Textiel in composieten?!

Textiel in composieten?! Mathieu Urbanus Mathieu Urbanus - Centexbel

1

Inhoud

WAT is een composietmateriaal? Textiel in composieten?! Vezelversterkingen Productieprocessen

Nieuwe ontwikkelingen Overzicht composietonderzoek Centexbel

Mathieu Urbanus - Centexbel

2

WAT is een composietmateriaal? Composiet is een materiaal dat is samengesteld uit meerdere constituenten Meestal zijn er twee hoofd-fasen Discontinue fase: vezel, poeder, nanodeeltjes … Continue fase: matrix (polymeer, metaal, keramisch)


3

WAT is een composietmateriaal Wij hebben het hier over: Continue vezelversterkte kunststoffen (Fibre reinforced plastics) Vezel keramisch, metaal, polymeer

Matrix (polymeer) Impregnatie!

Thermoset of thermoplast Relatief lage mechanische eigenschappen

Zeer hoge mechanische eigenschappen (stijfheid, tenaciteit)

Verbinding tussen de vezels tot een vast materiaal

Bros, fijn en dus fragiel Flexibel (zeer fijne vezels) Basalt-Polyester


Bescherming van de vezels

4

Constituenten in vezelversterkte kunststoffen Vezels Koolstof, glas, aramide, vlas, basalt

De vezelversterking is één of andere vorm van textiel Roving

Weefsel

Nonwoven

Multi-axiaal non-crimp fabric

Hars (matrix) Thermoset: epoxy, polyester, polyurethaan Thermoplast: PA, PP, PET, … Mathieu Urbanus - Centexbel

5

Typische vezelmaterialen Glasvezel Standaardvezel (95%) Hoge sterkte, stijfheid Goedkoop (~2 €/kg) Vlas Vergelijkbare sterkte, stijfheid Lagere dichtheid Milieuvriendelijk Basalt Vulcanisch alternatief voor glas Betere temperatuursbestendigheid Hogere mechanische eigenschappen

Koolstofvezel Zeer hoge mechanische eigenschappen Lage dichtheid Zeer duur (~20€/kg) Hoogwaardige polymeervezels Kevlar, Dyneema, HT-PET, HTPP (innegra) Hoge impactweerstand


6

Eigenschappen van composieten “Composieteffecten” Eigenschappen van de constituenten worden uitgemiddeld of gecombineerd

Kracht Sterkte

Versterking Stijfheid

Composiet Matrix

Vervorming Mathieu Urbanus - Centexbel

7

Eigenschappen van composieten “Composieteffecten” Nieuwe eigenschappen worden gecreëerd Anisotropie (eigenschappen worden afhankelijk van richting)

Zie voorbeeldplaatjes Koolstofvezel + PEEK

-70%


8

Voordelen van composieten Lichtgewicht Hoge sterkte Aanpasbare stijfheid/flexibiliteit Vermoeiingsweerstand Weerstand tegen vocht en corrosie Zeer grote ontwerpvrijheid


9

Marktstudie Mondiaal 8 miljoen ton composiet

Toepassingsgebieden GFRP

80 miljard euro (JEC, 2012) 55 000 ton met koolstofvezel

Europa 1 miljoen ton glasvezelcomposiet (GFRP)


10

Inhoud


Nieuwe ontwikkelingen Kort overzicht Centexbel composietonderzoek


11

Vezelversterkingen De vezelversterking is één of andere vorm van textiel Roving

Weefsel

Nonwoven

Multi-axiaal non-crimp fabric

Invloed op Vezelrichting, vezelfractie Composietproductie


Sterkte, vorm, kostprijs

12

Voor- en nadelen van textiel als versterking Pro’s

Contra’s

Geautomatiseerde productie Controle over vezeloriëntatie Handelbaarheid en drapeerbaarheid Structuur zorgt voor hogere impactweerstand

Grote investeringen nodig Lange productieketen Veel afval bij opleggen in de mal Harsrijke zones tussen de garens


13

Vezelversterkingen – weefsels Grote vervormbaarheid (conformeren aan mal) Minimale golving van de garens (E: crimp) Zware, platte rovings zonder twist Open structuur


14

Vezelversterkingen – weefsels Weefsel

Vezeloriëntatie

Drapeerbaarheid

Handelbaarheid

Vlak

-

-

++

Keper

+

+

+

Satijn

++

++

--


15

Vezelversterkingen – vlechten ‘Overbraiding’ Rond een spil (‘mandrel’) Vezel naar eindvorm in 1 stap Vooral buisvormige onderdelen

Hoge impactweerstand


16

Vezelversterkingen – ‘Non-crimp fabrics’ Geen golving van de garens hogere eigenschappen Flexibele, aanpasbare vezeloriëntaties (meerdere lagen mogelijk) Niet zo drapeerbaar Veel gebruikt voor hoogwaardige componenten


17

Inhoud




18

Productieprocessen voor thermoset composieten Droge textielversterking

1. Opleggen in de mal

2. Harsimpregnatie Manueel Vacuum en/of druk Mathieu Urbanus - Centexbel

3. Uitharden (warmte + tijd)

19

Productieprocessen voor thermoset composieten ‘Natte’ versterking (prepreg) Prepreg opleggen in de mal Vacuüm/druk + warmte Uitharden Luchtbellen verwijderen

1.

Zeer hoogwaardige materialen Unidirectionele koolstofvezel + epoxy Autoclaaf (uren)

2.

Massaproductie ‘sheet moulding compound’ (SMC) Nonwoven glasvezel + polyester Pers (minuten) Mathieu Urbanus - Centexbel

20

Het ‘prepreg’-proces: pre-impregnatie Zeer gelijkaardig aan standaard textielcoating Zelfde type machines Volledige impregnatie van het textiel Gedeeltelijke uitharding van hars of verdamping solvent Doelstelling = ‘tack’ Typische harsen: epoxy, polyester, furaan, acryl, …


21

Productieprocessen voor thermoplastische composieten Preconsolidated sheets (continuous production)

Heating and compression moulding

Cutting and stacking


22

Productieprocessen voor thermoplastische composieten Thermoplastische smelt heeft veel hogere viscositeit Hoge druk en temperatuur nodig voor impregnatie Reeds voorgemengd textiel voor efficiënter proces (‘droge prepreg’)

Doordat uithardingsreactie wegvalt Veel kortere cyclustijd voor componentproductie mogelijk Ideaal voor massaproductie Recycleerbaarheid

Zeer grote ontwikkelingsprojecten in automobielindustrie Koolstofvezel/thermoplast (PA, PET, PP)


23

Inhoud




24

Vijf trends voor 2013 (source: JEC) Conversie van processen voor massa productie van TP composiet Automatisatie, robotisatie

Eigenschappen van TP composieten verhogen Vezels, polymeren, additieven Koolstofvezel/TP

Materialen veranderen in Slimme composieten Sensoren voor e.g. schade, self-healing

Nieuwe toepassingsgebieden e.g. consumer goods, constructie,

Recyclage en vooral gebruik van recyclaten e.g. koolstofvezel nonwovens van productie-afval?


25

Koolstofvezel/thermoplast Ontwikkeling van Toray Wetlaid/drylaid koolstofvezel nonwoven PP film

Gelijkaardige zaken met koolstofvezel van productie-afval?


26

Inhoud




27

Composietonderzoek bij Centexbel - Collectieve dossiers CO-pers: Persvormen van thermoplastische composieten Composieten van glasvezel en polypropyleen ism. Sirris

Centexbel Karakterisatie van matrix materialen PP continu filamenten voor matrix materiaal Intiem gemengde hybride glas-PP garens (verblazen)


28

Composietonderzoek bij Centexbel - Collectieve dossiers Naturewins (CORNET): development of fully renewable thermoplastic composites Composieten op basis van vlasvezel en PLA ism. Sirris en ITA-Aachen

Centexbel Coördinatie Ontwikkeling PLA vezels


29

Composietonderzoek bij Centexbel - Collectieve dossiers Fibriltex: Microfibrillar reinforced textiles and derived composites ism. ITA-Aachen en IVW (Kaiserslautern)

Compound van PET en PP Extrusie en verstrekking zorgen

creatie van PET fibrillen die voor versterking

Doelstelling Hogere stijfheid/sterkte/taaiheid Verhoogde kruipweerstand Hogere temperatuursresistentie


30

Composietonderzoek bij Centexbel - Private dossiers IWT-projecten Basaltex: ontwikkeling en karakterisatie thermoplastisch en thermoset basalt-composieten Samsonite: verdere ontwikkeling CURV-koffers 3D Weaving: multilaag 3D weefsel als composietversterking …

Contact: Mathieu Urbanus


31

Composites equipment - Platform Vlechtmachine in Verviers Tot 4 onderling verbonden lagen Axiale versterking mogelijk Alle vezeltypes: carbon, aramide, glas, vlas, …


32

Composites equipment - Platform Mogelijke vlechtproducten


33

Composites equipment - Platform Composietpers in Kortrijk


34

Composites equipment - Platform Commingling jet @ Gilbos Hybride garens Co-Pers project

Met dank aan Gilbos (garens) en VDS Weaving (weefsel) Mathieu Urbanus - Centexbel

35

Testing – overzicht Mechanical properties

Matrix viscosity MFI, rotational, ubelohde, capillary

Fibre volume fraction Fibre burn-off (glass) TGA in O2 (glass) or N2 (carbon)

3-point bending test Impact test (borrowed device from ITA) Externally: tensile test, DMA

Burning behaviour

Processing window Degradation temperature: TGA Melting temperature: DSC

Microstructure Optical microscopy SEM Mathieu Urbanus - Centexbel

36

Composietonderzoek bij Centexbel – Nieuwe CORNETs LEDcure:LED-UV-curing systems for textiles and composites Ontwikkelen van LED-UV-cure harssystemen en processen voor de productie van prepregs en coating van textiel

Kick-off meeting op 30/05/2013 te centexbel Contact: [email protected] Mathieu Urbanus - Centexbel

37

Composietonderzoek bij Centexbel – Nieuwe CORNETs Bio-SRPC: Bio-based self-reinforced polymer composites ism. Sirris, ITA-Aachen Combinatie van HT-PLA vezels en laagsmeltende PLA-vezels Sterke verhoging impact, stijfheid, sterkte tov. gewone kunststof Biogebaseerd alternatief voor CURV, e.d.

Kick-off meeting op 3/06/2013 om 12h bij Centexbel Contact: Mathieu Urbanus Mathieu Urbanus - Centexbel

38

Vragen? Contact

ir. Mathieu URBANUS Researcher "Functional Thermoplastic Textiles" [email protected] Phone +32 9 243 46 90 | Fax +32 9 220 49 55 | www.centexbel.be CENTEXBEL | Technologiepark 7 | BE-9052 ZWIJNAARDE


39

Textiel in composieten?!

Recommend Documents