DE1704925A1

DE1704925A1 - Kunststoffrohr mit Glasfaserverstaerkung und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE1704925A1
Application number: DE19671704925
Authority: DE
Inventors: Max Altermatt
Original assignee: PLAST ANSTALT
Current assignee: PLAST ANSTALT
Priority date: 1966-09-23
Filing date: 1967-08-17
Publication date: 1971-07-29
Also published as: CH464505A

Description

Kunststoffrohr mit Glasfaserverstärkung, und Verfahren zu dessen Herstellung. Kunststoffrohre mit Glasfaserverstärkungen sind bereits in verschiedenen Ausführungen und für manigfaltige Anwendungen bekannt gewordene Die in Polyester- bzw. Epoxyharzen eingebetteten Glasfasern sind dabei meist in der Form von Geweben angeordnet und bilden so ein dichtes Gerüst aus längs- und querlaufenden Faserelementen, die durch die Einbettung im Harzkörper sowohl unter sich als auch mit dem Harzkörper selbst verbunden sind. Diese Anordnung der Einzelfasern gestattet indessen nicht, ihre Elastizitätseigenschaften voll auszunützen und den Rohren entweder Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen, wo sie bisher mangels genügender Elastizität nicht verwendet werden konnten, oder-sie bei gleichen Dimensionen ganz allgemein für höhere Beanspruchungen auszulegen, weil nur immer ein verhältnismäßig kleiner Teil der Glasfasern auf die Hauptbeanspruchung ausgerichtet ist unddann-oft infolge Überlastung brechen. Demgegenüber bezweckt die vorliegende Erfindung Kunststoffrohre zu schaffen, deren Anwendungsgebiet vorzugsweise dort liegt, wo eine erhöhte Elastizität gefordert ist, bei= spielsweise für Sportgeräte oder Antennenmaste. Solche Kunststoffrohre mit Glasfaserverstärkung enthalten eine innere, mindestens einlagige Glasfaserschicht als Basislage, mindestens eine darüber angeordnete, in Längsrichtung des Rohres laufende Zage vorgespannter Glasfasern, die über den Umfang des Rohres im wesentlichen gleichmäßig verteilt sind, sowie eine äußere, über den vorgespannten Glasfasern liegende mindestens einlagige Glasfaserschicht, wobei das Ganze in einen, das Rohr bildenden ausgehärteten Harzkörper eingebettet und in diesem fixiert ist.
Das Herstellungsverfahren für solche Rohre umfaßt erfindungsgemäß die Schritte des Aufwickelns der die Basislage bildenden Glasfaserschicht auf einen Wickeldorn, des Aufbringens einer zweiten, aus im wesentlichen in Längsrichtung des Rohres laufenden Glasfasern bestehenden Zage, des Vorspannens dieser Glasfasern mittels an den stirnseitigen Enden des Rohrkörpers angebrachten Spannelementen, des Rufwickelns einer dritten Glasfaserschicht über die zweite unter wesentlicher Zugspannung, um die darunterliegende, im wesentlichen längsgerichtete zweite Glasfaserschicht fest gegen die Basislage und die dritte, äußere Faserschicht zu pressen, des Imprägnierens der genannten Glasfaserschichten mit einem härtbaren Kunstharz, des thermischen Aushärtens der Kunstharzimprägnierung, des Lösens der Spannelemente für die nun im Rohr fixierten, vorgespannten, längsgerichteten Glasfasern der genannten zweite Zage und des Abziehens des Rohres vom Wickeldorn, sowie des abschließenden Überschleifens der Rohroberfläche.
Das Imprägnieren kann sowohl so erfolgen, daß bereits die Basislage eine Harztränkung erhält, wobei das im Überschuß eingebrachte Harz beim weiteren Aufbau der Faserschichten diese ebenfalls durchtränkt, oder das Imprägnieren samt dem anschließenden Aushärten kann in einem Druckgefäß vorgenommen werden, wobei der im Gefäß eingeschlossene, :auf dem Wickeldorn aufgebrachte Glasfaseraufbau zuerst evakuiert, dann, unter Beibehalten des Vakuums mit Harz getränkt und anschließend einem Überdruck ausgesetzt wird, der bis zum Abschluß der Polymerisationsphase im Gefäß aufrechterhalten wird.
Während bei bekannten Kunststoffrohren mit Glasfaserverstärkung Blastizitätsmodule-von 200.000 kg/cm 2 erzielbar sind,. können bei erfindungsgemäßen Rohren solche von 350.000 - 400.000 kg/cm 2 erreicht werden. Außerdem zeigen sie eine, besonders bei Sportgeräten wie z. B. Hochsprung-Stangen wesentliche spriessenfreie Bruchstelle, während bei bekannten Ausführungen die Gefahr von Stichverletzungen besteht, r Die Erfindung. ist im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Darin zeigt Fig" 1 eine schematische teilweise geschnittene Darstellung des Rohraufbaus, wobei die einzelnen Schichten in ihrer stufenweisen-Folge freigelegt sind, während Fg. 2 eine schematische Darstellung der Wickelvorrichtung und des Wickelvorgangs vermittelt.
Gleiche Hinweisnummern in beiden Figuren bezeichnen gleiche Teile: _ .
Der in: Fig.-1 dargestellte Rohrabschnitt weist links eine innere oder erste Glasfaserschicht.1 auf, die in der Form eines Glasfasergewebes oder von Rovings auf einen in Fig. 2 gezeigten Dorn 21 unidirektional aufgewickelt wird und die Basislage bildet: in der Reihenfolge der Herstellschritte bei einer ersten Aufbauweise erhält diese Faserschicht nach dem Aufwickeln eine Imprägnierung mit einem härtbaren Kunstharz, das sämtliche Zwischenräume zwischen den einzelnen Fasern bis zur Oberfläche des Wickeldornes 21 lunkerlos ausfüllt. Als Harzmaterialien eignen sich vorzugsweise wärmehärtende Epoxydde, Polymethane und Polyurethane.
Diese erste Schicht kann auch in der Form einer Glasfasermatte aufgetragen werden, bei der ein Fasergewebe in eine plastisch verformbare Schicht eines unausgehärteten Kunstharzes eingebettet isto Solche Halbfabrikate sind unter der Bezeichnung "Prepreg" bekannt. Es können jedoch auch Rovings aufgewickelt werden, die einen gleichen oder ähnlichen Überzug wie die "Prepreg" Matten aufweisen, oder sie können auf dem Zuführungsweg durch ein Imprägnierbad laufen, aus dem sie den Kunstharz in flüssiger Form aufnehmen. Selbstverständlich können auf diese Weise auch Glasfasergewebe imprägniert werden.
Auf die erwähnte Basislage folgt eine zweite Glasfaserschicht 2, deren Einzelfasern von ca. 8/1000 mm Durchmesser zu Rovings zusammengefaßt, im wesentlichen parallel zur Rohrlängsachse verlaufen und über dem ganzen Rohrumfang gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Ihre beidseitigen Enden werden bei der Herstellung des Rohres, wie in Fig. 2 ersichtlich, in Spannelemente 22, 23 eingeführt. Letztere werden nach erfolgtem Einbringen dieser zweiten Glasfaserschicht geschlossen und sämtlich Faserenden auf dem jeweiligen Rohrende darin festgeklemmt. Dies erfolgt beispielsweise durch Festziehen von Briden 22a und 23a, die die Faserlage zwischen ihrer Innenfläche und dem bezüglichen-Sattelstück 22b und 23b festhalten. Der Anpressdruck wird so groß gewählt, daß eine Verschiebung zwischen Einzelfasern unter sich und gegenüber den Sattelstücken beim anschließenden Vorspannen dieser Fasern ausgeschlossen ist. Bei den in Pig. 2 schematisch dargestellten Vorspannelementen sitzt das Sattelstück 22b des Elementes 22 fest auf dem Wickeldorn 21, ebenso der Halsring 24 auf der Seite des Spannelementes 23, während das Sattelstück 23b auf dem Dorn 21 verschiebbar ist. Der Abstand zwischen dem Halsring 24 und dem Sattelstück 23b wird spätestens beim Einziehen der Glasfaserstränge zwischen Briden und Sattelstücke auf eine Länge eingestellt, die etwas größer ist als die Strecklänge der Fasern. Letztere ergibt sich aus' der Zugfestigkeit der Glasfasern, die beim Vorspannen mit ca. 80 % ihrer Bruchbelastung beansprucht werden. Durch gleichmäßiges Anziehen von Muttern 25, die auf einer Anzahl in regelmäßigen Abständen auf dem Halsring 24 und dem Flansch 23 angeordneten Bolzen 26 sitzen, kann die Vorspannkraft auf die Glasfasern der Faserschicht 2 aufgebracht werden.
Die Faserschicht 2 kann in der Form einer Faserbahn eingebracht werden, die durch Querklebstreifen oder in größeren Abständen angeordnete Schußfäden 5 in geeigneter Weise fixiert ist. Durch passende Wahl des Klebstreifen-oder Schußfadenmaterials können nicht entfernbare Kennzeichnungen oder dekorative Elemente eingearbeitet werden. Es ist aber auch möglich, Einzelrovings zwischen den Spannelementen 229 23 zu verlegen.
Über die nun vorgespannte Faserschicht 2 wird anschließend eine dritte Faserschicht 3 gewickelt, die vorzugswei$e aus Rovings, aber auch aus einem Glasfaser;gewebe bestehen kann, Diese Schicht hat zwei Hauptaufgaben: sie-soll einesteils die vorgespannte Schicht 2 sowohl mit der Basislage 1 als auch mit ihr selbst in .engen Kontakt bringen, als auch absichtlich-im Überfluß in die Schicht 1 eingebrachtes Kunstharz aus dieser herauspressen. Dadurch. wird. eine einwandfreie Einbettung sowohl der Schicht 1, als auch der Schicht 2 bewirkt. Bei geeigneter Viskosität der genannten Kunstharzimprägnierung und genügenden Materialüberschuß kann.- auch die dritte, auch-als Deck- und Schutzschicht dienende Zage 3 in zuverlässiger r*leise mit Harzmaterial getränkt und darin eingebettet werden. Sicherheitshalber dürfte eine Deckimprägnierung angezeigt sein, um eine angemessene Harzüberdeckung der äußersten Faserelemente zu gewährleisten.
Das solchermaßen aufgebaute Rohr wird nun einer Wärme= behandlung unterworfen, bei der das Harz aushärtet und sich mit der Gläsfasereinlage innig verbindet. Dabei wird das immer noch auf seinem horizontal liegenden Dorn aufgespannte Rohr um seine Achse rotiert, um eine rundum gleichmäßige Harzschicht bzw. Rohrwandstärke zu erzielen.
Zum Aushärten des Harzes kann das Rohr samt seinem Dorn in einen, mit einer Antriebsvorrichtung versehenen (nicht gezeigten) Wärmeraum gebracht werden. Während die bisherige Beschreibung eine Aufbauweise betrifft, bei der bereits die erste-Glasfas:erschicht oder Basislage eine Kunstharztränkunö erfährt, kann der Aufbau nach einer zweiten Aufbauweise auch "trocken" erfolgen. Diese Arbeitsweise ist besonders dann ,angezeigt, wenn das Imprägnieren und das anschließende Polymerisieren des Harzes in einem im wesentlichen rohrförmigen .Druckgefäß ;erfolgt, das aufrechtstehend-den auf dem Wickeldorn aufgebrachten Glasfaseraufbau enthält.. Das Gefäß ist allgemein so ;gestaltet, daß der Wickeldorn in der Boden- und Deckelpartie zentriert wird und weist vorzugsweise einen Innendurchmesser auf, der das Bilden einer angemessenen Harzdeckschicht über den äußersten Faserpartien erlaubt. Nach Verschliefen des Gefäßes wird der Inhalt zuerst» einem Hochvakuum von ca. 0,1 Torr unterworfen, um sämtliche Luft und Feuchtigkeit aus dem Aufbau zu entfernen. Dann wird, unter Beibehalten eines Vakuums, das Imprägnierharz vorzugsweise durch eineunten am Gefäß liegende Öffnung eingelassen, bis sein Pegel eine höhe erreicht, die ca. 5 cm über den obersten Glasfaserpartien steht. Dies ist deshalb nötig, um in der darauffolgenden Phase ein Eindringen von Luft in den Faseraufbau zu verunmöglichen. Nach dem Einfüllen des Imprägnierharzes wird das Vakuum aufgehoben und atmosphärische Luft in den Gefäßabschnitt über dem Harzpegel eingebracht. Dieser Gefäßabschnitt weist gegenüber der darunterlegenden, vorzugsweise der Durchmesserkalibrierung dienenden Partie einen wesentlich größeren Querschnitt auf. Die über dem Harzpegel eingelassene Luft wird min. einem Überdruck von ca. 10`kg%cm2 unterworfen und das Gefäß zwecks Aushärtens des Harzes beheizt. Durch den Überdruck erfolgt bei der Volumenkontraktion eine blasen-" freie Verfestigung des Rohraufbaus..
Nach erfolgtem Aushärten des Kunstharzes wird das nun stabile Rohr.-nach Lösen der Vorspannelemente vom Dorn abgenommen, die beidseitigen Enden beschnitten und gegebenenfalls zwecks erzielens einer glatten Oberfläche 4, außen überschliffen.
Die in Fg. 2 schematisch gezeigte Vorrichtung umfaßt nebst den bereits erwähnten Elementen ein für den Antrieb des Wickeldornes 21 dienendes Spannfutter 30, das ein bequemes Festspannen und Lösen des Dornes erlaubt. Auf der Gegenseite ist er in einer Kegelspitze 31 gelagert und zentriert, die ihrerseits auf einem Reitstock 32 sitzt. Die Figur zeigt analog der Beispielsdisposition links der Bruchlinie in der Dornmitte das lagenweise Aufwickeln einer Basislage des Rovings 27 in Pfeilrichtung A, während rechts der genannten Bruchlinie die Phase gezeigt wird, in der die vorgespannte Faserschicht 2 durch die Glasfaserschicht 3 überdeckt wird, indem Rovings 28 in Pfeilrichtung B aufgewickelt werden. Die gezeigten Pfeil- bzw. Wickelrichtungen sind nur durch die Darstellungsweise der Fig. 2 bedingt.

Claims

Patentansprüche 1. Kunststoffrohr mit Glasfaserverstärkung, gekenn-@ zeichnet durch eine innere, mindestens einlagige Glasfaserschicht als Basislage, mindestens eine darüber angeordnete, in Zängsricht--_ng des Rohres laufende: Lage vorgespannter Glasfasern, die über den Umfang des Rohres im wesentlichen gleichmäßig verteilt sind, sowie eine äußere, über den vorgespannten Glasfasern liegende mindestens einlagige Glasfaserschicht, wobei das Ganze in einen, das Rohr bildenden ausgehärteten Harzkörper eingebettet und in diesem fixiert ist. -2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die, die Basislage bildende innere und die über den vorgespannten, längsgerichteten Glasfasern liegende äußere Faserschicht unidirektional gewickelte Glasfasergewebe oder in wesentlichen in Zagen verlegte Rovings sind. 3. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die vorgespannten längsgerichteten Glasfasern durch querlaufende Fixierelemente gehalten sind, um rund um das Rohr eine gleichmäßige Verteilung zu sichern. -4. Rohr nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbettungsmasse ein 2olyester-p Polyurethan-oder Epoxyharz ist. 5. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffrohres mit Glasfaserverstärkung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte des Aufwickelns der die Basislage bildenden Glasfaserschicht auf einen Wickeldorn, des Aufbringens einer zweiten, aus im wesentlichen in längsrichtung des Rohres laufenden Glasfasern bestehenden Lage, des Vorspannens dieser Glasfasern mittels an den stirnseitigen Enden des Rohrkörpers angebrachten Spannelementen, des Aufwickelns einer dritten Glasfaserschicht über die zweite unter wesentlicher Zugspannung, um die darunterliegende, im wesentlichen längsgerichtete zweite Glasfaserschicht fest gegen die Basislage und die dritte, äußere Faserschicht zu pressen, des Imprägnierens der genannten Glasfaserschichten mit einem härtbaren Kunstharz, des thermischen Aushärtens der Kunstharzimprägnierung, des lösens der Spannelemente für die im Rohr fixierten vorgespannten längsgerichteten Glasfasern der genannten zweiten Zage und des Abziehens des Rohres vom Wickeldorn, sowie des abschließenden Überschleifens der Rohroberfläche. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, die Basislage bildende Glasfaserschicht bei oder nach deren Aufbau mit einer bestimmten Menge Kunstharz imprägniert wird und die stufenweise darauf aufgebrachten Glasfaserschichten durch die Überschußmenge durchtränkt werden, und daß die äußerste Glasfaserschicht eine abschließende Imprägnierung erhält. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Glasfaserschicht in Form eines, mit einer Kunststoffschicht vorimprägnierten Gewebes oder von Rovings auf den Wickeldorn aufgebracht wird, wobei die Kunststoffschicht plastisch verformbar und nicht ausgehärtet ist. B. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß während des Aizshärtens des lsunstharzes das Rohr horizontal liegt und um seine Achse rotiert wird. 9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägnieren des Glasfaseraufbäus und das Aushärten des H.:,rzes in einem vertikal stehenden Druckgefäß, in den folgenden Schritten erfolgt: a) rivakuieren des Gefäßes, das den auf dem Wickeldorn aufgebrachten Glasfaseraufbau enthält; b) Hinfüllen des Harzes unter Aufrechthalten des Vakuums bis zu einem legelstand, der die obersten Glasfaserenden um ca. 5 cm übersteigt;-c) Aufheben des Vakuums und Einströmenlassen von atmosphärischer Luft in den Gefäßhohlraum über dem Harzpegel;: d) komprimieren der Luft im Hohlraum auf 0a: 10 kg/cm 2; e) Beheizen des nun unter Überdruck stehenden Gefäßes und aushärtenlassen des Kunstharzes. - 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz von unten in das Druckgefäß eingelassen wird.