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Faserverstärktes Kunststoffrohr und Schleuder-
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gußverfahren zu seiner Herstellung" Die Erfindung richtet sich auf
die Herstellung faserverstärkter Kunststoffrohre nach dem Schleudergußverfahren,
bei dem in-situ an den Rohrenden Absätze ausgebildet werden. Derartige Rohre werden
auch Spitzendrohre bezeichnet.
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Rohre aus glasfaserverstärktem Kunststoff, insbesondere glasfaserverstärkten
Kunststoffen wie Polyesterharzen und Vinylesterharzen, besitzen hervorragende chemische
Beständigkeit, wie Beständigkeit gegenüber Säuren oder anderen korrosiven Stoffen.
Die Rohre haben aber auch gute physikalische Eigenschaften. Aus diesem Grund sind
faserverstärkte Kunststoffrohre insbesondere als Kanalrohre für Abwasserkanäle und
für andere Zwecke geeignet.
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Im allgemeinen bestehen die faserverstärkten Kunststoffrohre aus einem
Kunststoff, beispielsweise gehärteten
Polyester- oder Vinylesterharzen
mit einem Verstärkungsmittel, beispielsweise Stapelfasern aus Glas oder Wicklungen
aus endlosen Glasfasern und einem Füllstoff, beispielsweise Sand in schichtförmiger
Verteilung oder über die ganze kontinuierliche Matrix des Kunststoffes dispergiert.
Der spezielle Aufbau von faserverstärkten Rohren, beispielsweise die Verteilung
des Verstärkungsmaterials und des Füllstoffes im Kunststoff und die Mengen der verwendeten
Komponenten hängen von den gewünschten physikalischen oder chemischen Eigenschaften
ab, die sich jeweils nach dem speziellen Anwendungszweck der Rohre richten.
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In der DIN-Norm 16 869, die sich auf Rohre aus glasfaserverstärktem
Polyesterharz nach dem Schleudergußverfahren richtet, sind sowohl Festigkeitseigenschaften
der Rohre in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser, als auch die Verwendung bestimmter
Werkstoffe und ein möglicher Wandaufbau beschrieben.
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Wegen der begrenzten Rohrlängen bei der Herstellung nach dem Schleudergußverfahren
ist es beim Verlegen der Rohre erforderlich, diese fest und dauerhaft miteinander
zu verbinden. Insbesondere bei der Verlegung nach dem Vortriebsverfahren werden
deshalb an den Rohrenden Absätze angeordnet, über die an den aneinanderstoßenden
Rohrenden Verbindungsmanschetten befestigt werden. Zwischen der Außenseite des Rohres
im Bereich des Absatzes und der Verbindungsmanschette werden dabei üblicherweise
Dichtungen angeordnet, meistens in zusätzlich ausgebildeten Nuten. Es ist jedoch
auch bekannt, ein Rohrende mit einem relativ flachen Absatz auszustatten und darauf
direst die Verbindungsmanschette aufzukleben oder fest und dicht aufzuschrumpfen.
Das in diese überstehende Manschette einzuschiebende andere Ende des nächsten Rohres
weist dann einen tieferen Absatz zur Aufnahme von Dichtungsmaterial auf.
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Bisher werden diese Absätze an den Rohrenden nachträglich durch Abtragen
eines Teils der Rohrwand hergestellt. Dieser zusätzliche Arbeitsgang erhöht die
Kosten der Rohrherstellung erheblich, denn er erfordert auch zusätzliche Einrichtungen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten
Kunststoffrohren zu schaffen, bei dem die gewünschten Ansätze an den Rohrenden direkt
bei deren Herstellung ausgebildet werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Schleudergußverfahren zum Herstellen
von faserverstärkten Kunststoffrohren, deren Wand verstärkende Fasern und teilchenförmige
Füllstoffe enthält, bei dem flüssiger Kunststoff, verstärkende Fasern und teilchenförmige
Füllstoffe in eine sich drehende Form eingetragen werden, anschließend der Kunststoff
gehärtet und das Rohr aus der Form entnommen wird. Das Kennzeichnende des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht darin, daß bei der Herstellung in-situ an beiden Rohrenden auf
der Außenseite der Rohrwand jeweils ein 40 - 150 mm langer Absatz durch Verwendung
einer Schleudergußform, in der auf der Innenseite an deren beiden Enden der Größe
der Absätze entsprechende Einsatzringe angeordnet sind, ausgebildet wird.
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Die Erfindung schließt auch ein Verfahren ein, bei dem insitu an ein
oder mehreren Stellen längs des Rohres auf dessen Außenseite 80 - 300 mm breite
Nuten durch Verwendung einer Schleudergußform, in der auf der Innenseite an ein
oder mehreren Stellen der Größe der Nuten entsprechende Einsatzringe angeordnet
sind, ausgebildet werden.
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Die Rohrwanddicke an den Absätzen oder den Nuten ist um ein Fünftel
bis ein Drittel verringert. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch Rohre
hergestellt werden, die an ihren Enden Absätze und in Längsrichtung Nuten
aufweisen.
Durch Aufteilung eines längeren Rohres jeweils in der Mitte der Nuten entstehen
kürzere Rohre mit Absätzen an beiden Enden.
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Vorzugsweise bildet man an beiden Rohrenden Absätze unterschiedlicher
Tiefe aus.
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Zur Herstellung kürzerer Rohre verwendet man vorteilhaft eine Schleudergußform
der doppelten Länge und bildet an beiden Rohrenden Absätze gleicher Tiefe und auf
der halben Länge des Rohres eine Nut aus, die tiefer oder flacher ist als die Absätze
an den Rohrenden. Durch Teilung dieses Rohres entstehen zwei kürzere Rohre.
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Zur Herstellung derartiger Absätze und Nuten werden an der Innenseite
der Schleudergußform Einsatzringe angeordnet, deren Breite der Länge der gewünschten
Absätze bzw. der Breite der Nuten entspricht. Die Dicke der Einsatzringe stimmt
mit der Tiefe der Absätze bzw. Nuten überein. Vorzugsweise sind die Seiten der Einsatzringe
in Richtung auf die Achse der Schleudergußform hin abgeschrägt. Die an den Enden
der Schleudergußform angeordneten Ringe sind an der dem Formrand zugewandten Seite
nicht abgeschrägt. Die Einsatzringe können aus dem gleichen Material bestehen wie
die Schleudergußform, es können jedoch auch andere Materialien verwendet werden.
Entscheidend ist, daß die Materialien selbst oder durch entsprechende Oberflächenbehandlung
sich vom ausgehärteten Kunststoff ohne Oberflächenbeschädigung ablösen lassen.
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Im allgemeinen ist die Fliehkraft der sich drehenden Schleudergußform
ausreichend, um die Einsatzringe so fest auf die Innenoberfläche der Form zu drücken,
daß ein seitliches Verschieben in Richtung der Längsachse der Form verhindert ist.
Es ist jedoch auch möglich, zusätzlich die Einsatzringe gegen seitliches Verschieben
mechanisch zu
sichern, beispielsweise durch Stifte oder Schrauben,
die durch die Wand der Schleudergußform bis in die Einsatzringe eingebracht werden.
Zum Entfernen des ausgehärteten Kunststoffrohres aus der Schleudergußform werden
diese mechanischen Sicherungen entfernt.
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Um nach dem Herausnehmen des Kunststoffrohres aus der Schleudergußform
die mit ausgetragenen Einsatzringe aus den Nuten des Kunststoffrohres entfernen
zu können, sind diese Einsatzringe aus mehreren voneinander lösbaren Segmenten zusammengesetzt.
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Es ist dabei besonders bevorzugt, nicht nur an den Enden der Rohre
Absätze auszubilden, sondern gleichzeitig auch noch in-situ Nuten längs des Rohres
mit auszubilden. Die Breite dieser Nuten wird vorzugsweise so ausgewählt, daß sie
das Doppelte der Länge der geerwünschten Absätze beträgt. Auf diese Weise ist es
möglich, in einer längeren Schleudergußform gleichzeitig in einem Gang mehrere kürzere
Rohre dadurch herzustel-Anschließend len, daß das längere Rohr uran den Nuten getrennt
wird.
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Werden Einsatzringe an den Enden der Schleudergußform und gegebenenfalls
weitere Einsatzringe in Längsrichtung mit gleicher Dicke verwendet, entsteht ein
oder mehrere Rohre mit gleich ausgebildeten Enden. Häufig ist es Jedoch erwünscht,
die Rohrenden mit unterschi-edlich tiefen Absätzen auszubilden. In einem solchen
Falle werden in der Schleudergußform Einsatzringe unterschiedlicher Dicke angeordnet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dieser Ausführungsform werden
in-situ an beiden Enden Absätze unterschiedlicher Tiefe ausgebildet.
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Sollen in einer längeren Schleudergußform gleichzeitig mehrere kürzere
Rohre mit unterschiedlicher Endausbildung hergestellt werden, ergeben sich Je nach
An-
zahl der vorgesehenen Nuten eine Reihe von Variationen der
Anordnung der Einsatzringe.
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Es können an beiden Rohrenden Absätze gleicher Tiefe und auf der halben
Länge des Rohres eine Nut ausgebildet werden, die tiefer oder flacher ist als die
Absätze an den Rohrenden. Dies wird erreicht durch Verwendung einer Schleudergußform
an deren beiden Enden Einsatzringe gleicher Dicke angeordnet sind und in der auf
der halben Länge ein Einsatzring angeordnet ist, der dicker oder dünner ist als
die Einsatzringe an den Rohrenden der Form. Wird das aus der Schleudergußform entfernte
Rohr dann in zwei Rohre geteilt, entstehen durch die von der Tiefe der Absätze an
beiden Rohrenden abweichende Nuttiefe zwei Rohre mit unterschiedlich tiefen Absätzen
an den Enden.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß man an den Rohrenden Absätze
mit unterschiedlicher Tiefe ausbildet und an zwei oder vier Stellen längs des Rohres
Nuten ausbildet, deren Tiefe größer oder kleiner ist als die Tiefe des Absatzes
des nächstliegenden Rohrendes und auf eine flache Nut in Längsrichtung eine tiefe
Nut folgt oder auf eine tiefe Nut eine flache folgt und wobei die Tiefe Jeder flachen
Nut mit der Tiefe des flacheren Absatzes am Rohrende und die Jeder tiefen Nut mit
der Tiefe des tieferen Absatzes am Rohrende übereinstimmt und jeweils alle tiefen
Nuten und Absätze und jeweils alle flachen Nuten und Absätze in ihren Tiefen übereinstimmen.
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Bei Anordnung von zwei Nuten entstehen drei Rohre, bei Anordnung von
vier Nuten fünf Rohre kürzerer Länge mit Jeweils unterschiedlich tiefem Absatz.
Dies wird dadurch erreicht, daß in der Schleudergußform von einem Rohrende beginnend
abwechselnd Jeweils Einsatzringe unterschiedlicher Dicke angeordnet werden. Dabei
haben die für die Ausbildung der Nuten dienenden Einsatzringe
die
doppelte Breite der Einsatzringe, die an den beiden Enden der zylindrischen Schleudergußform
angeordnet werden.
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Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
darin, daß man an den Rohrenden eines längeren Rohres Absätze gleicher Tiefe ausbildet
und an drei oder sechs Stellen längs des Rohres Nuten ausbildet, deren Tiefe größer
oder kleiner ist als die Tiefe der Absätze an den Rohrenden und die Tiefe der den
Rohrenden benachbarten Nuten von der Tiefe der Absätze an den Rohrenden abweicht
und auf eine flache Nut in Längsrichtung eine tiefe Nut folgt oder auf eine tiefe
Nut eine flache Nut folgt und wobei die Tiefe jeder flachen Nut mit der Tiefe eines
flachen Absatzes am Rohrende oder die Tiefe jeder tiefen Nut mit der Tiefe eines
tiefen Absatzes am Rohrende übereinstimmt und jeweils alle tiefen Nuten und Absätze
und jeweils alle flachen Nuten und Absätze in ihren Tiefen übereinstimmen. Bei Vorsehen
von drei Nuten entstehen aus einem längeren Rohr vier kürzere Rohre, bei sechs Nuten
sieben kürzere Rohre mit jeweils unterschiedlich tief ausgebildeten Ansätzen. Auch
in diesem Falle werden für die Ausbildung der Nuten vorzugsweise Einsatzringe verwendet,
die doppelt so breit sind wie die Einsatzringe, die an den Enden der Schleudergußform
angeordnet werden.
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Da die Festigkeit der Wand im Bereich der Absätze an den Rohrenden
durch die geringere Wandstärke verringert ist, kann dieses erfindungsgemäß dadurch
ausgeglichen werden, daß man an den beiden Rohrenden im Bereich der Absätze und
gegebenenfalls bei der Herstellung eines längeren Rohres mit Nuten im Bereich der
Nuten und in den den Absätzen und Nuten in Längsrichtung benachbarten Bereichen
der Wand den Anteil
an verstärkenden Fasern in der Rohrwand erhöht.
Dies wird dadurch erreicht, daß man beim Eintragen der Verstärkungsfasern und/oder
Füllstoffe in die Schleudergußform an den entsprechenden Bereichen in Längsrichtung
der Form zusätzlich Verstärkungsfasern einbringt.
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Dadurch, daß man diese zusätzliche Menge Jeweils bis in den Bereich
der vollen Wandstärke reichend vorsieht, wird insbesondere der Ubergang von der
dünneren Rohrwand zur dickeren Rohrwand besonders fest und stabil ausgebildet. Dies
ist von besonderer Bedeutung, wenn die erfindungsgemäßen Rohre mit der sogenannten
Vortriebstechnik verlegt werden sollen.
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Um die gewünschten chemischen und physikalischen Eigenschaften der
verstärkten Kunststoffrohre zu erreichen, wurden zahlreiche unterschiedliche Vorschläge
für den Aufbau derartiger Rohre bekannt. In DE-PS 16 75 205.
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ist ein verstärktes Kunststoffrohr beschrieben, bei dem der Anteil
an Füllstoffmaterial in radialer Richtung zumindest über ein Teil der Wand kontinuierlich
variiert. In DE-OS 27 26 499 ist ein mehrschichtiges verstärktes Rohr beschrieben,
bei dem der Anteil an Glasarmierung in einer Zone radial außerhalb einer mittleren
Zone von verstärkten Harzschichten geringer ist, als der Anteil von Glas in einer
Zone radial innerhalb der Mittelzone liegenden armierten Schichten. Das Verhältnis
des Glas anteils der Schichten der äußeren Zone zum Glasanteil der Schichten der
inneren Zone beträgt etwa 3:5.
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Bei der Herstellung von glasfaserverstärkten Kunststoffrohren durch
Schleudergußtechnik wird das Kunststoffmaterial kontinuierlich im allgemeinen im
flüssigen oder geschmolzenen Zustand in eine sich drehende Form eingebracht. Gleichzeitig
mit der kontinuierlichen Zufuhr des Kunststoffes oder schrittweise um die ge-
wünschten
Schichten auszubilden, werden Füllstoff und/ oder Verstärkungsmaterial in Form von
Fasern und/oder Füllstoff der zylindrischen Form in gewünschter Weise zugeführt.
Es ist Jedoch auch möglich, den Füllstoff und/oder die verstärkenden Fasern kontinuierlich
dem Harz zuzufügen, um ein verstärktes Rohr zu erhalten, in dem entweder beides,
Füllstoff oder Fasern, dispergiert sind, ohne daß sich bestimmte Schichten längs
der Rohrwand ausbilden.
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In DE-OS 15 49 374 ist ein Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen
verstärkten Kunststoffrohren beschrieben, bei dem die Schichten aus Kunststoff,
Faserverstärkung, beispielsweise Glasstapelfasern und/oder Füllstoff, beispielsweise
Sand, durch schrittweises Zuführen einer Mischung von Polymermaterial und geschnittenen
Glasfasern und/oder Füllstoff in eine rotierende Form erfolgt. Das Polymere wird
anschließend gehärtet, um einzelne verstärkte Schichten auszubilden. Nachdem eine
Schicht in dieser Weise erhalten wurde, erfolgt anschließend die Zufuhr von weiteren
Polymeren und Glasfaserverstärkung und/oder Füllstoff zu der rotierenden Form und
anschließende Härtung des Polymeren. Diese Schrittfolge wird so lange wiederholt,
bis die gewünschte Wandstärke des Rohres erreicht ist.
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Bei der Herstellung von faserverstärkten Rohren mit endlosen Fasern
anstelle von verstärkenden Stapelfasern wird grundsätzlich die gleiche Technik angewandt,
ausgenommen, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt während der Rohrherstellung ein oder
mehrere endlose Glasfaserstränge in der sich drehenden Form, im allgemeinen spiralförmig
angeordnet werden.
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In all diesen Fällen ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren
anzuwenden und bei der Herstellung der Rohre in-
situ die Absätze
an den Rohrenden durch Anordnung von entsprechenden Einsatzringen in der Schleudergußform
auszubilden.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn man die Gesamtmsnge
oder zumindest einen wesentlichen Teil des Kunststoffes anfänglich in die Form einbringt
und anschließend Füllstoff und/oder Verstärkungsmaterial darin dispergiert werden.
Weil der Füllstoff und/oder das Verstärkungsmaterial bei dieser Arbeitsweise durch
die Zentrifugalkraft der sich drehenden Form durch den flüssigen Kunststoff gedrückt
werden, wird eingeschlossene Luft nahezu vollständig ausgetrieben und Füllstoff
und/ oder Verstärkungsmaterial werden besonders gut vom Kunststoff benetzt. Dies
führt außerdem zu einer besseren Ausnutzung der Wirkung des Verstärkungsmaterials.
Rohre ausreichender Festigkeit mit den erwünschten Eigenschaften lassen sich bei
dieser Schrittfolge unter Verwendung von 6 Gew.% oder weniger Glasfasern als Verstärkungsmaterial
herstellen. Wird die Gesamtmenge an Kunststoff nicht vorgelegt, sondern Verstärkungsfasern
oder Füllstoffe oder Mischungen vorgelegt, ist es in der Regel erforderlich, 8 Gew.%
oder mehr Glasfaserverstärkungsanteile vorzusehen.
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Wird der wesentliche Teil des Kunststoffes oder die Gesamtmenge in
der Schleudergußform am Anfang eingetragen, ist es erforderlich, an den Enden der
Schleudergußform durch entsprechende Einrichtungen sicherzustellen, daß der flüssige
Kunststoff nicht aus der Form herausläuft. Werden die Verstärkungsmaterialien und/oder
Füllstoffe durch den Kunststoff aufgrund der Fliehkraft hindurchgetrieben, findet
zwangsläufig eine gewisse Separierung der Materialien nach Korngröße und Gewicht
statt. Diese Separierung tritt bei jedem Füllhub auf und ist im Schliffbild bei
entsprechender Vergrößerung zu erkennen.
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Bei der erfindungsgemäßen Arbeitsweise, insbesondere dann,
wenn
der flüssige Kunststoff zunächst in der Schleudergußform vorgelegt und die Füllstoffe
und Verstärkungsmaterialien dann eingetragen werden, wird beim Eintragen die Eintragseinrichtung
jeweils in Richtung der Längsachse der Schleudergußform durch diese hindurchbewegt.
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Dabei werden bei dem ersten Füllhub oder der ersten Gruppe mehrerer
Füllhübe zunächst die Bereiche der Form zwischen den Einsatzringen so ausgefüllt,
daß die Füllhöhe der Dicke der niedrigsten Einsatzringe erreicht wird.
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Der zweite Füllhub oder die zweite Gruppe von Füllhüben füllt erneut
alle Bereiche zwischen den Ringen, es werden jedoch auch die Bereiche der dünneren
Einsatzringe mitgefüllt, bis die Schichtdicke die Dicke der dickeren Einsatzringe
erreicht hat. Bei diesem Füllhub oder der Gruppe von Füllhüben werden im Bereich
der Einsatzringe geringerer Dicke und den benachbarten Bereichen bereits zusätzliche
Mengen an verstärkenden Fasern eingebracht.
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Anschließend erfolgt der dritte Hub oder eine dritte Gruppe von Füllhüben
über die gesamte Länge der Form, wobei in den Bereichen der dickeren Einsatzringe
und in deren Nachbarschaft zusätzliche Mengen an verstärkenden Fasern angeordnet
werden.
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Zwischen den einzelnen Füllhüben oder einer Gruppe Von Füllhüben wird
die Umdrehungsgeschwindigkeit der Schleudergußform jeweils zum Verdichten der Materialien
vorübergehend erhöht.
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Wird eine vorç^er,aischte usammensetzung aus flüssigem Kunststoff,
verstärkenden Fasern und Füllstoff in die sich drehende Form eingetragen, wird durch
entsprecnende Lunge der E~üllhübc zunächst der Bereich zwischen den Sinsatzringen
ausgefüllt und erst bei anschließenden, sich über die Lange der Form erstreckenden
Büllhübenvird
auch der Bereich der Einsatzringe aufgefüllt. Werden
Fasern und/oder Füllstoffe in der Form vorgelegt, ist es vorteilhaft zuerst die
Bereiche zwischen den Einsatzringen zu beschicken und zu füllen und dann den flüssigen
Kunststoff und ggfs. weiteres lillmaterial in diese Bereiche einzubringen, bis die
Fülldicke die Dicke der niedrigsten Einsatzrint,e erreicht ist.
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Danach werden alle Bereiche der Form, einschließlich der Bereiche
der Einsatzringe befüllt, wobei ggfs zunächst nur Bereiche zwischen dickeren Einsatzringen
einschließlich dünnerer Einsatzringe mit material aufgefüllt werden, ehe die Beschickung
über die lanze Lange der Form erfolgt.
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Bei Verwendung von las ermatten und/oder Endlosfasern ist es vorteilhaft
wenn damit in jedem falle Bereiche der Sinsatzringe und die fachbarschaft verstärkt
werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Rohre in Längen von ca.
1 m bis 6 m hergestellt werden, wobei als Vortriebsrohre Längen von 1 bis 3 m bevorzugt
sind. Die Rohre weisen Innendurchmesser von 150 mm bis 3000 mm, je nach Anwendungszweck
auf. Die Wanddicke richtet sich nach dem Einsatzzweck und den statischen Anforderungen.
Ublich sind Wanddicken von 15 bis 150 mm, vorzugsweise 15 bis 120 mm.
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Der zur Herstellung derartiger Rohre geeignete Kunststoff kann jeder
wärmeabbindende Kunststoff sein, der die erforderlichen chemischen und physikalischen
Eigenschaften des verstärkten Kunststoffrohres ergibt. Im allgemeinen ist es besonders
vorteilhaft, ein Vinylesterharz, ein ungesättigtes Polyesterharz oder eine verträgliche
Mischung derselben zu verwenden. Beide, Vinylesterharze und ungesättigte Polyesterharze,
sind bekannt,
Die besonders vorteilhaften Vinylesterharze sind
solche, die aus Umsetzung einer Epoxyverbindung, die entweder ein Monomeres oder
ein Polymeres mit ein oder mehreren Oxirangruppen im Molekül aufweist, mit einer
ethylenisch ungesättigten Carbonsäure entstehen. Die Epoxyverbindungen können gesättigte
oder ungesättigte aliphatische, alizyklische oder aromatische Kohlenwasserstoffe,
neutral substituierte aliphatische, alizyklische oder aromatische Kohlenwasserstoffe
oder Mischungen derselben sein.
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Zu den Epoxyverbindungen, die zur Herstellung von Vinylester geeignet
sind, gehören Polyglycidylether von mehrwertigen Alkoholen oder mehrwertigen Phenolen,
epoxidierte Novolacke, epoxidierte Fettsäuren oder trocknende Ölsäuren, ebenso wie
epoxidierte ungesättigte Polyester. Kautschukmodifizierte Epoxyverbindungen, wie
beispielsweise das Umsetzungsprodukt von ein oder mehreren Polyepoxiden mit endständige
Carboxylgruppen enthaltendem Butadien/Acrylonitril können ebenso als Epoxy-Komponente
verwendet werden.
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Vorzugsweise enthält die Epoxy-Komponente mindestens 1, ganz besonders
bevorzugt mindestens 1,1 Oxirangruppen pro Molekül. Die besonders bevorzugten Epoxyverbindungen
sind die Polyglycidylether von mehrwertigen Alkoholen oder mehrwertigen Phenolen
oder Kombinationen dieser Epoxide mit jeder anderen oder mit ein oder mehreren anderen
Epoxyverbindungen. Ein ganz
besonders bevorzugtes Polyepoxid ist
der Diglycilether von 2,2-bis(4-hydroxyphenyl) Propan.
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Zu den zur Veresterung der Epoxyverbindung geeigneten Carbonsäuren
gehören aliphatische, alizyklische oder aromatische ethylenisch ungesättigte Carbonsäuren.
Die Säure kann entweder eine einwertige oder eine zweiwertige Carbonsäure sein.
Zu den geeigneten ungesättigten Monocarbonsäuren gehören Acrylsäure, Methacrylsäure
und ihre Halogenderivate, Zimtsäure, Crotonsäure und CL -Phenylacrylsäure und Mischungen
derselben. Weiterhin Hydroxyalkylacrylat oder Methacrylat-Halbester von Dicarbonsäuren,
wobei die Hydroxyalkylgruppe vorzugsweise 2 bis 6 Kohlenstoffatome aufweist.
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Die ganz besonders bevorzugten Säuren sind Acrylsäure und Methacrylsäure.
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Die Vinylester können zwischen flüssig und fest variieren und sind
im allgemeinen frei von Hydroxy-, ethylenischen und Epoxy-Gruppen. Alle oder einige
der Hydroxy-Gruppen der Vinylesterharze können, wenn es gewünscht ist, mit Säureanhydriden
umgesetzt werden, vorzugsweise mit mehrwertigen Carbonsäurenanhydriden, wie beispielsweise
Maleinsäureanhydrid.
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Verfahren zur Veresterung von Epoxyverbindungen mit den ungesättigten
Carbonsäuren zur Herstellung von Vinylestern sind bekannt, beispielsweise aus den
US-Patentschriften 3 377 406; 3 420 914; 3 367 992 und 3 301 743.
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Ungesättigte Polyester sind üblicherweise das Reaktionsprodukt von
entweder sogenannten Diffusions-oder Lösungsverfahren von einer gesättigten und/oder
ungesättigten Poly(einschließlich di-) Carbonsäure und/oder einem Anhydrid einer
mehrwertigen Carbonsäure, die mehrfach verestert wird mit einem Veresterungs
mittel,
beispielsweise einem mehrwertigen Alkohol oder einem Alkalenoxid. Zu den Polycarbonsäuren
und Anhydriden derselben gehören Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Crotonsäure,
Itaconsäure und Itaconsäureanhydrid, Ortho-, Iso- oder Terephthalsäure.
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Veresterungskomponenten sind Polyhydroxiverbindungen, die mehrwertige
Alkohole, Phenole und Glykole, Alkalenoxide als auch Mischungen und Addukte derselben.
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Die bevorzugten Veresterungsmittel sind Glycerol, Bisphenol A und
seine Alkylenoxidaddukte, wie propoxyliertes Bisphenol A, Pentaerythritol, Ethylenglykol
und Propylenglykol.
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Die Vinylesterharze von ungesättigten Polyesterharzen werden im allgemeinen
eingesetzt in Kombination mit einem zur Kopolymerisation geeigneten Monomer, das
üblicherweise eine ethylenisch ungesättigte Verbindung ist. Besonders vorteilhafte
kopolymerisierbare Monomere sind Monovinyliden-aromatische Verbindungen, wie Styrol,
Vinyltoluol, halogenierte Styrole und Vinylnaphthaline, Polyvinyliden-aromatische
Verbindungen, wie Divinylbenzol, Ester gesättigterAlkohole, wie Ester von Methyl-
oder Octylalkohol von Acrylsäure oder Methacrylsäure, Vinylacetate, Diallylmaleate
und Mischungen von einem oder mehrerer dieser Monomere. Die bevorzugten Monomere
sind Nonovinylidenaromatische Verbindungen, wobei Styrol das am meisten bevorzugte
ist.
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Im allgemeinen enthält das Vinylesterharz 30 bis 70 Gew.% des kopolymerisierbaren
Monomers, vorzugsweise Styrol, wobei sich die Gewichtsprozentangabe auf das Gesamtgewicht
des Vinylesterharzes einschließlich des kopolymerisierbaren Monomers bezieht. Ungesättigte
Polyesterharze enthalten im allgemeinen 30 bis 60 Gew.0/c eines kopolymerisierbaren
Monomeren, vorzugsweise Styrol, wobei sich die Prozentangabe auf das
Gesamtgewicht
des ungesättigten Polyesterharzes einschließlich des kopolymerisierbaren Monomeren
bezieht.
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Um die Polyesterharze oder Vinylesterharze zu härten, enthalten diese
im allgemeinen Härtungsmittel, Beschleuniger und/oder Starter mit freien Radikalen.
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Es kann jedoch auch UV-Licht für die Härtung verwendet werden. Härtungsmittel,
Beschleuniger und/oder Starter sind bekannt und gehören zum Stand der Technik.
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Im allgemeinen werden Beschleuniger, Härtungsmittel und/oder freie
Radikale enthaltende Verbindungen, die zum Härten des Harzes erforderlich sind,
mit dem Harz vor dem Einbringen in die drehbare Form gemischt. Es ist jedoch auch
möglich, diese zum Härten des Harzes erforderlichen Zusatzstoffe erst nach dem Einbringen
des Harzes in die Form, jedoch vor der Zugabe von Füllstoff und Verstärkungsmittel
einzumischen.
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Härtungsmittel, Beschleuniger und freie Radikale enthaltende Komponenten
werden so ausgewählt, daß das Harz noch nicht vor der vollständigen Zugabe von Füllstoff
und Verstärkungsmittel zu einem ausreichend festen Material abbindet und/oder härtet.
Im allgemeinen wird das das Harz härtende System so ausgewählt, daß das Harz ausreichend
flüssig bleibt, um eine Verteilung des Füllstoffes und/oder des Verstärkungsmittels
vor dem Härtungsvorgang des Harzes zu ermöglichen. Kürzere Härtungszeiten werden
empfohlen zur Herstellung von Rohren mit geringeren Durchmessern, während zur Herstellung
von Rohren mit größerem Durchmesser mehr Zeit vor dem Härten erforderlich ist. Im
allgemeinen ist eine Verfahrensdauer von mindestens 10 Minuten erforderlich. Besonders
vorteilhaft ist es, die Verfahrensdauer zwischen 20 und 170 Minuten, ganz besonders
bevorzugt zwischen 30 und 90 Minuten, einzustellen und das Härtungssystem entsprechend
anzupassen.
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Es ist notwendig, die Gesamtmenge von Verstärkungsmit-
tel
und Füllstoff in das Harz während dieser Zeit einzubringen.
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Das Härtungssystem, das die erforderliche Verfahrensdauer ergibt,
kann durch den Fachmann mittels einfacher Versuche ausgewählt werden. Ein besonders
bevorzugtes Härtungssystem zur Härtung von Vinylesterharzen oder Polyesterharzen
enthält 0,1 bis 5, vorzugsweise 0,5 bis 3 Gew.% eines freie Radikale freisetzenden
Starters, vorzugsweise ein Peroxidstarter und einen Beschleuniger, beispielsweise
ein sekundäres Amin oder Kobaltnaphthenat. Sekundäre Amine, beispielsweise Dimethylamin,
vorteilhafterweise in einer Menge bis zu 1 Gew.%, vorzugsweise von 0,02 bis 0,5
G%we% eingesetzt. Bei Verwendung von Kobaltnaphthenat trägt die geeignete Menge
0,2 bis 10 Gew.%, vorzugsweise 0,5 bis 8 Gew.%. Die Gewichtsprozentangaben beziehen
sich jeweils auf das Gesamtgewicht -des Harzes einschließlich der kopolymerisierbaren
Monomeren.
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Zusätzlich kann das Verstärkungsmittel und/oder der Füllstoff, vorzugsweise
das Verstärkungsmittel auch noch ein Netzmittel aufweisen, beispielsweise ein Schtichtmittel
auf Silanbasis oder ein Epoxy- oder Polyesterpulver, urn die Haftung und Benetzungseigenschaften
des Verstärkungsmittels und/oder der Füllstoffe mit dem Harz während der Rohrherstellung
zu verbessern.
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Als Füllstoff zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffrohren
dienen insbesondere teilchenförmige Stoffe, beispielsweise Sand. Es sind aber auch
teilchenförmige Polymere geeignet oder andere organische und/oder anorganische teilchenförmige
Füllstoffe.
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Ein bevorzugtes teilchenförmiges Material ist Sand.
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Bei Verwendung von Sand als teilchenlörmiges Material hat dieser
üblicherweise eine Korngröße von 0,001 bis 5 mm. Besonders bevorzugt ist ein teilchenförmiges
Material mit einer Korngröße von 0,02 bis 2 mm. Ganz besonders bevorzugt als Füllstoff
zur Herstellung von verstärkten Kunststoffrohren ist gewaschener, getrockneter Sand
mit einer Korngröße von 0,02 bis 1,5 mm.
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Als Verstärkungsmaterialien zur Herstellung von verstärkten Kunststoffrohren
haben sich Stahlfasern, Fasern aus vollaromatischen Polyamiden (Aramide), hochfestes
Polyethylen, Nylon und mineralische Stoffe wie Kohlenstoff-Fasern, Glimmer und Glas
erwiesen.
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Das bevorzugte Verstärkungsmaterial ist Glas. Obwohl das Verstärkungsmittel
in Form von Fasern, Vliesen oder endlosen Fasersträngen, die in die Form eingebracht
werden, eingesetzt werden kann, ist es besonders bevorzugt, Stapelfasern zur Herstellung
der verstärkten Kunststoffrohre zu verwenden. Es ist jedoch möglich, Verstarkungsmittel
oder einen Teil davon in Form von Pulver, Kugeln oder Granulat zu verwenden.
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Das bevorzugte Verstärkungsmittel sind Stapelfasern aus Glas mit einem
Durchmesser von 1 bis 100 pm, vorzugsweise von 5 bis 50 Jum und einer Länge von
1 bis 300, vorzugsweise 5 bis 200 mm. Ganz besonders bevorzugte Stapelfasern aus
Glas haben eine Länge von 10 bis 100, noch besser von 25 bis 90 mm und einen Durchmesser
von 5 bis 20 pm.
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Die Menge des Harzes, des Verstärkungsmittels und des Füllstoffes,
die zur Herstellung von verstärkten
Kunststoffrohren verwendet
werden und die Verteilung von Verstärkungsmittel und Füllstoff innerhalb des Harzes
hängen von zahlreichen Faktoren ab. Dazu gehören die speziellen Füllstoffe, Verstärkungsmittel
und Harze, der vorgesehene Verwendungszweck des Rohres und die physikalischen und
chemischen Eigenschaften, die für den erwünschten Verwendungszweck erforderlich
sind. Im allgemeinen enthalten die verstärkten Kunststoffrohre gemäß der vorliegenden
Erfindung 10 bis 30 Gew.% Harz (einschließlich Styrol und anderen Hilfsmitteln,
wie Härter und/oder Beschleuniger), 1 bis 10 Gew.% Verstärkungsmittel und 65 bis
85 Gew.% Füllstoff.
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Vorzugsweise enthält das verstärkte Kunststoffrohr 14 bis 28, ganz
besonders 16 bis 23 Gew. Harz, 1 bis 10, ganz besonders bevorzugt 2 bis 6 Gew.%
Verstärkungsmittel und 70 bis 85, ganz besonders bevorzugt 71 bis 82 Cew. Füllstoff,
wobei sich die Prozentangaben auf die Gesamtmenge Harz, Füller und Verstärkungsmittel
beziehen. Ein besonders bevorzugtes, faserverstärktes Kunststoffrohr enthält 16
bis 23 Cew.
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eines Vinylesterharzes, 2 bis 5 Gew.% Glas-Stapelfasern und 71 bis
82 Gew.% Sand, wobei sich die Gewichtsprozentangaben auf Gesamtgewicht von Vinylesterharz,
Stapelfasern und Sand beziehen.
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Die Verteilung des Verstärkungsmittels und des Füllstoffes über die
Rohrwand hängt von einer Reihe von Faktoren und den gewünschten Eigenschaften des
Rohres, der Größe des Rohres, der Wandstärke und den speziellen Verstärkungsmittel,
Füllstoffen und dem verwendeten Harz ab. Im allgemeinen wird das Verstärkungsmittel
in den inneren und äußeren Zonen der Rohrwand angeordnet, die voneinander durch
eine relativ dicke Mittelschicht getrennt sind. Die Mittelschicht ist eine Mischung
aus Füllstoff und Harz. Obwohl die Verteilung von Verstärkungsmittel in den inneren
und äußeren Zonen stark variieren kann, werden 20 bis 70
Gew.%,
vorzugsweise 30 bis 60 Gew.%, des Verstärkungsmaterials in der äußeren Zone, das
ist der radial gesehen äußere Bereich, angeordnet und 30 bis 80, vorzugsweise 40
bis 70 Gew.96 des Verstärkungsmittels in der inneren Zone, das ist der innere Bereich
in radialer Richtung der Wand gesehen, angeordnet. Um eine maximale Festigkeit des
Rohres zu erreichen, enthält der innere Bereich, bezogen auf die Gesamtmenge des
Verstärkungsmittels einen equivalenten oder größeren vorzugsweise einen größeren
Prozentsatz des Verstärkungsmittels. Dies ist jedoch nicht zwingend erf orderlich,
um Rohre mit ausreichender Festigkeit herzustellen.
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Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Rohre hängt die Umdrehungsgeschwindigkeit
der Form von einer Reihe von Faktoren ab, insbesondere von der Viskosität des verwendeten
Harzes, dem Benetzungsverhalten des Harzes gegenüber Verstärkungsmittel und Füllstoff,
und der Größe des herzustellenden Rohres. Im allgemeinen ist die Umdrehungsgeschwindigkeit
ausreichend, um das Verstärkungsmittel und den Füllstoff durch das Harz zu treiben
und alle Gas- und Luftblasen aus der Rohrwand während des Einbringens des Verstärkungsmittels
und/oder des Füllstoff es in das Harz auszutreiben.
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Mit steigender Größe des Rohres kann die Umdrehungsgeschwindigkeit
verringert werden. Weiterhin resultiert aus einer niedrigeren Viskosität des Harzes
die Möglichkeit, die Umdrehungsgeschwindigkeit zu verringern.
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Um eine ausreichende Benetzung des Verstärkungsmittels und des Füllstoffes
zu erreichen, kann die Umdrehungsgeschwindigkeit während der Herstellung des Rohres
verändert werden. Im allgemeinen wird die Umdrehungsgeschwindigkeit so gewählt,
daß die auftretenden Zentrifugalkräfte ausreichend sind, um alle Gas- und Luftblasen
aus der Rohrwand während des Einbringens des
Verstärkungsmittels
und/oder des Füllstoff es aus dem Harz auszutreiben.
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Nach dem Einbringen der erforderlichen Mengen von Verstärkungsmittel
und Füllstoff in das Harz wird dieses gehärtet und/oder abbinden lassen. Die besonders
vorteilhaften Bedingungen zum Härten und/oder Abbinden des Harzes hängen von zahlreichen
Faktoren ab, insbesondere vom verwendeten Harz. Wenn die bevorzugten Vinylester
und Polyesterharze verwendet werden, ist die Härtungsreaktion exotherm und die Härtungsbedingungen
werden so eingehalten, daß die Spitzentemperatur während des Härtens 1#0 C oder
niedriger ist. Diese Spitzentemperatur hängt ab von den Anteilen an Härter und/oder
Beschleuniger und den Mengen an Füllstoff und/oder Verstärkungsmittel, die in dem
Rohr enthalten sind. Vorzugsweise beträgt die Spitzentemperatur beim Härten 60 bis
800 C,bzw. bleibt unter 100°C.
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Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Härten und/ oder Abbinden
des Harzes ist das anfängliche Erwärmen des Harzes durch Aufblasen von heißer Luft
auf die ungehärtete Zusammensetzung aus Harz/Füllstoff und Verstärkungsmittel. Nach
teilweisem Härten der Zusammensetzung ist das Entfernen des Rohres aus der Form
möglich. Das Auslösen wird durch das Schrumpfen des Harzes während des Härtens erleichtert.
Anschließend wird das mindestens teilweise ausgehärtete Rohr in einem Ofen bei erhöhter
Temperatur nachbehandelt.
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Nach dem zarten kann das auf diese Weise hergestellte erfindungsgemäße
Kunststoffrohr ohne weitere Nachbearbeitung verwendet werden.
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Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen noch näher erläutert.
Alle Teile und Prozentangaben beziehen sich auf Gewicht, es sei denn, es ist etwas
anderes angegeben.
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Fig. 1 bis 6 zeigen im Längsschnitt unterschiedliche Ausbildungsformen
der Rohrenden und Nuten längs des Rohres gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 1 zeigt ein Rohr mit gleichtiefen Absätzen an beiden Enden.
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Fig. 2 zeigt ein Rohr mit einem flacheren Absatz am linken und einem
tieferen Absatz am rechten Rohrende.
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Fig. 3 zeigt ein Rohr mit gleichtiefen Absätzen an beiden Rohrenden
und einer gleichtiefen Nut in der Mitte des Rohres. Wird dieses Rohr in der Mitte
geteilt, entstehen zwei kürzere Rohre mit gleich ausgebildeten Rohrenden.
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Fig. 4 zeigt ein Rohr mit gleich ausgebildeten Rohrenden und einer
in der Mitte des Rohres angeordneten Nut abweichender Tiefe, in diesem Falle einer
flacheren Nut.
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Bei Teilung dieses Rohres entstehen zwei kürzere Rohre mit jeweils
unterschiedlich tiefen Absätzen am Ende des Rohres.
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Fig. 5 zeigt ein Rohr mit unterschiedlich tiefen Absätzen am Ende
des Rohres und jeweils auf einem Drittel der Rohrlänge angeordneten Nuten mit unterschiedlicher
Tiefe. Weist das eine Rohrende einen flachen Absatz auf, ist die erste Nut tiefer
und die anschließende Nut flacher ausgebildet und das andere Rohrende hat einen
tiefen Absatz. Auf diese Weise entstehen beim Durchtrennen des Rohres in den Nuten
drei kürzere Rohre mit jeweils unterschiedlich tiefen Absätzen an den Rohrenden.
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Fig. 6 zeigt ein Rohr mit gleich tiefen Absätzen an beiden Enden und
einer Nut in der Mitte des Rohres gleicher Tiefe wie der Absätze an den Rohrenden
und auf ein Viertel und Dreiviertel der Länge des Rohres jeweils eine tiefere Nut.
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Beim Aufteilen dieses Rohres an den Nuten entstehen vier Rohre mit
unterschiedlich tiefen Absätzen an den jeweils gen Enden.
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Je nach der gewünschten Rohrlänge und vorhandener Länge der Schleudergußform
können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gleichzeitig ein oder mehrere Spitzendrohre
hergestellt werden, die entweder gleich oder unterschiedlich ausgebildete Rohrenden
aufweisen. Um die Rohrenden unterschiedlich auszubilden, ist es erforderlich, daß
die Dicke der in der Schleudergußform angeordneten Einsatzringe sich jeweils ändert,
d.h. ein dünnerer Einsatzring jeweils mit einem dickeren kombiniert wird und bei
Anordnung von mehr als zwei Einsatzringen der nächste Einsatzring jeweils eine andere
Dicke aufweist. In der Regel ist es ausreichend, mit Einsatzringen zweier unterschiedlicher
Dicke bei gegebenem Durchmesser der Schleudergußform zu arbeiten.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels noch näher erläutert.
Alle Teile und Prozentangaben beziehen sich auf Gewicht, es sei denn, es ist etwas
anderes angegeben.
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Um ein Rohr mit 600 mm Außendurchmesser herzustellen, das sowohl an
seinen Enden verstärkte Abschnitte, als auch Absätze unterschiedlicher Tiefe aufweist,
werden in der Schleudergußform an beiden Enden jeweils ein 64 mm breiter Einsatzring
angeordnet. Der eine Einsatzring ist 4,5 mm dick, der andere Einsatzring ist 8 mm
dick. Die zylindrische Schleudergußform hat eine Länge von 2 mm.
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Beim ersten Füllhub werden zunächst bei 260 bis 300 Umdrehungen pro
Minute 61 Teile Harz in die Schleudergußform eingetragen.
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Danach wird die Fülleinrichtung beim Einbringen des Füll-
stoffes
und der Verstärkungsfasern jeweils über einen unterschiedlich langen Weg in der
Schleudergußform bewegt. Es wird unterschieden zwischen einem Langhub, bei dem Material
über die gesamte vorgesehene Rohrlänge eingetragen wird, einem Kurzhub, bei dem
Material nur im Bereich zwischen den Einsatzringen eingetragen wird und bei dem
im Bereich der Einsatzringe keine zusätzlichen Stoffe eingetragen werden. Als Dreiviertelhub
wird ein Hub bezeichnet, bei dem das Formende mit dem dickeren Einsatzring frei
von zusätzlich eingetragenem Material bleibt. Zur Verstärkung der Abschnitte an
beiden Rohrenden wird bei bestimmten Hüben zusätzlich Glas an den beiden Formenden
im Bereich der Einsatzringe und darüber hinaus in dem benachbarten Wandbereich eingetragen.
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Der verwendete Sand hat folgende Kornverteilung: 50 Gew. 0,5 bis 1,2
mm, 20 Gew.% 0,125 bis 0,5 mm und 30 Gew.% 0,06 bis 0,2 mm.
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Insgesamt besteht die Rohrwand aus 19,3 Gew.% Harz, 57 Gew.% Sand
tind 3,7 Gew.% verstärkenden Glasstapelfasern.
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Nach Zugabe der gesamten Anteile von Glas und Sand, die nach etwa
60 Minuten beendet war, wurde die erhaltene Glas/Sand/Harz-Zusammensetzung für 15
Minuten erwärmt, um das Harz zu härten. Die Härtung wurde so ausgeführt, daß eine
Spitzentemperatur von wurde. Das erhaltene faserverstärkte Kunststoffrohr wurde
dann aus der Form entfernt. Es weist eine glatte Außenoberfläche und an den beiden
Rohrenden jeweils unterschiedlich tiefe Absätze auf. In den Endbereichen besteht
auf einer Länge von jeweils ca. 500 mm durch den erhöhten Glasanteil in diesem Bereich
eine besonders hohe Festigkeit.
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Zunächst wurden bei 260 bis 300 Umdrehungen pro Minute 61 Teile Harz
in die Schleudergußform eingetragen.
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Hubfolge Mublänge Gew.Tl. Umdrehungen pro Minute je Hub 5 x Sand Kurzhub
6,2 260 bis 300 1 xSand Langhub 6,2 260 bis 300 2 x Glas Langhub 1,05 260 bis 300
1 x Glas an beiden 0,35 Formenden Verdichten 620 5 x Sand Kurzhub 6,2 260 bis 300
1 x Sand Langhub 6,2 260 bis 300 2 x Glas Langhub 1,05 260 bis 300 1 x Glas an den
0,35 260 bis 300 Formenden Verdichten 620 7 x Sand Dreiviertel- 260 bis 300 hub
6,2 17 x Sand Langhub 6,2 260 bis 300 2 x Glas Langhub 1,05 260 bis 300 1 x Glas
an den 0,35 260 bis 300 Formenden Verdichten 620 1 x Sand Langhub 6,2 260 bis 300
2 x Glas Langhub 1,05 260 bis 300 1 x Glas an den 0,35 260 bis 300 Formenden
Hubfolge
Hublänge Gew.Tl. Umdrehungen pro Minute je Hub Verdichten 620 1 x Sand Langhub 6,2
260 bis 300 2 x Glas Langhub 1,05 260 bis v00 Verdichten 620 1 x Sand Langhub 5,2
260 bis 300 1 x Sand Langhub (3,2 260 bis 300 Verdichten 620 Während des Aushärtens
400 Umdrehungen pro Minute.
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Die Härtungsbedingungen entsprechen im wesentlichen den bereits beschriebenen
Bedingungen.
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Das auf diese Weise hergestellte Rohr weist an den Enden durch den
erhöhten Glasanteil eine besonders hohe Festigkeit auf.