DE1753802A1

DE1753802A1 - Verfahren zur herstellung eines verstaerkten kunststoffrohres

Info

Publication number: DE1753802A1
Application number: DE19681753802
Authority: DE
Inventors: Grosh James Luther
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1967-05-01
Filing date: 1968-05-24
Publication date: 1973-05-24
Also published as: DE1753802B2; NO144080B; DE1753802C3; DK139705B; NL134339C; BE715812A; IL29917A0; NO144080C; FR1602408A; US3470917A; NL6807549A; ES354465A1; CH490959A; SU448625A3; DK139705C; GB1214205A; IL29917A

Description

1752802

Faidntanwilte TRofegexe« ip

Dipl. Ing. F. Weickmann, Λ " Jo^ifnichtnerndertwerden

Dipl. Ing H. Welckmann, Dipl. Phys. Dr K.H:;ck)
JHpI Ing F. A. Waickmann, Dipl. Cham H ΙΜιλγ

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UNITED AIRCIlAl-T CORPOJiATION

hoo Main Street, East Hartford, Connecticut, V,St.v,A.

Verfahren zur Herstellung eines vorstärkten Kunststoffrohres

Die Erfindung betrifft oin Verfahren zur Herstellung eines vorstärkten Kuriststoffrohi-ea durch kontinuierliches .Auf~ wickeln von mit Harz imprägnierten Fasern auf einen Dom und durch kontinuierliches Ablaßern von Kornmaterial auf das Pasermaterial zur Erzielung einer mit Harz iniprüfiiiiei·-- ten, aus Faserschichten, die durch Kornmater'ial getrennt sind, bestehenden Rohrwand.

Verstärkte Kunststoffrohre werden normalerweise durch Bildung eines Zylinders aus eij>e;ri geeigneten Fasermatorlal geschaffen, wobei die Fäden auf ο Inen entfor-

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baren Dorn kontinuierlich gewickelt und entweder vor oder nach ihrem Aufwickeln mit einem härtbaren Harz imprägniert und anschliessend gehärtet sowie vom Dorn abgezogen werdan. Durch passende Wahl des Fadenmaterials und des Bindemittels, gewöhnlich Glasfaden und eines Epoxy- oder Polyesterharzes sind feste korrosionsbeständige Rohre herstellbar.

Auf Grund ihrer Hochbelastbarkeit eignen sich Fiberglasfäden zur Herstellung von Rohren, die erheblich inneren Druckbelastungen ausgesetzt werden.In den meisten Anwendungen für Rohre grossen Durchmessers, z.B. Untergrundleitungen, ist dio Dicke der Rohrwand jedoch durch, den Aussendruck und die durch die Erdbelastungen verursachten ungleichmässigen "D"-Belastnngen (siehe ASTM 0-76*63 T) und nicht so sehr durch den Innendruck festgelegt, weshalb Rohre erforderlich sind, deren Wände Dicken aufweisen, welche die normalerweise zum Ausgleich der Innendrucke benötigten Wandstärken erheblich überschreiten. Da die Kosten des Materials für ein durch hohe Aussendrucke ^^! belastbares verstärktes Kunststoffrohr viel höher sind als die Kosten für sonstige in Betracht stehenden Materialion, z.B. für Eisen, Beton oder Stahl, werden normalerweise die letztgenannten Materialien für Rohre grossen Durchmessers verwendet, obgleich die verstärkten Kunststoffrohre tiberlicherweise in physikalischer und chemischer Hinsicht Überlegen sind«

Zur Behebung dieser Nachteile ist es bereits vorgeschlagen WQpden, verstärkte Kunststoffrohre grossen Durchmessers als gestapelte oder "Sandwich"-Anordnungen auszuführen· Eine Anordnung dieser Art besteht aus einem durch eine dünne Schicht aus Fiberglas verstärktem Kunststoff, dbr durch hohe InnondrUcke belastbar ist und aus einer diesen Kunststoff umhüllenden dicken Schicht eines Korninatorinls, wie z.B. Beton, das der Druckbeanspruchung und ^HD"-Belastungen standhält, wobei auf das Kernmatorial wiedorum eino dünne Schicht eines

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verstärkten Kunststoffes aufgewickelt ist. Wenn diese zylindrischen Anordnungen äusseren Belasttmgen ausgesetzt sind, wirkt der Deformation des Querschnittes eine in der Grenzflache zwischen dem Kernmaterial und dem verstärkten Kunststoff auftretende Scherspannung entgegen, die zu einer Schädigung der Anordnung in Dereichen der Bindung zwischen diesen Hatex-ialien führt.

Durch den Vorschlag nach der Erfindung wird ein wenig aufwendiges aus mehreren Komponenten zusammengesetztes verstärktes Kunststoffrohr geschaffen, das ohne Schädigung durch erhebliche üussere Drucke und '^"-Beanspruchungen belastbar ist.

Ganz allgemein betrachtet, schlägt die !Erfindung ein aus mehreren Komponenten zusammengesetztes verstärktes

vor

Kunststoffrohr/ das mehrere Schichten eines hochbelastbaren fadenförmigen Materials aufweist, wobei die jeweils benachbarten Schichten durch ein toilchenfürmig ausgebildetes Material getrennt und die gesamte Anordnung durch ein gehärtetes Harzbinderiittel miteinander verbunden ist. Die relativen nicken der Schichten aus fadenförmigem und teilchenförmig ausgebildetem Material müssen mit äussorstev Sorgfalt gewählt werden, da nämlich eire zu dünne Teilchenschicht eine üborgrosso Piberglatmonge im fertigen Rohr zur Folge hat und eine zu dicke Teilchenschicht innere Sclmbspannungen verursacht, die bei Deformation des Rolires in der Grenzfläche zwischen den Faden und den Teilchen zu Ri ssbildungeii führt. Uutei^snchungen haben geneigt, dass das Verhältnis der Dicke dor To lichen schicht zur Dicke der Fadensehicht T /T., iniior-

V * halb den flrenzon '- und 5° liegen und vorzxigsvoi ;>e etwa

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besonders ausgezeiclmeten Eigenschaften herstellen, wenn in Bereichen hoher Belastung niedere und in Bereichen niederer Belastung hohe Werte für T /T_f gewählt werden.

Die durch "D"-Belastungen erzeugten Spannungen treten in der Wand im wesentlichen zu den zu den Innen- und Aussenflächen benachbarten Bereichen auf. In diesen Bereichen kann als T /T--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 T /T.-Wert im oberen Bereich dieser Skala liegen kann.

Es ist erwünscht, in den Kornschichten eine hohe Pest»- stoffauffüllung 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 abgelagex-t 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 Druckbelastunken standzuhalten und ausreichende Mengen teilchenförmigen Materials zwischen den fadenförmigen Schichten aufweist, um den !Compressions- 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 Bruchbelastungen auftreten, notwendig sein, eine überyrosse Menge fadenförmigen Materials zu verwenden, um ein Kohr zu schaffen, das den Tnnundruclcen standhält.

Fiberglas oi.^net sich aufgrund seiner hohen Belastbarkeit,

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seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften sowie seiner geringen Kosten bevorzugt als fadenförmiges Material, Es sind jedoch auch andere hochbelastbare Fäden, z.B. metallische Drähte oder Fäden und Quarzfäden verwendbar. Die Fäden können als kontinuierliche Fäden oder als kontinuierliches Gewebe, wie z.B. ein gewebtes Fiberglasgewcbe oder ein Gewebe aus geflochtenen Fäden aus-gebildet sein.

Als bevorzugtes teilchenförmiges Material dient Sand, Es können jedoch auch andere Materialien, wie z.B, körniges Harz, kleine hohlkugelige Materialien und Kohlenstoff sowie Graphit verwendet werden. Für Leitungen geringen Gewichts eignen sich Materialien,wie z.B. Glas oder Phenolharz,

Als Bindemittel können sämtliche zur Herstellung von verstärkten Kunststoffgefügen geeignte Bindemittel und zwar bevorzugt Epoxy- und Polyestersysteme verwendet werden.

Gemäss der Erfindung wird obige Aufgabe dadurch gelöst, dass als Kornmaterial Partikel einer ersten Partikelgrösse und Partikel einer zweiten Partikelgrösse verwendet wird, wobei die erste Partikelgrösse grosser ist als die zweite Partikelgrösse, dass die Partikel der ersten Partikelgrösse auf die mit Harz überzogenen Fasern abgelagert werden und dass die Partikel der zweiten Partikelgrösse auf die Fasern und über die Partikel der ersten Partikelgrösse abgelagert werden,

Gemäss einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden als Fasern Glasfasern und ale Partikel Sand verwendet, wobei die mittlere Partikelgrösse der ersten Partikel zwischen 2,38 mm und 1,19 mm und die mittlere Partikelgrösse der zweiten Pax'tikel zwischen o,oo5 mm und o, 1^9 mm liegt.

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Diese und weitere Merkmale sowie die damit verknüpften Vorteile der Erfindung werden nachstehend an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Einzelheiten näher erläutert.

Figur 1 veranschaulicht schematisch die Herstellung eines Rohres gemäss der Erfindung.

Figur 2 zeigt in einer vergrösserten Schnittansicht das Aussehen eines Rohres gemäss der Erfindung«

In. Figur 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-. Patentschrift 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 k hindurchgeleitet und über Abstreifrollen 5 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 Wickelwinckel 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 grosson Wickelwinckel zugeführt, sodass die dem Dorn kontinuierlich zugeführten Fäden im wesentlichen Ringwindungen bilden.

Die in Figur 1 dargestellte Anlage enthält eine Trichter-

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anordnung 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 1o besitzt. Der Abführbea^eich 7 ist vor dem Abführbereich 8 angeordnet. Der Abstand zwischen beiden ist aus Gründen der Klarheit in Figur 1 übertrieben. Vorzugsweise befinden sich die Abführabschnitte 7 und 8 vertikal über der Berührungsstelle zwischen dem Fadenband 2 und dem Dorn 1, sodass aus dem Abführbereich 7 herausgeführte Kornpartikel zuerst auf das auf den Dora 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 worden. Das Band 2 führt genügend Harz mit sich, um die auf diesem Band abgelagerten Partikel festhalten zu können. Die dem Zuführungsbereich 9 zugeführten Partikel sind grosser als jene, die dem Zuführungsbereich 1o zugeführt werden, so dass cuf das Fadenband zuerst die grösseren Partikel abgelagert werden und dass danach iibor diese grossen Partikel und in den Zwischcnräumeii zwischen diesen Partikeln die kleineren Partikel abgelagert werden.

Das vorstehend erläuterte Vorfahren 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 Gleichmässigkoit in der Dicke der Kornschichten sowie eine grössere Festkörperauffüllung erreicht als in dem Fall, dass Partikel beliebiger Grossen oder nur einer einzigen Grosse verwendet werden. V/onn Partikel beliebiger Gross σι vorwendet worden, ist die Dicke der Kornschicht unregoliaässig. Wenn Partikel einei' Grosse verwendet werden, kann zwar die Schichtdicke rcguliort werden, jodoch ist diu Feststoffauffüllung relativ schlecht. Durch Anwendung dc;s vorsingenden Ver-

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fahrens 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 Grossen sind charakteristische Grossen, 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 mm und 1,19 mm und kleine Partikel mit einer Partikelgrösse zwischen o,1^9 "im und o,oo5 mm zu verwenden.

Nachstehend sei Figur 2 betrachtet, in der die Wand eines gemliss der Erfindung horges-tellton -Rohres im Querschnitt gezeigt ist. Es sei bemerkt, dass die Dicke der Korn- und Faserschichten nicht tnass-stäblich gezeichnet ist. Die Innenschicht 2o ist ein Gel-Uberzug, der Tüllgewebe 2.6 enthält, das zunächst um den mit Harz überzogenen Dorn herumgewickelt worden ist. Um eine Längsverstärkung des Rohres zu erzielen, sind über das Tüllgewebe und nahe der AussenflUche des Rohres Schichten aus längsverlaufenden Fasern 21 aufgebracht, wie dies in der Patentanmeldung (US-Patentanmeldung Ser, Nr. 6*11.963) der Anmelderin beschrieben worden ist. Schichten aus ringförmig versetzten Fasern 22 hoher Festigkeit sind durch Partikelschichten 23 , welche vorzugsweise aus grossen Partikeln Zh und kleinen Partikeln 25 bestehen, wobei die Dicke der Partikclschichten im wesentlichen durch die dicken Partikel bestimmt wird. Das gesamte Schichtengebilde wird durch ausgehärtetes Harz zusammengehalten.

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Beispiel

Ein 61 cm lichte Weite und (52,9 om Aussendurchmesser besitzendes Rohr wurde gemäss der Erfindung hergestellt. Zu diesem Zweck wurden Fiberglasfasern und Sand mit einer mittleren Korngrösso von 1,19 mm und o,1^9 nun verwendet. Die Fiberglasschichten waren etwa o,o127 cm dick und die Partikelschichten etwa ο,127 cm. Das fertige Rohr bestand aus etwa 35 $ harz, 15 /& Glas und 5o ^{p Sand; hierbei betrug- der Anteil der feinen Partikel etwa Gewichtsprozent.

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Claims

Patentansprüche

1,!/erfahren zur Herstellung eines verstärkten Kunststoffy ■ rohres durch kontinuierliches Aufwickeln von mit Harz imprägnierten Fasern auf einen Dorn und durch kontinuierliches Ablagern von Kornmaterial auf das Fasermaterial zur Erzielung einer mit Harz imprägnierten, aus Faserschichten, die durch Kornmaterial getrennt sind, bestehenden Rohrwand, dadurch gekennzeichnet, dass als Kornmaterial Partikel (24) einer ersten Partikelgrösse und Partikel (25) einer zweiten Partikelgrösse verwendet wird, wobei die erste Partikelgrösse grosser ist als die zweite Partikelgrösse, dass die Partikeln (24) der ersten Partikelgrösse auf die mit Harz überzogenen Fasern (22) abgelagert werden und dass die Partikeln (25) der zweiten Partikelgrösse auf die Fasern (22) und über die Partikeln (24) der ersten Partikelgrösse abgelagert werden.

2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Partikel (24) der ersten Partikelgrösse Partikel mit einer mittleren Grosse zwischen 2,38 mm und 1,19 mm und als Partikel (25) der zweiten Partikelgrösse Partikel mit einer mittleren Partikelgrösse zwischen o,oo5 nun und o,149 mm verwendet v/erden.

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Fasern (22) Glasfasern und als Partikel (24, 25) Sandkörner verwendet werden.

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