DE1753803A1

DE1753803A1 - Verfahren zur herstellung eines verstaerkten kunststoffrohres

Info

Publication number: DE1753803A1
Application number: DE19681753803
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: DE1760479C3; DE1753801A1; DE1753803B2; DE1753803C3; DE1760479A1; DE1760479B2

Description

-ψ. !n^.H.Weickmann.Dipl.Phys.nr KJ:; ir j

Μφί. ing. F. A. Weickmann, Dipl. Chem. U. Huh.->.r

B München 27, Möhlstr. 22

UNITED AIRCRAFT CORPORATION,

4oo Main Street, East Hartford, Connecticut, V.St.v.A,

Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Kunststoffrohres

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Kunststoffrohres bestehend aus mehreren unterschiedlichen in einer Ilarzmatrlx eingebetteten Schichten aufgebauten Wandung.

Bei der Herstellung von Rohren, Leitungen und anderen Hohlkörpern werden in zunehmendem Umfang Vex'fahren

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angewendet, wie sie beispielsweise in der US-Patentschrift Nr. 3.'»83,896 näher beschrieben sind und mit deren Hilfe aus Fäden bzw. Fasern die jeweils gewünschten Hohlkörper gewickelt werden· Dort sind insbesondere ein aus einer Anzahl von Schichten bestehendes verstärktes Plastikrohr, das sowohl inneren als auch äusseren Spannungsbeanspruchungen zu widerstehen vermag, und Verfahren zur Herstellung eines derartigen Rohres beschrieben. Das verstärkte Plastikrohr besteht aus einer Vielzahl von Schichten aus hochfestem faserförmigen Material, wobei aufeinanderfolgende Schichten jeweils durch eine Schicht aus einem körnigen Material getrennt sind. Das gesamte Schichtengebilde ist in sich durch einen aushärtbaren Harzkleber verklebt·

Die oben aufgezeigte Aufgabe wird, allgemeiner gesagt, durch Aufwickeln von mit Harz überzogenen Fäden oder Fasern hoher Zugfestigkeit auf einen Dorn, Aushärten des Harzes und Abnehmen des Domes erfüllt. Ein so hergestellter Körper zeichnet sich durch hohe Ringfestigkeit bei relativ geringer Durchbiegungs- oder Längsfestigkeit aus. Zur Erhöhung der Durchbiege- und Längsfestigkeit sind bereits verschiedene Verfahren angewandt worden; gemäss diesen Verfahren erfolgt ein Umwickeln eines Dorne3 mit gewebton Stoffbahnen hoher Zugfestigkeit, das Auflegen längsorientierter Fäden hoher Festigkeit entweder in Form von Einzelfäden oder in Form von Stoffbahnen in Längsrichtung dos Dorne3 sowie die Aufnahme von zerstückelten, in ihrer Lage zufall<3-mäseig orientierten Fäden in dem Körper und eine achraubenlinienförmige anstatt eine ringförmige Aufwickelung der Fäden. Die Verstärkung mittels gewebter Stoffbahnen ist ziemlich teuer und unwirtschaftlich,* da sowohl die Längs- als auch die Itingfestigkeit erhöht wird, obwohl nur eine Erhöhung der Längsfestigkeit erforderlich ist· Die Verwendung von längsverlaufenden verstärkten Fasern oder von Fadenstreifen führt zwar zu einem guton Erzeugnis, macht jedoch die Herstellung noch komplizierter

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und teurer. Die Verwendung von gestückelten Vorgarnen ist unwirtschaftlich und sehr teuer; die Anwendung von Verfahren zur echraubenlinienförmigen Aufwicklung erfordert eine unwirtschaftliche Endausrichtung des Erzeugnisses.

Es ist bisher kein Verstärkungsmaterial bekannt geworden, das in solcher Form hergestellt werden kann, dass es bei Anwendung in einem kontinuierlichen Aufwickelverfahren zu einer Längsverstärkung eines Plastikkörpers führt. Bahnen aus verstärktem Gewebe mit z.B. definierter Breite und Länge werden in einem nicht kontinuierlich ablaufenden Beschichtungsvorgang aufgebracht.

Für die Herstellung eines ständig laufenden Herstellungsverfahrens ist es eine Grundvoraussetzung, dass stets auf einen Dorn ein Band aufgewickelt werden kann. Für die wirksamste und wirtschaftlichste Ausnutzung des Bandmaterials im Hinblick auf die Erzielung einer Längsverstärkung eines Plastikkürpers sollte das Band eine einseitige Festigkeit quer zur Bandlängsrichtung besitzen. Ist die Querzugspannung zumindest um zwei Grössenordnungen höher als die Längszugspannung, so führt die Umwickelung eines riastikkörpers mit diesem Band dazu, dass bei diesem Körper lediglich eine Längsverstärkung erreicht wird. Es gibt jedoch bis jetzt kein Band mit den gewünschten Festigkeitseigenschaften in einer Richtung«

Es wurde gemäss einem Vorschlag der Anmelderin in der Patentanmeldung P 17 60 k79 »k-26 ein Verfahren und eine Maschine zur Herstellung eines Bandes in Betracht gezogen, gcinäss dem mit einem Klebinittel überzogene Heftfäden auf gegenüberliegende Seiten eines endlosen Riemens aufgebracht werden, wobei Fäden hoher Festigkeit um den Riemen herum und über die Heftfäden herumgewickelt und mit diesen verklebt werden. Der so gebildete Körper wird dann in Längsrichtung geschlitzt und von den umlaufenden Riemen getrennt. Auf diese Weise ist ein Band mit einer relativ hohen Festigkeit quer zu seiner Längsrichtung erzielt. Dieses Band besteht aus einer Vielzahl von in

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Längsrichtung parallel verlaufenden Fäden mit einer Vielzahl von daran angeklebten, quer verlaufenden ■ Parallelfäden mit relativ hoher Zugfestigkeit. Mit dem hier gebrauchten Ausdruck "Band" ist ein längliches schmales Material definierter Breite aber unbestimmter Länge bezeichnet, wobei diese Länge die Breite erheblich Übersteigt. Das betreffende Band ist wesentlich billiger als Gewebe oder Padenbahnen, besitzt eine genügende Festigkeit nur in der an sich gewünschten Richtung, lässt eine wirksame und wirtschaftliche Ausnützung des Bandmaterials zu und vereinfacht stark das llerstellverfahren,

Üie Erfindung zielt darauf ab, ein solches Band für die Herstellung eines verstärkten Plastikrohres zu verwenden· . . - , .

Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass vor dem Aushärten des Harzes ein Faden- bzw· Faserband mit einer Querzugfestigkeit, die mindestens zwei Grösaenordnungen höher als seine Längs Zugfestigkeit, ist, in sich überlappenden Windungen in die Vandung gewickelt wird und duss nach Aufbringen sämtlicher die V/andung bildenden Schichten das Harz ausgehärtet wird.

Es ist vorteilhaft bei Rohrwandungen erheblicher Dicke das mit Querfasern verstärkte Band nahe der Innen- und Aussenflache der Wandung anzuordnen. Auch kann es zweckdienlich sein, zwischen Faserschichten hoher,Zugfestigkeit ein Kornmaterial einzulagern.

^e und weitere Merkmale sowie die damit verknüpfton Vorteile dor Erfindung werden nachstehend an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Einzeleinheiten näher erläutert.

Figur 1 zeigt in einer Draufsicht einen Teil eines erfin dungsgeniäss benützten Bandes.

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Figur 2 zeigt eine vergrösserte Seitonschnittanaicht •eines Teiles des in Figur 1 dargestellten Bandes,

Figur 3 zeigt in einer vergrösserten Vorderansicht einen Teil des in Figur 1 dargestellten Bandes.

Figur h veranschaulicht die Herstellung eines Rohres gemäss der Erfindung.

Figur 5 zeigt einen Wandungsausschnitt eines gemäss der Erfindung hergestellten Rohres im Querschnitt.

Figur 6 zeigt einen Wandungsausschnitt einer anderen Ausführungsform eines gemäss der Erfindung hergestellten liohros im Querschnitt.

Im folgenden soll da3 in den Figuren 1-3 dargestellte erfindungsgemäss henützte Band näher betrachtet werden. Dieses Band 1 besteht aus einer Vielzahl von parallel in Längsz'ichtung verlaufenden Heftfäden 2 mit einer Vielzahl von daran mittels eines Klobmittels ho angeklebten, eine hohe Festigkeit besitzenden querverlaufenden Fäden '}.

Wie insbesondere aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist, bestehen die Querfäden 3 jeweils aus einem Band mit einer Vielzahl von Einzelfäden h.

Bevor die in den Zeichnungen dargestellten Einzelheiten weiter betrachtet weitlen, sei zunächst auf folgendes hingewiesen. Mit den hier gebrauchten Ausdrucken "Einzel-Endfaden" und "Vielfach-Endfaden" sind, wie auf diesem Gebiet an sich üblich, Fäden bezeichnet, die Jeweils eine Vielzahl von Einzelfäden enthalten. Ein "Einzel-Endfaden" ist ein Faden, der eine Violzahl von Einzelfäden enthält, die bei der Herstellung von einer Einführungsdüse aufgenommen sind; demgegenüber enthalten "Vielfach-Endfäden" oder "Vorgarne" jeweils eine Vielzahl von Einzelfäden, die von einer Vielzahl von Einführungsdüsen aufgenommen sind.

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Mit dem hier gebrauchten Ausdruck "Fadenband" ist ein Gebilde bezeichnet, das eine Vielzahl von im wesentlichen parallelen Einzelfäden, u.zw. Einzel-Endfäden und Vielfach-Endfäden, sowie eine Vielzahl von im wesentlichen parallel versponnene Einzelfäden enthält.

Die Aufgabe der Heftfäden 2 besteht lediglich darin, die Querfäden 3 zu tragen, ohne zur Festigkeit des Bndproduktes beizutragen« Demgeraäss können die Fäden aus irgendwelchen Fasern bzw« Fäden bestehen, wie z, B, aus Baumwolle, Nylon, Glas oder Rayon· Die Anzahl der verwendeten Fäden wird vorzugsweise so gering gehalten, wie dies im Hinblick auf eine geeignete Unterstützung der Querfäden möglich ist. Die betreffende Anzahl hängt von der Gesrjntbreite des Bandes ab; sie kann zwischen 2 und 1o liegen, wobei h in den weisten Fällen ausreicht· Die Querfäden können aus irgendeinem Material hoher Zugfestigkeit bestehen, wie aus Glasfasern, Metalldrähten oder -fäden, oder aus Fäden aus synthetischen Materialien, wie Nylon, Rayon oder Acrylpolymeren. Glasfasern stellen das bevorzugte Material dar, u.zw. aufgrund ihrer hohen Festigkeit, universellen Verwendbarkeit und grosser Korrosionsbeständigkeit.

Es sei nochmals bemerkt, dass die Aufgabe der längsvorlaufenden Heftfäden 2 an sich lediglich darin besteht, die Querfäden 3 in geeigneter Lage zu halten, und nicht zum Beitragen der strukturellen Ringfostigkeit in aus mittels eines solchen Bandes hergestellten verstärkten Plastikkörporn, Demgetnäss ist die Gesaratzahl an Querfäden wesentlich höher als die Anzahl an Längefäden· Dabei besitzt ein Längsbereich dieses Bandes,dessen Länge gleich der Breite des Bandes ist, eine 4}uerzugfestigkeit, die wesentlich grosser ist, d.h. zumindest um zwei Grössenordnungcn höher, als die entsprechende Längszugfestigkeit· Wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann die LängeZugfestigkeit beim Entwurf eines Rohres genäss der Erfindung unberücksichtigt bleiben.

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Ein geinäss dei* Erfindung benutztes Band ist 19 cm breit, enthält drei Heftfaden 2, deren jeder einen Einzel-Endglasfaden aus etwa 12o Einzclfasern enthält, und etwa drei querverlaufende Vielfach-Endglasfäden pro Zentimeter» Jeder Vielfach-Endfaden enthält etwa 2ooo Einzelfäden. Die Querzugfostigkoit eines 19cm langen Bandes ist über 3oo mal höher als die I-ängszugf estigkeit dieses Bandes, Dieses Verhältnis könnte weiter erhöht werden, indem dünnere oder eine geringere Zahl von Heftfaden der Glasheftfäden oder anstelle von Glasheftfäden, Baumwollfäden verwendet worden» Wenn z.B. Baumwolle verwendet wird, kann die Querzugfestigkeit über 1oo mal grosser sein als die LängsZugfestigkeit.

Das erf indungsgetnäss benützte Band kann in verschiedenen Breiten hei-geste3.lt werden, jedoch wird die Breite des Bandes so gewählt, dass dieses bei dem weiter unten näher beschriebenen Wickelverfahren verwendet werden kann. Dieses Band dient zur Herstellung längsverstäi'kter Plastikrohre, Derartige Rohre besitzen dann jeweils ein WandungPgebilde aus ringförmig verlaufenden Fäden hoher Zugfestigkeit, wie Glas- oder Metallfäden oder verschiedene synthetische Fasern hoher Zugfestigkeit, wie z.B. aus Nylon, die in an sich bekannter Weise, durch ein ausgehärtetes Harz, wie z.B. durch Polyester oder Eiioxy-harz, verklebt sind. In dem Wandung3gebilde kann, wie dies oben bereits angedeutet worden ist und wie dies an anderer Stelle ausführlicher beschrieben ist, auch Kornmatorial eingelagert sein.

Vie in Figur 4 schematisch dargestellt, kanu das verstärkte Plastikrohr dadurch hergestellt werden, dass ein ε*ich drehender Dorn 5o mit einem Gel-Überzug eines Harzes 51 überzogen wird und dann mit einem TülJ.gewobe T>2. Ein Querfäden enthaltendes kontinuierliches Hand 53 wird dann um den Dorn derart herumgewickelt, das» aufeinanderfolgende Windungen sich zum Toil überlappen und von dem Harz des Gel-Uberzuges durchtränkt worden» AnschIi οκμοιμΙ werden i«it Harz überzogene Fasern hoher Festigkeit, wio Glar.fasorn %h ,

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entlang des Domes um das Schichtgebilde herumgewickelt, bis die gewünschte Wandungsdicke des herzustellenden Rohres erreicht ist· In Abhängigkeit von dem Verwendungszweck des herzustellenden Rohres kann, wie oben bereits erwähnt, über die Pasern Kornmaterial aufgebracht werden. Darüber wird dann nahe der Aussenfläche des Rohres eine weitere Schicht eines querverstärkten, sich beim Auf-· wickeln zum Teil Überlappenden Bandes aufgebracht* Im allgemeinen befindet sich auf der Vickeloberflache genügend Harz, um das Band zu durchtränken; es ist jedoch auch möglich, das- Band zusätzlich mit Harz zu überziehen. Auf diese Schicht kann dann eine weitere Schicht aus Ringfasern und -partikeln aufgebracht werden· Das Harz wird dann ausgehärtet und das Rohr wird anschliessend von dem Dorn abgezogen· Den Wandungeaufbau von gemäss der Erfindung hergestellten Rohren zeigen die Figuren 5 und 6; dabei ist der Abstand zwischen den verschiedenen Elementen der Klarheit wegen übertrieben dargestellt·

Im folgenden soll der Aufbau der Rohrwandung eines Rohres näher betrachtet werden· Die Wandung besteht aus einer Innenschicht, die durch einen Gel-Überzug aus einem Harz 51 gebildet ist, aus einer darüber liegenden Schicht aus Tüllgevebe 52,einer darüber liegenden Schicht eines querverstärkten Bandes 53» das sich zum Teil überlappt, gefolgt von wechselnden Schichten aus ringförmig gewickelten Fäden 5h hoher Zugfestigkeit und aus Partikeln 55i Darauf folgt eine weitere Schicht 53 eines sich teilweise überlappenden querverstärkten Bandes· Schliesslich folgen eine Schicht aus ringförmig gewickelten Fasern 5h und eine Schicht aus Partikeln 55· Das gesamte Gebilde ist in sich durch das ausgehärtete Harz verklebt, das um die verschiedenen Schichten herum, zwischen diesen und in dioaen verteilt ist. Dieses Harz ist der Klarheit wegen nicht schraffiert dargestellt. Die in Figur 5 dargestellte Rohrwandung besitzt eine erhebliche Dicke; bei dein diese Rohrwandung besitzenden Rohr auftretende Längsbiegespannungen konzentrioron sich auf die Innen- und Auoseii-

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oberflächen der Rohrw_nndung, Zum Zwecke maxima.Xer Beanspruchung des mit Querfasorn verstärkten Bandes sollten die Bandschichten 53 nahe der Innen- und Aussenfläche und nicht in der Mitte der Wandung- angeordnet sein,

Figur 6 zeigt ein relativ dünn ummanteltes Rohr mit einem Harzgefüge 6o, das Schichten aus Ringfasern 5^· und überlappte Querbänder 53 miteinander verklebt. In der Rohrwandung kann hierbei eine Schicht eines Bandes vorgesehen sein»

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Claims

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P a t e η t ans prüch e

Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Kunststoffrohres bestehend aus einer aus mehreren unterschiedlichen in einer Harzmatrix eingebetteten Schichten aufgebauten Wandung, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aushärten des Harzes (51) ein Faden- bzw. Faserband (53) mit einer Querzugfostigkeit, die mindestens zwei Grüssenordnungen höher als seine Längszugfestigkoit ist, in sich überlappenden Windungen in die Wandung gewickelt wird und dass nach Aufbringen sämtlicher die Wandung bildenden Schichten (51» 5%t 53» 5^» 55) ^das Harz ausgehärtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht des Bandes (53) nahe der Kohrinnenfliiche und eine weitere Schicht dieses Bandes (53) nahe der Rohraussenf lache gewickelt wird.
3. Vex-fahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dorn (5o) vor der Umwlckelung mit dem Band (53) mit einem nicht ausgehärteten Harz (51) überzogen wird, dass um den Dorn (5o) und über das Band (53) Schichten aus mit Harz überzogenen Fasern (5*0 hoher Zugfestigkeit aufgewickelt werden und dass über die Faserschichten (5*0 eine Schicht des Bandes (53) in sich zum Teil überlappenden Windungen gewickelt und das Harz (51) ausgehärtet wird*

k. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekonnzeicluiet, dass zusätzlich zwischen den aus Fasern hoher Zugfestigkeit bestehenden Schichten (5*0 ein Kornmaterial (55) eingelagert wird, dass zumindest eine Schicht (5*0 mit Harz überzogener Fasern um die letzte Schicht des Bandes (53) herumgewickelt wird, und dass eine Schicht aus einem Korjimaterial (55) über die zuletzt genannte Faserschicht aufgebracht wird.

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