DE1629461A1

DE1629461A1 - Verfahren zum Herstellen von gegossenen Formkoerpern aus faserverstaerktem Kunststoff

Info

Publication number: DE1629461A1
Application number: DE19661629461
Authority: DE
Inventors: Humphrey Frederick Harold
Original assignee: HUMPHREY FREDERICK HAROLD
Current assignee: HUMPHREY FREDERICK HAROLD
Priority date: 1965-12-06
Filing date: 1966-12-02
Publication date: 1971-01-28
Also published as: GB1159579A; BE690108A; SE314192B; FR1506630A; IL26975A

Description

Frederick Harold Humphrey in Markhamj, Ontario _s Kanada_e

'/erfahren zum Herstellen von gegossenen Formkörpern aus faserver·=

stärktem Kunststoff

Di© Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen won gegossenen Pormkörpern hoher Festigkeit aus faserverstärktem Eianststoff» Hierbei sollen zum Einbringen der Fasern in den Kunststoff das zu gießenden Formkörpers fassrhalfcige Festkörper besonderer Art rer'MQnaet werden.

Es ist bekannt;, Gegenstände aus Kunststoff durch in den Kunst« stoff eingelagerte Fasern;, insbesondere durch Glasfasern zu verstärkeCeHIerfür stehen di© Glasfasern la unterschiedlicher Form, nämlich als lockere Fasermasse, als Faserstränge oder Faserlunten_g als Glasfasergewebe, die auch aus Faserlunten hergestellt sein können, ferner als Faserfilze zur Verfügung., Zur Verstärkung duroh Glasfasern · werden meistens warmhärtende Kunststoff^^lEsbesondere ungesättigte Polyesterharz©a die in flüssigem Zustand mit dea Glasfasern versetzt bzw. auf Glasfasergebilde aufgebracht und in Gußformen unter Einwirkung von Hlt.ze und Druok oder bei normaler Raumtemperatur unter

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dem Einfluß von Katalysatoren und Beschleunigern polymerisiert und gehärtet bzwe verfestigt werden»

Die hierbei entstehenden Erzeugnisse bezeichnet man als Schicht= stoffθο Sie weisen eine erhöhte Festigkeit/der Regel nur in der Läegg. richtung der Glasfasern auf₉ während die Festigkeit quer zum Faserverlauf nicht befriedigend ist. Im übrigen sind die zum. Verstärken von Kunststoffen meistens verwendeten Glasfasergebilde wie Faser-= gewebe und Faserfilze auch nachteilig_s weil es schwierig ist, solche ■ Gebilde unter gleichmäßiger Benetzung der zusammenliegenden feinen Glasfasern mit dem Kunststoff wirksam zu durchtränken=,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde₉ mit elastisch-biegsamen Fasernj insbesondere Glasfasern, verstärkte Formkörper aus Kunststoff zu schaffen₉ bei denen die zur Verstärkung dienenden Fasern völlig ungeordnet₉ willkürlich und ζufallsbedingt in allen möglichen Richtungen liegen^ so daß die nach der Erfindung hergestellten Formkörper eine hohe und gleichförmiges dreidimensionale Festigkeit in allen Sichtungen haben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Herstellung von Formkörpern aus faserverstärktem Kunststoff mit Hilfe von Festkörpern aus biegsam-elastischen Fasern, vorzugsweise Glasfasern, erfolgt, in denen die Fasern elastisch gebogen und in ihrer Lage durch ein Bindemittel gesichert sind, das unter dem Einfluß von flüssigem bzw. heißem Kunststoff seine Bindekraft verliert und die elastisch gebogenen Fasern freigibt, so daß sie sich in irgendwelches? Zufallsbedingte» Stellungen zurüokbiegen können, ehe sich der Kunststoff verfestigt. Das Bindemittel des faserhaltigen Festkörp®rss kann sain® Bindekraft dadurch verlieren, daß es entweder in

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dem flässigen Kunststoff löslich Ist oder unter Einwirkung der Hitze des flüssigen Kunststoffes schnellfoder"anderweitig beeinflußt wird. Die zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung verwendeten faserhaltigen Festkörper werden vorzugsweise so hergestellt» daß die darin befindlichen Fasern, wenn sie von der Haftwirkung des Bindemittels freikommen und sich aus der gekrümmten Lage zurückbiegen, länger sind als die größte Längendimension des Festkörpers, damit die Fasern von zwei in der Gußform nebeneinander liegenden Festkörpern mit ihren Enden ineinander greifen bzw» sich übergreifen können«

Vorzugsweise werden die zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung verwendeten Festkörper derart hergestellt, daß aus einer Vielzahl von elastischen Fasern ein Seilkörper gedreht und zur Festlegung der Fasern in ihren gekrümmten bzw. gebogenen Stellungen mit einem Bindemittel der vorerwähnten Eigenschaften behandelt wird, worauf nach dem Verfestigen des Bindemittels der Seilkörper in eine Vielzahl von kurzen Abschnitten zerteilt wird, die man vor dem' Eingießen des flüssigen Kunststoffes in die Form einbringt.

Das Verfahren nach der Erfindung ist nachstehend auf Grund der anliegenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen Fig. 1 die Art der Herstellung der faserhaltigen Festkörper,

Fig. 2 in größerem Maßstiab einen aus einem Abschnitt des Seilkörpers bestehenden Festkörper in schaubildlicher Ansicht und

Fig. 3-5 schematische Teildarstellungen der Gußform in aufeinanderfolgenden, unterschiedlichen Verfahrensstufen,

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Gemäß Pig» 1 werden zwei oder auch mehr Bündel oder Lunten 10 aus Glasfasern zur Herstellung von faserhaltigen Festkörpern 11 zunächst an der Stelle 12 zu einem nach rechts wandernden Seil 13 zusammengedreht j wobei die einzelnen Fasern dicht zusammenliegen und eine elastische Biegung von schraubenförmigem Verlauf erhalten. Im Unterschied zu Metallen unterliegen die Glasfasern keiner plastischen Deformation₉ wenn sie über die Elastizitätsgrenze hinaus beansprucht werden, sondern sie reißen oder brechen. Infolge ihres sehr kleinen

W Durchmessers können die Glasfasern einer großen elastischen Deformation unterworfen werden, die auch die Herstellung eines derartigen Seils mit starker Drehung ermöglicht. Anstelle von Glasfasern können auch andere Werkstoffe verwendet werden, sofern die Fasern in ähnliche Weise elastisch deformierbar sind.

Bei seiner Herstellung muß das Seil durch ein Bindemittel fixiert werden, damit sich die durch die Drehung in schraubenförmigen Windungen elastisch gekrümmten Fasern nicht wieder auseinander drehen. Hierfür können entweder die Faserbündel 10 schon vor ihrer Zusammen-

. führung an der Stelle 12 oder hinter dieser Stelle das Seil 13 mit einem Bindemittelauftrag versehen werden, der schnell trocknet und beim Trocknen sofort hart wird. Hierfür kann das Seil 13 bei seiner Herstellung z.B_o eine beheizte Trockenkammer 14 durchlaufen. Das Bindemittel muß so beschaffen sein, daß es seine Bindekraft sofort verliert, ViQXiXL es mit flüssigem Kunststoff in Berührung kommt, beispielsweise dadurch, daß es sich in flüssigem Kunststoff löst oder durch Hitzeeinwirkung schmilzt« Diese letzter© Eigenschaft hat beispielsweise Polyäthylen, das als thermoplastisches Bindemittel unter Einwirkung von Hitze rasch erweicht und dann für die elastisch gekrümmten

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Glasfasern keinen Halt mehr vermittelte Als lösliche Bindemittel
kommen Polyesterharze oder Polystyrolnarze in Betracht_a die sich in ungesättigtem flüssigen Polyesterharz lösen» Dabei kann die Löslichkeit des Bindemittels bei ssiner Herstellung durch geeignete Behandlung und Zusätze beeinflußt werdeno

Ist das Seil 13 bei seiner Herstellung auf diese Weise mit einem

/öif-

Biiidemifetel in sich fesfestigt worden» so wird es bei seinem Vorschub -/on einer Schneidvorrichtung 15 in kurze zylindrisch© Stücke sersohnit

Infolge ihrer schraubenförmigen Krümmung sind die in einem derartigen Abschnitt befindlichen Glasfasern stets länger als das abg©» sohnittene Seilstüok» Kommen daher die Pasern von der Haltekraft des Bindemittels frei, s© strecken sie sich infolge ihrar Elastizität auf eine Länge₀ die größer ist als die Länge der abgeschnittenen SeIlstüoke« Natürlich kann die Herstellung der Faserkörper 11 aus den .
Glasfaserbündeln IO entweder in einem Zuge fortlaufend erfolgen₀ wie dies in Fig« 1 dargestellt ist_s oder auch in Stufen« Beispielsweise könnte zunächst nur das mit einem Bindemittel verfestigte .Glasfaserseil hergestellt und aufgewickelt werden₉ ehe es man dann zu anderer Zeit und an anderer Stelle in einzeln® Stücke zersohneideto

Die den Seilstücken innewohnend© mechanische Energie, die aus
der Elastizität der gekrümmten Glasfasern stammt, wird durch das
Bindemittel gespeichert* Verliert daher das Bindemittel seine Halte- kraffej so platzt der Faserkörper auseinander, weil die Fasern be strebt sind; sich zu strecken» Hierbei mischen sie sich dann mit Fa- sern+,νοη anderen benachbarten Seilütüokenc Die einzelnen Fasern nehmen dann irgendwelche willkürlichen Stellungen ein, wi® dies in Fig. 5 angedeutet lst₉ wodurch der faserverstärkte Kunststoff eine sehr gleio*

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mäßige Festigkeit nach allen Richtungen hin erhält. Das Aufspreizen der Fasern und ihre Neigung, sich nach unterschiedlichen Richtungen zu strecken^hängt in g©issem Ausmaß von der Länge und von der Stärke der Drehung der in den Seilstücken befindlichen Fasern ab» So ist das Bestreben der Fasern«, nach unterschiedlichen Richtungen aufzu« spreizeii_D bei kurzen, mit starker Drehung hergestellten Seilstückei? stärker als bei langen und weniger stark gedrehten Seilabschnitteiic Dennoch tritt auch hier eine Verteilung der Fasern nach vielen un=> t©rsohi©allohen Richtungen s^ä^Sr-äastassete- ein, weil die als Seilstüeke hergestellten faserhaltigen Festkörper schon beim Einbringen in die Gußform in vielen unterschiedlichen Stellungen liegen» Beim Aufspreizen der aus /Seilstücken bestehenden Faserkörper dringen die in g-e&aoH Eandzonen befindlichen Pasern in den flüssigen Kunststoff ein» während sich zugleich die Faserkörper bis in den Kern lockern, so daß /die Fae©£4e©3pp@s» von dom flüssigen Kunststoff bis in den Kern wirksam durchtränkt werden.

Die Herstellung von Formkörpern noher Festigkeit aus mit Glasfasern verstärktem Kunststoff kann beispielsweise folgendermaßen sfeattfindens Zunächst wird die Gußform In ausreichender Höhe mit flüssigen^ warrahärtendem Kunststoff gefüllt, vorzugsweise mit flüssigem, ungesättigtem Polyesterharz. Sodann werden die faserhaltigen Festkörper in die Form eingeschüttet, die in dem flüssigen Kunstharz auf den Boden der Gußform niedersinken, weil das spezifische Gewicht von Glas mehr als doppelt so hoch ist wie das von warmhärtendem„ flüssigata Kunststoff und die aus Faserbündeln oder Lunten mit Drehung heygestellten Seilabschnitfc© hlnsiohtllah der Fasern eine hohe Diohte

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aufweisen. Beim Niedersinken in*flüssige»Kunststoff wird das die Fasern fixierende Bindemittel gelöst. Hierdurch kommen die beim Herstellen des Seilkörpers elastisch gebogenen Fasern von der Hai'twirkung des Bindemittels frei, so daß sie sich unter Wirkung ihrer Elastizität aus dem erzwungenen Zusammenhalt lösen und bei ihrer elastischen Entspannung irgendwelche unterschiedlichen und willkürlichen Lagen hinnehmen. Dies ist mit einer entsprechenden Auflockerung des Paserkörpers verbunden. Da die in den flüssige^ Kunststoff eingebrachten faserhaltigen Festkörper beim Niedersinken im Kunststoff f willkürlich ganz unterschiedliche Lagen einnehmen, bilden die benachbarten Faserbündel dann ein Versteifenj3.es Fasergerüst, dessen Fasern sich nach allen unterschiedlichen Richtungen erstrecken. Nach dem Verfestigen des Kunststoffs hat der Formkörper dann nach allen Richtungen in ähnlicher Weise wie Gußstücke aus Metall eine gleichmäßige Festigkeit. Zusätzlich können natürlich auch Kernkörper, Rippen und Ansätze in die Gußformen eingebracht und Löcher, Gewinde od.dergl» eingeformt werden.,

In anderer Weise kann die Herstellung solcher Gußkörper auch so erfolgen, daß zunächst die faserhaltigen Festkörper in die hohle Form eingeschüttet werden, und zwar in solcher Menge, daß der Glasfaseranteil im fertigen Formkörper etwa 20 % beträgt. Anschließend wird dann der flüssige Kunststoff in die Form eingefüllt, der an den faserhaltigen. Festkörpern nach unten sickert und die zwischen ihnen befindliehen Hohlräume ausfüllt«, Beim Herstellen der faserhaltigen Pestkörper kann das Bindemittel so eingestellt werden, daß zum Einbringen des flüssigen Kunststoffs hinreichend Zeit zur Verfügung steht, ehe das die Fasern zusammenhaltende Bindemittel unwirksam wird. Damit im Formkörper keine Hohlräume verblelben₉ kann das Einfüllen des flüs-

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sigen Kunststoffs in die Gußform unter Luftabsaugung bzw. in einer Vakuumkammer erfolgen«.

In abgewandelter Ausführung kann die Herstellung von Formkörpern aus faserverstärktem Kunststoff auch so erfolgen, daß die faserhaltigen Pestkörper mit trockenem Kunststoffpulver gemischt und das Gemisch anschließend in der Gußform erhitzt wird, bis der Kunststoff flüssig· geworden ist und das Bindemittel der faserhaltigen Festkörper löst oder zum Schmelzen bringt»

h Die faserhaltigen Festkörper nach der Erfindung können auch zur Herstellung von Kunststoffrohren hoher Festigkeit verwendet werden= Faserverstärkte Kunststoffrohre werden bisher im Schleuderguß unter Einlagern von ungespannten zerhackten Fasern oder Faserlunten hergestellt. Solche Kunst stoff rohre müssen aber minätssäfiui& einen Mindestdurohmesser von etwa 15 om haben, weil es bei kleineren Durchmessern schwierig ist, Glasfasern an der Innenfläche der umlaufenden Rohrform einzubringen. Dagegen lassen sich die faserhaltigen Festkörper nach der Erfindung pneumatisch, mit Förderschnecken oder Rüttelförderern ohne weiteres in umlaufende Rhhrformen von kleinerem Durchmesser auch dann einbringen, wenn die herzustellenden Rohre eine größere Länge aufweisen» So hat es sich als möglich erwiesen, auf diese Weise faserverstärkte Kunststoffrohre herzustellen, die nur einen Innendurchmesser von etwa 2 cm aufweisen.

Eine besondere Schwierigkeit bei der Verwendung von Glasfasern besteht bisher darin, auch an scharfen Ecken oder Krümmungsstellen 'des Kunststoffkörpers eine wirksame Faserverstärkung zu erhalten. Bei der bisher üblichen Einbringung der Glasfasern in Gestalt von Faserfilzen, Glasfasergeweben oder zerhackten Fasern haben die gera-

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den Fasern keine Neigungen den Bereioh von schärfen Ecken zu gelangen. An solchen Stellen können dann leicht Beschädigungen oder Verziehungen eintreten. Demgegenüber ist es ein weiterer wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß die durch Krümmung und Biegung vorgespannten Glasfasern bei.ihrer elastischen Entspannung auch in scharfe Ecken, Krümmungen, Rippen, Ansätze und Ausnehmungen der Gießform eindringen und den Kunststoff auch in diesen Bereichen wirksam verstärken. Der Anwendungsbereich für faserverstärkte Kunststoffgegenstände wird hierdurch beträchtlich erweitert.

Natürlich kann die nach der vorliegenden Erfindung vorgesehene Art der Herstellung von Gegenständen aus faserverstärkten Kunststoffen auch i mit den bisher üblichen Maßnahmen zur Herstellung solcher Kunststoffe kombiniert werden« Ausführungsbeispiel*

Zur Herstellung einer Hohlkugel aus faserverstärktem Kunststoff wurde eine Schleuderform verwendet, deren Innenfläche der kugligen Außenfläche des herzustellenden Gegenstandes entsprach. Die Schleuderform hatte eine Trennfuge, die gegen Austreten des flüssigen Kunststoffes abgedichtet werden konnte. Die Form wurde in einer Kreiselhalterung derart montiert, daß sie mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten um zwei Achsen in Drehung versetzt werden konnte. 80 Gewichtsteile von flüssigem, ungesättigtem Polyesterharz, das mit einem Katalysator und einem Härtebesohleuniger versetzt war, wurden in die Form eingebracht. An der höchsten Stelle der Form wurden faserhaltige Festkörper der beschriebenen Art aus Glasfasern in- einer Menge angeordnet, die 20 Gewlohtsanteile»entspraoh. Die Schleuderform wurde dann geschlossen und um ihre beiden Achsen in Drehung versetzt, bis

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sioh der Kunststoff verfestigt hatte. Die hierdurch hergestellte Hohlkugel wies über ihre gesamte Wandfläche eine gleichmäßige Faserverstärkung auf.

Bezüglich der faserhaltigen Festkörper soll die Erfindung nicht auf die hier beschriebene und dargestellte Art ihrer Herstellung be schränkt sein» Beispielsweise können solche Festkörper auch dadurch hergestellt werden_ä daß man Glasfasern von bestimmter Länge etwa U-förmig oder V-förmig biegt und in diesem Biegezustand der Fasern einen Festkörper herstellt, in dem die Fasern durch ein Bindemittel derart fixiert sind, daß sie sich bei Freigabe durch das Bindemittel in ihren Ausgangsζustand wieder zurückbiegen.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von gegossenen Formkörpern hoher Festigkeit aus faserverstärktem Kunststoff, bei dem biegsam-elastische Fasern, insbesondere Glasfasern, in Gestalt eines zusammenhängenden Faserkörpers in den flüssigen Kunststoff eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern als faserhaltige Festkörper in den Kunststoff eingebracht werden, in denen die Fasern elastisch gebogen und in ihrer Lage durch ein Bindemittel gesichert sind, das in flüssi- " gern Kunststoff seine Bindekraft verliert»

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die faserhaltigen Festkörper in ein Bad aus flüssigem Kunststoff eingebracht werden«

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die faserhaltigen Festkörper in eine Gießform eingebracht und dann mit flüssigem Kunststoff umgössen werden.

Jj-o Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

( faserhaltigen Festkörper mit trockenem Kunststoffpulver bzw. -granulat gemischt werden und der Kunststoff anschließend durch Erhitzen des Gemisches flüssig gemacht wird.

5· Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus elastischen, gebogenen Fasern bestehenden Faserfestkörper in ihrem Zusammenhalt durch ein in flüssigem Kunststoff sich lösendes Bindemittel gesichert,sind.

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6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekenn-, zeichnet, daß die aus elastischen, gebogenen Pasern bestehenden Festkörper in ihrem Zusammenhalt durch ein in flüssigem Kunststoff durch Hitzeeinwirkung schmelzendes Bindemittel gesichert sind,,

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elastisch-biegsamen Fasern in den faserhaltigen Festkörpern derart gebogen sind, daß sie sich nach dem Freikommen von der Haftwirkung des Bindemittels durch elastisches Zurückbiegen auf eine Länge strecken, die größer als die maximale Längendimension des Festkörpers 1st«

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die faserhaltigen Festkörper durch Abschnitte eines aus Bündeln oder Lunten von biegsam-elastischen Fasern, insbesondere Glasfasern, mit Drehung hergestellten und durch ein Bindemittel verfestigten Seilkörpers gebildet sind.

9« Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus elastischen, gebogenen Fasern hergestellten Festkörper in einer dem anteiligen Fasergehalt des herzustellenden Kunststoffkörpers entsprechenden Anzahl in den Kunststoff derart eingelagert werden, daß sie eine Vielzahl von verschiedenen, nach ihrer Richtung unbestimmten Lagen in der sie umschließenden Kunststoffmasse einnehmen.

10. Faserhaitiger Festkörper zur Ausführung des Verfahrens naol' einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserkörper (11) aus kurzen Abschnittlängen eines Seilkörpers (13) besteht, der durch schraubenförmiges Zusammendrehen von Bündeln oder Lunten (10) aus biegsam-elastischen Fasern, Insbesondere Glas-

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fasern, hergestellt und durch ein In flüssigem Kunststoff sich lösendes oder schmelzendes Bindemittel zusammengehalten ist.

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