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Die Erfindung betrifft Verbundkunststoffe, insbesondere für die
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Verwendung als Speicher für Wasser oder überwiegend wässriger Lösungen.
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Unter Verbundwerkstoffen werden Werkstoffe zusammengefaßt, die sich
aus verschiedenen Stoffgruppen wie Metallen, Kunststoffen, Gläsern oder keramischen
Materialien zusammensetzen und somit Werkstoffeigenschaften aufweisen, die von einer
einzelnen Stoffgruppe nicht realisiert werden können. Zu den wichtigsten Verbundwerstoffen
zählen die Faserverbundwerkstoffe, bei denen die hohe Festigkeit bestimmter Materialien
in Form von Faden oder extrem dunnen Einkristallnadeln ausgenutzt wird, um dadurch
einen Basiswerkstoff fester und steifer zu machen, d.h. also die Festigkeit und
den Elastizitätsmodul zu erhöhen Der Basiswerkstoff übernimmt dabei die Aufgabe,
die Fasern räumlich zu fixieren, sie vor Korrosion zu schutzen und schließlich die
Krafteinleitung auf die Fasern zu optimieren. Zu den bekanntesten Faserverbundwerkstoffen
zahlen Glas- und kohlefaserverstärkte Kunststoffe, wie sie beispielsweise zur Herstellung
von Haushaltsgegenstanden, Silos oder im Fahrzeugbau bereits seit langem Anwendung
finden. Auch Verbundwerkstoffe aus zwei oder mehreren
verschiedenen
Kunststoffen, jeweils entweder modifiziert oder nicht, sind bereits bekannt und
werden als sogenannte Sandwich-Werkstoffe zusammengefaßt; auch in diesen Fällen
versucht man, durch die Kombination verschiedener Kunststoffe eine Reihe von wünschenswerten
Eigenschaften zu optimieren. Sandwich-Kunststoffe können im Spritzguß hergestellt
werden, wobei das Quellen der Massen beim Einströmen in die Form ausgenutzt wird;
die an den-Formwandungen haftende und erstarrende Haut der Randmasse wird mit andersartiger
Kernmasse aufgebei fullt. Auch Strangpressen ist möglich, denn/der Sandwich-Koextrusion
wird mit getrennten Masseströmen für Haut und Kern gearbeitet, die in der Düse zusammengeführt
werden. Auch Warmformungsverfahren zur Herstellung von Sandwich-Stukturen sind durchaus
gebräuchlich und werden insbesondere fur thermoplastische Kunststoffe eingesetzt.
Auch Verkleben oder Verschweißen sind als Herstellungsverfahren möglich und werden
teilweise auch durchgeführt.
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Verbundkunststoffe haben sich auf vielen Gebieten als Ersatz für die
bisher üblichen Werkstoffe bereits eingefwhrt, es gibt aber immer noch Anwendungsbereiche,
in denen bislang diese Produkte nicht eingesetzt werden konnten, weil entweder ihre
mechanischen Eigenschaften oder andere Besonderheiten die Verwendung anstelle von
Metall- oder Glaswerkstoffen bisher nicht möglich machte. Zu diesen Einsatzbereichen
zählt beispielsweise die Herstellung von Wasserspeichern, insbesondere der sogenannten
Thermen, die heute praktisch ausschließlich noch aus emailliertem Stahl bestehen.
Emaillierte Stahlspeicher sind aber ausgesprochen korrosionsanfällig, da sich Haarrisse
in der Emailleschicht kaum vermeiden lassen und die Geräte regelmäßig bei Temperaturen
um etwa 60° oder darüber betrieben werden und nicht nur der Laie, sondern auch der
Fachmann häufig verblufft ist über die korrosiven Eigenschaften von Brauch- und
Trinkwasser bei derartig erhohten Temperaturen. Erfahrungsgemäß halten derartige
Wasserspeicher nur für eine Betriebszeit von ungefähr 2 Jahren und müssen dann wegen
Korrosionsschäden ersetzt werden. Es sind bereits zahlreiche Überlegungen angestellt
und auch eine Reihe von Versuchen durchgeführt worden, solche Wasserspeicher aus
Kunststoffen anstelle von Metall herzustellen, allerdings haben diese Versuche bislang
nicht zu einem brauchbaren Ergebnis geführt. Dies liegt
einerseits
daran, daß Wasserspeicher in der Regel ein beträchtliches Volumen bis einige 100
1 umfassen müssen und daher wegen der mechanischen Eigenschaften der Kunststoffe
Wandungsdicken notwendig werden, die zu sehr großen raumfüllenden Geräten führen,
die zudem in der Herstellung aufwendig und daher im Vergleich zu den konventionellen
Speichern kaum oder überhaupt nicht konkurrenzfähig sind. Als besonderer Nachteil
hat sich aber erwiesen, daß bei der Verwendung herkömmlicher Kunststoffe zwar die
Lebensdauer gegenüber Metallgeräten etwas verlängert werden kann, andererseits aber
keine tatsächlich beträchtlich verlängerte Lebens dauer in der Größenordnung von
etwa. 10 Jahren erzielbar ist, weil das im Behälter -enthaltende Wasser bei erhöhter
Temeperatur auch zu Veränderung bei den Kunststoffen führt. Kunststoffe mit Ester-
oder Amidbindungen unterliegen bereits nach verhältnismäßig kurzer Zeit einer gewissen
Hydrolyse, so daß von der Innenseite des Behälters her aufgrund der chemischen Veränderungen
die mechanische Stabilität des gesamten Speichers uber kurz oder lang sehr verschlechtert
wird und eine verlängerte Lebensdauer des Gerätes nicht gegeben ist. Bei Verwendung
von glasfaserverstärkten Kunststoffen ist es sogar schon vorgekommen, daß nach einiger
Zeit durch die chemische Veränderung an der Innenseite des Speichers sogar Glasfasern
freigesetzt werden, was eine Gefährdung bei Verwendung als Brauch- und Trinkwasser
bedeutet. Fur die Verwendung als Speicher für größere Mengen Wasser oder überwiegend
wässriger Lösungen war daher bisher die Verwendung von Kunststoff nicht erfolgversprechend,
so daß der Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, einen neuen Verbundkunststoff zu
entwickeln, der auch für diese Verwendungszwecke eingesetzt werden kann.
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Es wird daher ein Verbundkunststoff vorgeschlagen, der gekennzeichnet
ist durch eine Kombination aus glasfaserverstärkten ungesättigten Polyesterharzen
und styrolmodifiziertem Polyphenylenoxid.
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Ungesättigte Polyesterharze, meist als UP abgekurzt, sind bekannte
Duroplaste, die durch Veresterung durch Dialkoholen, vorwiegend Ethylenglycol bis
Butylenglycol mit Fumarsäure oder Maleinsäureanhydrid und teilweise gesãttigten
Disäuren wie Phthalsäure, Ishthalsäure odstr Het-Säure oder Adipinsäure hergestellt
werden. Teilweise wird auch Diallylphthalat einkondensiert und die Polyester auch
noch mit Styrol
vermischt. Die exotherme Vernetzungspolymerisation
zwischen den Polyesterketten wird im allgemeinen durch Peroxidhärter oder Bestrahlung
initiiert. Ungesättigte Polyesterharze werden zu einem großen Teil im Bauwesen als
Zusatz zu Beton oder Klebemõrteln, in der Elektrotechnik als Gießharze und für Formteile
verwendet, im letzteren Fall meist als faserverstärkte Kunststoffe. Hierfur werden
meist Glasfasern eingesetzt, deren Anteil in der Mischung zwischen etwa 10 bis 80%,
je nach Anwendungszweck, betragen kann. Ungesättigte Polyesterharze sind im Handel
als sogenannte Prämixe erhältlich, denen vor der Verarbeitung nur noch der Härter
zugesetzt werden muß. Außer mit Glasfasern können ungesättigte Polyesterharze beispielsweise
auch mit Kohlefasern oder mit Fasermatten oder Fasereinlagen verstärkt sein. Je
nach Zusammensetzung der Polyestermischung und dem Anteil an Faserverstärkung können
Biegefestigkeit und Zugfestigkeit in weiten Bereichen eingestellt werden. Erfindungsgemäß
werden solche Polyesterharze bevorzugt, die einen Glasfaseranteil von 2 etwa 25
bis 30% und eine Zugfestigkeit von etwa 70 bis 120 N/mm und eine 2 Biegefestigkeit
von etwa 120 bis 180 N/mm aufweisen.
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Polyphenylenoxid ist ein Thermoplast, abgekurzt PPO, der durch Polykondensationen
von disubstituierten Phenolen mit relativ kleinen Seitengruppen hergestellt wird.
Der sich dabei bildende Polyether weist eine hohe Steifigkeit und eine hohe Formbeständigkeit
in der Wärme auf und verfugt uberdem nur über ein geringes Wasseraufnahmevermögen.
Heute werden vorzugsweise nicht Polyphenylenoxid, sondern mit Styrol modifiziertes
Polyphenylenoxid eingesetzt, da bei dem Homokondensat bei höheren Temperaturen ein
oxidativer Abbau festgestellbar ist. Das modifizierte PPO weist hingegen eine höhere
Wärmebeständigkeit und auch eine höhere Oxidationsbeständigkeit bei sonst im wesentlichen
unveränderten mechanischen Eigenschaften auf. Modifiziertes PPO wird zu einer Reihe
von Formteilen wie beispielsweise Zubehör zu Rundfunk- und Fernsehgerãten, Schaltergehäusen,
Armaturen, Schloßteilen usw. verarbeitet. Modifiziertes PPO gilt als gesundheitlich
unbedenklich und ist von der FDA zugelassen.
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Es war an und für sich bekannt, daß Polyphenylenoxid und auch dessen
modifizierte Varianten beim Dauereinsatz in Luft bei erhöhten Temperaturen zu oxidativem
Abbau neigen, desto überraschender war die Feststellung, daß bei Verwendung von
modifiziertem Polyphenylenoxid als Innenauskleidung von Wasserspeichern eine hervorragende
Beständigkeit gegen Oxidation und Hydrolyse festzustellen ist. Im Gegensatz zu allen
bisher erprobten Kunststoffen konnten auch nach mehrjährigem Gebrauch keine korrosiven
Veränderungen oder eine Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften der Innenhaut
aufgefunden werden, so daß sich erfindungsgemäß Wasserspeicher mit einer sicheren
Lebensspanne von 10 Jahren herstellen lassen. Allerdings ist die mechanische Belastbarkeit
bei Verwendung als unter Druck stehender Speicher bei modifiziertem PPO nicht hinreichend,
als daß die Speicherschalen nur aus diesem Kunststoff hergestellt werden könnten.
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Erfindungsgemäß wird daher modifiziertes PPO als Innenteil des Verbundwerkstoffes
und glasfaserverstärktes Polyesterharz als Außenseite des Speichers vorwendet. Die
besseren mechanischen Eigenschaften der Polyester, nämlich Zugfestigkeit und Biegefestigkeit
im Bereich von etwa 70 bis 120 bzw. 120 bis 180 N/mm2 im Gegensatz zu etwa 40 bis
60 und 85 bis 105 N/mm² bei modifiziertem Polyphenylenoxid ermöglichen auch die
Herstellung großer Formen, die vorzugsweise im Spritzguß, durch Warmverformung oder
durch Auftrag von Glasfasern und Ester auf die vorgefertigte Innenschale hergestellt
werden.
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Selbstverstãndlich können die erfindungsgemäßen Verbundkunststoffe
nicht nur zu Wasserspeichern für Brauch- oder Trinkwasser zum Einsatz kommen, sondern
auch auf allen anderen Gebieten, in denen Wasser oder überwiegend wässrige Lösungen
bei erhöhten Temperaturen gespeichert werden mussen, wie beispielsweise in Industrieanlagen,
Gewerbebetrieber usw.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispieles näher erläutert:
Beispiel Ein Präfix aus UP mit einem Glasfaseranteil von etwa 25% wird nach Zusatz
eines Photohärters im Negativverfahren zu Speicherhalbschalen tiefgezogen. Nach
Lichtaushärten und Abtrennen der Ränder dienen die Behãlterhalbschalen bei der weiteren
Bearbeitung selbst als Form. Die Halbschalen werden an der Flanschöffnung und ggf.
an anderen vorgesehenen Öffnungen mit einem Haftvermittler versehen, dann wird in
die Form eine Halbschale aus modifiziertem PPO eingezogen.
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Die Wandstärke dieser zweiten Halbschale kann in weiten Bereichen
variiert werden.
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Als modifiziertes PPO wird vorzugsweise ein solches mit einer Wasseraufnahmefähigkeit
von höchstens 0,08 %, im allgemeinen aber unter 0,07 % eingesetzt.
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Die Behälterhälften werden nach Anbringung der Öffnungen, Flansche
und Anschlüsse in üblicher Weise, z.B. durch Ultraschallschweißen, Verkleben oder
Schrauben zusammengefügt.
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Die weitere Erläuterung erfolgt anhand der beigefügten Abbildungen,
wobei Abb. 1 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Verbundkunststoff und
Abb. 2 einen Querschnitt durch einen Speicher darstellt.
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Abb. 1 zeigt einen Querschnitt durch den Verbundkunststoff, wobei
sich die eine Schicht aus modifiziertem PPO und die andere Schicht aus glasfaserverstärktem
UP zusammensetzt.
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Abb. 2 zeigt in Querschnitt mit stark vergrößert gezeichneten Wandungen
einen Speicher 1, bei dem die Wandungen innenseitig aus modifiziertem PPO und außenseitig
aus glasfaserverstärktem Polyesterharz gebildet sind.
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- L e e r s e i t e -