DE2727741C2 - Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles aus faserverstärktem Verbundwerkstoff unter Verwendung eines formgebenden Kernes.

Faserverstärkte Werkstoffe haben allgemeine Bedeutung erlangt und es wurden bereits zahlreiche Zusammensetzungen für die verschiedensten Anwendungsbereiche entwickelt.

Vielfach werden für das Matrixmaterial Epoxiharze verwendet und unter Einbringen von Fasern aus z. B. Kohle, Bor, Glas und anderen auf den jeweiligen w Anwendungsfall abgestimmt.

Es gibt Anwendungsbereiche wie z. B. hochtourig drehende Körper, insbesondere Wellen und Rotoren, bei denen sehr hohe Anforderungen an den Werkstoff gestellt werden, um den auferlegten Lasten bzw. Zentrifugalkräften standzuhalten. Neben der hohen Festigkeit und Reißlänge sollte das Material ein möglichst geringes spezifisches Gewicht und hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen. Diese Eigenschaften konnten mit den bisher bekannten Verbundwerk- wi stoffen jeweils nur zum Teil erreicht werden, zumindest ist es nicht möglich gewesen, einen Werkstoff herzustellen, der alle diese Eigenschaften in einem optimalen Maße aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein . Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles, das neben einer möglichst hohen Festigkeit und einem geringen spezifischen Gewicht eine hohe Temperaturbeständigkeit hat, zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Aramidfasern durch eine Tränkvorrichtung gezogen werden, die eine als Matrixmaterial dienende, vorgewärmte Reinharzgießmasse aus Polyphenol-glycidyläther und 4.4'-Diamino-diphenyl-sulfon enthält, daß die getränkte Faser auf einen bis auf 120° vorgeheizten Kern aufgewickelt wird und daß das so hergestellte Bauteil einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

Die im Handel erhältlichen Aramidfasern zeichnen sich als eine billige Faser aus, die hohe Festigkeit und Reißlängenwerte hat Bei der Herstellung werden diese Fasern mit sogenannter Avivage aus Polyäthylenglycol und dessen Veresterungsprodukten mit organischen Fettsäuren versahen, die eine Beschädigung der Fasern beim Verarbeiten verhindern soll. Dieses als Schutz dienende Material wirkt als Weichmacher für Harze. Diese hochwertigen Fasern mußten deshalb bei ihrer Verwendung mit den herkömmlichen Epoxiharzen und den bekannten Herstellungsverfahren für faserverstärkte Verbundwerkstoffe zunächst gereinigt, d. h. von der Avivage befreit werden, wenn der Werkstoff bei höheren Temperaturbelastungen verwendet werden sollte. Ist der Härteanteil der Harzmatrix ein Anhydrid, so kann er durch die Avivage teilweise zerstört werden und demzufolge werden die Eigenschaftswerte des Reinharzformstoffes stark verschlechtert, so daß das Material z. B. schon bei 60° C weich werden kann.

Das in der Matrix gemäß der Erfindung als Härter verwendete aromatische Diamin wird dagegen nicht durch die Avivage beeinflußt. Auf der anderen Seite wird der Reinharzformstoff, in dem als Harz ein Epoxinovolak verwendet wird, zwar durch die Avivage auch weich gemacht, jedoch hat dieses Harzsystem im reinen Zustand eine so hohe Temperaturbeständigkeit, daß es trotz der Erweichung immer noch eine Temperaturbeständigkeit bis 160° C beibehält. Durch diesen Effekt wird wiederum die Bruchdehnung des Harzes erhöht, so daß die erfindungsgemäße Zusammensetzung nicht nur die Möglichkeit bietet, die hochwertigen und billigen Aramidfasern mit der handelsüblichen Avivage für die Herstellung von Verbundwerkstoffen zu verwenden, sondern daß ein Werkstoff von besonderen Eigenschaften, wie hoher Bruchdehnung senkrecht zur Faser, Festigkeit und Temperaturbeständigkeit erreicht wird.

Bei höheren Temperaturen reagiert die Avivage mit dem Harzsystem unter Bildung einer Verbindung, die im Gegensatz zu Avivage selbst auch unter Vakuum nicht verdampft. Die Reaktionstemperatur beträgt in etwa 160° C. Unter diesen Bedingungen ist es durchaus möglich, den erfindungsgemäßen Werkstoff einer Wärmebehandlung zu unterziehen, um damit ein Material zu erreichen, das außerdem hochvakuumfest ist.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften des erfindungsgemäß hergestellten Werkstoffes sind, daß eine sehr gute Haftung zwischen Faiser und Matrix besteht und daß der Werkstoff mechanisch bearbeitbar ist.

Nach ausgiebigen Versuchen konnte festgestellt werden, daß 4.4'-Diamino-diphenyl-sulfon besonders gut als Härter für die Matrix geeignet ist.

Es ist vorteilhaft, einen Kern aus Aluminium zu verwenden, der aufgrund seiner hohen Temperaturdehnung nach dem Erkalten stärker als das Verbundbauteil schrumpft und sich ohne weiteres herausziehen läßt.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Rotoren von Gas-Ultra-

zentrifugen zur Isotopentrennung von Kernbrennstoffen.

Wie bekannt ist, sind die Rotoren von derartigen Zentrifugen in einem Vakuumbehälter angeordnet und außerdem einem korrosivem Medium, sowie aufgrund der erwünschten hohen Drehgeschwindigkeit starken Belastungen ausgesetzt Diese Anforderungen werden alle von dem aramidfaserverstärkten Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung erfüllt Die Einwirkung der Avivage auf das Harz gewährleistet die erforderliche Bruchdehnung senkrecht zur Faser. Eine Ausgasung im Vakuum erfolgt nicht, weil das einzige verdampfbare Material, nämlich die Avivage in eine nicht verdampfende Verbindung umgesetzt ist. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist daß durchaus erreichbare höhere Temperatüren in der Zentrifuge, die 100° übersteigen können, keinen Einfluß auf den erfindungsgemäßen Rotor haben.

Im allgemeinen eignet sich das Verfahren gemäß der Erfindung zur Herstellung von Rohren. Hierzu wird ein Aluminiumdorn oder -kern mit entsprechendem Durchmesser auf einer Wickelmaschine eingespannt und auf 110 bis 120° durch Innenheizung erhitzt. Zur Herstellung der Reinharzgießmasse wird der Expoxinovolak auf 120⁰C erhitzt und das als Härter dienende 4.4'-Diamino-diphenyI-sulfon in Pulverform im stöchio- 2Ί metrischen Verhältnis beigemischt. Diese so erhaltene Reinharzgießmasse wird in eine Tränkwanne eingefüllt und auf 85° gehalten. Von einer Faserspule wird die Aramidfaser durch die Tränkwanne gezogen und auf den vorgewärmten Kern in einer oder mehreren Lagen aufgewickelt Es hat sich gezeigt daß eine gute Benetzbarkeit zwischen Faser und Matrix besteht so daß bei diesem Verfahren eine kontinuierlich benetzte Faser gewährleistet ist

Nach dem Wickelprozeß wird das Bauteil samt dem Kern einem Härtezyklus unterworfen. Hierfür wird das Gebilde zunächst 3 Stunden auf 85° C gehalten und danach innerhalb einer dreistündigen Zeitspanne auf 160° C aufgeheizt. Bei dieser Temperatur wird das Bauteil 15 Stunden lang gehalten, um den Aushärtungsprozeß zu vervollständigen und die Reaktion der auf der Faser befindlichen Avivage mit der Matrix zu ermöglichen. Die Matrixmasse, die in reiner Form eine Temperaturbeständigkeit von 200° aufweisen würde, ist nach diesem Härtungsprozeß und durch die Einwirkung der Avivage immer noch ausreichend temperaturbeständig, und zwar bis 160— 170° C.

Aufgrund der stärkeren Wärmedehnung des Aluminiums läßt sich der Dorn bzw. der Kern nach dem Erkalten des Gebildes einfach herausziehen. Es ist selbstverständlich auch möglich, Hohl- oder andere -körper nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellen, bei denen es nicht unbedingt erforderlich ist, den Kern vom Verbund zu trennen. In diesen Fällen wird man die Wahl des Kernmaterials auf den Anwendungsfall richten und/oder so treffen, daß möglichst keine Wärmedehnungsunterschiede zwischen Verbund und Kern bestehen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles aus faserverstärktem Verbundwerkstoff, unter Verwendung eines formgebenden Kernes, dadurch gekennzeichnet, daß Aramidfasern durch eine Tränkvorrichtung gezogen werden, die eine als Matrixmaterial dienende, vorgewärmte Reinharzgießmasse aus Polyphenol-glycidyläther und 4.4'-Diamino-diphenyl-sulfon enthält, daß die getränkte Faser auf einen bis auf 120° vorgeheizten Kern aufgewickelt wird und daß das so hergestellte Bauteil einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aluminiumkern verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinharzgießmasse durch Einmischen von pulverförmigem 4.4'-Diamino-diphenylsulfon in das auf etwa 120° erhitzten Polyphenol-glycidyläther hergestellt worden ist

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinharzgießmasse während des Wickelvorganges auf 85° gehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für den Härtungsprozeß das Bauteil 3 Stunden lang auf 85° gehalten, danach innerhalb 3 Stunden auf 160° erwärmt und schließlich 16 Stunden auf 160° gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern nach dem Erkalten des Bauteiles entfernt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil einen wesentlichen Teil des Rotors einer Ultra-Gaszentrifuge bildet.