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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines verstärkten Kunststoffrohres, das abwechselnd aus Schichten aus mit Kunstharz getränkten Faserstoffen und dazwischenliegenden Schichten aus einem körnigen Material besteht, durch Aufwickeln von mit Kunstharz getränkten Fäden auf einen Dorn und durch Aufbringen des körnigen Materials auf die Faserstofflage.
Verstärkte Kunststoffrohre werden normalerweise durch Bildung eines Zylinders aus einem Fasermaterial geschaffen, das auf einen entfernbaren Dorn kontinuierlich gewickelt, entweder vor oder nach dem Aufwickeln mit einem aushärtbaren Harz imprägniert und nach dem Härten des Harzes von dem Dorn abgezogen wird. Durch passende Wahl des Fasermaterials, bei dem es sich um gewöhnliche Glasfäden handeln mag, und des Harzes, bei dem es sich um ein Epoxy- oder Polyesterharz handeln mag, sind feste korrosionsbeständige verstärkte Kunststoffrohre herstellbar.
Auf Grund ihrer hohen Belastbarkeit eignen sich Glasfäden zur Herstellung von Rohren, die erheblichen inneren Druckbelastungen ausgesetzt werden. Bei Rohren grossen Durchmessers, z. B. für im Erdreich verlegte Leitungen, ist die Dicke der Wandung des jeweiligen Rohres jedoch nach dem Aussendruck und dem durch die durch Erdbelastungen hervorgerufenen ungleichmässigen sogenannten "D"-Belastungen (s. American Society for Testing Materials C-76-63 T) festzulegen und nicht so sehr nach dem Innendruck, weshalb Rohre erforderlich sind, deren Wandungen Dicken aufweisen, welche die normalerweise zum Ausgleich der Innendrucke benötigten Wandungsdicken erheblich überschreiten.
Da die Kosten des Materials für ein durch hohe Aussendrücke belastbares verstärktes Kunststoffrohr viel höher sind als die Kosten für sonstige in Betracht kommende Materialien, z. B. für Eisen, Beton oder Stahl, werden normalerweise die letztgenannten Materialien für Rohre grossen Durchmessers verwendet, obwohl die verstärkten Kunststoffrohre üblicherweise in physikalischer und chemischer Hinsicht den erstgenannten Rohren überlegen sind.
Zur Behebung der vorstehend aufgezeigten Nachteile ist bereits vorgeschlagen worden, verstärkte Kunststoffrohre grossen Durchmessers mit Wandungen in Form von geschichteten oder"Sandwich"-An- ordnungen auszuführen. Eine Wandung dieser Art besteht aus einem durch eine dünne Schicht aus mit Glasfäden verstärktem Kunststoff, der mit hohen Innendrücken belastbar ist, und aus einer diesen Kunststoff umhüllenden dicken Schicht eines Kernmaterials, wie z. B. Beton, das den Druckbeanspruchungen und"D"-Belastungen standhält, wobei auf das Kernmaterial wieder eine dünne Kunststoffschicht aufgewickelt ist.
Es ist weiterhin bekannt, den Schichtaufbau der Rohrwandung so herzustellen, dass auf einen Dorn mehrere Lagen von harzgetränkten Faserstoffen gewickelt und gleichzeitig zwischen die einzelnen Faserstofflagen körniges Material eingebracht wird. Werden diese Rohre äusseren Belastungen ausgesetzt, so wirkt der Deformation des Querschnittes eine in der Grenzfläche zwischen dem Kernmaterial und dem verstärkten Kunststoff auftretende Scherspannung entgegen, die zu einer Beschädigung der betreffenden Anordnung in Bereichen führt, in denen eine Bindung zwischen den betreffenden Materialien besteht.
Durch den Vorschlag nach der Erfindung wird ein wenig aufwendiges, aus mehreren Komponenten zusammengesetztes verstärktes Kunststoffrohr geschaffen, das ohne Schädigung durch erhebliche äussere Drücke und "Du-Beanspruchungen belastbar ist.
Ganz allgemein betrachtet, schlägt die Erfindung ein aus mehreren Komponenten zusammengesetztes verstärktes Kunststoffrohr vor, das mehrere Schichten eines hochbelastbaren fadenförmigen Materials aufweist, wobei die jeweils benachbarten Schichten durch ein teilchenförmig ausgebildetes Material getrennt und die gesamte Anordnung durch ein gehärtetes Harzbindemittel miteinander verbunden ist. Die relativen Dicken der Schichten aus fadenförmigem und teilchenförmig ausgebildetem Material müssen mit äusserster Sorgfalt gewählt werden, da nämlich eine zu dünne Teilchenschicht eine übergrosse Fiberglasmenge im fertigen Rohr zur Folge hat und eine zu dicke Teilchenschicht innere Schubspannungen verursacht, die bei Deformation des Rohres in der Grenzfläche zwischen den Fäden und den Teilchen zu Rissbildungen führt.
Untersuchungen haben gezeigt, dass das Verhältnis der Dicke der Teilchenschicht zur Dicke der Fadenschicht Tp/Tf innerhalb der Grenzen 2 und 50 liegen und vorzugsweise etwa 6 betragen soll.
In diesem Zusammenhang sei bemerkt, dass das Verhältnis Tp/Tf betrachtet über die Wand des Rohres-nicht konstant sein muss. Da die Schubspannungen über die Wand nicht gleichmässig verteilt sind, lassen sich Rohre mit besonders ausgezeichneten Eigenschaften herstellen, wenn in Bereichen hoher Belastung niedere und in Bereichen niederer Belastung hohe Werte für Tp/Tf gewählt werden.
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Die durch'"-Belastungen erzeugten Spannungen treten in der Wand im wesentlichen zu den zu den
Innen- und Aussenflächen benachbarten Bereichen auf. In diesen Bereichen kann als Tp/Tf-Wert ein im unteren Bereich der vorgenannten Skala liegender Wert gewählt werden, während im mittleren Bereich der
Wand in dem eine geringe Schubspannung wirkt, der Tp/Tf-Wert im oberen Bereich dieser Skala liegen kann.
Es ist erwünscht, in den Kornschichten eine hohe Feststoffauffüllung zu erhalten, um den Widerstand gegenüber "D"-Belastungen zu erhöhen, und ferner die Dicke der Partikelschicht genau regulieren zu können. Demgemäss wird daher die Kornmaterialschicht in der Weise erzeugt, dass zunächst grosse Partikel auf der Trägerschicht aufgebracht werden, bis eine gewünschte Schichtdicke erreicht ist und dass dann kleine Partikel darüber und dazwischen abgelagert werden.
Das Rohr ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Anordnung nach dem Aushärten des Harzbindemittels eine ausreichende Menge des fadenförmigen Materials enthält, um den inneren Druckbelastungen standzuhalten und ausreichende Mengen teilchenförmigen Materials zwischen den fadenförmigen Schichten aufweist, um den Kompressions-und"D"-Belastungen widerstehen zu können. Auf Grund der vorgenannten Begrenzungen der relativen Dicken der jeweiligen Schichten kann es für einige Anwendungsfälle, in denen extrem hohe äussere Druckbelastungen auftreten, notwendig sein, eine übergrosse Menge fadenförmigen Materials zu verwenden, um ein Rohr zu schaffen, das den Innendrucken standhält.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem verstärkten Kunststoffrohr mit geschichtetem Wandungsaufbau eine solche Druckfestigkeit zu erzielen, dass das Kunststoffrohr gegenüber äusseren Belastungen widerstandsfähiger ist und die Belastungen zu verteilen im Stande ist, wobei die Schichten aus dem körnigen Material hinsichtlich ihrer Dicke genau reguliert werden können.
Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch, dass körniges Material verschiedener mittlerer Teilchengrösse aufgebracht wird, wobei zuerst das körnige Material mit der grösseren mittleren Teilchengrösse auf die Faserstofflage und dann das körnige Material mit der kleineren mittleren Teilchengrösse aufgebracht wird, wobei die Zwischenräume im Material der grösseren mittleren Teilchengrösse ausgefüllt werden.
Das Verfahren nach der Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass auf relativ einfache Weise ein verstärktes Kunststoffrohr geschaffen werden kann, welches die erforderliche Druckfestigkeit besitzt, um durch externe Beanspruchungen hervorgerufenen Belastungen widerstehen zu können und diese Belastungen. derart zu verteilen, dass keine Beschädigung des Kunststoffrohres auftritt. Ausserdem bringt das Verfahren gemäss der Erfindung den Vorteil mit sich, dass es auf relativ einfache Weise möglich ist, die Belastung der aus dem körnigen Material bestehenden Schichten erheblich zu erhöhen, ohne dass dies einen entscheidenden Einfluss auf die Dicke der Schichten aus dem körnigen Material hat.
Gemäss einer zweckmässigen Ausgestaltung der Erfindung wird zuerst körniges Material mit einer mittleren Teilchengrösse zwischen 2, 38 und 1, 19 mm und dann körniges Material mit einer mittleren Teilchengrösse zwischen 0, 005 und 0, 149 mm aufgebracht. Hiedurch ergibt sich der Vorteil, dass die Schicht aus dem körnigen Material besonders hohe volumetrische Dichte besitzt, wodurch ein derart hergestelltes verstärktes Kunststoffrohr besonders gut äusseren Belastungen zu widerstehen im Stande ist.
Gemäss einer weiteren zweckmässigen Ausgestaltung der Erfindung wird als körniges Material Sand auf eine Faserstofflage aus Glasfasern aufgebracht. Hiedurch ergibt sich der Vorteil eines besonders billigen Rohmaterials für das verstärkte Kunststoffrohr.
Anstatt der Glasfasern können jedoch auch hoch belastbare Fäden, wie z. B. Metalldrähte oder -fäden oder Quarzfäden, verwendet werden. Die Fäden können als durchgehende Fäden oder in Form eines kontinuierlichen Gewebes, wie z. B. ein Glasfasergewebe oder ein Gewebe aus geflochtenen Fäden, ausgebildet sein. An Stelle des als körniges Material abgelagerten Sandes können auch andere Materialien verwendet werden, wie z. B. körniges Harz, kleine hohlkugelige Materialien und Kohlenstoff sowie Graphit.
Für Kunststoffrohre geringen Gewichts eignen sich Materialien, wie z. B. Glas oder Phenolharz. Als Bindemittel können sämtliche zur Herstellung von verstärkten Kunststoffgefügen geeignete Bindemittel, u. zw. bevorzugt Epoxy- und Polyestersysteme verwendet werden.
Diese und weitere Merkmale sowie die damit verknüpften Vorteile der Erfindung werden nachstehend an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Einzelheiten näher erläutert. Fig. 1 veranschaulicht schematisch die Herstellung eines Rohres gemäss der Erfindung. Fig. 2 zeigt in einer vergrösserten Schnittansicht das Aussehen eines Rohres gemäss der Erfindung.
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In Fig. 1 ist schematisch eine Anlage zur Herstellung eines Rohres gemäss der Erfindung dargestellt.
Da diese Anlage als solche nicht einen Teil der Erfindung bildet, sind nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Elemente näher dargestellt. Eine vollständige Beschreibung einer entsprechenden Anlage ist in der US-PS Nr. 3, 228, 616 enthalten.
Ein Dorn --1--, der sich in Richtung des eingetragenen Pfeiles zu drehen vermag, nimmt ein Band --2-- aus Fäden --3-- auf, die mit einem Harz überzogen sind. Zu diesem Zweck werden die erwähnten Fäden --3-- durch einen ein Harz enthaltenden Behälter --4-- hindurchgeleitet und über Abstreifrollen - kontinuierlich hinweggeführt. Die Fäden werden um den Dorn über dessen Länge schraubenlinienförmig herumgewickelt. Dabei erfolgt eine relative Hin- und Herbewegung zwischen dem Dorn und dem Band. Die Steigung oder der Wickelwinkel kann in an sich bekannter Weise durch entsprechende Wahl der Umfangsgeschwindigkeit des Dornes und der Relativgeschwindigkeit zwischen Dorn und Band reguliert werden.
Das Fadenband --2-- wird vorzugsweise unter einem sehr grossen Wickelwinkel zugeführt, so dass die dem Dorn kontinuierlich zugeführten Fäden im wesentlichen Ringwindungen bilden.
Die in Fig. 1 dargestellte Anlage enthält eine Trichteranordnung-6--, die über dem Dorn --1-- an einer Stelle angeordnet ist, an der das Band --2-- den Dorn --1-- berührt. Die Trichteranordnung --6-- besteht vorzugsweise aus zwei getrennten Abführbereichen --7 und 8--, deren jeder gesonderte Zuführungsbereiche--9 und 10-- besitzt. Der Abführbereich-7-ist vor dem Abführbereich --8-- angeordnet.
Der Abstand zwischen beiden ist aus Gründen der Klarheit in Fig. 1 übertrieben ; vorzugsweise befinden sich die Abführabschnitte--7 und 8--vertikal über der Berührungsstelle zwischen dem Fadenband --2-- und dem Dorn --1-- so dass aus dem Abführbereich --7-- herausgeführte Kornpartikel zuerst auf das auf den Dorn aufgewickelte Band --2-- aufgebracht werden, während mit der Weiterdrehung des Dornes aus dem Abführbereich--8--herausgeführte Kornpartikel über die aus dem Abführbereich --7-- herausgeführten Partikel abgelagert werden. Das Band --2-- führt genügend Harz mit sich, um die auf diesem Band abgelagerten Partikel festhalten zu können.
Die dem Zuführungsbereich - zugeführten Partikel sind grösser als jene, die dem Zuführungsbereich-10-- zugeführt werden, so dass auf das Fadenband zuerst die grösseren Partikel abgelagert werden und dass danach über diese grossen Partikel und in den Zwischenräumen zwischen diesen Partikeln die kleineren Partikel abgelagert werden.
Das vorstehend erläuterte Verfahren wird während einer Anzahl von Umläufen ununterbrochen ausgeführt, bis eine genügende Wanddicke erzielt ist. Danach wird das Harz ausgehärtet und anschliessend wird der Dorn aus dem Schichtengebilde herausgezogen. Durch dieses Verfahren wird eine grössere Gleichmässigkeit in der Dicke der Kornschichten sowie eine grössere Festkörperauffüllung erreicht als in dem Fall, dass Partikel beliebiger Grössen oder nur einer einzigen Grösse verwendet werden. Wenn Partikel beliebiger Grösse verwendet werden, ist die Dicke der Kornschicht unregelmässig. Wenn Partikel einer Grösse verwendet werden, kann zwar die Schichtdicke reguliert werden, jedoch ist die Feststoffauffüllung relativ schlecht.
Durch Anwendung des Verfahrens werden auf ein Fadenband zuerst grosse Partikel aufgebracht wodurch eine gleichmässige Schichtdicke erreicht wird, und dann werden kleinere Partikel aufgebracht, die sich zwischen den grösseren Partikeln ablagern und die den Füllfaktor steigern, ohne dabei jedoch die Dicke der jeweiligen Partikelschicht anwachsen zu lassen.
Die Partikelgrössen sind innerhalb ziemlich weiter Grenzen wählbar ; die nachstehend angegebenen Grössen sind charakteristische Grössen, die keine Beschränkungen hinsichtlich der Wahl der Partikelgrössen auferlegen. Bei der Herstellung eines Rohres hat es sich als zweckmässig herausgestellt, grosse Partikel mit einer Partikelgrösse zwischen 2, 38 und 1, 19 mm und kleine Partikel mit einer Partikelgrösse zwischen 0, 149 und 0, 005 mm zu verwenden.
Nachstehend sei Fig. 2 betrachtet, in der die Wand eines gemäss der Erfindung hergestellten Rohres im Querschnitt gezeigt ist. Es sei bemerkt, dass die Dicke der Korn- und Faserschichten nicht massstäblich gezeichnet ist und dass die Dicken vielmehr innerhalb der oben angegebenen Werte gewählt sind. Die Innenschicht --20-- ist ein Gel-Überzug, der Tüllgewebe --26-- enthält, das zunächst um den mit Harz überzogenen Dorn herumgewickelt worden ist. Partikel, wie 0, 149 mm grosser Sand, kann in dem Gel-Überzug --20-- enthalten sein, um den Erosionswiderstand des fertigen Rohres zu erhöhen.
Um eine Längsverstärkung des Rohres zu erzielen, sind über das Tüllgewebe und nahe der Aussenfläche des Rohres Schichten aus längsverlaufenden Fasern --21-- aufgebracht. Hiedurch wird die Durchbiegefestigkeit erhöht. Die Längsverstärkung sollte dabei lediglich nahe der Innen-und Aussenfläche der Rohrwand erfolgen, d. h. an Stellen, an denen Biegespannungen konzentriert auftreten. Die
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betreffenden Schichten aus längsverlaufenden Fasern werden dabei auf den Dorn in Form eines sich zum Teil überlappenden Bandes aufgewickelt, wie dies oben bereits beschrieben worden ist.
Schichten aus ringförmig versetzten Fasern --22-- hoher Festigkeit und zwischen diesen vorgesehenen Partikelschichten--23--, welche vorzugsweise aus grossen Partikeln --24-- und kleinen Partikeln - bestehen, liegen zwischen Schichten--21--. Die äussere Faserschicht --21-- kann mit weiteren Faser-und Partikelschichten überzogen sein, um die Orientierung der Schicht --21-- beizubehalten. Das gesamte Schichtengebilde wird durch ausgehärtetes Harz zusammengehalten. Die Dicke der Harzschicht ist in Fig. 2 der Klarheit wegen stark übertrieben dargestellt.
Beispiel : Ein 61 cm lichte Weite und 62, 9 cm Aussendurchmesser besitzendes Rohr wurde gemäss der Erfindung hergestellt. Zu diesem Zweck wurden Fiberglasfasern und Sand mit einer mittleren Korngrösse von 1, 19 und 0, 149 mm verwendet. Die Fiberglasschichten waren etwa 0, 0127 cm dick und die Partikelschichten etwa 0, 127 cm. Das fertige Rohr bestand aus etwa 35% Harz, 15% Glas und 50% Sand ; hiebei betrug der Anteil der feinen Partikel etwa 10 Gew.-%.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen eines verstärkten Kunststoffrohres, das abwechselnd aus Schichten aus mit Kunstharz getränkten Faserstoffen und dazwischenliegenden Schichten aus einem körnigen Material besteht, durch Aufwickeln von mit Kunstharz getränkten Fäden auf einen Dorn und durch Aufbringen des körnigen Materials auf die Faserstofflage, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass körniges Material (24,25) verschiedener mittlerer Teilchengrösse aufgebracht wird, wobei zuerst das körnige Material (24) mit der grösseren mittleren Teilchengrösse auf die Faserstofflage (21,22) und dann das körnige Material (25) mit der kleineren mittleren Teilchengrösse aufgebracht wird,
wobei die Zwischenräume im Material der grösseren mittleren Teilchengrösse ausgefüllt werden.