Ziel der Entwicklung
Das Entschlichten von textilen Verstärkungsstrukturen, z. B. aus Carbonfasern, ist notwendig, um störende Schlichten auf den Fasern zu entfernen und die Faser-Matrix-Bindung zu verbessern. Auch bei der Lagerung von Carbontextilien über einen Zeitraum von mehr als fünf Jahren kann die Schlichte altern, sodass die ursprüngliche Funktion der optimalen Anbindung von Matrix an die Fasern nicht mehr gegeben ist. Zu diesem Zwecke ist es sinnvoll, die Schlichte zu entfernen. Das Textil kann danach entweder mit neuer Schlichte behaftet oder mit einem artfremden Matrixpolymer laminiert werden.
Ziel des Forschungsvorhabens war es, das in einem vorangegangenen Forschungsvorhaben erstmals untersuchte ebeam-Elektronenstrahlverfahren zum Entschlichten von textilen Verstärkungsstrukturen über das Niveau der Grundlagenuntersuchung herauszuheben und industriell weiterzuentwickeln.
Vorteile und Lösungen
Im Projekt wurde das ebeam-Verfahren weiterentwickelt, bei dem beschleunigte Elektronen nach dem Prinzip der Braun´schen Röhre mit hoher Energie auf die Oberfläche von textilen Flächengebildes auftreffen und anhaftende Schlichten zerstören. Der Projektpartner Evonta-Technology GmbH, Dresden, (Evonta) begleitete die erweiterten Versuche am Laborgerät „EBLab-200“ zum Entschlichten von Carbontextilien mittels Elektronenstrahlen. Dieses Verfahren ist faserschonender und energieärmer als ein thermisches Entschlichteverfahren. Der geringe Energieeinsatz gewährleistet eine wesentliche Ressourceneinsparung, was einen wichtigen Beitrag zur Nachhaltigkeit und Kostensenkung leistet.
Zum Lösungsweg gehörte es, das Elektronenstrahlverfahren zum Entschlichten von textilen Verstärkungsstrukturen vorwiegend aus Carbon zu etablieren. Dazu gehörte zum einen die Validierung der Parameter, die Wirksamkeit sowie die Optimierung des Elektronenstrahlverfahrens an einem statischen Laborgerät nachzuweisen. Zum anderen war die Konstruktion einer kontinuierlich arbeitenden Elektronenstrahlanlage zum Entschlichten von textilen Warenbahnen mit Warenbreiten bis 1.000 mm und einer Durchlaufgeschwindigkeit von 3 m/min ein weiteres Ergebnis. Dies erfolgte im Hinblick auf eine industrielle Anwendung mit entsprechender Anlagentechnik.
Folgende Forschungsschwerpunkte trugen zur Ergebnislösung bei:
- Evaluierung der Eignung verschiedener, textiler Flächengebilde (Gewebe, Gelege), vorwiegend aus Carbonfasern im Bestrahlungsverfahren,
- Evaluierung der Auswirkungen einer variablen Oberflächendosis des Elektronen-Flächenstrahlers bis 350 kGy auf die spezifischen textilphysikalischen Eigenschaften der Fasern/Filamente sowie der textilen Flächengebilde,
- Untersuchungen zur Eindringtiefe der beschleunigten Elektronen in den Querschnitt der Textilbahnen unterschiedlicher Dicken durch Variation der Beschleunigungsspannung des Elektronen-Flächenstrahlers im Bereich von 80 kV bis 200 kV,
- Betrachtung des Einflusses von unterschiedlichen Gasen, wie Stickstoff oder Sauerstoff, im Bestrahlungsraum auf das elektronenbasierte Entschlichten,
- Untersuchung der Faser-Matrix-Haftung mittels mikroskopischer Analyse im REM,
- Herstellung von Versuchsmustern für Faserverbundwerkstoffe aus den entschlichteten textilen Strukturen als Verstärkungsfasern in Verbindung mit thermoplastischen/duroplastischen Matrizes,
- Bestimmung von bauteilspezifischen Parametern (Höchstzugkräfte, E-Modul, Bruchspannungen, Biegekräfte, etc.),
– Vergleich der Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe mit und ohne Bestrahlung der Verstärkungsstrukturen.
Es konnten technologische Empfehlungen und die Überführung der Ergebnisse in die industrielle Produktion definiert werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Potenzielle Nutzer der Projektergebnisse sind in erster Linie die Unternehmen der Leichtbauindustrie, Textilindustrie inkl. Veredlung sowie die Bauindustrie, bei denen es auf gereinigte, textile Warenbahnen als Halbzeuge für eine weitere Bearbeitung zum Faserverbundwerkstoff ankommt. Weiterhin profitiert der Gerätebau für den Bau und die Entwicklung von industrienahen Elektronenstrahlsystemen. Es besteht ein großer Bedarf am kontinuierlichen Entschlichten von Carbontextilien, die aufgrund einer langen Lagerzeit von mehr als fünf Jahren eine gealterte Schlichte aufweisen.
Es ist zu erwarten, dass die Projektergebnisse auch positive Auswirkungen auf andere Marktsegmente, z. B. Metall- und Kunststoffbearbeitung sowie im Hygienebereich, haben. Die Forschungsergebnisse werden nach erfolgreichem Abschluss des Projektes hauptsächlich in den Fachgebieten Textiltechnik, inkl. Veredlung, Faserverbundtechnik, Werkstofftechnik und Verfahrenstechnik nutzbar sein. Ferner werden Voraussetzungen für die Überleitung in andere Wirtschaftszweige, wie die chemische Industrie (Schlichte-Entwicklung), Windenergie, Luft- und Raumfahrt, inkl. Verteidigung, und den Fahrzeugbau geschaffen.
Die Leistungsaufnahme von 1,5 – 5 kW für die Entfernung von Schlichte auf textilen Flächengebilden mittels Elektronenstrahlverfahrens (ESV) beträgt ein Zehntel von dem, was die Entfernung der Schlichte mittels thermischer Behandlung, also 15 – 50 kW, betragen würde. Dies trägt zur Energieeinsparung, Ressourcenschonung und Kostensenkung in den verarbeitenden Unternehmen bei.