DE3328596C2 - Schalenkörper für ein Wassersportfahrzeug und Herstellungsverfahren - Google Patents

Schalenkörper für ein Wassersportfahrzeug und Herstellungsverfahren

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Abstract

Schalenkörper für Wassersportfahrzeuge aus wenigstens zwei Schichten aus thermoplastischen, coextrudierten Materialien, bei denen die erste Schicht überwiegend aus einem Thermoplast aus der Reihe der linearen Polyester, vorzugsweise Polycarbonate, und die zweite Schicht überwiegend aus einem Thermoplast aus der Reihe der Polystyrolderivate besteht, die Schichtdicken von 0,08 bis 0,3 mm bzw. 0,8 bis 1,5 mm aufweisen und bei der die außenliegende erste Schicht lichtabsorbierend und/oder -reflektierend ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schalenkörper für ein Wassersportfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie auf ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Es ist bereits bekannt die Oberflächenschicht des Schalenkörpers aus mehreren Teilschichten herzustellen, um die außenl-egende Fläche möglichst hart und kratzfest auszubilden und der gesamten Schicht dennoch die erforderliche Elastizität zu verleihen. Aus der DE-OS 28 50 342 ist ein Segelbrett bekannt auf dessen Schaumstoffkern eine Schicht aus Polyurethan aufgespritzt ist die nach ihrem Aushärten mit einer ebenfalls im Spritzverfahren aufgetragenen Polyesterschicht bedeckt ist.
Aus der DE-OS 31 46 381 ist es zwar auch bereits bekannt, die Schale von Segelbrettern dadurch herzustellen, daß zunächst plattenförmiges Material aus einem thermoplastischen Werkstoff in einem Extrusionsverfahren hergestellt wird, das anschließend in einem Warmformverfahren in die gewünschte Form gebracht wird. Auch wenn die gewünschten Eigenschaften solcher Schalenkörper durch Auswahl und Modifikation ihrer Werkstoffe laufend verbessert werden konnten, schien eine weitere Verringerung des Gewichts des Schalenkörpers bei gleichbleibenden oder sogar noch verbesserten mechanischen Eigenschaften, wie Oberflachenhärte, Schlagzähigkeit und Elastizität nicht mehr möglich zu sein. Bei Verwendung von warmgeformten Platten aus Polystyrolderivaten sind für die Schalenkörper von Wassersportfahrzeugen Mindestausgangswanddicken der Platten 2,2 bis 2,5 mm notwendig, da die mechanischen Eigenschaften der Thermoplaste, wie ihre Biegesteifigkeit ihr Ε-Modul, ihre Schlag- und Kerbschlagzähigkeit eine weitere Absenkung der Dicke nicht zulassen. Bei einer durchschnittlichen Oberfläche beispielsweise eines Segelsurfbrettes von 4,5 m2 und einer Plattendicke von 1,8 bis 2,5 mm entstent dabei ein Schalenkörper mit einem relativ hohen Gewicht von 10,4 bis 11,7 kg. Man hat bereits versucht, Thermoplaste mit höheren spezifischen Festigkeitseigenschaften zu verwenden, um das Gewicht des Schalenkörpers zu reduzieren. Versuche mit linearen Polyestern, wie PC (Polycarbonat), PETP (Polyethylenterephthalat), PBTP (Polybutylenterephthalat) und PA6 (Polyamid 6) scheiterten daran, daß diese Kunststoffe ein ungünstiges bis schlechtes Warmformverhalten aufweisen, sehr schwer verkleb- bzw. verschweißbar sind und Warmformwerkzeuge benötigen, die bei Temperaturen über 100° genau temperiert werden können. Ferner muß der Warmformtemperaturbereich auf ±2°C eingehalten werden, da diese Kunststoffe in einer sehr engen Temperaturspanne von einem zähharten in einen dünnflüssigen Zustand übergehen. Es scheiden daher normal ausgerüstete Warmformmaschinen und übliche Warmformwerkzeuge aus Holz bzw. Epoxydharz aus, so daß man auf wesentlich teurere Werkzeuge angewiesen ist. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß diese Kunststoffe eine
starke Schwindung von 2 bis 4% aufweisen, so daS bei der üblichen Positivformung die Formteile auf das Werkzeug aufschrumpfen, wodurch sich Formungsproblcmc insbesondere an eingezogenen Stellen, wie Schwertkästen und Finnenkästen, ergeben. Die gegenüber den Polystyrolderivaten bezüglich ihrer spezifischen Festigkeitseigenschaften attraktiveren Polycarbonate neigen außerdem zu Spannungsrißkorrosionen, wenn mit Teer, Benzin oder üblichen Reinigungsmitteln in Berührung kommen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schalenkörper für Wassersportfahrzeuge der eingangs genannten Art und ein Verfahren in seiner Herstellung anzugeben, der bei den geforderten mechanischen Eigenscnaften mit geringstem Gewicht und trotzdem ausreichender Festigkeit herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 10 gelöst
Dem Anmeldungsgegenstand liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Scbichtaufbau aus coextradiertem linearen Polyester und einem Polystyrolderivat mit einer Dimensionierung der Wanddicken der Teilschichten gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 unproblematisch zu handhaben ist. Trotz der stark unterschiedlichen Schmelztemperaturen, des unterschiedlichen Wärmeverhaltens, der Ausdehnungs- und Schwindungswerte der beiden Schichten ist die Schichtanordnung im Warmformverfahren gut zu beherrschen, so daß daraus Schalenkörper herstellbar sind, die für Wassersportfahrzeuge zu überragenden Eigenschaften führen. Die linearen Polyester sind sehr hart, glänzend und kratzfest, die dem Schalenkörper die erforderliche Oberflächengüte und Formstabilität verleihen, während die Polystyrolderivate eine hohe Biegeelastizität und -Zähigkeit aufweisen. Diese Eigenschaften machen es auch möglich, die Wanddicke des Schalenkörpers stark zu reduzieren, wobei man bei sogar noch verbesserten mechanischen Eigenschaften gegenüber dem einschichtigen Aufbau aus einem Polystyrolderivat zu einer Gewichtsreduzierung des Schalenkörpers für ein Segelbrett bis zu 50% gelangt. Damit sinkt nicht nur der Kostenaufwand durch die Materialersparnis, sondern es entsteht ein bis zu 5 kg leichteres Brett, das wesentlich bessere Surfeigenschaften besitzt. Es hat sich auch gezeigt, daß trotz aller Befürchtungen bei Verwendung von Polycarbonat als Deckschicht keine Spannungsrißkorrosion auftritt.
Mit der im Anspruch 2 angegebenen Maßnahme wird die Witterungsbeständigkeit des Schalenkörpers wesentlich verbessert. Insbesondere wird durch diese Maßnahme die Haftung der beiden Teilschichten aneinander dauerhaft gesichert.
Die im Anspruch 3 angegebene gegenseitige Dimensionierung der Wanddicken der beiden Teilschichten führ; zu einer besonders guten Haftung und Warmformfähigkeit der Schichtanordnung.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schalenkörpers des Wassersportfahrzeuges ist im Anspruch 4 angegeben. Insbesondere bei Segelbrettern treten die größten mechanischen Belastungen im Betrieb im Bereich der mittigen Trittflächen auf, so daß das Brett dort möglichst hart und üblicherweise an seiner Oberfläche auch noch aufgerauht sein muß, während die größten Beanspruchungen beim Warmformen an den Rändern liegen. Durch Verwendung einer Deckschicht mit /u den Rändern hin abnehmbarer Wanddicke wird diesen beiden Bedürfnissen auf einfache Weise Rechnung getragen, indem der Schalenkörper zum mittigen Bereich hin verstärkt wird und die Probleme, die sich beim Warmverformen ergeben, stark vermindert werden.
Durch die im Anspruch 5 angegebene Maßnahme läßt sich eine weitere Gewichtsreduzierung des Schalenkörpers erreichen, die Verträglichkeit und das Haftvermögen der beiden Teilschichten miteinander verbessern und eine Erhöhung der Haftfestigkeit mit einem im Schalenkörper anzubringenden Schaumstoffkern erreichen.
Bevorzugte Materialien für die beiden Teilschichten sind in den Ansprüchen 6 und 7 angegeben.
Die im Anspruch 8 angegebene Maßnahme führt zu einer weiteren Haftungsverbesserung der beiden Teiischichten aneinander, wobei es vorzuziehen ist, nur die Schicht aus Polystyrolderivat mit linearem Polyester rein zu vermischen und die außenliegende Schicht aus linearem Polyester rein zu verwenden, um deren ausgezeichnete Oberflächeneigenschaften zu erhalten. Ein weiterer Vorteil in dieser Maßnahme besteht darin, daß Abfallprodukte aus bereits coextrudierten Schichten wieder verwendbar werden.
Die Maßnahmen nach Anspruch 9 dienen der weiteren Verbesserung der physikalischen Eigenschaften des Schichtaufbaus, insbesondere deren Zähigkeit und Bruchfestigkeit
Die Ansprüche 10 bis 12 betreffen ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen des Schalenkörpers des Wasserfahrzeuges, wobei insbesondere wichtig die Maßnahme nach Anspruch 10 ist. Durch Verwendung von reaktiv wirkendem Gas beim Verbinden der coextrudierten Schichten wird eine ausgezeichnete und dauerhafte Haftung der Schichten aneinander erreicht.
Durch die Beheizung wenigstens der ersten Schicht nach ihrer Extrusion gemäß Anspruch 11 wird sichergestellt, daß die relativ dünne erste Schicht zu ihrer Verbindung mit der zweiten Schicht auf dem erforderlichen Temperaturniveau gehalten wird, da insbesondere bei der Verwendung von Polycarbonat oder Polyterephthalaten als erste Schicht die Temperatur dieser Schicht für das Erreichen einer guten Haftung eine wesentliche Rolle spielt. Eine besonders einfache Möglichkeit der Beheizung der ersten Schicht ist im Anspruch 12 angegeben.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.
Die einzige in der Zeichnung dargestellte Figur zeigt einen Ausschnitt aus einem Segelbrett bestehend aus einem im Tiefziehverfahren hergestellten ein- oder zweiteiligen Schalenkörper mit dem hier wesentlichen Schichtaufbau, bestehend aus einer ersten Schicht 1 und einer zweiten Schicht 2. Der Hohlraum des Schalenkörpers ist mit Polyurethanschaumstoff 3 ausgeschäumt.
Die erste Schicht 1 (Außenschicht) besteht aus einem linearen Polyester, wie PC (Polycarbonat), PETP (PoIyäthylenterephthalat), PBTP (Polybutylenterephthalat) oder PA6 (Polyamid 6), vorzugsweise PC oder PBTP mit einer Schichtdicke von 0,08 bis 0,3 mm, vorzugsweise 0,2 mm. Die innenliegende zweite Schicht 2 besteht aus einem Polystyrolderivat, wie BS (Butadienstyrol), ABS (Acrylbutadienstyrol), ASA (Acrylnitrilstyrolacrylester) oder SAN (Styrolacrylnitril) mit einer Wanddicke im Bereich von 0,8 mm, vorzugsweise 1,2 bis 1,6 mm. Die beiden Thermoplaste sind in einem Coextrusionsverfahren gemeinsam extrudiert und unmittelbar nach ihrer Extrusion in noch plastischem Zustand miteinander, vorzugsweise unter Anwendung von Druck, unter An-
wendung beispielsweise von Druckwalzen, miteinander verbunden und anschließend durch ein Warmformverfahren in die gewünschte Form des Schalenkörpers gebracht. Beide Schichten 1 und 2 aus Thermoplasten X und Y können mit einem Anteil bis zu 35% mit dem jeweils anderen Thermoplast Y bzw. X vermischt sein, wobei es sich aber empfiehlt, nur die Schicht als Mischung auszubilden. Es besteht auch die Möglichkeit, zum Abmischen des Thermoplasten X bzw. Y nicht den identischen Thermoplasten Y bzw. X der jeweils anderen Schicht zu verwenden, sondern lediglich einen solchen aus der Reihe der linearen Polyester bzw. aus der Reihe der Polystyrolderivate. Wesentlich ist, daß die Schicht 1 möglichst lichtundurchlässig ausgebildet ist, was durch verschiedene Maßnahmen und auch Kombinationen dieser Maßnahmen erreicht werden kann. Eine Maßnahme besteht darin, den Thermoplasten X der Schicht 1 mit einem lichtabsorbierenden Farbmittel vor der Extrusion zu vermischen. Es eignen sich dafür Weißpigmente, z. B. Titanoxid oder Ruß oder Buntpigmente oder UV-Lichtabsorber bzw. deren Mischungen. Eine weitere Maßnahme ist darin zu sehen, lichtstreuende Partikel einzufügen, die die Weglänge des Lichtes in der Schicht 1 erhöhen und damit zur stärkeren Absorption des Lichtes führen. Eine weitere Maßnahme ist darin zu sehen, die außenliegende Fläche der Schicht 1 mit lichtabsorbierenden oder reflektierenden Materialien zu bedrucken oder zu beschichten.
Wie bereits oben ausgeführt ist, werden die erste Schicht 1 und die zweite Schicht 2 gemeinsam extrudiert und in noch plastischem Zustand als ebene Bahnen miteinander verbunden. Die Verbindung erfolgt derart, daß auf die miteinander zu verbindenden Oberflächen ein reaktives Gas, wie Sauerstoff, Ozon, Chlor oder auch Mischungen dieser Gase mit Stickstoff, aufgeströmt werden, die Bahnen über zueinander parallele Führungswalzen geführt werden, zwischen denen sie mit einem Druck von beispielsweise 2 bis 12 bar aufeinandergedrückt werden. Es können auch mehrere solcher Walzenpaare nacheinander vorgesehen sein, um Schrumpferscheinungen oder Verwerfungen, die sich mit dem Abkühlen der Materialien ergeben, entgegenzuwirken. Da die Schicht 1 aus linearem Polyester die Extrusionsdüse mit einer höheren Temperatur verläßt als die Schicht 2 aus Polystyrolderivat und beide Materialien im noch plastischen Zustand miteinander zur Vereinigung kommen, empfiehlt es sich, die Schicht 1 im Bereich zwischen der Düse und der Vereinigungsstelle oder auch an der Vereinigungsstelle selbst zu beheizen. Dies kann auf übliche Weise durch beheizte Führungs- oder Druckwalzen geschehen. Zur Beheizung sind auch Flächenstrahler oder heiße Gase denkbar.
Zur Abwandlung der mechanischen Eigenschaften dieser Schichtanordnung können die einzelnen Schichten auch noch Verstärkungsmaterialien, wie Glasfasern, Glasfaden oder daraus hergestellte Strukturen enthalten, wobei man diese Verstärkungsmaterialien üblicherweise nur in die Schicht 2 einbetten wird, um diese gegenüber der Schicht t aus linearem Polyester weichere Schicht 2 zu verfestigen und die ausgezeichneten Ober- ω flächeneigenschaften: wie Glanz und Glätte, beispielsweise durch eine Polycarbonatschicht als Deckschicht nicht zu stören. Gegebenenfalls kann die Schichtanordnung im allgemeinen Fall auch aus einer Verdoppelung des Aufbaus aus den Schichten t und 2 bestehen, oder aus zwei Schichten 1, die zwischen sich eine Schicht 2 einbetten.
Die Schicht 2 aus Polystyrolderivat kann ganz oder teilweise geschäumt sein, um das Gewicht des Schalenkörpers zu erniedrigen und die Hafteigenschaften zu den angrenzenden Schichten zu erhöhen.
Da die Zeichnung lediglich einen Ausschnitt aus einem Segelbrett zeigt, ist daraus nicht zu ersehen, daß die Schicht 1 über die Breite des Segelbretts unterschiedlich stark ausgebildet ist. Während sie im Mittelbereich entlang der Längsachse des Segelbretts 0,3 mm beträgt, nimmt sie nach den Seiten kontinuierlich bis auf 0,15 mm ab.
Bei einem Segelbrett mit einer Länge von 3650 mm, einer Breite von 690 mm und einem Volumen von ca. 220 Liter reichte beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Schalendicke von 1,2 bis 1,5 mm aus, was ein Gesamtgewicht von 16,5 kg ergab, um das gleiche Steifigkeitsverhalten wie ein Brett aus einschichtigem Polystyrolmaterial unter Verwendung von Schalen einer Dicke von 1,9 bis 2,5 mm mit einem Gesamtgewicht von 19,5 bis 22 kg bei gleicher Ausschäumung und Ausstattung zu erhalten. Zur Simulierung des Verhaltens des Gerätes bei aufschlagenden Wellen auf das Vorschiff wurden Segelbretter mit einer steigenden Gewichtskraft von 50 N bis 500 N auf den Bug belastet. Es wurde die Deformation im Kurzzeit- und im Langzeitversuch gemessen. Dabei zeigte sich, daß das erfindungsgemäß hergestellte Segelbrett wesentlich steifer als die Vergleichssegelbretter ist.
Bei Schwing- und Fahrversuchen erwiesen sich die erfindungsgemäß hergestellten Segelbretter steifer, schwingungsstabiler und die Benutzer hatten den Eindruck einer größeren Wendigkeit, eines schnelleren Anspringens und einer höheren Geschwindigkeit.
Für die Beurteilung des praktischen Verhaltens der Geräte gegen Beanspruchung durch Schlag oder Stoß wurde die Fallkörperprüfung herangezogen. Es zeigte sich, daß erfahrungsgemäß festgestellte ausreichende Schlagfestigkeiten von 3 · 10~2 N/cm2 bei Anwendung von herkömmlichem einschichtigen Material aus Polystyrolderivaten bestenfalls bei einer Materialdicke von 2,5 mm erreicht wurden, während dieser Grenzwert bei Verwendung von erfindungsgemäßem Material bei einer Dicke von 1,8 mm bei 0,2 mm PC-Beschichtung überschritten wird.
Als Beispiel für ein Wassersportfahrzeug, für das sich der angegebene Schichtaufbau eignet, ist oben lediglich das Segelbrett angegeben. Weitere Wassersportfahrzeuge, für die sich dieser Schichtaufbau eignet, sind Bootskörper für Jollen und Katamarane, Kajaks und Kanus.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:
1. Schalenkörper für ein Wassersportfahrzeug, insbesondere ein Segelbrett, mit einer Schicht aus thermoplastischem Kunststoff, die wenigstens zwei miteinander verbundene Teilschichten aufweist, deren eine Teilschicht aus einem thermoplastischem Polyester besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsam extrudierten Teilschichten (1,2) unmittelbar nach ihrer Extrusion in noch plastischem Zustand miteinander verbunden sind, daß die erste Schicht aus Polyester (1) überwiegend aus einem Thermoplast X aus der Reihe der linearen Polyester und die zweite Schicht (2) überwiegend aus einem Thermoplast Y aus der Reihe der Polystyrolderivate besteht, und daß die erste Schicht (1) eine Wanddicke von etwa 0,08 bis 03 mm und die zweite Schicht (2) eine Wanddicke von etwa 0,8 bis 1,8 mm aufweist
2. Schalenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) für Licht undurchlässig ausgebildet ist
3. Schalenkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die zweite Schicht (2) etwa die achtfache Wanddicke der ersten Schicht (1) aufweist.
4. Schalenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) quer zu ihrer Extrusionsrichtung mit unterschiedlicher Wanddicke derart ausgebildet ist, daß ihre Wanddicke in der Mitte zwischen den seitlichen Rändern am größten ist und zu den seitlichen Rändern hin auf etwa 50% dieser maximalen Wanddicke gleichmäßig abfällt.
5. Schalenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der zweiten Schicht (2) durch Aufschäumen beim Extrudieren auf etwa 90% bis 50% der Ausgangsdichte verringert ist.
6. Schalenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet daß die erste Schicht (1) aus PC (Polycarbonat), PETP (Polyäthylenterephthalat), PBTP (Polybutylenterephthalat) oder PA6 (Polyamid 6) besteht.
7. Schalenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (2) aus BS (Butadienstyrol), ABS (Acrylbutadienstyrol), ASA (Acrylnitrilstyrolacrylester) oder SAN (Styrolacrylnitril) besteht.
8. Schalenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) mit Thermoplasten Y aus der Reihe der Schicht 2 eines Gewichtsanteils bis zu 35% und/oder daß die zweite Schicht (2) mit Thermoplasten λ" aus der Reihe der Schicht 1 eines Gewichtsanteils bis zu 35% gemischt ist, vorzugsweise, daß nur die Schicht (2) mit einem Anteil der Thermoplaste X vermischt ist.
9. Schalenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) und/oder die zweite Schicht (2) mit Verstärkungsmaterialien, wie Glasfasern, Glasfaden, Glasmatten oder daraus hergestellten Strukturen vermischt ist.
10. Verfahren zum Herstellen eines Schalenkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander zu verbindenden Schichten (1, 2) vor ihrer Verbindung mit reaktiv wirkendem Gas, wie Sauerstoff, Ozon und/oder Chlor, oder ihren Mischungen mit Stickstoff, behan
delt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß wenigstens die erste Schicht (1) nach ihrer Extrusion beheizt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß die erste Schicht (1) zur Beheizung über eine beheizte Walze geführt wird.
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