Faserarmierter Kunstharzprofilkörper und Verfahren zu dessen Herstellung
Es ist bekannt, volle oder hohle Profilkörper aus faserarmiertem Kunststoff, insbesondere aus faserarmierten Kunstharzen, herzustellen und das zur mechanischen Verstärkung dienende Fasermaterial in Form von losen Fasern, Strängen oder Geweben mit dem Harz zu verbinden oder auch einen vorgeformten Faserwickel mit Kunstharz zu imprägnieren.
Wenn nun solche Kunstharzprofilkörper in der Elektrotechnik als Isolierteile für Hochspannung benützt werden oder mechanisch hoch beansprucht sind, so muss man die Armierungsfasern in ganz bestimmter Weise anordnen, um das Material voll ausnützen zu können. Werden z. B. an die Kriechstromfestigkeit hohe Anforderungen gestellt oder wird auf einen rohrförmigen Profilkörper ein Aussengewinde geschnitten, um eine Armatur aufschrauben zu können, so sollen in der Oberflächenschicht möglichst keine Armierungsfasern in der Längsrichtung angeordnet sein, weil dadurch eine Kriechwegbildung begünstigt werden könnte und beim Einschneiden eines Gewindes die Fasern in kleine Teilstücke zertrennt würden, was die Längsfestigkeit beeinträchtigen würde.
Die vorliegende Erfindung vermeidet nun diesen Nachteil. Ihr Gegenstand ist ein faserarmierter Kunstharzprofilkörper, dessen Armierungsfasern der Oberflächenschicht im wesentlichen quer zur Längsachse des Körpers verlaufen und dessen zur Längsverstärkung dienenden Fasern in den innern Schichten des Profilkörpers angeordnet sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kunstharzprofilkörpers, bei welchem Verfahren die Armierungsfasern in annähernd konischen und sich überlappenden Lagen auf einen Träger gewickelt werden, indem während dem aus einer Dreh- und Vorschubbewegung bestehenden Wicklungsvorgang die Fasern noch zusätzlich in Richtung der Profilkörperachse hin und her geführt werden, wobei sie in ihrer geometrischen Abwicklung nach einer Wellenlinie verlaufen, und die Armierungsfasern vollständig in Kunststoff eingebettet werden.
Auf den nachstehenden Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Fig. 1 ist ein Teilschnitt eines rohrförmigen Kunstharzprofilkörpers und Fig. 2 zeigt die wellenlinienförmige Abwicklung des Faserstranges, welcher die Armierung eines Profilkörpers bildet. In Fig. 3 ist der schematische Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung eines beliebig langen Rohrprofils dargestellt und Fig. 4 zeigt einen Einzel ausschnitt von einer ähnlichen Vorrichtung zur Herstellung eines vollen Profils.
In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel ein rohrförmiger Profilkörper dargestellt, und zwar das Endstück, mit dem bei seiner Herstellung entstehenden konisch auslaufenden Wickel aus Armierungsfasern.
Der zur Herstellung des Profilkörpers notwendige Wickeldorn 1 ist noch eingezeichnet. Im Sinne der Erfindung verlaufen die Armierungsfasern 2 und 3 der Oberflächenschichten im wesentlichen quer zur Längsachse des Körpers, während die zur Längsverstärkung dienenden Fasern 4 in den innern Schichten der Profilkörperwandung angeordnet sind. Die den Armierungswickel bildenden Fasern sind als zusammenhängender Strang gemäss dem nachstehend beschriebenen Verfahren aufgewickelt und sind vollständig in Kunstharz eingebettet.
Bei richtiger Wahl der Werkstoffe können aus vollen oder hohlen Kunstharzprofilen, welche die erfindungsgemässe Anordnung der Armierungsfasern aufweisen, Konstruktionsteile hergestellt werden, deren hervorragende Eigenschaften sie besonders im elektrischen Apparatebau geschätzt machen.
So werden beispielsweise von einer isolierenden Zugstange grosse mechanische und elektrische Festigkeit, Kriechstromsicherheit und gute Bearbeitbarkeit verlangt. Als Kunstharz eignen sich besonders solche Giessharze, die beim Aushärten keine Gase abgeben und ihr Volumen nicht ändern, also z. B. Polyesteroder Ethoxylinharze. Als Armierungsmaterial kommen vor allem Glasfasern in Frage, die in Form von Fasersträngen, Garnen oder Schnüren zur Anwendung kommen können. Durch den im wesentlichen quer zur Längsachse liegenden Verlauf der Fasern in der Oberflächenschicht erreicht man einerseits höchste Kriechstromsicherheit und die Möglichkeit, bei kreisrundem Querschnitt des Körpers ein Gewinde für die Befestigung einer Armatur einschneiden zu können, ohne die auch zur Längsverstärkung dienenden, in den innern Schichten angeordneten Armierungsfasern zu zertrennen.
Eine Faserarmierung der oben erwähnten Art für einen rohrförmigen Körper kann nun derartig aufgebaut werden, dass man zuerst eine Lage Faserstränge mit kleiner Steigung auf einen Dorn wickelt, dann den Teil der Armierung, der vorwiegend axiale Kräfte aufzunehmen hat, in Form eines Gewebes aufbringt und zuletzt die äussere Schicht wiederum bei kleiner Steigung aufwickelt. Es ist aber umständlich, einen sehr langen Profilkörper, dessen Faserarmierung aus getrennten Schichten verschiedener Art bestehen, in dieser Weise auszuführen.
Im folgenden wird ein weiteres Verfahren beschrieben, nach welchem beispielsweise ein Kunstharzprofilkörper gemäss der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann. Fig. 2 zeigt in geometrischer Abwicklung die Wellenlinienform eines Faserstranges wie er als Armierung in einem Profilkörper ähnlich Fig. 1 angeordnet ist. Da die Armierungsfasern in konischen und sich überlappenden Lagen angeordnet sind, ändert sich der Wicklungsradius längs einer jeden Lage. Die Abwicklung des Wicklungsumfanges ist in der Richtung A verkürzt aufgetragen, die Neigung der Geraden B ist durch die Vorschubgeschwindigkeit gegeben; die Amplitude C der Wellenlinie ergibt sich aus Vorschubgeschwindigkeit und dem Weg der hin und her gehenden Faserstrangführung.
Während dem Ablauf einer Hin- und Herbewegung, das heisst je zwischen den Punkten A1, A2, A3 usw. macht der Wickel mehrere Umdrehungen. D ist die Breite des aufgewickelten Faserstranges, welche zweckmässigerweise so gewählt werden kann, dass sie annähernd dem Vorschubweg ist, der während einer Hin- und Herbewegung zurückgelegt wird.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Armie rungsfasern in Form eines Faserstranges aufzuwickeln, wobei dieser Strang als flaches Faserbündel oder als eine Mehrzahl von nebeneinanderliegenden gezwirnten Garnen oder Schnüren bestehen kann; es können mehrere Faserstränge auch gleichzeitig aufgewickelt werden.
Bei den nachstehend beschriebenen Herstellungsweisen sind Wickeldrehzahl, Vorschubgeschwindigkeit, Weg und Geschwindigkeitsablauf der hin und her gehenden Faserstrangführung so zu wählen, dass der Faserverlauf in der Oberflächenschicht des Kunststoffprofilkörpers nicht mehr als 200 von der Querrichtung abweicht.
Faserarmierte Hohlprofilteile, die nicht sehr lang sind, können beispielsweise so hergestellt werden, dass ein Glasfasergarn in der angegebenen Weise auf einen Dorn gewickelt und in Kunstharz eingebettet wird, wobei der Dorn entweder feststeht und die das Wickelmaterial tragenden Spulen der Garnführung um den Dorn rotieren und sich axial verschieben oder aber der Dorn sich dreht und die Vorschubbewegung ausführt. Nach der Verfestigung des Kunstharzes muss dann der Wickeldorn herausgezogen werden.
Bei verhältnismässig langen Profilteilen ist aber das nachträgliche Herausziehen eines Wickeldorns mit grösseren Schwierigkeiten verbunden, auch ist es vorteilhafter, bei grossen Stückzahlen die Teile durch Abschneiden von einer mehrere Meter langen Stange herzustellen. Fig. 3 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Vorrichtung zum Herstellen von faserarmierten hohlen Kunstharzprofilen beliebiger Länge. 1 ist ein feststehender Dorn, über dessen Oberfläche ein strangförmiger Träger 6 gleitet. Dieser Träger kann aus mehreren Einzelbändern bestehen, die von den Spulen 7 ablaufen und durch geeignete Rollen 8 gegen den Dorn gepresst werden, so dass die Bänder dessen Oberfläche vollständig umhüllen.
Während der strangförmige Träger mit der gewünschten Vorschubgeschwindigkeit in der Pfeilrichtung langsam nach unten gezogen wird, drehen sich die Spule 9 mit dem darauf befindlichen Vorrat an Armierungsfasersträngen und mit der Führungseinrichtung 10 um Dorn und Träger herum. Gleichzeitig gibt man der Führung 10 eine hin und her gehende Bewegung in Richtung der Profilkörperachse, so dass der Faserstrang in seiner geometrischen Abwicklung eine wie in Fig. 2 dargestellte Wellenlinie beschreibt und ein Wickel gemäss Fig. 1 entsteht, bei dem die Fasern der Oberflächenschicht der Profilkörperwandung im wesentlichen quer zur Längsachse verlaufen. Anschliessend durchläuft der Wickel das Harzbad 11, wo er sich volltränkt, und wird dann noch durch eine die genaue Aussenprofilform gebende Düse 12 gezogen. Das Verfestigen und Aushärten des Harzes geschieht in üblicher Weise.
Unter Umständen kann es auch zweckmässiger sein, den Dorn 1 samt Träger 6, Spulen 7, Leitrollen 8 und Düse 12 umlaufen zu lassen und dafür die Spule 9 mit der Fühung 10 auf dem feststehenden Teil der Wickelvorrichtung zu lagern. Um einen gleichmässigen Füllfaktor zu erhalten, kann die Führungseinrichtung auch so vorgesehen sein, dass die Breite des Faserstranges im Verlauf der Hin- und Herbewegung verändert wird, indem z. B. bei Ver wendung eines flachen Faserstranges der Strang seitlich zusammengedrückt wird oder wenn nebeneinanderliegende Faserschnüre zur Anwendung kommen, deren gegenseitiger Abstand periodisch verändert wird.
Zur kontinuierlichen Herstellung von vollen, faserarmierten Kunstharzprofilen kann eine Vorrichtung benützt werden, die ähnlich der oben beschriebenen ist, nur ist dann der Dorn 1, wie Fig. 4 zeigt, nicht durch die Düse 12 hindurch verlängert, sondern flach oder konisch auslaufend ausgebildet.
Der noch plastische Wickel erhält seine endgültige Form in der Düse 12, also z. B. ein abgerundetes Flachprofil, wie es der Querschnitt 13 andeutet.
Bei Verwendung eines genügend festen Trägerbandes könnte auch auf einen Dorn verzichtet werden, wobei die Armierungsfasern direkt auf das straff gespannte Trägerband gewickelt werden, und dann der mit Harz durchtränkte Wickel durch die formgebende Düse gezogen wird.
In vielen Fällen, aber besonders bei Vollprofilen bleibt der Trägerstrang im fertigen Querschnitt eingeschlossen; man verwendet darum mit Vorteil einen Träger aus Glasfasergewebe. In andern Fällen, wo ein nachträgliches Entfernen des Trägers erwünscht ist, kann man ihn beispielsweise mit Poly-Tetrafluor äthylen imprägnieren, damit er nicht am Giessharz haftet.
Bei den beschriebenen Herstellungsweisen können die Armierungsfasern bzw. der Faserstrang schon vor dem Aufwickeln auf den Träger mit Kunstharz durchtränkt werden. Im allgemeinen wird es aber vorteilhafter sein, den fertigen Wickel durch ein Harzbad zu leiten, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.
Man könnte auch beide Arten des Imprägnierens kombinieren oder das flüssige Harz, wie Fig. 4 andeutet, durch eine Bohrung des Dornes 1 von innen zuführen. Ebenso kann ein Imprägnieren im Vakuum angezeigt sein, indem z. B. der bereits mit einer gewissen Menge Harz durchtränkte Wickel in ein besonderes
Gefäss gebracht wird, das zunächst luftleer gemacht und anschliessend mit flüssigem Harz angefüllt wird, wobei das Gefäss ebenfalls zur genauen Formgebung des faserarmierten Profilkörpers beigezogen werden kann.
Fiber-reinforced synthetic resin profile body and process for its production
It is known to produce full or hollow profile bodies from fiber-reinforced plastic, in particular from fiber-reinforced synthetic resins, and to connect the fiber material used for mechanical reinforcement in the form of loose fibers, strands or fabrics with the resin or to impregnate a preformed fiber lap with synthetic resin.
If such synthetic resin profile bodies are used in electrical engineering as insulating parts for high voltage or are subject to high mechanical loads, the reinforcing fibers must be arranged in a very specific way in order to be able to fully utilize the material. Are z. If, for example, high demands are made on the resistance to tracking or if an external thread is cut on a tubular profile body in order to be able to screw on a fitting, then no reinforcing fibers should be arranged in the longitudinal direction in the surface layer, because this could promote the formation of tracking paths and when cutting one Thread the fibers would be cut into small pieces, which would affect the longitudinal strength.
The present invention now avoids this disadvantage. Your object is a fiber-reinforced synthetic resin profile body, the reinforcement fibers of the surface layer of which run essentially transversely to the longitudinal axis of the body and the fibers used for longitudinal reinforcement are arranged in the inner layers of the profile body, as well as a process for the production of such a synthetic resin profile body, in which method the reinforcement fibers in approximately conical and overlapping layers are wound on a carrier by additionally guiding the fibers back and forth in the direction of the profile body axis during the winding process consisting of a rotary and feed movement, whereby they run in their geometric development according to a wavy line, and the reinforcing fibers completely embedded in plastic.
Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in the drawings below. Fig. 1 is a partial section of a tubular synthetic resin profile body and Fig. 2 shows the wavy development of the fiber strand, which forms the reinforcement of a profile body. In Fig. 3 the schematic structure of a device for the production of a tubular profile of any length is shown and Fig. 4 shows a single section of a similar device for the production of a full profile.
In Fig. 1, a tubular profile body is shown as an exemplary embodiment, namely the end piece, with the conically tapering winding of reinforcing fibers that is produced during its manufacture.
The winding mandrel 1 required to produce the profile body is also shown. According to the invention, the reinforcing fibers 2 and 3 of the surface layers run essentially transversely to the longitudinal axis of the body, while the fibers 4 used for longitudinal reinforcement are arranged in the inner layers of the profile body wall. The fibers forming the reinforcement coil are wound up as a continuous strand according to the method described below and are completely embedded in synthetic resin.
With the correct choice of materials, solid or hollow synthetic resin profiles, which have the arrangement of the reinforcing fibers according to the invention, can be used to produce structural parts whose excellent properties make them particularly valued in electrical apparatus engineering.
For example, high mechanical and electrical strength, resistance to leakage current and good machinability are required of an insulating tie rod. As synthetic resin, particularly suitable casting resins are those that do not release any gases during hardening and do not change their volume, e.g. B. polyester or ethoxylin resins. Glass fibers, which can be used in the form of fiber strands, yarns or cords, are particularly suitable as reinforcement material. Because the fibers in the surface layer run essentially transversely to the longitudinal axis, on the one hand the highest level of leakage current security and the possibility of being able to cut a thread for fastening a fitting in the case of a circular cross-section of the body without the thread in the inner layers, which are also used for longitudinal reinforcement to sever arranged reinforcing fibers.
A fiber reinforcement of the type mentioned above for a tubular body can now be constructed in such a way that one first winds a layer of fiber strands with a small pitch on a mandrel, then applies the part of the reinforcement, which has to absorb mainly axial forces, in the form of a fabric and finally the outer layer winds up again with a small slope. However, it is awkward to perform a very long profile body, the fiber reinforcement of which consists of separate layers of different types, in this way.
In the following, a further method is described by which, for example, a synthetic resin profile body according to the present invention can be produced. FIG. 2 shows, in a geometric development, the wavy shape of a fiber strand as it is arranged as reinforcement in a profile body similar to FIG. Since the reinforcing fibers are arranged in conical and overlapping layers, the winding radius changes along each layer. The development of the winding circumference is plotted shortened in the direction A, the slope of the straight line B is given by the feed rate; the amplitude C of the wavy line results from the feed speed and the path of the fiber strand guide going back and forth.
During the course of a back and forth movement, i.e. between points A1, A2, A3, etc., the roll makes several revolutions. D is the width of the wound fiber strand, which can expediently be chosen so that it is approximately the feed path that is covered during a back and forth movement.
It has proven to be advantageous to wind up the reinforcement fibers in the form of a fiber strand, which strand can consist of a flat fiber bundle or a plurality of juxtaposed twisted yarns or cords; several fiber strands can also be wound up at the same time.
In the manufacturing methods described below, the winding speed, feed speed, path and speed sequence of the reciprocating fiber strand guide must be selected so that the fiber flow in the surface layer of the plastic profile body does not deviate more than 200 from the transverse direction.
Fiber-reinforced hollow profile parts that are not very long can be manufactured, for example, in such a way that a glass fiber yarn is wound on a mandrel in the specified manner and embedded in synthetic resin, the mandrel either being stationary and the spools of the yarn guide carrying the winding material rotating around the mandrel and move axially or the mandrel rotates and executes the feed movement. After the synthetic resin has solidified, the winding mandrel must then be pulled out.
In the case of relatively long profile parts, however, the subsequent extraction of a winding mandrel is associated with greater difficulties; in the case of large quantities, it is also more advantageous to manufacture the parts by cutting off a rod several meters long. Fig. 3 shows a simplified representation of a device for producing fiber-reinforced hollow synthetic resin profiles of any length. 1 is a stationary mandrel, over the surface of which a strand-shaped carrier 6 slides. This carrier can consist of several individual tapes which run off the reels 7 and are pressed against the mandrel by suitable rollers 8 so that the tapes completely envelop its surface.
While the strand-like carrier is slowly pulled downward in the direction of the arrow at the desired feed rate, the reel 9 with the supply of reinforcing fiber strands on it and with the guide device 10 rotate around the mandrel and carrier. At the same time, the guide 10 is given a reciprocating movement in the direction of the profile body axis, so that the fiber strand in its geometric development describes a wavy line as shown in FIG. 2 and a winding according to FIG. 1 is created in which the fibers of the surface layer of the Profile body wall run essentially transversely to the longitudinal axis. The roll then runs through the resin bath 11, where it is completely saturated, and is then drawn through a nozzle 12 which gives the exact outer profile shape. The resin is solidified and hardened in the usual way.
Under certain circumstances it may also be more expedient to let the mandrel 1 with the carrier 6, bobbins 7, guide rollers 8 and nozzle 12 revolve and to store the bobbin 9 with the guide 10 on the stationary part of the winding device. In order to obtain a uniform filling factor, the guide device can also be provided in such a way that the width of the fiber strand is changed in the course of the back and forth movement by z. B. when using a flat fiber strand, the strand is laterally compressed or when adjacent fiber cords are used, the mutual distance is changed periodically.
For the continuous production of full, fiber-reinforced synthetic resin profiles, a device can be used which is similar to that described above, except that the mandrel 1, as shown in FIG. 4, is not extended through the nozzle 12, but is flat or tapered.
The still plastic winding receives its final shape in the nozzle 12, so z. B. a rounded flat profile, as the cross-section 13 indicates.
If a sufficiently strong carrier tape is used, a mandrel could also be dispensed with, the reinforcing fibers being wound directly onto the taut carrier tape and then the resin-impregnated winding being drawn through the shaping nozzle.
In many cases, but especially with solid profiles, the carrier strand remains enclosed in the finished cross-section; it is therefore advantageous to use a support made of glass fiber fabric. In other cases where a subsequent removal of the carrier is desired, it can be impregnated with poly-tetrafluoroethylene, for example, so that it does not adhere to the casting resin.
In the production methods described, the reinforcing fibers or the fiber strand can be soaked with synthetic resin before being wound onto the carrier. In general, however, it will be more advantageous to pass the finished roll through a resin bath, as shown in FIG.
It would also be possible to combine both types of impregnation or, as FIG. 4 indicates, feed the liquid resin through a bore in the mandrel 1 from the inside. Impregnation in a vacuum can also be indicated by z. B. the winding already soaked with a certain amount of resin into a special one
Vessel is brought, which is first made evacuated and then filled with liquid resin, wherein the vessel can also be used for the precise shaping of the fiber-reinforced profile body.