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Verbundmaterial zur Herstellung von Behältern mit
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biegsamen Wandungen und Verfahren zur Herstellung der Behälter Die
Erfindung betrifft allgemein Verbundmaterialien und mehr im einzelnen ein erbundmaterial
für Behälter, Tanks, Kraftstoffzellen und dgl. mit flexibler Wandung, die zu Vt;'
-schiedenem Gebrauch i@ Kraftfahrzeugen unf Flugzeugen verwerdet werden können.
Während die Erfindung insbesondere unter Bezug auf flexible Behälter zur Aufnahme
verschiedener flüchtiger Flüssigkeiten wie zum Beispiel Kfz- und/oder Flugzeug Kohlenwasserstoffkraftstoffen
beschrieben wird, kann sie ebenso angewandt werden auf andere Behälterverwendunge
n zu@ Aufnahme beliebiger Substanzen, und diese können @orredierer de Flüssigkeiten
und Substanzen sowie auch nicht-flächtige und nicht-korrodierende Substanzen umfassen.
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Insbesondere betrifft die Erfindung ein einzigartiges ait Gewebe verstärktes
Verbundmaterial mit polymeren O'-t elastom@@en Überzugslagen oder -schichten, welches
g e k e n n z e i c h n e t ist seine Fähigkeit zur Verformung in eine komplizierte
Beh@@ form oder -gestalt. Ein aus diesem Verbundmaterial bestehe@-der Behälter kann
in Verbindung mit einem Metall@eh@ einem Tank, einer Dose oder einer anderen Art
von fester B@-hältnis verwendet werden, oder er kann unabhängi@@ weiden, wobei die
Art seiner Vorwendung durch di @
Anwendung vorgeschrieben wird.
Zum Beispiel kann der angesprochene t3#..lter auf dem Gebiet leichter Flugzeugbrennstoffzellen
gefunden werden, wobei es erforderlich ist, daß der Brennstoffbehälter mit dem komplizierten
Raum übereinstimmt, der innerhalb eines Flugzeugflügels vorgesehen ist.
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Behälter dieser Art finden@auch eine Anwendung in der Kfz-Industrie,
wobei der Brennstofftank innerhalb des Fahrzeug rahmens untergebracht werden kann,
um weniger anfällig für Beschädigung und/oder Durchlöcherung zu sein. In beiden
Fällen muß der flexible Behälter mit dem in dem Fahrzeug vorgesehenen Rallm tibereinstimmen,
sei es, daß dieser Raum durch das Chassis vor(JeschrLeen wird oder durch ein besonders
angebrachtes Behältnis, das spezifisch für den Raum konstruiert ist, und in welchem
der flexible Behälter untergebracht wird.
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Herkömmlich und insbesondere bei der Anwendung auf Flugzeuge sind
Kraftstoffbehälter auf starren Patrizenformen hergestellt worden, wobei die Baukomponenten
des Behälters von Hand aufgelegt und anschließend auf die Gestalt der Form ausgehärtet
werden. zeigen des Bedarfs für ein Verstärkungsmaterial in dem Flugzeug-Kraftstoffbehälter
konnten herkömmliche Herstellverfahren, wie sie für nicht verstärkte Behälter mit
flexiblen Wandungen verwendet werden, nicht angewandt werden, insofern die Gewebn.verstärkung
nicht gut mit einer kompliziert geformten Matrizenform übereinstimmt, die einen
Vakuumformvorgang verwendet. Daher bilden Patrizenformen die herkömmliche Herstelltechnik
für solche kompliziert geformten Behälter, und diese Formen bestehen aus verschiedenen
Arten von Gestaltungsmaterialien oder beispielsweise einem Kartonmaterial, das ausreichend
starr ist, um die Komponenten der Behälterkonstruktion während des Aufbaus und der
Aushärtung zu stützen, der aber aus dem Inneren des gehärteten Behälters beseitigt
werden kann durch Auflösen des Formmaterials in einer flüssigen Substanz. Nach der
Auflösung wird das Formmaterial aus dem Inneren des gehärteten Behälters herausgewaschen
durch
Öffnungen, die in seinen Wandungen zum Füllen und/oder Entleeren
vorgesehen sind. Dieses bekannte Verfahren ist mehr im einzelnen beschrieben in
dem US-PS 2 700 181 von R.F.
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Wilson.
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Also hat das derzeitige Verfahren zur Herstellung kompliziert geformter,
mit Gewebe verstärkter Behälter mit flexiblen Wandungen den entscheidenden Nachteil,
daß es mehrfache und manuelle Vorgänge erfordert, die von Fachpersonal ausgeführt
werden müssen. Ein weiterer Nachteil des derzeitigen Herstellvorgangs ist die Tatsache,
daß diese Petrizenformen für jeden einzelnen Behälter individuell von Hand hergestellC
sind und in dem Verfahren zu ihrer Beseitigung aus dem gehzrteten Behälter schließlich
zerstört werden.
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Daher ist ein Gegenstand der Erfindung die Schaffung eines Verbundmaterials
für einen kompliziert geformten flexiblen Behälter, welcher verschiedene Anforderungen
an die Aufnahmflüchtiger und/oder korrodierender Substanzen oder Flüssigkeiten erfüllt,
und welcher ohne Rückgriff auf handgemachte Patrizenformen und manuellen Aufbau
der Behälterkonstruktion hergestellt werde irann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ei r. Gegenstar die
Schaffung eines Verbundmaterials und eines Verfahrens Herstellung eines kompliziert
geformten flexiblen Behälters, der Patrizen ausschaltet und das Auflösen und Auswaschen
des ormmaterials aus dem Inneren des gehärteten Behälters und die damit verbundene
Verschmutzung des Behälter urc est liches Formmaterial umgeht, das eventuell nicht
;ölls aufgelöst und aus dem Inneren des Behälters herausgewasche worden ist.
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Erfindungsgemäß umfaßt ein Verbundmaterial für die Herstell@ eines
flexiblen mit Gewebe verstärkten Behälters ein Verstärkungsgewebematerial
und
wenigstens eine Überzugsschicht aus einem polymeren oder elastomeren Material, wobei
das Gewebe aus Garnen besteht, welche bei Formung in eine komplizierte Gestalt die
Eigenschaft einer Veränderung ihrer Effektivlänge zeigen u-d danach beim Härten
des Verbundmaterials in der geformten Gestalt festgelegt werden. Das erfiBdungsgemäße
Verfahren umfaßt die Anwendung eines Differentialdrucks auf das mit Gewebe verstarkte
Verbundmaterial in einer konkaven Preßform, die die gewünschte Gestalt aufweist,
um das Verbundmaterial in die Preßformhohlräume zu bewegen, wobei sich die efFektive
Länge der Garne verändert, um mit der Preßform übereinzustimmen, sowie das anschließende
Aushärten des Verbundmaterials, um die Verstärkung auf die Preßformgestalt festzulegen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der
Zeichnungen beschrieben. Es zeit: Figur 2A einen Querschizitt eines Abschnitts des
Verbundmaterials vor dem Formen und Härten; Figur 1B einen Schnitt des in Figur
1A gezeigten rbsconitts des Verbundmaterials nach seiner Formung und Härtung; Figur
2 oie Vertikalschnitt- und teilweise schematische Ansicht zur rrläuterung eines
Verfahrens zur rerstellung eines kompliziert geformten Behälters; und Figur eine
perspektivische Ansicht eines fertiggestellten und gehärteten kompliziert geformten
Behälters mit flexiblen Wandungen, teilweise aufgebrochen zum einblick in sein Inneres.
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n figur 1A ist ein mit Gewebe verstärktes Verbundmaterial allgemein
durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet. Das Verbundmaterial 10 weist allgemein ein
Faserverstärkungsmaterial 12 auf, das an wenigstens eine Lage oder Schicht eines
polymeren
Elastomers oder eines polymeren Films angeklebt ist der
Zeichnung dargestellt kann eine elastomere Gummischicht 14 an eine Fläche des Gewebes
angeklebt sein, und/oder eine Polymerfilmschicht 16 kann an die entgegengesetzte
Fläche des Gewebes durch einen passenden Klebstoff 13 angeklebt sein, wobei eine
oder beide Überzugs schichten den Zweck der .rfindung erfüllen. Wenn eine elastomere
Gummischicht 14 an das Gewebe angeklebt ist, bildet sie eine Außenfläche 14a eines
umschlossenen Behälters, der aus dem Verbundmaterial berzustellen ist, während die
Polymerfilmschicht eine Innenfläche 16 des Behälters bildet.
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Die Materialien, aus denen die Schichten 14 14 und können irgendwelche
verschiedenen polymeren und/oder elastomeren materialien sein, die der Industrie
bekannt sind, und diese können gegen flüchtige und/oder korrodierende Substanzen
widerstandsfahig sein oder nacht, je nach der tatsächlicher letztlichen Verwendung
des herzustellenden Behälters. Mater allen, die auf nicht-verstärkte Behalter mit
flexibler tandung angewandt worden sind und die auf diese Anmeldung angewandt werden
können, sind in der Technik bekannt, wie erläutert in den US-PSen 3 755 040, 3 301
402 und 3 453 164, wel@@@ der The Goodyear Tire & Rubber Company, Akren, Ohio
zugeschrieben sind.
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Das Verstärkungsgewebe 12 ist einzigartig für diese Anmeldung, und
wenn auch die Garne des Gewebes aus vielen Arten von synthetischen und/oder natürlichen
Fasern bestehen können werden Nylon- und/oder Polyestergarne als am günstigsten
rdie Zwecke der erfindung erachtet. Die Garne können in @@we ter oder ungewebter
Gestalt sein, aber müssen einn Eigens aufweisen, gemäß welcher sie in der Lage sind,
ihre effektiven Längen wenigstens in orthogonalen Ketten- und Schußrichtungen der
Gewebestruktur zu verändern. Diese Eigenschaft
kann auf eine von
zwei Weisen erzielt werden, wobei die erste in der Art der Herstellung der Fäden
besteht, welche die Garne des Gewe1res bilden. Zum Beispiel ist es in der Gewebeindustrie
wohlbekannt, daß ein synthetischer Faden in solchem Ausmaß gezogen oder gestreckt
werden kann, daß die Moleküle orientiert werden, um die Zugeigenschaften des Fadens
zu verbessern.
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Diesbeziglich wird ein ihfaktor von annähernd 4 bis al der urspriinylichen
pinlänge des Fadens in der Industrie als normal angesehen. Dementsprechend und im
Gegensatz zu dem normalen Ziehverfahren schlägt die erste Ausführungsform der Erfindung
vor, die Fäden auf einen Faktor zu ziehen, der unter dem normaler liegt, wie beispielsweise
einen Faktor von 1 bis 3, sowie Garne und danach eine Gewebestruktur aus diesen
Fäden herzustellen. Ein Gewebe, das aus diesen Garnen hergestellt ist, hat daher
die Eigenschaft, daß es weiter auf den schließlichen Ziehfaktor von 4 bis 6 gezogen
wird, wenn die Bedingungen für ein solches zusätzliches Ziehen bestehen.
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Erfindungsgemäß können die Bedingungen für dieses zusätzliche Ziehen
in dem Verfahren der Formung flexibler Behälter geschaffen werden, die aus einem
Gewebe- und Polymerverbund bestehen, wobei es erforderlich ist, daß die Garne des
Gewebes ihre effektive Länge verändern, um sich in die Hohlraume einer Matrizenform
zu bewegen, welche die Behältergestalt bildet. ftuf diese Weise kann ein Gewebe,
das aus Garnen besteht, welche einen Ziehfaktor von 1 bis 3 aufweisen, bei Formung
in die gewünschte Behältergestalt auf einen endgültigen Ziehfaktor von 4 bis 6 ausgestreckt
werden. Ein nachfolgendes Härten der Verbundstruktur bewirkt ein Festlegen des Gewebes
in dem gewünschten geformten Zustand. Garne der angesprochenen Art sind beschrieben
in US-PS 3 842 538, welche der E. I. duPot deNemours and Company, Wilmington, Delaware
-uqeschrieherk ist.
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Hine zweite ;r-t, auf welche die Garne ihre effektive Lunge verändern
können, umfaßt Garne mit Fäden, die gemäß dem
normalen Verfahren
ursprünglich auf einen Faktor von 4 bis 6 gezogen sind; diese Garne werden anschließend
u einem Stretch-Strickgewebe oder genauer gesagt zu einem Strickgewebe verwebt.
Strickgewebe sind natürlich in der Gewebeindustrie wohlbekannt und werden in verschiedenen
wonfigurationen der Garne derart gewebt, daß sie eine Streckeigenschaft besitzen,
welche ein Strecken in mehr als nur den Ketten- und Schußrichtungen der Gewebestruktur
in sich schließt. Strickgewebe des angesprochenen Typs können auch als "Spandex"
bekannte Gewebe umfassen. Dementsprechend schlägt eine zweite Ausführungsform der
Erfindung einen Verbundaufbau vor, welcher aus einem Stretch-Strickgewebe besteht,
das mit polymeren oder elastomeren Schichten überzogen ist, Wenn das Verbundmaterial
in ene komplizierte Gestalt verformt wird, dehnen die Garne des Gewebes ihre effektive
Länge aus, um mit der Gestalt und den Konturen eines Matrizenformhohlraums übereinzustimmen.
An schließendes Harten des Verbundmaterials bewirkt, daß das Gewebe in dem geformten
Zustand verbleibt.
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Figur 2B versucht, die Veränderung darzustellen, die an der Länge
der Gewebegarne des Verbundmaterials 10 von Figur 1A bei Verformung und Härtung
in einer speziellen Gestalt bewirkt wird. Das geformte und gehärte Verbundmaterial
ist durch das Bezugszeichen 10a bezeichnet, während das ausged te Gewebe allgemein
durch das Bezugszeichen 12a bezeichnet ist.
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Anhand von Figur 2 wird ein Verfahren zur Herstellung ei flexiblen
mit Fasern verstärkten Behälters unter Verwendung eines Verbundmaterials gemäß einer
der beiden cben beschriebenen Ausführungsformen gezeigt. Der Behälter, der allgemein
als Ganzes durch das Bezugszeichen 100 bezeichnet ist, z isF durch seine komplizierte
Form g e k e n n z e i c h n e t und umfaßt ein Oberteil 1 20 und ein Unterteil
40. Das Oberteil n wird als einem flachen Stück Verbundmaterial 10 gebildet, welcheeiner
Preßform
30 angeordnet wird, die das Oberteil des Behälters formt, während das Unterteil
40 aus einem anderen flachen Stück Verbundmaterial 10 geformt wird, das in einer
Preßform 5Q angeordnet wird, die das Unterteil des Behälters 100 formt. Die gestrichelten
Linien 20' und 40' zeigen die Art der Anordnung des Verbundmaterials, so daß die
elastomere Schicht 14, wenn eine solche verwendet wird, in den Preßformhohlraum
hineinweist, während die Filmschicht 16', wenn eine @olche verwe@det wird, von jedem
der Preßformhohlräume nach auß@@ weint. Die Preßformhälften 30 und 50 weisen zusammenpassende
Umfa@gshanten 32 bzw. 52 auf, welche bei Positionierung der Kanten anei@@nder eine
vollständige Umhüllung mit geeig@@@en @ocha@e@dnungen bilden. Klemmeinrichtungen
60, die um den Umfang der Preßform herum angeordnet sind, bringen die beiden Preßformhälften
30, 50 in druckfestem und abgedichteten Zustand zusammen, während Anschlüsse 34
und 54 zum Anschluß an Quellen 36 und 56 vorgesehen sind, um einen Differentialdruck
auf die Verbundmaterialabschnitte 20 und 40 zu schaffen. Natürlich versteht es sich,
daß ein positiver Druck innerhalb der Umhüllung auch verwendet werden kann, um das
Werbundmaterial 10 in die Grenzen der Preßform zu zwingen, und dies wird als zur
Kenntnis und Erfahrung der lit dem Formen vertrauten Personen gehörig angesehen.
Jedenfalls ist jetzt einzusehen, daß ein Differentialdruck auf das Verbundmaterial
10 eine Veränderung in der Länge der Verstärkungsgewebegarne bewirkt, wenn sich
das Verbundmaterial bewegt, um den Preßformhohlraum auszufüllen. Es ist auch einzusehen,
daß, wenn der Film l6 vorgesehen wird und beispielsweise ein thermoplastischer Sperrfilm
ist, die Fähigkeit des Differentialdrucks verbessert ;: rd,das Verbundmaterial zur
Gbereinstimmung mit den Preßformkonturen zu verschieben. Dies gilt insbesondere,
wenn ein Vakuum an den Preßformen gesaugt wird, um das Verbundmaterial in die Grenzen
des Preßformhohlraumes zu ziehen. Wenn auch die Schicht 16 eine elastomere Schicht
sein kann, erschwert der Charakter des Elastomers
jedoch die gleichförmige
Verschiebung des Verbundmaterials 0 in die tiefen Grenzbereiche der Preßform. Daher
wird ein dünner thermoplastischer Sperrfilm 16, beispielsweise aus Nylon, für die
meisten Behälteranwendungen vorgezogen. Wenn festgestellt ist, daß das Verbundmaterial
10 im wesentlicher die Form des Preßformhohlraums gefüllt hat, wird die Einheit
einer Vulkanisieratmosphere unterworfen, um so die elastomeren und/oder polymeren
Elemente des Verbundmaterials @u vulkanisieren oder auszuhärten. Auf diese Weise
werden die Garne de Gewebes 12, welche gedehnt worden sind, um mit: der re,formgestalt
übereinzustimmen, aufgrund der gehärteten polymerer oder elastomeren Elemente in
diesem geformten Zustand gehalten.
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Figur 3 zeigt einen kompliziert geformten, mit Gewebe verstärkten
Behälter 100 mit flexibler Wandung, bei welche das Oberteil 20 einteilig an das
Unterteil 40 angeformt ist mittels der geformten Flansche 22 bzw. t?. Während fbr
die meisten Anwendungen ein einteilig geformter Flansch 4 ausre cht, kann der Behalter
verstärkt und versteift werden durch infügung von zusätzlichem elastomeren Material
an der Verbindungsstelle der Flansche. Dies kann mit einem polymeren od& elastomeren
Streifen erreicht werden, der an der Innenseite des Behälters angebracht wird, wie
zum Beispiel bei dem Bezugszeichen 66 in der Zeichnung, oder der Streifen kann zwi
den Flanschen 22, 42 oder an der Außenseite in geeigneter und annehmbarer Weise
angebracht werden.
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n einem alternativen Verfahren können der Behälter teilweit gehärtet
und das Flanschmaterial 64 getrimmt werden. Dann kann Verstärkungsmaterial 66 an
der Innenseite und/oder Außen seite des Behälters bei der Stoßstelle des Oberteil
20 und des Unterteils 40 angebracht werden und kann danacheiner einteiligen Einheit
zu Ende gehärtet werde. @@ @e@ch tet auch ein, daß, falls die elastomere Schicht
14 ein Thermoplast ist, die Stoßstelle des Oberteils @0 und Untert
40
nach @ertigstellung des Härtungsvorgangs verschweißt werden kann. Dies kann bewerkstelligt
werden durch eines der bekannten Wärmeverfahren einschließlich Ultraschall-, dielektrische
oder Mikrowellenerwärmung. Das Verfahren ermöglicht auch die getrennte Formung und
Aushärtung der oberen und unteren Behälterhälften, welche dann zusammengebracht
und zu einer Einheit verschweißt werden können.
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Wie oben erwähnt, kann ein erfindungsgemäß hergestellter Behälter
in Verbindung mit einem getrennten Metallgehäuse, einem Tank oder einer starken
Konstruktion anderer Art verwendet werden. Zum Beispiel kann bei einer Kraftfahrzeugan
wendung das flexible Verbundmaterial als Auskleidung in einem herkömmlicher Automobiltank
angebracht werden. Diesbezüglich und in dem Verfahren zur Herstellung des Behälters
mit flexible ler Wandung kann eine besondere Gestalt eines Kraftfahrzeug kraftstofftanks
als Preßform für den Behälter verwendet werden. o @utzen die nreßformhälften 30
und 50 tatsächlich die obere und untere Metalltankhälfte als integralen Bestandteil
der Preßform, und das Verbundmaterial 10 wird darin in der gleichen Weise angebracht,
wie oben bezüglich der Preßformen 30 und 50 beschrieben. Die Umfangsflansche können
verschraubt, vernietet, verschweißt oder auf andere dauerhafte art aneinander befestigt
und die Tankeinheit einem Differentialdruck unterworfen werden, um das Verbundmaterial
in die Begrenzungen und die Gestalt des Tanks hiseinzuziehen. Die gesamte Einheit
wird danach einer geeigneten Aushärtungstem peratur unterworfen, um das Verbundmaterial
auszuhärten und es auf die Gestalt des Tanks festzulegen, und es wird ein integraler
Bestandteil der Tankanordnung.
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Obzwar bes@immte repräsentative Ausführungsformen und Einzelheiten
zum Zweck der Erläuterung der Erfindung gezeigt worden sind, leuchtet es dem Fachmann
ein, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können,
ohne von dem Gedanken oder Rahmen der Erfindung abzuweichen.