DE3873719T2 - Verfahren zum beschichten von fasern sowie seine anwendung zur herstellung von verbundswerkstoffen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Fasern und dessen Anwendungen zur Herstellung von Verbundwerkstoffen.
• Man kann Verbundwerkstoffe herstellen, die aus einem Verstärkungselement (z. B. einer Faser) und einer Matrix bestehen, in welcher das Verstärkungselement eingebettet ist. Man weiß auch, daß die Eigenschaften der erhaltenen Verbundwerkstoffe nicht nur stark von der Beschaffenheit und den Eigenschaften der diese bildenden Materialien, sondern auch von den Verhakungsmöglichkeiten (Grenzflächenverhalten) zwischen der Matrix und dem Verstärkungselement abhängen. Eine gewisse Anzahl von Untersuchungen richtet sich daher auf die Veränderung der Oberflächeneigenschaften des Verstärkungselements, um dieses mit der Matrix vereinbar (oder vielmehr fest verbindbar) zu machen.
• Im Rahmen dieser Untersuchungen wurde bereits ein Verfahren beschrieben, bei dem die Verstärkungselemente (Fasern) durch Durchleiten zwischen zwei Elektroden elektrostatischen Feldern ausgesetzt wurden, die durch die Anwendung von elektrischen Gleich- und/oder Wechsel strömen mit hoher Spannung erzeugt wurden. Es wurde gezeigt, daß das aus einem Gleichstrom erzeugte elektrostatische Feld im wesentlichen ein Aufbauschen der Verstärkungselemente bewirkt, und daß das aus einem Wechselstrom erzeugte elektrostatische Feld eine Ätzung der Oberfläche der Verstärkungselemente und gegebenenfalls eine Teiloxidation dieser Oberfläche verursacht. Es wird daran erinnert, daß der verwendete Strom - derselbe wie er bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird - eine Spannung von 50.000 und 150.000 V, was den Gleichstrom betrifft, und eine Frequenz zwischen 50 und 1.000 Hz (vorzugsweise zwischen 200 und 500 Hz) und eine Spannung zwischen 10.000 und 30.000 V, was den Wechselstrom betrifft, hat. Diese Eigenschaften von elektrostatischen Feldern bewirken eine Veränderung der Verhakung zwischen dem Verstärkungselement und der Matrix und infolgedessen eine Veränderung (im allgemeinen eine Verbesserung) der Eigenschaften des erhaltenen Verbundwerkstoffs.
• Es wurde nunmehr gefunden, daß dieselbe Behandlung von Verstärkungselementen mit elektrostatischen Feldern, die durch die Anwendung von Gleich- und/oder Wechsel strömen erzeugt werden, eine Beschichtung der Verstärkungselemente mit einem Pulver aus leitendem oder halbleitendem Material zuläßt.
• Man erhält so gemäß dem im Anspruch definierten Verfahren ein Verstärkungselement, bestehend aus dem Ausgangs- Verstärkungselement, dessen Oberfläche mit einer dünnen, gut haftenden Schicht des pulverförmigen Leiter- oder Halbleitermaterials überzogen worden ist.
• Dieses neue Verstärkungselement besitzt klarerweise Oberflächeneigenschaften, die sich von jenen des Ausgangs- Verstärkungsmaterials unterscheiden, und kann somit entweder zur Verbesserung der Eigenschaften von Verbundwerkstoffen, die das Ausgangs-Verstärkungselement aufweisen, oder zur Herstellung von Verbundwerkstoffen durch eine neue Kombination dieses neuen Verstärkungselements mit bestimmten Matrizes verwendet werden.
• Es gibt eine große Anzahl von Verstärkungselementen, die man beschichten kann, z. B. Elemente aus Glas, aus aromatischem Polyamid, aus Bor, aus Kohlenstoff, aus Siliziumkarbid, aus Leinen, aus Hanf, und ganz allgemein aus jedem Material pflanzlichen Ursprungs (z. B. Cellulosematerialien). Das Beschichtungsverfahren ist von besonderer Bedeutung im Fall von Materialien pflanzlichen Ursprungs (Cellulosematerialien, Leinen, Flachse, Jute, etc.). Selbstverständlich hängen die Durchführungsbedingungen des die Erzielung einer zweckmäßigen Beschichtung dieser verschiedenen Produkte ermöglichenden Verfahrens von besagten Produkten ab; diese Bedingungen sind nachstehend angeführt.
• Diese Verstärkungselemente können ganz verschiedene Formen haben, am häufigsten liegen sie aber in Form von mehr oder weniger gerichteten Fasern, Haarbüscheln oder Schnitzeln vor.
• Das zur Herstellung der Beschichtung verwendete Produkt besteht aus einem Pulver aus einem Leiter- oder Halbleitermaterial oder aus einer Pulvermischung dieser Materialien; unter den verwendbaren Pulvern seien beispielsweise Kohlenstoff, Grafit, Magnesiumoxid, Silberoxid, Kupferoxid oder -bromid, Zinkoxid, Titanoxid, . . . genannt; alle diese Pulver scheinen durch ein relativ hohes elektrisches Potential im Vergleich zu anderen Pulvern mit einem schwachen oder keinem elektrischen Potential gekennzeichnet zu sein. Die als Materialien verwendbaren Leiter- oder Halbleitermaterialien kann man als Materialien definieren, deren Volumenwiderstand geringer als 10¹&sup0; Ohm/cm³ ist.
• Das angewendete Verfahren besteht darin, die Pulver über die Verstärkungselemente zu zerstäuben, währenddessen letztere dem elektrostatischen Feld ausgesetzt sind, das durch zwei Elektroden erzeugt wird, wie oben ausgeführt. In bestimmten Fällen ist es möglich, die Pulver in einem das Verstärkungselement enthaltenden Medium zu zerstäuben, das man einfach in das durch Gleichstrom erzeugte elektrostatische Feld bringt; am häufigsten ist jedoch eine Vorgangsweise vorzuziehen, bei der, wie zuvor beschrieben, zuerst das Verstärkungselement einem durch einen Gleichstrom erzeugten Feld ausgesetzt wird (wodurch ein beträchtliches Aufbauschen des Verstärkungselements bewirkt wird), dann das aufgebauschte Element in das durch einen Wechselstrom erzeugte Feld gebracht wird und dann das Pulver in das Medium eingespritzt wird, welches das dem Feld ausgesetzte Element enthält. Je nach den Fasern ist es manchmal wünschenswert, diese Verfahrensschritte bei einer Temperatur über der Umgebungstemperatur (z. B. 25 bis 60ºC) auszuführen, so daß eventuelle Oxidationsphänomene an der Oberfläche, die durch das Feld am Element bewirkt werden, erleichtert und beschleunigt werden.
• Wie oben ausgeführt, soll das Verfahren insbesondere an die verwendeten Verstärkungselemente angepaßt werden; die Parameter, die man variieren läßt, sind gegebenenfalls, außer der an die Elektroden angelegten Spannung, der Abstand dieser Elektroden und die Behandlungsdauer. So wird man bei Verstärkungselementen aus Kohlenstoff diese Elemente einem Feld aussetzen, das durch einen Gleichstrom von etwa 100.000 V, angelegt an Elektroden im Abstand von 10 mm, erzeugt wird, wobei die Anlegedauer etwa 10 min beträgt. Verwendet man Verstärkungselemente aus aromatischem Amid, kann eine Spannung von 100.000 V an Elektroden in einem Abstand von 7 mm angelegt werden, und die Anlegedauer beträgt etwa 5 min. Stammt das Feld von einem Wechselstrom, ist der Abstand zwischen den Elektroden umso größer, je stärker die Verstärkungselemente leiten; als einzelnes Beispiel sei eine Behandlung von Verstärkungselementen aus Glas, welche vorteilhafterweise durch Anlegen einer Spannung von 15 bis 30.000 V zwischen zwei Elektroden, die sich in einem Abstand von etwa 20 mm befinden, erfolgt, genannt; die Anlegedauer beträgt dabei etwa 3 bis 5 min.
• Für den Fachmann ist klar, daß die diesen elektrischen Feldern ausgesetzten Verstärkungselemente eine bestimmte elektrische Ladung erhalten, die zur Gewährleistung einer guten Haftung der pulverförmigen Leiter- oder Halbleitermaterialien an diesen Elementen beiträgt.
• Schließlich sei bemerkt, daß das Ätzphänomen an den Verstärkungselementen, die einem durch Wechselstrom erzeugten elektrischen Feld ausgesetzt werden, bleibend ist, während das Aufbauschphänomen an den Verstärkungselementen, die einem durch Gleichstrom erzeugten elektrischen Feld ausgesetzt werden, temporär und je nach der Beschaffenheit dieser Elemente von unterschiedlicher Dauer ist, die von beispielsweise 2 bis 3 min bei Flachs bis zu etwa 30 min bei aromatischen Polyamiden reichen kann.
• Wie zuvor ausgeführt, können die erfindungsgemäß beschichteten Verstärkungselemente in ganz verschiedenen Matrizes verwendet werden, um Verbundwerkstoffe herzustellen. Man kann praktisch jede bekannte und klassischerweise für die Herstellung von Verbundwerkstoffen verwendete organische Matrix einsetzen. Als in Frage kommende Matrix kann man Epoxyharze, organisch-anorganische Harze, Thermoplaste, Keramikprodukte und Produkte mit hydraulischer Abbindung oder minderwertige organische Harze anführen.
• Es wurde nämlich gefunden, daß die beschichteten Verstärkungselemente auf Grund dieser Tatsache eine interessante Verträglichkeit entweder gegenüber Materialien mit hydraulischer Abbindung oder gegenüber Materialien erlangen können, die aus einem minderwertigen anorganischen Harz gebildet sind (Klebstoff oder Bindemittel auf Basis von Kieselerde), das mit einem geeigneten Metalloxid (z. B. Aluminiumhydroxid) gefüllt ist. Gerade so konnten neue Materialien geschaffen werden, die ein Verstärkungselement, nämlich eine mit Kohlenstoff überzogene Jutefaser, und eine aus Gips oder Zement bestehende Matrix aufweisen.
• Die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung.
Beispiel 1
• Polydirektionell gerichtete Jutefasern werden auf etwa 40ºC erhitzt und zwischen zwei Elektroden angeordnet, die mit einem Gleichstrom von 100.000 V gespeist werden. Nach einem Zeitraum von etwa 2 bis 3 min versprüht man in den Raum zwischen den Elektroden ein feines Grafitpulver, und der Strom wird etwa 2 min lang aufrechtgehalten.
• Man stellt fest, daß die Jutefasern mit einer dünnen Grafitschicht (etwa 2 bis 4 um) überzogen sind.
Beispiel 2
• Glasfasern in Form von Litzen wurden zwischen zwei Elektroden plaziert, die mit einem Gleichstrom von 100.000 V gespeist wurden; nach etwa 2 min stellte man ein beträchtliches Aufbauschen der Litze fest (das scheinbare Volumen derselben hat um etwa das 4-fache zugenommen).
• Dieselben Elektroden wurden dann mit einem Wechselstrom von 25.000 V 3 min lang gespeist; dann wird zwischen die Elektroden Grafitpulver eingespritzt und ein Gleichstrom von 50.000 V 2 min lang angelegt.
• Man erhält aufgebauschte Glasfasern, die mit einer etwa 3 um starken Grafitschicht überzogen sind.
Beispiel 3
• Cellulosefasern in Form eines luftigen Haarbüschels werden zwischen zwei Elektroden angeordnet, die mit einem Wechselstrom von 20.000 V gespeist werden; in den Raum zwischen diesen Elektroden bringt man ein sehr feines Kupferoxidpulver ein, und der Strom wird 3 min aufrechtgehalten.
• Man erhält Cellulosefasern, die mit einer dünnen (etwa 3 um), gut haftenden Kupferoxidschicht überzogen sind.
Beispiel 4
• Es wurden die in Beispiel 1 erhaltenen, mit Grafit beschichteten Fasern verwendet, und man brachte diese beschichteten Fasern zwischen zwei mit einem Wechselstrom von 30.000 V gespeisten Elektroden ein. Nach 5 min Behandlung konnte man feststellen, daß die beschichteten Fasern an der Oberfläche verätzt waren.
• Dieser Versuch beweist, daß an den erfindungsgemäß beschichteten Fasern, wie an den in früheren Patenten beschriebenen Fasern, Aufbausch-, Ätz- und gegebenenfalls Oberflächenoxidationsphänomene möglich sind, wenn sie zwischen Elektroden gebracht werden, die mit einem Hochspannungsfeld beaufschlagt werden, das durch einen Gleich- und/oder Wechselstrom erzeugt wird.
Beispiel 5
• Die nach Beispiel 1 erhaltenen Fasern wurden in eine Form gegeben, die die Gestalt des gewünschten fertigen Gegenstandes hatte (z. B. Platte); diese Form wurde mit einer Mischung, bestehend aus Zement, Wasser (Mörtelanrührwasser) und einem Bindemittel, in ausreichender Menge vollgefüllt.
• Man läßt die hydraulische Abbindung des Zements vorsichgehen und nimmt eine Platte aus der Form, die mindestens jenen der bekannten Zementfaserplatten gleichwertige Eigenschaften aufweist. Derselbe Versuch wurde durchgeführt, indem anstelle von Zement Gips verwendet wurde, und man erhielt eine sehr widerstandsfähige Gipsplatte; um eine sehr widerstandsfähige weiße Gipsplatte gemäß der Erfindung zu erhalten, verwendet man beispielsweise ein Verstärkungselement, das aus mit Titanoxid überzogenen Jutefasern besteht.

Claims (5)

1. Verfahren zum Beschichten von Verstärkungselementen, vorzugsweise in Form von Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungselemente zwischen zwei Elektroden mit einem Feld behandelt werden, das mittels eines elektrischen Gleichstroms einer Spannung zwischen 50 und 150000 V und/oder mittels eines elektrischen Wechselstroms einer Frequenz zwischen 50 und 1000 Hz und einer Spannung zwischen 10000 und 30000 V erzeugt worden ist, und daß die durch die vorherige Behandlung aufgebauschten Elemente mit einem Pulver aus einem Leiter- oder Halbleitermaterial in Kontakt gebracht werden.

2. Verstärkungselemente, die zur Herstellung von Verbundwerkstoffen geeignet sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem bekannten Verstärkungselement bestehen, das mit einem Leiter- oder Halbleitermaterial nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 überzogen worden ist.

3. Elemente nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiter- oder Halbleitermaterial Kohlenstoff, Grafit oder ein Metalloxid ist.

4. Verbundwerkstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Dispersion von Verstärkungselementen nach einem der Ansprüche 2 und 3 in eine bekannte Matrix gebildet sind.

5. Verbundwerkstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Verstärkungselemente nach einem der Ansprüche 2 und 3 gebildet sind, welche in eine aus einer Verbindung mit hydraulischer Abbindung bestehenden Matrix dispergiert worden sind.