[0001] Die Erfindung betrifft einen Faserverbundstoff.
[0002] Die Erfindung betrifft ferner einen Gleitbrettkern aus einem Faserverbundwerkstoff,
der insbesondere für den Einbau in Skis oder Snowboards geeignet ist.
[0003] Die Erfindung betrifft ferner ein Gleitbrett.
[0004] Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoff,
insbesondere eines Gleitbrettkerns.
[0005] Obwohl sich bereits viele Entwicklungen mit alternativen Werkstoffen für Gleitbrettkerne
beschäftigen, ist Holz bis heute ein geradezu prädestinierter Werkstoff zur Fertigung
der gesamten Kerne oder Teilen davon, denn es hat einige in Relation zu seiner vergleichswert
geringen Rohdichte ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, die typischerweise auf
den von der Natur optimierten mikroskopischen Aufbau aus überwiegend langgestreckten
Faserzellen mit porenförmigen Zellhohlräumen zurückzuführen sind. Fachleute heben
die Vorteile von Skis und Snowboards mit Holzkernen stets hervor und reihen dieses
Produkt immer in das hochpreisige Marktsegment.
[0006] Holz weist bei vergleichsweise geringer Masse hohe Zug- und Biegefestigkeiten, eine
gute Schwingungsdämpfung sowie hohe Bruchzähigkeiten auf und zeigt ausgezeichnete
Ermüdungsfestigkeiten, sowohl im Fall der statischen Dauerstandfestigkeit als auch
bei einer sehr hohen Zahl an Wechselverformungen.
[0007] Als Naturrohstoff zeigt es allerdings auch innerhalb der gleichen Holzart eine typisch
breite Streuung seiner Eigenschaften bedingt durch unterschiedliches Wachstum aufgrund
zeitlich und räumlich veränderlicher Umwelt- und Standortbedingungen (Variabilität
der Holzeigenschaften). Dies führt zu stark streuenden technischen Werten. So weist
beispielsweise die Rohdichte, welche einen wesentlichen Einflussfaktor auf alle Festigkeits-
und Elastizitätswerte darstellt, selbst innerhalb des gleichen Holzbrettes und zwischen
unterschiedlichen Produktionschargen große Differenzen auf. Zudem hat Holz unterschiedliche
Eigenschaften in Abhängigkeit der Einwirkung quer oder längs zur Faserrichtung bzw.
radial oder tangential zu den Wachstumsringen (Anisotropie der Holzeigenschaften).
Hinzu kommt ein ausgesprochen hydrophiles Verhalten der Holzpolymere, wodurch selbst
bei einer sorgfältigen Trocknung und Lagerung des getrockneten Holzes unter konstanten
Klimaverhältnissen Feuchteschwankungen auftreten.
[0008] Um die großen Vorteile des von der Natur optimierten Faserverbundwerkstoffes Holz
zu nutzen, dessen streuende Eigenschaften jedoch auszugleichen, wurde und wird das
Holz zu Stäben oder Furnieren aufgespalten, welche zueinander räumlich versetzt angeordnet
und dann brettförmig als sogenanntes Stab- oder Furniersperrholz wieder zusammengesetzt
werden. Nur damit können gleichmäßigere technische Werte über große industrielle Stückzahlen
hinweg erreicht werden. In Weiterentwicklung dieses Prinzips wurde beispielsweise
mit Patent
DE 3 406 056 (Franz Hess & Co, 1985) ein Aufbau aus Holzlamellen und Hartschaum bekannt. Weitere
Entwicklungen beschäftigten sich mit Gewichtsreduktion durch Fräsung von Nuten und
Schlitzen in den Kern. Zuletzt hebt Patent
EP 1 493 468 (Schwabe & Baer; 2005) mit einem Sperrholzaufbau aus Bambus die gute Aufnahme von
Zug-, Biege- und Torsionsspannungen bei geringem Gewicht hervor.
[0009] Alle diese Produkte entstehen aber unter großem fertigungstechnischen Aufwand mit
einer Vielzahl an Arbeitsschritten, wobei sich zuletzt immer auch eine dreidimensionale
spanende Bearbeitung zur Schaffung der typischen verjüngenden Konturen der Kerne zu
deren Enden hin anschließen muss. Weiter muss erwähnt werden, dass trotz oben gezeigter
Anstrengungen für homogenere Eigenschaften der produzierten Holzwerkstoffe, eine höhere
Streuung als bei Kunststoffen nicht vermieden werden kann.
[0010] Andere Entwicklungen betreffen einen künstlichen Faserverbundwerkstoff auf Basis
anorganischer Fasern und Kunststoffen, welcher bereits in der Erzeugung die Form des
Gleitbrettkerns erhält und einen absolut gleich bleibenden Aufbau über die großen
Stückzahlen einer industriellen Serienfertigung hinweg zeigt. So wurde durch das Patent
GB 804 861 (Richard Joseph Thornton, 1958) die Herstellung eines Skikerns aus mit anorganischen Fasern verstärkten Polyester-
oder Epoxidharzen bekannt und dabei besonders die Notwendigkeit eines guten Quotienten
von Masse zu Festigkeit hervorgehoben.
[0011] Genau diese typische Holzfasereigenschaft kann mit hochdichten anorganischen Fasern
konventionell nicht erreicht werden, weswegen schon damals Hohlräume mit aufwändigen
Produktionsverfahren notwendig waren. Diesen Fasern liegen nämlich bezüglich Masse
die hohen Werte ihrer Ausgangsstoffe zugrunde. So weisen Kohlefasern eine Dichte von
ca. 1,8 g/cm
3, E-Glas als Ausgangsprodukt von Glasfasern gar 2,6 g/cm
3 auf. Demgegenüber hat zwar auch Holz eine sogenannte Reindichte (d.h. die Dichte
ermittelt ohne die charakteristischen Faserzellhohlräume, also den Poren) von im Mittel
1,5 g/cm
3, durch die Zellanatomie aus Zellwänden um einen hohlen Innenraum reduziert sich die
Raumdichte des Faserverbundstoffes aber wesentlich, bei Fichte beispielsweise auf
0,47 g/cm
3.
[0012] Ein möglichst geringes Gewicht bei ausgeglichenen elastischen Eigenschaften des Gleitbrettkerns
bestimmt die Fahreigenschaften des Gleitbrettes und bleibt bis heute das wesentliche
Ziel der Entwicklungen in diesem Bereich.
[0013] So wurde als eine weitere Art der Gewichtsreduktion mit Patent
DE 1 809 011 (Völkl Franz OHG, 1970) ein Verfahren bekannt, das die Kernherstellung durch Ausfüllen
von Hohlformen mit aufschäumenden Duroplasten beschreibt. Darin wird aber auch klar
hervorgehoben, dass die ungenügenden Biege- und Torsionsfestigkeiten solcher Schaumstrukturen
durch Ummantelung mit anorganischen Faserelementen wie Glasfasern oder Metalldrähten
gelöst werden muss.
[0014] Die technischen Werte von Schäumen aus duroplastischen Kunststoffen, insbesondere
solche aus Polyurethan, verdeutlichen dieses Problem. Hochfeste RIM-Schäume ("Reactive
Injection Moulding") zeigen zwar Biegefestigkeiten um 80 MPa, kommen aber auf eine
Dichte von 1,1 g/cm
3, während Hartintegralschäume mit Rohdichten zw. 0,4 - 0,6 g/cm
3 nur Biegefestigkeiten von 20 - 35 MPa und Biege-E-Moduli zw. 700 - 1.100 MPa erreichen.
Im Vergleich dazu zeigt Fichtenholz bei gängiger Bezugsfeuchte von 12% eine Dichte
von ca. 0,47 g/cm
3 und bei Spannungsverläufen parallel zur Faser im Mittel Biegefestigkeiten von 70
MPa, Biege-E-Moduli von 10.000 MPa. Ein weiterer bekannter Nachteil der Kunststoffe
ist deren im Vergleich zu Holz schnelle Materialermüdung und ungenügende Schwingungsdämpfung.
[0015] Andere Aufbauten setzten einen laminierten Aufbau der Schaumkerne mit faserverstärkten
Ober- und Untergurten oder Kernen mit Wabenstrukturen, welche hohl blieben oder ausgefüllt
wurden, in den Mittelpunkt. Diese Entwicklungslinie setzt sich fort bis zur Einbettung
strangförmiger und in Kernlängsrichtung ausgerichteter Faserstränge in duroplastische
Kunststoffe, wie es aus dem Patent
FR 2 881 962 (Skis Rossignol SA, 2006) bekannt wurde. Diese Faserstränge müssen, wie in dem Patent
erwähnt, künstlich aus anorganischen Stoffen hergestellt werden, da sich Holzfasern
nicht zu Strängen oder Rovings verspinnen lassen.
[0016] Hier muss auf einen - im Zusammenhang mit Gleitbrettkernen - weiteren Nachteil der
anorganischen Fasern eingegangen werden. Glas-, Karbon- oder Aramidfasern haben zwar
beispielsweise sehr hohe Zugfestigkeiten, aber auch ebenso hohe zugehörige Elastizitätsmoduli.
So weisen Glasfasern Zug-E-Moduli von mindestens 70.000 MPa, Karbonfasern solche zwischen
250.000 - 380.000 MPa auf - Werte, die beispielsweise um das 7- bis 30fache über jenen
der Faserzellen von Fichte liegen, für die ein Zug-E-Modul von ca. 11.000 MPa angesetzt
wird. Je höher nun ein E-Modul, desto steifer ist das Material. Diese anorganischen
Fasern sind also so steif, dass bei einem höheren Faseranteil im Kunststoff der gesamte
Komposit zu wenig biegeflexibel wird. Hier tritt der Vorteil der Holzfasern klar zutage,
da diese selbst bei hoher Dosierung im Verbundwerkstoff noch zur Gewichtsreduktion
beitragen und die oben beschriebenen positiven biegeelastischen Eigenschaften von
Holz einbringen. Da zudem Holzfasern massebezogen wesentlich günstiger als anorganische
Fasern und Kunststoffe sind, wird auch ein Kostenvorteil erreicht.
[0017] Die neben den bisher erwähnten Duroplasten verwendeten thermoplastische Kunststoffe
zeigen eine Reihe von hinlänglich bekannten Nachteilen für Gleitbrettkerne bezüglich
Kriechverhalten, plastischer Verformbarkeit, temperaturabhängiger Variabilität und
hoher Dichte. Diese bleiben auch im Verbund mit Fasern erhalten und können durch die
Faserkomponente nicht verhindert werden können.
[0018] DE 744347 offenbart einen Ski, insbesondere aus Kunststoffen, wobei die Einlage oder Einlagen
zwischen der Laufsohle und der Skioberseite aus Leichtbauplatten bestehen. Ein solcher
Ski kann an der Stelle des Skibackens eine weitere Einlage aus Holz besitzen, die
ein Anschrauben der Bindungsteile ermöglicht.
[0019] GB 833721 offenbart Verbesserungen in und für einen Ski, der in Laminierbauweise mit einem
langgestreckten Kern gebildet wird, und eine Mehrzahl von gebondeten Laminatschichten
aufweist.
[0020] EP 1,319,503 offenbart ein Verbundteil aus einer Kernschicht, beidseitig der Kernschicht angeordneten
mit Polyurethanharz getränkten Faserschichten, einer Deckschicht mit Class-A-Oberflächenqualität
auf der einen Faserschicht und gegebenenfalls einer Dekorschicht auf der zweiten Faserschicht.
[0021] In der Publikation "BAYPREG FPUR PLUS Natur im Automobil, Verbundwerkstoffe aus Polyurethan",
Bestell-Nr.: PU: 52250, Ausgabe 3.00 der Firma Bayer sind Verbundwerkstoffe für den
Automobilbau offenbart.
[0022] DE 23 22 602 A1 offenbart ein Läpp-Kissen mit einer Faserblattstruktur bzw. Fliesstruktur. Die Fliesstruktur
besteht aus verfilzten Fasern, welche Poren aufweisen, in die synthetische hochmolekulare
Materialien eingebracht sind. Eine verfilzte Matte wird aus natürlichen oder synthetischen
Fasern gebildet. Ferner wird ein Anwendungsbeispiel erläutert, in welchem die verfilzte
Matte aus einem dreidimensional verfilzten Nylonfasermaterial besteht.
[0023] DE 198 35 983 A1 offenbart ein Verfahren zur Verbesserung der Haftfestigkeit von zu Verstärkungszwecken
in thermoplastischen Kunststoff eingebrachten cellulosischen Naturfasern. Kunststoffe
können mit organischen Fasern aus Holz-Cellulose und Einjahrespflanzen versetzt werden.
Die Holzfasern bzw. die Naturfasern werden gemäß dem offenbarten Herstellverfahren
für die Weiterverarbeitung in Schmelzprozessen zuvor singularisiert. So können aus
versponnenen Jutefasern durch Schneidverfahren Stapelfasern geeigneter Länge gewonnen
werden. Dies findet vor oder nach der Applikation von harzartigen Duroplasten zur
Verbesserung der Haftfestigkeit mit thermoplastischen Kunststoffen statt. Diese Kurzschnittfasern
sind rieselfähig und damit für die weitere Verwendung in Schmelzprozessen brauchbar,
welche Spritzguss-, Extrusions- und weitere Verfahren umfassen und aus welchen beispielsweise
Kunststoff-Compound wie Spritzguss-Granulat, Formkörper, umhüllte Stapelfaser, Pellet
oder Extrudat hergestellt werden.
[0024] Aufgabe der Erfindung ist es, einen mit vertretbarem Aufwand herstellbaren Faserverbundstoff
mit günstigen Materialeigenschaften bereitzustellen.
[0025] Diese Aufgabe wird mit einem Faserverbundstoff, einem Gleitbrettkern, einem Gleitbrett
und einem Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundstoffs mit den Merkmalen gemäß
den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
[0026] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Faserverbundwerkstoff
geschaffen, der auf Basis von Holzfasermatten aus untereinander verfilzten Holzfasern
hergestellt ist, in die duroplastische und/oder elastomere Kunststoffe eingebracht
sind.
[0027] Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Gleitbrettkern
geschaffen, der einen Faserverbundwerkstoff mit den oben beschriebenen Merkmalen aufweist.
[0028] Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein
Gleitbrett bereitgestellt, insbesondere ein Ski oder ein Snowboard, das einen Gleitbrettkern
mit den oben beschriebenen Merkmalen enthält.
[0029] Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein
Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffs bereitgestellt, wobei bei dem
Verfahren der Faserverbundwerkstoff auf Basis von Holzfasermatten aus untereinander
verfilzten Holzfasern gebildet wird, in die duroplastische Kunststoffe und/oder elastomere
Kunststoffe eingebracht werden.
[0030] Als Duroplaste, auch Duromere genannt, können insbesondere Kunststoffe angesehen
werden, die nach ihrer Aushärtung nicht mehr verformt werden können.
[0031] Als Elastomere können insbesondere formfeste, aber elastisch verformbare Kunststoffe
angesehen werden. Die Kunststoffe können sich bei Zug- und Druckbelastung verformen,
finden aber danach wieder in ihre ursprüngliche, unverformte Gestalt zurück.
[0032] Als Holz kann insbesondere das feste oder harte Gewebe der Sprossachsen (Stamm, Äste,
Zweige) von Bäumen angesehen werden. Holz kann insbesondere als Material angesehen
werden, das Lignin in die Zellwand einlagert. Somit kann als Holz insbesondere auch
ein lignifiziertes (verholztes) pflanzliches Gewebe bezeichnet werden.
[0033] Als Gleitbrett können insbesondere körperliche Strukturen angesehen werden, die zum
Gleiten auf einer festen oder flüssigen Unterlage oder zum Gleiten durch ein Fluid
(zum Beispiel Gas, Flüssigkeit) eingesetzt werden können.
[0034] Erfindungsgemäß können die hervorragenden Eigenschaften des von der Natur optimierten
Faserverbundstoffes Holz mit den Vorteilen von Kunststoffen, die in gewünschten Formen
in einem Arbeitsgang hergestellt werden können, vereint werden und die oben angeführten
Nachteile bezüglich der Inhomogenitäten am Holz und den geringen mechanischen Eigenschaften
der Kunststoffe ausgegrenzt werden, wobei die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundstoffes
soweit wie möglich denen des Holzes angenähert, aber auch gezielt verändert werden
können und trotzdem ein möglichst geringes Gewicht erreicht wird.
[0035] Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Gleitbrettkern aus einem Faserverbundwerkstoff
geschaffen, der insbesondere für den Einbau in Skis oder Snowboards geeignet ist.
Dieser Faserverbundwerkstoff enthält einen ausreichend hohen Anteil an Holzfasern,
welche untereinander vernetzt in Form von Matten mit oder ohne bevorzugter Ausrichtung
der Fasern vorliegen, und in die duroplastische oder elastomere Kunststoffe eingebracht
werden. Durch die definierbar hohe und vor allem gleichmäßige Holzfaserdichte der
Matten wird ein homogener Werkstoff mit gleichmäßigen mechanischen Eigenschaften erreicht,
welche aber auch gezielt an unterschiedlichen Stellen im Kern verändert werden können.
[0036] Erfindungsgemäß weist der Gleitbrettkern einen Faserverbundwerkstoff auf oder besteht
daraus, der hergestellt wird auf Basis von Holzfasermatten aus untereinander verfilzten
Holzfasern mit oder ohne bevorzugter Ausrichtung, in die duroplastische oder elastomere
Kunststoffe eingebracht werden. Das Kunststoffpolymer übernimmt dabei die Funktion
des formgebenden Bindemittels.
[0037] Erfindungsgemäß bieten erwähnte Matten den Vorteil einer gezielt definierbaren und
vor allem gleichmäßigen Holzfaserdichte, womit über gewünschte Zonenabschnitte des
Kerns auch ein möglichst hoher Anteil an Holzfasern eingebracht werden kann. Dadurch
werden die mechanischen Eigenschaften des Kerns im Hinblick auf Biegeelastizität,
Schwingungsdämpfung und Dauerstandfestigkeit so weit wie möglich denen des Holzes
angenähert und vor allem werden die Dosierungsprobleme der Einspritzverfahren an den
dünner werdenden Stellen zu den längsseitigen Enden hin vermieden.
[0038] Erfindungsgemäß können die mechanischen Eigenschaften je nach Erfordernis an unterschiedlichen
Stellen im Kern gezielt verändert werden, wie dies beispielsweise in Kernmitte und
an den Kernenden notwendig ist. Dies wird erreicht, indem durch lokale Stapelung der
Matten sowie Verdichtung oder Auflockerung der Mattenstruktur Stellen höherer oder
niederer Dichte und Steifigkeit geschaffen werden oder indem die Matten eine bevorzugte
Faserausrichtung aufweisen, wobei auch mehrere solcher Matten kreuzweise übereinander
eingelegt werden können.
[0039] Als besonders vorteilhaft zeigt sich in diesem Zusammenhang der zuvor erwähnte anatomische
Aufbau der Holzfaser aus Zellwänden und Zellhohlräumen, da dadurch das Ziel der Gewichtsreduktion
gegenüber schweren anorganischen Kunstfasern selbst bei hohen Faseranteilen gehalten
werden kann.
[0040] Als Kunststoffkomponente kommt jeder duroplastische oder elastomere Kunststoff in
Frage, wobei es sich als besonders vorteilhaft zeigt, wenn solche Polymere in die
Holzfasermatten eingebracht werden, welche im Zuge der Aushärtung aufschäumen und
somit die Porenstruktur der Holzfasern in die Kunststoffmatrix übertragen. Dabei zeichnet
die Matte mit der definiert homogenen Faserstruktur die ausschäumbaren Zwischenräume
vor und garantiert so eine Schäumung mit gleichmäßig verteilten Poren homogener Größe
im Kunststoff.
[0041] Zudem ist es im Rahmen dieser Erfindung ebenso garantiert, dass - wie bei den reinen
Einspritzverfahren - das Einlegen von Inserts für die Aufnahme der Bindungsschrauben
oder eine klebefeste Verbindung mit zuvor in die Hohlform eingelegten Laminaten für
Ober- und Untergurte oder ähnliches in einem Arbeitsgang mit dem Einlegen der Holzfasermatten
möglich ist.
[0042] Die erwähnten Holzfasern werden beispielsweise in thermo-mechanischen Aufschlussverfahren
gewonnen, wie sie in der Faserplattenindustrie seit Jahrzehnten erprobt sind. Sie
sind preiswert sowie leicht und versorgungssicher verfügbar. Die Holzfasermatten können
daraus mit gezielt bestimmbarer Dichte und beständiger Verfilzung, mit oder ohne Verstärkung
durch Kunststofffäden, mit oder ohne vorherige Imprägnierung durch Kunstharze, hergestellt
werden.
[0043] Die Holzfasermatten werden nach Zuschnitt in Hohlformen, welche der Geometrie des
fertigen Gleitbrettkernes entsprechen, eingelegt, wobei die Tränkung mit der duroplastischen
oder elastomeren Kunststoffkomponente vor dem Einlegen oder auch erst danach in der
Form erfolgen kann.
[0044] Die im Rahmen dieser Anmeldung offenbarten Ausgestaltungen des Faserverbundstoffs
gelten auch für den Gleitbrettkern, das Gleitbrett und für das Verfahren. Die im Rahmen
dieser Anmeldung offenbarten Ausgestaltungen des Gleitbrettkerns gelten auch für den
Faserverbundstoff, das Gleitbrett und für das Verfahren.
[0045] Die Lage der Holzfasern in der Holzfasermatte kann frei von einer Vorzugsrichtung,
d.h. isotrop, sein. Somit können die Holzfasern eine statistische Verteilung hinsichtlich
ihrer Orientierung in dem Faserverbundstoff aufweisen, was in allen Richtungen gleichmäßige
mechanische Eigenschaften zur Folge hat.
[0046] Alternativ kann die Lage der Holzfasern in der Holzfasermatte eine Vorzugsrichtung
aufweisen, d.h. anisotrop, sein. Somit können die Holzfasern eine geordnete Verteilung
hinsichtlich ihrer Orientierung in dem Faserverbundstoff aufweisen, was in unterschiedlichen
Richtungen unterschiedliche mechanische Eigenschaften zur Folge hat.
[0047] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verbundwerkstoff
auf Basis von Holzfasermatten und geschäumten (bzw. schäumenden) elastomeren oder
duroplastischen Polymeren sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitgestellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen einen Verbundwerkstoff, der auf Basis
von Matten geformt wird, mit Holzfasern aus dem Stamm verholzender Pflanzen/aus thermo-mechanischen
Aufschließungsverfahren, in die schäumbare (bzw. schäumende) elastomere oder duroplastische
Polymere eingebracht werden, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
[0048] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird daher ein Verfahren
zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes geformt mit Holzfasern aus dem Stamm verholzender
Pflanzen/aus thermo-mechanischen Aufschließungsverfahren und geschäumten elastomeren
oder duroplastischen Polymeren geschaffen, wobei als Dichtewerte jene von industriell
nutzbaren Nadel- oder Laubhölzern angestrebt werden und ein möglichst hoher Anteil
an Holzfasern (zum Beispiel mindestens 30 Gewichtsprozent oder mindestens 50 Gewichtsprozent)
vorliegen soll, welche in vorherbestimmbarer gleichmäßiger Verteilung eine Verbindung
mit der Schaumstruktur des Polymers eingehen. Erfindungsgemäß kann ein schäumbares
elastomeres oder duroplastisches Polymer, beispielsweise Polyurethan, in zuvor bereitgestellte
Holzfasermatten eingebracht werden. Wenn der Anteil von Holzfasern im Verbundwerkstoff
möglichst hoch gehalten werden soll und zudem die Holzfasern in vorherbestimmbarer
gleichmäßiger Verteilung in die Kunststoffmatrix eingebettet werden sollen, kann aus
den zuvor beschriebenen Gründen ein geeignetes Verfahren durch Einbringung des Polymers
in Holzfasermatten gefunden werden.
[0049] Ohne sich an ein bestimmtes Verfahren zur Herstellung solcher Matten zu binden, sei
hier darauf hingewiesen, dass vor allem Holzfasern aus dem thermo-mechanischen Refinerverfahren
verwendet werden können.
[0050] Es kann das Stammholz zuerst zerkleinert und dann einem Aufschließungsprozess, beispielsweise
dem thermo-mechanischen Refinerverfahren, zugeführt werden. Die Holzfasern können
getrocknet werden. Da die Holzfasern sich ständig ineinander verhaken und nicht lose
gestreut werden können, können diese durch Vernadelung in eine räumlich verfilzte
Struktur gebracht werden, wobei zumeist noch geringe Gewichtsteile an Kunstfasern
zur Verstärkung der Mattenstruktur mit eingebracht werden. In dieser Form können die
Matten dann problemlos manipuliert, in Form geschnitten, gestapelt, transportiert
und zwischengelagert werden.
[0051] Als Polymer kann ein selbsttätig schäumendes Polyurethan eingesetzt werden, was den
Vorteil einer langen Erfahrung in Kombination mit Holz mit sich bringt. Die chemische
Affinität zu den freien Hydroxylgruppen der zellulosischen, hemizellulosischen und
ligninen Moleküle ist zudem gut.
[0052] Fasermatten können zum Beispiel mit Stärken zwischen 2 mm und 30 mm (oder höher:
50 mm oder mehr) vorgesehen sein. Damit wird für die spätere Kunststoffmatrix ein
definierter Raum vorgegeben, in den sie eindringen kann.
[0053] Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein Verbundwerkstoff aus Natur/Holzfaser
und geschäumten elastomeren oder duroplastischen Polymeren bereitgestellt sein. Ein
solcher Verbundwerkstoff kann mindestens 40% Anteil Holzfasern aufweisen. Ein Verbundwerkstoff
kann eine Kombination von Matten unterschiedlicher Dichte/Stärke enthalten. Für einen
solchen Verbundwerkstoff kann selbsttätig schäumendes Polyurethan verwendet werden.
[0054] Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes kann als kontinuierliches
Verfahren ausgestaltet sein. Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes
kann alternativ als diskontinuierliches Verfahren ausgestaltet sein.
[0055] Obwohl sich schon eine Reihe von Erfindungen mit faserverstärkten Kunststoffen befassen,
ermöglicht keines der bekannten Verfahren die Herstellung eines Verbundwerkstoffes
auf der Basis von Matten geformt mit Holzfasern aus dem Stamm verholzender Pflanzen/aus
thermo-mechanischen Aufschließungsverfahren und geschäumten elastomeren oder duroplastischen
Polymeren, wobei als Dichtewerte jene von industriell nutzbaren Nadel- oder Laubhölzern
angestrebt werden und ein möglichst hoher Anteil an Holzfasern vorliegen soll, welche
in vorherbestimmbarer gleichmäßiger Verteilung eine Verbindung mit der Schaumstruktur
des Polymers eingehen.
[0056] Der Grund für die geringe Eignung der Holzfaser in den bestehenden Verfahren zur
Herstellung von Faser-Polymer-Kompositen liegt in ihren besonderen Charakteristika,
welche sie von den übrigen Naturfasern unterscheidet. Im Weiteren soll zunächst auf
diese Eigenschaften der isolierten, also aus dem Zellverband gelösten Holzfaser eingegangen
werden, welche im Chemismus der Zellwand, dem anatomischen Aufbau des Zellverbandes
und den Verfahren zur Lösung der Faserzellen aus diesem Verband, dem sogenannten Aufschließungsverfahren,
begründet liegen. Im Folgenden wird mit Faser, Naturfaser, Holzfaser oder Refiner(holz)faser
die industriell gewonnene Faser benannt, während der Begriff Faserzelle auf die anatomische
Einzelzelle im ursprünglichen Zellverband Bezug nimmt.
[0057] Grundsätzlich bilden Faserzellen in allen Landpflanzen das Stützund Leitungsgewebe,
weswegen sie eher lang gestreckt sind und stärkere Zellwände aufweisen. Die Zellwände
der Faserzellen im Stamm verholzender Pflanzen allerdings unterscheiden sich von jenen
der restlichen Faserpflanzen mit ein- oder wenigjährigen Wachstumszeiten wesentlich
dadurch, dass auf molekularer Ebene zwischen den als lang gezogenen Strängen ausgebildeten
makromolekularen Polysacchariden, also der Zellulose und den Hemizellulosen, das davon
völlig verschiedene und amorphe Lignin, der "Verholzungs- oder Holzstoff", in hohem
Anteil von ca. 20 bis 30 und mehr Gewichtsprozent und in der Art vorliegt, dass es
eine Matrix bildet, in der die zellulosischen Fibrillen eingebettet werden. Bei den
übrigen Naturfasern bewegt sich der Ligninanteil hingegen im 1stelligen Prozentbereich,
bei Hanf beispielsweise zwischen ca. 2 und 5 Gewichtsprozent. Wegen dem hohen Anteil
an amorphem Lignin sind die aufgeschlossenen, also isolierten Holzfasern sehr viel
spröder als jene der übrigen nicht oder wenig verholzten Faserpflanzen, deren Zellwände
fast nur aus den strangförmigen zellulosischen Gerüstsubstanzen aufgebaut werden.
[0058] Ein entscheidender Vorteil der Refiner-Holzfasern ist allerdings deren gleichbleibende
Qualität, die auf den Umstand zurückzuführen ist, dass die Faserzellen im Stammholz
von einem über Jahrzehnte bis Jahrhunderte hinweg aktiven Mantel-Kambium aus durch
Zellteilung in stetig gleicher Ausgestaltung gebildet wurden. Die Faserzellen verholzender
Pflanzen mit Dickenwachstum sind also fest in einen umfangreichen Verband aus mehr
oder weniger gleichen oder ähnlichen Zellen eingebunden, wobei sich die langgestreckten
Faserzellen der Nadelhölzern sehr ähneln und eine Länge von typischerweise unter 5
mm aufweisen. Demgegenüber ist die Qualität der Fasern aus den nicht verholzenden
Pflanzen mit ein- oder wenigjährigem Umtrieb stark von den Wachstumsbedingungen in
der oder den betreffenden Vegetationsperioden abhängig. Es ist im Gegensatz zur Faserzelle
im Holz das typische anatomische Kennzeichen dieser Faserzellen, dass sie gruppiert
zu langgestreckten Faserbündeln aus zum Teil hunderten Einzelzellen und zudem leicht
trennbar vom übrigen, nicht faserigen Zellverband auftreten. Bei Flachs, Hanf, Kenaf,
Jute und Ramie beispielsweise kommen die Faserbündel im Bast, also dem weichen Teil
der Rinde, und somit in Randlage um den Sproß ("Bastfasern") vor, während jene von
Sisal eingebettet in Gewebe aus dünnwandigen, zumeist parenchymatischen Zellen im
Blatt angeordnet wind ("Blattfasern").
[0059] Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen der Holzfaser und den übrigen Naturfasern,
welche allesamt aus nicht oder wenig verholzenden Pflanzen mit ein- oder wenigjährigem
Wachstum gewonnen werden, besteht aber nicht nur im chemischen und anatomischen Aufbau
der Faserzelle selbst, sondern bedeutenderweise in der Art der Fasergewinnung. Die
Faserzelle im Holz ist fest in einen umfangreichen Verband aus gleichartigen Zellen
eingebunden und baut so das Stammholz mit bekannt großen Durchmessern und Höhen auf,
während oben beschriebene Bast- oder Blattfasern in Form von leicht zu isolierenden
Faserbündeln vorkommen. Daher unterscheiden sich auch die industriellen Verfahren
zur Aufschließung und vor allem die Faserprodukte völlig.
[0060] Mit den Aufschließungsverfahren für Faserpflanzen mit ein- oder wenigjährigem Wachstum
können wegen der leichteren Lösung aus der Pflanze diese langen Faserbündel fast vollständig
in Ihrer natürlichen Länge isoliert werden. Diese Naturfasern werden somit, abhängig
von der Spezies, mit mittleren Längen von ca. 30 cm bis 60 cm gehandelt und können
leicht zu Rovings gebündelt, zu Fäden oder Seilen gedreht oder weiter zu Geweben bzw.
Vliesen verwoben und, falls erwünscht, auch wieder aufgeschnitten, also in kürzere
Abschnitte aufgeteilt werden.
[0061] Die Aufschließung von Stammholz hingegen benötigt andere Verfahren. Im Rahmen der
thermo-mechanischen Refinertechnologie wird es zuerst zerkleinert und die Holzteile
anschließend unter Zuführung von Dampf und unter Druck aufgekocht. Da sich nun die
Pektine, der "Faserktebstoff", welcher die Einzelzellen aneinander bindet, lösen und
das amorphe Lignin plastifiziert, kann das Material einem Scheibenrefiner, einem Mahlwerkzeug,
zugeführt werden, wo der Zellverband - im Gegensatz zur Aufschließung der übrigen
Faserpflanzen - bis hinunter zur anatomischen Einzelfaser aufgelöst wird ohne diese
selbst im größeren Ausmaß zu zerstören. Daneben bleibt aber auch hier noch ein gewisser
Anteil an Faserbündel bestehen, die natürlich größere Abmessungen besitzen, wenn auch
weit unter den zuvor beschriebenen. Der so gewonnene Holzfaserstoff, auch TMP(Thermo-mechanical
Pulp) oder Refinerfasern genannt, weist daher bezüglich der Längen seiner Faserbestandteile
einen weiten Bereich von wenigen 1/10 mm bis zu über 35 mm auf, wobei allerdings der
Mittelwert im Bereich etwas unterhalb der natürlichen Länge der Einzelfaser zu liegen
kommt, so etwa zwischen 2 mm und 4 mm. Eine ähnlich weit ausladende Normalverteilung
gilt für deren Durchmesser. Die aus dem Stammholz von Bäumen isolierten Holzfasern
bleiben somit in Ihrer Länge deutlich hinter jener der Faserbündel anderer Naturfasern
zurück.
[0062] Es ist ein weiteres typisches Merkmal dieser Refinerfasern, dass sie dazu neigen,
sich ineinander zu verhaken und zu watteförmigen Bäuschen zu verfilzen. Das Material
ist daher nicht von sich aus streuoder rieselfähig und kann nicht mit einfachen Mitteln
gleichmäßig auf ein Band oder in eine Form gelegt oder gestreut werden. Die homogene
Verteilung der Fasern in der späteren Kunststoffmatrix ist jedoch eine entscheidende
Zielsetzung, da ja einer der Vorteil des Kompositwerkstoffes gerade auch in der Vermeidung
der inhomogenen Charakterstika der Naturstoffe liegt. Weiters ist wegen der geringen
Längen und der Sprödigkeit der Holzfaser ein Verspinnen zu Fäden, Seilen u.ä. sowie
ein weiteres Verweben nicht möglich.
[0063] Ein Faserverbundwerkstoff bzw. ein Gleitbrettkern gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann als Basis für einen Ski (zum Beispiel einen Alpin-Ski oder einen
Langlaufski oder einen Mono-Ski), ein Snowboard, ein Surfbrett, , Automobilverkleidungen,
Flugzeugverkleidungen, Möbelteile, Paneele und sonstige Verkleidungselemente für den
Innenbereich und für den Außenbereich, etc. vorgesehen sein. Andere Anwendungsgebiete
sind möglich.
[0064] Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden
Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher
beschrieben.
[0065] Es zeigen:
Fig. 1 zeigt einen Gleitbrettkern mit eingelassenem Insert zur späteren Aufnahme von
Schrauben für einen Bindungsbereich eines Skis gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
Fig. 2 zeigt einen Gleitbrettkern mit lokal verdichteten Bereichen gemäß einem anderen
exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3 bis Fig. 7 zeigen verschiedene Kombinationen von Holzfasermatten gleicher oder
unterschiedlicher Dichten gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Fig. 8 und Fig. 9 zeigen Bilder von rohen Holzfasermatten zum Beispiel als Basis für
Gleitbrettkerne gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Fig. 10 zeigt ein Insert, das in einen Faserverbundstoff gemäß einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel der Erfindung eingesetzt ist.
Fig. 11 bis Fig. 13 zeigen einen Faserverbundstoff, wie er insbesondere für Gleitbrettkerne
geeignet ist, gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0066] Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen
Bezugsziffern versehen.
[0067] Die Darstellungen der Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
[0068] Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Gleitbrettkerns 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
[0069] Der Gleitbrettkern 100 ist aus einem Faserverbundstoff hergestellt, der auf Basis
einer Holzfasermatte aus untereinander verfilzten Holzfasern 102 gebildet ist, in
die ein duroplastischer oder elastomerer Kunststoffe eingebracht ist. Dieser ist,
wie mit Bezugszeichen 104 angedeutet ist, in Zwischenräume zwischen den verfilzten
Holzfasern 102 vorgesehen.
[0070] Der Gleitbrettkern 100 kann als Basis für einen Ski vorgesehen sein und zeichnet
sich dadurch aus, dass die verfilzten Holzfasern 102 eine bevorzugte Richtung aufweisen,
nämlich parallel oder im Wesentlichen parallel zur horizontalen Abmessung des Gleitbrettkerns
100 gemäß Fig. 1.
[0071] In den Gleitbrettkern 100 ist ein Insert 106 mit einem Schraubengewinde gebildet,
das mittels einer Schraube oder eines anderen Befestigungselements zum Beispiel mit
einer Skibindung oder einem anderen anzukoppelnden Element fest verbunden werden kann.
[0072] Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines Gleitbrettkerns 150 gemäß einem anderen exemplarischen
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0073] Der Gleitbrettkern 150 weist infolge entsprechender Bearbeitung der Holzfasermatten
mittels lokalen Verdichtens unterschiedliche Dichten und Holzfaseranteile an unterschiedlichen
Gleitbrettkernzonen auf. Genauer gesagt ist ein Bereich 152 des Gleitbrettkerns 150
mit einer geringeren Dichte vorgesehen als ein Bereich 154 des Gleitbrettkerns 150
mit einer höheren Dichte. Dies kann zum Beispiel mittels Ausübens von Druck auf den
Bereich 154 des Gleitbrettkerns 150 erreicht werden.
[0074] Fig. 2 zeigt somit einen Gleitbrettkern 150, bei dem Zonen 152, 154 unterschiedlicher
Dichte durch Verdichten der ursprünglich homogenen und konstant dichten Holzfasermatte
an lokalen Stellen im Gleitbrett 150 geschaffen werden, wie sie beispielsweise zur
Schaffung der typischen dreidimensionalen Form samt den an den Gleitbrettenden angehobenen
Spitzen notwendig ist. Ein wichtiger Punkt in der Ausführung zu den Dichtezonen im
Board ist nämlich der Umstand, dass auch bei Verwendung einer ursprünglich homogenen
Holzfasermatte mit ursprünglich konstanter Dichte Zonen 152, 154 unterschiedlicher
Dichte entstehen, wenn die typische dreidimensionale Form des Gleitbrettkernes 150
(in der Boardmitte 8 mm stark, an den Enden nur mehr 3 mm) durch reine Verdichtung
an den Boardenden geschaffen wird.
[0075] Fig. 2 illustriert daher die Schaffung von Zonen 152, 154 unterschiedlicher Dichte
durch lokale Verdichtung der ursprünglich homogenen Holzfasermatten konstanter Dichte,
beispielsweise in longitudinaler Richtung zu den Enden des Gleitbrettkerns 150 hin.
Auch bedingt dadurch, dass sich der Gleitbrettkern 150 zu den Spitzen hin verjüngt
und so eine dreidimensionale Form bildet. In Fig. 2 ist auch eine Anhebung der Kernform
an den Gleitbrettspitzen gezeigt (Stärken im Vergleich zu Länge überhöht dargestellt).
[0076] Fig. 3 bis Fig. 7 zeigen verschiedene mögliche Kombinationen von Holzfasermatten
unterschiedlicher Dichten mit einem Kunststoff, die zum Beispiel für einen Faserverbundwerkstoff
gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet werden können.
[0077] Fig. 3 zeigt einen auf einer Holzfasermatte basierenden Faserverbundwerkstoff 200, bei dem
miteinander verfilzte Holzfasern 102, eingebettet in eine Matrix 104 aus einem Kunststoff,
gezeigt sind. Die Holzfasermatte kann zum Beispiel eine relativ niedrige Dichte von
beispielsweise 0,05 g/cm
3 bis 0,15 g/cm
3 aufweisen (wobei hier der Kunststoff 104 nicht eingerechnet ist).
[0078] Fig. 4 zeigt einen auf einer Holzfasermatte basierenden Faserverbundwerkstoff 300 gemäß
einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier sind verfilzte
Holzfasern 102 vorgesehen, die in eine Kunststoffmatrix 104 eingebettet sind. Allerdings
ist bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 die Holzfasermatte mit einer höheren Dichte
vorgesehen als gemäß Fig. 2, beispielsweise ca. 0,20 g/cm
3.
[0079] Fig. 5 zeigt einen auf Holzfasermatten basierenden Faserverbundwerkstoff 400 gemäß einem
anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieser ist geformt, indem
nach Art eines Höhenschichtmodells zwei auf Holzfasermatten gleicher Dichte basierende
Faserverbundwerkstoffplatten 200 übereinander angeordnet und aneinander verbunden
sind, zum Beispiel verklebt sind. Es ist einerseits möglich, die beiden Faserverbundwerkstoffplatten
200 erst nach Aushärten der jeweiligen Kunststoffe 104 miteinander zu verbinden, zum
Beispiel zu verkleben oder zu verschrauben. Es ist andererseits möglich, zwei Holzfasermatten
gleicher Dichte aneinander anzulegen und gemeinsam zu einem Faserverbundwerkstoff
zu verarbeiten, indem nach dem Anlegen ein Kunststoff 104 in beide Holzfasermatten
eingebracht und ausgehärtet wird, um dadurch die Faserverbundwerkstoffplatten 200
zu bilden und gleichzeitig miteinander zu verbinden.
Fig. 6 zeigt einen Faserverbundwerkstoff 500 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der
Erfindung, bei dem eine Faserverbundwerkstoffplatte 200 auf Basis einer Holzfasermatte
mit einer ersten Dichte mit einer anderen Faserverbundwerkstoffplatte 300 auf Basis
einer Holzfasermatte mit einer zweiten Dichte (die größer als die erste Dichte ist)
miteinander verbunden sind. Somit kann für das Ausführungsbeispiel von Fig. 5 eine
Kombination von Mattentypen unterschiedlicher Dichten für die Formung des Faserverbundwerkstoffs
500 nach Art eines Höhenschichtmodells verwendet werden. Unterschiedliche Holzfasermattendichten
können in unterschiedlichen Bereichen des Faserverbundwerkstoffs 500 zum Beispiel
dazu dienen, ortsabhängig unterschiedliche Stabilitäts- und/oder Flexibilitätsanforderungen
zu erfüllen. Es ist einerseits möglich, die beiden Faserverbundwerkstoffplatten 200,
300 erst nach Aushärten der jeweiligen Kunststoffe 104 miteinander zu verbinden, zum
Beispiel zu verkleben oder zu verschrauben. Es ist andererseits möglich, zwei Holzfasermatten
unterschiedlicher Dichte aneinander anzulegen und gemeinsam zu einem Faserverbundwerkstoff
zu verarbeiten, indem erst nach dem Anlegen ein Kunststoff 104 in beide Holzfasermatten
eingebracht und ausgehärtet wird, um dadurch die Faserverbundwerkstoffplatten 200,
300 zu bilden und gleichzeitig miteinander zu verbinden.
[0080] Fig. 7 zeigt einen Faserverbundwerkstoff 600 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Bei diesem sind eine Faserverbundwerkstoffplatte 200 auf Basis einer
Holzfasermatte mit einer ersten Dichte und eine anderen Faserverbundwerkstoffplatte
300 auf Basis einer Holzfasermatte mit einer zweiten Dichte (die größer als die erste
Dichte ist) miteinander lateral verbunden. Anders ausgedrückt sind eine Faserverbundwerkstoffplatte
200 und eine Faserverbundwerkstoffplatte 300 seitlich zueinander bzw. nebeneinander
angeordnet und an einer Schmalseite/Seitenfläche miteinander verklebt, so dass sich
die Breitseiten/Hauptflächen der Faserverbundwerkstoffplatten 200, 300 nicht berühren.
Unterschiedliche Holzfasermattendichten können in unterschiedlichen Bereichen des
Faserverbundwerkstoffs 600 zum Beispiel dazu dienen, ortsabhängig unterschiedliche
Stabilitäts- und/oder Flexibilitätsanforderungen zu erfüllen. Es ist einerseits möglich,
die beiden Faserverbundwerkstoffplatten 200, 300 erst nach Aushärten der jeweiligen
Kunststoffe 104 miteinander zu verbinden, zum Beispiel zu verkleben oder zu verschrauben.
Es ist andererseits möglich, zwei Holzfasermatten unterschiedlicher Dichte aneinander
anzulegen und gemeinsam zu einem Faserverbundwerkstoff zu verarbeiten, indem erst
nach dem Anlegen ein Kunststoff 104 in beide Holzfasermatten eingebracht und ausgehärtet
wird, um dadurch die Faserverbundwerkstoffplatten 200, 300 zu bilden und gleichzeitig
miteinander zu verbinden.
[0081] Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 können Mattentypen unterschiedlicher Dichte
in der Längsrichtung des Faserverbundwerkstoffs 600 kombiniert werden, beispielsweise
um an spitzen Zonen eine höhere Dichte und Steifigkeit zu erzeugen.
[0082] Fig. 8 zeigt ein Bild 700 einer Holzfasermatte in Draufsicht als Basis für einen Gleitbrettkern
gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0083] Fig. 9 zeigt ein anderes Bild 800 der Holzfasermatte aus Fig. 8.
[0084] Fig. 10 zeigt mit einem Bild 900, wie ein Insert-Element (zum Beispiel eine Verbindungseinrichtung
zum Verbinden einer Faserverbundwerkstoffplatte mit einem anzukoppelnden Element)
in eine Holzfasermatte eingefügt ist. Das Insert-Element kann entweder mit in die
Holzfasermatte eingegossen werden, indem nach dem Hinzufügen des Insert-Elements die
Holzfasermatte mit dem integrierten Insert-Element mittels eines Kunststoffs vergossen
wird. Das Insert-Element kann alternativ nach dem Einbringen und Aushärten von Kunststoff
in die Holzfasermatte in der resultierenden Faserverbundwerkstoffplatte gebildet werden,
indem zum Beispiel das Insert-Element in eine Bohrung der Faserverbundwerkstoffplatte
eingesetzt und damit verbunden (zum Beispiel verklebt) wird.
[0085] Fig. 11 zeigt einen Faserverbundwerkstoff 1000 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung, in dem zuvor in die Matte eingedrückte und danach mit eingeschäumte
Inserts gebildet sind.
[0086] Fig. 12 zeigt einen anderen Faserverbundwerkstoff 1100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
[0087] Fig. 13 zeigt einen Querschnitt einer Faserverbundwerkstoffplatte 1200 gemäß einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0088] Im Weiteren werden Verfahren zur Fasermattenschäumung gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen
der Erfindung beschrieben.
[0089] Zum Bilden von Faserverbundwerkstoffen zum Beispiel für Gleitbrettkerne können zum
Beispiel Fasermatten des Herstellers Faurecia (Matten aus Nadelholz-Refinerfasern,
Flächengewicht 1.200 g/m
2 bis 1.800 g/m
2; Dichte bei Stärke 8 mm: 0,15 g/cm
3 bzw. 0,22 g/cm
3) und des Herstellers BO-Systems (Matten aus Nadelholz-Refinerfasern mit Flächengewicht
1.800 g/m
2) verwendet werden.
[0090] Als Insert kann zum Beispiel eine Metallhülse mit Innengewinde verwendet werden,
wobei an der Basis diese rund- oder sechseckig ausgreifend vorgesehen sein kann und
einen Kunststoffmantel aufweisen kann.
[0091] Damit kann ein Komposit mit einer Gesamtdichte im Bereich leichter Laub- oder Nadelhölzer
(zum Beispiel zwischen 0,40 g/cm
3 und 0,45 g/cm
3) hergestellt werden. Es ist aber auch möglich, leichtere Komposit-Materialien herzustellen,
zum Beispiel mit einer Dichte von 0,35 g/cm
3. Der Komposit steht technologisch in Konkurrenz zu Vollholzkernen, die zum Beispiel
aus Pappel, Paulownia (Blauglockenbaum aus Ostasien, ein sehr leichtes Holz), Buche,
etc. lamelliert hergestellt werden können und eine Dichte über den gesamten lamellierten
Querschnitt hinweg von zum Beispiel ungefähr 0,43 g/cm
3 aufweisen können. Reine PUR-Kerne (Polyurethan) mit einer Dichte von ca. 0,64 g/cm
3 sind ein anderer Vergleichsmaßstab.
[0092] Der Kern hat Einfluss auf die Board-Eigenschaften eines daraus hergestellten Gleitbrettkerns.
Die Anforderungen sind daher bezüglich der Materialkennwerte vorzunehmen, so dass
vor allem eine gewünschte Biegesteifigkeit und eine gewünschte Biegeelastizität erreichbar
sind. Es ist auch möglich, die Ausreißfestigkeit des eingelegten Inserts, das die
späteren Bindungsschrauben aufnehmen kann, an bestimmte Anforderungen für Gleitbretter
anzupassen. Zum Beispiel kann eine Normanforderung für solche Gleitbretter bei 4.500
Newton liegen. Es ist auch möglich, Snowboards, die entsprechend hergestellt sind,
mit Dauerschwing-, Slap-, Bruch- bzw. Kantenausreißtests zu untersuchen.
[0093] Holzfasermatten bieten den Vorteil, dass die Inserts vor Schäumung in die Matte eingedrückt
werden können und so bei Beaufschlagung des PUR (Polyurethanschaums) fix mit eingeschäumt
werden. Dadurch ist eine gute Insert-Ausreißfestigkeit erzielbar, und der Normvorgabewert
von 4.500 Newton kann gut erreicht oder sogar überschritten werden.
[0094] Im Weiteren wird ein Herstellungsverfahren im Detail beschrieben.
[0095] In einem ersten Schritt kann zum Beispiel Modipur 541 verwendet werden.
[0096] Hierfür kann zum Beispiel Modipur US 541/22 von Hexcel Composites als FCKW-freies
Polyurethansystem (4,4'-Diphenylmethandiisocyanat + Polyol + geringer Prozentsatz
Amine als Aktivator) verwendet werden. Die Viskosität des gemischten Systems kann
unter 2.000 mPa.s gehalten werden. Als Anwendungsgebiet ist die Skiindustrie zu nennen,
vor allem für im Injektionsverfahren hergestellte PUR-Kerne. Bis zu Beginn der Schäumung
kann die offene Zeit ca. 30 Sekunden betragen, wobei die Abbindezeit ca. 1 Minute
betragen kann.
[0097] In einem zweiten Schritt kann eine Fasermattenschäumung ohne Form durchgeführt werden.
Die Fasermatte kann an beiden Seiten mit einer bestimmten Menge PUR beaufschlagt werden,
und das austretende bzw. an der Mattenoberfläche ausschäumte PUR wieder abgenommen
werden.
[0098] In einem dritten Schritt kann die Fasermattenschäumung in Form durchgeführt.
[0099] Es kann eine eigene Form hergestellt werden. Bei einer Vorgabe der Gesamtdichte von
ca. 0,40 g/cm
3 und einem Dichteanteil der Matte von ca. 0,20 g/cm
3 kann die restliche Menge PUR angemischt werden. Ein Teil (zum Beispiel die Hälfte)
davon kann zuerst in eine Form gefüllt werden. Dann kann eine Matte eingelegt werden.
Ein anderer Teil (zum Beispiel die andere Hälfte) kann auf die Matte gestrichen werden.
Die Form kann zum Beispiel mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch verschlossen werden.
[0100] Besagte Form kann in einem industriellen Herstellungsprozess auch zur Aufnahme der
an Oberseite und Unterseite des Gleitbrettkernes anliegenden Obergurte und Untergurte
(zum Beispiel aus Glasfaserverstärkungsvlies) dienen, welche dergestalt im Zuge der
PUR-Einbringung gleichzeitig fest mit dem Gleitbrettkern verklebt werden können, und
kann die typische dreidimensionale Form des Gleitbrettkernes vorgeben.
[0101] Es sollte sichergestellt werden, dass die applizierte Menge PUR für eine vollständige
Durchdringung der Holzfasermatte ausreicht. Die Gesamtdichte einer entsprechenden
Vorrichtung soll bei ca. 0,40 bis 0,45 g/cm
3 liegen.
[0102] Die Schäumung erfolgt relativ schnell. Daher ist die Zeit zum genauen Aufstreichen
des PUR kurz, so dass dieser Verfahrensschritt ausreichend schnell durchgeführt werden
sollte.
[0103] In einem vierten Verfahrensschritt kann eine Optimierung über ein PUR-System durchgeführt
werden.
[0104] Hierbei sind Anforderungen an die geringe Viskosität zur besseren Durchtränkung und
eine ausreichend lange offene Zeit und ein ausreichend gutes Handling zu beachten.
[0105] Es kann als System Modipur US 23 von Hexcel Composites verwendet werden. Dies ist
ein reines Isocyanat-Prepolymer (Hauptteil 4,4'-Diphenylmetandiisocyanat mit einem
bestimmten Gehalt an höherfunktionellen Isocyanaten). Die Viskosität kann ca. 200
mPa.s betragen. Ein Aushärten kann zum Beispiel mit Luft- bzw. Holzfeuchte durchgeführt
werden. Dementsprechend ist ohne Beschleunigung des Aushärteprozesses eine relativ
lange offene Zeit vorgesehen, beispielsweise mehr als 12 Stunden. Eine wesentliche
Beschleunigung der Aushärtung kann durch Beaufschlagung von Wärme erreicht werden.
[0106] Bei Verwendung eines Modipur US 23 (Isocyanat) plus Modipur US 566 mod.5 (Polyol)
kann eine Mischung von 100 Gewichtteilen US 566 zu 135 Gewichtteilen US 23 erfolgen.
Das PUR-System kann mit längerer offener Zeit verwendet werden.
[0107] Durch diese Verfahrensführung kann das Handling bei der Imprägnierung stark verbessert
werden.
[0108] Es kann zur Verringerung der Viskosität die Komponente "Polyol Modipur US 541 oder
Modipur US 566 mod.5" auf ca. 30 °C bis 35 °C erwärmt werden. Die Zähigkeit des gemischten
Systems kann derart entsprechend geringer (dünnflüssiger) werden, während sich die
Startzeit, das Zeitfenster vom Mischen der Komponenten bis zum Beginn der Schäumung,
nicht soweit absenkt, dass nicht trotzdem ein gutes Handling gewährleistet werden
kann. Die Durchtränkung der Holzfasermatte mit einem festgelegten Verhältnis von beispielsweise
1 Gewichtsteil Holzfasermatte (mit ca. 8 mm Dicke und ca. 0,20 g/cm
3) auf 1 Gewichtsteil angemischtes PUR kann so weiter verbessert werden. Dies hat sich
als vorteilhafter erwiesen als ein Erwärmen beider Komponenten (Isocyanat und Polyol).
Zwar verringert sich in letztem Fall die Viskosität weiter, allerdings tendiert die
Startzeit hin zu einem nicht bevorzugten Wert.
[0109] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Druckbeaufschlagung vorgesehen werden,
was ein besseres Fördern des PUR in die Mattenmitte durch höhere Drücke möglich macht.
Auch können unverdichtete Holzfasermatten, welche bei gleichem Flächengewicht von
1.800 g/m
2 eine Stärke von beispielsweise 35 mm und somit eine Dichte von lediglich ca. 0.05
g/cm
3 haben, verwendet werden. In beiden Fällen ist es möglich, nach Aufbringen des PUR
die Matte soweit unter Pressdruck zu setzen, dass sie unter die gewünschte Enddicke
zusammengedrückt wird und das PUR so einheitlich bis zur Mattenmitte gefördert wird.
Daran anschließend und noch vor Beginn der Schäumung wird der Druck wieder weggenommen
und die Form auf die zu erzielende Enddicke zurückgenommen, womit sich die Matte wieder
entspannt und zudem im Zuge der Schäumung durch den Schaumdruck von innen auf die
Enddicke zurückgeführt wird.
[0110] Ein Beispiel für die Dimensionierung eines Gleitbretts ist eine in longitudinaler
Richtung von Gleitbrettmitte zu den Spitzen hin abnehmende Dicke von ca. 8 mm auf
ca. 3 mm, eine Breite von ca. 24 cm bis ca. 29 cm und eine Länge von ca. 155 cm.
[0111] Der Holzfaseranteil an der Gesamtmasse des Komposits kann zum Beispiel größer 50%
sein, oder aber auch 30 % oder mehr. Ein geeigneter Bereich für den Massenanteil der
Holzfaser liegt zwischen 20% und 70 %, insbesondere zwischen 40% bis 60 %.
[0112] Geeignete Dichtezonen liegen bei einem Gleitbrettkern bei ca. 0,35 g/cm
3 bis 0,45 g/cm
3. In höherverdichteten Bereichen sind aber auch Dichten von ca. 0,65 g/cm
3 und mehr möglich. Neben einer hohen Stabilität ist aber auch ein leichtes Gewicht
erstrebenswert, so dass ein bevorzugter Wertebereich zwischen 0,30 g/cm
3 und 0,65 g/cm
3 liegt, insbesondere zwischen 0,35 g/cm
3 und 0,45 g/cm
3.
[0113] Holzfasermatten weisen gegenüber sonstigen Naturfasermatten für die Erfindung signifikante
Vorteile auf. Hierzu zählen die gleichbleibende Qualität der Holzfasern aufgrund der
zuvor beschriebenen biologischen Zusammenhänge gegenüber den von Erntejahr zu Erntejahr
stark schwankenden Qualitäten von Naturfasern aus 1-jährigem oder wenigjährigem Wachstum.
Die wesentlich höhere Versorgungssicherheit der Holzfasern ist ein weiterer wichtiger
Vorteil , denn schon allein der nachhaltig bewirtschaftete Holzvorrat der Erde ist
wesentlich größer als jener anderer wirtschaftlich genutzter Naturfaserplanzen. Ein
entscheidender Vorteil der Holzfaser ist somit deren weltweite Versorgungssicherheit,
welche zudem ohne die für saisonal angebaute Faserpflanzen typischen Schwankungen
im Ernteerfolg zur Verfügung stehen. Zudem stehen Abfallprodukte der Holz- u. Forstwirtschaft
für die Zerfaserung zur Verfügung, die erfindungsgemäß verwertet werden können. Zusätzlich
haben viele von Holz verschiedene Naturfasern gegenüber Holz den Nachteil ausgeprägter
Gerüche. Erfindungsgemäß ist anschaulich ein neuer Holzwerkstoff bereitgestellt.
[0114] Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die in den Figuren dargestellten
bevorzugten Ausführungsformen. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten denkbar, welche
von der dargestellten Lösung und dem erfindungsgemäßen Prinzip auch bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungsformen Gebrauch macht.
[0115] Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass "aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte
ausschließt und "eine" oder "ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen,
dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele
beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten
anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen
in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
1. Matériau composite à base de fibres, qui est fabriqué à base de mats de fibres de
bois composés de fibres de bois feutrées les unes avec les autres, dans lesquelles
sont introduites des matières plastiques thermodurcissables et/ou des matières plastiques
élastomères.
2. Noyau de planche de glisse, qui présente un matériau composite à base de fibres de
manière conforme à la revendication énoncée ci-avant.
3. Noyau de planche de glisse selon la revendication 2, qui est constitué d'un matériau
composite à base de fibres.
4. Noyau de planche de glisse selon la revendication 2 ou 3, sachant que les fibres de
bois dans le mat de fibres de bois présentent une direction préférée, en particulier
sont parallèles par rapport à une dimension plus longue du noyau.
5. Noyau de planche de glisse selon la revendication 2 ou 3, sachant que la position
des fibres de bois dans le mat de fibres de bois n'est pas liée à une direction de
prédilection.
6. Noyau de planche de glisse selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, sachant
que deux ou plusieurs mats de fibres de bois sont placés les uns sur les autres avec
une préférence d'orientation des fibres de bois, et en ce qu'ils présentent les uns
par rapport aux autres, selon différents angles, des directions de prédilection des
fibres de bois se croisant, en particulier selon un angle droit de 90°.
7. Noyau de planche de glisse selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, sachant
qu'on obtient une forme tridimensionnelle en coupant ou en fraisant les mats de fibres
de bois ainsi qu'en empilant deux ou plusieurs mats de fibres de bois sous la forme
d'un modèle d'empilement en hauteur.
8. Noyau de planche de glisse selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, sachant
que l'utilisation de mats de fibre présentant une densité homogène sur toute leur
largeur et leur longueur permet d'obtenir un dosage homogène de la proportion de fibres
de bois dans la totalité du noyau de planche de glisse.
9. Noyau de planche de glisse selon la revendication 8, sachant que le noyau de planche
de glisse présente du fait de l'usinage des mats de fibre de bois, par exemple du
fait de la compression ou de la projection, diverses densités et diverses proportions
de fibres de bois en divers endroits du noyau de planche de glisse.
10. Noyau de planche de glisse selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, sachant
que les mats de fibres de bois sont imbibés d'une matière plastique liquide thermodurcissable
ou élastomère, laquelle est expansée au cours de son durcissement et qui recouvre
de manière homogène grâce à la structure définie homogène des mats de fibres de bois
les espaces entre les fibres.
11. Noyau de planche de glisse selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, sachant
qu'une réduction de la masse du matériau composite est obtenue du fait de la présence
des cavités naturelles de cellule, par l'introduction d'une proportion de fibres de
bois aussi élevée que possible, en particulier une proportion de fibres de bois d'au
moins 40 %.
12. Noyau de planche de glisse selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, présentant
en outre au moins une des caractéristiques qui suivent :
le noyau de planche de glisse présente une forme tridimensionnelle, qui est obtenue
par le découpage ou le fraisage des mats de fibres de bois ;
le noyau de planche de glisse présente une forme tridimensionnelle, qui est obtenue
par l'empilement de deux ou plusieurs mats de fibres de bois sous la forme d'un modèle
d'empilement en hauteur ;
le noyau de planche de glisse présente une forme tridimensionnelle, qui est obtenue
en découpant ou en fraisant les mats de fibres de bois puis en empilant deux ou plusieurs
mats de bois préalablement découpés ou fraisés sous la forme d'un modèle d'empilement
en hauteur.
13. Planche de glisse, en particulier ski ou planche à neige, qui contient un noyau de
planche de glisse conformément à l'une quelconque des revendications 2 à 12 énoncées
ci-avant.
14. Procédé servant à fabriquer un matériau composite à base de fibres, sachant que lors
dudit procédé le matériau composite à base de fibres est fabriqué à base de mats de
fibres de bois constitués de fibres de bois feutrées les unes avec les autres, dans
lesquelles sont introduites des matières plastiques thermodurcissables et/ou des matières
plastiques élastomères.
15. Procédé selon la revendication 14, sachant qu'une planche de glisse est fabriquée
à partir du matériau composite à base de fibres.