EP2959044A1 - Fiber-based carrier structure for liquids and solid particles - Google Patents
Fiber-based carrier structure for liquids and solid particlesInfo
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- EP2959044A1 EP2959044A1 EP14705188.2A EP14705188A EP2959044A1 EP 2959044 A1 EP2959044 A1 EP 2959044A1 EP 14705188 A EP14705188 A EP 14705188A EP 2959044 A1 EP2959044 A1 EP 2959044A1
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Definitions
- the present invention relates to a fiber-based carrier structure comprising proportions of industrially produced reinforcing fibrous webs comprising as a first reinforcing fiber component finite fibers in a confused array and comprising as a second reinforcing fiber component finite fiber bundles, the fiber-based carrier structure further comprising a pore system.
- WO 2012/072 405 A1 describes a fiber preform having a unidirectional fiber ribbons, which is constructed from two zones which differ from one another. This known fiber preform thus has an anisotropic structure. In a first zone reinforcing fiber bundles are arranged, the one
- Resin composition while the second zone comprises a unidirectionally oriented reinforcing yarn strand, as well as a resin composition.
- the aim of this document is to provide a fiber preform that allows adaptation to the respective local loads in the component.
- WO 2010/139077 A1 describes a method for producing a composite material having the features of the aforementioned type.
- This comprises a core layer comprising at least 20% by volume of air pores comprising a fiber-reinforced thermoplastic and reinforcing strips of continuous, parallel, unidirectional reinforcing fibers which are embossed on one or both sides into the surface of the core layer.
- the reinforcing fibers of the outer layer are thermally welded to the core layer using thermoplastic binders. It remains unclear how the airborne content in the core layer is deliberately adjusted. could be or whether these pores are still accessible from the outside. Here there is a high product anisotropy between core and outer layer.
- the embossed in the surface of the core layer reinforcing fiber strips are aligned parallel to each other. This document is about producing a composite material with high strength and rigidity, which is a good one
- DE 10 2007 012 608 A1 relates to a method for producing a preform for a force-flow-compatible fiber composite structure in which a flat sliver obtained by spreading a fiber bundle is placed at a predefined position and then fixed by means of a binder material. Since a load-oriented arrangement of the slivers is sought here, results in a high product aisotropy. No defined mixtures of individual fibers and fiber bundles are used.
- DE 10 2008 026 161 A1 describes a method for producing a fiber composite component in which continuous reinforcement fibers are used, which are combined with a matrix material to form an impregnated fiber material in the immediate vicinity of a molding die. Again, it is a load-based arrangement of reinforcing fibers, resulting in a high anisotropy in fiber orientation, with endless reinforcing fibers are used.
- nonwovens are used, which are characterized in that they consist of fibers whose position can only be described by the methods of statistics.
- Nonwovens are made according to the fiber material (eg the polymer in man-made fibers), the bonding process a distinction is made between fiber type (staple or continuous fibers), fiber fineness and fiber orientation.
- the fibers can be deposited defined in a preferred direction or be completely stochastically oriented as the random nonwoven fabric or random web.
- a nonwoven fabric with defined proportions of fiber bristles and individual fibers as a support structure for substances and its use in the field of fiber composites has hitherto not been known.
- Conventional nonwovens which may be bonded mechanically, thermally or chemically, have detectable properties, depending on the pulp, fiber geometry (thickness, length), pulp mixture and production or solidification, in order to bind liquids or solid particles in the form of powders.
- liquids this is referred to as a certain pumping speed, which is expressed by the fact that more or less large quantities of liquid - mostly aqueous, low-viscosity systems for applications in the area of cleaning or of absorbing in the sense of disposal, in a nonwoven fabric be absorbed into the inner layers. Tough liquids or melts can only be absorbed at the fleece surface without additional measures. As the viscosity of the liquid increases, it becomes increasingly difficult to penetrate it into the core of a nonwoven layer. Here you can help yourself with long drinking times, with an additional elaborate suction of the nonwoven fabric, for example by means of vacuum or pressure injection with only limited success.
- the object of the present invention is to define a fiber-based support structure with the features mentioned, made for example of fiber beds of finite fibers random arrangement / orientation, the matt-like or three-dimensionally shaped as reinforcing kung semi-finished a high and controllable impregnability with viscous liquids and Having powders and at the same time deposit high amounts of these substances in the interior evenly distributed.
- the invention provides a fiber-based carrier structure for the production of fiber-reinforced composite materials, which by using a defined mixture of finely randomly arranged fiber bundles and finely randomly arranged individual fibers, in particular for the absorption of liquids, melts and / or
- Solid particles is suitable, wherein on the mixing ratio fiber bundle: individual fibers, the impregnability and the absorption capacity of liquid, viscous, and / or solid powdery substances is adjustable.
- the fiber in this case, the structure, in terms of length, width and thickness, has the same structure and is characterized by an open-cell, openly accessible pore system.
- the fibrous carrier structure according to the invention does not consist of at least two different product zones of different composition and orientation as described in WO2012 / 072405 A1 or, as described in WO 2010/139077, a core and a completely differently constructed top layer of continuous fibers.
- the finite fiber bundles result from initially endless but finely shrunk reinforcing fiber bundles or multifilament yarn pieces in which the individual fibers adhere to one another mechanically by non-natural bonding means for at least 50% of their length.
- it may also be fibrous materials from recycling processes, if they result in a bundle-like manner in the context of this invention.
- the individual fibers used in the mixture used may consist of the same or a different polymer as the fiber bundles used.
- This particular support structure formed from both fiber systems, fiber bundles and single fibers in a defined uniform or different thickness and / or basis weight, is mechanically, thermally and / or chemically stabilized and fixed in such a way that at least 10, at most 90% of the resulting, consolidated fiber support Fiber bundles with a minimum of 10 parallel adhering individual fibers and an open-pore system open over the entire structure open.
- the pore system comprises a plurality of interconnected cavities which are interconnected by transport channels to transport externally applied powders and / or liquids in the cavities can.
- the product is provided to produce the product from a defined mixture of individual finite fibers and finite fiber bundles, to form them into a surface or three-dimensionally and then to fix them.
- the proportion of the fiber bundles used determines to a decisive degree the impregnability or the penetration depth of highly viscous and powdery substances into the product layer.
- the proportion of individual fibers determines to a decisive extent the penetrability of storable liquids or powders.
- the higher the proportion of fiber bundles in the structure the higher the proportion of larger cavities with macropores and partly continuous channels, the higher the proportion of individual fibers in the structure, the higher the proportion of smaller cavities.
- the cavities are connected to each other by transport channels to transport externally applied powder and / or liquids or melts in the cavities can.
- this effect is specifically designed and controlled via a specifically adjustable mixture of the two components.
- the product according to the invention therefore finely fibrous materials of the same or different types in two forms, a bundled, undefibered form and a fiber-singled form in defined proportions processed so that in a nonwoven mat or a three-dimensional molding at least 10%, but not more than 90% of the fibers used still remain as undecorated bundles and thus significantly determine their further usability as semi-finished fiber products for reinforcing plastics.
- the fiber bundles and the individual fibers are present in a random arrangement, without defined orientation, as can be achieved, for example, by a confused filling.
- Such mixtures can be generated defined on the one hand by gravimetric weighing of one or more bundled fiber components with one or more fiber-isolated fiber components and subsequent mixing, for example by means of textile mixing technology.
- the aperture technique, number of passages and parameters to be used are adjusted to one another in conjunction with the character of the fiber-bundled starting material in such a way that the desired residual bundle fraction in the product results.
- the main influencing parameters in the starting material are the fiber bundle length and the adhesion intensity of the individual fibers in the fiber bundles presented.
- the mechanically detachable parallel sticking together of the individual fibers over a length of> 50% of the individual fiber length in the bundles is decisively determined by the type and amount of adhesive polymer-foreign substances, such as, for example, sizes and finishes, on the fiber surface.
- Binders in the bundles can also be used non-crosslinked and / or uncured polymers.
- An important criterion is that these bundles must be mechanically relatively easy to dissolve. In this way, it is technically possible to produce constant proportions of 10% to 90% fiber bundles and the remainder as individual fibers in a quantity of fiber which, by mechanical and / or pneumatic processing, subsequently to a constant or variable thickness and basis weight.
- ierenden fiber layer can be constructed.
- the fiber bundles are characterized in that they consist of at least 10 parallel adhering individual fibers that adhere to each other over at least 50% of their length.
- the fiber bundles can be mechanically resolved relatively easily and without fiber damage into smaller bundles or individual fibers.
- the use of carding and carding in the processing process is dispensed with.
- the type of modifications depends on the plant technology used, the fiber material used and the fraction of fiber bundles desired in the end product. In tests, therefore, all influencing parameters must be coordinated with each other and the necessary plant and technology modifications must be made.
- mechanically and / or pneumatically operated aggregates such as filling shafts, airlay or fiber blowing plants are suitable for laying the loose fibrous layer of bundled and shredded fractions.
- the open pore system of the fleece-like semi-finished product consists of small cavities, which form insbeondere as spaces between the tangled, intersecting and diameter very thin single fibers, and larger cavities, which arise as spaces between the tangled intersecting and diameter substantially larger fiber bundles.
- a correspondingly finer or coarser open-pored cavity system or pore system with different impregnabilities and substance storage capacity results.
- These pores or cavities which can be selectively adjusted in accordance with the proportions of individual fibers and fiber bundles, perform the function of binder transport or binder infiltration of the nonwoven semifinished product as well as retention of the binder in the nonwoven semifinished product in subsequent processing.
- the coarser, open pore system forms transport channels for thick, viscous binder resins and powders that reach into the center of the nonwoven layer. This makes it possible to substantially support a targeted, complete impregnation with viscous liquids and powders, which simplifies the impregnation technology on the cost and technology side, shortens impregnation times and makes it possible to use thicker reinforcing semi-finished fiber products.
- the finer pores based on the individual fibers in the product ensure that the penetrated binding components are retained in the product like a sponge and stored.
- the proportion of fine and coarse pores is determined by the respective proportions of coarse fiber bundles and fine individual fibers in the nonwoven fabric.
- impregnating medium to be used for forming the solidified support structure or the fiber-reinforced molding and the infiltration technology the proportions of fiber bundles and individual fibers are to be tested and determined in preliminary tests for the particular fiber material to be used.
- additional vertical branch channels can be formed for the existing pore structure, which support a binder transport into the nonwoven layer and influence the function of impregnability.
- the fibers used are in the range of conventional reinforcing fiber substances settled. These may be organic fibers such as para-aramids as well as glass and carbon fibers including such fibers from various recycling processes.
- Fiber bundling was determined by manually screening a fiber sample of 1 g, weighing the bundles of at least 10 individual fibers and calculating the percentage by mass.
- the dimensions of the measuring chamber (diameter, height),
- the porosity of a fiber graft was determined by means of the wool fatigue tester type 4/15/1 from Medimpex (Hungary) by means of this air flow method.
- the Faserpropfen in this case, the specimen, formed from the carrier structure produced according to the embodiment. All parameters except the fiber material to be tested were left constant.
- the air resistance generated by the fiber plug is read in the meter in [mm] of an isopropanol liquid column.
- the column height in [mm] is directly proportional to the established air flow resistance and thus indirectly proportional to porosity.
- the tests were each carried out on 1.4 g of fiber material at an air flow rate of 400 l / min.
- the test liquid was a CMC solution having a viscosity (25 ° C) at shear rate 2 / s of 1.7 Pas.
- the mass of the test drop was always 0.5 g.
- the other half of the starting material was processed as a comparison material by a 2-fold carding with a roll card when using 3 worker / Wendercruen at 10 m / min to cream pile and loosely stacked by means of Quertäfler, so that this resulted in a basis weight of 370 g / m 2 ,
- both loose fiber layers, feeder layer and carded and laid layer with a Thermofix the Fa. Schott & Meissner at a flow rate of 2 m / min, a heating temperature of 190 ° C and a gap of 1, 5 mm, in which the two Fiber layers were successively passed between an upper and lower conveyor belt through the thermal consolidation system, semi-solidified to a mat and fixed the formed cavity and pore structures.
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Abstract
The invention relates to a fiber-based carrier structure made of fractions of industrially produced reinforcing fibrous materials, which comprises endless fibers in a tangled arrangement as a first reinforcing fiber component and which comprises endless fiber bundles as a second reinforcing fiber component, wherein the fiber-based carrier structure also has a pore system. According to the invention, endless individual fibers and endless fiber bundles are used as a mixture preferably in an isotropic tangled arrangement to produce a fiber-based carrier structure, the pore system of which is an open-cell pore system and is openly accessible from outside. Said fiber-based carrier structure enables the absorption of liquids and/or solid particles by the selection of a defined mixture ratio of endless fiber bundles and endless individual fibers, wherein the capacity to be impregnated with and the capacity to absorb liquid and/or solid powdery materials can be set by means of the mixture ratio.
Description
Faserbasierte Träqerstruktur für Flüssigkeiten und Feststoff Partikel Die vorliegende Erfindung betrifft eine faserbasierte Trägerstruktur aus Anteilen industriell erzeugter Verstärkungsfaserstoffe, umfassend als eine erste Verstärkungsfaserkomponente endliche Fasern in einer wirren Anordnung und umfassend als eine zweite Verstärkungsfaserkomponente endliche Faserbündel, wobei die faserbasierte Trägerstruktur weiterhin ein Porensystem aufweist. The present invention relates to a fiber-based carrier structure comprising proportions of industrially produced reinforcing fibrous webs comprising as a first reinforcing fiber component finite fibers in a confused array and comprising as a second reinforcing fiber component finite fiber bundles, the fiber-based carrier structure further comprising a pore system.
[Stand der Technik] [State of the art]
In der WO 2012/072 405 A1 ist ein unidirektionale Faserbänder aufweisender Faservorformling beschrieben, der aus zwei Zonen aufgebaut ist, die sich voneinander unterscheiden. Dieser bekannte Faservorformling hat somit einen anisotropen Aufbau. In einer ersten Zone sind Verstärkungsfaserbündel angeordnet, die eine WO 2012/072 405 A1 describes a fiber preform having a unidirectional fiber ribbons, which is constructed from two zones which differ from one another. This known fiber preform thus has an anisotropic structure. In a first zone reinforcing fiber bundles are arranged, the one
Harzzusammensetzung aufweisen, während die zweite Zone einen unidirektional ausgerichteten Verstärkungsgarnstrang umfasst, sowie ebenfalls eine Harzzusammensetzung. Ziel dieses Dokuments ist die Bereitstellung eines Faservorform- lings, der eine Anpassung an die jeweiligen lokalen Belastungen im Bauteil ermög- licht. Resin composition, while the second zone comprises a unidirectionally oriented reinforcing yarn strand, as well as a resin composition. The aim of this document is to provide a fiber preform that allows adaptation to the respective local loads in the component.
Die WO 2010/139077 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs mit den Merkmalen der eingangs genannten Gattung. Dieser umfasst eine mindestens 20 Vol. % Luftporen enthaltende Kernschicht aus einem Wirrfa- sern verstärkten thermoplastischen Kunststoff und Verstärkungsstreifen aus kontinuierlichen, parallelen, unidirektionalen Verstärkungsfasern, die ein-oder beidseitig in die Oberfläche der Kernschicht eingeprägt sind. Die Verstärkungsfasern der Außenschicht werden mit Thermoplastbinder auf die Kernschicht thermisch aufgeschweißt. Es bleibt offen, wie der Luftporengehalt in der Kernschicht gezielt einge-
stellt werden könnte bzw. ob diese Poren überhaupt noch von außen zugänglich sind. Hier liegt eine hohe Produktanisotropie zwischen Kern und Außenschicht vor. Die in die Oberfläche der Kernschicht eingeprägten Verstärkungsfaserstreifen sind parallel zueinander ausgerichtet. In diesem Dokument geht es um die Herstellung eines Verbundwerkstoffs mit hoher Festigkeit und Steifigkeit, der eine gute WO 2010/139077 A1 describes a method for producing a composite material having the features of the aforementioned type. This comprises a core layer comprising at least 20% by volume of air pores comprising a fiber-reinforced thermoplastic and reinforcing strips of continuous, parallel, unidirectional reinforcing fibers which are embossed on one or both sides into the surface of the core layer. The reinforcing fibers of the outer layer are thermally welded to the core layer using thermoplastic binders. It remains unclear how the airborne content in the core layer is deliberately adjusted. could be or whether these pores are still accessible from the outside. Here there is a high product anisotropy between core and outer layer. The embossed in the surface of the core layer reinforcing fiber strips are aligned parallel to each other. This document is about producing a composite material with high strength and rigidity, which is a good one
Schallabsorption aufweist. Die Poren haben keine Bedeutung für die Aufnahme von Flüssigkeiten oder Feststoff Partikeln, d.h. es wird keine Tränkbarkeit angestrebt. Die DE 10 2007 012 608 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Preform für eine kraftflussgerechte Faserverbundstruktur, bei der ein durch aufspreizen eines Faserbündels erhaltenes flaches Faserband an einer vordefinierten Position platziert und danach mittels eines Bindermaterials fixiert wird. Da hier eine lastgerechte Anordnung der Faserbänder angestrebt wird, ergibt sich eine hohe Produkta- nisotropie. Es werden keine definierten Mischungen von Einzelfasern und Faserbündeln eingesetzt. Sound absorption has. The pores have no significance for the uptake of liquids or solid particles, i. it is not desired to drink. DE 10 2007 012 608 A1 relates to a method for producing a preform for a force-flow-compatible fiber composite structure in which a flat sliver obtained by spreading a fiber bundle is placed at a predefined position and then fixed by means of a binder material. Since a load-oriented arrangement of the slivers is sought here, results in a high product aisotropy. No defined mixtures of individual fibers and fiber bundles are used.
Die DE 10 2008 026 161 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, bei dem mit Endlosverstärkungsfasern gearbeitet wird, die mit einem Matrixmaterial unter Bildung eines imprägnierten Fasermaterials in unmittelbarer Nähe einer Formdüse zusammengeführt werden. Auch hier geht es um eine lastgerechte Anordnung von Verstärkungsfasern, was zu einer hohen Anisotropie in Faserausrichtung führt, wobei endlose Verstärkungsfasern eingesetzt werden. DE 10 2008 026 161 A1 describes a method for producing a fiber composite component in which continuous reinforcement fibers are used, which are combined with a matrix material to form an impregnated fiber material in the immediate vicinity of a molding die. Again, it is a load-based arrangement of reinforcing fibers, resulting in a high anisotropy in fiber orientation, with endless reinforcing fibers are used.
Bei der Herstellung von Faserschichten in der klassischen Textilindustrie im Bereich der Vliesstoffe oder vliesähnlichen Füllstoffe ist man stets bestrebt, die eingesetzten endlichen Faserstoffe möglichst zu 100% komplett zu vereinzeln. Noch vorhandene Restfaserbündel, bei Chemiefasern auch als Schnittbündel bezeich- net, werden als Fehlstellen definiert und sollten möglichst nicht vorkommen. Dementsprechend spricht man nach dem derzeitigen Stand der Technik von Vliesstoffen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie aus Fasern bestehen, deren Lage sich nur mit den Methoden der Statistik beschreiben lässt. Vliesstoffe werden nach dem Fasermaterial (z.B. dem Polymer bei Chemiefasern), dem Bindungsverfah-
ren, der Faserart (Stapel- oder Endlosfasern), der Faserfeinheit und der Faserorientierung unterschieden. Die Fasern können dabei definiert in einer Vorzugsrichtung abgelegt werden oder gänzlich stochastisch orientiert sein wie beim Wirrlagen-Vliesstoff oder Wirrvlies. Ein Vliesstoff mit definierten Anteilen von Faserbün- dein und Einzelfasern als Trägerstruktur für Substanzen sowie dessen Verwendung im Bereich der Faserverbundwerkstoffe ist bisher nicht bekannt. Die Trägerstruktur kann hier eine lose Faserschüttung bis zum verfestigten 2D- und SD- Gebilde, z.B. Vliesstoff = 2D, sein. Konventionelle Vliesstoffe, die mechanisch, thermisch oder chemisch gebunden sein können, verfügen je nach Faserstoff, Fasergeometrie (Dicke, Länge), Faserstoffmischung und Fertigung bzw. Verfestigung über nachweisbare Eigenschaften, um Flüssigkeiten oder Feststoff partikel in Form von Pulvern zu binden. Bei Flüssigkeiten spricht man von einem bestimmten Saugvermögen, was sich darin äu- ßert, dass mehr oder minder große Flüssigkeitsmengen - meist handelt es sich hier um wässrige, dünnflüssige Systeme für Anwendungen im Bereich der Reinigung oder des Aufsaugens im Sinne der Entsorgung, in einem Vliesstoff bis in die Innenlagen aufgenommen werden. Zähe Flüssigkeiten oder Schmelzen können ohne zusätzliche Hilfsmaßnahmen nur an der Vliesoberfläche aufgenommen wer- den. Mit zunehmender Zähigkeit/Viskosität der Flüssigkeit wird es immer schwieriger, diese bis in den Kern einer Vliesstoffschicht hineinzubringen. Hier hilft man sich mit langen Tränkzeiten, mit einer zusätzlichen aufwändigen Besaugung des Vliesstoffes z.B. mittels Vakuum oder über Druckinjektion mit nur begrenzten Erfolgen. In the production of fiber layers in the classic textile industry in the field of nonwovens or fleece-like fillers, it is always the endeavor to completely singulate the finite fibers used as completely as possible. Remaining fiber bundles, also called cut bundles in man-made fibers, are defined as defects and should not occur as far as possible. Accordingly, according to the current state of the art, nonwovens are used, which are characterized in that they consist of fibers whose position can only be described by the methods of statistics. Nonwovens are made according to the fiber material (eg the polymer in man-made fibers), the bonding process a distinction is made between fiber type (staple or continuous fibers), fiber fineness and fiber orientation. The fibers can be deposited defined in a preferred direction or be completely stochastically oriented as the random nonwoven fabric or random web. A nonwoven fabric with defined proportions of fiber bristles and individual fibers as a support structure for substances and its use in the field of fiber composites has hitherto not been known. The support structure here can be a loose fiber bed up to the solidified 2D and SD structure, eg nonwoven fabric = 2D. Conventional nonwovens, which may be bonded mechanically, thermally or chemically, have detectable properties, depending on the pulp, fiber geometry (thickness, length), pulp mixture and production or solidification, in order to bind liquids or solid particles in the form of powders. In the case of liquids, this is referred to as a certain pumping speed, which is expressed by the fact that more or less large quantities of liquid - mostly aqueous, low-viscosity systems for applications in the area of cleaning or of absorbing in the sense of disposal, in a nonwoven fabric be absorbed into the inner layers. Tough liquids or melts can only be absorbed at the fleece surface without additional measures. As the viscosity of the liquid increases, it becomes increasingly difficult to penetrate it into the core of a nonwoven layer. Here you can help yourself with long drinking times, with an additional elaborate suction of the nonwoven fabric, for example by means of vacuum or pressure injection with only limited success.
Ähnlich problematisch ist es, in solche konventionellen Vliesstoffe aus Einzelfasern Festpartikel in Form von Pulvern oder feinen Partikeln einzutragen. Sie bleiben meist auf der Vliesoberfläche liegen und dringen nur in oberflächennahe Schichten. Das engporige System aus Zwischenräumen beim Einsatz von Einzel- fasern verhindert ein tieferes Eindringen bis in den Vlieskern. Dieses hohe Partikelrückhaltevermögen von konventionellen Vliesstoffen wird beispielsweise in der Staub- oder Aerosolfiltration vorteilhaft ausgenutzt, ist jedoch in anderen Anwendungsbereichen z.B. bei der Herstellung faserverstärkter Kunststoffe, wo später aushärtende Matrixmaterialien in Form von zähen Flüssigkeiten oder Pulvern
möglichst homogen in Verstärkungsfaservliesstoffen, -schüttungen oder matten eingebracht werden müssen, äußerst hinderlich. It is similarly problematic to introduce solid particles in the form of powders or fine particles into such conventional nonwoven fabrics made of individual fibers. They usually remain on the fleece surface and penetrate only in shallow layers. The narrow-pored system of intermediate spaces when using single fibers prevents deeper penetration into the fleece core. This high particle retention capacity of conventional nonwovens is advantageously utilized, for example, in dust or aerosol filtration, but is used in other applications, for example in the production of fiber-reinforced plastics, where later curing matrix materials in the form of viscous liquids or powders must be introduced as homogeneous as possible in reinforcing fiber nonwovens, fillings or mats, extremely hindering.
Im Bereich der faserverstärkten Kunststoffe ist es erforderlich, dass pulverförmige Bindesubstanzen und zähviskose Flüssigbinder möglichst dicke Verstärkungsfaserschichten gleichmäßig durchdringen, um im späteren Faserverbundwerkstoff einen gleichmäßigen Fasergehalt über den Produktquerschnitt zu erhalten. Hier hilft man sich, indem man mitunter Matten aus 100% Schnittfaserbündeln einsetzt. Solche sogenannten Schnittrovingmatten, beispielsweise auf Basis von Glasfa- sern, verfügen zwar über eine gute Durchdringbarkeit mit hochviskosen Flüssigkeiten und Bindepulvern, sind jedoch nicht in der Lage, solche Bindesubstanzen im Sinne einer Depotbildung in großen Mengen bindend aufzusaugen und zu halten. In the field of fiber-reinforced plastics, it is necessary for pulverulent binders and viscous liquid binders to penetrate the thickest possible reinforcing fiber layers uniformly in order to obtain a uniform fiber content over the product cross section in the later fiber composite material. Here one helps oneself, by using sometimes mats from 100% Schnittfaserbündeln. Although such so-called Schnittrovingmatten, for example based on glass fibers, have good penetrability with highly viscous liquids and binding powders, but are not able to absorb such binding substances in the sense of depot formation in large quantities binding and to hold.
[Aufgabe der Erfindung] OBJECT OF THE INVENTION
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine faserbasierte Trägerstruktur mit den eingangs genannten Merkmalen zu definieren, hergestellt zum Beispiel aus Faserschüttungen aus endlichen Faserstoffen zufälliger Anordnung/Orientierung, die mattenähnlich oder dreidimensional geformt als Verstär- kungsfaserhalbzeug eine hohe und steuerbare Durchtränkbarkeit mit zähen Flüssigkeiten und Pulvern aufweist und gleichzeitig hohe Mengen dieser Substanzen im Inneren gleichmäßig verteilt deponieren kann. The object of the present invention is to define a fiber-based support structure with the features mentioned, made for example of fiber beds of finite fibers random arrangement / orientation, the matt-like or three-dimensionally shaped as reinforcing kung semi-finished a high and controllable impregnability with viscous liquids and Having powders and at the same time deposit high amounts of these substances in the interior evenly distributed.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine faserbasierte Trägerstruktur der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. The solution to this problem provides a fiber-based support structure of the aforementioned type with the features of the main claim.
Die Erfindung stellt eine faserbasierte Trägerstruktur zur Herstellung faserverstärkter Verbundwerkstoffe zur Verfügung, die durch Einsatz einer definierten Mischung aus endlichen wirr angeordneten Faserbündeln und endlichen wirr angeordneten Einzelfasern besonders für die Aufnahme von Flüssigkeiten , Schmelzen und/oderThe invention provides a fiber-based carrier structure for the production of fiber-reinforced composite materials, which by using a defined mixture of finely randomly arranged fiber bundles and finely randomly arranged individual fibers, in particular for the absorption of liquids, melts and / or
Feststoff Partikeln geeignet ist, wobei über das Mischungsverhältnis Faserbündel : Einzelfasern die Tränkbarkeit und die Aufnahmefähigkeit von flüssigen, auch zähflüssigen, und/oder festen pulverförmigen Stoffen einstellbar ist. Die Faserträ-
gerstruktur verfügt hierbei in Länge, Breite und Dicke über eine gleiche Struktur und zeichnet sich durch ein offenzelliges, von außen offen zugängiges Porensystem aus. Die erfindungsgemäße Faserträgerstruktur besteht nicht wie in WO 2012/072405 A1 beschrieben aus mindestens zwei unterschiedlichen Produktzonen verschiedener Zusammensetzung und Orientierung oder wie in WO 2010/139077 beschrieben aus einem Kern und einer komplett anders aufgebauten Deckschicht aus Endlosfasern. Solid particles is suitable, wherein on the mixing ratio fiber bundle: individual fibers, the impregnability and the absorption capacity of liquid, viscous, and / or solid powdery substances is adjustable. The fiber In this case, the structure, in terms of length, width and thickness, has the same structure and is characterized by an open-cell, openly accessible pore system. The fibrous carrier structure according to the invention does not consist of at least two different product zones of different composition and orientation as described in WO2012 / 072405 A1 or, as described in WO 2010/139077, a core and a completely differently constructed top layer of continuous fibers.
Bevorzugt resultieren die endlichen Faserbündel in der vorliegenden Erfindung aus ursprünglich endlosen, jedoch auf endliche Längen zerkleinerten Verstär- kungsfaserbündelstücken oder Multifilamentgarnstücken, bei denen die Einzelfasern durch nicht natürliche, bindende Mittel parallel über mindesten 50% ihrer Länge aneinander mechanisch lösbar haften. Es können aber auch Faserstoffe aus Recyclingprozessen sein, wenn diese bündelartig im Sinne dieser Erfindung resultieren. Preferably, in the present invention, the finite fiber bundles result from initially endless but finely shrunk reinforcing fiber bundles or multifilament yarn pieces in which the individual fibers adhere to one another mechanically by non-natural bonding means for at least 50% of their length. However, it may also be fibrous materials from recycling processes, if they result in a bundle-like manner in the context of this invention.
Mit dieser Definition werden die bekannten Faserbündel der Naturfasern wie Flachs, Hanf, Nessel und Kenaf ausgeschlossen. This definition excludes the known fiber bundles of natural fibers such as flax, hemp, nettle and kenaf.
Diese langen, parallel und mechanisch lösbar aneinanderhaftenden Fasern im Faserbündel unterscheiden sich wesentlich von den in der Literatur beispielsweise beim Vermaschen oder Vernadeln von Vliesstoffen genannten Faserbündeln, die nur auf einer kurzen Strecke « 50% der Faserlängen z.B. beim lokalen Zusammenfassen von Wirrfasern in einem Vermaschungshäkchen oder in den Widerhaken beim Vernadeln aus vereinzelt vorliegenden Einzelfasern gebildet werden. Diese in der Literatur beschriebenen Faserbündel werden im Gegensatz zu den in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen endlichen Faserbündeln nur lokal durch äußere Presskräfte oder Bindepunkte zusammengehalten. Sie entstehen erst während der textilen Verarbeitung und werden in der Fachliteratur auch als mechanische Verfestigungspunkte bezeichnet, wohingegen die Faserbündel in der beschriebenen Erfindung bereits im Ausgangsmaterial, dem Faserstoff, vorhanden sind und nicht während des Verarbeitungsprozesses gezielt gebildet werden.
Die in der verwendeten Mischung zum Einsatz kommenden Einzelfasern können aus dem gleichen oder einem anderen Polymer wie die eingesetzten Faserbündel bestehen. Dieses besondere, aus beiden Fasersystemen, Faserbündeln und Ein- zelfasern gebildete Trägerstruktur in definiert einheitlicher oder unterschiedlicher Dicke und/oder Flächenmasse wird mechanisch, thermisch und/oder chemisch stabilisiert und so fixiert, dass mindestens 10, maximal 90% des resultierenden, verfestigten Faserträgers aus Faserbündeln mit einer minimalen Anzahl von 10 parallel aneinanderhaftenden Einzelfasern bestehen und ein über die gesamte Struktur offen zugängliches, offenzelliges Porensystem entsteht. Das Porensystem umfasst eine Vielzahl miteinander verbundener Hohlräume, die durch Transportkanäle miteinander verbunden sind, um von außen aufgebrachte Pulver und/oder Flüssigkeiten in die Hohlräume zu transportieren zu können. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das Produkt aus einer definierte Mischung aus einzelnen endlichen Fasern und endlichen Faserbündeln zu erzeugen, diese zu einer Fläche oder dreidimensional zu formen und anschließend zu fixieren. Der Anteil der eingesetzten Faserbündel bestimmt dabei im entscheidenden Maß die Durchtränkbarkeit bzw. die Eindringtiefe hochviskoser und pulvriger Substanzen in die Produktschicht. Der Anteil der Einzelfasern bestimmt dabei im entscheidenden Maß die Eindringbarkeit speicherbarer Flüssigkeiten oder Pulver. Je höher der Anteil an Faserbündeln in der Struktur, desto höher der Anteil an größeren Hohlräumen mit Makroporen und teilweise durchgängigen Kanälen, je höher der Anteil an Einzelfasern in der Struktur desto höher der Anteil an kleineren Hohlräumen. Die Hohlräume sind dabei durch Transportkanäle miteinander verbunden, um von außen aufgebrachte Pulver und/oder Flüssigkeiten oder Schmelzen in die Hohlräume transportieren zu können. Überraschend hat sich gezeigt, dass in Abhängigkeit zu den Masseanteilen von Einzelfasern zu Faserbündeln sich die Tränkbarkeit einer solchen Struktur mit zähen Flüssigkeiten und Pulvern verändert. Je höher der Anteil an Einzelfasern ist, desto länger dauert ein Durchtränken und desto schlechter dringt ein Pulver in diese Struktur ein. These long, parallel and mechanically detachable adhering fibers in the fiber bundle differ significantly from the fiber bundles mentioned in the literature, for example in the meshing or needling nonwovens, which only a short distance «50% of the fiber lengths, for example, in the local summarization of random fibers in a Vermaschungshäkchen or are formed in the barbs when needling from sporadically present individual fibers. These fiber bundles described in the literature, in contrast to the finite fiber bundles described in the present application, are held together only locally by external pressing forces or binding points. They are formed only during textile processing and are referred to in the literature as mechanical consolidation points, whereas the fiber bundles in the described invention already in the starting material, the pulp, are present and not specifically formed during the processing process. The individual fibers used in the mixture used may consist of the same or a different polymer as the fiber bundles used. This particular support structure, formed from both fiber systems, fiber bundles and single fibers in a defined uniform or different thickness and / or basis weight, is mechanically, thermally and / or chemically stabilized and fixed in such a way that at least 10, at most 90% of the resulting, consolidated fiber support Fiber bundles with a minimum of 10 parallel adhering individual fibers and an open-pore system open over the entire structure open. The pore system comprises a plurality of interconnected cavities which are interconnected by transport channels to transport externally applied powders and / or liquids in the cavities can. According to the invention, it is provided to produce the product from a defined mixture of individual finite fibers and finite fiber bundles, to form them into a surface or three-dimensionally and then to fix them. The proportion of the fiber bundles used determines to a decisive degree the impregnability or the penetration depth of highly viscous and powdery substances into the product layer. The proportion of individual fibers determines to a decisive extent the penetrability of storable liquids or powders. The higher the proportion of fiber bundles in the structure, the higher the proportion of larger cavities with macropores and partly continuous channels, the higher the proportion of individual fibers in the structure, the higher the proportion of smaller cavities. The cavities are connected to each other by transport channels to transport externally applied powder and / or liquids or melts in the cavities can. Surprisingly, it has been found that, depending on the mass fractions of individual fibers into fiber bundles, the impregnability of such a structure changes with viscous liquids and powders. The higher the proportion of single fibers, the longer it takes to soak, and the worse a powder penetrates into this structure.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass dieser Effekt über eine gezielt einstellbare Mischung aus beiden Komponenten gezielt ausgebildet und gesteuert wird.
Beim erfindungsgemäßen Produkt werden deshalb endliche Faserstoffe gleicher oder unterschiedlicher Art in zwei Formen, einer bündeligen, unzerfaserten Form und einer faservereinzelten Form in definierten Mengenanteilen so verarbeitet, dass in einer vliesstoffähnlichen Matte oder einem dreidimensionalem Formteil mindestens 10%, jedoch maximal 90% der eingesetzten Fasern noch als unzerfa- serte Bündel verbleiben und damit maßgeblich die weitere Verwendbarkeit als Faserhalbzeug zur Verstärkung von Kunststoffen bestimmt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Faserbündel und die Einzelfasern dabei in zufälliger Anordnung, ohne definierte Orientierung vor, wie man sie zum Beispiel durch eine wirre Schüttung erreicht. According to the invention, it is provided that this effect is specifically designed and controlled via a specifically adjustable mixture of the two components. In the product according to the invention therefore finely fibrous materials of the same or different types in two forms, a bundled, undefibered form and a fiber-singled form in defined proportions processed so that in a nonwoven mat or a three-dimensional molding at least 10%, but not more than 90% of the fibers used still remain as undecorated bundles and thus significantly determine their further usability as semi-finished fiber products for reinforcing plastics. In a preferred embodiment, the fiber bundles and the individual fibers are present in a random arrangement, without defined orientation, as can be achieved, for example, by a confused filling.
Derartige Mischungen können einerseits durch gravimetrisches Abwiegen einer oder mehrerer bündeliger Faserkomponenten mit einer oder mehreren faserver- einzelten Faserkomponenten und anschließendes Durchmischen beispielsweise mit textiler Mischtechnik definiert erzeugt werden. Andererseits ist es möglich, ausgehend von einem > 90% faserbündeligen Ausgangsmaterial durch nachfolgende Bearbeitungsprozesse wie das textile Faseröffnen mittels Öffner, die Behandlung durch eine Mühle (DE102009023641 ) mit Reißer, Krempelwolf oder ähn- lieh arbeitenden Aggregaten einen je nach Öffungsintensität einstellbares Masseverhältnis zwischen Faserbündeln und Einzelfasern zu erzeugen. In Versuchsreihen sind dabei die anzuwendende Öffnungstechnik, Passagenanzahl und Parameter im Zusammenspiel mit dem Charakter des faserbündeligen Ausgangsmaterials so aufeinander einzustellen, dass der gewünschte Restbündelanteil im Pro- dukt resultiert. Haupteinflussparameter im Ausgangsmaterial sind die Faserbündellänge und die Haftintensität der Einzelfasern in den vorgelegten Faserbündeln. Das mechanisch lösbare parallele Aneinanderhaften der Einzelfasern über eine Länge > 50% der Einzelfaserlänge in den Bündeln wird maßgeblich durch die Art und Menge auf der Faseroberfläche befindlicher, faserpolymerfremder, adhäsiv wirkender Substanzen wie beispielsweise Schlichten und Avivagen bestimmt. AlsSuch mixtures can be generated defined on the one hand by gravimetric weighing of one or more bundled fiber components with one or more fiber-isolated fiber components and subsequent mixing, for example by means of textile mixing technology. On the other hand, it is possible, starting from a> 90% fiber-bundled starting material by subsequent processing processes such as textile fiber opening by means of opener, the treatment by a mill (DE102009023641) with ripper, carding or similar-working units an adjustable depending on Öffungsintensität mass ratio between fiber bundles and To produce single fibers. In test series, the aperture technique, number of passages and parameters to be used are adjusted to one another in conjunction with the character of the fiber-bundled starting material in such a way that the desired residual bundle fraction in the product results. The main influencing parameters in the starting material are the fiber bundle length and the adhesion intensity of the individual fibers in the fiber bundles presented. The mechanically detachable parallel sticking together of the individual fibers over a length of> 50% of the individual fiber length in the bundles is decisively determined by the type and amount of adhesive polymer-foreign substances, such as, for example, sizes and finishes, on the fiber surface. When
Bindemittel in den Bündeln können auch nicht vernetzte und/oder nicht ausgehärtete Polymere eingesetzt werden. Wichtiges Kriterium ist, dass diese Bündel mechanisch relativ leicht auflösbar sein müssen.
Auf diese Art und Weise ist es technisch möglich, konstante Anteile von 10% bis 90% Faserbündeln und den Rest als Einzelfasern in einem Fasergemenge zu erzeugen, die durch mechanische und/oder pneumatische Verarbeitungsprozesse nachfolgend zu einer in Dicke und Flächenmasse definierten konstanten oder vari- ierenden Faserschicht aufgebaut werden kann. Die Faserbündel sind dabei so charakterisiert, dass sie aus mindestens 10 parallel aneinanderhaftenden Einzelfasern bestehen, die über mindesten 50% ihrer Länge aneinander haften. Die Faserbündel können mechanisch relativ leicht und ohne Faserschädigungen in kleinere Bündel bzw. Einzelfasern aufgelöst werden. Binders in the bundles can also be used non-crosslinked and / or uncured polymers. An important criterion is that these bundles must be mechanically relatively easy to dissolve. In this way, it is technically possible to produce constant proportions of 10% to 90% fiber bundles and the remainder as individual fibers in a quantity of fiber which, by mechanical and / or pneumatic processing, subsequently to a constant or variable thickness and basis weight. ierenden fiber layer can be constructed. The fiber bundles are characterized in that they consist of at least 10 parallel adhering individual fibers that adhere to each other over at least 50% of their length. The fiber bundles can be mechanically resolved relatively easily and without fiber damage into smaller bundles or individual fibers.
Diese Mischung aus Faserbündeln und Einzelfasern mit einem definierten und über die Produktionszeit konstant bleibendem Anteil an Faserbündeln und Einzelfasern führen zu einem definierten Dicken- und Flächenmasseprofil, wobei die Dicke als auch die Flächenmasse bei der Bildung der Faserschüttung zeitlich und flächig einheitlich oder gezielt unterschiedlich ausgebildet sein kann. This mixture of fiber bundles and individual fibers with a defined and constant over the production time proportion of fiber bundles and individual fibers lead to a defined thickness and surface mass profile, the thickness and the basis weight in the formation of the fiber bed in time and area uniform or deliberately different can.
Für die Herstellung und Verarbeitung dieser Fasermischung aus bündeligen und vereinzelten Faserkomponenten können konventionelle faserverarbeitende Aggregate der Textilbranche wie Öffner, Mischkammern, Füllschächte, Airlay- und Faserblasanlagen eingesetzt werden, die jedoch technisch und technologisch so modifiziert sein müssen, dass das angestrebte Mischungsverhältnis von Bün- delanteilen und vereinzelten Fasern sichergestellt wird. Solche Modifikationen beinhalten eine Reduzierung der Anzahl von faseröffnenden Passagen, den Verzicht auf Karden und Krempel im Verarbeitungsprozess, die Reduzierung von Öffnungswalzendrehzahlen, den Einsatz gröberer Walzenbeschläge beim Durchmischen, Homogenisieren und Dosieren und die Vergrößerung von Abständen zwi- sehen zerfasernd wirkenden Arbeitsaggregaten. Alle Maßnahmen dienen im Gegensatz zum Stand der Technik dazu, die im Endprodukt vorteilhaft wirkenden Faserbündelanteile nicht oder nur in einem geringen Maß zu zerfasern. Deshalb wird in einer bevorzugten Ausführungsform auf den Einsatz von Karden und Krempel im Verarbeitungsprozess verzichtet. Die Art der Modifikationen ist abhängig von der zum Einsatz kommenden Anlagentechnik, dem eingesetzten Fasermaterial und dem im Endprodukt gewünschten Anteil von Faserbündeln. In Versuchen sind deshalb alle Einflussparameter gegeneinander abzustimmen und die notwendigen Anlagen- und Technologiemodifikationen vorzunehmen.
Zum Legen der losen Faserschicht aus bündeligen und zerfaserten Anteilen eignen sich prinzipiell mechanisch und/oder pneumatisch arbeitende Aggregate wie Füllschächte, Airlay- oder Faserblasanlagen. Auch hier gilt, dass speziell über oben genannte Maßnahmen Anlagen und Verfahren so ausgelegt sein müssen, dass sie einerseits mischungshomogenisierend, andererseits in ihrer Faseröffnung / Zerfaserungsintensität definiert und nur so stark faseröffnend wirken, dass der angestrebte Zielbereich von Faserbündelanteil und Einzelfaseranteil erreicht wird. Werden im bestimmten Maß faseröffnende Aggregate eingesetzt, muss die zerfasernde Wirkung dieser Aggregate durch einen höheren Faserbündelanteil im be- reitgestellten Ausgangsmaterial berücksichtigt werden. Die Mischung aus Faserbündeln und Einzelfasern wird wirr abgelegt. Conventional fiber-processing aggregates of the textile industry such as openers, mixing chambers, filling shafts, airlay and fiber blowing plants can be used for the production and processing of this fiber mixture of bundled and singulated fiber components, which, however, must be technically and technologically modified such that the desired mixing ratio of bundles and sporadic fibers is ensured. Such modifications include a reduction in the number of fiber-opening passages, the absence of carding and carding in the processing process, the reduction of opening roll speeds, the use of coarser roller fittings during mixing, homogenizing and dosing and the increase of distances between zerfasernd acting work units. All measures are used, in contrast to the prior art, to fiberize the fiber bundle components which advantageously act in the end product or only to a small degree. Therefore, in a preferred embodiment, the use of carding and carding in the processing process is dispensed with. The type of modifications depends on the plant technology used, the fiber material used and the fraction of fiber bundles desired in the end product. In tests, therefore, all influencing parameters must be coordinated with each other and the necessary plant and technology modifications must be made. In principle, mechanically and / or pneumatically operated aggregates such as filling shafts, airlay or fiber blowing plants are suitable for laying the loose fibrous layer of bundled and shredded fractions. Here, too, systems and processes must be specially designed by means of the abovementioned measures in such a way that they not only homogenize the mix but also define their fiber opening / fiberization intensity and only have a strong fiber opening in such a way that the desired target range of fiber bundle fraction and single fiber fraction is achieved. If fiber-opening aggregates are used to a certain extent, the fissuring effect of these aggregates must be taken into account by a higher fiber bundle content in the starting material provided. The mixture of fiber bundles and individual fibers is deposited confused.
Während der Prozesse der Mischung und Homogenisierung und des Legens der Faserschicht können bereits pulverförmige Substanzen, thermisch bindende Kom- ponenten oder flüssige Bindemittel mit eingebracht werden, die nicht ursprünglicher Bestandteil der eingesetzten Fasern und/oder Faserbündel sind. Diese bindenden Komponenten werden eingesetzt zur Fixierung des Porensystems und der Trägerstruktur aus Einzelfasern und Faserbündeln und/oder als bindende Komponente in der Bildung der faserverstärkten Verbundwerkstoffe. Nach der Bildung der losen Faserschicht aus homogen verteilten Faserbündeln und Einzelfasern definierter Anteile ist es notwendig, diese besondere Struktur zu fixieren und gegen Handhabungsbeanspruchungen druck - und zugstabil zu machen. Hierzu können mechanische Verfahren wie das Vernadeln oder Vermaschen oder Bindemittelverfestigungen bindemittelhaltiger oder thermoplasthaltiger Schüttschichten ange- wandt werden. During the processes of mixing and homogenizing and laying the fibrous layer, it is already possible to introduce pulverulent substances, thermally binding components or liquid binders which are not originally part of the fibers and / or fiber bundles used. These binding components are used to fix the pore system and the support structure of single fibers and fiber bundles and / or as a binding component in the formation of the fiber-reinforced composite materials. After the formation of the loose fiber layer of homogeneously distributed fiber bundles and individual fibers of defined proportions, it is necessary to fix this special structure and to make it resistant to pressure and tensile stress against handling stresses. For this purpose, mechanical methods such as needling or meshing or binder strengthening of binder-containing or thermoplastic bulk layers can be used.
Die Einwirkung von Kontakt- oder Strahlungshitze oder ein Durchströmen mit heißer Luft wirken aufschmelzend oder trocknen Flüssigbinderanteile. Das Aufbringen von Bindemitteln zur Fixierung des Porensystems und der Trägerstruktur aus Einzelfasern und Faserbündeln und/oder als bindende Komponente in der Bildung der faserverstärkten Verbundwerkstoffe nach der Schüttschichtbildung in Form einer Bepulverung oder eines Besprühens ist ebenso technisch möglich und wird vom Einsatzzweck der verfestigten Schicht bestimmt. Auch hier erfolgt die Verfestigung in der Regel durch eine das Bindemittel trocknende oder eine auf- bzw. anschmelzende Wärmebehandlung. Durch diese Prozesse wird das gezielt erzeugte
Porensystem im Vlieshalbzeug fixiert. Das offene Porensystem des vliesartigen Halbzeuges besteht aus kleinen Hohlräumen, die sich insbeondere als Zwischenräume zwischen den wirren, sich kreuzenden und im Durchmesser sehr dünnen Einzelfasern bilden, und größeren Hohlräumen, die als Zwischenräume zwischen den wirren sich kreuzenden und im Durchmesser wesentlich größeren Faserbündeln entstehen. Je nach Anteil der Faserbündel an den Einzelfasern entsteht ein dementsprechend feineres oder gröberes offenporiges Hohlraumsystem bzw. Porensystem mit unterschiedlichen Tränkbarkeiten und Substanzspeichervermögen. Diese, entsprechend der Anteile von Einzelfasern und Faserbündeln gezielt ein- stellbaren Poren bzw. Hohlräume übernehmen in der nachfolgenden Weiterverarbeitung die Funktion des Bindemitteltransportes, bzw. der Bindemittelinfiltration des Vlieshalbzeuges sowie das Festhalten des Bindemittels im Vlieshalbzeug. Das gröbere, offene Porensystem bildet Transportkanäle für dickflüssige, zähviskose Bindeharze und Pulver, die bis in das Zentrum der Vliesschicht reichen. Da- mit ist es möglich eine angestrebte komplette, durchgängige Tränkung mit zähen Flüssigkeiten und Pulvern wesentlich zu unterstützen, was die Imprägniertechnologie kosten- und technologieseitig vereinfacht, Tränkzeiten verkürzt und den Einsatz dickerer Verstärkungsfaserhalbzeuge ermöglicht. Die feineren Poren auf Basis der Einzelfasern sorgen im Produkt dafür, dass die eingedrungenen Bindean- teile schwammartig im Produkt festgehalten und eingelagert werden. Exposure to contact or radiant heat, or hot air flow, fuses or dries liquid binder fractions. The application of binders for fixing the pore system and the support structure of individual fibers and fiber bundles and / or as a binding component in the formation of fiber-reinforced composite materials after bulk layer formation in the form of a powdering or spraying is also technically possible and is determined by the intended use of the solidified layer. Again, the solidification is usually carried out by a binder drying or a melting or melting heat treatment. Through these processes, the purposefully generated Pore system fixed in the nonwoven semifinished product. The open pore system of the fleece-like semi-finished product consists of small cavities, which form insbeondere as spaces between the tangled, intersecting and diameter very thin single fibers, and larger cavities, which arise as spaces between the tangled intersecting and diameter substantially larger fiber bundles. Depending on the proportion of fiber bundles on the individual fibers, a correspondingly finer or coarser open-pored cavity system or pore system with different impregnabilities and substance storage capacity results. These pores or cavities, which can be selectively adjusted in accordance with the proportions of individual fibers and fiber bundles, perform the function of binder transport or binder infiltration of the nonwoven semifinished product as well as retention of the binder in the nonwoven semifinished product in subsequent processing. The coarser, open pore system forms transport channels for thick, viscous binder resins and powders that reach into the center of the nonwoven layer. This makes it possible to substantially support a targeted, complete impregnation with viscous liquids and powders, which simplifies the impregnation technology on the cost and technology side, shortens impregnation times and makes it possible to use thicker reinforcing semi-finished fiber products. The finer pores based on the individual fibers in the product ensure that the penetrated binding components are retained in the product like a sponge and stored.
Der Anteil von feinen und groben Poren wird durch die jeweiligen Anteile von groben Faserbündeln und feinen Einzelfasern im Vliesstoff bestimmt. In Abhängigkeit von Vliesdicke, einzusetzendem Tränkmedium zur Bildung der verfestigten Trägerstruktur oder des faserverstärkten Formteils und der Infiltrationstechnologie sind die Anteile von Faserbündeln und Einzelfasern in Vorversuchen für das jeweilige einzusetzende Fasermaterial zu testen und festzulegen. Durch das mechanische Vernadeln oder einen ähnlichen Prozess können zur bestehenden Porenstruktur zusätzliche vertikale Stichkanäle ausgebildet werden, die einen Bindemitteltransport in die Vliesschicht unterstützen und die Funktion der Tränkbarkeit be- einflussen. Durch eine Komprimierung der geschütteten Faserschicht wird in der The proportion of fine and coarse pores is determined by the respective proportions of coarse fiber bundles and fine individual fibers in the nonwoven fabric. Depending on the web thickness, impregnating medium to be used for forming the solidified support structure or the fiber-reinforced molding and the infiltration technology, the proportions of fiber bundles and individual fibers are to be tested and determined in preliminary tests for the particular fiber material to be used. By means of mechanical needling or a similar process, additional vertical branch channels can be formed for the existing pore structure, which support a binder transport into the nonwoven layer and influence the function of impregnability. By compression of the poured fiber layer is in the
Regel die Durchtränkbarkeit des Vlieses reduziert und die Depotwirkung verringert. Im Zusammenspiel von Pressprozessen zur Vliesdickenreduzierung und angewandter Vliesverfestigung wird die erzeugte Tränkbarkeit nochmals gezielt be- einflusst und in ihrer Endqualität und -quantität fixiert.
Der Einsatz dieser Faserhalbzeuge mit definiert faserbündeligen Anteilen konzentriert sich auf den Bereich der Faserverbundwerkstoffe. Dementsprechend sind die eingesetzten Faserstoffe im Bereich der üblichen Verstärkungsfaserstoffe an- gesiedelt. Dies können organische Faserstoffe wie para-Aramide als auch Glas- und Carbonfaserstoffe einschl. derartiger Faserstoffe aus verschiedenen Recyclingprozessen sein. Usually reduces the Durchtriebbarkeit of the web and reduces the depot effect. In the interplay of pressing processes for the reduction of nonwoven thickness and applied nonwoven bonding, the resulting impregnability is again purposefully influenced and fixed in terms of final quality and quantity. The use of these semi-finished fiber products with defined fiber bundles focuses on the field of fiber composites. Accordingly, the fibers used are in the range of conventional reinforcing fiber substances settled. These may be organic fibers such as para-aramids as well as glass and carbon fibers including such fibers from various recycling processes.
[Beispiele] [Examples]
Ausführungsbeispiel 1 Embodiment 1
Ausgehend von einem stark faserbündeligen Ausgangsmaterial auf Basis mechanisch aufbereiteter Carbonfasergelege wurden durch unterschiedliche Faseröffnungsintensitäten auf einem Walzenöffner (Material 1 ) und einer Krempel 2 (Material 2) Faserschüttungen unterschiedlicher Faserbündeligkeiten erzeugt und diese zu einer gleichmäßigen Flächenmasse von 500 g/m2 bei einer konstanten Schüttdicke aufgebaut. Die zum Einsatz gekommenen Carbonfasern aus einem mechanischen Recyclingprozess verfügten über eine mittlere Länge der Faserbündel von 45 mm. An den beiden Fasermaterialien wurde durch manuelles Durchmustern der Faserbündelanteil massebezogen ermittelt, mittels einer Luftdurchströmmethode der Luftdurchströmwiderstand als Maß einer Offenporigkeit und Zugänglichkeit für Partikel und Flüssigkeiten erfasst und mittels eines Tropfentestes bei Einsatz einer höherviskosen Flüssigkeit die Tropfen-Einsinkzeiten in Anlehnung an den TEGE- WA-Tropfentest als Maß für die Tränkbarkeit ermittelt. Starting from a highly fiber-bundled starting material based on mechanically treated carbon fiber webs were by different fiber opening intensities on a roll opener (material 1) and a carding 2 (material 2) fiber beds of different fiber bundles produced and this to a uniform basis weight of 500 g / m 2 at a constant bulk thickness built up. The carbon fibers used in a mechanical recycling process had an average length of the fiber bundles of 45 mm. The fiber bundle fraction was determined by mass on the two fiber materials by manual screening, the air flow resistance was measured as a measure of open porosity and accessibility for particles and liquids by means of an air flow method and the drop sinking times were determined by means of a drop test using a higher-viscosity liquid in accordance with the TEGE-WA. Drop test determined as a measure of the impregnability.
Folgende Ergebnisse stellten sich ein: The following results occurred:
Parameter Einheit Material Material 2 Parameter Unit Material Material 2
1 1
Faserbündeligkeit * [%] 80,5 51 ,9 Fiber bundling * [%] 80.5 51, 9
Luftdurchströmwiderstand als Maß [mm Isop- 377 430
der Porosität** ropanol] Air flow resistance as measure [mm Isop 377 430 the porosity ** ropanol]
Einsinkzeit im Tropfentest *** [s] 120 - 150 280 - 310 Sinking time in the drop test *** [s] 120 - 150 280 - 310
* Die Faserbündeligkeit wurde durch manuelles Durchmustern einer Faserprobe von 1 g, Wägung der Anteile an Bündeln aus mindestens 10 Einzelfasern und Errechnung des masseprozentualen Anteils ermittelt. * Fiber bundling was determined by manually screening a fiber sample of 1 g, weighing the bundles of at least 10 individual fibers and calculating the percentage by mass.
** Die Bestimmung des Luftdurchströmwiderstandes erfolgte auf der Grundlage einer Veröffentlichung im Jahr 1964 von Geitel, K. : „Zur Theorie der Luftströmung durch Faserpfropfen", in„Faserforschung und Textiltechnik" 15 (1964)Heft 1 , S. 21 -29. Hier wird die Theorie der Luftströmung durch Faserpfropfen beschrieben. Danach ist der Druckabfall über einer durchströmten Fasermenge abhängig von * * The determination of the air flow resistance was based on a publication in 1964 by Geitel, K.: "Theory of air flow through Faserpfropfen", in "Faserforschung and Textiltechnik" 15 (1964) Issue 1, pp 21-29. Here the theory of air flow through fiber grafting is described. Thereafter, the pressure drop over a flow-through amount of fiber depends on
der strömenden Luftmenge je Zeiteinheit, the amount of air flowing per unit time,
den Abmessungen der Messkammer (Durchmesser, Höhe), the dimensions of the measuring chamber (diameter, height),
der Viskosität des strömenden Mediums, the viscosity of the flowing medium,
der Porosität der Fasermenge und the porosity of the amount of fiber and
- der Faseroberfläche . - the fiber surface.
Mittels des Wollfeinheitsprüfer Typ 4/15/1 der Fa. Medimpex (Ungarn) wurde die Porosität eines Faserpfropfens mittels dieser Luftdurchströmungsmethode ermittelt. Der Faserpropfen ist in diesem Fall der Probekörper, gebildet aus der nach dem Ausführungsbeispiel hergestellten Trägerstruktur. Dabei wurden alle Parame- ter außer dem zu prüfenden Fasermaterial konstant gelassen. Der durch den Faserpfropfen erzeugte Luftwiderstand wird im Messgerät in [mm] einer Isopropa- nolflüssigkeitssäule abgelesen. Die Säulenhöhe in [mm] ist dabei direkt proportional zum aufgebauten Luftdurchströmwiderstand und damit indirekt proportional zu Porosität. Die Prüfungen wurden jeweils an 1 ,4 g Fasermaterial bei einer Luft- durchströmgeschwindkigkeit von 400 l/min vorgenommen. The porosity of a fiber graft was determined by means of the wool fatigue tester type 4/15/1 from Medimpex (Hungary) by means of this air flow method. The Faserpropfen in this case, the specimen, formed from the carrier structure produced according to the embodiment. All parameters except the fiber material to be tested were left constant. The air resistance generated by the fiber plug is read in the meter in [mm] of an isopropanol liquid column. The column height in [mm] is directly proportional to the established air flow resistance and thus indirectly proportional to porosity. The tests were each carried out on 1.4 g of fiber material at an air flow rate of 400 l / min.
*** Im modifizierten Tropfentest wurde als Prüfflüssigkeit eine CMC-Lösung mit einer Viskosität (25 °C) bei Schergefälle 2/s von 1 ,7 Pas. Die Masse des Prüftropfens betrug stets 0,5 g. Ausführungsbeispiel 2 *** In the modified drop test, the test liquid was a CMC solution having a viscosity (25 ° C) at shear rate 2 / s of 1.7 Pas. The mass of the test drop was always 0.5 g. Embodiment 2
Ausgehend von einem stark faserbündeligen Ausgangsmaterial auf Basis mechanisch aufbereiteter Carbonfasergelege wurde dies mit 7% einer thermisch erwei-
chenden Bindefaser GRILON MS 6,7 dtex/Varioschnitt innig über ein Mischbett und 1 Mischpassage mit einem Groböffner bei Einsatz einer mischöffnenden Stiftwalze und Zufuhr des Materials über ein Walzenpaar vermischt. Eine Hälfte dieser konstanten Ausgangsfasermischung aus stark faserbündeligen Carbonrecycling- fasern und thermisch erweichenden Bindefasern im Mischungverhältnis von 93/7 wurde anschließend über einen Speiser FBK 536 der Fa. Trützschler bei 2 m/min zu einer losen Schüttung von 370 g/m2 gelegt. Die andere Hälfte des Ausgangsmaterials wurde als Vergleichsmaterial durch ein 2maliges Krempeln mit einer Walzenkrempel bei Einsatz von 3 Arbeiter/Wenderpaaren mit 10 m/min zu Krem- pelflor verarbeitet und mittels Quertäfler lose übereinandergeschichtet, so dass dabei eine Flächenmasse von 370 g/m2 resultierte. Based on a highly fiber-bundled starting material based on mechanically treated carbon fiber fabric, this was achieved with 7% of a thermally enhanced The binder fiber GRILON MS 6.7 dtex / Vario cut is intimately mixed over a mixed bed and 1 mixing passage with a coarse opener using a mix-opening pin roll and feeding the material over a pair of rolls. One half of this constant starting fiber mixture of strongly fiber-bundled carbon recycling fibers and thermally softening binder fibers in the mixture ratio of 93/7 was then applied via a feeder FBK 536 from Trützschler at 2 m / min to a loose bed of 370 g / m 2 . The other half of the starting material was processed as a comparison material by a 2-fold carding with a roll card when using 3 worker / Wenderpaaren at 10 m / min to cream pile and loosely stacked by means of Quertäfler, so that this resulted in a basis weight of 370 g / m 2 ,
Anschließend wurden beide lose Faserschichten, Speiserschicht und gekrempelte und gelegte Schicht, mit einer Thermofix der Fa. Schott & Meissner bei einer Durchlaufgeschwindigkeit von 2 m/min, einer Heiztemperatur von 190°C und einem Spalt von 1 ,5 mm, in dem die beiden Faserschichten nacheinander zwischen einem oberem und unterem Transportband durch die thermische Verfestigungsanlage geführt wurden, zu einer Matte teilverfestig und die ausgebildeten Hohlraum- und Porenstrukturen fixiert. Subsequently, both loose fiber layers, feeder layer and carded and laid layer, with a Thermofix the Fa. Schott & Meissner at a flow rate of 2 m / min, a heating temperature of 190 ° C and a gap of 1, 5 mm, in which the two Fiber layers were successively passed between an upper and lower conveyor belt through the thermal consolidation system, semi-solidified to a mat and fixed the formed cavity and pore structures.
Anschließend wurde an beiden Vliesstoffmatten die Wasseraufnahme nach DIN 53923 als Maß der Speicherfähigkeit für Flüssigkeiten durchgeführt. Vor der thermischen Verfestigung wurde der Masseanteil der Faserbündel in beiden losen Faserschichten ermittelt. The water absorption according to DIN 53923 was then carried out on both nonwoven mats as a measure of the storage capacity for liquids. Before thermal consolidation, the mass fraction of the fiber bundles in both loose fiber layers was determined.
Folgende Ergebnisse stellten sich ein: The following results occurred:
Probe Vliestoffmattenart Sample fleece mat type
Speisergelegt Krempelgelegt Food laid out
Wasseraufnahme nach DIN 53923 Water absorption according to DIN 53923
1202 % 929 % 1202% 929%
2 1069 % 930 % 2 1069% 930%
3 1097 % 866 % 3 1097% 866%
4 1065 % 846 % 4 1065% 846%
5 1097 % 902 %
Mittelwert 1106 % 895 % 5 1097% 902% Mean 1106% 895%
Faserbündel-fiber bundle
Anteil 85% 6,6 % Share 85% 6.6%
Während bei der ersten erfindungsgemäßen faserbasierten Trägerstruktur ein hoher Anteil an Faserbündeln verwendet wurde (Verhältnis Anteil Faserbündel zu Einzelfasern ca. 5,66 : 1 ) ist bei der krempelgelegten Vliesstoffmatte, die als Vergleichsmaterial diente (in der obigen Tabelle rechts), der Einzelfaseranteil ver- gleichsweise hoch (Verhältnis Anteil Einzelfasern zu Faserbündeln ca. 14,15 : 1 ). Die obige Tabelle zeigt, dass die Wasseraufnahme bei dem erfindungsgemäßen Trägermaterial wesentlich höher ist als bei dem Vergleichsmaterial.
While a high proportion of fiber bundles was used in the first fiber-based carrier structure according to the invention (ratio of fiber bundle to individual fibers about 5.66: 1), the single-fiber fraction was used for the carded nonwoven mat which served as comparison material (in the above table on the right). comparatively high (ratio of individual fibers to fiber bundles approx. 14.15: 1). The above table shows that the water absorption in the carrier material according to the invention is substantially higher than in the comparison material.
Claims
1 . Faserbasierte Trägerstruktur für Flüssigkeiten, Schmelzen und Feststoffpartikel aus Anteilen industriell erzeugter Verstärkungsfaserstoffe, 1 . Fiber-based carrier structure for liquids, melts and solid particles from proportions of industrially produced reinforcing fiber materials,
umfassend als eine erste Verstärkungsfaserkomponente endliche Fasern in einer wirren Anordnung, comprising as a first reinforcing fiber component finite fibers in a confused arrangement,
umfassend als eine zweite Verstärkungsfaserkomponente endliche Faserbündel, wobei die faserbasierte Trägerstruktur weiterhin ein Porensystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass comprising, as a second reinforcing fiber component, finite fiber bundles, the fiber-based support structure further comprising a pore system, characterized in that
endliche Einzelfasern und endliche Faserbündel als Mischung in einem definierten Mischungsverhältnis von 1 : 9 bis 9 : 1 vorliegen und dass das Porensystem of- fenzellig und von außen offen zugänglich ist. finite individual fibers and finite fiber bundles are present as a mixture in a defined mixing ratio of 1: 9 to 9: 1 and that the pore system is open-celled and accessible from the outside.
2. Faserbasierte Trägerstruktur nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, das die endlichen Einzelfasern und endlichen Faserbündel in einer isotropen, wirren Anordnung vorliegen. 2. Fiber-based carrier structure according to claim 1, characterized in that the finite individual fibers and finite fiber bundles are present in an isotropic, confused arrangement.
3. Faserbasierte Trägerstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch eine Faserschüttung ausgebildete Porenstruktur teilverdichtet und mechanisch, thermisch und/oder chemisch stabilisiert und fixiert ist. 3. Fiber-based carrier structure according to claim 1 or 2, characterized in that the pore structure formed by a fiber bed is partially compressed and mechanically, thermally and / or chemically stabilized and fixed.
4. Faserbasierte Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelfaseranteile in der Mischung aus Faserbündeln und Einzelfasern erhalten wurden durch nicht vollständiges Öffnen von Faserbündeln. 4. Fiber-based carrier structure according to one of claims 1 to 3, characterized in that the individual fiber portions were obtained in the mixture of fiber bundles and individual fibers by not completely opening fiber bundles.
5. .Faserbasierte Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel eine mittlere Bündeldicke von mindestens 10 Einzelfasern aufweisen, die über mindestens 50% der Faserlänge parallel aneinanderhaften. 5. .Fiber-based support structure according to one of claims 1 to 4, characterized in that the fiber bundles have an average bundle thickness of at least 10 individual fibers which adhere parallel over at least 50% of the fiber length.
6. Faserbasierte Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel und/oder mindestens ein Anteil der Einzelfasern über eine Faserlängenverteilung verfügen.
6. Fiber-based carrier structure according to one of claims 1 to 5, characterized in that the fiber bundles and / or at least a portion of the individual fibers have a fiber length distribution.
7. Faserbasierte Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel eine von den Einzelfasern verschiedene mittlere Länge aufweisen. 7. Fiber-based carrier structure according to one of claims 1 to 6, characterized in that the fiber bundles have a different from the individual fibers average length.
8. Faserbasierte Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese vor der Ausbildung der Faserschicht, gleichmäßig verteilt zugemischt, erweichbare Bindefasern und/oder ein Pulver umfasst. 8. fiber-based carrier structure according to one of claims 1 to 7, characterized in that before the formation of the fiber layer, evenly distributed mixed softenable binding fibers and / or a powder.
9. Faserbasierte Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die als Ausgangsmaterial eingesetzten Faserstoffe eine einheitliche Stoffnatur und Geometrie aufweisen oder eine Mischung von Faserstoffen unterschiedlicher Stoffe und/oder Geometrie sind. 9. Fiber-based carrier structure according to one of claims 1 to 8, characterized in that the fibrous materials used as starting material have a uniform material nature and geometry or are a mixture of fibers of different materials and / or geometry.
10. Verfahren zur Herstellung einer faserbasierten Trägerstruktur nach ei- nem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass man eine oder mehrere bündelige Faserkomponenten sowie eine oder mehrere faservereinzelte Faserkomponenten jeweils gravimetrisch abwiegt und anschließend mit textiler Mischtechnik durchmischt. 10. A process for producing a fiber-based carrier structure according to any one of claims 1 to 9, characterized in that weighing one or more bundled fiber components and one or more fiber-singulated fiber components each gravimetrically and then mixed with textile mixing technique.
1 1 . Verfahren zur Herstellung einer faserbasierten Trägerstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasermischung volumetrisch und/oder pneumatisch in einer Schicht mit einer Dicke von 0,5 bis 20 cm, vorzugsweise 2 bis 10 cm, lose und bevorzugt ohne vorrangige Orientierung abgelegt wird.
1 1. Process for producing a fiber-based carrier structure according to claim 10, characterized in that the fiber mixture is volumetrically and / or pneumatically deposited in a layer having a thickness of 0.5 to 20 cm, preferably 2 to 10 cm, loosely and preferably without priority orientation.
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