DE3131152A1 - Rohre aus mit kohlenstoff-fasern verstaerktem polypropylen - Google Patents

Rohre aus mit kohlenstoff-fasern verstaerktem polypropylen

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DE3131152A1 DE19813131152 DE3131152A DE3131152A1 DE 3131152 A1 DE3131152 A1 DE 3131152A1 DE 19813131152 DE19813131152 DE 19813131152 DE 3131152 A DE3131152 A DE 3131152A DE 3131152 A1 DE3131152 A1 DE 3131152A1
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Description

21270
KUREHA KAGAKU KOGXO KABUSHIKI KAISHA 9-11 Horidome-cho 1~ehome
Nihonbashi, Chuo-ku
Tokio, Japan
Rohre aus mit Kohlenstoff-Pas em verstärktem Polypropylen
Die Erfindung betrifft neue Rohre aus verstärktem Polypropylen, die eine ausgezeichnete !Festigkeit selbst in siedendem Wasser aufweisen. Das Hauptcharakteristikum der Erfindung liegt in dem Rohr, hergestellt durch !formen einer Harzzusammensetzung, die Polypropylen als Basismaterial, modifiziertes Polypropylen, hergestellt durch teilweises Modifizieren von Polypropylen mit einer organischen ungesättigten Carbonsäure oder durch Copolymerisieren von Propylen und der organischen ungesättigten Carbonsäure, und kurze Kohlenstoff-Pasern enthält. Das charakteristische Merkmal des so hergestellten Rohrs liegt darin, daß das Verhältnis der mechanischen Festigkeit nach Halten des Rohrs während 6 Monaten in siedendem V/asser bei 100 0C zur ursprünglichen Festigkeit größer als 95 % ist»
Im folgenden werden die beigefügten Figuren kurz erläutert; Die beigefügte Figur 1 zeigt die Beziehung zwischen der Zug= festigkeit und der Menge an modifiziertem Polypropylen in einem Rohr, hergestellt aus einer Zusammensetzung, enthaltend Polypropylen, modifiziertes Polypropylen und Kohlen·= stoff-Fasern (4-5 Gew.-Teile pro 100 Teile Polypropylen); die Kurve 1 zeigt ein Rohr, das mit Maleinsäure modifiziertes
Polypropylen enthält und die Kurve 2 zeigt die eines Rohres, das ein Copolymeres von Propylen und Acrylsäure enthält. Die Figur 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Ausmaß der Erhaltung der ursprünglichen Zugfestigkeit eines Rohres, das 45 Gew.-Teile Kohlenstoff-Fasern, 30 Gew.-Teile modifiziertes Polypropylen und 100 Teile Polypropylen gemäß der Erfindung enthält und dem Zeitraum, während dem das Rohr in siedendem Wasser'gehalten wurde. Dabei zeigt die Kurve 1 die Beziehung in dem Rohr, in dem das modifizierte Polypropylen erhalten wurde durch chemisches Behandeln von Polypropylen mit Maleinsäure, so daß 2 Gew.-Teile Maleinsäureeinheiten pro 100 Gew.-Teile Propyleneinheiten enthalten sind; die Kurve 2 zeigt die Beziehung in dem Rohr, in dem das modifizierte Polypropylen erhalten wurde durch Copolymerisation von Propylen und Acrylsäure, so daß 6 Gew.-Teile Acrylsäureeinheiten pro 100 Gew.-Teile Propyleneinheiten enthalten sind; und die Kurve 3 zeigt die Beziehung in einem üblichen verstärkten Polypropylenrohr, das 45 Gew.-Teile Glasfasern pro 100 Gew.-Teile Polypropylen enthält. Die Figur 3 zeigt eine Beziehung zwischen der Zugfestigkeit eines Rohres und dem darin enthaltenen Gehalt an Kohlenstoff-Fasern gemäß der Erfindung bei den jeweils angegebenen Temperaturen. Die Figur 4 zeigt eine Beziehung zwischen dem Schmelzindex und dem Gehalt an Kohlenstoff-Fasern eines Verbundmaterials gemäß der Erfindung. Die Figur 5 zeigt eine Beziehung zwischen dem linearen thermischen Expansionskoeffizienten und dem Gehalt an Kohlenstoff-Fasern eines erfindungsgemäßen Rohres. Übrigens war die Zusammensetzung der Rohre und des Verbundmaterials der Figuren 3 bis 5» abgesehen von den Kohlenstoff-Fasern, 100 Gew.-Teile Polypropylen und 30 Gew.-Teile modifiziertes Polypropylen. /+bei 100°C
BAD ORIGINAL
Formkörper und Rohre, die beständig gegen heißes V/asser bei 100 0C sind, wurden nicht nur für industrielle Zwecke verwendet, sondern insbesondere in den letzten Jahren in großem Ausmaß als Rohrleitungen für Zentralheizungen in Häusern. Als ein synthetisches Harz zur Herstellung derartiger Rohre, die Heißwasser-beständig (siedendes V/asser bei 100 0C) sind, wurden Fluorpolymere, \-/ärmehäptende Harze, verstärkt durch Fasern, oder chloriertes Polyvinylchlorid verwendet. Jedoch können Fluorpolymere nicht allgemein verwendet werden, aufgrund ihrer schlechten Yerarbeitbarkeit und ihrer hohen Kosten, mrmehärtende Harae, die mit Fasern verstärkt sind, sind nicht geeignet zur Massenproduktion, aufgrund ihrer Wärmehärtungseigenschaften und chloriertes Polyvinylchlorid ist ebenfalls nicht für diese Zwecke geeignet, da seine Wärmebeständigkeit bei einer Temperatur von höchstens 100 °C liegt und es schwer verarbeitbar ist.
Zwar ist Polypropylen, eines der thermoplastischen Harze, günstig verarbeitbar und für die Anwendung in einem derartigen Temperaturbereich thermisch beständig, jedoch liegt sein thermischer Expansionskoeffizient in einem Temperaturbereich von 50 bis 100 0C sehr hoch, bei 18 χ 10"V0C und dementsprechend sind die Deformation und die Verschiebung eines langen Rohres, das aus Polypropylen hergestellt wurde, sehr groß und im Falle einer mechanischen Begrenzung der Deformation und Verschiebung wird eine starke innere Spannung akkumuliert, wodurch das Hohr bricht»
Um einen derartigen Nachteil zu vermeiden .wurde dar Zusatz eines Füllstoffs in das Basismaterial vorgesehen und angesichts der Festigkeitsverbesserung wurden Glasfasern als Füllstoff verwendet* Im Rahmen der Erfindung wurde jedoch
BAD ORIGINAL
gefunden, daß durch Glasfasern verstärktes Polypropylen eine starke Verringerung der Festigkeit in siedendem Wasser aufweist. Beispielsweise zeigte Polypropylen, verstärkt mit 4-5 Gew.-% Glasfasern, bezogen auf das verstärkte Polypropylen, eine starke Festigkeitsverschlechterung mit der Zeit, was aus der Kurve 5 der Figur 2 ersichtlich, ist. Die Verwendung von Kohlenstoff-Fasern anstelle von Glasfasern wurde in Betracht gezogen und verwirklicht, jedoch konnte die Verringerung der Festigkeit während langzeitigen Eintauchens in siedendes Wasser bei 100 0C nicht verhindert werden.
Dementsprechend wurde die Lösung des Problems der Verringerung der mechanischen Festigkeit während des Eintauchens während längerer Zeit in siedendes Wasser auf verschiedenen Gebieten gefordert.
Im folgenden wird die Erfindung genauer beschrieben. Die Erfindung basiert darauf, daß gefunden wurde, daß das Rohr, hergestellt durch Formen eines Verbundmaterials, das 100 Gew.-Teile Polypropylen, 10 bis 4-0 Gew.-Teile modifiziertes Polypropylen, hergestellt durch Modifizieren eines Teils des Polypropylens .mit einer organischen ungesättigten Carbonsäure mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, oder durch Copolymerisation der organischen ungesättigten Carbonsäure und von Propylen , und 50 bis 70 Gew.-Teile Kohlenstoff-Fasern enthält, einen kleinen thermischen Expansionskoeffizienten in siedendem Wasser bei 100 °C sowie ein großes Ausmaß der Beibehaltung seiner ursprünglichen Länge während eines langen Zeitraums in siedendem Wasser bei 100 .0C aufweist.
Das modifizierte Propylen, das einen der wichtigsten Faktoren der Erfindung darstellt, bedeutet ein chemisch behandelte
MS ©RIGINAL
Polypropylen, erhalten durch. Modifizieren eines Teils der Moleküle von Polypropylen mit einer organischen ungesättigten Carbonsäure von 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, oder ein Copolymeres der organischen ungesättigten Carbonsäure mit Propylen. Der Modifizierungsgrad des Polypropylens liegt in einem Bereich von 0,5 "bis 8 %, vorzugsweise 1 bis 6 %. Die organische ungesättigte Carbonsäure zur Anwendung gemäß der Erfindung umfaßt Maleinsäure, Acrylsäure, Methacrylsäure, Fumarsäure, Endobicyclo[2.2.1]-2,5-dicarbonsäure und dergleichen und ihre Anhydride und im allgemeinen sind Maleinsäure, Acrylsäure und dergleichen bevorzugt.
Wenn die Menge des modifizierten Polypropylens geringer ist als vorstehend erwähnt, so wird die Verringerung der Festigkeit größer, wie in der Figur 1 gezeigt, was unzureichend für den angestrebten Zweck ist; wird andererseits die Menge größer als die vorstehend genannte, so stellt man eine Neigung zur Verringerung der thermischen Beständigkeit fest und die Verwendung größerer Mengen des modifizierten Polypropylens ist vom Gesichtspunkt der Kosten her nicht bevorzugt.
Erfindungsgemäß weisen zur Verstärkung verwendbare Kohlenstoff-Fasern 5 "bis 10 um (Mikrometer) Durchmesser und ein Abmessungsverhältnis von größer als 10 (Verhältnis von Länge zu Durchmesser) auf. Um außerdem die Adhäsionsfähigkeit der Kohlenstoff-Fasern an Polypropylen zu erhöhen, können die Kohlenstoff-Fasern durch Oberflächenbeschichtung behandelt werden, beispielsweise wird Aminopropyltrioxysilan oder Vinyläthoxysilan zur Beschichtung der Oberfläche der Kohlenstoff-Fasern verwendet.
Im allgemeinen wird die Zugfestigkeit des Polypropylen enthaltenden Materials, das mit Kohlenstoff-Fasern verstärkt
ist, mit zunehmender Menge an Kohlenstoff-Pasern in dein Material verbessert, wobei die Tendenz von einer 'Temperatur von der Umgebungs- bzw. Raumtemperatur bis nahezu 100 0C, wie aus der Figur 3 ersichtlich ist, gleich bleibt. So zeigt die Zugfestigkeit im allgemeinen bei einer höheren Temperatur einen geringeren Wert, jedoch kann die Verringerung der Festigkeit durch den Temperaturanstieg weitgehend verhindert werden durch Zusatz von Kohlenstoff-Pasern in das Verbundmaterial zur Formung des Rohrs. In dieser Hinsicht ist es bevorzugt, Kohlenstoff-Fasern in großer Menge in das Polypropylen zu fügen, zur allgemeinen Verbesserung der Zugfestigkeit des geformten Materials, jedoch wird selbstverständlich die Schmelzfließfähigkeit des Verbundmaterials, das eine zu große Menge an Kohlenstoff-Fasern enthält, und die Verarbeitbarkeit des Verbundmaterials beim Formen bzw. Preßformen, gering. Dies ist verständlich aus der Figur 4, worin sich der Schmelzindex der Zusammensetzung auf ASTM D-12J8 bezieht. So kann im Falle der Herstellung des erfindungsgemäßen Rohrs durch Strangpreßformen bzw. Extrusionsformen das Verbundmaterial· , das gegen 70 Gew.-Teile Kohlenstoff-Fasern pro 100 Gew.-Teile Polypropylen enthält, verarbeitbar sein, jedoch liegt die bevorzugte Menge bei etwa 50 Gew.-Teilen pro 100 Gew.-Teile Polypropylen, vom Gesichtspunkt der Verarbeitbarkeit her gesehen. Außerdem zeigt der lineare thermische Expansionskoeffizient des Rohrs, hergestellt aus dem Verbundmaterial, das Polypropylen und Kohlenstoff-Fasern enthält, eine Verringerung mit dem Gehalt an Kohlenstoff-Fasern von über etwa 5 Gew.-Teilen pro 100 Gew.-Teile Polypropylen, wie aus der Figur 5 ersichtlich.. So sind <X±e linearen thermischen Expansionskoeffizienten von Rohren, die Kohlenstoff-Fasern in Mengen von 0,5 "bzw. 10 Gew.-Teilen pro 100 Gew.-Teile Polypropylen enthalten, bei 18-, 13- bzw. 10,5 x 10""V0C. Der große.Unterschied zwischen den
Koeffizienten zeigt die große Wirkung der Kohlenstoff-Pas ern auf die DimensionsStabilität des Rohrs„
Zieht man alle vorstehenden Angaben in Betrachts wobei auch die Bedeutung der Figuren 3 bis 5 berücksichtigt wird, so liegt die geeignete Menge an Kohlenstoff»Pasern in dem Bohr, das mit Kohlenstoff-Fasera verstärktes Polypropylen enthalt, bei 5 bis 70 Gew»-Teilen pro 100 Gew»= Teile Polypropylen.
Das erfindungsgemäße Eohrprodukt, hergestellt durch Formen eines Verbundmaterials, das verstärktes Polypropylen enthält, das 5 bis 70 Gew.-Teile Kohlenstoff-Fasern pro 100 Gew.-Teile Polypropylen enthält, zeigt im Unterschied zu dem Hohr, hergestellt aus Polypropylen, verstärkt mit Glasfasern, einen kleinen linearen thermischen Expansionskoeffizienten und nur eine geringe Verschlechterung, wobei es mehr als 95 % seiner ursprünglichen Festigkeit beibehält , selbst nach längerer Anwendung in siedendem Wasser bei 100 0C. Dementsprechend ist das erfindungsgemäße fiohr für industrielle Anwendungszxtfecke sowie zv/ecke in Häusern als Rohrleitungen für Heißwasser vorteil·=
Die folgenden Beispiele diensn zur weiteren Erläuterung der Erfindung, ohne sie zu beschränken=
Beispiel 1
Ausgehend von einem Verbundmaterial, das 100 Gewo~Teile Polypropylen (Produkt der Tonen Petrochemical Co0, Ltd», Grade J-209, Schmelzindex 9oO)s JO Gew=-Teile modifiziertes Polypropylen mit einem Schmelzindex von 20,0 und einem
Schmelzpunkt von 162 0C, hergestellt durch chemische Addition von 2 Gew.-Teilen Maleinsäure an 100 Gew.-Teile Polypropylen, und 45 Gew.-Teile Kohlenstoff-Fasern von 14,5 ,um (Mikrometer) Durchmesser und einem Abmessungsverhältnis von 50 (hergestellt von Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha, Grade M 107), enthält, wurden Rohre aus mit Kohlenstoff-Pasern verstärktem Polypropylen von 3 nun Wandstärke und 2,54 cm Nenndurchmesser durch Extrusionsformen bzw. Strangpreßformen bzw. Rohrziehformen hergestellt. Das so hergestellte Rohr wurde kontinuierlich in siedendes Wasser bei 100 0C eingetaucht und es wurden Teststücke monatlich während sechs Monaten entnommen, die auf ihre Änderung der Zugfestigkeit untersucht wurden; die Ergebnisse sind in der Figur 2 dargestellt. Wie aus der Kurve 1 der Figur 2 ersichtlich ist, zeigte das Ausmaß der Beibehaltung der ursprünglichen Zugfestigkeit keine Änderung während sechs · Monaten und zeigte beträchtliche und ausgezeichnete Unterschiede im Vergleich mit denen eines .Rohrs aus mit Glasfasern verstärktem Polypropylen, dargestellt in der Kurve So ist das erfindungsgemäße Rohr besonders gut für die praktische Anwendung geeignet.
Beispiel 2
Es wurden Rohre hergestellt unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 beschrieben, jedoch unter Verwendung eines Copolymeren mit einem Schmelzindex von 50 und einem Schmelzpunkt von 168 0C, erhalten durch Copolymerisation eines Gemische von 94 Gew.-Teilen Propylen und 6 Gew.-Teilen Acrylsäure anstelle des im Beispiel 1 verwendeten mit Maleinsäure modifizierten Polypropylens. Wie aus der Kurve 2 der Figur 1 ersichtlich ist, zeigten auch die so hergestellten Rohre ausgezeichnete Ergebnisse.

Claims (2)

  1. PATENTANWÄLTE Z 1 '. 1 ' I Z Z Z ' Z I : 3131152
    Or. rer.net. DIETER LOUI-
    Dlpl.-Phys. CLAUS PDHLAU
    Dipl.-lng. FRANZ LOHRENTZ
    Dipl.-Phys.WOLFGANG SEGETK
    KESSLERPLATZ 1
    NÜRNBERG 2Ö
    21270
    KURBHA KAGAKU KOGYO KABUSHIKI KAISHA 9-11 Horidome-cho 1~chome
    Nihontiashi, Chuo-ku
    Tokio, Japan
    Rohre aus mit Kohlenstoff-Pasern verstärktem Polypropylen
    Patentansprüche
    ο Rohre aus mit Kohlenstoff-Pasern verstärktem Polypropylen, hergestellt durch Verformen eines Verbundmaterials, das 100 Gew.-Teile Propylen, 10 bis 40 Gewo-Teile teilweise modifiziertes Polypropylen und 50 bis 70 Gewo-Teile Kohlenstoff-Pasern enthält«,
  2. 2. Rohre nach Anspruch 1, in denen das teilweis modifizierte Polypropylen ein chemisch behandeltes Polypropylen ist, das 1 bis 8 Gew.-Teile einer organischen ungesättigten Carbonsäure mit 3 "bis 10 Kohlenstoffatomen pro 100 Teile des chemisch behandelten Polypropylens enthält, erhalten durch Zusatz der organischen ungesättigten Carbonsäure zu Polypropylen, oder ein Copolymeres ist von Propylen
    und der organischen ungesättigten Carbonsäure, enthaltend 1 "bis 8 Gew.-Teile der organischen ungesättigten Carbonsäure pro 100 Gew.-Teile des Copolymeren.
    3· Kohre nach Anspruch 1, worin die Kohlenstoff-Fasern einen Durchmesser von 5 bis 30 Aim (Mikrometer) und ein Verhältnis von Durchmesser zu Länge von 10 oder mehr als 10 aufweisen.
DE3131152A 1980-05-16 1981-08-06 Rohre aus verstärktem Polypropylen Expired DE3131152C2 (de)

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