DE69005268T2 - Verfahren zum Herstellen von Verbundrohren aus Gewebe und Harz. - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Verbundrohren aus Gewebe und Harz.

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Description

    GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Rohre aus Verbundmaterial mit einer Faserverstärkung, und in genauerer Weise betrifft sie ein Verfahren zur herstellung dieser Rohre.
    • STAND DER TECHNIK
  • Die Verfahren zur Herstellung der Rohre aus Verbundmaterial mit Harzmatrix und Faserverstärkung weisen herkömmliche die folgenden Schritte auf:
  • a) Herstellung eines Dorns geeigneter Form: beispielsweise zylindrischer oder konischer für einen Mast oder eine Angelrute.
  • b) Zerschneiden eines Stofftuchs zu Bahnen, wobei die Form und die Abmessungen jeder Bahn von der Geometrie des Rohres und der Zahl der Windungen abhängen, die man vornehmen will.
  • c) Vorimprägnierung des Stoffs mit einem die Matrix des Verbunds bildenden Harz. Nach der Imprägnierung wird der vorimprägnierte Stoff, der auch "prépreg" genannt wird, entweder gelagert oder dem folgenden Schritt zugeführt.
  • d) Befestigung eines Randes der "prépreg"-Bahn auf einer Mantellinie des Dorns: Dieser Vorgang wird üblicherweise durch Wärmeklebung mit Hilfe eines Bügeleisens durchgeführt. Man ordnet zunächst den Rand des "prépregs" auf einer Mantellinie an und bringt ein Bügeleisen auf. Unter der Wirkung der Wärme und anschließend auch des ausgeübten Drucks wird das "prépreg", das anfangs von trockenem Aussehen und nichtklebend ist, klebrig und am Dorn haftend.
  • e) Aufwickeln um den Dorn mit Hilfe eines geeigneten Systems, wie z.B. eines Heiztisches mit Seitenverschiebung.
  • f) Das so gebildete Rohr wird mit einer Hülle, einem elastischen Film oder Cellophan zwecks Aufrechterhaltung des Zusammenhalts des Rohres während des folgenden Schritts umgeben.
  • g) Vernetzung des Verbunds, Dornentfernung und Beseitigung der plastischen Hülle.
  • h) Eventuelle Wärmebehandlung.
  • Ein Verfahren dieser Art wird in der japanischen Anmeldung Nr. 63-43221 beschrieben.
    • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung hat als erste Aufgabe ein wirtschaftlicheres Verfahren zur Herstellung von Verbundrohren als das nach dem Stand der Technik.
  • Tatsächlich wird die Entwicklung der Verbundmaterialien durch die hohen Kosten dieser Materialien gebremst, die zum Teil auf die Kosten der Ausgangsmaterialien, aber auch auf die hohen Verarbeitungskosten zurückzuführen sind: Wenn auch bestimmte Schritte verhältnismäßig automatisiert sind, so z.B. das Zerschneiden der Bahnen, stellen andere, die von Hand und handwerklich durchgeführt werden, Engpässe dar, die die Produktivität beschränken und die Einführung der Automatisierung verzögern.
  • In dieser Hinsicht ist der Befestigungsschritt der "prépreg"-Bahn auf einer Mantellinie des Dorns besonders lang und delikat besonders im Fall von Rohren geringen Durchmessers, z.B. eines Durchmessers unter 20 mm, und großer Länge, z.B. einer Länge über 500 mm.
  • Die Erfindung hat als Hauptaufgabe ein Verfahren zur Befestigung der "prépreg"-Bahn, das die genannten Nachteile überwindet. Andere Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
    • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung hat als ersten Gegenstand ein Verfahren zur Rohrherstellung aus Verbundmaterial, das die Verwendung eines in Bahnen geschnittenen Verstärkungstuchs, seine Imprägnierung mit einem Harz, die Befestigung jeder vorimprägnierten Bahn auf einem Dorn, das Aufwickeln des Vorimprägnats um den Dorn, das Bringen unter plastische Hülle, die Vernetzung des Harzes, die Abnahme der plastischen Hülle und des Dorns und eventuell die Verkokung des so erhaltenen Rohres vorsieht, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Verstärkungstuch mit einem Bandteil und einem Hüllenteil mit gleichmäßiger und regelmäßiger innerer Oberfläche einer der des Dorns angepaßten Geometrie verwendet und daß man das aus diesem Verstärkungstuch erhaltene Vorimprägnat auf dem Dorn befestigt, indem man den Dorn in den Hüllenteil derart einführt, daß die Rotation des Dorns das Aufwickeln des Bandteils bewirken kann und ein Rohr mit einer gleichmäßigen und regelmäßigen inneren Oberfläche erhalten wird. Die Figuren 1 bis 4 unterstützen das Verständnis der Erfindung.
    • BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die Figur 1 schematisiert im Schnitt ein Verstärkungstuch (1) mit einem Bandteil (2) einer Dicke e, einem Hüllenteil (3) einer Dicke e', der ausgestreckt einen Innendurchmesser d hat.
  • Die Figur 2 schematisiert eine Bahn mit der gleichen Dicke für ihren Bandteil einer Breite L und für ihren Hüllenteil einer Breite 1 im flachen Zustand.
  • Die Figur 3 schematisiert eine Vorrichtung mit zwei Ausbauchungen zum Halböffnen der Hüle und zur Ermöglichung des Einführens des Dorns (4).
  • Die Figur 4 schematisiert die Bahn und den Dorn (4) in der Stellung vor dem Aufwickeln.
  • Es ist zu bemerken, daß in diesen Schemata die Dicke im Verhältnis zu den anderen Abmessungen übertreiben wurde, um die Beschreibung der Erfindung zu erleichtern.
    • NÄHERE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung eliminiert also die Anbringung des Randes einer Bahn auf einer Mantellinie des Dorns und das Verkleben mit dem Bügeleisen; es genügt nämlich, den Dorn in die Hülle einzuschieben. Der Durchmesser D des Dorns ist sehr nahe dem bis etwas größer als der d des Inneren der Hülle (siehe Figuren 1 und 4) derart, daß unter Berücksichtigung einer gewissen Elastizität des Stoffes der Dorn ohne Schwierigkeit hineingleiten kann und daß die Reibungskräfte zwischen Dorn und Hülle ausreichend sind, um das Aufwickeln des Bandteils zu ermöglichen.
  • Dieses Verfahren ist leicht zu automatisieren: Ausgehend von einem Stapel vorimprägnierter Bahnen positioniert man automatisch die Öffnung der Hülle an einer Bahn an einem Ende des Dorns, spreizt die Öffnung beispielsweise mit Hilfe einer Einrichtung mit zwei Saugern, um die Einführung des Dorns zu ermöglichen (siehe Figur 3), und man setzt das Verfahren durch Aufwickeln in bekannter Weise fort.
  • Als weiteren Vorteil dieses Verfahrens hat das Rohr eine gleichmäßige und regelmäßige Innenoberfläche. Dieses Merkmal, das in gewissen Fällen auch kein großes Interesse haben kann, ist bei anderen wesentlich, wie dies in der Folge dieser Beschreibung gezeigt wird.
  • Schließlich trägt das Fehlen eines Klebebandes (Cone des Aufbringens des Bügeleisens) zur Gleichmäßigkeit der Innenoberfläche des Rohres bei und erleichtert das Herausziehen des Dorns.
  • Gemäß der Erfindung ist die Dicke e des das Band bildenden Stoffes vorzugsweise doppelt so groß wie die Dicke e' des die Hülle bildenden Teils des Stoffs. Die Herstellung des Vorimprägnats oder "prépregs" weist eine Harzimprägnierung mit nachfolgender Trocknung zwischen Walzen auf, die eine Steuerung des Harzanteils ermöglicht: Da der Hüllenteil im flachen Zustand die gleiche Dicke wie der Bandteil hat (siehe Figur 2), hat die Gesamtheit der Bahn eine homogene Verteilung des Harzes, was für die Endqualität des Rohres günstig ist.
  • Es kann vorteilhaft sein, ein Verstärkungstuch (1) zu wählen, das eine Textur hat, die für den Bandteil und für den Hüllenteil verschieden ist, indem es insbesondere eine unterschiedliche Maschenweite für den Hüllenteil (3) und für den Bandteil (2) hat. Je nach den Verwendungen wählt man eine geringe Maschenweite, z.B. unter 50 um, für den Band teil und eine hohe Maschenweite, z.B über 500 µm, für den Hüllenteil oder auch umgekehrt: geringe Maschenweite für den Hüllenteil und hohe Maschenweite für den Bandteil.
  • Diese Asymmetrie in der Richtung der Dicke des Rohres wird besonders beim Filtrieren angestrebt. Für diese Verwendung unterwirft man das nach Vernetzung erhaltene Rohr einer Verkokung und erhält ein poröses Rohr, das beim Filtrieren als solches oder als Träger einer Filtriermembran verwendbar ist. Der Vorteil eines asymmetrischen Filtriermaterials ist bekannt: Eine Schicht mit feinen Poren sichert die Trennfunktion, während eine andere Schicht, die keinen Druckverlust für die Strömung des Filtrats aufweist, die Trägerfunktion sichert. Allgemein zirkuliert die zu filtrierende Flüssigkeit im Inneren der Filtrierrohre: In diesem Fall hat dann der Hüllenteil eine geringe Maschenweite, und der Bandteil hat eine größere Maschenweite. Solche Rohre sind besonders gut gegenüber dem Platzen beständig.
  • Wie schon erwähnt, weisen die gemäß der Erfindung erhaltenen Rohre eine gleichmäßige und regelmäßige Innenoberfläche auf: Dieses Merkmal ist im Fall der Filtrierverwendung besonders erwünscht.
  • Das Verstärkungstuch wird aus bekannten Fasern zum Versehen des Endverbundprodukts mit hohen mechanischen Eigenschaften gewebt, welche Fasern vorzugsweise unter den Kohlenstoffasern oder ihren Vorläufern, den Glasfasern, den Polyamidfasern vom Kevlar-Typ (R) gewählt werden. Indessen ist im Fall von zur Filtrierverwendung bestimmten Rohren die bevorzugte Faser die Kohlenstoffaser oder deren Vorläufer.
  • Die Matrix der Rohre gemäß der Erfindung besteht aus einem Harz, z.B. einem wärmehärtbaren Harz, das unter den Epoxy-, ungesättigten Polyester-, Phenol- und Furanharzen gewählt wird.
  • Im Fall der Verwendung zum Filtrieren wählt man vorzugsweise ein Phenol- oder Furanharz, das nach Verkokung einen ausreichenden Kohlenstoffgehalt zum Verbinden der Faserverstärkung übrigläßt.
  • Die Rohre gemäß der Erfindung sind vorzugsweise von zylindrischer oder kegelstumpfartiger Form, doch ermöglichtg die Erfindung ebenso gut, ein Rohr von biepielsweise quadratischem Querschnitt herzustellen.
  • Obwohl es keine Abmessungsbeschränkung in der Länge oder im Durchmesser zur Durchführung der Erfindung gibt, ist der vorrangige Bereich der Erfindung der, wo die Produktivitätsvorteile die größten sind, nämlich die Rohre geringen Durchmessers unter 10 cm und ganz besonders unter 20 mm, Erzeugnisse von großer Zahl, insbesondere Angelruten, Golfschläger, Maste von Booten und Windsurfbrettern sowie die porösen Rohre, die selbst als Filtrierelement oder als Träger einer Filtriermembran dienen.
    • BEISPIEL
  • Man stellte ein poröses Kohlenstoff-Kohlenstoffrohr eines Außendurchmessers von 8,5 mm ± 0,2 mm, eines Innendurchmessers von 6 mm ± 0,05 mm und einer Länge von 1200 mm her.
  • Man verwendete hierfür ein aus Kohlenstoffaser gewebtes Tuch, das einen Bandteil und einen Hüllenteil aufwies. Das Tuch von 85 mm Breite und 0,6 mm Dicke hat als Textur ein "sergé" von 18 g/m linear. Der Bandteil mißt 75 mm Breite und der Hüllenteil 10 mm Breite, d.h. eine Hülle eines Innendurchmessers von 5,77 mm und einer Dicke von 0,3 mm.
  • Man imprägnierte dieses Tuch mit katalysiertem Phenolharz in Lösung in Wasser. Nach Auspressen zwischen zwei Walzen derart, um einen Harzgehalt von 48 % zurückzuhalten, nahm man eine Polykondensation derart vor, um ein "prépreg" zu erhalten.
  • Man führte anschließend dieses "prépreg" auf einen Dorn aus nichtrostendem Stahl, der vorab mit einem Entformungswachs überzogen war. Der Dorn mißt 1300 mm Länge für ein Tuch von 1200 mm Länge. Sein Durchmesser ist 6 mm.
  • Man wickelte darauf den Banteil auf einem Heiztisch bei 120 ºC auf und umhüllte das Ganze unverzüglich durch spiralförmiges Aufwickeln eines Cellophanbandes von 20 mm Breite.
  • Dann entfernte man nach einem Härtungszyklus des "prépreg" den Dorn. Man brannte das so erhaltene Rohr bei einer Temperatur über 1000 ºC. Das so erhaltene Rohr weist eine homogene Porosität und eine Innenoberfläche großer Regelmäßigkeit auf. Es kann als Filtrierelement oder Träger einer Filtriermembran verwendet werden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Rohrherstellung aus Verbundmaterial, das die Verwendung eines in Bahnen geschnittenen Verstärkungstuchs, seine Imprägnierung mit einem Harz, die Befestigung jeder vorimprägnierten Bahn auf einem Dorn, das Aufwickeln des Vorimprägnats um den Dorn, das Bringen unter plastische Hülle, die Vernetzung des Harzes, die Abnahme der plastischen Hülle und des Dorns und eventuell die Verkokung des so erhaltenen Rohres vorsieht, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Verstärkungstuch (1) mit einem Bandteil (2) und einem Hüllenteil (3) mit gleichmäßiger und regelmäßiger innerhalb Oberfläche einer der des Dorns (4) angespaßten Geometrie verwendet und daß man das aus diesem Verstärkungstuch erhaltene Vorimprägnat auf dem Dorn (4) befestigt, indem man den Dorn in den Hüllenteil (3) derart einführt, daß die Rotation des Dorns das Aufwickeln des Bandteils (2) bewirken kann und ein Rohr mit einer gleichmäßigen und regelmäßigen inneren Oberfläche erhalten wird.
2. Verfahren nach dem Anspruch 1, bei dem die Dicke e des Bandes (2) den doppelten Wert derjenigen e' der Hülle (3) derart hat, daß die Gesamtheit des Tuches (1) überall etwa die gleiche Dicke hat.
3. Verfahren nach dem Anspruch 1 oder 2, bei dem die Textur des Bandes (2) von der der Hülle (3) verschieden ist.
4. Verfahren nach dem Anspruch 3, bei dem die Hülle (3) eine Maschentextur mit einem Maschenzwischenraum unter 50 um hat und bei dem das Band (2) eine Maschentextur mit einem Maschenzwischenraum über 500 um hat.
5. Verfahren nach dem Anspruch 3, bei dem das Band (2) eine Maschentextur mit einem Maschenzwischenraum unter 50 um hat und bei dem die Hülle (3) eine Maschentextur mit einem Maschenzwischenraum über 500 um hat.
6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Verstärkungstuch (1) aus Fasern gewebt wird, die unter den Kohlenstoffasern oder deren Verläufern, den Glasfasern und den Fasern vom Typ Kevlar (R) gewählt werden.
7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das als Matrix dienende Harz ein wärmehärtbares Harz ist, das unter den Epoxy-, ungesättigten Polyester-, Phenol- und Furanharzen gewählt wird.
8. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Rohr kegelstumpfförmig oder zylindrisch mit einem größten Durchmesser unter 10 cm sein kann.
9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem man die vorimprägnierte Bahn auf dem Dorn in automatischer Weise derart befestigt, um die Rohre auf einer automatisierten Kette fertigen zu können.
10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem das Verstärkungstuch (1) aus Kohlenstoffasern oder deren Vorläufern gewebt wird und das nach Abnahme des plastischen Films und des Dorns (4) erhaltene Rohr (4) einer Verkokung derart unterworfen wird, um das Rohr porös zu machen.
11. Anwendung des Verfahrens nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9 zur Fertigung von Rohren und insbesondere von Angelrohren, Golfschlägern, Masten von Booten und Windsurfbrettern.
12. Anwendung des Verfahrens nach dem Anspruch 10 zur Fertigung poröser Rohre, die als Filtierrohr oder Filtermembranträger dienen können.
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