DE2941671A1

DE2941671A1 - Faserverstaerkter harzverbundkoerper und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2941671A1
Application number: DE19792941671
Authority: DE
Inventors: Richard Harold Ackley; Earl Perlee Carley
Original assignee: PPG Industries Inc
Current assignee: PPG Industries Inc
Priority date: 1979-02-01
Filing date: 1979-10-15
Publication date: 1980-08-14
Also published as: FR2447798A1; US4220496A; GB2041323B; JPS55103926A; CA1121705A; IT7922926A0; BE877008A; FR2447798B1; ES480811A1; GB2041323A; BR7906941A; IT1165075B; NL7903811A

Description

Diese Erfindung betrifft faserverstärkte Harzverbundkörper und Verfahren zu ihrer Herstellung.

Die Verstärkung von Kunststoffkörpern mit faserförtnigen Materialien, wie Glasfasern, ist bekannt. Die Verfahren zur Verstärkung von Harzen mit Fasern schwanken von der Verwendung von kurzen Fasern von einer Länge von etwa 3,2 mm für Spritzgussmassen bis zur Verwendung von gewebten Fasermatten in Kombination mit Harzen zur Herstellung von Laminaten. Andere Verbundkörper hat man dadurch hergestellt, dass man mit Harz imprägnierte Fasern auf einer Spindel oder einem Dorn aufwickelte.

In der US-PS 36 69 638 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem statistisch orientierte Glasfasermatten aus Glasfasern hergestellt werden, wobei die Fasern im Stapel geschnitten und mit Harz kombiniert worden sind. Diese Kombination erfolgt bevorzugt, indem man auf die herunterfallenden Fasern den Hat. .r>der sprüht. Es wird hier auch die Herstellung von Matten beschrie ben, wobei kontinuierliche Fäden auf einem Förderband abgelegt werden. Diese kontinuierlichen Fäden können mit dem Harz vor oder nach dem Ablegen besprüht werden. In den Abbildungen 6 und 7 werden Aus fUhrungs formen erläutert, bei denen kontinuierliche Spinnfäden verwendet werden.

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In der US-PS 38 73 291 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem Glasfaden kontinuierlich auf einer rotierenden Trommel aufgespult und nach dem Aufspulen mit einer Binderlösung besprüht werden, um Glasfasermatten herzustellen.

Aus der US-PS 30 44 146 sind Kombinationen von verwirbelten Einzelfasern oder sich quer erstreckenden kontinuierlichen Fasern mit kurzen Stapelfasern und Harz für die Herstellung von verformbaren Verbundkörpern bekannt.

In dem Aufsatz von Frank Ives und Louis A. Bacon "Chop-Hoop Filament Winding¹¹ von der 31. Annual Technical Conference, 1976 Reinforced Plastics/ Composites Institute The Society of the Plastics Industry, Inc. Section 23-A, Seiten 1 bis 4, wird ein Verfahren beschrieben, das eine Kombination von Reifenspulen (hoop winding) und Schiessen von Stapelfasern (chopped strands gunning) ist. Bei diesem Verfahren wird das Reifenspulen der Spinnfäden mit einem Schiessen von Stapelfasern und Harz auf die Oberfläche der Trommel unmittelbar vor dem Bedecken einer Fläche mit dem Reifenfaden durchgeführt.

Alle diese Systeme ergeben nützliche Produkte. Es bestehen aber Schwierigkeiten hinsichtlich der Herstellung von Materialien von hoher Festigkeit. Mit den geschilderten Verfahren ist es schwierig, eine gute Bindung der Fasern, insbesondere der Glasfasern, mit

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dem Harz bei hohen Faserkonzentrationen zu erreichen. Bei hohen Konzentrationen von Glasfasern entstehen ohne eine gute Benetzung Ablösungsfehler, wodurch nur Produkte von niedriger Festigkeit gebildet werden. Eine weitere Schwierigkeit mit diesen Produkten be- · steht darin, dass die Festigkeit des Materials wegen der ungleichmässigen Verteilung des Harzes nicht gleichförmig ist. Das Auftragen des Harzes auf die Stapelfaser in einer Pistole führt zu einer ungleichförmigen Beschichtung, da die Pistole eher kugelförmige Gebilde von Harz und Fasern statt einen kontinuierlichen Überzug ergibt. Eine andere Schwierigkeit mit der Stapel-Reifenmethode besteht darin, dass die gesamte Harzmenge mit den Stapelfasern zugegeben werden muss und dass dadurch eine ausreichende Benetzung der aufgespulten Spinnfäden nicht stattfindet. Es besteht deshalb der Wunsch nach einem faserverstärkten Verbundkörper von hoher Festigkeit, der verbesserte physikalische Eigenschaften, insbesondere in Querrichtung hat und in geheizten Pressformen verformbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen verbesserten faserverstärkten Harzverbundkörper, der insbesondere in Querrichtung bessere physikalische Eigenschaften hat, und ein Verfahren zu seiner Herstellung zur Verfügung zu stellen.

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Diese Aufgabe v/ird erfindungsgemäss gelöst durch einen faserverstärkten Harzverbundkörper, der gekennzeichnet ist durch spiralförmig aufgespulte Spinnfäden und eine Schicht von Stapelfasern, die die Schichten der spiralförmig aufgespulten Spinnfäden trennt.

Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Harzverbundkörpers, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man eine abgemessene Menge an Harz auf eine Gruppe von kontinuierlichen Spinnfäden aufbringt, die kontinuierlichen Spinnfäden in einem spiralförmigen Muster auf einer Spindel auf spult und gleichzeitig mit dem Aufspulen der Spinnfäden auf der Spindel Stapelfasern auf einer Fläche, unmittel bar bevor diese Fläche von den kontinuierlichen Spinnfäden bedeckt wird, aufträgt.

Bei einer bevorzugten Form der Erfindung werden die Spinn fäden Formpackungen entnommen und in einer solchen Menge verwendet, dass sie etwa 50 Gew% des Verbundkörpers ausmachen, wobei der Rest des Verbundkörpers bevorzugt aus 25 Gew% Glasstapelfasern und etwa 25 Gew% Harz besteht. Das Harz wird in sorgfältiger Weise zudosiert, indem die Spinnfäden durch ein Harzbad geführt werden und dann in einer öffnung oder öse von enger Toleranz das überschüssige Harz abgestreift wird, bevor die Spinnfäden in Spiralform auf einer Spindel oder einer Trommel aufgespult werden. Bei den bevorzugten

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Verbundkörpern mit den besten mechanischen Eigenschaften liegt der Steigungswinkel (helx winding angle) beim Aufspulen zwischen 71 und 89,89 °.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher beschrieben.

Figur 1 zeigt eine schematische und perspektivische Ansicht der Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens.

Figur 2 ist eine Teilansicht der Vorrichtung, die das Ablegen der Faser und die Relation zwischen der Schneideinrichtung zur Erzeugung der Stapelfasern und der Spulmaschine für die kontinuierlichen Fäden zeigt.

Bei der weiteren Erläuterung wird auf die Figuren 1 und 2 Bezug genommen.

Unter Bezugnahme auf Figur 1 ist ein Spu_ .gestell 12 vorgesehen, das Formpackungen 14 enthält, so dass die Fäden von den Glas faser formpackungen über die Ösen 15 abgezogen werden können. Es wird eine keramische öse fUr die Abführung des Fadens aus jeder Formpackung aus dem Gestell verwendet. Die Enden der Spinnfäden aus den

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Formpackungen 14 werden durch die Austrittsplatte 25 ohne Zwirnen und mit einem minimalen Abrieb der Spinnfäden geführt. Von der Austrittsplatte gehen die Spinnfäden zu einer Führungsschiene 31 und von dort in ein Bad 32, das sich in einem Behälter 33 befindet. In der Führungsschiene sind für den Durchgang der Fäden keramische Zuführungsöffnungen 35 vorgesehen. In dem Harzbad werden die Spinnfäden durch einen Stab 36 unterhalb der Oberfläche des Bades gehalten. Die Austrittsöffnungen 34 des Behälters sind auf eine enge Toleranz eingestellt, um eine vorherbestimmte Menge von Harz auf jedem der Spinnfäden zu belassen. Durch Verwendung von einzelnen Spinnfäden aus den Formpakkungen, die vor dem Eintritt in das Harzbad nicht vereinigt werden, wird eine bessere Benetzung und eine genauere Dosierung der Harzbeschlchtung erreicht. Der Harzstand in dem Bad wird durch nicht gezeigte Einrichtungen kontrolliert, durch die aus der Harzquelle 72 Harz in dem Mass, wie es verbraucht wird, zugeführt wird. Nachdem die mit dem nicht ausgehärteten Harz beschichteten Spinnfäden das Bad verlassen haben, werden sie einer Aufspuleinrichtung zugeführt, die allgemein mit 52 bezeichnet wird. Die Spinnfäden werden zu einem Querschlitten 55 geführt, auf dem eine Führungsplatte 51 und eine Verteilerplatte 57 befestigt sind, die ösen in bestimmtem Abstand und von bestimmtem Durchmesser besitzen. Die Durchmesser und die Abstände der ösen auf der Verteilerplatte 57 des Querschlittens 55 sind wichtig, um sicherzustellen, dass die Spinnfäden durch die

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Ösen oder Öffnungen nicht abgerieben werden und dass die Spinnfäden den richtigen Abstand haben, so dass die Einrichtung zum spiralförmigen (helical) Aufspulen die Spinnfäden in aufeinanderfolgenden Schichten genau in die Zwischenräume der vorher aufgespulten Schichten . legt. Die Drehgeschwindigkeit der Trommel 54 wird durch die Spulkontrolleinrichtung 53 gesteuert. Durch Veränderung der Einstellung der Maschine können verschiedene Variationen des Schraubenwinkels durchgeführt werden.

Für die Stapelfasern werden Spinnfäden 19 von einer Quelle oder einem Vorrat entnommen, der allgemein mit 22 bezeichnet wird und ein Gestell 23 enthält, in dem eine Vielzahl von Formpackungen 14 mit Ösen 15 angeordnet sind. Aus dem Gestell werden die Spinnfäden über die Ösen durch keramische Führungen in der Austrittsplatte 26 über Ösen 67 in der Führungsplatte 64 zu der Schneidvorrichtung 56 geführt, von wo aus sie unmittelbar unter die mit Harz imprägnierten kontinuierlichen Spinnfäden so aufgebracht werden, dass sie unmittelbar danach bei dem Aufwinden der kontinuierlichen Spinnfäden auf der Spindel von diesen bedeckt werden. Die Schneidvorrichtung wird mit Druckluft betrieben, die durch den Schlauch 65 zugeführt wird. Die Schneidvorrichtung ist so eingestellt, dass ihr Ausstoss in den Bereich der aufgewundenen Spinnfäden durch Einstel-

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lung am Anschluss (joint) 63 erfolgt.

Die Verbundkörper aus Stapelfasern und spiralförmig aufgespulten Spinnfäden eignen sich für die Verarbeitung in verschiedene Formkörper durch Verwendung von geheizten Metallformen oder hydraulischen Pressen. Man kann aber auch einen aufblasbaren oder erweiterbaren Kern als Spindel zum spiralförmigen Aufspulen der kontinuierlichen Spinnfäden und zum Aufbringen der Stapelfasern verwenden und kann solche Verbundkörper direkt auf dem Kern aushärten. Die aus den Verbundkörpern nach der Erfindung hergestellten ausgehärteten Formkörper zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit und eine geringe Dichte aus, so dass sie als Bauteile für die Kraftfahrzeugindustrie von Interesse sind.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden folgende Definitionen gegeben:

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Spindel

Die Form, um die die Spinnfäden aufgewickelt werden.

Band oder Streifen

Parallele Spinnfäden beim Aufspulen auf der Spindel. Breite des Bandes oder Streifen

Die senkrecht zur Richtung des Bandes gemessene Weite. Umlauf

Ein vollständiger Zyklus der Bewegung des Schlittens.

Muster

Ein vollständiges Muster ist entstanden, wenn ein Band von Spinnfäden in Nachbarschaft zu einem vorher aufgespulten Band liegt. Wenn das Band nach einem Zyklus des Schlittens in Nachbarschaft kommt, ±^z ein Umlauf pro Muster vorhanden. Wenn zwei Zyklen des Schlittens erforderlich sind, bevor das Band in Nachbarschaft zu einem vorher aufgespulten Band liegt, sind zwei Umläufe pro Muster vorhanden. T : C ist das Verhältnis von "Spindelumdrehungen für die Vervollständigung eines Musters" zu "Querumläufen zur Vervollständigung eines Musters".

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Schicht

Ein Bedecken der Spindel in beiden Querrichtungen durch das Band oder den Streifen. Im Falle eines festen Streifens würde eine Schicht die Spindel vollständig bedecken, wogegen im Falle eines offenen Streifens mit Abständen zwischen den Spinnfäden eine Spindel die Schicht nicht vollständig bedecken würde, da zwischen den Spinnfäden unbedeckte Flächen sind.

Ein vollständiges Bedecken der Spindel mit keinen unbedeckten Flächen. Im Falle eines festen Bandes oder Streifens ist eine Schicht gleich einer Lage. Ein offenes Band erfordert mehr als eine Schicht, um eine Lage zu erhalten und die Anzahl der erforderlichen Lagen hängt von den Abständen zwischen den Spinnfäden und der Breite des Spinnfadens ab.

Kreuzungen (crossovers)

Kreuzungen rufen ein Verweben der Fäden beim Aufspulen auf der sich drehenden Spindel hervor. Das Verweben wird durch die Anzahl der Kreuzungen erhöht. Kreuzungen können erreicht werden, indem ein Band mit Abständen zwischen den parallelen Spinnfäden aufgespult wird. Kreuzungen von festen Bändern werden erhalten,

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indem die Anzahl der Umläufe zur Vervollständigung eines Musters erhöht wird, das heisst durch Erhöhung von C in dem Verhältnis von T : C.

Steigungswinkel = o£ =

Der eingeschlossene spitze Winkel, der durch den Schnitt des Bandes auf dem Körper der Spindel mit einer Linie auf dem Körper der Spindel parallel zu der Längsachse der Spindel gebildet wird.

Spulwinkel = > =

Der eingeschlossene spitze Winkel, der gebildet wird durch den Schnitt des Bandes auf dem Körper der Spindel mit einer Linie auf dem Körper der Spindel senkrecht zu der Längsachse der Spindel.

Bei der vorliegenden Erfindung kann eine Vielzahl von Harzen und Fasern verwendet werden, um Produkte mit verschiedenen Eigenschaften zu erhalten. Unter den Variablen, die das Verfahren und den Verbundkörper gemäss der Erfindung beeinflussen, sind der Fasergehalt des Verbundkörpers, der Steigungswinkel, der Spulwinkel, das Verhältnis von kontinuierlichen Fäden zu aufgewirbelten Fäden und zu Harz, die Harzzusammensetzung und der Abstand zwischen den Spindeln.

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Als Fasermaterial kann ein beliebiges Material verwendet werden, das dem Verbundkörper eine hohe Festigkeit verleiht und die erforderliche Integrität für das Spulverfahren besitzt. Typische Fasern, die verwendet werden können, sind solche aus Polyimid, Polyester, Polyamid sowie natürliche Fasern und Metallfasern. Geeignet sind auch Fasern aus Polyaramid (KEVLAR ^R DUPONT). Bevorzugte Fasern sind Spinnfäden aus Glas (glass fiber strands) und KohlenstoffSpinnfäden (carbon Strands), da diese Materialien hohe Festigkeitseigenschaften besitzen und für das Verwirbeln und das Aufspulen gemeinsam mit Harzen geeignet sind. Besonders bevorzugt sind Glasspinnfäden von Formpackungen, da solche Fäden durch das Harz besonders gut benetzt werden, nicht leicht auf fasern und eine gute Bindung zum Harz ergeben.

Als Harz kann bei der Erfindung ein beliebiges Harz verwendet werden, das die notwendige Haftung an den Fäden und die erforderliche Festigkeit für den Verbundkörper besitzt. Geeignete typische Harze sind Polyolefine, Polyaramide, Novolake und Polystyrole. Weitere geeignete Harze sind Vinylester-Epoxyharze, Polyurethane und Polyester. Geeignete durch Wärme härtbare Polyesterharze sind zum Beispiel beschrieben in den US-PSS 37 72 241, 37 01 748 und 38 40 618. Bevorzugte Harze sind durch Wärme härtbare Polyesterharze, da diese dem Verbundkörper eine hohe Festigkeit verleihen und eine ausreichende Lagerbeständigkeit haben, bevor der Verbundkörper durch Anwendung von Wärme und Druck geformt und ge-

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härtet wird. Auch andere Harze, die eine gute Lagerbeständigkeit besitzen, und bei der Anwendung von Wärme und Druck ohne Abbau aushärten, sind gut brauchbar.

Das Verhältnis von spiralförmig kontinuierlich aufgespulten Spinnfäden, aufgewirbelten Spinnfäden und Harz kann beliebig geändert werden, solange ein verformbarer Verbundkörper mit befriedigenden Eigenschaften erhalten wird. Die Menge der kontinuierlichen Spinnfäden liegt meist zwischen etwa 79 und 20 Gew%, wobei 45 bis 60 Gew% für Verbundkörper höchster Festigkeit bevorzugt sind. Die

Menge des verwirbelten Spinnfadens in dem Verbundkörper liegt in der Regel zwischen 1 und 60 Gew% mit einem be vorzugten Bereich zwischen 20 und 40 Gew% zur Erzielug einer besonders guten Querfestigkeit zu der Richtung des Aufspulens des kontinuierlichen Spinnfadens. Das Harz kommt in den Verbundkörper in der Regel in einer Menge zwischen 50 und 15 Gew%, bevorzugt für eine besonders gute Benetzung und optimale physikalische Eigenschaften zwischen 20 und 35 Gew% vor.

Der Steigungswinkel für das Aufspulen aus der Spindel kann so ausgewählt werden, dass der Verbundkörper die gewünschten Eigenschaften hat und ein Minimum an Abfall entsteht. Typische Steigungswinkel können so klein wie 45 ° oder so gross wie 89,9 ° sein. Ein bevorzugter Bereich liegt zwischen 71 und 89,89 °, wobei ein Minimum an Abfall erzielt wird und ein besonders

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bevorzugter Bereich zwischen 82,5 und 87,5 °, wobei Verbundkörper mit sehr hohen Festigkeitseigenschaften und guter Verformbarkeit erhalten werden. Der optimale Steigungswinkel liegt bei etwa 85 ° für die Herstellung von Formkörpern von komplexer Gestalt und optimaler Festigkeit. Ein optimaler Verbundkörper nach der Erfindung enthält etwa 50 Gew% aufgespulten kontinuierlichen Spinnfaden, 25 Gew% aufgewirbelte Fasern und 25 Gew% einer Harzmatrix, wobei der kontinuierliche Spinnfaden unter einem Steigungswinkel von etwa 85 ° aufgewickelt ist. Ein solcher bevorzugter Verbundkörper besitzt eine hohe Festigkeit in Richtung der primären Verstärkung und eine ausreichende Festigkeit quer zu der primären Verstärkung.

Zur Imprägnierung des kontinuierlichen Spinnfadens kann ein beliebiges Verfahren verwendet werden, das eine genaue Kontrolle der aufgenommenen Harzmenge und eine gute Benetzung des kontinuierlichen Spinnfadens ermöglicht. Ein bevorzugtes Verfahren ist in den Abbildungen erläutert. Die kontinuierlichen Spinnfäden werden durch ein Harzbad geführt und werden dann durch Düsen oder Öffnungen mit einer engen möglichen Abweichung gezogen. Die bevorzugten Düsen sind solche, wie sie für das Aufziehen von Drähten verwendet werden. Diese Arbeitsweise ermöglicht die Regelung des Harzgehaltes auf der Faser mit einer Abweichung von plus

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oder minus 2 % ^arz, bevorzugt plus oder minus 1 % Harz auf das Gewicht der Verstärkung. Bei Verwendung der bevorzugten Glasseidenspinnfäden aus Formpackungen werden in der Regel zwischen 1 und 15 Fäden durch jede Öffnung gezogen. Der bevorzugte Glasseidenspinnfaden' ist der Faden "K-37,5" aus Formpackungen, wobei 5 dieser Spinnfäden durch jede Düse oder Öffnung des Bades geführt werden. Die Spinnfäden können auch durch andere Verfahren mit dem Harz beschichtet werden, wenn die erforderliche Genauigkeit in der Auftragung des Harzes eingehalten werden kann oder wenn das zu erzeugende besondere Produkt keine gleichförmige Beschichtung des Spinnfadens, wie bei den bevorzugten Verbundkörpern nach der Erfindung, verlangt. Typische andere Uberzugsverfahren sehen vor, dass die Spinnfäden durch ein Harzbad geführt werden und dass das überschüssige Harz durch einen Gummiquetscher oder eine Walze entfernt wird. Eine andere Möglichkeit zum Aufbringen des Harzes besteht in dem Aufsprühen des Harzes auf die Spinnfäden. Die Viskosität des Harzes liegt bevorzugt zwischen 400 und 1200 Centipoise, um eine gute Aufnahme des Harzes aus dem Bad durch die Spinnfäden zu gewährleisten. Durch das spiralförmige Aufspulen kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl von Schichten hergestellt werden. Bevorzugt ist die Herstellung von drei Lagen des aifgespulten Materials, da hierdurch Verbundkörper von hoher Stärke entstehen, die für Formkörper mit einer Dicke von etwa 3,2 mm

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geeignet sind, wie sie im Automobilbau erwünscht sind. Für dickere Teile können einige Verbundplatten bei der Verformung kombiniert werden.

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Die Stapelfasern können durch beliebige bekannte Schneideinrichtungen geschnitten werden, die in der Lage sind, Stapel von der gewünschten Länge zu schneiden und sie auf die Spindel in einem genügend engen Strom zu projizieren, dass sie unter den kontinuierlichen Spinnfäden beim Auftragen auf die Spindel konzentriert beziehungsweise dort erfasst werden. Die bevorzugten Fasern für die Herstellung der Stapelfasern sind solche von "K-37,5" Formpackungen. Sie behalten beim Schneiden ihre Integrität, fasern nicht auf und werden vor allen Dingen durch das von den kontinuierlichen Spinnfäden mitgeführte Harz leicht benetzt. In der Regel werden Stapel von einer Länge von etwa 1,3 bis 5,1 cm verwendet, wobei Stapel von einer Länge von 1,9 bis 3,2 cm bevorzugt sind. Für Produkte, die auf der Spindel gehärtet und aufge schnitten werden, können längere Stapelfasern geeignet sein, da in diesem Fall das Problem der Fllessbarkeit in der Form nicht auftritt. '

Die Aufspuleinrichtung zur Erzeugung einer spiralförmigen Aufspulung (helical winding) kann eine handelsübliche Einrichtung sein. Ein Beispiel dafür ist der McClean-Anderson W-2 Fadenaufspuler, der bei einer Geschwindigkeit von etwa 152 ra / min der Spindeloberfläche betrieben wird bei einem Spindeldurchmesser von etwa 89 cm. Es können jecjyglj) ^ijoji/^ng^i^ handelsübliche

Spuleinrichtungen ähnlicher Art verwendet werden. Diese Spuleinrichtungen besitzen verschiedene Getriebesätze oder elektrische Kontrolleinrichtungen, die so reguliert werden können, dass die gewünschten Schraubenwinkel und die gewünschten kontinuierlichen-Ablagemuster erhalten werden. Der Abstand zwischen den Spinnfäden wird durch die Verteilerplatte kontrolliert, die auf dem Querschlitten montiert ist. Der Abstand zwischen den kontinuierlichen Spinnfäden wird insbesondere sorgfältig durch die Öffnungen in der Verteilerplatte geregelt. Zur Herstellung einer einzigen Lage werden bevorzugt drei Schichten verwendet. Durch feine Einstellung des Steigungswinkels gelingt es, die kontinuierlichen Spinnfäden der zweiten und der dritten Schicht in die Zwischenräume der Spinnfäden der ersten Schicht abzulegen. Dadurch wird ein so dünner Verbundkörper, wie nur möglich, erzeugt, der keine offenen Stellen hat und viele Kreuzungen für die Übertragung der Beanspruchungen besitzt. Um diese gewünschte Einlagerung der kontinuierlichen Spinnfäden zu erreichen, ist es erforderlich, dass der Abstand z.. -hen den Bändern mit dem Abstand zwischen den kontinuierlichen Spinnfäden gleich ist. Die Verfahren und die Einrichtungen für das spiralförmige Aufspulen von kontinuierlichen Spinnfäden sind in der Technik bekannt. Es wurde jedoch gefunden, dass das bevorzugte Verfahren der vorliegenden Erfindung, bei dem aufeinanderfolgende Schichten so aufgespult werden, dass die Spinnfäden der zweiten Schicht genau zwischen die Spinnfäden der ersten Schicht

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und die Spinnfäden der dritten Schicht genau zwischen die Spinnfäden der zweiten und der ersten Schicht, neu ist und dass dabei Verbundkörper von maximaler Festigkeit erhalten werden.

Ein derartiges Aufspulen der Spinnfäden führt zu einer maximalen Anzahl an Kreuzungen zwischen den Spinnfäden. Derartige Kreuzungen erhöhen die Festigkeit des Verbundkörpers nach der Erfindung.

In dem folgenden Beispiel wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung noch näher erläutert. Die Angaben über Teile und Prozentsätze sind Gewichtsangaben, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.

Beispiel

Ein Spulengestell mit 60 Formpackungen von "K-37,5" kontinuierlichen Glasseidenspinnfäden ist so angeordnet, dass 5 der kontinuierlichen Spinnfäden durch jeweils 12 Öffnungen durch ein Bad eines Überzugsharzes gezogen werden. Das Bad enthält "PPG 50335" Harz, bei dem es sich um einen in der Wärme härtbaren Isophthalsäurepolyester handelt. Die kontinuierlichen Spinnfäden werden aus dem Bad durch öffnungen mit engen Toleranzen herausgeführt, so dass sie etwa 50 % Harz, bezogen auf das eintretende Spinnfadengewicht, aufnehmen.

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Eine Gruppe von drei Formpackungen ist auf einem Spulengestell angeordnet und wird einer Hackpistole zugeführt, aus der die Hackklingen entfernt worden sind. Die Zuführgeschwindigkeit durch die modifizierte Hackpistole erfolgt mit einer Geschwindigkeit, die der Hälfte des Glasgewichtes der durch das Bad gezogenen Fäden entspricht. Durch die Hackpistole werden die Spinnfäden gestaucht und in Wirbeln auf die Spindel projiziert. Die Öffnung mit enger Toleranz hat einen Durchmesser von etwa 0,094 cm und besitzt einen Drahtziehstein. Die Aufspuleinrichtung ist ein McClean-Anderson W-2 Aufspuler mit einer Spindel mit einem Durchmesser von 78,74 cm (31 inches) und einer Umfangsgeschwindigkeit von etwa 91,4 m (300 fpm). Die Spindel ist bedeckt mit einer Folie aus einem Polyvinylchloridfilm, der das Ablösen erleichtert und als Bedeckung bei der Lagerung dient. Die Aufspuleinrichtung ist so programmiert, dass sie ein Blatt von einer Breite von etwa 122 cm (48 inches) auf der Spindel oder der Trommel erzeugt. Der Quermechanismus der Spulmaschine ist mit einer Verteilerplatte ausgerüstet, die im Mittelpunkt zwischen den kontinuierlichen Spinnfäden, die der Spindel zugeführt werden, einen Abstand von 0,33 cm hat. Dieses führt zu einem Abstand zwischen den Spinnfäden von etwa 0,20 cm. Die Spulmaschine ist so programmiert, dass sie einen Abstand zwischen den Streifen von etwa 0,20 cm lässt. Das Harzbad wird bei einer Temperatur zwischen 26,7 und 29,4⁰C gehalten. Die Spulmaschine wird bei einem Steigungswinkel von etwa 85 ° betrieben. 030033/0518

Die auf dem Querschlitten angeordnete Verteilerplatte ist in einer solchen Position montiert, dass die kontinuierlichen Spinnfäden mit geringer Abweichung von der Verteilerplatte direkt auf die Oberseite der Spindel gehen. Die Schneidpistole richtet die Stapelfasern von einer Länge von etwa 2,5 cm auf einen Punkt auf der Spindel, der unmittelbar danach durch die kontinuierlichen Spinnfäden bei deren Aufspulen auf der Spindel bedeckt wird. Eine erste Schicht von kontinuierlichen Spinnfäden x^ird auf der Spindel zunächst aufgebracht; beim Beginn der zweiten Schicht wird die Schneidpistole in Betrieb gesetzt und nimmt das Auftragen der Stapelfasern auf. Die Spulmaschine benötigt drei Schichten zur Herstellung einer Lage. Nach der Bildung der vorletzten Schicht wird die Schneidpistole abgestellt und die letzte Schicht wird ohne Betrieb der Schneidpistole aufgespult. Die Schicht des Verbundkörpers wird dann mit einem Kunststoffilm bedeckt, aufgeschlitzt und von der Spindel entfernt. Quadratische Platten mit einer Kantenlänge von 30,5 cm werden drei Minuten bei 35 kg / cm^ ausgehärtet. Diese Proben werden dann geprüft, wobei folgende Eigenschaften festgestellt werden: Zugfestigkeit senkrecht zur Spul richtung 703 bis 840 kg / cm²; Biegefestigkeit 1400 bis 1680 kg / cm² und Biegemodul 7000 bis 9800 kg / cm². Die Messungen in der Richtung parallel zu der Aufspulrichtung waren wie folgt: Zugfestigkeit 5600 kg / cm², Biegefestigkeit 9400 kg / cm² und Biegemodul 38500 kg / cm²,

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Diese Festigkeiten senkrecht zur Aufspulrichtung sind sehr gut. Ausserdem hat der Verbundkörper eine gute Beständigkeit gegenüber der Ablösung oder Delaminierung. Der gesarate Festkörper enthält 50 Gewichtsteile aufgespulten Spinnfaden, 25 Gewichtsteile Stapelfasern und 25 Gewichtsteile Harz.

Vergleichsversuch

Das Verfahren von Beispiel 1 wird wiederholt, mit der Ausnahme, dass keine Stapelfasern verwendet werden. Der dabei erhaltene Verbundkörper hat in der Richtung senkrecht zur Aufspulrichtung der Spinnfäden eine Zugfestigkeit von etwa 141 kg / cm . Dies ist nur etwa 1/5 der Zugfestigkeit des Verbundkörpers, der unter Zusatz von Stapelfasern nach der Erfindung hergestellt wurde.

Beispiel 2

Das Verfahren von Beispiel 1 wird wiederholt, mit der Ausnahme, dass der Verbundkörper aus 45 Gewichtsteilen kontinuierlich aufgespulten Spinnfäden, 20 Gewichtsteilen Stapelfasern und 35 Gewichtsteilen Harz hergestellt wird. Der Verbundkörper hat einen Biegemodul in der Hauptrichtung des Aufspulens von etwa 297 000 bis 273 000 kg / cm². Die Festigkeitsmessungen in der Richtung senkrecht zu der Richtung des Aufspulens liegen bei 70 300 kg / cm2 für den Biegemodul, bei 1190 bis

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1410 kg / cm für die Biegefestigkeit und bei 595 bis 633 kg / cm² für die Zugfestigkeit.

Beispiel 3

Die Arbeitsweise von Beispiel 1 wird wiederholt, mit
der Ausnahme, dass für den Verbundkörper 55 Gewichtsteile kontinuierliche Spinnfäden, 25 Gewichtsteile Stapelfasern und 20 Gewichtsteile Harz verwendet werden. Die Festigkeitsmessungen in der Hauptrichtung des Aufspulens betragen 434 000 kg / cm² für den Biegemodul, 5270 kg / cm² für die Zugfestigkeit und 8300 kg / cm² für die Biegefestigkeit. In der Richtung senkrecht zum Aufspulen
der Spinnfäden liegt der Biegemodul bei 91 000 kg / cm², die Zugfestigkeit bei 703 und die Biegefestigkeit bei 1540 kg / cm².

Bei der Durchführung der Erfindung sind zahlreiche
Abwandlungen möglich. Man kann zum Beispiel als kontinuierliche Spinnfäden eine Kombination von kontinuierlichen Glasspinnfäden und von Graphit- oder Kohlenstoffäden verwenden. Das Verfahren nach der Erfindung ist auch mit thermoplastischen Harzen durchführbar, wie zum Beispiel mit Polypropylen. Man erhält in diesem Fall Produkte von hoher Festigkeit bei niedrigen Kosten. Eine weitere Abwandlungsraöglichkeit der
Erfindung besteht darin, dass man die Anzahl der auf-

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gespulten Schichten, unter die Stapelfasern angeordnet werden, variiert. In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, Stapelfasern nicht unter alle Schichten der aufgespulten kontinuierlichen Spinnfäden anzuordnen, so dass nicht nur unter der äusseren Schicht keine Stapelfasern vorhanden sind. In manchen Fällen können die Oberflächeneigenschaften dadurch verbessert werden, dass alle Stapelfasern in den mittleren fünf oder sechs Schichten der aufgespulten kontinuierlichen Spinnfäden angeordnet sind. Bei einer anderen Modifizierung der Erfindung kann eine Vorrichtung verwendet werden, die anstelle eines Querschlittens und einer rotierenden Spindel eine Spindel besitzt, die sowohl rotiert und sich auch entlang ihrer Achse bewegt, wobei die kontinuierlichen Spinnfäden von einem stationären Vorrat an Spinnfäden abgenommen werden.

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eerseite

Claims

Dr. Michael Hann (1225) H / W Patentanwalt Ludwigstrasse 67 Giessen PPG Industries, Inc., Pittsburgh, Pennsylvania, USA FASERVERSTÄRKTER HARZVERBUNDKÖRPER UND VERFAHREN ZU SEINER HERSTELLUNG Priorität: 1. Februar 1979 / USA / Ser. No. 8 365 Patentansprüche:

1.) Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Harzverbundkörpers,

dadurch gekennzeichnet, dass man eine abgemessene Menge von Harz auf eine Gruppe von kontinuierlichen Spinnfäden aufbringt, die kontinuierlichen Spinnfäden in einem spiralförmigen Muster auf einer Spindel aufspult und gleichzeitig mit dem Aufspulen der Spinnfäden auf der Spindel Stapelfasern auf eine Fläche,unmittelbar bevor diese mit den kontinuierlichen Spinnfäden bedeckt wird, aufbringt.

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ORIGINAL INSPECTED

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2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelfasern beim Aufspulen der ersten und der letzten Schicht der kontinuierlichen Spinnfäden nicht aufgebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelfasern und die kontinuierlichen Spinnfäden aus Glas sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelfasern und die kontinuierlichen Spinnfäden von Formpackungen abgezogen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass man zwischen 15 und 50 Gew% Harz, bezogen auf das Gesamtgewicht des faserverstärkt—· Harzverbundkörpers, auf die Spinnfäden aufbringe.

6. Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass man 20 bis 35 Gew% Harz aufbringt.

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7. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass der kontinuierliche Spinnfaden in einer Menge verwendet wird, dass er 79 bis 25 Gew% des Verbundkörpers ausmacht.

8. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierlichen Spinnfäden in einer solchen Menge verwendet werden, dass sie 45 bis 60 Gew% des Verbundkörpers ausmachen.

9. Verfahren nach Anspruch 1,

d a du rch gekennzeichnet, dass die Stapelfasern in einer solchen Menge verwendet werden, dass sie 1 bis 45 Gew% des Verbundkörpers ausmachen.

10. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelfasern in einer solchen Menge verwendet werden, dass sie 20 bis 30 Gew% des Verbundkörpers ausmachen.

11. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierlichen Spinnfäden in einem spiralförmigen Muster mit einem Steigungswinkel zwischen 71 und 89,89 ° aufgespult werden. 030033/0518

12. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierlichen Spinnfäden unter einem Steigungswinkel von etwa 85 ° aufgewickelt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstoffe in einer solchen Menge verwendet werden, dass der Verbundkörper etwa 50 Gew% kontinuierlichen Spinnfaden, etwa 25 Gew% Stapelfasern und etwa 25 Gew% Harz enthält.

14. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelfasern erst aufgebracht werden, nachdem die erste Schicht der kontinuierlichen Spinnfäden aufgespult worden ist.

15. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Schicht von kontinuierlichen Spinnfäden auf die Spindel aufgebracht wird, nachdem das Auftragen der Stapelfasern eingestellt worden ist.

16. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass ein Kunststoffilm auf die Spindel aufgebracht wird, um die Ablösung des Harzverbundkörpers zu erleichtern. 030033/0518

17. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder des faserverstärkten Verbundkörpers in Längsrichtung geschnitten wird, um ihn von der Spindel zu entfernen.

18. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass der faserverstärkte Verbundkörper unter Anwendung von Wärme und Druck gehärtet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass jeder kontinuierliche Spinnfaden zwischen 1 und 15 Fäden von Formpackungen enthält.

20. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass das Harz ein Isophthalsäurepolyester ist.

21. Faserverstärkter Harzverbundkörper, gekennzeichnet durch spiralförmig aufgespulte'kontinuierliche Spinnfäden und eine Schicht von Stapelfasern, die Schichten der spiralförmig aufgespulten kontinuierlichen Spinnfäden trennt.

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22. Verbundkörper nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierlichen Spinnfäden und die Stapelfasern aus Glas sind.

23. Verbundkörper nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierlichen Spinnfäden und die Stapelfasern aus Formpackungen entnommen worden sind.

24. Verbundkörper nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz ein Polyesterharz ist.

25. Verbundkörper nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der kontinuierliche Spinnfaden unter einem Winkel zwischen 71 und 89,89 ° aufgespult worden ist.

26. Verbundkörper nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass er 20 bis 30 Gew% Stapelfasern enthält.

27. Verbundkörper nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass er 25 bis 79 Gew% kontinuierlichen Spinnfaden enthält.

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28. Verbundkörper nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass er 20 bis 35 Gew% Harz enthält.

29. Faserverstärkter Verbundkörper, enthaltend ein wärmehärtbares Harz,

dadurch gekennzeichnet, dass er spiralförmig aufgespulte kontinuierliche Glasspinnfäden und Glasstapelfasern enthält, wobei die Stapelfasern Schichten der spiralförmig aufgespulten kontinuierlichen Spinnfäden trennen und wobei der Verbundkörper 45 bis 60 Gew% aufgespulten kontinuierlichen Spinnfaden, 20 bis 30 Gew% Stapelfasern und 20 bis 35 Gew% Harz enthält und wobei die spiralförmig aufgespulten Spinnfäden unter einem Schraubenwinkel von 82,5 bis 87,5 aufgespult sind.

30. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelfasern aus Glas bestehen und die kontinuierlichen Spinnfäden eine Kombination von kontinuierlichen Glasfaserspinnfäden und kontinuierlichen Kohlenstoffasern sind.

31. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass das Aufspulen in einem spiralförmigen Muster derartig durchgeführt wird, dass später aufgespulte 030033/0518

Spinnfäden zwischen früher aufgespulte Spinnfäden abgelegt werden, so dass eine maximale Anzahl von Kreuzungen zwischen den kontinuierlichen Spinnfäden entsteht.

32. Spinnfaden nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet, dass später spiralförmig aufgespulte Spinnfäden zwischen vorher aufgespulte Spinnfäden abgelegt werden, so dass eine maximale Anzahl von Kreuzungen zwischen den kontinuierlichen Spinnfäden entsteht.

33. Verbundkörper nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass drei abgelegte Schichten eine Lage bilden.

34. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Harzverbundkörpers,

dadurch gekennzeichnet, dass man eine Gruppe von kontinuierlichen Spinnfäden durch ein Harzbad führt, das überschüssige Harz von den Spinnfäden entfernt, so dass eine ab gemessene Harzmenge auf jedem Spinnfaden vorhanden ist, die mit Harz beschichteten Spinnfäden spiralförmig auf einer sich drehenden Spindel als ein Band von parallel im Abstand voneinander orientierten Spinnfäden unter einem spitzen Winkel hinsichtlich der Längsachse der Spindel aufspult und gleichzeitig mit dem Aufspulen der kontinuierlichen Spinnfäden

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Stapelfasern auf die Spindel in einen Bereich projiziert, der unmittelbar danach durch die parallel im Abstand voneinander angeordneten Spinnfäden bedeckt wird.

35. Verfahren nach Anspruch 34,
dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelfasern nicht aufgebracht werden während die erste und die letzte Schicht der kontinuierlichen Spinnfäden aufgespult werden.

36. Verfahren nach Anspruch 34,
dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnfäden und die Stapelfasern aus Glas bestehen.

37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelfasern und die kontinuierlichen Spinnfäden von Formpackungen abgezogen werden.

38. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass derartig viel Harz auf die Spinnfäden aufgebracht wird, dass der Verbundkörper 15 bis 50 Gew% Harz enthält.

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39. Verfahren nach Anspruch 34,
dadurch gekennzeichnet, dass der spitze Winkel ein Steigungswinkel von 71 bis 89,89 ° ist.

40. Verfahren nach Anspruch 34,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstoffe in solchen Mengen verwendet werden, dass der Verbundkörper 45 bis 60 Gew% kontinuierliche Spinnfäden und 20 bis 40 Gew% Harz enthält.

41. Verfahren nach Anspruch 34,
dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundkörper von der Spindel abgelöst und unter Anwendung von Wärme und Druck verformt wird.

42. Verfahren nach Anspruch 41,
dadurch gekennzeic^v et, dass das Harz während der Verformung aushärtet.

43. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz ein Isophthalsäurepolyester ist.

44. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Harzverbundkörpers,

dadurch gekennzeichnet, 030033/0618

dass Fadenenden von Formpackungen abgezogen werden, eine Vielzahl von solchen Enden durch mindestens zwei Öffnungen in ein Harzbad geführt werden, die Vielzahl der Fadenenden aus dem Bad durch mindestens zwei Öffnungen mit enger Toleranz abgezogen werden, so dass die gewünschte Harzmenge auf den Fäden zurückbleibt, die mit Harz beschichteten Fäden spiralförmig in Form eines Bandes unter einem spitzen Steigungswinkel auf einer rotierenden Spindel als Band mit im Abstand parallel voneinander angeordneten Fäden aufspult, eine zweite Vielzahl von Glasseidenspinnfäden von Formpackungen abzieht, diese Spinnfäden in Stapel zerteilt und die Stapelfaser in einem Bereich der Spindel aufbringt, der unmittelbar danach durch die mit Harz beschichteten Spinnfäden bedeckt wird.

45. Verfahren nach Anspruch 44,
dadurch gekennzeichnet, dass jeder mit Harz beschichtete kontinuierliche Spinnfaden ein bis 15 Fadenenden enthält.

46. Verfahren nach Anspruch 44,
dadurch gekennzeichnet, dass zum besseren Ablösen des Harzverbundkörpers auf der Spindel vor dem Aufspulen der Spinnfäden ein Kunststoffilm aufgebracht wird.

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47. Verfahren nach Anspruch 44,
dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelfasern v/ährend des Aufspulens der ersten und der letzten Schicht der mit Harz überzogenen Spinnfäden nicht aufgetragen werden.

48. Verfahren nach Anspruch 44,
dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundkörper von der Spindel entfernt und unter Anwendung von Wärme und Druck verformt wird.

49. Verbundkörper nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierlichen Spinnfäden und die Stapelfasern aus Glas, Kohlenstoff oder Mischungen davon bestehen.

50. Verbundkörper nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftragen der Stapelfasern dem Aufspulen der Bänder der kontinuierlichen Spinnfäden folgt.

51. Verfahren nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet, dass drei Schichten von kontinuierlichen Spinnfäden eine Lage in dem Verbundkörper bilden.

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52. Verbundkörper nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der spiralförmig aufgespulte kontinuierliche Spinnfaden einen Steigungswinkel zwischen 82,5 und 87,5 ° hat.

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