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Dokumentenidentifikation DE102005018477A1 02.11.2006
Titel Garn mit mineralischen Fasern
Anmelder Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, 67663 Kaiserslautern, DE
Erfinder Molnár, Peter, 67663 Kaiserslautern, DE
Vertreter Patentanwälte BECKER & AUE, 55411 Bingen
DE-Anmeldedatum 21.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005018477
Offenlegungstag 02.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.11.2006
IPC-Hauptklasse D02G 3/38(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Bei einem Garn mit mineralischen Fasern (3), insbesondere Basaltfasern (2), zur Verwendung in einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff sind die Fasern (3) mit mindestens einem thermoplastischen Filament (7) umwunden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Garn mit mineralischen Fasern, insbesondere Basaltfasern, zur Verwendung in einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff sowie Verfahren dazu.

Die DE 195 38 599 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Mineralfasern, insbesondere endlosen Mineralfasern, aus Gestein, glashaltigen Industrieabfällen und technischen Glasabfällen. Nach einer mechanischen Trennung von nicht glashaltigen und überwiegend glashaltigen Produkten werden die überwiegend glashaltigen Produkte mit einer Teilchengröße von weniger als 80 mm in einer Schmelzwanne aufgeschmolzen, wobei die Schmelzwanne mit einem Speiserkanal derart in Verbindung steht, dass in einem Oberflächenbereich der Schmelze ein Fließen derselben ermöglicht wird, um die Schmelze aus dem Speiserkanal einer Speisereinrichtung und anschließend einer darunter angeordneten Düseneinrichtung zuzuführen, von der ein Faden unter gleichzeitiger Erstarrung abgezogen wird.

Basaltfasern stellen bei einer hohen mechanischen Belastbarkeit eine kostengünstige Alternative zu anderen mineralischen Fasern für Verstärkungsstrukturen von Faserverbundwerkstoffen dar, da der Rohstoff Basalt billig und nahezu unbeschränkt vorhanden ist. Endlose Basaltfasern werden aus Basaltgestein nach einem Schmelzspinnverfahren hergestellt und zur weiteren Verwendung, beispielsweise in Rovings oder als Hackfasern, mit einem besonderen Schmelzmittel bearbeitet. Die Basaltfasern bestehen aus einem Bündel der endlosen Fibrillen, die durch Verspinnen aus der Schmelze des anorganischen Minerals Basalt von geeigneter Zusammensetzung entstehen. Endlose Basaltfasern in der Form von technischen Filamentgarnen finden vor allem in der Textilverarbeitung als Garne, Rovings und Korden Einsatz. Als problematisch erweisen sich in der Praxis die hohen Kosten für endlose Basaltfasern zur Verwendung in Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen, die durch deren aufwändigen Herstellungsprozess bedingt sind.

Im Weiteren ist das Junkers-Verfahren zur Herstellung verhältnismäßig kurzer und kostengünstiger Basaltfasern bekannt, die zu einer Preform eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils zu verarbeiten sind, in dem ein Binderstaub aus einem thermoplastischen Kunststoff verwendet wird. Alternativ dazu werden die kurzen Basaltfasern im so genannten Nassverfahren mit einer Harzlösung getränkt, wobei die aufgeschnittene Kurzfaser auf die Oberfläche eines formgebenden Werkzeuges aufgestreut wird. Als problematisch erweist sich hierbei die Schadstoffemission des Nassverfahrens bzw. der hohe anlagentechnische Aufwand.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Garn der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine Kurzfaserpreform für ein Harzinjektionsverfahren kostengünstig zu fertigen ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Garn dadurch gelöst, dass die Fasern mit mindestens einem thermoplastischen Filament umwunden sind.

Das Filament aus thermoplastischem Material bündelt die Fasern zu einem Stapelfasergarn, das bei einer Verwendung von Basaltfasern aufgrund des geringen Materialpreises kostengünstig herstellbar ist. Das thermoplastische Filament bildet eine Hülle um die spröde Faser, ohne diese mechanisch zu schädigen, wonach das Garn zu einer Preform zu verarbeiten ist und das Filament als Binder dient, da es bei der Preformherstellung aufgeschmolzen wird. Durch das Mengenverhältnis der Filamente zu den Fasern ist der Faservolumengehalt des Garnes und damit der Preform verhältnismäßig leicht einstellbar.

Bevorzugt sind die Fasern mit dem Filament umhäkelt oder umstrickt. Die beim Stricken bzw. Häkeln entstehenden Schlaufen des Filamentes bündeln und verstrecken die Fasern in ihrem Inneren. Beim Umhäkeln oder Umstricken der Fasern mit dem Filament, werden diese nicht fixiert.

Alternativ wird die Aufgabe nach der Erfindung bei einem Garn dadurch gelöst, dass die Fasern mit einem Schlauch aus einem thermoplastischen Kunststoff ummantelt sind.

Der Schlauch aus thermoplastischem Kunststoff bündelt die Fasern, wobei der eine Hülle um die spröde Faser bildende Schlauch bei der Verwendung von Basaltfasern aufgrund deren geringen Materialpreises kostengünstig zu fertigen ist. Der Schlauch kann beispielsweise durch Extrudieren gefertigt und die Fasern in den Schlauch eingeblasen werden. Selbstverständlich können die Fasern auch bei der Fertigung des Schlauches eingebracht werden. Der mit Fasern gefüllte dünnwandige und flexible Schlauch wird anschließend zu einer Preform verarbeitet und der thermoplastische Kunststoff dient im aufgeschmolzenen Zustand als Binder.

Um bei einem Einblasen der Fasern in den Schlauch einen Austritt der Blasluft sicherzustellen, weist bevorzugt der Schlauch umfangsseitige Öffnungen auf, die derart bemessen sind, dass sie einen Durchtritt der Fasern verhindern. Alternativ ist der Schlauch aus einem aus thermoplastischen Filamenten bestehenden Gewebe gefertigt.

Vorzugsweise ist der Schlauch derart bemessen, dass er zur textilen Weiterverarbeitung geeignet ist. Der mit Fasern gefüllte Schlauch lässt sich beispielsweise verweben oder zu einem Geflecht legen.

In Ausgestaltung sind die Fasern als Kurzfasern ausgebildet. Die Kurzfasern weisen eine Länge von ca. 100 mm auf und sind im Gegensatz zu Endlosbasaltfasern, die im Schmelzspinnverfahren gefertigt werden, sehr preisgünstig.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines zuvor beschriebenen Garns werden nach dem Junkers-Verfahren hergestellte Basaltkurzfasern mit mindestens einem thermoplastischen Filament umwunden und dabei verstreckt.

In dem dem Fachmann bekannten Junkers-Verfahren werden Basaltkurzfasern für Fasermatten gefertigt. Die Basaltkurzfasern werden mit einem oder mehreren Filamenten aus thermoplastischem Kunststoff umwunden und dabei derart ausgerichtet, dass sie in dem Garn eine definierte Lage einnehmen.

Zweckmäßigerweise werden die Basaltkurzfasern durch ein Streckwerk geleitet und anschließend mit mehreren thermoplastischen Filamenten verflochten. Hierbei handelt es sich um einen automatisierten Prozess, der dem Fachmann auf dem Gebiet der Herstellung von Garnen, insbesondere technischer Garne, geläufig ist. Durch die Anordnung und Bestimmung der Anzahl von in dem Streckwerk vorhandenen Walzen lassen sich Eigenschaften der Basaltkurzfasern innerhalb des Garns, wie beispielsweise deren im Querschnitt des Garns vorhandene Menge, bestimmen.

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer infiltrierbaren Preform für ein Faser-Kunststoffverbund-Bauteil aus einem zuvor erläuterten Garn wird das Garn in einem mit einem Handhabungsgerät verbundenen Schneid- und Streuwerkzeug zerkleinert und in eine die Preform abbildende Form eingestreut.

Mittels des Schneid- und Streuwerkzeuges lassen sich die zerkleinerten Teile des Garns gezielt in die Form einbringen, weshalb ein bestimmter Faservolumengehalt der Preform einzuhalten ist.

Nach einer Weiterbildung wird die Form zum Schmelzen des thermoplastischen Materials der Filamente oder des Schlauchs temperiert. Alternativ wird das thermoplastische Material der Filamente oder des Schlauchs mittels Heißluft auf Schmelztemperatur erwärmt. Aufgrund des thermoplastischen Materials, insbesondere eines Copolymers, beispielsweise Polyethylen oder Polyamid, kann der Binderanteil zur Infiltration der Preform deutlich reduziert werden. Zweckmäßigerweise wird das gezielt in die Form gestreute Garn in einem Harzinjektionsverfahren infiltriert. Das injizierte Harz dient zur weitergehenden Verfestigung der Preform.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Garns und

2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Fertigung einer Preform unter Verwendung des Garns.

Die Vorrichtung umfasst eine Einrichtung 1 zur Ummantelung, der zentrisch die gerichteten, als Basaltkurzfasern 2 ausgebildeten mineralischen kurzen Fasern 3 von einem nicht dargestellten Streckwerk über einen Leitungskanal 4 zugeführt werden. Die Einrichtung 1 weist eine Scheibe 5 mit koaxial zu ihrem Zentrum ausgerichteten und beweglich in der Scheibe 5 gelagerten Zuführungen 6 für thermoplastische Filamente 7 auf, die aufgrund der Bewegung der Zuführungen 6 die Basaltkurzfasern 2 umschlingen, wodurch ein Garn 8 entsteht, das von der Einrichtung 1 abgezogen wird.

Zur Herstellung einer Preform für ein Faser-Kunststoffverbund-Bauteil wird das geflochtene Garn 8 einem Schneid- und Streukopf 9 zugeleitet, der das Garn 8 in kleine Stücke teilt und in eine die Preform abbildende Form 10 einbläst. Zum definierten Befüllen der Form 10 ist der Schneid- und Streukopf 9 an einem steuerbaren Handhabungsgerät 11 befestigt. In der temperierten Form 10 werden die thermoplastische Filamente 7 des Garns 8 geschmolzen, um eine Bindung mit den Basaltkurzfasern 2 herzustellen. Anschließend wird die Preform im Harzinjektionsverfahren infiltriert.


Anspruch[de]
Garn mit mineralischen Fasern (3), insbesondere Basaltfasern (2) zur Verwendung in einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (3) mit mindestens einem thermoplastischen Filament (7) umwunden sind. Garn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (3) mit dem Filament (7) umhäkelt oder umstrickt sind. Garn nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (3) mit einem Schlauch aus einem thermoplastischen Kunststoff ummantelt sind. Garn nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlauch umfangsseitige Öffnungen aufweist, die derart bemessen sind, dass sie einen Durchtritt der Fasern (3) verhindern. Garn nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlauch aus einem aus thermoplastischen Filamenten bestehenden Gewebe gefertigt ist. Garn nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlauch derart bemessen ist, dass er zur textilen Weiterverarbeitung geeignet ist. Garn nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (3) als Kurzfasern ausgebildet sind. Verfahren zur Herstellung eines Garns (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 7, wobei nach dem Junkers-Verfahren hergestellte Basaltkurzfasern (2) mit mindestens einem thermoplastischen Filament (7) umwunden und dabei verstreckt werden. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Basaltkurzfasern (2) durch ein Streckwerk geleitet und anschließend mit mehreren thermoplastischen Filamenten (7) verflochten werden. Verfahren zur Herstellung einer infiltrierbaren Preform für ein Faser-Kunststoffverbund-Bauteil aus einem Garn (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das in einem mit einem Handhabungsgerät (11) verbundenen Schneid- und Streuwerkzeug (9) zerkleinert und in eine die Preform abbildende Form (10) eingestreut wird. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Form zum Schmelzen des thermoplastischen Materials der Filamente (7) oder des Schlauchs temperiert wird. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material der Filamente (7) oder des Schlauchs mittels Heißluft auf Schmelztemperatur erwärmt wird. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das gezielt in die Form (10) gestreute Garn (8) in einem Harzinjektionsverfahren infiltriert wird. Verwendung eines Grans nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Fertigung eines Gewebes oder Geleges.






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