DE4030319A1

DE4030319A1 - Faserverstaerkte thermoplastische strukturen mit kupplungen

Info

Publication number: DE4030319A1
Application number: DE4030319A
Authority: DE
Inventors: James E O'connor
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1989-09-25
Filing date: 1990-09-25
Publication date: 1991-04-04

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein faserverstärkte thermoplastische Kunststoffstrukturen mit Kupplungen und Verfahren zu deren Herstellung. Die Erfindung betrifft insbesondere, aber nicht einschränkend, ein Erzeugnis, das umfaßt eine Polyphenylensulfid-Kompositstruktur, einen Polyphenylensulfid-Kompositeinsatz, der mit der Struktur verschmolzen ist, zur Ausbildung eines vergrößerten Teils, und eine Kupplung, die mit der Struktur durch den vergrößerten Teil verbunden ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Erzeugnisses. Die Erfindung findet insbesondere, aber nicht einschränkend, Anwendung bei Pumpenstangen.

Pumpenstangen werden in der Öl- und Gasindustrie dazu verwendet, eine Pumpe in einem Bohrloch mit einer Getriebeeinheit, wie einem maschinenangetriebenen Bohrschwengel, an der Oberfläche zu verbinden. Pumpstangen sind ein Beispiel für ein Erzeugnis eines Typs, dessen Materialzusammensetzung sich als Folge der Kunststoffindustrie geändert hat.

Pumpstangen sind typischerweise aus Metall (z. B. Stahl); heute werden jedoch einige aus wärmehärtbarem Kunststoff hergestellt. Wärmehärtbare Kunststoffe enthalten Polymere, die durch Erhitzen verfestigt oder irreversibel erhärtet werden, im Gegensatz zu thermoplastischen Kunststoffen, die Polymere enthalten, die beim Erhitzen erweichen oder schmelzen und in ihren ursprünglichen Zustand übergehen, wenn sie abgekühlt werden.

Es sind auch faserverstärkte amorphe oder halbkristalline thermoplastische Verbundwerkstoffe als Werkstoff für Pumpenstangen beschrieben worden. Ein amorpher thermoplastischer Kunststoff hat die allgemeinen thermoplastischen Eigenschaften, auf die oben hingewiesen wurde, aber er besitzt keine eindeutig definierte Temperatur bei der Erweichung oder Schmelzen erfolgt, während dies für einen halbkristallinen thermoplastischen Kunststoff zutrifft. Ein amorpher thermoplastischer Kunststoff beginnt typischerweise zu erweichen, wenn er sich der Polymer-Schmelztemperatur (Erweichungs-/Schmelzbereich) nähert. Dies kann 40 bis 60°C über der Einfriertemperatur des amorphen Thermoplasts sein. Ein halb kristalliner thermoplastischer Kunststoff hat eine Glasübergangstemperatur, aber der halbkristalline thermoplastische Kunststoff wird im allgemeinen nicht als weich oder erweicht betrachtet, sofern er nicht auf oder über seine Schmelzübergangs temperatur (Kristallitschmelzpunkt) erhitzt wird, infolge des Verstärkungseffektes der kristallinen Bereiche auf die amorphen Bereiche. Oberhalb des Kristallitschmelz punktes wird seine Viskosität beträchtlich reduziert, so daß er sich dann in geschmolzenen Zustand befindet.

Der Wechsel von metallischen- zu faserverstärkten Kunststoffpumpenstangen hat sich ergeben, da die faserverstärkten Kunststoffpumpenstangen Vorteile gegenüber metallischen Pumpenstangen aufweisen. Die wärmehärtbaren und amorphen thermoplastischen Kunststoffmaterialien, die als Pumpenstangen verwendet oder offenbart sind, sind korrosionsbeständiger als die metallischen Pumpenstangen. Das heißt, die faserverstärkten Kunststoffpumpenstangen sind weniger reaktionsfreudig oder sogar inert gegenüber Chemikalien, die in einer Öl- oder Gasquelle aufzufinden sind. Die faserverstärkten Kunststoffpumpenstangen sind auch leichter als die metallischen Pumpenstangen. Ein derartiges geringeres Gewicht kann Vorteile bringen bezüglich des Transports, der Handhabung und des Antreibens der faserverstärkten Kunststoffpumpenstangen.

Ein Gesichtspunkt einer Pumpenstange ist ein gutes Beispiel, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben: eine Pumpenstange benötigt Endkupplungen, damit sie mit anderen Pumpenstangen verbunden werden kann, um eine genügend lange Pumpenstangenkette für Bohrlöcher zu schaffen, wo die Pumpenstangenkette verwendet wird. Faserverstärkte Kunststoffpumpenstangen, die integrale Endkupp lungen haben, die Verbindungsstellen mit genügender Festigkeit besitzen um den Kräften zu widerstehen, die auf die Pumpenstangen während ihrer Benutzung einwirken, sind nicht bekannt. Es gibt nur begrenzte Maßnahmen zur Befestigung von nichtintegralen Endkupplungen an den Enden von faserverstärkten Kunststoff pumpenstangen. Solch eine Befestigung wird in typischer Weise mit einem Klebemittel durchgeführt.

Da faserverstärkte Kunststoffpumpenstangen zumindest die oben erwähnten Vorteile aufweisen, besteht das Bedürfnis nach einer verbesserten faserverstärkten Kunststoff pumpenstange, die eine verbesserte Endkupplungskonstruktion aufweist. Da faserverstärkte Kunststoffe weitere Anwendungen als für Pumpenstangen aufweisen, besteht ein weiteres Bedürfnis für ein verbessertes Erzeugnis und ein Verfahren zu seiner Herstellung, welches vorzugsweise faserverstärkte Thermoplaststrukturen und eine verbesserte Kupplungskonstruktion einschließt.

Die vorliegende Erfindung überwindet die oben genannten und andere Unzuläng lichkeiten, die sich aus dem Stand der Technik ergeben, indem sie neue und verbesserte faserverstärkte thermoplastische Strukturen mit verbesserten Kupplungs konstruktionen bereitstellt. Die vorliegende Erfindung stellt auch neue und verbesserte Verfahren zur Herstellung solcher Erzeugnisse bereit.

Ein Erzeugnis der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Struktur, die wenigstens zum Teil aus einem thermoplastischen Verbundwerkstoff gebildet wird, der eine mit Faserverstärkung in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix umfaßt. Es umfaßt auch wenigstens eine Kupplung, die mit der faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffstruktur fest verbunden ist, ohne daß ein Klebemittel verwendet wird.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Erzeugnis bereit, welches umfaßt: eine Struktur, die einen thermoplastischen Verbundwerkstoff enthält, der Verstärkungsfasern in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix umfaßt; einen Einsatz, der einen thermoplastischen Verbundwerkstoff enthält, der Verstärkungsfasern in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix umfaßt, wobei zumindest ein Teil des thermoplastischen Verbundwerkstoffs des Einsatzes mit einem Teil des thermoplasti schen Verbundwerkstoffs der Struktur verschmolzen ist, damit ein Teil der Struktur dadurch vergrößert bzw. verbreitert wird; und eine Kupplung, die mit der Struktur über den vergrößerten Teil hiervon verbunden ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Er zeugnis bereit, das umfaßt: eine thermoplastische Kunststoffstruktur, die Ver stärkungsfasern in einer Polyarylensulfid-Matrix enthält; einen thermoplastischen Kunststoffeinsatz, der einen Polyarylensulfid-Verbundwerkstoff enthält, der mit einem Ende der thermoplastischen Kunststoffstruktur verschmolzen ist, damit das Ende vergrößert bzw. verbreitert wird; und eine Kupplung, die mit der thermoplastischen Kunststoffstruktur über das vergrößerte Ende verbunden ist.

In einer besonderen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Erzeugnis bereit, das eine Pumpenstange umfaßt, die einen Polyphenylensulfid-Verbundwerk stoff enthält, der Verstärkungsfasern in einer Polyphenylsulfid-Matrix enthält. Die Pumpenstange beinhaltet insbesondere zwei vergrößerte bzw. verbreiterte Enden, die beabstandet sind durch ein Zwischenteil mit einer kleineren Querschnittsfläche als die beiden Enden. Die Pumpenstange wird hergestellt durch Kombination eines Pultrusionsverfahrens, wobei der Polyphenylensulfid-Verbundwerkstoff über seine Schmelzübergangstemperatur erhitzt, zu einer Stange geformt und durch Kühlen unter seine Schmelzübergangstemperatur verfestigt wird, mit einem nachfolgenden thermischen Verfahren zum Vergrößern bzw. Verbreitern der Enden, wobei die Enden der Stange wiedererhitzt, zu einer vergrößerten Querschnittsfläche umgeformt und wieder verfestigt werden.

Die Erfindung stellt ein Verfahren bereit zum Verbinden einer starren Polyarylen sulfid-Kompositstange mit einer Endkupplung, die aufweist: Einfügen eines Endes der starren Polyarylensulfid-Kompositstange durch eine Öffnung in die Endkupplung, wobei die Öffnung eine Längenabmessung besitzt; und Verschmelzen von zusätzlichem Polyarylensulfid-Verbundwerkstoff mit dem eingefügten Ende, damit das eingefügte Ende vergrößert wird und eine größere Dimension als die Längen abmessung der Öffnung der Endkupplung hat.

Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung einer Pumpenstange bereit, das umfaßt: Formen einer thermoplastischen Kompositstange, einschließlich der Tränkung einer Vielzahl von Verstärkungsfasern mit einer Polyarylensulfid-Matrix zur Bildung eines Polyarylensulfid-Verbundwerkstoffes; Einfügen eines Endes der Stange in ein Pumpenstangenkupplungsglied; und thermisches Umformen des Stangenendes, damit das umgeformte Ende in das Pumpenstangenkupplungsglied eingreift.

Aus dem vorstehenden wird ersichtlich, daß es eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein neues und verbessertes Erzeugnis und ein neues und verbessertes Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen. Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Durchschnittsfachmann leicht ersichtlich, wenn er die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen liest.

Fig. 1 ist eine Teilansicht einer Stange, die verstärkende Fasern in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix beinhaltet, die verwendet wird um ein Erzeugnis der vorliegenden Erfindung herzustellen.

Fig. 2 zeigt ein Ende der Stange von Fig. 1, das in eine Endkupplung eingefügt ist.

Fig. 3 zeigt das Ende der Stange, das so umgeformt ist, so daß eine Verbindungsstelle zwischen der Stange und der Endkupplung ausgebildet ist.

Fig. 4 ist dieselbe Ansicht wie Fig. 3, jedoch zusätzlich mit einem Aufsatz, um die Endkupplung und die Stange gegen Relativbewegungen zu sichern.

Fig. 5 ist eine Vorderansicht einer erfindungsgemäß aufgebauten Pumpen stange, die entsprechend der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde.

Fig. 6 ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2, jedoch zusätzlich mit einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffeinsatz, unmittelbar vor seinem Verschmelzen mit dem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff der Stange zur Vergrößerung bzw. Verbreiterung des Endes.

Fig. 7 zeigt die Verbreiterung des Stangenendes nachdem der Einsatz aus Fig. 6 verschmolzen wurde.

Fig. 8 zeigt ein Stangenende mit einem Schlitz zum Aufnehmen eines Einsatzes, und

Fig. 9 zeigt ein Stangenende in das ein Loch gebohrt wurde zum Aufnehmen eines Einsatzes.

Die Erfindung stellt ein Erzeugnis bereit, das eine faserverstärkte thermoplasti sche Struktur und ein oder mehrere Kupplungen umfaßt. Die faserverstärkte thermoplastische Struktur ist in den Fig. 1 bis 4 als faserverstärkte thermopla stische Stange 2 dargestellt, bei der mindestens eines ihrer Enden mit einer Endkupplung 4 verbunden ist.

Die Stange 2, verdeutlicht in den Fig. 1 bis 4, enthält einen thermoplastischen Verbundwerkstoff, der eine Vielzahl von bekannten verstärkenden Fasern in einer thermoplastischen Polymermatrix, die ebenfalls bekannt ist, beinhaltet. Beispiele für geeignete verstärkte Fasern schließen Kohlefasern und Glasfasern ein. Die thermoplastische Kunststoffpolymermatrix ist vorzugsweise eine Polyarylensulfid- Matrix (PAS-Matrix) und besonders bevorzugt eine Polyphenylensulfid-Matrix (PPS- Matrix). Eine geeignete Polyphenylensulfid-Matrix beinhaltet Ryton®-PPS-Harz der Phillips Petroleum Company.

Allgemeiner kann die Polymermatrix ein amorpher thermoplastischer oder ein halbkristalliner thermoplastischer Kunststoff sein. Obwohl die vorliegende Erfindung amorphe thermoplastische Polymere umfaßt, ist ein halbkristallines thermoplasti sches Polymer (z. B. PPS) erfindungsgemäß bevorzugt, da es einen scharfen Schmelzpunkt bei einer bekannten Schmelzübergangstemperatur hat, im Gegensatz zu (1) dem unbestimmten Erweichungspunkt über der Glasübergangstemperaturen der amorphen thermoplastischen Kunststoffe, die keinen Schmelzpunkt haben, und im Gegensatz zu (2) der Unfähigkeit von wärmehärtbaren Kunststoffen, erweicht und wieder erhärtet zu werden in der Art und Weise, wie dies mit thermoplasti schen Kunststoffen im allgemeinen möglich ist. In einer bevorzugten Ausführungs form bei Verwendung eines PPS-Harzes liegt die Schmelzübergangstemperatur bei einer feststellbaren Temperatur von mindestens 285°C. Andere thermoplastische Polymere würden bekannte Glasübergangstemperaturen und sofern sie halbkristallin sind, bekannte Schmelzübergangstemperaturen haben.

Insbesondere wenn das Erzeugnis als Pumpenstange ausgestaltet wird, erlaubt dieser hohe Schmelzübergangspunkt des PPS-Harzes eine Verwendung der Pumpenstange in Hochtemperaturbohrlöchern. Die bevorzugte Verwendung eines PPS-Harzes liefert auch gute Korrosionsbeständigkeit.

In den bevorzugten Ausführungsformen ist die Stange 2 durch ein bekanntes Pultrusionsverfahren hergestellt worden, wobei die verstärkenden Fasern mit dem ausgewählten thermoplastischen Polymer imprägniert werden, um einen Ver bundkörper zu formen, der gelegentlich auch als Pre-preg bezeichnet wird, welcher dann in eine bestimmte Form gebracht werden kann, z. B. eine Stange, mittels einem Pultrusionsverfahren, das formgebende Düsen verwendet. Siehe hierzu z. B. die US-PS 46 80 224, auf die hier vollinhaltlich Bezug genommen wird. Solch ein Pultrusionsverfahren erfordert keinen Aushärtungsschritt, da der thermoplastische Kunststoff nicht wie ein wärmehärtbarer Kunststoff ausgehärtet zu werden braucht.

In einer besonderen Ausführungsform ist die Stange 2 eine runde Stange mit einem Durchmesser von ¹/₄ Zoll, die 28 bis 30 Faserbündel von Herkules AS- 4 12 K schlichtefreie Kohlefasern in einer PPS-Matrix hat. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Stange 2 eine runde Stange mit einem Durchmesser von ¹/₄ Zoll, die 38 bis 40 Faserbündel einer PPG 1062T-617 Glasfaser in einer PPS-Matrix hat. In jeder dieser besonderen Ausführungsformen machen die verstärkenden Fasern etwa 54 bis 64 Gew.-% der Stange aus. Keine von diesen ist notwendigerweise nur als Pumpenstange geeignet, und keine von diesen beschränkt die vorliegende Erfindung. Beide sind einfache Beispiele für PPS-Kompositstangen.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 ist die Kupplung 4 jede geeignete Kupplung, die mit der Stange 2 verbunden wird, um das so erhaltene Erzeugnis mit einem anderen Gegenstand zu verbinden. Die Kupplung 4 ist in den Fig. 2 bis 4 gezeigt mit einem Hohlraum 6, der sich von einer Öffnung 8 durch eine Endwand 10 der Kupplung 4 erstreckt. Angrenzend an die Öffnung 8 ist der Hohlraum durch eine Oberfläche 12 bestimmt, die von der Öffnung 8 aus divergiert. In der dargestellten Ausführungsform hat die Oberfläche 12 eine Form eines umgekehrten Kegelstumpfs. Sich erstreckend von der Kante der Oberfläche 12, gegenüber der Öffnung 8 ist eine Oberfläche 14, von der wenigstens ein Teil zum nachstehend beschriebenen Zwecke mit einem Gewinde versehen werden kann. Für die Ausführungsform, die in den Fig. 2 bis 4 beschrieben ist, hat die Kupplung 4 insgesamt zylindrische Form; jedoch liegen andere Kupplungsarten innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung.

Die Kupplung 4 kann aus jedem geeigneten Material, wie Stahl oder thermoplasti sche (z. B. PAS) Verbundwerkstoffe sein, die verstärkende Fasern in einer thermoplastischen Polymermatrix (z. B. PAS-Matrix) enthalten. Ein Faktor, der betrachtet werden muß, wenn man ein besonderes Fabrikationsmaterial auswählt, ist die Festigkeit die an der Verbindungsstelle der Kupplung 4 und eines anderen Gegenstandes erforderlich ist. Im Falle einer Pumpenstange kann eine Stahlkupp lung 4 gegenüber einer faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffkupplung 4 bevorzugt sein, weil die Schraubverbindung, die durch solch eine Stahlkupplung gebildet wird, wahrscheinlich fester ist als eine, die durch eine faserverstärkte thermoplastische Kunststoffkupplung gebildet wird. Solch eine Betrachtungsweise soll jedoch die Erfindung nicht einschränken.

Wie die Fig. 3 und 4 zeigen, ist die Kupplung 4 mit der Stange 2 wenigstens über ein vergrößertes bzw. verbreitertes Ende 16 der Stange 2 verbunden. Das vergrößerte Ende 16 wird gebildet durch Erhitzen und Umformen des Endes 16 mit geeigneten Mitteln zu einer Gestalt, die übereinstimmt mit oder anderenfalls angrenzt an die Oberfläche 12 der Kupplung 4, damit die Kupplung 4 nicht vom Ende der Stange 2 abgezogen werden kann, wo das vergrößerte Ende 16 gebildet wird. Wenn die Kupplung 4 aus einem kompatiblen faserverstärkten thermoplasti schen Kunststoff gemacht ist, können sowohl das Ende 16 als auch die Kupplung 4 erhitzt werden auf eine Temperatur oberhalb des gemeinsamen Erweichungs punktes (für amorphe thermoplastische Kunststoffe), oder Schmelzpunktes (für halbkristalline thermoplastische Kunststoffe) oder der einzelnen Erweichungs- oder Schmelzpunkte, worauf die erweichten oder geschmolzenen faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterialien verbunden werden können um eine ver schmolzene oder verschweißte Verbindung zu schaffen. Besondere Verfahrensarten zur Bildung des vergrößerten Endes 16 werden nachstehend beschrieben.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4, ist ein anderes Element, das für die weitere Befestigung der Kupplung 4 an der Stange 2 verwendet werden kann, ein Aufsatz 18, der eine mit einem Gewinde versehene äußere Oberfläche hat, die in die Gewindefläche 14 der Kupplung 4 in herkömmlicher Weise eingreift um die Oberfläche 12 der Kupplung 4 in Angrenzung zum vergrößerten Ende 16 der Stange 2 zu halten.

Das vergrößerte bzw. verbreiterte Ende 16 schafft eine feste mechanische Verbindung mit der Kupplung 4, wobei die Verbindung weiter verbessert wird, entweder durch die verschmolzene oder verschweißte Verbindung, die gebildet werden kann, wenn die Stange 2 und die Kupplung 4 aus kompatiblen faserver stärkten thermoplastischen Kunststoffmaterialien gemacht sind, oder durch den Endaufsatz 18, der die Stange 2 und die Kupplung 4 mechanisch zusammenhält. Solche Verbindungen sind nicht abhängig von der Festigkeit oder anderen Eigenschaften von Klebestoffen oder Pumpenstangen aus wärmehärtbaren oder thermoplastischen Kunststoffen.

Eine spezielle Ausführungsform des Erzeugnisses der vorliegenden Erfindung ist eine Pumpenstange 20, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. Wie durch die Verwendung derselben Bezugszeichen angedeutet, enthält die Pumpenstange 20 wenigstens einige derselben Elemente, die in den Fig. 1 bis 4 gezeigt. Insbesondere beinhaltet die Pumpenstange 20 zwei vergrößerte Enden 16a, 16b, die durch einen Zwischenteil 22 des Stangenteils 2 der Pumpenstange 20 beabstandet sind. Der Teil 22 der Stange 2 hat eine kleinere Querschnittsfläche als jedes der beiden Enden 16a, 16b.

Das Ende 16a hält eine Kupplung 4a, die eine innere Oberfläche 14a hat, und das Ende 16b hält eine Kupplung 4b, die eine innere Oberfläche 14b hat. Die Kupplungen 4a, 4b haben äußere Formen, die mit äußeren Formen von Enden herkömmlicher metallischer Pumpenstangen übereinstimmen, damit die Pumpen stange 20 in herkömmlicher Weise verwendet werden kann. In der Ausführungs form, die in Fig. 5 gezeigt ist, sind beide Kupplungen 4a, 4b vom männlichen Typ, aber eine kann männlich und die andere weiblich, oder beide können weibliche Kupplungstypen sein, wenn dies erwünscht ist. In der Ausführungsform nach Fig. 5, sind die Kupplungen 4a, 4b weiterhin jeweils durch die Aufsätze 18a, 18b gesichert und an den Oberflächen 14a, 14b durch ineinandergreifende Gewinde befestigt.

Die Pumpenstange 20 wird so hergestellt, daß man zunächst die thermoplastische Kunststoff-Kompositstange 2 formt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist hierbei die Tränkung einer Mehrzahl der Verstärkungsfasern mit einer PAS- und besonders mit einer PPS-Matrix enthalten unter Bildung eines PAS- oder besonders eines PPS-Verbundwerkstoffs. In einer bevorzugten Ausführungsform schließt dies Erhitzen des Matrixmaterials ausreichend über seine Glasübergangstemperatur (für amorphe thermoplastische Kunststoffe) oder über seine Schmelzübergangstemperatur (für halbkristalline thermoplastische Kunststoffe) ein. Für eine PPS-Matrix schließt dies Erhitzen auf wenigstens ungefähr 290°C ein. Der PAS-Verbundwerkstoff wird schließlich in eine ausgewählte Form gebracht, nämlich z. B. in eine Stange für die Pumpenstange. Typischerweise wird die Stange einen einheitlichen Querschnitt haben, aber dies muß nicht der Fall sein. Die Pultrusion beinhaltet auch Erstarren des PAS-Verbundwerkstoffes in der Stangenform unter Ausbildung einer starren Stange. In einer bevorzugten Ausführungsform tritt Verfestigen bei genügendem Kühlen (so z. B. mit Luft, kaltem Wasser oder Eis) des Verbundwerkstoffes auf. Typischerweise ist ein halbkristalliner thermoplastischer Kunststoff dann ausreichend gekühlt, wenn seine Temperatur unter seinen Kristallinschmelzpunkt verringert wird. Entsprechend ist ein amorpher thermoplastischer Kunststoff genügend gekühlt, wenn seine Temperatur unter die Polymer-Schmelztemperatur (Erweichungs-/Schmelzbe reich) verringert wird, was 40 bis 60°C oberhalb der Glasübergangstemperatur sein kann.

Das Verfahren zur Herstellung der Pumpenstange 20 beinhaltet des weiteren das Einfügen eines Endes der Stange 2 in die Kupplung 4, welche geeignet geformt ist für ein Pumpenstangenkupplungsglied. Dies würde natürlich für beide Enden durchgeführt werden. Dies würde typischerweise aufeinanderfolgend durchgeführt werden, aber es kann auch gleichzeitig durchgeführt werden, wenn es wünschens wert ist.

Wegen des Endes der Stange 2, die in das Kupplungsglied 4 eingefügt ist, umfaßt das Verfahren des weiteren einen thermischen Endvergrößerungsprozeß, wobei das Ende thermisch umgeformt wird, so daß das umgeformte Ende zumindest mechanisch in das Kupplungsglied 4 einkuppelt. Dies schließt Wiedererhitzen des PAS-Verbundwerkstoffes am eingefügten Ende (oder am Ende das eingefügt wird, z. B. kann das Wiedererhitzen erfolgen vor oder nach dem Einfügen des Endes in die Kupplung) der festen Stange bis wenigstens den Erweichungszustand ein; Umformen des wiedererhitzten PAS-Verbundwerkstoffes zu einem vergrößerten Ende, welches eine größere Querschnittsfläche als der zentrale Teil 22 der starren Stange hat; und Wiedererstarren des vergrößerten Endes der starren Stange. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der PPS-Verbundwerkstoff auf wenigstens etwa 327°C etwa 90 Sekunden wiedererhitzt, um ein genügendes Erweichen oder Schmelzen zu erreichen. Das Umformen kann dann durchgeführt werden, indem man Druck anwendet, wenn man Zentrierkörner in das erhitzte Ende eindrückt, um das erhitzte Ende der Stange aufzuweiten, damit es in Eingriff mit dem Kupplungsglied 4 kommt. Das Aufweiten kann auch dadurch erreicht werden, daß man einen PAS-Verbundwerkstoff zum erhitzten Ende der Stange hinzufügt, so daß das erhitzte Ende in einer Weise, die in Einzelheiten nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 6 bis 9 beschrieben ist, aufgeweitet wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform, in der das Kupplungsglied 4 ebenfalls aus einem PAS-Verbundwerkstoff (oder einem anderen, kompatiblen thermoplastischen Verbundwerkstoff) besteht, beinhaltet das thermische Umformen des Endes der Stange 2, das Erhitzen oder Wiedererhitzen des Kupplungsgliedes 4 mit dem jeweiligen eingefügten Ende der Stange 2, so daß das Kupplungsglied 4 ebenfalls wenigstens bis zum Erweiterungszustand erhitzt wird. Das erhitzte Kupplungsglied 4 wird zusammen dann mit dem Ende der Stange 2 umgeformt zur Ver schmelzung des PAS-Verbundwerkstoff des erhitzten Kupplungsgliedes 4 und des PAS-Verbundwerkstoffes des erhitzten Endes der Stange 2. Dies liefert eine verschmolzene oder geschweißte Verbindung zwischen der Stange 2 und dem Kupplungsglied 4.

Andere Wege zur Vergrößerung bzw. Verbreiterung eines Endes der Stange 2 werden nun anhand der Fig. 6 bis 9 beschrieben. Jeder dieser Wege schließt vorzugsweise das Verschmelzen eines Einsatzes 24 ein, z. B. eines Stabes, eines Keils etc., hergestellt aus einem thermoplastischen Verbundwerkstoff, vorzugsweise aus einem PAS-Verbundwerkstoff und besonders bevorzugt aus einem PPS- Verbundwerkstoff, mit dem Verbundwerkstoff des Endes der Stange 2, damit das Ende vergrößert wird. Verschmelzen tritt auf beim Erhitzen von sowohl dem Stangenende und dem Einsatz über ihre Erweichungs- oder Schmelzpunkte und Verbinden der beiden. Beispiele wie diese verbunden sind, sind in den Fig. 6 bis 9 verdeutlicht.

In den Fig. 6 und 7 ist der Einsatz 24 mechanisch unter Bildung des vergrößerten Endes 16 in das erhitzte Ende eingetrieben. Damit der Einsatz 24 eingetrieben werden kann, muß er eine gewisse Stabilität beibehalten; nachdem er in das Ende der Stange 2 eingefügt worden ist, kann jedoch weiteres Erhitzen erfolgen, um die thermoplastischen Kunststoffe zu verschmelzen (unter der Annahme, daß der Einsatz 24 aus thermoplastischem Kunststoff ist). Nachdem ver schmolzen wurde, ist der Einsatz 24 nicht mehr diskret feststellbar, wie dies in Fig. 7 gezeigt. Daher kann Fig. 7 so betrachtet werden, daß sie entweder einen Einsatz vor dem Schmelzen oder einen nichtgeschmolzenen Einsatz, aber jedenfalls einen Endvergrößerungseinsatz zeigt.

Fig. 8 veranschaulicht, daß das Ende der Stange 2, wie bei 26, geschlitzt sein kann, zum Aufnehmen des Einsatzes 24, der in Fig. 8 als Keil gezeigt ist. Anhand eines spezifischen Beispiels wurde ein 5 cm langer Schlitz unter Verwendung einer Bandsäge in eine Glasfaser/PPS-Kompositstange mit einem Durchmesser von ³/₄ Zoll geschnitten. Das geschlitzte Ende wurde 5 cm in eine annähernd 327°C heiße Stangendüse eingefügt und 2 Minuten erhitzt. Die Stange wurde dann weggenommen und ein 1 ¹/₂ Zoll langer, 0,4 Zoll dicker Glasfaser/PPS- Kompositkeil, der von 1 ¹/₂ Zoll Breite zulief wurde in den erhitzten Schlitz eingetrieben. Wenn dies ohne Fixierung des erhitzten Endes getan wurde, weitete sich das Ende um etwa ¹/₈ Zoll auf jeder Seite. Bei Handdruckfixierung betrug die Erweiterung etwa ¹/₁₆ Zoll auf jeder Seite.

Unter Bezugnahme auf Fig. 9, ist der Einsatz 24, mit einer zylindrischen Stangenform, in ein Loch 28 eingefügt, welches am Ende der aufzuweitenden Stange gebildet wird. Anhand eines spezifischen Beispiels wurde ein Loch mit einem Durchmesser von ³/₁₆ Zoll 5 cm tief in ein Ende einer Glasfaser/PPS- Kompositstange mit einem Durchmesser von ³/₄ Zoll gebohrt. Diese wurde dann 2 Minuten in einer 327°C heißen Stangendüse erhitzt. Eine 3 Zoll lange Kohlefaser/PPS-Kompositstange mit ¹/₄ Zoll Durchmesser wurde dann etwa 5 cm in das erhitzte Ende eingefügt. Der Einsatz hatte ein scharfes Ende, welches das vordere Ende des Einsatzes war. Dieses weitete das Ende der Stange zu einem Maximum von etwa 21 mm (eine Zunahme von 1,5 mm). Das voranstehende wurde wiederholt, abgesehen von der Verwendung einer 3 Zoll langen Kohlen stoffaser/PPS-Kompositstange mit einem Durchmesser von 8,6 mm, spitz zulaufend. Mit diesem Einsatz weitete sich das Ende der Stange bis zu einem maximalen Außendurchmesser von 22,2 mm aus.

Voranstehenden Techniken, die in den Fig. 6 bis 9 veranschaulicht sind, sind nützlich in einem Verfahren zur Befestigung einer faserverstärkten thermoplasti schen Kunststoffstruktur mit einem Ende an eine Kupplung, wobei ein faserver stärkter thermoplastischer Kunststoffeinsatz verwendet wird. Dieses Verfahren umfaßt das Anordnen der Kupplung um die faserverstärkte thermoplastische Kunststoffstruktur, so daß die Kupplung angrenzend an das Ende der faserver stärkten thermoplastischen Kunststoffstruktur positioniert ist. Die veranschaulichten Ausführungsformen betreffend schließt dies das Einfügen eines Endes der starren Stange 2 durch die Öffnung 8 an der Endkupplung 4 ein, wobei die Öffnung 8 eine lineare Ausdehnung hat, die ein Durchmesser für eine kreisförmige Gestalt sein würde. Das Verfahren umfaßt des weiteren das Erhitzen des Endes, entweder vor oder nach der Plazierung der Kupplung um das Ende der faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffstruktur bis wenigstens zu einem Erweichungszustand und Einfügen des Einsatzes 24 in das erhitzte Ende, so daß das erhitzte Ende durch den Einsatz ungefähr um dessen Umfang aufgeweitet wird, damit die Entfernung der Kupplung verhindert wird, von der faserverstärkten thermoplasti schen Kunststoffstruktur verhindert wird. Betreffend die in den Fig. 6 bis 9 veranschaulichten Ausführungsformen kann dies einschließen das Verschmelzen eines gegebenenfalls zusätzlich vorliegenden PAS-Verbundwerkstoffes, beim Einsatz 24 mit dem Ende der Stange 2, die in die Kupplung 4 eingefügt wurde, damit das mit einem Einsatz versehene Ende auf eine Dimension größer als die lineare Ausdehnung der Öffnung der Endkupplung 4 vergrößert wird.

Obwohl die vorliegende Erfindung auf Pumpenstangen anwendbar ist, zeigt die vorangegangene Beschreibung der vorliegenden Erfindung, daß sie auch anderweitig angewendet werden kann. Ganz allgemein kann die Erfindung doch Anwendung finden, verwendet werden, wo faserverstärkte thermoplastische Kunststoffstrukturen an anderen Objekten befestigt werden sollen.

Claims

1. Erzeugnis, mit
einer Struktur aus einem thermoplastischen Verbundwerkstoff, der eine Faserverstärkung in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix enthält;
einem Einsatz aus einem thermoplastischen Verbundwerkstoff, der eine Faserverstärkung in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix enthält, wobei wenigstens ein Teil des thermoplastischen Verbundwerkstoffs des Einsatzes mit einem Teil des thermoplastischen Verbundwerkstoffs der Struktur verschmolzen ist, so daß ein Teil der Struktur dadurch aufgeweitet wird; und
einer Kupplung, die mit der Struktur durch den vergrößerten Teil hiervon verbunden ist.

2. Erzeugnis mit
einer thermoplastischen Struktur, die eine Faserverstärkung in einer Polyarylensulfidmatrix enthält;
einem thermoplastischen Einsatz, der einen Polyarylensulfid-Verbundwerkstoff enthält, der mit einem Ende der thermoplastischen Struktur verschmolzen ist, so daß das Ende aufgeweitet wird; und
einer Kupplung, die mit der thermoplastischen Struktur über das aufgeweitete bzw. vergrößerte Ende verbunden ist.

3. Erzeugnis nach Anspruch 2, wobei die Polyarylensulfid-Matrix eine Polyphenylensulfid-Matrix ist und wobei der Polyarylensulfid-Verbundwerkstoff ein Polyphenylensulfid-Verbundwerkstoff ist.

4. Erzeugnis nach Anspruch 2, wobei die Kupplung einen Polyarylensulfid- Verbundwerkstoff enthält, der mit dem vergrößerten Ende der thermoplasti schen Struktur verschmolzen ist.

5. Erzeugnis nach Anspruch 2, das des weiteren eine Halteeinrichtung umfaßt, die mit der Kupplung verbunden ist, um die Kupplung in Angrenzung zu dem vergrößerten Ende der thermoplastischen Struktur zu halten.

6. Erzeugnis, umfassend eine Pumpenstange aus einem Polyphenylensulfid- Verbundwerkstoff, der Verstärkungsfasern in einer Polyphenylensulfid-Matrix enthält.

7. Erzeugnis nach Anspruch 6, wobei die Pumpenstange zwei aufgeweitete Enden enthält, die durch ein Zwischenteil mit kleinerer Querschnittsfläche als die zwei Enden beabstandet sind, wobei die Pumpenstange durch Kombination eines Pultrusionsverfahrens, wobei der Polyphenylensulfid- Verbundwerkstoff über seine Schmelzumwandlungstemperatur erhitzt, zu einer Stange geformt, und mittels Kühlung unter seine Schmelzumwand lungstemperatur verfestigt wird, mit einem nachfolgenden thermischen Endaufweitungsverfahren, wobei die Enden der Stange wiedererhitzt, zu einer vergrößerten Querschnittsfläche umgeformt und wiederverfestigt werden.

8. Verfahren zum Verbinden einer starren Polyarylensulfid-Kompositstange mit einer Endkupplung, umfassend:
Einfügen eines Endes der starren Polyarylensulfid-Kompositstange durch eine Öffnung in die Endkupplung, wobei die Öffnung eine lineare Dimension hat; und
Verschmelzen von zusätzlichem Polyarylensulfid-Verbundwerkstoff mit dem eingefügten Ende, so daß das eingefügte Ende vergrößert bzw. aufgeweitet wird und eine Dimension hat, die größer ist als die lineare Dimension der Öffnung der Endkupplung.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei
die Endkupplung einen Polyarylensulfild-Verbundwerkstoff enthält; und
das Verfahren des weiteren ein Verschmelzen des Polyarylensulfid-Ver bundwerkstoffes des vergrößerten Endes mit dem Polyarylensulfid-Ver bundwerkstoff der Endkupplung umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin umfassend das Einfügen eines Haltegliedes in die Endkupplung, im Eingriff mit der Endkupplung und dem vergrößerten Ende der starren Polyarylensulfid-Kompositstange, so daß die Endkupplung benachbart zum vergrößerten Ende der starren Polyarylensulfid-Kompositstange gehalten wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, wobei
der Polyarylensulfid-Verbundwerkstoff ein Polyphenylensulfid-Verbundwerkstoff ist; und
der Schritt des Verschmelzens das Erhitzen des Polyphenylensulfid- Verbundwerkstoffes am Einfügungs-Ende auf wenigstens etwa 327°C beinhaltet.

12. Verfahren zum Befestigen einer faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffstruktur, die ein Ende hat, an einer Kupplung unter Verwendung eine thermoplastischen Kunststoffeinsatzes, das umfaßt:
Plazieren der Kupplung um die faserverstärkte thermoplastische Kunststoff struktur, so daß die Kupplung benachbart zum Ende der faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffstruktur positioniert ist;
Erhitzen des Endes der faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffstruktur auf mindestens Erweichungszustand; und
Einfügen des Einsatzes in das erhitzte Ende, so daß das erhitzte Ende durch den Einsatz etwa um deren Umfang vergrößert wird um zu verhindern, daß die Kupplung von der faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffstruktur entfernt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei
das Verfahren weiterhin die Bildung einer Öffnung in dem Ende der faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffstruktur umfaßt, bevor das Ende erhitzt und der Einsatz eingefügt wird; und
der Schritt des Einfügens ein Einfügen des Einsatzes in die Öffnung beinhaltet.

14. Verfahren zur Herstellung einer Pumpenstange, umfassend:
Formen einer thermoplastischen Verbundwerkstoffstange, wobei die Tränkung einer Vielzahl von Verstärkungsfasern mit einer Polyarylensulfid-Matrix beinhaltet ist, damit ein Polyarylensulfid-Verbundwerkstoff geformt wird;
Einfügen eines Endes der Stange in ein Pumpenstangen-Kupplungsglied; und
thermisches Umformen des Endes der Stange, so daß das umgeformte Ende in das Pumpenstangen-Kupplungsglied eingreift.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schnitt der thermischen Um formung des Endes umfaßt:
Erhitzen des Endes der Stange auf mindestens Erweichungszustand und
Aufweiten des erhitzten Endes, so daß es in Eingriff mit dem Pumpen stangen-Kupplungsglied kommt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Ausweitens das Hinzufügen eines Polyarylensulfid-Verbundwerkstoffes zum erhitzten Stangenende beinhaltet, wodurch das erhitzte Ende aufgeweitet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei
das Pumpenstangen-Kupplungsglied einen Polyarylensulfid-Verbundwerkstoff enthält; und
der Schritt des thermischen Umformens des Endes der Stange beinhaltet:
Erhitzen des Pumpenstangen-Kupplungsgliedes und des Stangenendes bis mindestens auf Erweichungszustand; und
Umformen des erhitzten Pumpenstangen-Kupplungsgliedes und des Endes der Stange um den Polyarylensulfid-Verbundwerkstoff des erhitzten Pumpenstangen-Kupplungsgliedes und den Polyarylensulfid-Verbundwerkstoff des erhitzten Stangenendes zu verschmelzen.

18. Verfahren zur Herstellung von Pumpenstangen, das umfaßt:
Erhitzen eines Polyarylensulfid-Verbundwerkstoffes;
Formen des erhitzten Polyarylensulfid-Verbundwerkstoffes zu Stangenform;
Verfestigen des Polyarylensulfid-Verbundwerkstoffes in der Stangenform unter Bildung einer starren Stange;
Wiedererhitzen des Polyarylensulfid-Verbundwerkstoffes an den Enden der starren Stange bis mindestens zum Erweichungszustand;
Umformen des wiedererhitzten Polyarylensulfid-Verbundwerkstoffes zu aufgeweiteten Enden, die größere Querschnittsflächen als der Rest der starren Stange haben; und
Verfestigen des Polyarylensulfid-Verbundwerkstoffes an den aufgeweiteten Enden der starren Stange.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei
der Schnitt des Erhitzens des Polyarylensulfid-Verbundwerkstoffs das Erhitzen des Polyphenylensulfid-Verbundwerkstoffs auf wenigstens etwa 290°C beinhaltet; und
der Schritt des Wiedererhitzens des Polyarylensulfid-Verbundwerkstoffs das Wiedererhitzen des Polyphenylensulfid-Verbundwerkstoffs an den Enden der starren Stange auf mindestens etwa 327°C beinhaltet.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Schritt des Wiedererhitzens des Polyphenylensulfid-Verbundwerkstoffs mindestens etwa 90 Sekunden lang durchgeführt wird.