DE102014104797B4 - Fiber-reinforced polymer tape for producing a geogrid or a geotextile and method for its production, as well as geogrid and geotextile - Google Patents
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Abstract
Faserverstärktes Polymerband (10; 10') zur Herstellung eines Geogitters (100) für eine Tragschichtbewehrung oder eines Geotextils, mit sich in Longitudinalrichtung des Polymerbandes (10; 10') erstreckenden Verstärkungsfasern (6), die von einer Polymermatrix umgeben oder darin eingebettet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerband (10; 10') aus wenigstens zwei Polymerfolienschichten (1, 2) gebildet ist, die unter Einschluss wenigstens eines Bündels von longitudinal ausgerichteter Verstärkungsfasern (6) miteinander zu wenigstens einer Tragschicht (11) verpresst sind.
A fiber-reinforced polymer tape (10; 10 ') for producing a geogrid (100) for a base course reinforcement or a geotextile, with reinforcing fibers (6) extending in the longitudinal direction of the polymer strip (10; 10') surrounded by or embedded in a polymer matrix,
characterized in that the polymer tape (10, 10 ') is formed from at least two polymer film layers (1, 2) which are compressed with at least one support layer (11), including at least one bundle of longitudinally oriented reinforcing fibers (6).
Description
Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes Polymerband zur Herstellung eines Geogitters für eine Tragschichtbewehrung oder eines Geotextils, mit sich in Longitudinalrichtung des Polymerbandes erstreckenden Verstärkungsfasern, die von einer Polymermatrix umgeben oder darin eingebettet sind, und ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie ein daraus gebildetes Geogitter oder Geotextil zur Tragschichtbewehrung.The invention relates to a fiber-reinforced polymer tape for producing a geogrid for a base course reinforcement or a geotextile, with reinforcing fibers extending in the longitudinal direction of the polymer strip surrounded or embedded in a polymer matrix and a method for the production thereof, and a geogrid or geotextile formed therefrom base course reinforcement.
Geogitter sind geeignet, Zugkräfte in der Ebene aufzunehmen, in der sie verlegt sind. Sie werden insbesondere im Tiefbau eingesetzt und in Tragschichten von Fahrbahnen oder Gleisbetten, aber auch zur Absicherung von Böschungen eingebaut. Entstehen Zugspannungen in der Tragschicht, so können diese über die hochfesten Polymerbänder, die in einer Gitterstruktur angeordnet und miteinander verbunden sind, aufgenommen werden. Die Rissbildung in der Fahrbahn, im Gleisbett oder in der Böschung wird damit verhindert oder zumindest deutlich reduziert. Um hohe Zugkräfte aufnehmen zu können, müssen die Polymerbänder, aus denen die Geogitter gebildet sind, in Richtung ihrer Längserstreckung eine hohe Zugfestigkeit und zugleich eine geringe Dehnung aufweisen.Geogrids are suitable to absorb tensile forces in the plane in which they are installed. They are used in particular in civil engineering and installed in the base courses of roadways or track beds, but also for the protection of slopes. If tensile stresses arise in the base layer, they can be absorbed by the high-strength polymer tapes, which are arranged in a grid structure and connected to one another. The formation of cracks in the road, in the track bed or in the embankment is thus prevented or at least significantly reduced. In order to be able to absorb high tensile forces, the polymer tapes from which the geogrids are formed must have a high tensile strength and at the same time a low elongation in the direction of their longitudinal extent.
Die
Notwendig ist z. B. ein gewisser Mindestquerschnitt des Polymerbands, um die in der Praxis auftretenden Zugspannungen sicher aufnehmen zu können. Nimmt man jedoch Glasfasern mit großem Durchmesser in nur einer Lage, wie in der genannten Schrift gezeigt, besteht die Gefahr, dass die Glasfasern bei der Handhabung der Polymerbänder und Verlegung der Geogitter brechen. Nimmt man hingegen Glasfasern mit kleinem Durchmesser in einer einzelnen Lage mit geringer Schichtstärke, so ist die Zugfestigkeit begrenzt.It is necessary z. B. a certain minimum cross-section of the polymer tape in order to safely absorb the tensile stresses occurring in practice can. However, taking large diameter glass fibers in only one layer, as shown in the cited document, there is a risk that the glass fibers will break when handling the polymer belts and laying the geogrids. On the other hand, taking small diameter glass fibers in a single layer with a low layer thickness, the tensile strength is limited.
Ordnet man andererseits innerhalb einer Polymermatrix mehrere Faserlagen an, indem man beispielsweise mehrere Schichten von Fasern im Wege der Strangextrusion vollumfänglich in eine Polymermatrix einbettet, wie in
Ein weiterer Nachteil solcher extrudierter Verbundmaterialien besteht darin, dass die Lage der Fasern in Bezug auf die äußere Oberfläche nicht genau kontrollierbar ist. Einzelne Fasern können sich also bis an die Oberflächen erstrecken oder sogar daraus herausragen, wo sie bei der Verarbeitung zu Hautirritationen führen. Überstehende Faserenden können abbrechen; Glasfaserabrieb ist lungengängig und daher krebserregend.Another disadvantage of such extruded composites is that the position of the fibers with respect to the outer surface is not precisely controllable. Individual fibers can thus extend to the surfaces or even protrude from where they lead to skin irritation during processing. Protruding fiber ends can break off; Fiberglass abrasion is respirable and therefore carcinogenic.
Während bei Geogittern größere freie Felder zwischen den sich rechtwinklig und/oder diagonal kreuzenden Polymerbänder liegen, damit sie z.B. in der Anwendung als Tragschichtbewehrung fest in den Untergrund eingebunden werden können, werden bei Geotextilien Polymerbänder miteinander verwoben, um so ein feuchtigkeitsdurchlässiges, aber gleichwohl relativ dichtes Gewebe zu schaffen, mit dem z. B. Erdreich an Böschungen zurückgehalten werden kann.While geogrids have larger free fields between the orthogonal and / or diagonal intersecting polymer ribbons to make them e.g. In the application as a base course reinforcement can be firmly embedded in the ground, in geotextiles polymer tapes are woven together, so as to create a moisture-permeable, but nevertheless relatively dense tissue, with the z. B. soil can be retained on embankments.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein für die Herstellung eines Geogitters oder eines Geotextils geeignetes, faserverstärktes Polymerband anzugeben, über das hohe Zugkräfte übertragbar sind und das zugleich flexibel und leicht handhabbar ist. Schließlich sollen bis an die Außenseite durchlaufende oder dort überstehende Verstärkungsfasern vermieden werden.The object of the present invention is therefore to provide a suitable for the production of a geogrid or a geotextile, fiber-reinforced polymer tape over which high tensile forces are transferable and which is also flexible and easy to handle. Finally, to the outside passing or protruding reinforcing fibers should be avoided.
Diese Aufgabe wird durch ein faserverstärktes Polymerband mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Geogitters oder ein Geotextils aus faserverstärkten Polymerbändern mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.This object is achieved by a fiber-reinforced polymer tape having the features of
Das Polymerband nach Anspruch 1 ist aus wenigstens zwei Polymerfolienschichten gebildet, die unter Einschluss wenigstens einer Lage oder eines Bündels von longitudinal ausgerichteter Verstärkungsfasern miteinander zu wenigstens einer Tragschicht verpresst sind.The polymer tape according to
Erfindungswesentlich ist, dass die Polymermatrix, in der die Verstärkungsfasern liegen, nicht durch aufgeschmolzenen Kunststoff erzeugt ist, sondern durch miteinander verpresste Kunststofffolienabschnitte. Die gleichbleibende Schichtdicke der Kunststofffolienabschnitte garantiert, dass zwischen der äußeren Oberfläche der Kunststofffolie und der Tragschicht mit den Verstärkungsfasern eine faserfreie Zone vorliegt. Die Fasern können nicht durch die Kunststofffolie hindurchdurchtreten und damit auch nicht an der Oberfläche des erfindungsgemäßen Polymerbands austreten. Damit sind die erfindungsgemäßen Polymerbänder hautschonend und gesundheitlich unbedenklich.It is essential to the invention that the polymer matrix in which the reinforcing fibers are located is not produced by molten plastic, but is pressed together by compression molding Plastic film sections. The consistent layer thickness of the plastic film sections guarantees that there is a fiber-free zone between the outer surface of the plastic film and the support layer with the reinforcing fibers. The fibers can not pass through the plastic film and thus also do not escape on the surface of the polymer tape according to the invention. Thus, the polymer tapes of the invention are gentle on the skin and safe for health.
In den inneren Kontaktzonen der Kunststofffolien und der Verstärkungsfasern drücken sich die Verstärkungsfasern in die Kunststoffmatrix der Folie ein. Hier erfolgt eine sogenannte lokale Konsolidierung, also eine feste Verbindung der Verstärkungsfasern mit der Kunststoffmatrix. Bei dünnen Lagen von Verstärkungsfasern liegen diese vollständig eingebettet im Kunststoff des oberen Folienabschnitts wie des unteren Folienabschnitts.In the inner contact zones of the plastic films and the reinforcing fibers, the reinforcing fibers press into the plastic matrix of the film. Here is a so-called local consolidation, so a firm connection of the reinforcing fibers with the plastic matrix. For thin layers of reinforcing fibers, these are completely embedded in the plastic of the upper film section as the lower film section.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass an den Seitenkanten Randzonen einfach frei gehalten werden können, so dass erfindungsgemäß auch ein Austritt von Fasern an den Seitenkanten vermieden ist. Dazu brauchen lediglich etwas breitere Folienabschnitte mit einer etwas schmaleren Lage von Verstärkungsfasern kombiniert werden.A further advantage of the invention is that edge zones can simply be kept free on the side edges, so that, according to the invention, fibers are also prevented from escaping at the side edges. For this purpose, only slightly wider film sections need to be combined with a somewhat narrower layer of reinforcing fibers.
Der besondere Vorteil der Erfindung zeigt sich darin, dass zur Erhöhung der Zugfestigkeit die Dicke der Faserpakete bzw. die Anzahl von Lagen mit Verstärkungsfasern erhöht werden kann, ohne die Flexibilität der Polymerbänder zu sehr zu vermindern. Es wird nämlich nur ein bestimmter Anteil der Faserlage lokal in der Kunststoffmatrix konsolidiert. Hingegen dringt der Kunststoff nicht bis in den Kernbereich einer mehrlagigen Faserschicht vor, da er nach der Erfindung eben nicht in schmelzflüssiger Form mit den Fasern verbunden worden ist.The particular advantage of the invention is that in order to increase the tensile strength, the thickness of the fiber packages or the number of layers with reinforcing fibers can be increased without unduly reducing the flexibility of the polymer bands. Namely, only a certain proportion of the fiber layer is consolidated locally in the plastic matrix. On the other hand, the plastic does not penetrate into the core region of a multilayer fiber layer since it has not just been bonded in molten form to the fibers according to the invention.
Verwendet man also Verstärkungsfasern in mehreren Lagen neben- und/oder übereinander und/oder miteinander verdrillt, dann teilt sich der Querschnitt des Polymerbandes wie folgt auf:
- - Im Inneren ist eine Tragschicht ausgebildet, in der die Verstärkungsfasern in einem Kernbereich des Bündels von Verstärkungsfasern frei liegen, also nicht durch ein Polymer gebunden sind, das heißt sie sind nicht konsolidiert und damit begrenzt gegeneinander beweglich;
- - im oberen und unteren Randbereich der Faserlage sind die Verstärkungsfasern jeweils in die Polymermatrix eingebettet, da die Fasern beim Verpressen der Folien in die Folienstruktur eingewalzt worden sind, was als lokale Konsolidierung bezeichnet wird;
- - im Anschluss an die Tragschicht, zur Außenseite hin, besitzt das Polymerband beidseitig eine Deckschicht, die frei von Verstärkungsfasern ist.
- - Inside, a support layer is formed in which the reinforcing fibers are exposed in a core region of the bundle of reinforcing fibers, so are not bound by a polymer, that is they are not consolidated and thus limited to move against each other;
- - In the upper and lower edge region of the fiber layer, the reinforcing fibers are each embedded in the polymer matrix, since the fibers have been rolled in the film structure during the compression of the films, which is referred to as local consolidation;
- - Following the support layer, towards the outside, the polymer tape has on both sides a cover layer, which is free of reinforcing fibers.
Die sogenannten Deckschichten können durch eine äußere Teilschicht einer Mono-Folie gebildet sein. Sie können auch durch eine zusätzliche, nachträglich aufgelegte weitere Polymerfolienschicht gebildet oder verstärkt sein.The so-called cover layers may be formed by an outer sub-layer of a mono-film. They can also be formed or reinforced by an additional, subsequently applied further polymer film layer.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Polymerfolien aus coextrudierten Polymerfolien bestehen, wobei die einen Polymerfolienschichten der Kunststofffolienabschnitte gemeinsam die Tragschicht des Polymerbandes bildet und die jeweils andere Schicht des Coextrudats die nach außen weisende Deckschicht bildet. It is furthermore advantageous if the polymer films consist of coextruded polymer films, one polymer film layer of the plastic film sections together forming the base layer of the polymer strip and the other layer of the coextrudate forming the outwardly facing cover layer.
Vorzugsweise bestehen die Polymerfolienschichten aus Polypropylen. Hierbei wiederum ist es vorteilhaft, wenn die Polymerfolienschichten für die Tragschicht aus niedrigschmelzendem Polypropylen-Copolymer mit einer Schmelztemperatur von 140 °C bis 160 °C und einem MFI von 25 g/10min bis 100 g/10min bestehen und die Polymerfolienschichten für die Deckschichten aus hochschmelzendem Polypropylen-Homopolymer mit einer Schmelztemperatur von 160 °C bis 170°C und einem im Vergleich zum Vorgenannten relativ niedrigen MFI von 0,5 g/10min bis 5 g/10min bestehen.Preferably, the polymer film layers are made of polypropylene. Here again, it is advantageous if the polymer film layers for the support layer made of low-melting polypropylene copolymer with a melting temperature of 140 ° C to 160 ° C and MFI of 25 g / 10min to 100 g / 10min and the polymer film layers for the outer layers of high-melting Polypropylene homopolymer having a melting temperature of 160 ° C to 170 ° C and a comparison with the aforementioned relatively low MFI of 0.5 g / 10min to 5 g / 10min consist.
Als Verstärkungsfasern kommen Glasfasern, Kohlefasern und andere mineralische Fasern in Frage. Bei geeigneten Verstärkungsfasern beträgt der Faserfilament-Durchmesser je nach Garnstärke und Rohstoff beispielsweise zwischen 11 und 17 µm bei einer Fadenfeinheit von 12.000 dtex. Nochmals sei betont, dass keine in Polymer eingebettete Faserabschnitte verarbeitet werden wie bei herkömmlichen GfK-Kunststoffen oftmals üblich, sondern dass die Verstärkungsfasern als Faserstränge vorliegen, die sich über die gesamte Länge des Polymerbands erstrecken. Mehrere längs verlaufende Fasern werden bevorzugt zu sogenannten Faservorlagen oder Rovings gebündelt.As reinforcing fibers are glass fibers, carbon fibers and other mineral fibers in question. In the case of suitable reinforcing fibers, the fiber filament diameter, depending on the yarn thickness and the raw material, is, for example, between 11 and 17 μm at a thread count of 12,000 dtex. Again, it should be emphasized that polymer-embedded fiber sections are not often used as is common in conventional GRP plastics, but that the reinforcing fibers are fiber strands extending the full length of the polymer belt. Several longitudinal fibers are preferably bundled into so-called fiber templates or rovings.
Für die Herstellung des faserverstärkten Polymerbands wird zunächst, wie schon erwähnt, eine Vielzahl von Verstärkungsfasern zu wenigstens einer Faservorlage gebündelt. Zudem werden wenigstens zwei Polymerfolienvorlagen bereitgestellt, die dann zusammen mit der dazwischen liegenden Faservorlage in einen Walzenkalander oder in einen Laminator eingeführt werden. Danach werden alle Vorlagen im Walzenkalander oder dem Laminator zu einem faserverstärkten Polymerhalbzeug verpresst. Indem das Polymerhalbzeugs geschnitten und/oder randseitig besäumt wird, wird wenigstens ein faserverstärktes Polymerband erhalten.For the production of the fiber-reinforced polymer tape, first, as already mentioned, a multiplicity of reinforcing fibers are bundled to form at least one fiber master. In addition, at least two polymer film masters are provided which are then introduced into a roll calender or laminator together with the intervening fibrous master. Thereafter, all templates in the roll calender or the laminator are pressed to form a fiber-reinforced polymer semifinished product. By cutting the polymer semifinished product and / or edge trimming, at least one fiber-reinforced polymer tape is obtained.
Durch die Herstellung der Polymermatrix aus Kunststofffolienstreifen werden neben den beschriebenen Vorteilen am fertigen Produkt, wie insbesondere einer garantierten Freiheit von Faserenden an den Außenseiten auch Vorteile bei der Herstellung erzielt. Die Kosten für eine Extrusionsanlage mit einem speziellen Düsenkopf zur Einführung der Verstärkungsfasern wie sie in
Mehrere in Längs- und in Querrichtung und/oder Diagonalrichtung jeweils parallel und mit seitlichem Abstand zueinander angeordnete Polymerbänder, die an ihren Kreuzungspunkten stoffschlüssig miteinander verschweißt sind, bilden ein verlegefertiges Geogitter aus. Durch die vollständige Umhüllung der Glasfasern mit polyolefinischem Kunststoff, insbesondere Polypropylen, ist eine gute Witterungsbeständigkeit gegeben.A plurality of longitudinally and transversely and / or diagonally parallel and laterally spaced apart polymer bands, which are welded together at their intersection points, form a ready-to-lay geogrid. The complete envelopment of the glass fibers with polyolefinic plastic, in particular polypropylene, a good weather resistance is given.
Ebenso kann durch Weben von Polymerbändern in Kette und Schuss ein Geotextil erhalten werden, das eine gegenüber dem Geogitter dichtere, aber noch wasserdurchlässige Oberfläche besitzt und daher gerade für das Zurückhalten von Erdschichten geeignet ist.Similarly, by weaving polymer tapes into warp and weft, a geotextile can be obtained which has a denser, but still water-permeable surface, as compared to the geogrid, and is thus suitable for retaining earth strata.
Schließlich kann ein aus den erfindungsgemäßen Polymerbändern gebildetes Geogitter oder Geotextil mit wenigstens einer wasserundurchlässigen Kunststoffschicht verbunden werden. Dann dienen die ein- oder auflaminierten Geogitter oder Geotextilien zur Aufnahme der Zugkräfte in diesem Verbund.Finally, a geogrid or geotextile formed from the polymer tapes according to the invention can be bonded to at least one water-impermeable plastic layer. Then the on or laminated geogrids or geotextiles serve to absorb the tensile forces in this composite.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
-
1 ein Polymerband gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung im Schnitt; -
2 ein Polymerband gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung im Schnitt; -
3 eine Anlage zur Herstellung eines Polymerbandes in schematischer seitlicher Ansicht; -
4 ein Halbzeug zur Herstellung eines Polymerbandes im Schnitt und -
5 einen Ausschnitt eines Geogitters in perspektivischer Ansicht.
-
1 a polymer tape according to a first embodiment of the invention in section; -
2 a polymer tape according to a second embodiment of the invention in section; -
3 a plant for producing a polymer strip in a schematic side view; -
4 a semi-finished product for producing a polymer tape in section and -
5 a section of a geogrid in perspective view.
Tatsächlich besitzen die Verstärkungsfasern
Die beiden Kunststofffolien
Die schematische Schnittzeichnung in
Am fertigen Polymerband
In Breitenrichtung ist vorzugsweise vorgesehen, dass beidseitig der zentralen Tragschicht 11, welche die Verstärkungsfasern
Insgesamt umgibt also die Tragschicht
In
Unterschiedlich bei der zweiten Ausführungsform des Polymerbandes
Insbesondere kann vorgesehen sein, die zusätzlichen Polymerschichten
Hingegen bestehen die äußeren Schichten
Der wellenartige Verlauf der Polymerbänder
Außerdem werden Kunststofffolienvorlagen
Um die Verbindung der Folienvorlagen
Unmittelbar nach dem Kalander
Das so erhaltene Halbzeug
Das nach der Kalandrierung erhaltene Halbzeug
Auf diese Weise ist eine wirtschaftliche Fertigung mehrerer Polymerbänder
Um aus diesen Polymerbändern ein Geogitter zu bilden, werden zunächst mehrere Polymerbänder in einer Richtung ausgelegt. In Querrichtung dazu werden weitere Polymerbänder aufgelegt oder untergeschoben, so dass sich eine Gitterstruktur ausbildet. Anschließend werden die in Längs- und in Querrichtung verlaufenden Polymerbänder an den Kreuzungsstellen miteinander verschweißt. Über das erfindungsgemäße Verfahren werden also in kostengünstiger Weise hochfeste und gut handhabbare Geogitter erhalten.In order to form a geogrid from these polymer tapes, first several polymer tapes are laid out in one direction. In the transverse direction to further polymer bands are placed or pushed, so that forms a lattice structure. Subsequently, the longitudinally and transversely extending polymer bands are welded together at the crossing points. High-strength and easy-to-handle geogrids are therefore obtained in a cost-effective manner via the method according to the invention.
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