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? Composietis 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) Mathieu Urbanus - Centexbel 3

Wij hebbenhet hier over: WAT is een composietmateriaal Continue vezelversterkte kunststoffen(fibre reinforced plastics) Vezel Matrix (polymeer) keramisch, metaal, polymeer Zeer hoge mechanische eigenschappen (stijfheid, tenaciteit) Bros, fijn en dus fragiel Flexibel (zeer fijne vezels) Impregnatie! Basalt-Polyester Thermoset of thermoplast Relatief lage mechanische eigenschappen Verbinding tussen de vezels tot een vast materiaal Bescherming van de vezels Mathieu Urbanus - Centexbel 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 Vlas Standaardvezel (95%) Hoge sterkte, stijfheid Goedkoop (~2 /kg) 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, HT- PP (innegra) Hoge impactweerstand Mathieu Urbanus - Centexbel 6

Eigenschappen van composieten Composieteffecten Eigenschappenvan de constituentenwordenuitgemiddeld 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% Mathieu Urbanus - Centexbel 8

Voordelen van composieten Lichtgewicht Hoge sterkte Aanpasbare stijfheid/flexibiliteit Vermoeiingsweerstand Weerstand tegen vocht en corrosie Zeer grote ontwerpvrijheid Mathieu Urbanus - Centexbel 9

Marktstudie Mondiaal 8 miljoen ton composiet 80 miljard euro (JEC, 2012) 55 000 ton met koolstofvezel Toepassingsgebieden GFRP Europa 1 miljoen ton glasvezelcomposiet (GFRP) Mathieu Urbanus - Centexbel 10

Inhoud WAT is een composietmateriaal? Textiel in composieten?! Vezelversterkingen Productieprocessen Nieuwe ontwikkelingen Kort overzicht Centexbel composietonderzoek Mathieu Urbanus - Centexbel 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 Mathieu Urbanus - Centexbel 12

Voor- en nadelen van textiel als versterking Pro s Geautomatiseerde productie Controle over vezeloriëntatie Handelbaarheid en drapeerbaarheid Structuur zorgt voor hogere impactweerstand Contra s Grote investeringen nodig Lange productieketen Veel afval bij opleggen in de mal Harsrijke zones tussen de garens Mathieu Urbanus - Centexbel 13

Vezelversterkingen weefsels Grote vervormbaarheid (conformeren aan mal) Minimale golving van de garens (E: crimp) Zware, platte rovings zonder twist Open structuur Mathieu Urbanus - Centexbel 14

Vezelversterkingen weefsels Weefsel Vezeloriëntatie Drapeerbaarheid Handelbaarheid Vlak - - ++ Keper + + + Satijn ++ ++ -- Mathieu Urbanus - Centexbel 15

Vezelversterkingen vlechten Overbraiding Rond een spil ( mandrel ) Vezel naar eindvormin 1 stap Vooral buisvormige onderdelen Hoge impactweerstand Mathieu Urbanus - Centexbel 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 Mathieu Urbanus - Centexbel 17

Productieprocessen voor thermoset composieten Droge textielversterking 1. Opleggen in de mal 2. Harsimpregnatie Manueel Vacuum en/of druk 3. Uitharden (warmte + tijd) Mathieu Urbanus - Centexbel 19

Productieprocessen voor thermoset composieten Prepreg opleggen in de mal Vacuüm/druk + warmte Uitharden Luchtbellen verwijderen Natte versterking (prepreg) 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, Mathieu Urbanus - Centexbel 21

Productieprocessen voor thermoplastische composieten Preconsolidated sheets (continuous production) Cutting and stacking Heating and compression moulding Mathieu Urbanus - Centexbel 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) Mathieu Urbanus - Centexbel 23

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? Mathieu Urbanus - Centexbel 25

Koolstofvezel/thermoplast Ontwikkeling van Toray Wetlaid/drylaid koolstofvezel nonwoven PP film Gelijkaardige zaken met koolstofvezel van productie-afval? Mathieu Urbanus - Centexbel 26

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) Mathieu Urbanus - Centexbel 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 Mathieu Urbanus - Centexbel 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 creatie van PET fibrillen die voor versterking zorgen Doelstelling Hogere stijfheid/sterkte/taaiheid Verhoogde kruipweerstand Hogere temperatuursresistentie Mathieu Urbanus - Centexbel 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 Mathieu Urbanus - Centexbel 31

Composites equipment - Platform Vlechtmachine in Verviers Tot 4 onderling verbonden lagen Axiale versterking mogelijk Alle vezeltypes: carbon, aramide, glas, vlas, Mathieu Urbanus - Centexbel 32

Mogelijke vlechtproducten Composites equipment - Platform Mathieu Urbanus - Centexbel 33

Composites equipment - Platform Composietpers in Kortrijk Mathieu Urbanus - Centexbel 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 Matrix viscosity MFI, rotational, ubelohde, capillary Fibre volume fraction Fibre burn-off (glass) TGA in O 2 (glass) or N 2 (carbon) Processing window Degradation temperature: TGA Melting temperature: DSC Microstructure Optical microscopy SEM Mechanical properties 3-point bending test Impact test (borroweddevice from ITA) Externally: tensile test, DMA Burning behaviour 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: karin.eufinger@centexbel.be 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 "FunctionalThermoplastic Textiles" Mathieu.Urbanus@centexbel.be Phone +32 9 243 46 90 Fax +32 9 220 49 55 www.centexbel.be CENTEXBEL Technologiepark 7 BE-9052 ZWIJNAARDE Mathieu Urbanus - Centexbel 39