DE68924534T2 - Mit kontinuierlichen fasern verstärktes kompositraster mit hohem wirkungsgrad. - Google Patents

Mit kontinuierlichen fasern verstärktes kompositraster mit hohem wirkungsgrad.

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Description

  • Die Erfindung betrifft verbesserte Kunststoff-Gitterstrukturen. Kunststoff-Gitterstrukturen wurden in verschiedenen Tiefbauanwendungsfällen wie Bodensicherung und -verstärkung ebenso wie in anderen Anwendungsfällen angewandt. Diese Gitterstrukturen waren nicht so fest und dimensionsmäßig stabil, wie es erwünscht ist. Typischerweise bestehen die Gitterstrukturen aus sich kreuzenden, Strängen, die eine Maschenstruktur oder ein Netz bilden. Vorzugsweise ist das Gitter rechteckig oder guadratisch, wobei die Stränge unter einem Winkel von etwa 90º zueinander angeordnet sind. Es können jedoch andere Formen oder andere relative Winkel verwendet werden. Wärmeausgehärtete und thermoplastische Kunststoffmaterialien werden ebenfalls verwendet. Derzeit erhältliche Gitterstrukturen werden von der Geo-Synthetics Company als GSI Net 100, 200 und 300, von Signode als TNX 5001 & 250 und als CTX 1255 & 120, von Huesker Synthetics als Hate Grid 80/30-20 und 40/40-20 und als Hatelit 30/13, von der Mirafi Company als Miragrid und als Paragrid, von der Tensar Corporation als UX 1100, 1200, 1300, 1400, 1500 und 1600 und als BX 1100, 1200, 1300 und 3110 vertrieben.
  • Kunststoffverbundwerkstoffe bzw. -komposite mit Verstärkung sind bekannt, bei denen verschiedene Arten von Fasern in Kunststoff eingebettet sind. Bezug genommen werden kann auf die US-Patente 4 439 387 und 4 312 917, die eine in Harz eingebettete Faser-Verbundwerkstoffstruktur beschreiben, die anschließend mit zusätzlichem Kunststoff ummantelt werden.
  • Das US-Patent 4 137 354 offenbart ein komplexes Gitter von vernetzten und geschichteten Eilamenten, die in einer Matrix eines wärmehärtenden oder thermoplastischen Harzes eingebettet sind.
  • Bezuggenommen werden kann auch auf einen Artikel mit dem Titel "Thermoplastics Open the Way to Mass-Produced RP Composites" von Joseph A. Sneller, der in der Februar-Ausgabe 1985 von Modern Plastics erschienen ist. Dieser Artikel beschreibt die Verfügbarkeit von Prepreg-Bändern, die durch Zieh-Strangpressen unter Verwendung verschiedener Kunststoffe und Easern hergestellt werden. Auf alle diese Verweisungen wird hiermit Bezug genommen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Der Erefindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kunststoff-Gitterstrukturen mit verbesserter Festigkeit und dimensionsmäßiger Stabilität durch Einbau von Verbundwerkstoff- bzw. - komposit-Kunststoffsträngen in die Gitterstruktur zu schaffen. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 zeigt schematisch eine Gitterstruktur, die in zwei unterschiedlichen Grundausführungsformen hergestellt werden kann.
  • Fig. 2 zeigt schematisch ein Formwerkzeug zur Herstellung der Gitterstrukturen der Erfindung.
  • Die Fig. 3 und 4 zeigen schematisch eine weitere Formwerkzeuganordnung.
  • Fig. 3 ist teilweise im Schnitt eine Teilseitenansicht und Fig. 4 ist eine vergrößerte Einzelheit des bei 4 in Fig. 3 mit einem Kreis markierten Bereichs.
    • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Bei den verbesserten Gitterstrukturen der Erfindung werden kontinuierliche faserverstärkte Harzmatrix-Verbundwerkstoffstränge bzw. -Kompositstränge mit ähnlichen Verbundwerkstoffsträngen durch einfache, nicht verstärkte Kunststoffstränge oder durch irgendeine andere Art Kunststoffstrang verbunden. Bezugnehmend auf Fig. 1 kann die schematisch gezeigte Gitterstruktur aus Strängen 10, die sich in einer Richtung erstrecken, und Strängen 12, die sich in einer Querrichtung erstrecken, bestehen. Die Stränge sind polimere langgestreckte Teile, die sich kreuzen und schneiden, um eine netzartige Struktur zu bilden. Beide oder nur einer der Sätze von Strängen kann aus der oben erwähnten verstärkten Verbundwerkstoff-Struktur bestehen. Wenn nur ein Satz aus einem Verbundwerkstoff besteht, ist vorzugsweise der Satz, der sich in der als Maschinenrichtung (MD) bezeichneten Richtung erstreckt der Verbundwerkstoffsatz. Die Verbundwerkstoffstränge können entweder aus einem wärmeausgehärteten oder einem thermoplastischen Kunststoff bestehen; letzterer wird bevorzugt. Die Herstellung von Verbundwerkstoffsträngen erfolgt vorzugsweise durch das Harzimprägnierungs-Zieh-Strangpreß- Formverfahren, jedoch sind auch andere Form- und Imprägnierungsverfahren, die ein durchgehendes Faservornetzen mit dem Harz und eine gute Faserdispersion bewirken, zufriedenstellend. Die Struktur der Verbundwerkstoffstränge ist anhand der folgenden Beschreibenden eines bevorzugten Verfahrenszur Formung der Gitterstruktur, d. h., des Netzes besser verständlich.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist eine Strangpreßform 13 zur Formung des Gitterprodukts gezeigt. Die Maschinenrichtungsstränge (MD) 10 sind die verstärkten Faserverbundwerkstoffstränge bei dieser Ausführungsform Sie können durch Verwendung von, was im Stand der Technik als ein "Prepreg" bezeichnet wird, hergestellt werden. "Prepregs" bestehen aus in eine Kunststoffharzmatrix eingebetteten Verstärkungsfasern Z. B. können Prepreg-Bänder 14, die auf eine Vorratsrolle 16 gewickelt sind, aus kontinuierlichen Fasern eines Typ S-Glasfasermaterials, eingebettet und gleichmäßig dispergiert in einem Polypropylen mit hohem Schmelzindex wie Fina 3861, bestehen. Diese Bänder werden den Eingangsstellen 18 in der Form 13 zugeführt. Die Prepreg-Bänder formen die MD-Bahn, wenn sie kontinuierlich durch die Form gezogen werden, um aus den Führungen 20 auszutreten, und werden von der Vorratsrolle 16 zugeführt. Kunststoffharz 22 wie ein Polypropylen Himont PD403 mit niedrigem Schmelzindex, (von der Himont Corporation of Wilmington DE erhältlich), wird der Form unter Druck zugeführt und durch Schlitze 24 und 26 abgegeben, die nahe den Führungen 20 liegen. Normalerweise sind die Schlitze durch hin- und herbewegliche Kolben 28 und 30 verschlossen. Wenn die Kolben die Schlitze verschließen, wird Harz nur auf den Bändern abgelagert, wenn sie sich durch die Form bewegen, um das Prepreg in einer zweiten Kunststoffschicht (die einen Verbundwerkstoff bildet) zu ummanteln. Wenn die Kolben so bewegt werden, daß sie die Schlitze öffnen, fließt Kunststoffharz aus, um die Querstränge 12 (TD) zu bilden, die nur aus Polypropylen mit niedrigem Schmelzpunkt wie z. B. A3 Himont PD403 bestehen. Die sich ergebende Bahn- oder Gitterstruktur ist ähnlich der in Fig. 1 gezeigten, bei der die MD-Stränge 10 aus einem verstärkten Verbundwerkstoff kontinuierlicher Fasern, Polypropylen mit hohem Schmelzindex und Polypropylen mit niedrigem Schmelzindex bestehen. Die TD- Stränge 12 bestehen aus Polypropylen mit niedrigem Schmelzindex, die mit den MD-Strängen verbunden sind. Durch Hin- und Herbewegung der Kolben kann, wenn die Prepreg-Bänder durch die Form gezogen werden, eine Vielfalt von netzähnlichen oder Gitterstrukturbahnen hergestellt werden. Verschiedene Kunststoffe und Fasern können in einer breiten Kombination von Materialien angewandt werden. Fasern wie Glas-, Kohlenstoff-, Graphit-, Polyaramid-, Keramikfasern und verschiedene Metalle verwendet werden. Kunststoffe wie Polyäthylen, Nylon, ABS, PVC, Polyester und Polyphenylensulfide können verwednet werden.
  • Die Fig. 3 und 4 zeigen ein System auf der Basis einer zylindrischen Formpresse zur Herstellung des Gitters. Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in den Fig. 1 und 2 versehen. Derzeit kann diese Formanordnung die am meisten nutzvolle Produktionsform zur Herstellung des Verbundwerkstoff- Gitters der Erfindung sein. Es arbeitet ähnlich wie die Form in Fig. 2.
  • Im Vergleich zu früheren Gitterstrukturen, die zur Bodenverstärkung bei verschiedenen Tiefbauanwendungsfällen verwendet wurden, hat ein Gitter, das aus kontinuierlichen faserverstärkten Verbundwerkstoffsträngen in einer oder beiden Richtungen hergestellt wird, wesentliche Vorteile. Diese Vorteile sind hauptsächlich, jedoch nicht ausschließlich folgende:
  • Die Fähigkeit, die gewünschten Zugfestigkeitseigenschaften durch Wahl der Faserart, des Fasergehalts und der Kunststoffmatrixart aufzuweisen.
  • Wesentlich verbesserte Zugfestigkeitseigenschaften (höhere Zugfestigkeit und weit höherer Elastizitätsmodul) bei geringerem Einheitsgewicht.
  • Größere geometrische (dimensionsmäßige) Stabilität bei Last, insbesondere im Vergleich mit gewebten oder gewirkten Fasergitterprodukten.
  • Ein Vergleich der Erfindung gegenüber dem derzeit durch die Tensar Corporation in Marietta, Georgia, auf dem Markt befindliches Produkt zur Bodneverstärkung (Tensar UX1200) zeigt folgendes: Produkt Gewicht MD Strang Bruchkraft Tensar SR-2 0,0175 (0,188) 269 (Festigkeit nur in richtung MD) Beispiel
  • * Die Beispiele 1 bis 5 erläutern die S-Glasfilamente, die in der Maschinenrichtung MD orientiert sind. Die Strangzahl MD = 20 pro 0,3 m Breite (20/ft) und TD = 3 pro 0,3m Breite (3/ft). Die MD-Strangbruchkräfte für die Beispiele 1 bis 5 sind durch theoretische Analyse auf der Grundlage von 60 Vol./% kontinuierlicher-Glasfasern in einer Matrix von 40 Vol.-% Polyspropylen und einer Zugfestigkeit der Glasfasern = 250.000 psi abgeleitet.
  • ** Tatsächliche Messungen der Strangbruchkraft sind infolge der sehr hohen Festigkeit der Verbundwerkstoffstränge sehr schwer durchzuführen. Vorversuche an Beispiel 1 haben jedoch gezeigt, daß 750 #/Strang < Kraft (tatsächlich) < 1350 #/Strang, und es wird geschätzt, daß die Kraft (tatsächlich) 90% des berechneten Wertes beträgt. Dies bedeutet, daß die maximale Kraft, die vor dem Durchrutschen der Probe gemessen wurde, in den Backen der Prüfmaschine begobachtet und zu 750 #/Strang festgestellt wurde. Basierend auf Berechnungen sollte diese Kraft l.350#/Strang gewesen sein. Daher läge der tatsächliche Wert der Testprobe, wenn kein Durchrutschen aufgetreten wäre, zwischen 750#/Strang und 1.350#/Strang. Es wird geschätzt, daß er etwa 90% des berechneten Wertes 1.350#/Strang gewesen wäre.
  • Dies vervollständigt Beschreibung der bevorzugten und alternativen Ausführungsform an der Erfindung. Die Fachleute können andere Äquivalente zu der speziellen, hier beschriebenen Ausführungsform erkennen, die von den beigefügten Ansprüchen umfaßt werden sollen.
  • Obwohl die Erfindung in verscheidenen ausgeführt werden kann, sind spezielle bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in den Zeichnungen gezeigt und im einzelnen beschrieben.

Claims (15)

1. Kunststoff-Gitterstruktur, die aus ersten und zweiten Sätzen sich überschneidender im allgemeinen quer verlaufender Serien von polymeren länglichen Teilen besteht, bei der sich die Teile eines jeden Satzes in mehr oder weniger regelmäßigen Intervallen miteinander kreuzen und überschneiden, um eine netzartige Struktur zu bilden, und bei der wenigstens einige der Strangteile von wenigstens einem der Sätze in einer Kunststoff-Matrix eingebettet oder durch sie imprägniert sind; dadurch gekennzeichnet, daß die Stränge und die Kunststoff-Matrix des weiteren in einer zweiten Schicht aus Kunststoff eingekapselt sind, um eine zusammengesetzte verstärkte Kompositstruktur zu bilden.
2. Gitterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der Stränge beider Sätze von Strangteilen die zusammengesetzte verstärkte Kompositstruktur aufweisen.
3. Gitterstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffe von thermoplastischer Natur sind.
4. Gitterstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffe von wärmeausgehärteter Natur sind.
5. Gitterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffe verschiedene Schmelzpunkte aufweisen.
6. Gitterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffe voneinander verschiedene Kunststoff-Materialien sind.
7. Gitterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile beider Sätze im wesentlichen flach sind und im allgemeinen einen rechtwinkligen Querschnitt aufweisen.
8. Gitterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Sätze untereinander mit ungefähr 90º überschneiden.
9. Gitterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff Polypropylen ist.
10. Gitterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkenden Fasern Glasfasern sind.
11. Gitterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkenden Fasern aus Polyaramid sind.
12. Gitterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkenden Fasern Kohlenstoff-Fasern sind.
13. Gitterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die verbesserten Strangteile in der MD erstrecken.
14. Gitterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle MD-Stärnge aus der zusammengesetzten Kompositstruktur bestehen.
15. Gitterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Stränge aus der zusammengesetzten Kompositstruktur bestehen.
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