Effiziente Wickeltechnik für Composite-Strukturen

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Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der Rheinisch-Westf. TH Aachen

Zwei Gefahren galt es zu bannen

Am IKV wurde deshalb eine neuartige Anlagentechnik entwickelt, um Thermoplaste ähnlich wie Duromere im Nasswickelverfahren zu verarbeiten. Dazu wird ein so genannter in-situ-polymerisierender Thermoplast eingesetzt, der nicht als hochviskose Kunststoffschmelze verarbeitet wird, sondern ähnlich wie duromere Reaktionsharze als niedrigviskoses, monomeres System. Das dazu häufig genutzte Polyamid-6 (PA-6) kann alternativ zur großserientechnischen, hydrolytischen Polymerisation über spezielle Aktivatoren und Katalysatoren anionisch ringöffnend in-situ aus einem ε-Caprolactam polymerisiert werden. Das kann unter Umgebungsdruck geschehen, bedarf relativ geringer Temperaturen (circa 160 bis 190 °C) und dauert nur wenige Minuten [11-13] – ideal für das Nasswickeln!

Die Hürden bei der Verarbeitung von in-situ-polymerisierendem PA-6 liegen aber einerseits in der sehr geringen Viskosität des Reaktionsgemisches und andererseits in der Sensibilität der Reaktion auf Störeinflüsse. Die niedrige Viskosität (unter 0,01 Pa) birgt die Gefahr, dass die Matrix abtropft und das durch das meist offene Verfahren bestehende Problem der Kontamination der Rovings mit Umgebungsfeuchtigkeit und anderen Keimen könnte die anionische Polymerisation unterbrechen. Eine Lagerung des je nach Einstellung schon nach wenigen Minuten reagierenden Gemisches in einem Tränkbad ist außerdem nicht möglich.

Thermoplast-Matrixsystem tropft nicht ab

Um den verarbeitungstechnischen Herausforderungen des in-situ-polymerisierenden Thermoplasts gerecht zu werden, wird die im Nasswickeln übliche Anlagentechnik um verschiedene Elemente erweitert. Die dabei neu integrierten Elemente sind zwei Trocknungskolonnen, eine Misch- und Dosieranlage, eine Vorpolymerisierungsstrecke mit integrierter Injektionsbox und Fadenauge sowie eine temperierte Umhausung des Wickelkerns (Bild 2 und 3).

In den Trocknungskolonnen wird der Roving nach der Lagerung an der Umgebungsluft getrocknet. In vergleichbaren Untersuchungen von Luisier et al. mit reaktiv hergestellten PA-12-FVK wurde festgestellt, dass die geforderten geringen Restmonomergehalte (< 2 Gewichts-%) bei Feuchtegehalten der Rovings von unter 0,01 % erreicht werden. Dazu muss der Roving 3 bis 20 min bei 160 °C einem Luftvolumenstrom von 1200 l/min ausgesetzt werden [14]. Um das zu erreichen, wurden zwei in Serie geschaltete, mit 160 °C heißer Luft durchströmte Kolonnen installiert, die der Roving via Umlenksystem bis zu zehn Mal durchlaufen kann. So kann die Trocknungsdauer je nach Abzugsgeschwindigkeit flexibel eingestellt werden.

Als Misch- und Dosiersystem wurde eine Anlage des Typs Marmax 122B von Mahr Metering Systems gewählt. Diese ermöglicht die Lagerung der Reaktionsedukte unter Schutzgas und die bedarfsgerechte Dosierung, sodass es zu keinerlei Lagerphasen kommt. Die niedrige und hochpräzise Dosierung der Anlage im Bereich von 4 bis 20 g/min ist dazu speziell an das Nasswickelverfahren angepasst worden, in dem einzelne oder nur wenige Rovings dauernd mit Reaktionsgemisch imprägniert werden.

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