DE1469422C3

DE1469422C3 - Verfahren zum Ausrichten von in faserverstärkte Gegenstände einzubettenden Fasern verhältnismäßig kurzer Stapellänge

Info

Publication number: DE1469422C3
Application number: DE1469422A
Authority: DE
Inventors: Noel James Loughton Essex Parratt (Grossbritannien)
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1964-10-01
Filing date: 1965-10-01
Publication date: 1975-01-16
Also published as: DE1469422A1; DE1469422B2; GB1128321A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausrichten von in faserverstärkte Gegenstände einzubettenden Fasern verhältnismäßig kurzer Stapellänge.

Zum Ausrichten von Fasern sind bereits Einrichtungen bekannt, die im allgemeinen mit Kämmen, Krempeln oder ähnlichen, mechanisch auf die Fasern einwirkenden Vorrichtungen versehen sind. Die Behandlung mittels solcher Einrichtungen führt nur dann zu zufriedenstellenden Ergebnissen, wenn die Fasern eine ausreichend große Zähigkeit und Biegsamkeit besitzen. Sind die Fasern jedoch sehr kurz, si) versagt dieses Verfahren, und bei sehr brüchigen Fasern können diese bei dieser Behandlung stark bescliiidiüt werden.

Ferner ist bereits vorgeschlagen worden, die Fasern bei der Herstellung faserverstärkter Gegenstände dadurch auszurichten, daß sie bei der Herstellung dieser Gegenstände durch Düsen hindurchgetrieben werden. In diesen Fällen müssen jedoch die Faserkonzentrationen beispielsweise im verwendeten Kunstharz im Vergleich zur angestrebten Konzentration von mindestens 50¹Vo sehr gering gehalten werden, und außerdem kann dieses Durchtreiben durch Düsen zu starken Beschädigungen des Fasermaterials führen, wenn brüchige Fasern Verwendung finden.

Bestimmte Fasern, beispielsweise Asbest- oder Kristallfasern, haben eine sehr hohe Zugfestigkeit und ihre Einlagerung in stark beanspruchte Teile ist daher besonders vorteilhaft. Allerdings sind diese Fasern hoher Zugfestigkeit im allgemeinen brüchig und können leicht beschädigt werden, so daß ihre ausgezeichneten Festigkeitseigenschaften verlorengehen. Da diese Fasern außerdem im allgemeinen verhältnismäßig kurze Stapellängen aufweisen, konnten sie bisher mit bekannten Verfahren nicht ausgerichtet werden. . Ch

Um aber die größtmögliche Zugfestigkeit in einer ^" bestimmten Richtung bei einem faserverstärkten Gegenstand zu erreichen, ist eine Ausrichtung der Fasern nach der betreffenden Richtung erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs dargelegten allgemeinen Art so auszubilden, daß in zufälliger, unregelmäßiger Anordnung vorliegende, brüchige Fasern verhältnismäßig kurzer Stapellänge zum Zwecke der bestmöglichen Ausnutzung ihrer mechanischen oder anderen Eigenschaften (beispielsweise magnetische Eigenschaften) ohne Beschädigung ausgerichtet werden können.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist ein solches Verfahren gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in einer viskosen, verfestigbaren Flüssigkeit dispergiert werden und die so erhaltene Dispersion zwecks Ausrichtung der Fasern durch eine Düse getrieben wird, daß hierauf die durch die Düse getriebene Dispersion zu einem die Fasern enthaltenden Körper verfestigt wird und daß danach ^ dieser Körper durch Erhitzen aufgelöst wird, so daß "* v/ die ausgerichtet bleibenden Fasern als Faservlies allein zurückbleiben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft bei Fasergut, dessen Fasern mindestens zu 50 Gewichtsprozent unter 5 mm Stapellänge haben und mit bekannten Verfahren nur schwer ausrichtbar sind. Es hat sich sogar gezeigt, daß auch ungeordnetes Fasergut mit Stapellängen zwischen 1 mm und 0,01 mm mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gut ausgerichtet werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut zum Ausrichten von Asbestfasern verschiedener physikalischer Eigenschaften, Glasfasern und Einkristallfasern, beispielsweise Siliziumnitrat-Einkristallfasern.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Faservliese herstellen, in welchen im wesentlichen alle Fasern (d. h. mindestens 90% der Fasern) innerhalb eines Winkelbereiches von 20' ausgerichtet sind. Die gemäß der Erfindung hergestellten Faservliese haben, da die ausgerichteten Fasern nicht absolut parallel liegen, sondern noch eine gewisse gegenseitige Verflechtung vorhanden ist, noch eine ausreichende mechanische Festiukeit, so daß sie leicht

transportierbar sind. Die Faservliese lassen sich dann zu faserverstärkten Gegenständen weiterverarbeiten, indem sie mit einem aushärtbaren .Werkstoff, beispielsweise einem Kunstharz, getränkt werden.

Vorzugsweise werden die Fasern in einer viskosen Alginatlösung dispergiert. Die Alginatlösung kann leicht durch Behandlung mit einer Säure, beispielsweise Salzsäure, Schwefelsäure oder Salpetersäure, in einen Feststoff aus Alginsäure verfestigt werden.

Als Alginat kann ein Amrnoniumalginat Anwendung finden, welches rückstandslos verbrennt, und die nach der Verfestigung zurückbleibende Alginatsäure und Ammoniumsalze sind leicht durch Erhitzung auf 300° C bis 500° C auflösbar, ohne daß die Fasern beschädigt werden, Vorzugsweise wird der die Fasern enthaltende Festkörper durch Erhitzen zunächst auf 150° C bis 250° C und hierauf auf 300° C aufgelöst.

Sollen die Fasern in ein Metall oder in einen ähnlichen, vergießbaren Werkstoff eingebracht werden, so kann der die Fasern enthaltenden Dispersion Pulver dieses Metalls oder des betreffenden Werkstoffes beigefügt werden, bevor die Dispersion durch die Düse getrieben wird.

Die Dicke der beim Hindurchtreiben der Dispersion durch eine Düse gebildeten Fäden hängt im allgemeinen von der Verfestigungsweise der betreffenden viskosen Flüssigkeit ab. So können beispielsweise Fasern, welche in mit Weichmachern versetzten Polymeren, wie beispielsweise Polyvinylalkohol und Polystyrol, enthalten sind, durch eine Düse in eine die polymeren Werkstoffe nicht auflösende, den Weichmacher jedoch auswaschende Flüssigkeit getrieben und dadurch in feste Fäden übergeführt werden. Die Verfestigung geht jedoch verhältnismäßig langsam vor sich, wenn die durch die Düsen getriebenen Fäden nicht sehr dünn sind, d. h. höchstens einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,03 mm haben.

Wird jedoch Alginatlösung mit einer mäßigen Viskosität verwendet, so können die durch das Hindurchpressen durch Düsen gebildeten Fäden, welche in diesem Fall einen Durchmesser von 1 mm aufweisen können, leicht durch Einwirkung von Säure verfestigt werden und die Durchmesser der Fäden können noch größer sein, wenn Alginatlösungen größerer Viskosität nahe dem verfestigten Zustand verwendet werden, welche unter mäßigem Druck durch Düsen getrieben werden. Der durch eine Düse gepreßte Faden gelangt normalerweise in eine verdünnte Säure, wobei jedoch die Dauer des Eintauchens in die Saure nicht von großer Bedeutung ist und verhältnismäßig kurz sein kann, sofern dafür Sorge getragen wird, daß die Oberfläche des betreffenden Fadens mit Säure benetzt bleibt.

Der Durchmesser eines ausgetriebenen Fadens kann noch durch nachträgliches Strecken verringert werden, wenn dies zur Beschleunigung der Verfestigung erforderlich ist. Außerdem können die unter Verwendung viskoser Flüssigkeiten gebildeten Dispersionen auch durch Schlitzdüsen getrieben werden, so daß Bänder od, dgl. an Stelle von Fäden gebildet werden, was im Hinblick auf das Verhältnis von Oberfläche zu Dicke für den Verfestigungsvorgang besonders günstig ist.

Die in einer Flüssigkeit durch Dispersion ohne gegenseitige Störung der Fasern erreichbare volumenmäßige Konzentration von Fasern hängt vom Seitenverhältnis der Fasern, d. h. dem Verhältnis von Faserlänge zur Faserdicke, ab. Bei sehr dünnen Fasern mit einem Verhältnis Länge/Dicke der Fasern in der Größenordnung von 1000 :1 lassen sich nur sehr geringe volumenmäßige Konzentrationen von ungefähr 0,1 bis l<Vo erreichen, doch läßt sich die Konzentration bis ungefähr 5°/o erhöhen, wenn Fasern zur Anwendung kommen, die ein verhältnismäßig kleines Länge/Dicke-Verhältnis unterhalb ungefähr

ίο 100:1 aufweisen.

Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst eine bestimmte Menge Fasern in einer verdünnten, jedoch ausreichend viskosen wäßrigen Lösung von beispielsweise Ammoniumalginat

*5 dispergiert. Die Konzentration der Fasern in der Flüssigkeit muß in jedem Falle so gering gehalten werden, daß sich die einzelnen Fasern nicht gegenseitig stören. Hierauf wird die Dispersion unter mäßigem Druck durch die Düse getrieben und gelangt un-

ao mittelbar in ein Bad, welches aus einer Lösung normaler Salzsäure besteht. Beim Durchtritt durch die Düse werden die Fasern ausgerichtet, und das nachfolgende Säurebad bewirkt, daß die Ammoniumalginatlösung einen gummiartigen, die ausgerichteten Fasern enthaltenden Faden bildet. Dieser Faden wird gespült und getrocknet, nachdem er unter leichtem Zug straff gespannt auf einen Haspel aufgewickelt worden ist. Hierauf werden von dem Faden gewünschte Längen geschnitten, und die abgeschnitte-

3P nen Fadenlängen werden in gewünschter Weise zusammengenommen, so daß Bündel zueinander paralleler Fäden entstehen.

Hierauf kann der aus Alginat bestehende Trägerkörper durch Erhitzung auf 300° C bis 500° G aufgelöst werden, so daß ein Faservlies aus ausgerichteten Fasern zurückbleibt. Der durch die Düse getriebene Faden kann aber auch auf einen aus neutralem Werkstoff, beispielsweise Glas, bestehenden Rahmen aufgewickelt werden, wonach der Alginat-Trägerkör<per durch Erhitzung des Rahmens aufgelöst wird und die aufgewickelten Fäden noch unter Spannung gehalten werden.

Das auf diese Weise gebildete, aus ausgerichteten Fasern bestehende Faservlies kann zwecks Herstel- ' lung faserverstärkter Gegenstände mit einem aushärtbaren Werkstoff durchsetzt werden. Dieser Trägerwerkstoff kann eine Kunstharzlösung sein, in welche der Faserverband eingetaucht wird, wonach unter Anwendung von Wärme und Druck die Verfe-

go stigung vorgenommen wird. Obwohl die rohen Faservliese im allgemeinen eine Packungsdichte von ungefähr 20⁰Zo aufweisen, kann die Packungsdichte bei der Herstellung der faserverstärkten Gegenstände unter Anwendung von Druck und Wärme auf 60 bis 80 °/o erhöht werden.

An Stelle von Kunstharz kann als Trägerwerkstoff für die faserverstärkten Gegenstände auch Metallpulver Anwendung finden, in welches das Faservlies eingebettet wird und welches unter gleichzeitiger Anwendung von Druck und Wärme zum Schmelzen gebracht wird.

Im folgenden sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung angegeben.

Beispiell

Brüchige Siliziumnitrat-Kristallfasern mit einem Durchmesser von 0,001 bis 0,002 mm und einer

Länge von ungefähr 0,01mm bis lmm werden in einer Ämmoniumalginatlösung entsprechend einer volumenmäßigen Konzentration. bis zu 5°/o dispergiert. Die Alginatlösung enthält 1 Gewichtsprozent bis 5 Gewichtsprozent reines Ammoniumalginat, wobei die letztgenannten Konzentrationswerte von der gewünschten Festigkeit des Alginates und von der gewünschten Naßfestigkeit des gebildeten Fadens abhängen. Die Dispersion wird mit einem Druck von 5 p/cm² bis 50 p/cm² durch eine 1 mm weite Düse in ίο ein Bad normaler Salzsäure getrieben, so daß die die Fasern enthaltende Dispersion als Faden mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 25 mm/Sek. durch die Düse getrieben wird.

Der durch die Öffnung getriebene Faden wird unter leichter Spannung kontinuierlich geführt und hierauf vorzugsweise im Luftzug getrocknet. Die getrocknete Fäden werden dann zunächst ungefähr 15 Min. lang auf annähernd 200° C erwärmt und dann auf 400° C erhitzt, wodurch die Alginsäure aufgelöst und verbrannt wird.

Die Fäden werden hierauf zu einem Vlies od. dgl. vereinigt. Der so gebildete Faserverband wird dann zur Herstellung eines faserverstärkten Gegenstandes in eine Kunstharzlösung (beispielsweise eine Lösung von Epoxydharz in Aceton oder eine Lösung von Phenolformaldehydharz in Äthylalkohol) und der gewünschte Gegenstand durch Anwendung von Wärme und Druck geformt.

Versuche an nach dem soeben beschriebenen Verfahren hergestellten Proben haben gezeigt, daß beispielsweise Elastizitätsmodule von 0,84 · 1O⁶ kp/cm² "" und elastische Spannungswerte von 1% erreicht werden können, wenn Siliziumnitrat-Kristallfasern mit einer Packungsdichte von ungefähr 38 % in Epoxydharz eingelagert werden. Entsprechend vorbereitete Proben, in welchen Siliziumnitrat-Kristallfasern in unregelmäßiger Anordnung eingelagert sind, zeigen Elastizitätsmodule von nur 0,28 · 10⁶ kp/cm².

Beispiel Π

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Brüchige Siliziumnitrat-Kristallfasern werden in der im Beispiel I beschriebenen Weise dispergiert und durch eine Düse getrieben, jedoch wird der Ammoniumalginatlösung zusätzlich zu einem Gehalt von 1 Gewichtsprozent Kristallfasern ein Zusatz von 12 Gewichtsprozent Silberpulver beigegeben. Die Alginsäure wird abgebrannt, und die in der oben beschriebenen Weise gebildeten Fäden werden zu einem Faserverband vereinigt, worauf dieser zu einem kristallfaserverstärkten Silberkörper zusammengeschmolzen wird, welcher einen volumenmäßigen Anteil von 20 °/o Kristallfasern enthält.

55 Beispiel III

Kürze Chrysotilasbest-Fasern, also Fasern einer weichen, biegsamen Asbestart, mit einer durchschnittlichen Stapellänge von 5 mm (Stapellängenbereich von 1 mm bis 10 mm) werden einen Tag lang in einer Reinigungslösung eingeweicht und sorgfältig gewässert, um ihre Biegsamkeit zu erhöhen. Hierauf werden die Fasern in einer bis zu 3 Gewichtsprozent Ammoniumalginat enthaltenden Lösung derart dispergiert, daß sich eine Faserkonzentration von 1 Gewichtsprozent ergibt, und diese Lösung wird mit den Fasern einen Tag lang gerührt, so daß sich eine viskose, nicht kolloidale Dispersion ergibt. Die Dispersion wird hierauf mit einem Druck von 152 p/cm² durch eine lmm weite Düse in eine normale Salzsäure getrieben, wobei die Durchtrittsgeschwindigkeit des Fadens 1,52 m/Sek. beträgt.

Hierauf wird in der im Beispiel I beschriebenen Weise ein Faservlies und unter Verwendung dieses Faservlies ein faserverstärkter Gegenstand gebildet.

Versuche mit auf diese Weise hergestellten Proben ergeben für diese einen Elastizitätsmodul von 0,913 · 10^e kp/cm², wenn die Packungsdichte der Asbestfasern in den Proben 65 % beträgt. Der Vorteil des vorherigen Einweichens der Asbestfasern in einer Reinigungslösung zeigt sich daran, daß der Elastizitätsmodul bei Proben, welche nicht in der obigen Weise behandelte Asbestfasern enthalten, nur 0,66 · 10^e kp/cm² beträgt.

■ Beispiel IV

Tiegelasbest einer brüchigen Sorte wird auf Fasergröße zerkleinert, so daß sich Fasern von 0,002 mm bis 0,004 mm Dicke und 0,1 mm Länge ergeben, und diese Fasern werden entsprechend Beispiel III behandelt und in einen zu verstärkenden Werkstoff eingelagert.

Epoxyharzproben, welche 70 Volumenprozent ausgerichteter Asbestf asem dieser Art enthalten, weisen einen Elastizitätsmodul von 0,66 · 10⁶ kp/cm² auf.

Beispiel V

Amositasbest-Fasern einer weichen, faserigen Sorte werden nach Stärke und Faserlänge verlesen. Fasern mit einer durchschnittlichen Stapellänge von 4 mm und einem Durchmesser von 0,01 mm bis 0,02 mm werden entsprechend Beispiel III behandelt und zur Herstellung von faserverstärkten Gegenständen verwendet.

Epoxyharzproben mit einem Gehalt an 40 Volumenprozent ausgerichteter Asbestfasern weisen einen Elastizitätsmodul von 0,49 · 106 kp/cm² auf.

B e i s ρ i e1 VI

Brüchige Siliziumnitrat-Einkristallf asern mit einem Durchmesser von 0,001 mm bis 0,002 mm und einer Länge von 0,01 mm bis 1 mm werden in einer 5prozentigen bis lOprozentigen wässerigen Gelatinelösung, die vorher so weit erwärmt worden ist, daß sich eine viskose Flüssigkeit ergibt, dispergiert. Die Dispersion wird hierauf durch eine Düse getrieben und in ein kaltes Paraffinbad oder in ein anderes kaltes Flüssigkeitsbad gebracht, welches die Gelatine nicht auflöst, so daß diese in den festen Zustand übergeht. Der durch die Düse getriebene Gelatinefaden wird langsam getrocknet und erhärtet und hierauf vorsichtig auf mäßige Temperaturen von ungefähr 300⁰C bis 500⁰C erwärmt, so daß die Gelatine verbrennt und die ausgerichteten Fasern als Vlies zurückbleiben. Hierauf werden in der in Beispiel I beschriebenen Weise faserverstärkte Gegenstände hergestellt.

Beispiel VII

Kleingehackte Glasfasern mit niedrigem Länge/ Dicke-Verhältnis (Faserlängen von ungefähr 0,3 mm

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und Faserdicken von ungefähr 0,019 mm) werden in schriebenen Weise verfahren. Die ausgerichteten Fa-

einer viskosen Ammoniumalginatlösung dispergiert, sern werden von einem Kunstharz durchsetzt, wo-

bis sich Faserkonzentrationen von ungefähr 5 VoIu- nach in der aus Beispiel I ersichtlichen Weise glas-

menprozent ergeben. Die Dispersion wird durch eine faserverstärkte Kunstharzgegenstände geformt wer-

Düse getrieben und hierauf in der in Beispiel I be- 5 den.

Claims

y Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ausrichten von in faserverstärkte Gegenstände einzubettenden Fasern verhältnismäßig kurzer Stapellänge, dadurch S gekennzeichnet, daß die Fasern in einer viskosen, verfestigbaren Flüssigkeit dispergiert werden und die so erhaltene Dispersion zwecks Ausrichtung der Fasern durch eine Düse getrieben wird, daß hierauf die durch die Düse getriebene Dispersion zu einem die Fasern enthaltenden Körper verfestigt wird und daß danach dieser Körper durch Erhitzen aufgelöst wird, so daß die ausgerichtet bleibenden Fasern als Faservlies allein zurückbleiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in einer viskosen Alginatlösung dispergiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Düse getriebene, aus der Alginatlösung gebildete Dispersion mit Säure versetzt wird, so daß die Alginatlösung in einen Feststoff aus Alginsäure übergeht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Fasern enthaltende Festkörper durch Erhitzen auf 300° C bis 500° C aufgelöst wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Fasern enthaltende Festkörper durch Erhitzen zunächst auf 150° C bis 250⁰C und hierauf auf 300° C bis 500° C aufgelöst wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der viskosen verfestigbaren Flüssigkeit ein Metallpulver beigemengt wird.

7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf Fasergut, das mindestens zu 50 Gewichtsprozent eine Stapellänge von weniger als 5 mm hat.

8. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf Asbestfasern.

9. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf Glasfasern.

10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf Einkristall-Fasern, beispielsweise Silizium-Nitritfasern.

11. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Herstellung von faserverstärkten Gegenständen, wobei das aus ausgerichteten Fasern bestehende Faservlies mit einer aushärtbaren Masse durchsetzt wird.