DE19835727A1 - Verbundelemente - Google Patents

Abstract

Verbundelemente, die folgende Schichtstruktur aufweisen: DOLLAR A (i) 2 bis 20 mm Metall, DOLLAR A (ii) 10 bis 100 mm mindestens eines Kunststoffes, das in flüssigem Zustand zwischen (i) und (iii) eingebracht wird und während und/oder nach dem Einbringen zwischen (i) und (iii) aushärtet und an die Oberflächen von (i) und (iii), mit denen (ii) in Kontakt steht, bindet, wobei (ii) kein Polyisocyanat-Polyadditionsprodukt darstellt, DOLLAR A (iii) 2 bis 20 mm Metall.

Description

Die Erfindung betrifft Verbundelemente, die folgende Schichts­ truktur aufweisen:

• (i) 2 bis 20 mm, bevorzugt 5 bis 20 mm, besonders bevorzugt 5 bis 10 mm Metall,
• (ii) 10 bis 100 mm mindestens eines, bevorzugt kompakten, d. h. eines nicht zelligen, Kunststoffes, der in flüssigem Zustand zwischen (i) und (iii) eingebracht wird und während und/oder nach dem Einbringen zwischen (i) und (iii) aushärtet und an die Oberflächen von (i) und (iii), mit denen (ii) in Kontakt steht, bindet, wobei (ii) kein polyisocyanat-Polyadditions­ produkt darstellt,
• (iii) 2 bis 20 mm, bevorzugt 5 bis 20 mm, besonders bevorzugt 5 bis 10 mm Metall.

Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung dieser Verbundelemente, Verfahren zu deren Herstellung und Schiffe oder Brücken enthaltend solche Verbundelemente.

Für Konstruktion von Schiffen, beispielsweise Schiffsrümpfen und Laderaumabdeckungen, Brücken oder Hochhäusern müssen Konstruk­ tionsteile verwendet werden, die erheblichen Belastungen durch äußere Kräfte standhalten können. Derartige Konstruktionsteile bestehen aufgrund dieser Anforderungen üblicherweise aus Metall­ platten oder Metallträgern, die durch eine entsprechende Geo­ metrie oder geeignete Verstrebungen verstärkt sind. So bestehen Schiffsrümpfe von Tankschiffen aufgrund von erhöhten Sicherheits­ normen üblicherweise aus einem inneren und einem äußeren Rumpf, wobei nieder Rumpf aus 15 mm dicken Stahlplatten, die durch ca. 2 m lange Stahlverstrebungen miteinander verbunden sind, auf­ gebaut ist. Da diese Stahlplatten erheblichen Kräften ausgesetzt sind, werden sowohl die äußere, als auch die innere Stahlhülle durch aufgeschweißte Verstärkungselemente versteift. Nachteilig an diesen klassischen Konstruktionsteilen wirken sich sowohl die erheblichen Mengen an Stahl aus, die benötigt werden, als auch die zeit- und arbeitsintensive Herstellung. Zudem weisen der­ artige Konstruktionsteile ein erhebliches Gewicht auf, wodurch sich eine geringere Tonnage der Schiffe und ein erhöhter Treib­ stoffbedarf ergibt. Zusätzlich sind solche klassischen Konstruk­ tionselemente auf der Basis von Stahl sehr pflegeintensiv, da sowohl die äußeren Oberfläche, als auch die Oberflächen der Stahlteile zwischen der äußeren und inneren Hülle regelmäßig gegen Korrosion geschützt werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, Konstruktionsteile zu entwickeln, die großen Belastungen durch äußere Kräfte standhalten und beispielsweise im Schiff-, Brücken- oder Hochhausbau Verwendung finden können. Die zu entwickelnden Konstruktionsteile, auch Verbundelemente genannt, sollen als Ersatz für bekannte Stahlkonstruktionen dienen und insbesondere Vorteile hinsichtlich Gewicht, Herstellprozeß und Wartungsinten­ sität aufweisen. Insbesondere sollten die Verbundelemente mit großen Abmessungen einfach und schnell herzustellen sein und zudem durch eine verbesserte Stabilität gegen Hydrolyse im Schiffbau verwendbar sein.

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß durch die eingangs beschrie­ benen Verbundelemente gelöst.

Als Kunststoffschicht (ii), die zwischen den Metallschichten (i) und (iii) haftend angeordnet ist, können allgemein bekannte Kunststoffe bzw. Kunststoffsysteme verwendet werden, die in flüssigem Zustand zwischen die Schichten (i) und (iii) einge­ bracht werden können und anschließend zwischen diesen Schichten (i) und (iii) härten. Bevorzugt können als Kunststoffe für die Schicht (ii) Polyacrylate, Polymethacrylate, gegebenenfalls mit Styrol modifizierte oder unmodifizierte ungesättigte Polyester­ harze, Epoxidharze und phenol-Formaldehydharze einsetzt werden. Diese Kunststoffe, ihre Ausgangsstoffe und Herstellverfahren sind dem Fachmann aus der Fachliteratur allgemein bekannt. Besonders bevorzugt setzt man Kunststoffe, ein, deren Rohstoffe in flüssi­ ger Form vorliegen und die nach dem Vermischen zu den geeigneten Kunststoffen (ii) reagieren.

Beispielsweise kann man zur Herstellung z. B. der Polyacrylate und/oder -methacrylate die üblichen und aus der Fachliteratur allgemein bekannten Ausgangsstoffe einsetzen wie z. B. die Mono­ meren Methylacrylat, Methylmethacrylat, Ethylacrylat, Ethylmeth­ acrylat, Propylacrylat, Propylmethacrylat, Hydroxypropylacrylat, Hydroxypropylmethacrylat, Butandioldimethacrylat und/oder weitere übliche Monomeren, z. B. solchen der allgemeinen Strukturformel CR2=CRCOOR mit gleichen oder verschiedenen, verzweigten oder unverzweigten Alkylresten, aromatischen, cycloaliphatischen oder araliphatischen Resten als R, die üblicherweise 1 bis 10 Kohlen­ stoffatome aufweisen. Die Monomeren werden einzeln oder in Gemischen bevorzugt kurz vor dem Eintrag zwischen (i) und (iii) durch die Reaktion der Rohstoffe durch allgemein bekannte Ver­ fahren gestartet, beispielsweise durch übliche Initiatoren, wie z. B. Dibenzoylperoxid und/oder andere Peroxide sowie Azoiso­ buttersäuredinitril (AIBN), Wärme oder Strahlung, bevorzugt durch Initiatoren.

Ungesättigte Polyesterharze basieren üblicherweise auf einer ungesättigten Carbonsäure, wie z. B. Maleinsäure, in Verbindung mit bekannten gesättigten Carbonsäuren, wie z. B. Phthalsäure, die üblicherweise mit einfachen Alkoholen, wie z. B. Ethylenglykol, Propylenglykol oder Butandiol, umgesetzt und im allgemeinen in Gemischen mit monomerem Styrol bevorzugt kurz vor dem Eintrag zwischen (i) und (iii) durch die Reaktion der Rohstoffe durch allgemein bekannte Verfahren gestartet werden, beispielsweise durch übliche Initiatoren, wie z. B. Dibenzoylperoxid und andere Peroxide sowie Azoisobuttersäuredinitril (AIBN), Wärme oder Strahlung, bevorzugt durch Initiatoren.

Die Epoxidharze basieren üblicherweise auf Bisphenol-A, können aber auch bekannte reaktive Bestandteile, wie z. B. Butylenglykol­ diglycidether, Bisphenol-F, Epoxynovolak, enthalten. Die Epoxid­ harze werden bevorzugt kurz vor dem Eintrag zwischen (i) und (iii) durch die Reaktion der Rohstoffe durch allgemein bekannte Verfahren gestartet, beispielsweise durch die Reaktion mit ge­ bräuchlichen aliphatischen, cycloaliphatischen und aromatischen Aminen oder mit Polycarbonsäureanhydriden, wie z. B. Phthalsäure­ anhydrid, Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid, Methylnadicsäure­ anhydrid oder Hexahydrophthalsäureanhydrid.

Phenol-Formaldehyd-Harze werden üblicherweise durch den Eintrag von Vorkondensaten, wie Novolake und Resole, zwischen (i) und (iii) angewandt und durch die anschließende Behandlung mit Wärme polykondensiert.

Erfindungswesentlich ist die Tatsache, daß die Kunststoffe (ii) in flüssiger Form bei der Herstellung der Verbundelemente ein­ gesetzt werden können und erst während und/oder nach der Ver­ arbeitung aushärten und an (i) und (iii) binden. Bevorzugt werden entsprechend flüssige Rohstoffe und/oder flüssige Vorprodukte der Kunststoffe bei der Herstellung der Verbundelemente eingesetzt, die erst während und/oder nach dem Einbringen zwischen die Schichten (i) und (iii) ausreagieren bzw. aushärten. Eine solche Verarbeitung ist beispielsweise mit gängigen, ausreagierten thermoplastischen Kunststoffen erschwert, da die Schmelze dieser thermoplastischen Kunststoffe aufgrund der hohen Wärmekapazität der Schichten (i) und (iii) sehr schnell abkühlt und somit erstarrt, bevor ein vollständige Befüllung erfolgen kann.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundelemente kann man derart durchführen, daß man die Ausgangssubstanzen und/oder Vorprodukte der Kunststoffe in flüssigem Zustand in den Raum zwischen den Schichten (i) und (iii) einfüllt und den Kunststoff anschließend ausreagieren bzw. aushärten läßt.

Bevorzugt kann man die Oberflächen von (i) und/oder (iii), an die (ii) nach der Herstellung der Verbundelemente haftet, mit Sand bestrahlen. Dieses Sandstrahlen kann nach üblichen Verfahren er­ folgen. Beispielsweise kann man die Oberflächen unter hohem Druck mit üblichem Sand bestrahlen und damit beispielsweise reinigen und Aufrauhen. Geeignete Apparaturen für eine solche Behandlung sind kommerziell erhältlich.

Durch diese Behandlung der Oberflächen von (i) und (iii), die nach der Herstellung der Verbundelemente in Kontakt mit (ii) stehen, führt zu einer deutlich verbesserten Haftung von (ii) an (i) und (iii). Das Sandstrahlen wird bevorzugt direkt vor der Einbringung der Komponenten zur Herstellung von (ii) in den Raum zwischen (i) und (iii) durchgeführt.

Nach der bevorzugten Behandlung der Oberflächen von (i) und (iii) werden diese Schichten in geeigneter Anordnung, beispielsweise parallel zueinander, fixiert. Der Abstand wird üblicherweise so gewählt, daß der Raum zwischen (i) und (iii) eine Dicke von 10 bis 100 mm aufweist. Die Fixierung von (i) und (iii) kann beispielsweise durch Abstandshalter erfolgen. Die Ränder des Zwischenraumes können bevorzugt derart abgedichtet werden, daß der Raum zwischen (i) und (iii) zwar mit (ii) gefüllt werden kann, ein Herausfließen dieser Komponente aber verhindert wird. Das Abdichten kann mit üblichen Kunststoff- oder Metallfolien und/oder Metallplatten, die auch als Abstandshalter dienen können, erfolgen.

Die Schichten (i) und (iii) können bevorzugt als übliche Metall­ platten, beispielsweise Stahlplatten, mit den erfindungsgemäßen Dicken eingesetzt werden.

Das Befüllen des Raumes zwischen (i) und (iii) kann sowohl in vertikaler Ausrichtung von (i) und (iii), als auch in horizontaler Ausrichtung von (i) und (iii) erfolgen.

Das Befüllen des Raumes zwischen (i) und (iii) mit den Kunst­ stoffen (ii) kann mit üblichen Fördereinrichtungen, bevorzugt kontinuierlich, durchgeführt werden, beispielsweise mit Hoch- und Niederdruckmaschinen.

Die Förderleistung kann in Abhängigkeit des zu befüllenden Volumens variiert werden. Um eine homogene Durchhärtung von (ii) zu gewährleisten, wird die Förderleistung und Fördereinrichtung bevorzugt derart gewählt, daß der zu befüllende Raum innerhalb von 5 bis 20 min mit den Komponenten zur Herstellung von (ii) gefüllt werden kann.

Als Schichten (i) und (iii), üblicherweise Platten, können übliche Metalle verwendet werden, beispielsweise Eisen, üblicher Stahl, alle Arten von veredeltem Stahl, Aluminium und/oder Kupfer.

Sowohl (i) als auch (ii) können beschichtet, beispielsweise grundiert, lackiert und/oder mit üblichen Kunststoffen beschich­ tet bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundelemente eingesetzt werden. Bevorzugt werden (i) und (iii) unbeschichtet und besonders bevorzugt beispielsweise durch übliches Sand­ strahlen gereinigt eingesetzt.

Die Schicht (ii) kann zusätzlich zu dem Kunststoff gegebenenfalls Hilfsmittel und/oder Zusatzstoffe enthalten. Genannt seien bei­ spielsweise allgemein bekannte Flammschutzmittel, Zeolithe, Keim­ bildungsmittel, Oxidationsverzögerer, Stabilisatoren, Gleit­ hilfen, Inhibitoren, Mikrobenschutzmittel, Verstärkungsmittel, Weichmacher oberflächenaktive Substanzen, Farbstoffe, Pigmente, Hydrolyseschutzmittel, fungistatische und/oder bakteriostatisch wirkende Substanzen.

Als oberflächenaktive Substanzen seien beispielsweise genannt Emulgatoren, wie die Natriumsalze von Ricinusölsulfaten oder von Fettsäuren sowie Salze von Fettsäuren mit Aminen, z. B. ölsaures Diethylamin, stearinsaures Diethanolamin, ricinol­ saures Diethanolamin, Salze von Sulfonsäuren, z. B. Alkali- oder Ammoniumsalze von Dodecylbenzol- oder Dinaphthylmethandi­ sulfonsäure und Ricinolsäure.

Geeignete Flammschutzmittel sind beispielsweise Trikresyl­ phosphat, Tris-(2-chlorethyl)phosphat, Tris-(2-chlorpropyl)phosphat, Tris-(1,3-dichlorpropyl)phosphat, Tris-(2,3-dibrom­ propyl)phosphat, Tetrakis-(2-chlorethyl)-ethylendiphosphat, Dimethylmethanphosphonat, Diethanolaminomethylphosphonsäure­ diethylester sowie handelsübliche halogenhaltige Flammschutz­ polyole. Außer den bereits genannten halogensubstituierten Phosphaten können auch anorganische oder organische Flammschutz­ mittel, wie roter Phosphor, Aluminiumoxidhydrat, Antimontrioxid, Arsenoxid, Ammoniumpolyphosphat und Calciumsulfat, Blähgraphit oder Cyanursäurederivate, wie z. B. Melamin, oder Mischungen aus mindestens zwei Flammschutzmitteln, wie z. B. Ammoniumpoly­ phosphaten und Melamin sowie gegebenenfalls Maisstärke oder Ammoniumpolyphosphat, Melamin und Blähgraphit und/oder gegebenen­ falls aromatische Polyester zum Flammfestmachen der Polyiso­ cyanat-polyadditionsprodukte verwendet werden.

Als Füllstoffe, insbesondere verstärkend wirkende Füllstoffe, sind die an sich bekannten, üblichen organischen und anorgani­ schen Füllstoffe, Verstärkungsmittel, Beschwerungsmittel, Mittel zur Verbesserung des Abriebverhaltens in Anstrichfarben, Be­ schichtungsmittel usw. zu verstehen. Im einzelnen seien bei­ spielhaft genannt: anorganische Füllstoffe wie silikatische Mineralien, beispielsweise Schichtsilikate wie Antigorit, Serpentin, Hornblenden, Amphibole, Chrisotil und Talkum, Metall­ oxide, wie Kaolin, Aluminiumoxide, Titanoxide und Eisenoxide, Metallsalze, wie Kreide, Schwerspat und anorganische Pigmente, wie Cadmiumsulfid und Zinksulfid, sowie Glas u. a. Vorzugsweise verwendet werden Kaolin (China Clay), Aluminiumsilikat und Copräzipitate aus Bariumsulfat und Aluminiumsilikat sowie natür­ liche und synthetische faserförmige Mineralien wie Wollastonit, Metall- und Glasfasern geringer Länge. Als organische Füllstoffe kommen beispielsweise in Betracht: Kohle, Melamin, Kollophonium, Cyclopentadienylharze und Pfropfpolymerisate sowie Cellulose­ fasern, Polyamid-, Polyacrylnitril-, Polyurethan-, Polyester­ fasern auf der Grundlage von aromatischen und/oder aliphatischen Dicarbonsäureestern und insbesondere Kohlenstoffasern. Die anorganischen und organischen Füllstoffe können einzeln oder als Gemische verwendet werden.

Bevorzugt setzt man bei der Herstellung von (ii) 10 bis 70 Gew.-% Füllstoffe, bezogen auf das Gewicht von (ii), ein. Als Füllstoffe verwendet man bevorzugt Talkum, Kaolin, Calziumcarbonat, Schwer­ spat, Glasfasern und/oder Mikroglaskugeln. Die Größe der Partikel der Füllstoffe ist bevorzugt so zu wählen, daß das Eintragen der Komponenten zur Herstellung von (ii) in den Raum zwischen (i) und (iii) nicht behindert wird. Besonders bevorzugt weisen die Füll­ stoffe eine Partikelgröße von < 0,5 mm auf.

Die Füllstoffe können dazu dienen, den im Vergleich beispiels­ weise zum Stahl größeren thermischen Ausdehnungskoeffizient der Kunststoffe (ii) zu verringern und damit dem des Stahls anzu­ passen. Dies für einen nachhaltig festen Verbund zwischen den Schichten (i), (ii) und (iii) besonders vorteilhaft, da damit geringere Spannungen zwischen den Schichten bei thermischer Belastung auftreten.

Die Kunststoffe (ii), die zwischen den Schichten (i) und (iii) in den erfindungsgemäßen Verbundelementen angeordnet sind, weisen bevorzugt ein Elastizitätsmodul von < 275 MPa im Temperaturbereich von -45 bis +50°C (nach DIN 53 457), eine Adhäsion zu (i) und (iii) von < 4 MPa (nach DIN 53 530), eine Dehnung von < 30% im Tempera­ turbereich von -45 bis +50°C (nach DIN 53 504), eine Zugfestigkeit von < 20 MPa (nach DIN 53 504) und eine Druckfestigkeit von < 20 MPa (nach DIN 53 421) auf.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Verbund­ elemente weisen folgende Vorteile gegenüber bekannten Kon­ struktionen auf:

• - Streben und ähnliche Versteifungselemente werden fast vollständig überflüssig. Dies führt zu einer erheblichen Kostenreduktion in der Produktion durch Materialersparnis und einen wesentlich einfacheren Korrosionsschutz.
• - Bei einem Einsatz im Schiffbau ergeben sich durch das geringere Gewicht eine höhere Tonnage bzw. ein geringerer Treibstoffverbrauch.
• - Die Wartung beispielsweise hinsichtlich Korrosionsschutz wird wesentlich vereinfacht. Dadurch ergeben sich längere Instandsetzungsintervalle.
• - Die Sandwichstruktur mit der Kunststoffzwischenschicht führt zu einer besseren Energieabsorption und damit geringeren Rißfortpflanzung. Bekannte Stahlkonstruktionen neigen nach einer Perforierung bei weiterer Belastung stark zu einer Rißbildung, d. h. die Leckage breitet sich großflächig über den Schiffsrumpf aus. Dadurch ergibt sich eine Minimierung des Schadensrisikos im Falle von Unfällen oder extremen Belastungen. Dieser verbesserte Sicherheitsstandard ist insbesondere für Tankschiffe vorteilhaft.
• - Der bevorzugte Gehalt an Füllstoffen in der Kunststoff­ schicht zwischen den Metallschichten bewirkt eine Ver­ ringerung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von (ii) und damit eine Angleichung an die Koeffizienten von (i) und (iii). Spannungen zwischen (i), (ii) und (iii) durch eine thermischen Belastung insbesondere durch die Umgebungstemperatur, beispielsweise im Falle von Schiffs­ rümpfen durch unterschiedliche Wassertemperaturen, konn­ ten erfindungsgemäß verringert werden. Die Haftung von (ii) an (i) und (iii) wurde dadurch nachhaltig ver­ bessert.
• - Durch das bevorzugte Bestrahlen der Oberflächen von (i) und (iii) Sand konnte die Haftung von (ii) an (i) und (iii) deutlich verbessert werden. Durch die verbesserte Haftung werden stabilere und haltbarere Konstruktions­ elemente zugänglich.

Entsprechend finden die erfindungsgemäß erhältlichen Verbund­ elemente Verwendung vor allem in Bereichen, in denen Kon­ struktionselemente benötigt werden, die großen Kräften stand­ halten, beispielsweise als Konstruktionsteile im Schiffbau, z. B. in Schiffsrümpfen, beispielsweise Schiffsdoppelrümpfe mit einer äußeren und einer inneren Wand, und Laderaumabdeckungen, oder in Bauwerken, beispielsweise Brücken oder als Konstruktionselemente im Hausbau, insbesondere in Hochhäusern.

Die erfindungsgemäßen Verbundelemente sind nicht mit klassischen Sandwichelementen zu verwechseln, die als Kern einen Polyurethan- und/oder Polyisocyanurathartschaumstoff enthalten und üblicher­ weise zur thermischen Isolierung eingesetzt werden. Derartige bekannte Sandwichelemente wären aufgrund ihrer vergleichsweise geringeren mechanischen Belastbarkeit nicht für die genannten Anwendungsbereiche geeignet.

Claims (8)

1. Verbundelemente, die folgende Schichtstruktur aufweisen:

• (i) 2 bis 20 mm Metall,
• (ii) 10 bis 100 mm mindestens eines Kunststoffes, das in flüssigem Zustand zwischen (i) und (iii) eingebracht wird und während und/oder nach dem Einbringen zwischen (i) und (iii) aushärtet und an die Oberflächen von (i) und (iii), mit denen (ii) in Kontakt steht, bindet, wobei (ii) kein Polyisocyanat-Polyadditionsprodukt darstellt,
• (iii) 2 bis 20 mm Metall.

2. Verbundelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als (ii) Polyacrylate, Polymethacrylate, gegebenenfalls mit Styrol modifizierte oder unmodifizierte ungesättigte Polyesterharze, Epoxidharze oder phenol-Formaldehydharze einsetzt.

3. Verbundelemente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß (ii) 10 bis 70 Gew.-% Füllstoffe, bezogen auf das Gewicht von (ii), enthält.

4. Verbundelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß (ii) als Hilfsmittel und/oder Zusatzstoffe Flammschutzmittel, Zeolithe, Keimbildungsmittel, Oxidations­ verzögerer, Stabilisatoren, Gleithilfen, Inhibitoren, Mikro­ benschutzmittel, Verstärkungsmittel und/oder Weichmacher ent­ hält.

5. Verbundelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß (ii) ein Elastizitätsmodul von < 275 MPa im Temperaturbereich von -45 bis +50°C, eine Adhäsion zu (i) und (iii) von < 4 MPa, eine Dehnung von < 30% im Temperaturbe­ reich von -45 bis +50°C, eine Zugfestigkeit von < 20 MPa und eine Druckfestigkeit von < 20 MPa aufweist.

6. Verwendung von Verbundelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Konstruktionsteile im Schiffbau, beispielsweise in Schiffsrümpfen und Laderaumabdeckungen, oder in Bauwerken, beispielsweise Brücken.

7. Verfahren zur Herstellung von Verbundelementen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kunststoffe (ii) flüssiger Form zwischen die Schichten (i) und (iii) einbringt und die Schicht erst während und/oder nach der Verarbeitung aushärten und an (i) und (iii) binden.

8. Schiffe oder Brücken enthaltend Verbundelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 5.