WO2015123711A1

WO2015123711A1 - Textiler verbundwerkstoff und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: WO2015123711A1
Application number: PCT/AT2015/050045
Authority: WO
Inventors: Kurt Hofstetter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-18
Filing date: 2015-02-18
Publication date: 2015-08-27
Anticipated expiration: 2016-08-18
Also published as: AT515438B1; AT515438A1; DE112015000840A5

Abstract

Textiler Verbundwerkstoff mit in einer Matrix (4) eingebettetem textilen Material, welches mit aperiodischer Gewebestruktur in die Matrix (4) ein-oder mehrlagig in Verbund gebracht wird, wobei das textile Material nach der Methode der Induktiven Rotation (IR) hergestellt ist.

Description

Textiler Verbundwerksto und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft allgemein textile Verbundwerkstoffe bzw. deren Herstellung unter Verwendung von textilen Geweben, wie z.B. aus Kohlenstofffasern, Glasfasern, Kunststoffasern, Naturfasern usw. die im Verbund mit Materialien, wie z. B. Kunststoffe, Beton usw., zur Bewehrung bzw. Armierung dienen können.

Mehr im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen von textilen Verbundwerkstoffen, wobei textiles Material in eine Matrix eingebettet wird; weiters betrifft die Erfindung einen textilen Verbundwerkstoff mit in einer Matrix eingebettetem textilen Material; sowie die Verwendung eines technischen Textilmaterials zur Herstellung eines textilen

Verbundwerkstoffs .

Die Erfindung strebt dabei danach, textile Verbundwerkstoffe rissfester bzw. weiterreissfester und insgesamt robuster gegen Fehlbelastungen und Fehlstellen im Material zu machen.

Die erfindungsgemäße Technik betreffend textile Verbundwerkstoffe bzw. betreffend deren Herstellung zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass in die Matrix ein technisches Textilmaterial mit aperiodischer Gewebestruktur ein- oder mehrlagig in Verbund gebracht wird, wobei das Textilmaterial nach der Methode der Induktiven Rotation (IR) hergestellt wird. Die permanente

Oszillation von loser und dichter Bewehrung bzw. Armierung in aperiodischer Ordnung begründet eine Unregelmäßigkeit bzw.

Inhomogenität im Verbundwerkstoff.

Die Herstellung des Textilmaterials nach der Methode der

Induktiven Rotation (IR) erfolgt mittels Computer-gesteuerter Webmaschinen, vgl. insbesondere auch AT 512 060 A. Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn technische Textilien, die eine

Kombination von periodischen und aperiodischen Gewebestrukturen aufweisen, in die bettende Matrix mehrlagig in Verbund gebracht werden. Auch ist es vorteilhaft, wenn eine Kombination von technischen Textilien, die je eine aperiodische Gewebestruktur aufweisen, in die bettende Matrix mehrlagig in Verbund gebracht wird .

Die Erfindung bezieht sich weiter auf die Verwendung eines technischen Textilmaterials mit aperiodischer Gewebestruktur, hergestellt mittels Computer-gesteuerter Webmaschinen nach der Methode der Induktiven Rotation, zum Einbetten in einer Matrix zur Herstellung eines textilen Verbundwerkstoffs.

Bei der vorliegenden Technik weisen die textilen

Verbundwerkstoffe Strukturen mit aperiodischen Unterschieden in der Webdichte auf. Insbesondere durch einen Verbund mit mehreren Lagen von unterschiedlich aperiodisch gewebten und dadurch weiterreissfesteren Textilien kommt es zu einer dreidimensionalen Inhomogenität der Materialstruktur und zu einer höheren

Rissfestigkeit. Infolge von aperiodisch auftretenden losen

Bewehrungen bzw. Armierungen - und somit geplant aperiodisch auftretenden „Sollbruchstellen" - wird gleichzeitig die

Belastungsenergie nicht lokal wirksam, sondern entlang diesen Stellen in das Material abgeleitet, d.h. „delokalisiert". Der Verbundwerkstoff wird so insgesamt robuster gegen

Fehlbelastungen, da sich jede gerichtete Belastungskraft durch die aperiodisch auftretenden Sollbruchstellen in ständig neuen Richtungsänderungen verliert und abschwächt. So kommt es zur Delokalisierung des Schadens von Fehlstellen im Material und damit zur Fehlertoleranz.

Bei der vorliegenden Technik sind alle Verfahren zum Herstellen von textilen Verbundwerkstoffen anwendbar, die in die bettende Matrix des jeweiligen Materials ein- oder mehrlagig aperiodisch gewebte Textilien - und somit nicht ein- oder mehrlagig periodisch gewebte Textilien allein (wie z.B. in Leinwandbindung gewebte Textilien) - in Verbund bringen können. Darüber hinaus kann aber auch eine kombinierte Überlagerung von periodischen und aperiodischen Geweben bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen angewendet werden, um die bisher mit periodisch gewebten

Textilien verbundenen Materialien zu verbessern, ohne dabei ihre bisherigen Grundstrukturen zu verlieren. Diese Verfahren sind bevorzugt bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen, aber auch bei Schichtverbundwerkstoffen anwendbar, wobei die

Komponenten eines Verbundwerkstoffs selbst wieder

Verbundwerkstoffe sein können.

Bei der Herstellung von aperiodisch gewebten Textilien können die rekursiven Verfahren der Induktiven Rotation (IR) gemäß AT 512 060 A angewendet werden, wobei vor allem die Drei-Schritt-IR- Methode für die vorliegende Gewebe-Herstellung von Bedeutung ist. Dabei wird ein Gewebe mit Hilfe einer Computer-gesteuerten

Webmaschine hergestellt, wobei ein Gewebemuster mit einer

quadratischen Grundfigur, die einem Kreuzungspunkt von Fäden entspricht, im Gewebe mehrfach angeordnet wird, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.

Die Computer-Steuerung erfolgt derart, dass an einer

quadratischen Ausgangsfigur , die sich aus mehreren quadratischen Grundfiguren, also mehreren Kreuzungspunkten von Fäden,

zusammensetzt, in einer Seiten-Mitte ein randseitiger

Rotationspunkt festgelegt wird, um den dann drei Kopien dieser Ausgangsfigur sukzessive um 90°, 180° und 270° gedreht und fächerartig hintereinander positioniert werden, um eine

zusammengesetzte Figur zu erhalten, welche dann ihrerseits als Ausgangsfigur für eine entsprechende nachfolgende fächerartige Zusammensetzung ihrer sukzessiv um 90°, 180° und 270° gedrehten Kopien festgelegt wird, um so iterativ beliebig große Figuren aus Kreuzungspunkten von Fäden entsprechend dem Gewebe zu entwickeln, wobei im Gewebe die Fäden einander aperiodisch und asymmetrisch oberhalb und unterhalb kreuzen. Dabei sind die Grundfiguren bei Drehung nicht invariant. Zufolge einer präzisen Überlappung der Figuren erzeugt die Drei-Schritt-IR-Methode gleichzeitig ein zweites, paralleles, verdecktes, aperiodisches und asymmetrisches Gewebemuster, ein Hintergrund-Gewebemuster, das exakt dahinter liegt und unterschiedlich zu dem im Vordergrund sichtbaren

Gewebemuster ist. Das Hintergrund-Gewebemuster kann ergänzend als zweites überlagerndes Gewebe in Verbund gebracht werden und den Verbundwerkstoff dreidimensional erheblich verstärken.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die AT 512 060 A verwiesen.

Ein Faser-Verbundwerkstoff besteht im Allgemeinen aus zwei

Hauptkomponenten: einer bettenden Matrix und verstärkenden

Fasern. Durch gegenseitige Wechselwirkungen der beiden

Komponenten erhält dieser Werkstoff höherwertige Eigenschaften, als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten für sich hat.

Im Unterschied zu Verbundwerkstoffen wie Stahlbeton wird mit der Einführung (extrem) dünner Fasern unter anderem der Effekt einer spezifischen Festigkeit genutzt. Um die Festigkeit in

verschiedene Richtungen zu beeinflussen, werden statt einzelner Fasern Gewebe oder Gelege verwendet, die vor dem Kontakt mit der Matrix hergestellt werden.

Neben Geweben aus Kohlenstoff-, Keramik-, Aramid-, Bor-, Basalt-, Stahl-, Natur- und Nylonfasern sind es vor allem

Glasfasertextilien, die im Verbund mit Kunststoff, aber auch Beton, Metall, Keramik und Kohlenstoff verwendet werden. Bei den Faser-Kunststoff-Verbund-Werkstoffen sind insbesondere

kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) , glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) , aramidfaserverstärkter Kunststoff (AFK) , naturfaserverstärkter Kunststoff (NFK) sowie Wood-Plastic- Composites (WPC) zu nennen.

Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen mit textilen Geweben hat neben den stofflichen Eigenschaften der Komponenten im

Allgemeinen auch deren Geometrie eine Bedeutung (Größe, Form usw.) . Die geometrischen Zusammenhänge hinsichtlich ihrer

periodischen und aperiodischen Strukturordnung blieben aber bisher insbesondere auch in der Netztheorie, eine Entwurfsmethode für Faser-Kunststoff-Verbunde, unberücksichtigt.

Zur ergänzenden Veranschaulichung wird das vorliegende Verfahren nachfolgend exemplarisch in Zusammenhang mit

kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) und textilbewehrtem Beton ( Textilbeton) sowie anhand der Zeichnung noch näher

erläutert. Im einzelnen zeigen dabei in der Zeichnung:

Die Fig. la bis lc schematisch verschiedene Stufen einer 3- Schritt-IR-Methode;

Fig. 2 und Fig. 3 zwecks zusätzlicher Veranschaulichung

schematische Darstellungen ähnlich Fig. lc, jedoch mit variierten Grundfiguren zur Verdeutlichung von verschiedenen Rotationen sowie von einander aperiodisch kreuzenden Linien als schematische Veranschaulichung des jeweiligen Gewebes; die Fig. 4a bis 4e ein Gewebe, das aperiodisch gewebt ist, und zwar in einem schematischen Schnitt (Fig. 4a), in schematischer Draufsicht (Fig. 4b) sowie mit schematischer Darstellung von Grundelementen (Fig. 4c-4e) ; die Fig. 5a und 5b in schematischem Schnitt bzw. schematischer Draufsicht ein periodisches Gewebe; Fig. 5c mehrere Lagen eines solchen periodischen Gewebes gemäß Fig. 5a und 5b; die Fig. 6a bis 6e Darstellungen - ähnlich Fig. 4a bis 4e - eines anderen aperiodischen Gewebes; und die Fig. 7a und 7b in schematischen Schnitt- bzw. in

schematischer Draufsicht ein doppeltes Gewebe, entstanden durch die Überlagerung von Geweben gemäß Fig. 4 und Fig. 6.

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) bezeichnet einen Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff, bei dem Kohlenstofffasern, meist in mehreren Lagen, als Verstärkung in eine Kunststoff- Matrix eingebettet werden.

Die Matrix besteht beispielsweise aus Duromeren, z.B. Epoxidharz, aus Thermoplasten oder aus Biopolymeren. Für thermisch

hochbelastete Bauteile kann die Kohlenstofffaser auch in einer Matrix aus Keramik gebunden werden.

Die Festigkeit eines CFK-Verbundmaterials ist, wie bei allen Faser-Matrix-Verbunden, in Faserrichtung wesentlich höher als quer zur Faserrichtung. Quer zur Faser ist die Festigkeit

geringer als bei einer unverstärkten Matrix. Deshalb werden einzelne Faserlagen in verschiedenen Richtungen verlegt. Um die Festigkeit in verschiedenen Richtungen zu beeinflussen, werden meist gewebte Fasertextilien - bisher in periodischer

Leinwandbindung (s. Fig. 5) - verwendet, die vor dem Kontakt mit der Matrix hergestellt werden und auch überlagert (s. Fig. 5c) in Verbund kommen.

Bei Textilbeton werden technische Textilien, in der Regel Gelege, benutzt. Als Fasermaterial werden Textilien aus

Hochleistungsendlosfasern wie z. B. aus alkaliresistentem Glas oder Carbon betrachtet, die den großen Vorteil haben, nicht zu rosten. Vorgesehen ist nun die Verwendung von textilen Geweben aus Garnen solcher Faserwerkstoffe, die sich wiederum aus vielen Endlosfasern (Filamenten) zusammensetzen und sich zu

gitterartigen aperiodischen Webstrukturen verarbeiten lassen. Aus Überlagerungen von zwei oder mehreren derartigen aperiodischen Textilien im Verbund mit hochfestem Feinbeton in Sandwich-Methode resultiert dreidimensional inhomogener rissfester Textilbeton, der durch die Delokalisierung des Schadens bedeutend robuster gegen Fehlbelastungen und Fehlstellen im Feinbeton ist als herkömmlicher Textilbeton.

Bei der vorliegenden Technik werden mittels Computergesteuerter Textilmaschinen nach der Drei-Schritt-IR-Methode aperiodisch gewebte Fasertextilien verwendet. Durch mehrfache Überlagerung derartiger Textilgewebe kommt es im Verbund dreidimensional in allen Richtungen zu einer aperiodischen Faserverstärkung bzw. Materialbewehrung. Durch diese aperiodische Armierung wird eine höhere Rissfestigkeit des Verbundwerkstoffes erreicht, und vor allem ist durch die Delokalisierung des Schadens eine größere Toleranz gegenüber Fehlbelastungen gegeben. Dies hilft gerade für die Herstellung von Hochleistungskonstruktionsbauteilen und kann die meist sehr aufwendigen Behandlungen und Beschichtungen der Fasern, um diese Festigkeit zu erreichen, ersparen.

Da bei der Drei-Schritt-IR-Methode unterschiedliche

Ausgangsfiguren (= Prototiles) unterschiedliche Aperiodizitäten der textilen Bindung zur Folge haben, können so die

Herstellungsart und die Geometrie der Textilien entsprechend der verwendeten Ausgangsfigur variiert und maßgeschneidert für verschiedenste Anwendungen bereitgestellt werden.

Die grundsätzliche Vorgangsweise bei der Drei-Schritt-IR-Methode wird vorab anhand der Fig. 1 bis 3 beispielhaft allgemein erläutert, wobei exemplarisch die Ausgangsfiguren jeder Iteration im Uhrzeigersinn gedreht werden und der zentrale östlichste, d.h. am weitesten rechte Punkt der Ausgangsfiguren, als Rotationspunkt festgelegt wird.

In Fig la ist eine quadratische Grundfigur Q dargestellt, die sich aus mehreren quadratischen Grundfiguren, also mehreren

Kreuzungspunkten von Fäden, zusammensetzt. Diese Grundfigur Q wird gemäß Fig. lb in aufeinanderfolgenden Schritten kopiert und um die Grundfigur-Position verdreht, vgl. die Schritte

R(0), R O), R3^X(0), (0)/ R^,v,(0) = Rl . Die so erhaltene komplexere Figur R(l) kann in entsprechender Weise durch Kopieren und Rotieren zu einer noch komplizierteren Figur umgewandelt werden, vgl. die Schritte bzw. Iterationen der Rekursion Q, R(l), R (2) , R (3) in Fig. lc.

In den Figuren 2 und 3 sind der Fig. lc entsprechende

Gewebestruktur-Darstellungen, zur besseren Veranschaulichung einerseits mit unterschiedlichen Pfeilen sowie andererseits in Form von Fadenkreuzungspunkten, veranschaulicht.

Fig. 2 ist eine Darstellung ähnlich Fig. lc, wobei die

Ausgangsfigur Q für die Drei-Schritt-IR-Methode in mit

unterschiedlichen Pfeilen angegebene Teile unterteilt ist, um so das erzielbare Muster - auch im Hinblick auf die Asymmetrie und Aperiodizität beim vorliegenden Webverfahren - besser zu

veranschaulichen .

Fig. 3 ist ebenfalls eine Darstellung ähnlich Fig. lc, wobei hier die Herstellung eines aperiodischen Gewebes, wie in Fig. 4a und 4b dargestellt, veranschaulicht wird; dabei ist die Ausgangsfigur Q für die Gewebeherstellung nach der Drei-Schritt-IR-Methode aus einem Satz von Vier-Webknoten entsprechend vier Webfaden- Kreuzungspunkten gebildet; vgl. auch Fig. 4c, 4d, 4e. Es entsteht ein Netz von Linien (dunkle Linien entsprechen Fäden) , die einander aperiodisch unterhalb bzw. oberhalb queren; vgl. Fig. 4b.

Aperiodische Unterschiede in der Web-Dichte führen zu

entsprechenden aperiodischen Textilkonzentrationen.

Von der Staatlichen Versuchsanstalt für Textil und Informatik, Wien, wurde die Prüfung eines gemäß der Drei-Schritt-IR-Methode mittels einer Computer-gesteuerten Jacquard Webmaschine

aperiodisch gewebten Textils nach EN ISO Normen durchgeführt, s. nachfolgendes Prüfprotokoll (Tabelle) . In der Tabelle ist dieses aperiodisch gewebte Textil, das die wie in Fig. 6b dargestellte Webstruktur aufweist, als „IR Prototyp" bezeichnet. Unter

exemplarischer Verwendung von „Tencel" Viskose-Spinnfasern wurde im Vergleich zu periodischen Geweben wie mit Krepp- und

Köperbindungen derselben Kett- und Schussdichte eine höhere

Weiterreissfestigkeit sowohl in Kett- als auch in Schussrichtung festgestellt. Darüberhinaus wies diese Prüfung aufgrund der aperiodisch auftretenden losen Webdichten, wie zu erwarten, eine eklatant höhere Luftdurchlässigkeit aus. Dabei blieb die

HöchstZugkraft in Kettrichtung gleich bzw. erhöhte sie sich sogar in Schussrichtung geringfügig.

Quelle: Staatliche Versuchsanstalt für Textil und Informatik, Wien, 9.1.2014

Im Verbundwerkstoff ist somit eine höhere Rissfestigkeit und gleichzeitig eine höhere Fehlertoleranz vor allem infolge der aperiodisch eingewebten Sollbruchstellen (Delokalisierung der Belastungskraft bzw. Verteilung des Schadens auf das Material insgesamt) zu erwarten.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines aperiodischen Gewebes, erhalten auf der Basis der

Konfiguration gemäß Fig. 3; dabei ist in Fig. 4a ein

schematischer Querschnitt durch dieses aperiodische Textilgewebe und in Fig. 4b eine schematische Draufsicht auf dieses Gewebe gezeigt. Die Fig. 4c, 4d und 4e veranschaulichen schematisch die entsprechenden quadratischen Einheiten dieses aperiodischen Gewebes .

Wie aus Fig. 4a und 4b ersichtlich ist, sind Textilfasern 1, nämlich Kettfäden 2 sowie Schussfäden 3, in eine einbettende Matrix 4 eingebettet, wodurch ein Verbundwerkstoff 5 erhalten ist . Die Aperiodizität des so erhaltenen Verbundwerkstoffs 5 gemäß Fig. 4a und 4b ergibt sich unmittelbar bei einem Vergleich mit dem periodischen Gewebe gemäß Fig. 5a und 5b, in den immer abwechselnd ein jeweiliger Kett- bzw. Schussfaden einen Schuss bzw. Kettfaden oberhalb und unterhalb kreuzt. Auch in Fig. 5a und 5b sind in dem gezeigten - periodischen - Gewebe die Textilfasern 1, nämlich Kettfäden 2 und Schussfäden 3, in eine Matrix 4 eingebettet, um so einen entsprechenden Verbundwerkstoff 5 zu erhalten .

Mehrere derartige Gewebelagen können räumlich übereinander angeordnet werden, um so durch diese Überlagerung einen textilen Verbundwerkstoff 5 in 3D-Format zu erhalten, s. Fig. 5c, wo die einzelnen - hier periodischen, regelmäßigen -Gewebelagen in eine Matrix 4 eingebettet sind.

Durch einen Vergleich der Fig. 4b (auch Fig. 4a) mit der Fig. 5b (oder Fig. 5a) ergibt sich unmittelbar der Unterschied zwischen einer aperiodischen Gewebestruktur (Fig. 4) und einer

periodischen Struktur (Fig. 5) .

In Fig. 6a und 6b ist in entsprechenden Ansichten (schematische Schnittansicht bzw. schematische Draufsicht) analog wie gemäß in Fig. 4a und 4b eine weitere aperiodische Gewebestruktur

veranschaulicht, die durch andere Ausgangsfiguren, wie in Fig. 6c, 6d und 6e gezeigt, generiert wurde.

In Fig. 7a und 7b ist schließlich ein textiler Verbundwerkstoff 5^λ veranschaulicht, der durch Überlagerung von zwei

unterschiedlich aperiodisch gewebten Textilien, nämlich wie in Fig. 4 und 6 gezeigt, gebildet ist. Die beiden Gewebelagen sind dabei mit A bzw. B bezeichnet, wobei jeweils wiederum eine einbettende Matrix 4 für die Einbettung von Kettfäden 2 und Schussfäden 3 gegeben sind.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von textilen Verbundwerkstoffen, wobei textiles Material in eine Matrix (4) eingebettet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in die Matrix (4) ein

technisches Textilmaterial mit aperiodischer Gewebestruktur ein- oder mehrlagig in Verbund gebracht wird, wobei das Textilmaterial nach der Methode der Induktiven Rotation (IR) hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass technische Textilien, die eine Kombination von periodischen und aperiodischen Gewebestrukturen aufweisen, in die

bettende Matrix (4) mehrlagig in Verbund gebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination von technischen Textilien (A, B) , die je eine aperiodische Gewebestruktur aufweisen, in die bettende Matrix (4) mehrlagig in Verbund gebracht wird.

4. Textiler Verbundwerkstoff mit in einer Matrix (4)

eingebettetem textilen Material, dadurch gekennzeichnet, dass in die Matrix (4) ein technisches Textilmaterial mit aperiodischer Gewebestruktur ein- oder mehrlagig in Verbund gebracht ist, wobei das Textil-Material nach der Methode der Induktiven Rotation (IR) hergestellt ist.

5. Textiler Verbundwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass technische Textilien, die eine

Kombination von periodischen und aperiodischen

Gewebestrukturen aufweisen, in die bettende Matrix (4) mehrlagig in Verbund gebracht sind.

6. Textiler Verbundwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass technische Textilien (A, B) , die je eine aperiodische Gewebestruktur aufweisen, in die bettende Matrix (4) mehrlagig in Verbund gebracht sind.

7. Verwendung eines technischen Textilmaterials mit

aperiodischer Gewebestruktur, hergestellt mittels Computergesteuerter Methode der Induktiven Rotation, zum Einbetten in einer Matrix (4), zur Herstellung eines textilen

Verbundwerkstoffs .