mehrere Lagen bei einer Temperatur oberhalb des Glasübergangs-, Schmelz- oder Erweichungspunkts des Klebrigmachers zusammengepresst werden. Ebenso können einzelne Preforms oder Laminate bei einer Temperatur gepresst oder geformt werden, die über dem Glasübergangs-, Schmelz- oder Erweichungspunkt des Klebrigmachers liegt. Beispiele für das Formen und Laminieren verschiedener Preforms sind in den US-Patenten 4,992,228 und 5,080,851 beschrieben.
Die im folgenden angegebenen Arbeitsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung der Erfindung und sollen deren Umfang keineswegs einschränken. Soweit nicht anderweitig angegeben, sind alle Teile und Prozentangaben auf das Gewicht bezogen.
Beispiel 1
Eine Preform wurde gemäß der voranstehend beschriebenen Vorgehensweise unter Verwendung folgender Werkstoffe hergestellt:
Harz – Ein Gemisch aus 75% Epoxyharz vom Typ PR500 von 3M und 25 % Epoxyharz vom Typ PT500 von 3M.
Faser – Kohlenstoff-Faser vom Typ 12K IM7, eine von der Firma Hercules hergestellte Kohlenstoff-Faserart. Der Begriff „12K" bezeichnet hierbei 12 K Tau (d. h. 12000 Fasern pro Tau).
Kohlepapier – Ein Kohlepapiervlies der Fa. Technical Fiber Products, das aus 12K IM7 Kohlenstoff-Schnittfasern und EpiRez 5003 als Bindemittel unter Verwendung von Standardverfahren der Industrie hergestellt wird. EpiRez 5003 ist eine nichtionische wässrige Dispersion eines polyfunktionellen aromatischen Epoxyharzes, das von der Shell Company erhältlich ist.
Die Preform hatte ein Flächengewicht von 354,8 g/m² (10 g/m² Kohlepapier, 307,7 g/m² unidirektionale Kohlenstoff-Faser, 31,7 g/m² Harz).
Test der physikalischen Eigenschaften:
Eine Verbundwerkstoff-Platte wurde mittels des RTM-Harzinjektionsverfahrens unter Verwendung der voranstehend hergestellten Preform und PR500 als eingespritztes Harz hergestellt. Aus der Platte ausgeschnittene Proben wurden auf Zugmodul und Zugfestigkeit (ASTM D3039 Poisson-Zahl) geprüft. Nach einer Normung auf 59 Faservolumen ergaben sich dabei für mittleren Zugmodul und mittlere Zugfestigkeit Werte von 21,8 Msi bzw. 313 Ksi.
Beispiel 2
Die Vorgehensweise von Beispiel 1 wurde zur Herstellung einer Preform wiederholt, mit der Ausnahme, dass das zur Herstellung der Preform sowie als Einspritzharz verwendete Harz in diesem Fall vom Typ Cytec 5250-4RTM war. Die Preform setzte sich zusammen aus 10 g/m² Kohlepapier, 308,7 g/m² unidirektionaler Kohlenstoff-Faser, und 36,6 g/m² Harz (Gesamt-Flächengewicht 355,3/m²). Die durch sandwichartige Anordnung der Fasern zwischen Harzfilmgitterschichten entstandene Preform bewies in Richtung quer zu den Kohlenstoff-Fasern gute mechanische Integrität, d. h. leichtes Ziehen führte nicht zu einem Auseinandergehen der Fasern.
Beispiel 3
Der in Beispiel 2 beschriebene Vorgang wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass die Maße des Rautenmusters auf Walze 6 von 1 vergrößert wurden, wie es in 6, Muster 2 gezeigt ist. Die sich nach dem sandwichartigen Anordnen der Kohlenstoff-Fasern zwischen den Harzfilmgitterschichten ergebende Preform hatte schlechtere mechanische Integrität in Richtung quer zu den Kohlenstoff-Fasern, d. h. die Fasern ließen sich durch sanftes Ziehen leicht auseinanderreißen.
Die Preform setzte sich zusammen aus 10 g/m² Kohlenstoffmatte, 301,8 g/m² unidirektionaler Faser, und 37,4 g/m² Harz (Gesamt-Flächengewicht 340,2 g/m²).
Beispiel 4
Der in Beispiel 2 beschriebene Vorgang wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass das Kohlepapier Polyvinylalkohol als Bindemittel enthielt, und die Maße des Rautenmusters auf Walze 6 von 1 verkleinert wurden, wie es in 6, Muster 3 gezeigt ist. Die sich nach sandwichartiger Anordnung der Kohlenstoff-Fasern zwischen den Harzfilmgitterschichten ergebende Preform war steifer als in Beispiel 2 und ließ sich nicht leicht um eine konturierte Oberfläche herum formen.
Beispiel 5
Der in Beispiel 1 beschriebene Vorgang wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass das Kohlepapier unter Ver wendung von Polyvinylalkohol als Bindemittel hergestellt wurde.
Beispiel 6
Der in Beispiel 5 beschriebene Vorgang wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass es sich bei dem zur Herstellung der Preform verwendeten Harz um eine Kunstharzzusammensetzung mit 2,2 Gew.-% D.E.R.^TM 332, 40,3 Gew.-% Tactix^TM 556, 25,8 Gew.-% D.E.R. 542 (alle hergestellt von The Dow Chemical Company) und 31,7 Gew.-% CRJ-406 handelte. D.E.R. 332 ist ein flüssiges Epoxyharz vom Typ Bisphenol A mit einem epoxy-äquivalenten Gewicht von 172 bis 176 und einer Viskosität von 4000 bis 6000 cps bei 25°C. D.E.R. 542 war ein halbfestes bromiertes Epoxyharz mit einem epoxy-äquivalenten Gewicht von 305 bis 355. Tactix 556 ist ein Dicyclopentadien-Epoxy-Novolak-Harz mit einem epoxy-äquivalenten Gewicht von 215 bis 235. CRJ-406 ist ein von der Firma Schenectady erhältliches Kresol-Novolak-Harz.
Beispiel 7
Der in Beispiel 1 beschriebene Vorgang wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass die Herstellung des Kohlepapiers unter Verwendung einer wässrigen Dispersion von PR500 von 3M (40 Gew.-%) als Bindemittel erfolgte.
Beispiel 8
Der in Beispiel 2 beschriebene Vorgang wurde wiederholt, jedoch mit der Ausnahme, dass die Herstellung des Kohlepapiers unter Verwendung einer wässrigen Disper sion von Cytec 5250-4RTM (40 Gew.-%) als Bindemittel erfolgte.

Claims

Vorformling zur Verwendung in einem Kunstharz-Spritzpressverfahren, wobei der Vorformling (25) eine Vielzahl von Schichten aus ausgerichtetem Fasermaterial umfasst, welches vor seiner Einbringung in eine Form zusammengesetzt und geformt wird, wobei der Vorformling zusätzlich eine oder mehrere unidirektionale Faserschicht(en) enthält, die aus einer Serie von unidirektionalen Faser-Spinnkabeln (10) zusammengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder unidirektionalen Faserschicht (16) die Serie unidirektionaler Faser-Spinnkabel (10) durch ein Harzfilmgitter (8) zusammengehalten wird, das auf mindestens einer Seite der unidirektionalen Fasern vorhanden ist, wobei das Harzfilmgitter (8) den Vorformling porös lässt, so dass er mit einem Matrixharz imprägniert werden kann, wobei mindestens eine Schicht einer nicht-gewobenen regellosen Matte (20) an mindestens einer Seite der mindestens einen unidirektionalen Faserschicht (16) haftet, wobei das Harzfilmgitter in Form eines polymeren aushärtbaren Harzfilmgitters (8) vorliegt, das in einer Menge zwischen 2 und 30 Gewichtsprozent vorhanden ist.
Vorformling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz ein Polyamidharz, ein Polycyanatesterharz, ein Vinylesterharz, ein Epoxyharz oder ein Benzocyclobutenharz ist.
Vorformling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den unidirektionalen Fasern (10) um Glas-, Kohlenstoff-, Graphit-, Aramid-, Keramik-, Quarz-, Bor- oder Siliziumkarbidfasern handelt.
Vorformling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-gewobene regellose Matte (20) aus zerhackten Glas-, Kohlenstoff-, Graphit-, Aramid- oder Keramikfasern gebildet wird, die durch ein Bindemittel zusammengehalten werden.
Vorformling nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Bindemittel um Polyvinylalkohol oder eine wässrige Dispersion eines Epoxyharzes, eines Vinylesterharzes, ungesättigten Polyesterharzes, Polycyanatesterharzes, Benzocyclobutenharzes, Polyimids, Bismaleimids oder Mischungen daraus handelt.
Vorformling nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Epoxyharz ein Diglycidylether von Biphenol, Bisphenol, hydrocarbyl-substituiertem Biphenol, hydrocarbyl-substituiertem Bisphenol, phenol- oder hydrocarbyl-substituiertem Bisphenol-Aldehyd-Novolac-Harz, ungesättigtem Kohlenwasserstoff-Phenol oder hydrocarbyl-substituiertem Phenolharz ist.
Vorformling nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Epoxyharz ein Diglycidylether von Bisphenol A mit einem Epoxid-äquivalenten Gewicht zwischen 650 und 750 ist.
Vorformling nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vinylesterharz das Reaktionsprodukt von Bisphenol A und Acrylsäure ist und ein numerisches durchschnittliches Molekulargewicht zwischen 950 und 1250 hat.
Vorformling nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das ungesättigte Polyesterharz das Reaktionsprodukt von Fumarsäure und propoxyliertem oder ethoxyliertem Bisphenol A, das Reaktionsprodukt von Maleinsäureanhydrid und ethoxyliertem oder propoxyliertem Bisphenol A, oder der Pentaerythritolester von Tallölharz ist.
Vorformling nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Bismaleimidharz um 4,4'-Bismaleimidodiphenylmethan oder 1,4-Bismaleimido-2-Methylbenzol, ein modifiziertes Bismaleimid mit einem Diels-Alder-Comonomergehalt, oder ein teilweise weiterentwickeltes Bismaleimid mit einem Diels-Alder-Comonomergehalt, oder ein teilweise weiterentwickeltes Bismaleimid auf der Basis von 4,4'-Bismaleimido-Diphenylmethan und Allylphenylverbindungen oder aromatischen Aminen handelt.
Vorformling nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Bindemittel um Polyvinylalkohol oder eine wässrige Dispersion eines Epoxyharzes, eines Vinylesterharzes, ungesättigten Polyesterharzes, Polycyanatesterharzes, Benzocyclobutenharzes, Polyimids, Bismaleimids oder Mischungen daraus handelt.
Vorformling nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Schicht einer nicht-gewobenen regellosen Matte (20), einer zweiten Schicht einer Serie von unidirektionaler Faserkabeln (10), die durch das polymere aushärtbare Harzfilmgitter (8) zusammengehalten werden, und eine dritte Schicht einer nicht-gewobenen regellosen Matte.
Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings, wobei der Vorformling mindestens eine Schicht aus ausgerichtetem Fasermaterial aufweist, das vor der Einbringung in eine Form zusammengesetzt und geformt wird, wobei der Vorformling (25) zusätzlich mindestens eine unidirektionale Faserschicht (16) enthält, die eine Reihe von unidirektionalen Faser-Spinnkabeln (10) aufweist, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: Aufbringen eines polymeren aushärtbaren Harzfilmgitters (8) auf mindestens eine Seite der unidirektionalen Faser-Spinnkabel (10), um die Fasern zusammenzuhalten, wobei das Gitter den Vorformling (25) porös lässt, so dass er mit einem Matrixharz imprägniert werden kann, wobei das Harzfilmgitter in einer Menge zwischen 2 bis 30 Gewichtsprozent vorliegt; Aufkleben mindestens einer Schicht einer nicht-gewobenen regellosen Matte (20) auf mindestens eine Seite mindestens einer unidirektionalen Faserschicht (16).