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Werkstück aus im Spritzspinnverfahren von thermoplastischem Kunststoff gewonnenen Hohlfäden und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf Werkstücke aus im Spritzspinnverfahren von thermoplastischem Kunst- stoff gewonnenen Hohlfäden. Derartige Werkstücke können Werkstoff- und Bauelemente, Halbfertigzeuge und Fertigteile der verschiedensten Art sein. Sie sollen sich dabei durch besonders geringes Raumgewicht und dennoch hohe Festigkeit auszeichnen. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf Verfahren zur Herstellung solcher Werkstücke.
Es sind bereits Werkstoff- und Bauelemente bekannt, die aus sich über ihre gesamte Länge erstreckenden rohrförmigen Elementen, beispielsweise Strohalmen, Binsen, Bambusstäben, Artischockenstengel, Kautschukröhrchen oder Papierröhrchen gebildet sind. Diese röhrchenförmigen Elemente sind auf ihrer äusseren Oberfläche mit Klebstoff beschichtet und sollen zur Herstellung des Werkstückes von aussen her seitlich so stark unter Druck gesetzt werden, dass sie eine wabenartige Struktur einnehmen. Derartige Werkstoff- und Bauelemente haben zwar ein ausserordentlich geringes Raumgewicht, weisen aber nicht die für viele Anwendungszwecke notwendige Festigkeit auf. Vor allem ist es schwierig und für viele Fälle unmöglich, derartigen Werkstoff- und Bauelementen die erforderliche oder gewünschte Form zu geben.
Man hat deshalb auch bereits Werkstücke, Werkstoff und Bauelemente aus im Spritzspinnverfahren gewonnenen Hohlfäden aus thermoplastischen Stoffen hergestellt, indem diese Fäden gleichgerichtet aneinandergelegt und miteinander verklebt, verkittet oder in ein vorübergehend flüssiges oder plastisches Medium eingebettet wurden, welches später zu einem Stützgerüst erstarrt. Auf diese Weise kann man bisher Blöcke, Platten und ähnliche Gebilde erzeugen, die von feinen Röhrchen durchzogen sind, wobei der Raum zwischen diesen Röhrchen von einer mehr oder weniger festen Masse ausgefüllt ist. Diese aus Hohlfäden gebildeten Werkstücke haben jedoch eine Reihe wesentlicher Mängel. So wird für die Herstellung solcher Werkstücke eine grosse Menge von Bindemittel benötigt, das die Zwischenräume zwischen den einzelnen Röhrchen anfüllt.
Neben der dadurch bedingten wesentlichen Verteuerung der Herstellung von Werkstücken ergibt sich auch der Nachteil, dass derartige Werkstücke oder ein solcher Werkstoff ein verhältnismässig hohes Raumgewicht hat, das ihn für viele Zwecke ungeeignet macht.
Grundsätzlich haben die im Spritzspinnverfahren aus thermoplastischem Kunststoff gewonnenen Hohlfäden eine vorteilhafte Eigenschaft gegenüber den früheren, röhrchenartigen Strukturbildnern, wie Strohhalmen u. dgl. : Bei dem Spritzspinnprozess erfahren die Hohlfäden während des Überganges vom schmelz- flüssigen zum festen Zustand eine Verstreckung. Diese bewirkt eine teilweise molekulare Orientierung in Längsrichtung, die im Hohlfaden eine Spannung erzeugt, welche nach dem Erstarren des Hohlfadens gewissermassen konserviert ist. Bei nachträglicher Wärmebehandlung einer grösseren Menge zu Blöcken, Platten oder andern Körpern zusammengefügter Hohlfäden wird diese Spannung vorübergehend freigelassen.
Dadurch erhält der so gebildete Körper eine grosse mechanische Festigkeit. Bei der bisherigen Verbindung der Hohlfäden mit Bindemittel, Kitt od. dgl. war es aber nicht möglich, diese besonderen Eigenschaften
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der Hohlfäden voll auszunutzen, da entweder das Bindemittel bei der Wärmebehandlung so fest ist, dass die den einzelnen Hohlfäden innewohnende Spannung auch nicht vorübergehend freigelassen wird, oder das Bindemittel ist bei der Wärmebehandlung derart weich, dass die den Hohlfäden innewohnende Spannung durch gegenseitiges Verschieben der Fäden freigegeben wird, ohne dass eine wesentliche Verspannung des Werkstückes oder Werkstoffes eintritt.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für die im Spritzspinnverfahren gewonnenen Hohlfäden, deren Durchmesser etwa demjenigen von in den Harthölzernvorhandenen natürlichen Gefässen entspricht, eine gegenseitige Verbindung zu schaffen, die einerseits Werkstücke sehr geringen Raumgewichtes mit sich aneinander schmiegenden und sich über die gesamte Länge des Werkstückes erstreckenden Zellen und anderseits die volle Ausnutzung der besonderen Eigenschaften der Hohlfäden zum Verspannen dieses Gebildes erreichbar. macht.
Dies wird durch die Erfindung dadurch erreicht, dass die Zellen Durchmesser in etwa gleicher Grösse, wie die natürlichen Gefässe des Holzes aufweisen, und an ihren Trennwänden durch radiale Dehnung verspannt und auf die gesamte Fläche der Trennwände einstückig zu einer holzartigen Struktur verschmolzen sind.
Durch die Erfindung wird ausser der unmittelbaren festen Verbindung der Aussenflächen der Hohlfäden auch eine besonders günstige und stabile Struktur des Werkstückes oder Werkstoffes geschaffen. Die durch die unmittelbare feste Verbindung der benachbarten Wandteile der Hohlfäden gegebene Möglichkeit der vollen Ausnutzung der den Fäden innewohnenden Spannung ergibt zusammen mit der besonders günstigen, durch die Erfindung geschaffenen Struktur ein Werkstück sehr hoher Verspannung und Festigkeit bei sehr geringem Raumgewicht.
Das Werkstück nach der Erfindung lässt sich in allen denkbaren Gebrauchsformen herstellen.
Die Erfindung schafft ausserdem ein neues und vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der in Frage stehenden Werkstücke aus im Spritzspinnverfahren von thermoplastischem Kunststoff gewonnenen Hohlfäden. Das Verfahren nach der Erfindung kennzeichnet sich dabei dadurch, dass die gesponnenen und zugeschnittenen Hohlfäden in einer, dem jeweiligen Werkstück entsprechenden Form in solcher Menge, zu- . mindest schichtweise parallel gerichtet eingebracht werden, dass sie die Form locker ausfüllen und dass diese Hohlfäden in der Form der gleichzeitigen Einwirkung einer Erhitzung bis zu dem Bereich des Schmelzpunktes ihres Materials und einer Druckerhöhung in den Innenräumen der Fäden gegenüber dem Faden-
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kühlung verfestigt werden.
Durch das Verfahren nach der Erfindung wird einerseits die Möglichkeit geschaffen, Werkstücke jeder gewünschten Form aus derartigen Hohlfäden herzustellen. Anderseits werden die besonderen Eigenschaften der Hohlfäden besonders weitgehend und günstig bereits während des Formvorganges ausgenutzt. Durch die gleichzeitige Einwirkung von Wärme, durch die die den Fäden innewoh- nende Spannung freigegeben wird, und des erhöhten Druckes im Innenraum der Fäden, wird diese Innenspannung der Fäden aufgefangen und auf die fertige Struktur des Werkstückes übertragen.
Einige Ausführungsformen des Werkstückes und des Verfahrens nach der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigen Fig. l einen Schnitt durch eine Füllmenge von Hohlfäden zur Herstellung eines einfachen Plattenkörpers vor der Verschmelzung der Hohlfädenoberfläche, Fig. 2 einen Schnitt durch einen fertigen Plattenkörper nach der Erfindung mit einem Ausschnitt in vergrösserter Darstellung, Fig. 3 einen Schnitt durch einen gemäss der Erfindung nur aus Hohlfäden gebildeten Stab mit teilweisem Querschnittsbild, Fig. 4 einen Querschnitt durch eine im wesentlichen aus Hohlfäden gebildete Leiste, Fig. 5 einen Abschnitt und Querschnitt von einem, nach der Erfindung hergestellten leichtenMast, Fig. 6 einen Schnitt durch den Mittelteil eines nach der Erfindung hergestellten Skies, Fig.
7 einen Gegenstand, dessen Kern aus Hohlfäden und dessen Aussenfläche aus einer vorgeformten Hülle besteht, Fig. 8 einen Plattenkörper aus Hohlfäden, die in mehreren Schichten mit sich kreuzenden Fadenrichtungen liegen, und Fig. 9 einen Plattenkörper, bei dem in die Hohlfädenmasse ein Drahtgeflecht eingeschmolzen ist.
Wie der Vergleich von Fig. l und 2 zeigt, werden nach der Erfindung die im Spritzspinnverfahren von thermoplastischem Kunststoff gewonnenen Hohlfädenzunächstin lockerer Schüttung parallel gerichtet in eine Form eingegeben und in dieser unter gleichzeitiger Einwirkung von Hitze und eines im Inneren der Fäden aufgebauten Überdruckes soweit gebläht, dass die Zwischenräume zwischen den in lockerer Schüttung eingegebenen Fäden verschwinden und die Wände der benachbarten Fädenfestmiteinander verschmel- zen. Fig. 2 zeigt deutlich die sich dadurch ergebende Struktur, die im Querschnitt etwa bienenwabenartige Form aufweist. Die tatsächlichen Verhältnisse lassen sich am besten aus dem stark vergrösserten Abschnitt erkennen, in welchem je ein Teilstrich der Grosse von 1/lue mm entspricht.
Die Hohlfäden selbst haben
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Durchmesser, die in der Grösse des Durchmessers der natürlichen Gefässe des Holzes liegen. Die gesamte Struktur ist bei dem Werkstück nach der Erfindung holzartig, wie dies besonders aus dem stark vergrösserten Abschnitt ersichtlich ist.
Im Beispiel der Fig. 3 handelt es sich um einen, nach der Erfindung hergestellten Stab, der eine verdichtete Oberfläche 1, sowie von der Oberfläche 1 radial nach innen verlaufende Rippen 2 aufweist, deren Struktur wesentlich dichter als die der übrigen Teile 3 ist. Diese statisch am stärksten beanspruchten Teile des Stabes sind dadurch verdichtet, dass sie von einzelnen oder in Bündeln, Schichten und andern Gruppierungen zusammenliegenden Hohlfäden durchzogen sind, die seitlich so stark zusammengedrückt sind, dass sie fast keinen Hohlraum mehr haben, wodurch auf einer verhältnismässig kleinen Querschnittsfläche sehr viele Fäden untergebracht sind.
Im Rahmen des später näher erläuterten Verfahrens können diese verdichteten Stellen 2 dadurch er-
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oder nach dem Abschneiden der gesamten Formfüllung mit einem Heizdraht wieder öffnet. In diesen verdichteten Partien 1, 2 des Werkstückes werden dadurch die Kunststoffhohlfäden nur der Wärmewirkung unterworfen, durch die ihre Wandungen erweichen, zusammengedrückt werden und sich an der Aussenfläche fest verbinden. Die feste Flächenverbindung wird dadurch auch zugleich mit den Wandungsteilen der benachbarten aufgeblähten Fäden der Bereiche 3 geschaffen.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch einen Werkstückbereich erhöhter Materialdichte. Der Schnitt verläuft in diesem Beispiel durch eine Stelle, an der ein Beschlag 4 mittels eingedrehter Schrauben 5 auf einer Leiste befestigt ist. Im Rahmen der Erfindung wird vor dem Formvorgang das gesamte Bündel von Hohlfäden im Bereich des Beschlages 4 in eine plastische Masse eingebettet.
Bei der gleichzeitigen Einwirkung von Wärme und einem im Inneren der Hohlfäden aufgebauten Überdruck konnten sich im Bereich des Be- schlages 4 die Hohlfäden nicht mehr wesentlich ausdehnen, sondern wurden dort unter Beibehaltung ihres kleinen, runden Querschnittes fest in die Einbettungsmasse eingedrückt, während an allen übrigen Teilen des Werkstückes sich die Hohlfäden in gleicher Weise zu einer Struktur verbinden, wie sie in Fig. 2 und in den Bereichen 3 der Fig. 3 gezeigt ist. Die plastische Masse 6, die beim Erkalten der Formfüllung fest geworden ist, befindet sich nur an den Stellen zwischen den Hohlfäden, an denen Beschläge anzubringen oder andere nachträgliche Bearbeitungen, z. B. Bohrungen vorzunehmen sind, und die deshalb grössere Materialdichte erfordern.
Das Beispiel der Fig. 5 zeigt einen Abschnitt und Querschnitt eines leichten Mastes, der sich beispiels- weise als Antennenmast od. dgl. eignet. Im vorliegenden Beispiel hat dieser Mast eine verdichtete Oberfläche 1, die in gleicher Weise gebildet ist, wie im Beispiel der Fig. 3. Der Kanal 7 ist dadurch gebildet. dass ein Kunststoffrohrvor dem Verschmelzen der Hohlfäden in die Hohlfadenmasse eingebettet worden ist.
Zur weiteren Versteifung des Mastes können auch in diesem Beispiel radiale Rippen in ähnlicher Form, wie im Beispiel der Fig. 3 vorgesehen werden. Es ist auch möglich, mehrere Längskanäle durch einfaches Einlegen mehrerer Kunststoffrohre zu schaffen, deren Oberfläche durch die Wirkung der nach der Erfindung vorgenommenen Erhitzung der Füllung mit den Wandungen der umgebenden Hohlfäden fest verschmolzen ist.
Das Beispiel der Fig. 6 zeigt den Mittelteil eines Skies im Schnitt, der bei grösster Bruchsicherheit ausserordentlich leicht ausgebildet ist. Der eigentliche Skikörper ist aus Hohlfäden 8 gebildet. Das Standblech 9 ist mit Verankerungen 9a versehen, die in die Hohlfädenmasse eingeschmolzen sind. Der ganze Ski ist mit einer Schicht 10 überdeckt, die vorzugsweise aus einem Gemisch von Glasfasern und Kunstharz besteht. Ausserdem kann noch in bekannter Weise auf der Unterseite des Skies eine besondere Laufsohle 11 angeordnet sein.
Die nach der Erfindung hergestellten Gegenstände können auch aus einer Kombination von Hohlfäden und einer Hülle bestehen, die als besonders harte, mit irgendwelchen Ausnehmungen, Ansätzen oder mit andern Einrichtungen oder Eigenschaftenversehene Oberfläche des Gegenstandes dient. Die Hülle ist dann mit Hohlfäden ausgefüllt, deren Oberfläche sich mit der Innenfläche der Hülle unter Einwirkung der Wärme fest verbindet. So zeigt beispielsweise Fig. 7 einen Gegenstand, dessen Kern aus Hohlfäden 12 besteht und dessen Aussenfläche von einer vorgeformten Hülle 13 gebildet wird, die vorzugsweise aus einem andern Material besteht. Auf diese Weise lassen sich z. B. auch Fensterrahmen, Profile und viele andere Gegenstände herstellen.
Die Erfindung bietet ferner die Möglichkeit einer schichtweisen Querverspannung der Werkstücke.
Hiezu gibt Fig. 8 ein Beispiel für einen Plattenkörper aus Hohlfäden, die in mehreren Schichten mit sich kreuzenden Fadenrichtungen liegen. Dabei können die Hohlfäden schichtweise, sowohl aus verschiedenen Kunststoffen bestehen, als auch verschiedene Durchmesser oder Wandstärken aufweisen. In der Zeichnung
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ist ein Türblatt dargestellt, bei dem auch die Beschläge 14, 15 mit Verankerungen in die Hohlfädenmasse eingeschmolzen sind.
Eine weitere günstige Möglichkeit der Erfindung ergibt sich im Beispiel der Fig. 9, die einen Plattenkörper zeigt, bei dem in die Hohlfädenmasse 16 ein Drahtgeflecht 17 eingeschmolzen ist. Dieses Einschmelzen eignet sich insbesondere für Gegenstände mit Einlagen aus fremdartige Stoffen zur spezifischen Erhöhung der. mechanischen Festigkeit. Das Drahtgeflecht gibt dem Plattenkörper einen grösseren Zusammenhalt in der Platten-Ebene. So kann auch die Zugbelastbarkeit oder die Biegesteifigkeit z. B. durch Draht- od. dgl. Einlagen in Längsrichtung erhöht werden.
Das Verfahren nach der Erfindung kann in verschiedener Weise durchgeführt werden.
Eine Möglichkeit zur Durchführung dieses Verfahrens besteht darin, dass man die erforderliche Menge Hohlfäden gleichgerichtet in eine gasdicht verschliessbare und an eine Gasabsaugevorrichtung angeschlossen Form bringt. Vor dem Einbringen der Hohlfäden in die Form oder vor dem Verschliessen der Form werden die Enden der Hohlfäden mit geeigneten Mitteln zugeschmolzen. Nach dem Schliessen der Form wird die Füllung bei gleichzeitigem Absaugen der zwischen den Zellen befindlichen Luft erhitzt, bis die Aussenflächen der Hohlfäden miteinander verschmelzen. Ist der Verschmelzungsvorgang beendet, so lässt man die Füllung nach Öffnung der Hohlfäden, beispielsweise an einer Stirnseite, erstarren.
Eine andere Ausführungsart des erfindungsgemässen Verfahrens gestattet die Verwendung einer nicht gasdicht verschliessbaren Form, die natürlich auch nicht an eine Gasabsaugvorrichtung angeschlossen ist.
Nach dieser Ausführungsart bringt man einfach die Füllung unter Parallelrichtung und beidseitigem Zu- schmelzen der Hohlfäden in die Form und erwärmt, bis die Verschmelzung der Hohlfädenoberflächen er- folgt ist. Das in den Hohlfäden eingeschlossene Gas erweitert bei seiner Ausdehnung infolge der Erhitzung die Zelleninnenräume und verdrängt damit die interzellularen Hohlräume.
Nach vollständiger Verschmel- zung der Hohlfädenaussenwände öffnet man die Zellen an einer Stirnseite und lässt die Füllung erkalten.
Diese Ausführungsart des erfindungsgemässen Verfahrens ist besonders geeignet für die Verwendung von
Thermoplasten. mit verhältnismässig hoher Schmelztemperatur, da man hiebei infolge der hohen Tem- peraturspanne bis zum Schmelzpunkt des Materials eine erhebliche Erweiterung der Zelleninnenräume und damit verbunden eine weitgehende Verdrängung der zwischen den Hohlfäden liegenden Luft erreichen kann.
Eine Abwandlung dieses Verfahrens besteht darin, dass man als Form eine Hülle verwendet, deren Aussenfläche dem gewünschten Gegenstand entspricht. Hinsichtlich der Füllung und Verschmelzung der Hohlfäden verfährt man ebenso wie bei der vorbeschriebenen Ausführungsart. Jedoch bleicht die Füllung auch nach der Erstarrung in der Form, welch letztere dann zur Oberfläche des Gegenstandes wird.
Eine technische Vervollkommnung des erfindungsgemässen Verfahrens, die sich bei allen beschriebenen Ausführungsarten des Verfahrens einrichten lässt, besteht darin, dass man beliebige Partien eines aus Hohlfäden gebildeten Gegenstandes verstärken kann. Zu diesem Zweck lässt. man die diese Partien und deren unmittelbare Nachbarschaft durchziehenden Hohlfäden offen, oder öffnet sie wieder, nachdem man die Fäden in der gesamten Füllung, z. B. durch Abschneiden mit einem glühenden Draht, zugeschmolzen hat. Wenn sich nun beim Erhitzen die geschlossenen Hohlfäden ausdehnen, werden die offenen zugedrückt, so dass an den gewünschten Querschnittsteilen eine gegenüber den übrigen Partien wesentlich grössere Menge von Hohlfäden angeordnet und damit auch eine grössere Festigkeit erzielt werden kann.
Auf diese Weise lässt sich bei kleinem Querschnitt und geringem Raumgewicht eine ausserordentliche Festigkeit erzielen.
Eine weitere technische Vervollkommnung des erfindungsgemässen Verfahrens bezieht sich auf die Herstellung von Gegenständen aus Hohlfäden, an denen Beschläge, z. B. durch Eindrehen von Schrauben, befestigt oder andere Bearbeitungen vorgenommen werden sollen, die eine verhältnismässig grosse Materialdichte erfordern. Erfindungsgemäss werden die Hohlfäden an solchen Stellen in ein flüssiges oder plastisches Medium eingebettet, welches nach dem Ausformen des Gegenstandes zu einer festen Masse erhärtet. So lässt sich an den erforderlichen Stellen auf ganz einfache Weise ohne Verkleinerung des Querschnittes eine grössere Materialdichte erzielen.
Im Rahmen der Erfindung können auch Plattenkörper hergestellt werden, die nicht nur in ihrer Struktur, sondern auch in ihrem Aussehen holzähnlich sind. Hiezu wickelt man die aus der Spinndüse kommenden Hohlfäden auf eine Trommel oder einen flachen Rahmen, bis eine der gewünschten Plattenstärke entsprechende Schichtdicke erreicht ist. Dabei lässt. man zur Erzielung des optischen Holzeffekts nacheinander in ihrer Färbung mehr oder weniger verschiedene Hohlfäden auflaufen. Bei der späteren Einformung der Hohlfäden mischen sich die verschiedenen Farben geringfügig, so dass ein holzmaserartiger Effekt entsteht. Ausser Plattenkörpern lassen sich auch andere Gegenstände, z. B.
Skier, auf diese Weise. mit einem
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optischen Holzeffekt herstellen, sofern beim Abnehmen der Hohlfäden von der Haspel und dem danach folgenden Einformen keine Umgruppierung der Hohlfäden erforderlich ist.
Zur Herstellung von langgestreckten Gegenständen, deren Querschnittsgrösse sich in Längsrichtung verändert, z. B. nach oben sich verjüngenden Masten, Angelruten, Skiern, Paddeln und ändern Gegenständen, können Hohlfäden verwendet werden, deren Durchmesser sich in gleicher Weise ändert, wie die Querschnittsgrösse der fertigen Gegenstände. Diese Veränderung des Hohlfadendurchmessers wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass man die Geschwindigkeit, mit der die Hohlfäden von der Düse abgezogen werden, in einem, der Durchmesserveränderung entsprechenden Rhythmus verändert. Dann werden die Hohlfäden so aufgehaspelt, dass in jeder beliebigen, durch die Haspelwicklung gelegten Schnittfläche alle Hohlfäden einen gleichen Durchmesser haben. Zur Herstellung z.
B. eines von einem zum andern Ende sich verjüngenden Stabes lässt man die Abzugsgeschwindigkeit abwechselnd gleichmässig zuund abnehmen. Wenn die erforderliche Menge Hohlfäden ausgehaspelt ist, durchschneidet man die Haspelwicklung an der dicksten und der dünnsten Stelle. Analog verfährt man auch zur Herstellung von Gegenständen, deren Querschnittsgrösse sich in anderem Verlauf ändert.
Die Anwendung des Erfindungsgedankens beschränkt sich nicht auf die vorstehend aufgeführten Ausführungsbeispiele. Letztere dienen lediglich dazu, Möglichkeiten zur technischen Vervollkommnung der Erfindung aufzuzeigen. So kann man beispielsweise auch Plattenkörper oder andere Gegenstände ebenso mit einem Gemisch von Glasfaser und Kunstharz überschichten, wie dies für den als Ausführungsbeispiel beschriebenen Ski vorgeschlagen wird. Dieses Beispiel zeigt, dass die an den Ausführungsbeispielen erklärten technischen Einzelheiten der Erfindung auch untereinander vertauscht, miteinander kombiniert und an weiteren in der Beschreibung nicht aufgeführten Gegenständen zur Anwendung gebracht werden können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Werkstück aus im Spritzspinnverfahren von thermoplastischem Kunststoff gewonnenen Hohlfäden, die sich aneinanderschmiegende und sich über die gesamte Länge des Werkstückes erstreckende Zellen bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen Durchmesser in gleicher Grösse wie die natürliche Grösse des Holzes aufweisen und an ihren Trennwänden durch radiale Dehnung verspannt und auf die gesamte Fläche der Trennwände einstückig zu einer holzartigen Struktur verschmolzen sind.