DE69938308T2

DE69938308T2 - Verbundstoff und synthetische Schwelle, welche diesen Verbundstoff verwendet

Info

Publication number: DE69938308T2
Application number: DE69938308T
Authority: DE
Inventors: Koji Kyoto-shi MOTOI; Ryuichi Kyoto-shi MATSUO; Takeshi Kyoto-shi MURANAKA; Takumi Kyoto-shi MURATA
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 1999-04-14
Filing date: 1999-12-01
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2019-12-02
Also published as: DE69938308D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundstoff und eine synthetische Schienenschwelle mit Verwendung des Verbundstoffs.
Formteile aus faserverstärktem hitzehärtbarem Schaumstoff, die im Aussehen Naturholz ähneln und bei physikalischen Eigenschaften gleiche oder höhere Leistungen als Naturholz aufweisen, werden als Konstruktionsmaterialien verwendet, zu denen Baumaterial, Strukturmaterial, Schwellen- und Plattenmaterial gehören, die für feuchte Orte eingesetzt werden.
Im allgemeinen weisen die Formteile aus hitzehärtbarem Schaumstoff dieses Typs einen plattenähnlichen oder stabähnlichen Hauptformkörper auf, der durch die verschäumte und gehärtete hitzehärtbare Schaumstoffflüssigkeit gebildet wird, wie durch die japanische Patentveröffentlichung Nr. Sho 52-2421 und die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. Hei 5-23947 offenbart. Im Inneren des Hauptkörpers sind langfasrige Glasfasern als Verstärkungsfasern in Längsrichtung parallel angeordnet und im allgemeinen parallel verteilt.
Diese Formteile aus hitzehärtbarem Schaumstoff vom herkömmlichen Typ weisen eine ausreichende Festigkeit gegen eine Biegebeanspruchung auf, die senkrecht zur Längsrichtung ausgeübt wird, da die Verstärkungsfasern im Inneren des Hauptformkörpers in Längsrichtung parallel angeordnet und im allgemeinen parallel verteilt sind. Sie haben jedoch den Nachteil, daß sie beispielsweise beim Nageln leicht in einer Richtung parallel zu den Verstärkungsfasern Risse bilden oder brechen, oder den Nachteil, daß sie eine geringe Nagelziehfestigkeit aufweisen.
Angesichts dessen wurde ein Verbundstoff vorgeschlagen, in dem Oberflächenschichten, die einen hitzehärtbaren Schaumstoff aufweisen und in denen Verstärkungsfasern in Längsrichtung parallel angeordnet sind und im allgemeinen parallel verteilt sind, auf beide Oberflächen einer Kernschicht auflaminiert sind, die hitzehärtbaren Schaumstoff aufweist, in dem nicht mehr als 50 Gew.-% Füllstoff dispergiert sind (vgl. japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. Hei 5-138797 ).
Kurz gesagt, dieser Verbundstoff wird mit einer Schichtstruktur hergestellt, in der die Kernschicht von hervorragender Druckfestigkeit zwischen die Oberflächenschichten eingefügt ist, um dadurch eine verbesserte Druckfestigkeit und ein besseres Nagelverhalten zu erzeugen.
Da jedoch dieser Verbundstoff, wie in 17 dargestellt, eine Struktur aufweist, in der zwischen dem Füllstoff 200 der Kernschicht 100 und dem Füllstoff 200 eine hitzehärtbare Harzschicht 300 vorhanden ist, hat er den Nachteil, daß seine Druckfestigkeit und sein Nagelverhalten ungenügend verbessert werden.
Außerdem leidet er unter dem Nachteil, daß bei starker Durchbiegung oder wiederholtem Biegen des Verbundstoffs die hitzehärtbare Harzschicht 300 zerstört wird.
Unter Berücksichtigung dieser Umstände ist die vorliegende Erfindung mit dem Ziel entwickelt worden, einen Verbundstoff, der seine Druckfestigkeit und sein Nagelverhalten weiter verbessern kann, sowie eine synthetische Schwelle mit Verwendung des Verbundstoffs bereitzustellen.
US-A-4083491 offenbart eine Eisenbahnschwelle, die aus mindestens zwei individuell unterschiedlichen Schienenauflageblöcken aufgebaut ist, die durch ein an den Blöcken befestigtes Stegsystem miteinander verbunden sind. Die Blöcke bestehen aus hartem, zähem und wetterfestem Material, wie z. B. HDPE. Das Material kann Füllstoffe oder Fasern enthalten. Das Stegsystem setzt sich aus getrennten Seitenstücken zusammen, die an entsprechenden Seitenflächen der Blöcke befestigt sind. Die Seitenstücke können faserverstärkter Kunststoff sein, wie z. B. Epoxidharz.
JP-A- offenbart einen Verbundstoff, der ein aus hitzehärtbarem Schaumstoff bestehendes Kernmaterial und in einem Stück auf gegenüberliegende Seiten des Kerns auflamininierte Oberflächenmaterialien aufweist. Das Oberflächenmaterial besteht aus dem gleichen hitzehärtbaren Schaumstoff wie das Kernmaterial und ist in der Längsrichtung des Kernverbundstoffs faserverstärkt. Die Dichte des Oberflächenmaterials ist höher als die des Kernmaterials.
Die Erfindung stellt einen Verbundstoff bereit, wie in Anspruch 1 weiter unten dargelegt.
Das hitzehärtbare Harz der Oberflächenschicht kann einen leichten Füllstoff enthalten.
Die Oberflächenschicht kann eine Dichte von mindestens 0,3 g/cm³ bis höchstens 1,5 g/cm³ aufweisen.
Die Oberflächenschicht kann einen Biegemodul von mindestens 6000 MPa und eine Biegefestigkeit von mindestens 100 MPa aufweisen.
Der Füllstoff kann eine mittlere Teilchengröße von mindestens 0,5 mm aufweisen.
Der Füllstoff kann an einer Teilchengrößenverteilungskurve, in der die Teilchengröße auf der Abszisse und ein Volumenverhältnis des Füllstoffs pro Teilchengröße zu allen Füllstoffen auf der Ordinate aufgetragen sind, zwei oder mehrere Peakflächen aufweisen, die mindestens 8 Vol.-% ausmachen, und weist außerdem eine Größenverteilung auf, bei der die häufigsten Teilchengrößenwerte in der kleineren Peakfläche von mindestens 8 Vol.-% höchstens das 0,7-fache der häufigsten Teilchengrößenwerte in der größeren Peakfläche von mindestens 8 Vol.-% betragen, die der kleineren Peakfläche am nächsten liegt.
Das Kunstharz, das die Kernschicht bildet, kann ein hitzehärtbares Harz sein.
Das Kunstharz, das die Kernschicht bildet, kann ein Thermoplast sein.
Das Kunstharz, das die Kernschicht bildet, kann ein hitzehärtbarer Polyurethanschaumstoff mit einem Polyol-Äquivalent von mindestens 230 bis höchstens 1500 oder ein hitzehärtbarer Polyurethanschaumstoff mit einer Dichte von mindestens 0,3 g/cm³ und einem Polyol-Äquivalent von höchstens 1500 sein.
Die Kernschicht kann durch mehrere Kernschichten gebildet werden, die eine Verbundschicht bilden.
Eine der die Kernschicht bildenden Verbundschichten kann ein hitzehärtbares Harz, das durch Langfasern verstärkt wird, die parallel in ihrer Längsrichtung verlaufen, oder ein leichten Füllstoff enthaltendes hitzehärtbares Harz sein, das durch Langfasern verstärkt wird, die parallel in ihrer Längsrichtung verlaufen.
Die Kernschicht kann eine Druckscherfestigkeit DBa von mindestens 5 MPa aufweisen.
Die Kernschicht und die Oberflächenschicht können durch eine Zwischenschicht, die schaumstofffreies hitzehärtbares Harz oder leistungsarmen Schaumstoff aufweist, in einem Stück miteinander verklebt sein.
Der Zwischenschichtabschnitt kann eine Druckscherfestigkeit von mindestens 6 MPa aufweisen, oder die Oberflächenschicht und die Kernschicht können beide eine Druckscherfestigkeit von mindestens 6 MPa aufweisen, wenn an dem Verbundstoff in einer zur Faserrichtung der Langfasern der Oberflächenschicht parallelen Richtung eine Druckkraft angreift, so daß eine Bruchfläche in dem Zwischenschichtabschnitt entstehen kann, wobei der Verbundstoff die physikalische Eigenschaft aufweisen kann, daß entweder die Oberflächenschicht oder die Kernschicht zuerst bricht, wenn die Druckkraft an dem Verbundstoff in der zur Faserrichtung der Langfasern der Oberflächenschicht parallelen Richtung angreift, so daß die Bruchfläche in dem Zwischenschichtabschnitt entstehen kann.
In der Zwischenschicht kann ein harzimprägniertes folienähnliches Material angeordnet werden.
Das Kunstharz der Kernschicht kann Polyurethanschaumstoff sein, und das Harz der Oberflächenschicht kann) Polyurethanschaumstoff sein.
Der Verbundstoff kann eine Gesamtdicke von mindestens 100 mm aufweisen, und ein Verhältnis zwischen der Dicke der Kernschicht und der Gesamtdicke der Oberflächenschicht, welche die Kernschicht in Dickenrichtung bedeckt, liegt im Bereich von 9/1 bis 1/1.
Die Kernschicht kann mindestens zwei Schichten aus kernschichtbildenden Zusammensetzungen, die Füllstoff und Kunstharz aufweisen, und mindestens eine Schicht aus einer kernschichtbildenden Zusammensetzung mit hitzehärtbarem Harz aufweisen, verstärkt durch Langfasern, die zwischen den zwei kernschichtbildenden Zusammensetzungen der mindestens zwei Schichten kernschichtbildender Zusammensetzungen eingefügt sind und parallel in Längsrichtung des Verbundstoffs verlaufen, wobei ein Verhältnis zwischen der Gesamtdicke der kernschichtbildenden Zusammensetzungsschicht und der Gesamtdicke der kernschichtbildenden Zusammensetzungsschicht im Bereich von 95/5 bis 50/50 liegen kann.
Die Oberflächenschicht kann auf die Kernschicht auflaminiert werden, um mindestens zwei Oberflächen der Kernschicht zu bedecken, der Verbundstoff kann eine Gesamtdicke von mindestens 100 mm aufweisen, und die Dicke der Oberflächenschicht (3) auf der Seite, auf die eine Zugkraft ausgeübt wird, wenn der Verbundstoff in Dickenrichtung gebogen wird, beträgt mindestens 5% bis höchstens 25% der Gesamtdicke, und die Dicke der Oberflächenschicht (3) auf der Seite, auf die eine Druckkraft ausgeübt wird, beträgt mindestens 1,5% bis höchstens 15% der Gesamtdicke.
Die Oberflächenschicht kann vier Oberflächen der Kernschicht umgeben und bildet mindestens 10 Vol.-% bis höchstens 65 Vol.-% des gesamten Verbundstoffs.
Die Erfindung stellt außerdem eine synthetische Schwelle bereit, die einen erfindungsgemäßen Verbundstoff aufweist.
Nachstehend wird die Beschaffenheit der Verbundstoffe gemäß den entsprechenden Patentansprüchen ausführlich beschrieben.
Die für die Kernschicht verwendbaren Kunstharze in den Zusammensetzungen gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 enthalten zwar hitzehärtbare Harze wie in dem Verbundstoff nach Anspruch 7 und Thermoplast wie in dem Verbundstoff nach Anspruch 8, aber es kann auch ein Gemisch am hitzehärtbarem Harz und Thermoplast verwendet werden.
Die für die Kernschicht verwendeten hitzehärtbaren Harze unterliegen zwar keiner besonderen Beschränkung, aber zu den verwendbaren hitzehärtbaren Harzen gehören Harze, die vor der Reaktion in flüssiger Form oder Pulverform vorliegen und verschäumbar sind, wozu beispielsweise Polyurethanharz, Phenolharz, ungesättigtes Polyesterharz, Diallylphthalatharz, Vinylesterharz, Epoxidharz, Harnstoffharz, Melaminharz, Polyimidharz, Polyamid-Imid-Harz, Acrylharz, Naturkautschuk und synthetischer Kautschuk gehören. Diese Harze können in Kombination von zwei oder mehr Harzen eingesetzt werden.
Die für die Kernschicht verwendeten Thermoplaste unterliegen zwar keiner besonderen Beschränkung, aber zu den verwendbaren Thermoplasten gehören beispielsweise Polystyrol, syndiotaktisches Polystyrol, Niederdruckpolyethylen, Hochdruckpolyethylen, lineares Hochdruckpolyethylen, Polypropylen, hartes Polyvinylchlorid, Acrylharz, ABS-Harz, aliphatisches Polyamidharz (Nylon), Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyoxymethylen, Polycarbonat, Polyarylat, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetheretherketon und Polyphenylensulfid oder ein Copolymer oder Gemisch davon. Diese Substanzen können auch verschäumbar sein.
Von diesen Thermoplasten haben ferner kristalline Harze vorzugsweise einen Schmelzpunkt von mindestens 80°C, starker bevorzugt von mindesten 120°C. Andererseits haben nichtkristalline Harze vorzugsweise einen Glasübergangspunkt von mindestens 80°C, stärker bevorzugt von mindestens 100°C. Bei einem Schmelzpunkt und Glasübergangspunkt, der niedriger ist als diese Temperaturen, besteht die Möglichkeit, daß sich die Biegeeigenschaften und die Hitzebeständigkeitseigenschaften verschlechtern können.
Zur Verwendung in dem Oberflächenmaterial ist vorzugsweise ein Füllstoff einzusetzen, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem der Langfasern nahekommt.
Die für die Oberflächenschicht in den Verbundstoffen gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 verwendeten hitzehärtbaren Harze unterliegen zwar keiner besonderen Beschränkung, aber zu den verwendbaren hitzehärtbaren Harzen gehören die Harze, die vor der Reaktion in flüssiger Form oder Pulverform vorliegen und verschäumbar sind; wozu beispielsweise Polyurethanharz, Phenolharz, ungesättigtes Polyesterharz, Diallylphthalatharz, Vinylesterharz, Epoxidharz, Harnstoffharz, Melaminharz, Polyimidharz, Polyamid-Imid-Harz und Acrylharz gehören.
Die hitzehärtbaren Schaumstoffe, die für die Oberflächenschicht verwendet werden, enthalten thermisch zersetzbare Treibmittel, wie z. B. Azoverbindungen und Natriumbicarbonat, schaumbildende Lösungsmittel, wie z. B. Freon, Kohlendioxid und Pentan, und hitzehärtbare Schaumstoffflüssigkeiten einschließlich derjenigen, aus denen als Nebenprodukt bei der Reaktion und beim Härten Gas entsteht. Zum Beispiel können harter oder halbharter Polyurethanschaumstoff, Phenolschaumstoff, leistungsarmer Polyesterschaumstoff angeführt werden.
Polyurethanschaumstoff wird besonders bevorzugt verwendet, da er eine relativ hohe mechanische Festigkeit aufweist und beim Verschäumen leicht geschlossene Zellen bilden kann und daher ein hervorragend niedriges Absorptionsvermögen aufweist.
Der leichte Füllstoff, der in der Oberflächenschicht des Verbundstoffs gemäß Anspruch 2 verwendet wird, unterliegt zwar keiner besonderen Beschränkung, aber zu den verwendbaren leichten Füllstoffen gehören beispielsweise Pulver/Granulat, Schaumstoffteilchen und Hohlteilchen, wie z. B. Glashohlteilchen, Siliciumdioxid-Hohlkugeln, Flugasche-Hohlkugeln, Shirasu-Hohlkugeln (= mikroporöses Glas), poröses Glas, Blähschiefer, poröse Keramik, Perlit, Birnsstein, Vermiculit und Kunstharz. Zu den Kunstharzen, die als leichter Füllstoff eingesetzt werden können, gehören der gleiche Härter für hitzehärtbare Harze und vernetzter Kautschuk wie diejenigen, die für die Oberflächenschicht verwendet werden, und ferner kristallines thermoplastisches Harz mit einem höheren Schmelzpunkt als der Temperatur, bei der das hitzehärtbare Harz gehärtet wird, und nichtkristallines thermoplastisches Harz mit einem Glasübergangspunkt. Um den Absorptionsanteil des Verbundstoffs zu verringern, werden vorzugsweise geschlossenzellige Füllstoffe verwendet. Der leichte Füllstoff kann mit einem Silanhaftmittel und dergleichen oberflächenbehandelt werden.
In dem Verbundstoff gemäß Anspruch 1 oder 2 hat die Oberflächenschicht vorzugsweise eine Dichte von mindestens 0,3 g/cm³ bis höchstens 1,5 g/cm³. Der Grund dafür ist, daß eine zu niedrige Dichte der Oberflächenschicht dazu führt, daß sich die Biegefestigkeit des Verbundstoffs verringert, während andererseits eine zu hohe Dichte der Oberflächenschicht dazu führt, daß der Verbundstoff beim Nageln leicht reißt. Der bevorzugte Dichtebereich variiert in Abhängigkeit von der vorgesehenen Anwendung des Verbundstoffs. Für die Verwendung des Verbundstoffs als Eisenbahnschwelle hat beispielsweise die Oberflächenschicht starker bevorzugt eine Dichte von mindestens 0,6 g/cm³ bis höchstens 1,5 g/cm³. Für die Verwendung des Verbundstoffs als Rampenmaterial oder Fußbodenmaterial für eine Schwimmbrücke, eine Fahrbahn und ein Boot hat die Oberflächenschicht starker bevorzugt eine Dichte von mindestens 0,3 g/cm³ bis höchstens 0,8 g/cm³.
In dem Verbundstoff gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 sind die Langfasern nicht auf irgendeine bestimmte Konfiguration beschränkt, solange sie als Verstärkungsfasern einsetzbar sind. Zu den verwendbaren Langfasern gehören beispielsweise Monofilamente, chemische Cellulosefibrillen (gefiederte Fasern) und Webgarn. Zu den Langfasermaterialien gehören anorganische und organische Materialien, wie z. B. Glas, Kohlenstoff und Kunstharz. Bevorzugt werden Glas oder Kohlenstoff, die eine hohe Verstärkungswirkung erzielen. Diese können einzeln oder in Kombination von zwei oder mehreren verwendet werden.
Der Anteil der in der Oberflächenschicht enthaltenen Langfasern unterliegt zwar keiner besonderen Beschränkung, aber mindestens 5 Vol.-% bis höchstens 40 Vol.-% werden bevorzugt. Weniger als 5 Vol.-% Langfasern erzeugen keine Verstärkungswirkungen, wie z. B. in Bezug auf die Biegefestigkeit. Andererseits können mehr als 40 Vol.-% Langfasern beim Nageln des Verbundstoffs zu einem möglichen Riß führen, der parallel zu den Fasern verläuft.
Wenn das hitzehärtbare Harz der Oberflächenschicht verschäumbares Material ist, dann beträgt die Harzdichte vorzugsweise mindestens 0,2 g/cm³. Eine Harzdichte von weniger als 0,2 g/cm³ führt zu einer unerwünschten Verringerung der Biegefestigkeit. Es ist kein besonderer oberer Grenzwert vorgegeben. Ein oberer Grenzwert einer Harzdichte der Oberflächenschicht ist im wesentlichen gleich dem Wert des hitzehärtbaren Schaumstoffs, der praktisch hergestellt werden kann.
In dem Verbundstoff gemäß Anspruch 3 enthält die Oberflächenschicht vorzugsweise mindestens 20 Vol.-% bis höchstens 50 Vol.-% leichten Füllstoff, um dem oben angegebenen Langfaseranteil und der Harzdichte des hitzehärtbaren Harzes aus verschäumbarem Material zu entsprechen. Bei weniger als 20 Vol.-% leichtem Füllstoff bilden sich beim Nageln leicht Risse in der Oberflächenschicht. Andererseits werden bei mehr als 50 Vol.-% leichtem Füllstoff die leichten Füllstoffe nicht gleichmäßig in dem hitzehärtbaren Harz dispergiert, so daß die Möglichkeit besteht, daß die physikalischen Eigenschaften, wie z. B. die Biegefestigkeit, sich verschlechtern können.
In dem Verbundstoff gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 beträgt der Biegemodul der Oberflächenschicht vorzugsweise mindestens 6000 MPa, wie in dem Verbundstoff gemäß Anspruch 4, starker bevorzugt mindestens 7000 MPa, oder noch stärker bevorzugt mindestens 8000 MPa. Der Grund dafür ist, daß ein Biegemodul von weniger als 6000 MPa zur Verringerung des Biegemoduls des gesamten Verbundstoffs führen kann, so daß die Möglichkeit besteht, daß beispielsweise bei Verwendung als Eisenbahnschwellen die Verbundstoffe sich stark durchbiegen und eine Abweichung eines Bahngleises verursachen können. Für den Biegemodul ist kein besonderer oberer Grenzwert vorgegeben. Ein oberer Grenzwert des Biegemoduls der Oberflächenschicht ist im wesentlichen gleich dem Wert der Oberflächenschicht, die praktisch hergestellt werden kann.
In dem Verbundstoff gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 beträgt die Biegefestigkeit der Oberflächenschicht vorzugsweise mindestens 100 MPa, wie in dem Verbundstoff gemäß Anspruch 4, oder stärker bevorzugt 120 MPa. Der Grund dafür ist, daß bei einer Biegefestigkeit von weniger als 100 MPa die Möglichkeit besteht, daß sich bei Verwendung als Schwellen die Langzeitbiegefestigkeit der Verbundstoffe leicht verringert.
Der Biegemodul und die Biegefestigkeit werden entsprechend dem durch JIS Z 2101 vorgeschriebenen Verfahren gemessen. Die Biegebeanspruchung wird auf einen Probekörper in einer zur Längsrichtung des Probekörpers senkrechten Richtung angewandt, wobei die Längsrichtung die Ausdehnungsrichtung der Langfasern ist.
In dem Verbundstoff gemäß den Ansprüchen 5 bis 9 können als Harz zur Verwendung in der Oberflächenschicht die gleichen Harze wie diejenigen eingesetzt werden, die in dem Verbundstoff gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 verwendet werden.
In dem Verbundstoff gemäß Anspruch 5 ist die mittlere Teilchengröße des Füllstoffs mit Ausnahme der Fasern auf mindestens 0,5 mm begrenzt. Der Grund dafür ist, daß mit einer mittleren Teilchengröße des Füllstoffs von weniger als 0,5 mm, wenn man versucht, den Füllstoff mit einem Gewicht beizumengen, das mindestens gleich dem 0,7-fachen des Produkts aus dem Volumen der Kernschicht und der Schüttdichte des Füllstoffs ist, in dem Mischvorgang des Füllstoffs mit dem Kunstharz keine ausreichende Dispersion erzielt wird, so daß das Harz nicht gleichmäßig an dem Füllstoff anhaften kann und daher die Möglichkeit besteht, daß keine zufriedenstellenden physikalischen Eigenschaften, wie z. B. die Biegefestigkeit, erzielt werden können. Der obere Grenzwert der Teilchengröße des Füllstoffs wird vorzugsweise so festgesetzt, daß er erheblich kleiner ist als die Dicke der Kernschicht. Wenn der Füllstoff mit einem Durchmesser verwendet wird, der wesentlich größer ist als die Dicke der Kernschicht, dann besteht die Möglichkeit, daß das Nagelverhalten je nach den zu nagelnden Stellen so stark variiert, daß das Material einem ständigen Gebrauch nicht standhalten kann.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die Teilchengröße durch Sieben mit einem durch JIS Z 8801 vorgeschriebenen Standardsieb erzielt werden. Die Kombination der Maschengrundmaße typischer Siebe zur Verwendung beim Sieben wird unter den folgenden ausgewählt:
4,00 mm, 2,80 mm, 2,00 mm, 1,40 mm, 1,00 mm, 850 μm, 500 μm, 300 μm, 212 μm, 106 μm und 75 μm. Weitere Siebe mit anderen Maschenmaßen können passend hinzugefügt werden.
Der Wert der Teilchengröße des Füllstoffs wird durch die Maschengrundmaße der Siebe ausgedrückt. Die mittlere Teilchengröße des Füllstoffs ist ein Wert, den man erhält, indem man die Produkte aus den Volumenverhältnissen der in den entsprechenden Sieben zurückbleibenden Füllstoffe zu den gesamten Füllstoffen mit Ausnahme der Fasern und den Teilchengrößenwerten über alle Siebe summiert.
Der Füllstoff in dem erfindungsgemäßen Verbundstoff unterliegt zwar keiner besonderen Beschränkung, aber zu den verwendbaren Füllstoffen gehören beispielsweise amorphe Pulver, wie z. B. Gesteinspulver/-granulat, Glaspulver, Quarzpulver, Calciumsilicat, gemahlener Zementbeton, Flußsand, Seesand und Quarzsand, Pulver aus anorganischen Kurzfasern, wie z. B. Wollastonit, anorganisches zellenhaltiges Pulver-/Granulatmaterial, wie z. B. Blähschiefer, Bimsstein und Schaumglas, pulverisierte Harze, wie z. B. pulverisiertes Polyvinylchlorid, pulverisiertes faserverstärktes Harz und pulverisierter faserverstärkter Polyurethanschaumstoff, anorganisches Pulver mit einer relativ kleinen Teilchengröße, wie z. B. Calciumcarbonat, Flugasche, Glimmer, Talkum, Ton, Aluminiumoxid, Vermiculit und Trockenschlammpulver/-granulat sowie zuvor durch Harz gebundene Granulate davon. Diese Füllstoffe können einzeln oder in Kombination von zwei oder mehreren eingesetzt werden.
Zu den verwendbaren faserartigen Füllstoffen gehören anorganische Fasern, wie z. B. Glasfaser, Kohlefaser und Borfaser, und organische Kurzfasern, wie z. B. Vinylonfaser, Polyesterfaser, aliphatische Polyamidfaser und aromatisches Polyamid.
Außerdem können die oben erwähnten anorganischen Füllstoffe mit einer Oberflächenbehandlung durch ein Silanhaftmittel verwendet werden. Wenn das Polyurethanharz als das Harz in der Oberflächenschicht verwendet wird, dann wird vorzugsweise ein Silanhaftmittel mit einer funktionellen Gruppe verwendet, die mit einer Isocyanatgruppe reagiert, wie z. B. einer Mercaptogruppe, einer Aminogruppe und einer Iminogruppe.
In dem Verbundstoff gemäß Anspruch 6 weist der verwendete Füllstoff an einer Teilchengrößenverteilungskurve, in der die Teilchengröße auf der Abszisse und ein Volumenverhältnis des Füllstoffs pro Teilchengröße zu allen Füllstoffen auf der Ordinate aufgetragen sind, zwei oder mehrere Peakflächen auf, die mindestens 8 Vol.-% ausmachen, und weist außerdem eine Größenverteilung auf, bei der die häufigsten Teilchengrößenwerte in der kleineren Peakfläche von mindestens 8 Vol.-% höchstens das 0,7-fache der häufigsten Teilchengrößenwerte in der größeren Peakfläche von mindestens 8 Vol.-% betragen, die der kleineren Peakfläche am nächsten liegt. Der Grund dafür ist, daß das Füllstoffgemisch aus unterschiedlichen Teilchengrößen das Vermischen und Durchdringen des synthetischen Harzes erleichtern kann, besonders des hitzehärtbaren Harzes, und ferner eine Erhöhung des zugesetzten Füllstoffanteils erleichtern kann, um den Laminierungseffekt der Kernschicht und der Oberflächenschicht wesentlich zu verbessern. Außerdem weist die Größenverteilung Spitzen an zwei oder mehreren Punkten auf und kann im Grunde genommen ein mäßiges Einfüllen des Harzes zwischen den Füllstoffen ermöglichen. Als Ergebnis wird der Verbundstoff beim Nageln elastisch verdichtet, ohne die Kernschicht zu zerstören, und die Elastizität sorgt für eine verbesserte Nagelhaltefähigkeit und Haltbarkeit gegen die wiederholt angreifende Nagelziehkraft.
Für den Verbundstoff gemäß Anspruch 5 erhält man die Größenverteilungskurve in dem Verbundstoff gemäß Anspruch 6 durch Auftragen eines Volumenverhältnisses des Füllstoffs pro Teilchengröße zu allen Füllstoffen mit Ausnahme der Fasern, das auf die gleiche Weise bezüglich jeder Teilchengröße ermittelt wird. Das Volumenverhältnis stellt ein Volumenverhältnis zwischen den Füllstoffen dar, die mit Sieben von benachbarten Grundabmessungen gesiebt werden.
Der Ausdruck "die größere Peakfläche von mindestens 8 Vol.-%, die der kleineren Peakfläche am nächsten liegt" soll bedeuten, daß im Fall des Vorhandenseins einer Peakfläche von weniger als 8 Vol.-% zwischen den großen und kleinen Peakflächen eine derartige Peakfläche von weniger als 8 Vol.-% nicht als die größere Peakfläche von mindestens 8 Vol.-% genommen wird, die der kleinen Peakfläche am nächsten liegt.
Den Volumenanteil in Prozent der Peakfläche erhält man als Prozentsatz einer Fläche, die von der Verteilungskurve, die sich zwischen ihren Grenzen erstreckt, an denen sie die Abzissenachse schneidet, und der Abzisse umgeben wird, und falls die Kurve an ihren Grenzen die Abzisse nicht schneidet, als Prozentsatz einer Fläche, die von der Verteilungskurve, die sich zwischen Minimalwertpunkten erstreckt, und der Abzisse umgeben wird (im Fall der Verwendung der Minimalwerte, als Prozentsatz einer Fläche, die von der Verteilungskurve, der Abzisse, und senkrechten Linien von den Minimalpunkten zur Abzisse umgeben wird), bezogen auf eine Gesamtfläche, die durch die gesamte Verteilungskurve und die Abzisse begrenzt wird, wie in 18 dargestellt.
Wenn die Peakfläche ein flaches Maximum aufweist, das sich parallel zur Abzisse erstreckt, dann wird ein Mittelpunkt des parallel verlaufenden Teils als häufigster Teilchengrößenwert gewählt.
Bei dem Verbundstoff gemäß Anspruch 6 unterliegen die Füllstoffe, die größere Werte der häufigsten Teilchengrößen bereitstellen, keiner besonderen Beschränkung. Zu den Füllstoffen gehören beispielsweise amorphe Granulate, wie z. B. Steingranulat, Glasgranulat, Calciumsilicat, gemahlener Zementbeton, Flußsand, Seesand und Quarzsand, anorganische Kurzfaserpulver, wie z. B. Wollastonit, anorganisches zellenhaltiges Pulver/Granulat, wie z. B. Blähschiefer, Bimsstein und Schaumglas, anorganisches Pulver/Granulat mit relativ kleiner Teilchengröße, wie z. B. pulverisiertes Vinylchlorid, pulverisiertes faserverstärktes Harz, Calciumcarbonat und Flugasche sowie Trockenschlammpulver/-granulat und zuvor durch Harz gebundene Granulate. Andererseits unterliegen die Füllstoffe, die kleinere Werte der häufigsten Teilchengrößen bereitstellen, keiner besonderen Beschränkung. Zu den bevorzugten Füllstoffen gehören beispielsweise pulverisierter Quarzsand, Quarz, Glimmer, Talkum, Ton und Aluminiumoxid und außerdem diejenigen, die zu Trockenschlammpulver/-granulat und anorganischem Pulver/Granulat gehören. Diese Füllstoffe können einzeln oder in Kombination von zwei oder mehreren verwendet werden. Ferner können die oben erwähnten anorganischen Füllstoffe mit Oberflächenbehandlung durch ein Silanhaftmittel verwendet werden. Wenn das Polyurethanharz für das Harz in der Oberflächenschicht verwendet wird, dann wird vorzugsweise ein Silanhaftmittel mit einem aktiven Wasserstoffatom verwendet, das mit einer Isocyanatgruppe reagiert, wie z. B. einer Mercaptogruppe, einer Aminogruppe und einer Iminogruppe.
Bei dem Verbundstoff gemäß Anspruch 9 bedeutet das Polyol-Äquivalent einen Wert, der aus der folgenden Gleichung (1) berechnet wird. Das Meßverfahren ist wie folgt. Nach dem Hydrolysieren des Harzes wird Amin, das von der Isocyanatkomponente herrührt, durch Ionenaustauschharz, alkalisches Reinigen und dergleichen entfernt, so daß die Polyol-Komponente zurückgewonnen werden kann, und dann wird die Hydroxylzahl der zurückgewonnenen Polyol-Komponente gemessen. Polyol-Äquivalent = Molekulargewicht von KOH × 1000/Hydroxylzahl von Polyol (mg KOH/g) (1)
Wenn ein Urethanschaumstoff mit einem Polyol-Äquivalent von mindestens 230 bis höchstens 1500 als hitzehärtbares Harz verwendet wird, das die Kernschicht bildet, dann beträgt die Dichte vorzugsweise mindestens 0,25 g/cm³ bis höchstens 0,6 g/cm³.
Wenn andererseits ein Urethanschaumstoff mit einer Dichte von mindestens 0,3 g/cm³ und einem Polyol-Äquivalent von höchstens 1500 als hitzehärtbares Harz verwendet wird, das die Kernschicht bildet, dann beträgt das Polyol-Äquivalent vorzugsweise mindestens 110 bis höchstens 1200.
Bei einem Polyol-Äquivalent von weniger als 110 kann das Harz in der Kernschicht zu hart werden, so daß die Möglichkeit besteht, daß die Flexibilität des Verbundstoffs selbst unzureichend werden kann. Andererseits kann bei einem Polyol-Äquivalent von mehr als 1500 das Harz in der Kernschicht zu weich werden, so daß die Möglichkeit besteht, daß das Nagelverhalten des Verbundstoffs unzureichend werden kann.
Die Dichte des Polyurethanharzes kann durch Einstellen eines Verhältnisses zwischen den Füllstoffen und dem Harz und Verschäumen des Polyurethanharzes zwischen den Füllstoffen reguliert werden. Das Verschäumen wird unter Verwendung eines Treibmittels durchgeführt. Das Treibmittel kann für das verwendete Harz passend ausgewählt werden.
Zu den verwendbaren Treibmitteln gehören beispielsweise physikalische Treibmittel (flüchtige Treibmittel), wie z. B. Freon, Kohlendioxid und Pentan, Treibmittel vom Zersetzungstyp, wie z. B. Azoverbindungen und Natriumhydrogencarbonat, und Treibmitteln vom Reaktionstyp, wie z. B. Kohlendioxid, das durch Reaktion von Isocyanat und Wasser erzeugt wird.
Für Polyurethan ist vorzugsweise Kohlendioxid zu verwenden, das durch Reaktion von Isocyanat und Wasser erzeugt wird, da Freon die Ozonschicht schädigen kann. Außerdem sollte das Treibmittel zuvor mit dem Harz vermischt werden.
Die Trockenschlammpulver/-granulate weisen einen Hochtemperatur-Trockenfeststoffgehalt auf, der durch eine Schlammbehandlungseinrichtung erzeugt wird. Die pulverisierten faserverstärkten Harze enthalten pulverisierten faserverstärkten Kunststoff (FRP) und pulverisierten faserverstärkten Urethan-Hartschaum. Ferner enthalten faserartige Materialien nadelförmige oder spanförmige Schnitzel, die durch Schaben des faserverstärkten Harzes mit gleichgerichteten Fasern in der Faserausdehnungsrichtung erzeugt werden.
In den Verbundstoffen gemäß den Ansprüchen 10 und 11 sind die kernschichtbildenden Materialschichten auf ihrer Druckseite, auf der sie beim Biegen in Dickenrichtung zusammengepreßt werden, vorzugsweise so beschaffen, daß sie Füllstoffe mit einem Gewicht enthalten, das mindestens gleich dem 0,7-fachen des Produkts aus dem Volumen der kernschichtbildenden Materialschichten und der Schüttdichte des Füllstoffs ist, so daß die Füllstoffe in den kernschichtbildenden Materialschichten, wenn sie komprimiert werden, in Kontakt miteinander gebracht werden können, um für hohe Elastizität und hohe Festigkeit zu sorgen, während außerdem die kernschichtbildenden Materialschichten auf der Zugseite so beschaffen sind, daß sie am einem Polyurethanschaumstoff mit einem Polyol-Äquivalent von mindestens 230 bis höchstens 1500 oder aus einem Polyurethanschaumstoff mit einer Dichte von mindestens 0,3 g/cm³ und einem Polyol-Äquivalent von höchstens 1500 bestehen, so daß sie der aus der Durchbiegung resultierenden Ausdehnung nachgeben können.
Außerdem enthalten die kernschichtbildenden Materialschichten vorzugsweise auf ihrer Zugseite elastische Elemente, wie z. B. Gummispäne oder -federn. Die enthaltenen elastischen Elemente können für Schwingungsdämpfung in dem Verbundstoff sorgen und dabei den hohen Biegemodul durch die Oberflächenschicht und die kernschichtbildenden Materialschichten auf der Druckseite aufrechterhalten.
In dem Verbundstoff gemäß Anspruch 11 können die gleichen Schichten wie die Oberflächenschichten der Verbundstoffe gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 als kernschichtbildende Materialschicht (nachstehend als "faserverstärkte Zwischenschicht" bezeichnet) verwendet werden, die zwischen der kernschichtbildenden Materialschicht mit Füllstoff und Kunstharz (nachstehend als "füllstoffhaltige Schicht" bezeichnet) und der füllstoffhaltigen Schicht eingefügt wird und aus hitzehärtbarem Schaumstoff besteht, der durch Langfasern verstärkt wird, die parallel zur Längsrichtung verlaufen.
In den Verbundstoffen gemäß den Ansprüchen 10 und 11 müssen die aneinandergrenzenden kernschichtbildenden Materialschichten aneinander gebunden werden. Wenn diese Schichten nicht ausreichend aneinander gebunden werden, besteht die Möglichkeit, daß eine an der dazwischen liegenden Grenzfläche verursachte Ablösung die Zerstörung des gesamten Verbundstoffs bewirkt.
Das Bindungsverfahren unterliegt zwar keiner besonderen Beschränkung, aber zu den Bindungsverfahren gehören beispielsweise das gleichzeitige Formen aneinandergrenzender kernschichtbildender Materialschichten, das Verkleben der geformten kernschichtbildenden Materialschichten miteinander unter Verwendung von Epoxidharzklebstoff oder Urethanklebstoff und das Formen einer zusätzlichen kernschichtbildenden Materialschicht auf der geformten kernschichtbildenden Materialschicht.
Die Kernschicht weist vorzugsweise eine Druckscherfestigkeit von mindestens 5 MPa auf. Der Grund ist der folgende:
Wenn die Druckscherfestigkeit DBa der Kernschicht kleiner ist als mindestens 5 MPa, dann kann keine Biegefestigkeit des Verbundstoffs ermöglicht werden, die dem Material entspricht, das nur das hitzehärtbare Harz, das durch die parallel in Längsrichtung verlaufenden Langfasern verstärkt wird, wie in der Oberflächenschicht, oder das hitzehärtbare Harz aufweist, das die leichten Füllstoffe enthält und durch die parallel in Längsrichtung verlaufenden Langfasern verstärkt wird. Als Ergebnis besteht die Möglichkeit, daß durch Biegen ein Scherbruch verursacht werden kann.
Um die Druckscherfestigkeit DBa der Kernschicht von mindestens 5 MPa zu erzielen, ist es vorzuziehen, die Füllstoffe mit Silanhaftmittel zu behandeln oder Kurzfasern, pulverisierte faserverstärkte Kunststoffe, pulverisierten faserverstärkten Urethanschaumstoff oder faserförmige Füllstoffe zuzusetzen, die nadelförmige oder spanförmige Schnitzel enthalten, die durch Schaben des faserverstärkten Harzes mit gleichgerichteten Fasern in der Faserausdehnungsrichtung erzeugt werden.
Bei Verwendung eines anorganischen Füllstoffs ist ein spezifisches Gewicht von mindestens 0,5 zu bevorzugen. Vorzugsweise bildet der anorganische Füllstoff mit einem spezifischen Gewicht von 0,5–1,5 bei allen Füllstoffen 50 Vol.-% oder weniger der gesamten Kernschicht.
Ferner ist es im Fall des möglichen Auftretens von Reibungsscherung an der Oberfläche vorzuziehen, das mindestens zwei Längsflächen der Kernschicht von der Oberflächenschicht umgeben sind und/oder das Volumen der Kernschicht mindestens 50% bis höchstens 65% des Gesamtvolumens des Verbundstoffs beträgt. Der so aufgebaute Verbundstoff kann im Vergleich zu dem Verbundstoff mit einer Oberflächenschicht aus einem einzigen Material eine verbesserte Biegefestigkeit bereitstellen und ist auch im Hinblick auf eine Senkung der Materialkosten vorteilhaft.
Das Herstellungsverfahren unterliegt keiner besonderen Beschränkung. Der Verbundstoff kann entweder durch ein diskontinuierliches Verfahren oder durch ein kontinuierliches Verfahren hergestellt werden.
Als Hinweis läßt sich ein Beispiel des diskontinuierlichen Herstellungsverfahrens anführen, das beispielsweise durch die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. Hei 5-138797 offenbart wird, in der, nachdem Material zur Bildung der Kernschicht und Material zur Bildung der Oberflächenschicht vorgeformt und dann in Gießformen eingebracht werden, ein Gemisch aus den Langfasern und dem hitzehärtbaren Harz oder ein Gemisch aus dem Füllstoff und dem hitzehärtbaren Harz oder eine daraus bestehende Formmasse, welche die Oberflächenschicht oder die Kernschicht bilden soll, in eine Gießform eingefüllt wird, bevor das vorgeformte Material gehärtet wird, und dann das hitzehärtbare Harz durch Erhitzen gehärtet wird.
Andererseits ist ein Beispiel des kontinuierlichen Verfahrens das folgende. Eine Anzahl von Langfasern, die als Verstärkungsfasern dienen sollen, wird parallel zu einem vorgegebenen Intervall ausgerichtet, während sie in einer Richtung laufen. Dann wird eine hitzehärtbare Schaumstoff-Flüssigkeit von oben auf die Langfasergruppe gesprüht, die parallel zur Fortbewegungsrichtung ausgerichtet sind. Danach läßt man die so aufgesprühte hitzehärtbare Schaumstoff-Flüssigkeit zwischen die Fasern eindringen, welche die entsprechenden Langfasern bilden.
Dann wird ein Extrusionsmundstück gegenüber einem Mittelteil der Langfasergruppe angeordnet, die mit der hitzehärtbaren Schaumstoff-Flüssigkeit imprägniert ist, und das Gemisch aus dem Füllstoff und dem hitzehärtbaren Harz zur Bildung der Kernschicht wird so geformt, daß die Kernschicht durch die Langfasergruppe eingeschlossen wird, während sie kontinuierlich aus dem Extrusionsmundstück extrudiert wird. Danach wird das Material kontinuierlich einem zylinderförmigen Formkanal zum Hitzehärten der hitzehärtbaren Schaumstoffflüssigkeit in dem Formkanal zugeführt, um die Kernschicht und die Oberflächenschicht gleichzeitig zu formen.
Als alternatives Verfahren ist das folgende Verfahren amwendbar. Das Gemisch am dem Füllstoff und dem hitzehärtbaren Schaumstoff zur Bildung der Kernschicht wird zwischen den zweilagigen Langfasergruppen zugeführt, die mit der hitzehärtbaren Schaumstoff-Flüssigkeit imprägniert sind, und dann durch endlose Bänder und dergleichen gepreßt, um in eine vorgegebene Querschnittsform gebracht zu werden, die durch die Langfasergruppe eingeschlossen wird. Danach wird die so geformte Schicht im ungehärteten Zustand oder nach dem Verschäumen kontinuierlich dem zylinderförmigen Formkanal zugeführt und darin hitzegehärtet. Sie wird dann unverändert oder nach dem Schleifen ihrer Oberfläche, z. B. durch Trockenschleifen, dem zylinderförmigen Formkanal zugeführt, so daß die hitzehärtbare Schaumstoff-Flüssigkeit in dem Formkanal verschäumt und hitzegehärtet wird, um gleichzeitig oder nacheinander die Kernschicht und die Oberflächenschicht zu bilden.
In dem Verbundstoff gemäß Anspruch 13 unterliegen das schaumstofffreie hitzehärtbare Harz und der leistungsarme Schaumstoff, die für die Zwischenschicht verwendet werden, keiner besonderen Beschränkung, soweit sie die Hafteigenschaften aufweisen, um zu ermöglichen, daß die Oberflächenschicht und die Kernschicht aneinander anhaften. Als Beispiele können Polyurethanharz, Epoxidharz, Phenolharz, ungesättigtes Polyesterharz, Harnstoffharz, Melaminharz, Polyimidharz, Polyamid-Imid-Harz, Acrylharz, Naturkautschuk und synthetischer Kautschuk angeführt werden. Wenn notwendig, können Katalysatoren, Schaumstabilisatoren, Schaumhilfsmittel, Füllstoffe, kurze Verstärkungsfasern, Färbemittel, Ultraviolett-Absorber, Antioxidationsmittel, Vernetzungsmittel, Stabilisierungsmittel, Weichmacher, Flammschutzmittel usw. zugesetzt werden (immer mit Ausnahme von Treibmitteln). Als Hinweis sollte in dem Fall, wo Polyurethanharze für die Oberflächenschicht und die Kernschicht eingesetzt werden, vorzugsweise das gleiche Polyurethanharz verwendet werden, um ein hohes Haftvermögen zu erzielen.
Bei der Verwendung des Polyurethanharzes reagiert auch dann, wenn kein Treibmittel zugesetzt wird, wie z. B. Wasser, das Polyurethanharz mit der Luftfeuchtigkeit oder Feuchtigkeit aus der Oberflächenschicht oder der Kernschicht und entwickelt eine gewissen Schaumbildung, aber dieser Schaumbildungsgrad ist vernachlässigbar.
Ferner wird zwischen der Kernschicht und der Oberflächenschicht eine Zwischenschicht ausgebildet, um die Kernschicht und die Oberflächenschicht zu integrieren. Die Dicke der Zwischenschicht unterliegt keiner besonderen Beschränkung. Wenn eine Verbesserung der physikalischen Eigenschaften gewünscht wird, wie z. B. der Biegeelastizität und der Nagelziehfestigkeit, dann können das schaumstofffreie hitzehärtbare Harz oder ein Schaumstoff von niedriger Dichte mit hohem Elastizitätsmodul in größerer Dicke auf der Kernschicht ausgebildet werden.
In dem Verbundstoff gemäß Anspruch 14 ist die Druckscherfestigkeit der zwischen der Oberflächenschicht und der Kernschicht vorgesehenen Zwischenschicht auf mindestens 6,0 MPa begrenzt, wenn in einer zur Faserausdehnungsrichtung der Langfasern der Oberflächenschicht parallelen Richtung eine Druckkraft an dem Verbundstoff angreift. Vorzugsweise hat die Zwischenschicht eine Druckscherfestigkeit von mindestens 7,0 MPa, stärker bevorzugt von 7,5 MPa. Die Druckscherfestigkeit kann nach dem durch JIS Z 2102 vorgeschriebenen Schertestverfahren gemessen werden.
Der Grund für die Begrenzung der Scherfestigkeit der Zwischenschicht bezüglich der Faserausdehnungsrichtung der Langfasern der Oberflächenschicht auf mindestens 6,0 MPa ist der folgende. Bei einer Scherfestigkeit der Zwischenschicht von weniger als 6 MPa verringert sich die Dauerbiegefestigkeit, was zum Abbau der Zwischenschicht in Form von Zerstörung fuhrt. Der Abbau der Zwischenschicht durch Zerstörung breitet sich vom Zeitpunkt der Zerstörung an fortschreitend über die Zerstörungsfläche aus, und die Festigkeitsminderung macht schnelle Fortschritte. Als Ergebnis davon kann dieser Verbundstoff beispielsweise nicht mehr für Baumaterial und Schienenschwellen verwendet werden, die eine hohe Elastizität, Biegefestigkeit und Dauerermüdungsfestigkeit erfordern.
Das Verfahren zur Bereitstellung der Scherfestigkeit der Zwischenschicht von mindestens 6 MPa unterliegt keiner besonderen Beschränkung. Zum Beispiel können ein Verfahren zum Einfügen eines hochfesten und hochelastischen Harzes, wie z. B. von Epoxidharz, zwischen der Oberflächenschicht und der Kernschicht; ein Verfahren zum Erhöhen der Harzdichte der Zwischenschicht auf mindestens das 1,1-fache der Harzdichte der Oberflächenschicht und der Kernschicht, wenn die Scherfestigkeit der Oberflächenschicht bezüglich der Faserausdehnungsrichtung der Langfasern und die Scherfestigkeit der Kernschicht mindestens 6 MPa betragen; und ein Verfahren zum Anordnen eines harzimprägnierten folienähnlichen Materials in der Zwischenschicht, wie in dem Verbundstoff von Anspruch 15, als Beispiele angeführt werden.
Die Verfahren zum Erhöhen der Harzdichte zwischen der Oberflächenschicht und der Kernschicht über die Harzdichte der Oberflächenschicht und der Kernschicht schließen beispielsweise ein Verfahren zum Aufbringen von Epoxidharz oder verschäumtem oder unverschäumtem Urethanharz auf die Oberfläche der Kernschicht oder der Zwischenschicht ein, wenn das mehrschichtige Material hergestellt wird.
In dem Verbundstoff gemäß Anspruch 15 ist das harzimprägnierte folienähnliche Material ein Material, das mit unverschäumtem hitzehärtbarem Harz oder leistungsarmem Schaumstoff imprägniert wird, und wird praktischerweise zur Bereitstellung der Zwischenschicht zwischen der Kernschicht und der Oberflächenschicht verwendet. Das harzimprägnierte folienähnliche Material unterliegt keiner besonderen Beschränkung, soweit es mit unverschäumtem hitzehärtbarem Harz oder leistungsarmem Schaumstoff imprägniert werden kann. Um die Festigkeit der Zwischenschicht selbst zu erhöhen, kann ein hochfestes folienähnliches Material eingesetzt werden.
Das harzimprägnierte folienähnliche Material unterliegt keiner besonderen Beschränkung, soweit es mit flüssigem urverschäumten hitzehärtbarem Harz oder Schaumstoffflüssigkeit von niedriger Dichte imprägniert werden kann. Zu den verwendbaren imprägnierten folienähnlichen Materialien gehören beispielsweise Faservlies, das anorganische Glasfasern oder Kunstharzfasern aufweist (z. B. Polyester-Faservlies (SUPAN BONDO E 1050, beziehbar von Asahi Chemical Industrial Co., Ltd.) und Vinylon-Faservlies (z. B. BINIRON SUPAN REESU, beziehbar von Kuraray Co., Ltd.)) und Gewebe. Außerdem kann eine poröse Folie mit einer Anzahl von Löchern aus Kunstharzfolie, Papier und Metallfasergewebe verwendet werden.
Wenn die Scherfestigkeit der Kernschicht 6 MPa beträgt oder die Scherfestigkeit der Oberflächenschicht bezüglich der Faserausdehnungsrichtung 6 MPa beträgt, dann kann das harzimprägnierte folienähnliche Material ermöglichen, daß die Druckscherfestigkeit der Zwischenschicht bezüglich der Richtung parallel zur Faserausdehnungsrichtung mindestens 6 MPa beträgt, indem die Harzdichte zwischen der Oberflächenschicht und dem harzimprägnierten folienähnlichen Material und die Harzdichte zwischen der Kernschicht und dem harzimprägnierten folienähnlichen Material auf mindestens das 1,1-fache der Harzdichte der Kernschicht und der Oberflächenschicht eingestellt werden.
Wenn Polyurethanharz als das Harz der Kernschicht und der Oberflächenschicht verwendet wird und die Zwischenschicht zwischen der Kernschicht und der Oberflächenschicht eingefügt wird, dann kann das harzimprägnierte folienähnliche Material, dessen Rohmaterial eine chemische/physikalische Affinität zu dem Harz der Kernschicht und der Oberflächenschicht aufweist, wie z. B. Vinylonfaser oder Glasfaser, die mit Silanhaftmittel behandelt wird und hervorragende Hafteigenschaften aufweist, ermöglichen, daß die Harzdichte zwischen der Oberflächenschicht und dem folienähnlichen Material und die Harzdichte zwischen der Kernschicht und dem folienähnlichen Material mindestens gleich dem 1,05-fachen der Harzdichte der Kernschicht und der Oberflächenschicht ist, z. B. wenn die Scherfestigkeit der Kernschicht 6 MPa oder die Scherfestigkeit der Oberflächenschicht 6 MPa bezüglich der Faserausdehnungsrichtung beträgt.
In den Verbundstoffen gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 und den Ansprüchen 9 bis 15 wird als Kunstharz der Kernschicht und als Kunstharz der Oberflächenschicht vorzugsweise Polyurethanschaumstoff verwendet, ebenso wie in dem Verbundstoff gemäß Anspruch 16.
Der Grund für die Verwendung von Polyurethanschaumstoff für die Kernschicht ist, daß er eine relativ hohe mechanische Festigkeit aufweist und beim Verschäumen leicht geschlossene Zellen bilden kann und eine hervorragend niedrige Absorptionsfähigkeit aufweist.
Zu den allgemein verwendbaren Polyurethanschaumstoffen gehören bekannte Polyurethanschaumstoffe, die man durch Reaktion mit Polyol und Polyisocyanat erhält.
Zu den Polyolen, die an ihrem Molekülende mindestens zwei Hydroxylgruppen aufweisen, gehören beispielsweise Polyetherpolyol, wie z. B. Polypropylenoxid, Polyethylenoxid und Polytetramethylenglycol sowie Copolymere davon, Polyesterpolyole, wie z. B. Polykondensat von aliphatischer Dicarbonsäure, wie etwa Adipinsäure, und Glycol mit nicht mehr als 12 Kohlenstoffatomen, wie z. B. Ethylenglycol, Propylenglycol, Butylenglycol und Hexamethylenglycol, Polyesterpolyol, das ein Polykondensat von Hydroxycarbonsäure ist, wie z. B. Poly-ε-caprolacton und ein Copolymer davon, sowie Polymer-Polyole, die Pfropfcopolymere der Polyole und eines Polymers eines Monomers mit einer Vinylgruppe sind. Diese können einzeln oder in Kombination von zwei oder mehreren verwendet werden. Die verwendbaren Polyisocyanate weisen mindestens zwei Isocyanatgruppen auf, und dazu gehören beispielsweise hydrierte Materialien von 4,4'-Methylendiphenyldiisocyanat, 2,4-Tolylendiisocyanat, 2,6-Tolylendiisocyanat, Isophorondiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat und 4,4'-Methylendiphenyldiisocyanat, mehrkernige Verbindungen davon und mehrkernige Verbindungen ihrer Isomere. Diese können einzeln oder in Kombination von zwei oder mehreren Verbindungen eingesetzt werden. Im Hinblick auf die Sicherheit, Reaktivität und bequeme Handhabung ist ein Gemisch aus 4,4'-Methylendiphenyldiisocyanat und einer mehrkernigen Verbindung seines Isomers (nachstehend bezeichnet als "polymeres MDI") zu bevorzugen.
Beispiele von Treibmitteln, die bei der Reaktion verwendet werden, sind thermisch zersetzbare Treibmittel, Gastreibmittel, wie z. B. Freon, und Wasser. Ferner können Nebenprodukte verwendet werden, wie z. B. zersetztes Gas, das bei der Reaktion der thermisch zersetzbaren Treibmittel erzeugt wird. Da Freon die Ozonschicht abbauen kann, sollte vorzugsweise Kohlendioxid verwendet werden, das durch die Reaktion von Isocyanat und Wasser entsteht. Außerdem sollte das Treibmittel vorher mit dem Harz vermischt werden.
Wenn notwendig, können dem Urethanschaumstoff Katalysatoren, Schaumstabilisatoren, Schaumhilfsmittel, Füllstoffe, kurze Verstärkungsfasern, Färbemittel, Ultraviolett-Absorber, Antioxidationsmittel, Vernetzungsmittel, Stabilisierungsmittel, Weichmacher, Flammschutzmittel usw. zugesetzt werden.
Die Katalysatoren unterliegen zwar keiner besonderen Beschränkung, aber beispielsweise können Organozinnkatalysatoren wie etwa Dibutylzinndilaurat, Aminkatalysatoren und temperaturempfindliche Katalysatoren verwendet werden.
Die Verbundstoffe gemäß den Ansprüchen 13 bis 16 können entweder durch ein diskontinuierliches Verfahren oder durch ein kontinuierliches Verfahren erzeugt werden.
Vorzugsweise sollte die Härtungszeit der jeweiligen Schichten möglichst genau aufeinander abgestimmt sein. Der Grund dafür ist anscheinend, daß dadurch eine erhöhte Bindungskraft bereitgestellt werden kann, um zur Verbesserung der Grenzflächenfestigkeit beizutragen, wenn zwischen entsprechenden Schichten chemische Bindungen ausgebildet werden.
Als Hinweis wird auf die diskontinuierliche Herstellung verwiesen. Zum Beispiel wird Material zur Bildung der Kernschicht und Material zur Bildung der Oberflächenschicht zunächst vorgeformt und dann in Gießformen eingebracht. Bei diesem Verfahren wird das harzimprägnierte folienähnliche Material, das zuvor mit schaumstofffreiem hitzehärtbarem Harz getränkt wurde, auf eine Oberfläche des so eingesetzten vorgeformten Materials auf der Seite des Materials aufgelegt, auf der die Kernschicht und die Oberflächenschicht laminiert werden. Vor dem Aushärten des vorgeformten Material wird das Gemisch aus Langfasern und Kunstharzschaumstoff, das die Oberflächenschicht bilden soll, oder das Gemisch aus Füllstoff und Kunstharz, das die Kernschicht bilden soll, oder ein weiteres vorgeformtes Material, das die Oberflächenschicht oder die Kernschicht bilden soll, in eine Gießform eingefüllt, und dann werden das Kunstharz der Kernschicht und der Oberflächenschicht und das unverschäumte hitzehärtbare Harz durch Erhitzen gehärtet.
Bei einem kontinuierlichen Verfahren werden z. B. eine Anzahl von Langfasern, die als Verstärkungsfasern dienen sollen, parallel zu einem vorgegebenen Intervall ausgerichtet, während sie sich in zwei vertikalen Ebenen in einer Richtung fortbewegen. Dann wird eine Polyurethan-Schaumstoffflüssigkeit über die Langfasergruppen gesprüht, die auf der Fortbewegungsstrecke in zwei vertikalen Ebenen parallel ausgerichtet wurden, so daß die aufgesprühte Polyurethanschaumstoff-Flüssigkeit zwischen den Fasern eindringt, welche die entsprechenden Langfasern bilden.
Ferner wird in dem Zustand, in dem das harzimprägnierte folienähnliche Material, das zuvor mit schaumstofffreier hitzehärtbarer Harzflüssigkeit oder leistungsarmer Schaumstoffflüssigkeit getränkt wurde, zwischen den zweilagigen Langfasergruppen angeordnet wird, die mit dem flüssigen hitzehärtbaren Schaumstoff imprägniert sind, das Gemisch aus dem Füllstoff und dem hitzhärtbaren Schaumstoff zur Bildung der Kernschicht zwischen endlose Bänder und dergleichen eingebracht und durch diese geformt, so daß sie zu einer vorgegebenen Querschnittsform geformt werden, die durch die Langfasergruppe eingeschlossen wird, und dann kontinuierlich im ungehärteten Zustand zugeführt werden. Danach werden sie kontinuierlich einem zylinderförmigen Formkanal zugeführt, so daß die hitzehärtbare Schaumstoffflüssigkeit in dem Formkanal verschäumt und hitzegehärtet werden kann, um gleichzeitig die Kernschicht, die Oberflächenschicht und die Zwischenschicht zu bilden.
Der Verbundstoff gemäß Anspruch 17 hat eine Gesamtdicke von mindestens 100 mm, und das Dickenverhältnis der Kernschicht zur Gesamtdicke der Oberflächenschichten, welche die Kernschicht in Dickenrichtung bedecken, liegt im Bereich von 9/1 bis 1/1. Der Grund für diese Bedingung ist, daß bei einem Verhältnis von mehr als 9/1 die Biegefestigkeit ungenügend ist, während andererseits bei einem Verhältnis von weniger als 1/1 die Möglichkeit besteht, daß entweder die Druckfestigkeit oder die aus der Füllstoffzugabe resultierende Nagelhaltefähigkeit unter Umständen nicht zufriedenstellend sind.
In dem Verbundstoff gemäß Anspruch 18 weist die Kernschicht mindestens zwei kernschichtbildende Zusammensetzungsschichten (A) mit Füllstoff und Kunstharz und mindestens eine kernschichtbildende Zusammensetzungsschicht (B) mit durch Langfasern verstärktem hitzehärtbarem Harz auf, die zwischen den zwei kernschichtbildenden Zusammensetzungen (A), (A) der kernschichtbildenden Zusammensetzungsschichten (A) eingefügt ist und parallel dazu in Längsrichtung des Verbundstoffs verläuft, und ein Verhältnis zwischen der Gesamtdicke der kernschichtbildenden Zusammensetzungsschicht (A) und der Gesamtdicke der kernschichtbildenden Zusammensetzungsschicht (B) liegt im Bereich von 95/5 bis 50/50. Der Grund für diese Bedingung ist, daß bei einem Verhältnis von mehr als 95/5 die Nagelhaltefähigkeit der kernschichtbildenden Zusammensetzungsschicht (B), welche die faserverstärkte Zwischenschicht bildet, verringert wird, während andererseits bei einem Verhältnis von weniger als 50/50 die Möglichkeit besteht, daß sich die Druckelastizitätsgrenze verringert.
In dem Verbundstoff gemäß Anspruch 19 wird die Oberflächenschicht so auf die Kernschicht auflaminiert, daß sie mindestens zwei Flächen der Kernschicht in Bezug auf deren Dickenrichtung bedeckt; der Verbundstoff hat eine Gesamtdicke von mindestens 100 mm in seiner Dickenrichtung, und die Dicke der Oberflächenschicht auf der Seite des Verbundstoffs, an der eine Zugkraft angreift, wenn der Verbundstoff in Dickenrichtung gebogen wird, beträgt mindestens 5% bis höchstens 20% der Gesamtdicke, und die Dicke der Oberflächenschicht auf der Seite des Verbundstoffs, an der eine Druckkraft angreift, beträgt mindestens 1,5% bis höchstens 15% der Gesamtdicke. Der Grund dafür ist der folgende.
Wenn die Dicke der Oberflächenschicht auf der Seite, wo eine Zugkraft angreift, zu klein ist, kann keine ausreichende Biegefestigkeit erzielt werden. Wenn andererseits die Dicke der Oberflächenschicht auf der Seite des Verbundstoffs, wo die Zugkraft angreift, zu groß ist, dann kann sich die Wirkung einer Senkung der Materialkosten, die aus der Bereitstellung der Kernschicht resultiert, verringern. Wenn die Dicke der Oberflächenschicht auf der Seite des Verbundstoffs, an der eine Druckkraft angreift, zu klein ist, dann kann die Kernschicht durch Verformung ausgebeult werden, wodurch keine ausreichende Biegefestigkeit erreicht wird. Wenn andererseits die Dicke der Oberflächenschicht auf der Seite des Verbundstoffs, wo die Druckkraft angreift, zu groß ist, dann kann sich die Wirkung einer Senkung der Materialkosten, die aus der Bereitstellung der Kernschicht resultiert, verringern.
In dem Verbundstoff gemäß Anspruch 20 umgibt die Oberflächenschicht vier Oberflächen der Kernschicht und bildet mindestens 10 Vol.-% bis höchstens 65 Vol.-% des gesamten Verbundstoffs. Der Grund für diese Bedingung ist, daß bei weniger als 10 Vol.-% die Biegefestigkeit ungenügend wird, während andererseits bei mehr als 65 Vol.-% die Möglichkeit besteht, daß entweder die Druckfestigkeit oder die aus der Zugabe der Füllstoffe resultierende Nagelhaltefähigkeit unter Umständen nicht zufriedenstellend ist.
Der erfindungsgemäße Verbundstoff eignet sich als Baumaterial. Er kann auf geeignete Weise als Ersatz für Holz und außerdem für vorgesehene Verwendungen zur Gewichtsreduzierung von Betonerzeugnissen eingesetzt werden, wie z. B. von Deckeln, die in einer Wasseraufbereitungsanlage verwendet werden, druckaufnehmenden Platten, die in Schmutzwasser oder an entsprechenden Stellen eingesetzt werden, Verschalungen zur Verwendung beim Shield Earth Retaining Wall-Verfahren (Schildvortriebsverfahren; nachstehend als "SEW-Bauverfahren" bezeichnet), und Schienenschwellen, wie in Anspruch 21 angeführt.
Zu beachten ist, daß das SEW-Bauverfahren ein Bauverfahren ist, bei dem eine Wand von hoher Festigkeit und hoher Haltbarkeit in eine Erdstützwand als Teil davon eingebaut wird, durch den eine Schildvortriebsmaschine so hindurchgeht, daß die Schildvortriebsmaschine direkt diesen Teil der Wand durchbohren kann, um ihn von einem Anfangspunkt zu einem Endpunkt zu durchfahren, ohne daß die Wand kreisförmig durch Menschen oder Maschinen ausgeschnitten werden muß.
Bei dem Verbundmaterial und der Schienenschwelle gemäß der vorliegenden Erfindung können die Oberflächenschicht und die Kernschicht an ihren freiliegenden Seiten, wenn erforderlich, mit einer Dekorationsschicht, einer wetterfesten Schicht und einer wasserdichten Schicht versehen werden.
Die wetterfeste Schicht unterliegt zwar keiner besonderen Beschränkung, aber als Beispiel kann als wetterfeste Schicht eine Überzugsschicht angeführt werden, die durch Aufbringen eines wetterfesten Anstrichs gebildet wird.
Die wasserdichte Schicht unterliegt zwar keiner besonderen Beschränkung, kann aber aus einer wasserdichten Folie und einer wasserdichten Platte gebildet werden, die aus Gummi, Kunstharz, Metallblech oder einer Kombination daraus besteht, sowie aus einer Überzugsschicht, die durch Auftragen eines Nicht-Unterwasseranstrichs gebildet wird und eines entsprechenden Überzugs, der durch Auftragen von oder Imprägnieren mit wasserabweisendem, ölhaltigem Material, wie z. B. Paraffin oder Petrolat, gebildet wird.
Der erfindungsgemäße Verbundstoff weist zwar eine hervorragende Nagelhaltefähigkeit auf, aber die Nagelhaltefähigkeit kann durch Ausbilden von vorbereiteten Löchern an Nagelungsstellen, Eingießen von Klebstoff in die vorbereiteten Bohrungen und anschließendes Einschlagen der Nagel in die Bohrungen weiter verbessert werden.
Die Erfindung wird nachstehend lediglich anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine erste Ausführungsform eines Verbundstoffs gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen Längsschnitt des Verbundstoffs darstellt;
2 einen Änderungskurve der Biegespannung des Verbundstoffs gemäß 1;
3 eine Schemazeichnung, die schematisch eine Produktionseinheit für den Verbundstoff gemäß 1 darstellt;
4 eine Schemazeichnung einer vergrößerten Schnittansicht einer Kernschicht des Verbundstoffs gemäß 1;
5 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundstoffs, die einen Längsschnitt des Verbundstoffs darstellt;
6 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundstoffs, die einen Längsschnitt des Verbundstoffs darstellt;
7 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundstoffs, die einen Längsschnitt des Verbundstoffs darstellt;
8 eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundstoffs, die einen Längsschnitt des Verbundstoffs darstellt;
9 eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundstoffs, die einen Längsschnitt des Verbundstoffs darstellt;
10 eine siebente Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundstoffs, die schematisch eine perspektivische Ansicht des Verbundstoffs darstellt;
11 eine Darstellung zur Erläuterung eines Entwicklungsmechanismus der Biegefestigkeit des Verbundstoffs;
12 eine perspektivische Ansicht einer achten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundstoffs;
13 eine Darstellung, die schematisch eine vertikale Produktionslinie zur Verwendung bei der Herstellung des Verbundstoffs gemäß 12 darstellt;
14 eine Schnittansicht des im Referenzbeispiel 1 dargestellten Verbundstoffs;
15 eine Schnittansicht des im Referenzbeispiel 2 hergestellten Verbundstoffs;
16 eine Darstellung zur Erläuterung der Methode eines Scherungstests;
17 eine Schemazeichnung einer vergrößerten Schnittansicht einer Kernschicht eines herkömmlichen Verbundstoffs; und
18 eine Darstellung zur Erläuterung der Ermittlungsmethode für den Volumenanteil einer Peakfläche aus einer Teilchengrößenverteilungskurve des Füllstoffs.
BESTE AUSFÜHRUNGSART DER ERFINDUNG
Die ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben.
In 1 ist die erste Ausführungsform eines Verbundstoffs gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Wie in 1 dargestellt, weist der Verbundstoff 1a eine Kernschicht 2a und eine Oberflächenschicht 3a auf.
Die Kernschicht 2a weist Füllstoff 22 und hitzehärtbares Harz auf, enthält einen Füllstoff 22, dessen Gewicht mindestens gleich dem 0,7-fachen des Produkts aus dem Volumen der Kernschicht und der Schüttdichte des Füllstoffs ist, und hat eine Dichte von mindestens 0,3 g/cm³ bis höchstens 2,3 g/cm³.
Der Füllstoff 22 besteht aus mindestens einem Pulver/Granulat, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus anorganischem Pulver/Granulat, Trockenschlammpulver/-granulat und pulverisiertem faserverstärktem Harz besteht.
Wie in 2 dargestellt, erhält man beim Auftragen der Biegespannung der Kernschicht 2a, die mit der Änderung der Durchbiegung variiert, eine Änderungskurve mit einem singulären Punkt P, in dem der Anstieg der Tangente T, der vom Anfangszeitpunkt der Biegung allmählich abnimmt, wieder zunimmt, bevor er negativ wird. Die Kernschicht 2a weist in dem singulären Punkt P eine Durchbiegung von höchstens 0,8% auf, und weist übrigens einen Biegemodul von mindestens 800 MPa auf, wenn sie von der Durchbiegung in dem singulären Punkt P an weiter durchgebogen wird.
Die Oberflächenschicht 3a ist so angeordnet, daß sie die Kernschicht 2a von außen umgibt und mit der Kernschicht 2a integriert ist und aus hitzehärtbarem Schaumstoff besteht, dessen Langfasern 5 im allgemeinen parallel zur Längsrichtung ausrichtet sind.
Die Oberflächenschicht 3a bildet mindestens 10 Vol.-% bis höchstens 65 Vol.-% des Gesamtvolumens.
Als nächstes wird eine ausführliche Beschreibung des Herstellungsverfahrens des Verbundstoffs 1a unter Verwendung einer in 3 dargestellten Produktionseinheit gegeben.
Wie in 3 dargestellt, weist die Produktionseinheit 4 eine Austragsvorrichtung 41, eine Imprägniervorrichtung 42, eine Durchlaufknetmaschine 43, ein Formmundstück 44, einen Formkanal 45 und eine Entnahmevorrichtung 46 auf.
Die Austragsvorrichtung 41 ist so konstruiert, daß sie kontinuierlich hitzehärtbare Schaumstoffflüssigkeit 59 austrägt, die durch Mischen vom Rohmaterial erzeugt wird, das von einem Rohmaterialbehälter (nicht dargestellt) zugeführt wird, und die Flüssigkeit auf die Langfasern 55 aufsprüht, die beim Durchlauf durch den Formkanal 45 parallel gerichtet werden und kontinuierlich nach der Seite der Entnahmevorrichtung 46 hin entnommen werden.
Die Imprägniervorrichtung 42 ist mit einer Imprägnierplatte 42a und einer Imprägnierunterlage (nicht dargestellt) zur Aufnahme der Imprägnierplatte 42a ausgestattet. Die Langfasergruppe 55, auf welche die hitzehärtbare Schaumstoffflüssigkeit 59 aufgesprüht wurde, wird zwischen der Imprägnierunterlage und der Imprägnierplatte 42a geknetet, so daß die hitzehärtbare Schaumstoffflüssigkeit 59 gleichmäßig zwischen den Fasern eindringen kann.
Die kontinuierliche Knetmaschine 43 ist so konstruiert, daß sie die hitzehärtbare Schaumstoffflüssigkeit zur Bildung der Kernschicht 2a und den Füllstoff vermischt, um dadurch ein Rohmaterialgemisch zu erzeugen, und außerdem das Rohmaterialgemisch kontinuierlich dem Formmundstück 44 zuführt.
Das Formmundstück 44 ist so konstruiert, daß es das von der kontinuierlichen Knetmaschine 43 zugeführte Rohmaterialgemisch kontinuierlich in eine vorgegebene Form bringt und außerdem das geformte Material auf dem Weg zwischen der Imprägniervorrichtung 42 und dem Formkanal 45 als geformtes Material 58 zur Verwendung beim Formen der Kernschicht einem Mittelteil der Langfasergruppe 55 zuführt.
Der Formkanal 45 wird durch Kombination von vier endlosen Bändern 45a gebildet (nur zwei davon sind in der Zeichnung dargestellt), die durch Antriebseinrichtungen zur Drehung in der gleichen Richtung angetrieben werden, und weist eine rechteckige Querschnittsform auf. Er weist außerdem eine – allerdings nicht dargestellte – Heizvorrichtung auf, um die hitzehärtbare Schaumstoffflüssigkeit 59, mit der die Langfasern 5 imprägniert sind, die dem Formkanal 45 kontinuierlich zugeführt werden, und die hitzehärtbare Schaumstoffflüssigkeit in dem geformten Material 58 zu verschäumen und auszuhärten, um dadurch den Verbundstoff 1a mit der Kernschicht 2a und der Oberflächenschicht 3a zu erzeugen, der eine in 1 dargestellte Querschnittsform aufweist. Der auf diese Weise erzeugte Verbundstoff wird kontinuierlich durch den Formkanal transportiert.
Die Entnahmevorrichtung 46 ist so konstruiert, daß sie den Verbundstoff 1a mit gleichmäßiger Geschwindigkeit entnimmt.
In dem auf diese Weise erzeugten Verbundstoff 1a wird die Oberflächenschicht 3a in einem Zustand ausgebildet, in dem die Langfasern 5 parallel zur Längsrichtung des hitzehärtbaren Harzes ausgerichtet sind. Daher läßt sich der Verbundstoff leicht nageln und dergleichen und weist außerdem eine hervorragende Biegefestigkeit in Längsrichtung auf.
Da außerdem die Kernschicht 2a den Füllstoff 22 und das hitzehärtbare Harz aufweist, und da sie den Füllstoff 22 mit einem Gewicht enthält, das mindestens gleich dem 0,7-fachen des Produkts aus dem Volumen der Kernschicht unter Schüttdichte des Füllstoffs ist, und da sie eine Dichte von mindestens 0,3 g/cm³ bis höchstens 2,3 g/cm³ aufweist, werden die Füllstoffe 22 in dem Zustand, in dem sie in Kontakt miteinander gebracht werden, durch das hitzehärtbare Harz miteinander verklebt, wie in 4 dargestellt.
Daher weist die Kernschicht 2a unter Kompression eine geringe Verformung auf, die auch von der Oberflächenschicht 3a abhängt, so daß sie unter Kompression nie die Proportionalitätsgrenze der Oberflächenschicht 3a unterschreitet. Dementsprechend weist der Verbundstoff insgesamt eine hervorragende Druckfestigkeit auf und weist außerdem durch den Füllstoff 22 der Kernschicht 2a ein verbessertes Nagelziehverhalten auf. Mit anderen Worten, da der Füllstoff 22 dicht gepackt ist, wird der Widerstand gegen Nagelziehen durch den Füllstoff 22 und das hitzehärtbare Harz 21 erhöht, und daher verbessert sich die Nagelziehfestigkeit.
Da anorganisches Pulver/Granulat, Trockenschlammpulver/-granulat und pulverisiertes faserverstärktes Harz als Füllstoff 22 verwendet werden, beträgt ferner der Wärmeausdehnungskoeffizient des Füllstoffs etwa 1/10 des Koeffizienten des hitzehärtbaren Harzes. Infolgedessen kommt der Wärmeausdehnungskoeffizient der Kernschicht 2a demjenigen der glasfaserverstärkten Oberflächenschicht 3a nahe. Folglich entsteht auch bei starker Änderung der Umgebungstemperatur eine geringe Verformung an der Grenzfläche zwischen der Oberflächenschicht und der Kernschicht, wodurch die Langzeit-Hafteigenschaften zwischen den Schichten sehr zuverlässig werden.
Da ferner die Oberflächenschicht 3a einen hitzehärtbaren Schaumstoff aufweist, der durch die in Längsrichtung parallel gerichteten Langfasern verstärkt wird und mindestens 10 Vol.-% bis höchstens 65 Vol.-% des Gesamtvolumens bildet, weist der Verbundstoff eine ausreichende Biegefestigkeit auf und weist außerdem beim Nageln Riß- oder Bruchfestigkeit auf.
Außerdem weist die Änderungskurve der Biegespannung der Kernschicht 2a den singulären Punkt P auf, in dem der Anstieg der Tangente, der vom Anfangszeitpunkt des Siegens an allmählich abnimmt, wieder zunimmt, bevor er negativ wird, und außerdem ist die durch Durchbiegung der Kernschicht in dem singulären Punkt P höchstens gleich 0,8%. Ferner weist die Kernschicht bei weiterer Durchbiegung über den Wert in dem singulären Punkt hinaus einen Biegemodul von mindestens 800 MPa auf. Infolgedessen wird die Biegefestigkeit verbessert. Das Auftreten des singulären Punkts liefert das Ergebnis, das bei einer Biegung oder Kompression des Verbundstoffs die Füllstoffe in vollen Kontakt miteinander gebracht werden, um eine verbesserte Festigkeit zu erzeugen.
5 zeigt die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundstoffs.
Wie in 5 dargestellt, wird der Verbundstoff 1b mit einer Kernschicht 2b geformt, die zwischen den Oberflächenschichten 3b an der Oberseite und der Unterseite der Kernschicht eingefügt ist.
Die Kernschicht 2b besteht aus Füllstoff, der in einem Anteil von mehr als 50 Vol.-% bis höchstens 95 Vol.-% enthalten ist, und Polyurethanschaumstoff mit einem Polyol-Äquivalent von mindestens 230 bis höchstens 1500, oder Polyurethanschaumstoff mit einer Dichte von mindestens 0,3 g/cm³ und einem Polyol-Äquivalent von höchstens 1500.
Die Oberflächenschichten 3b bestehen aus hitzehärtbarem Schaumstoff, der durch Langfasern verstärkt wird, die in Längsrichtung parallel ausgerichtet sind.
Der Verbundstoff 1b wird durch die folgenden Prozesse hergestellt: Zunächst wird ein Gemisch aus dem Füllstoff und der Polyurethan-Schaumstoffflüssigkeit in eine Gießform eingefüllt, um das Gemisch in die Form einer Kernschicht zu bringen. Dann wird vor dem Aushärten des geformten Materials das geformte Material zwischen einer Tafel aus hitzehärtbarem Schaumstoff eingebracht, die durch Fasern verstärkt wird, die zu der Oberflächenschicht werden, und dann durch Erhitzen in der Gießform in diesem Zustand gehärtet.
Da in diesem Verbundstoff 1b, wie oben erwähnt, die Kernschicht 2b die enthaltenen Füllstoffe in einem Anteil von mehr als 50 Vol.-% bis höchstens 95 Vol.-% aufweist, werden in dem Zustand, in dem die Füllstoffe miteinander in Kontakt gebracht werden, die Füllstoffe 22 durch den Polyurethanschaumstoff miteinander verklebt, ebenso wie im Fall des oben erwähnten Verbundstoffs 1a.
Daher weist die Kernschicht 2b unter Druck eine geringe Verformung auf, die auch von der Oberflächenschicht 3b abhängig ist, so daß sie unter Kompression nie die Proportionalitätsgrenze der Oberflächenschicht 3b unterschreitet. Dementsprechend weist der Verbundstoff insgesamt eine hervorragende Druckfestigkeit auf, und außerdem wird das Nagelziehverhalten durch den Füllstoff der Kernschicht 2b verbessert. Mit anderen Worten, da der Füllstoff 22 dicht gepackt ist, wird der Widerstand gegen das Nagelziehen durch den Füllstoff und den Polyurethanschaumstoff erhöht, und daher wird die Nagelziehfestigkeit erhöht.
Da außerdem der Polyurethanschaumstoff, der die Kernschicht 2b bildet, ein Polyol-Äquivalent von mindestens 230 bis höchstens 1500 oder eine Dichte von mindestens 0,3 g/cm³ und ein Polyol-Äquivalent von höchstens 1500 aufweist, verbessert sich auch die Flexibilität.
Bei Verwendung als Schienenschwelle und dergleichen ist der Verbundstoff daher ohne weiteres in der Lage, zur Geräuschminderung Schwingungen zu dampfen. Da außerdem die Kernschicht widerstandsfähig gegen Zerstörung ist, wenn eine Beschädigung durch Verschleiß entsteht, wird die Beschädigung dann an der Oberflächenschicht hervorgerufen und damit leicht erkennbar.
Ferner kann die relative Dichte des erzeugten Verbundstoffs leicht durch Regulieren der relativen Dichte von Füllstoffen der Kernschicht eingestellt werden, so daß der Verbundstoff für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden kann, die von der massesparenden Anwendung bis zur massebelasteten Anwendung reichen.
In 6 ist die dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundstoffs dargestellt.
Wie in 6 dargestellt, weist der Verbundstoff 1c eine Kernschicht 2c mit zwei füllstoffhaltigen Schichten 23, 24 als kernschichtbildenden Zusammensetzungen und einer Oberflächenschicht 3c auf, die so angeordnet ist, daß sie die Kernschicht 2c umgibt.
Die füllstoffhaltigen Schichten 23, 24 bestehen aus Polyurethanschaumstoff mit einem Polyol-Äquivalent von mindestens 230 bis höchstens 1500 oder aus Polyurethanschaumstoff mit einer Dichte von mindestens 0,3 g/cm³ und einem Polyol-Äquivalent von höchstens 1500 und aus Material, das einen Füllstoff mit einem Gewicht aufweist, das mindestens gleich dem 0,7-fachen des Produkts aus dem Volumen der füllstoffhaltigen Schichten 23, 24 und der Schüttdichte des Füllstoffs ist.
Die zwei füllstoffhaltigen Schichten 23, 24 unterscheiden sich im Mischungsverhältnis der Füllstoffe voneinander, weisen leicht unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf und sind an der dazwischenliegenden Grenzfläche miteinander verklebt.
Die Oberflächenschicht 3c besteht aus hitzehärtbarem Schaumstoff, der durch die in Längsrichtung parallel gerichteten Langfasern verstärkt wird.
Da in dem Verbundstoff 1c die Kernschicht 2c aus zwei füllstoffhaltigen Schichten 23, 24 mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften besteht, wie oben erwähnt, wirken die füllstoffhaltigen Schichten 23, 24 und die Oberflächenschicht 3c effizient gegen eine Biegung zusammen, um eine verbesserte Festigkeit und Flexibilität des Verbundstoffs bereitzustellen.
In 7 ist die vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundstoffs dargestellt.
Wie in 7 dargestellt, ist der Verbundstoff 1d mit dem oben erwähnten Verbundstoff 1c identisch, mit der Ausnahme, daß eine Kernschicht 2d aus zwei füllstoffhaltigen Schichten 23, 24 mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften und einer faserverstärkten Zwischenschicht 25 besteht.
Die faserverstärkte Zwischenschicht 25 besteht aus hitzehärtbarem Schaumstoff, der durch in Längsrichtung parallel gerichtete Langfasern verstärkt wird, wie dies bei der Oberflächenschicht 3c der Fall ist, und ist mit den oberen und unteren füllstoffhaltigen Schichten 23, 24 so verklebt, daß er mit diesen integriert ist.
Da in diesem Verbundstoff 1d die faserverstärkte Zwischenschicht 25 zwischen der füllstoffhaltigen Schicht 23 und der füllstoffhaltigen Schicht 24 vorgesehen ist, wie oben erwähnt, kann der eingeschlagene Nagel durch die Langfasern der faserverstärkten Zwischenschicht 25 gebunden werden, um eine verbesserte Nagelhaltefähigkeit des Verbundstoffs bereitzustellen.
Daher kann der Verbundstoff auf geeignete Weise für eine Schienenschwelle (besonders eine Eisenbahnschwelle), eine druckaufnehmende Platte und beim Shield Earth Retaining Wall-Verfahren (SEW-Verfahren; Schildvortriebsverfahren) verwendet werden, die eine hohe Biegefestigkeit und einen hohen Biegemodul erfordern. Da die Produktgröße für Zwecke, die keine hohe Biegefestigkeit und einen hohen Biegemodul erfordern, verkleinert werden kann, läßt sich eine Materialkosteneinsparung erzielen.
In 8 ist die fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundstoffs dargestellt.
Wie in 8 dargestellt, ist der Verbundstoff 1e identisch mit dem oben erwähnten Verbundstoff 1d, mit der Ausnahme, daß eine Kernschicht 2e aus zwei miteinander identischen füllstoffhaltigen Schichten 23, 23 und einer faserverstärkten Zwischenschicht 25 besteht.
In 9 ist die sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundstoffs dargestellt.
Wie in 9 dargestellt, ist der Verbundstoff 1f mit den oben erwähnten Verbundstoffen 1d, 1e identisch, mit der Ausnahme, daß eine Kernschicht 2f aus drei füllstoffhaltigen Schichten 23, 24, 26 mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften und einer faserverstärkten Zwischenschicht 25 besteht.
Präzise ausgedrückt, die faserverstärkte Zwischenschicht 25 ist zwischen der füllstoffhaltigen Schicht 24 und der füllstoffhaltigen Schicht 26 vorgesehen, und die füllstoffhaltige Schicht 23 und die füllstoffhaltige Schicht 24 sind direkt miteinander verklebt.
In 10 ist die siebente Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundstoffs dargestellt.
Wie in 10 dargestellt, weist der Verbundstoff 1g eine Kernschicht 2g, die Kunstharz als Hauptbestandteil enthält, und eine Oberflächenschicht 3g auf, die hitzehärtbaren Schaumstoff aufweist, der durch Langfasern verstärkt wird, die in Längsrichtung parallel gerichtet sind, oder elastisches Kunstharz, das durch Langfasern verstärkt wird, die in Längsrichtung parallel gerichtet sind, und die so angeordnet ist, daß sie die Kernschicht 2g umgibt.
Die Kernschicht 2g und die Oberflächenschicht 3g weisen eine Beziehung auf, welche die Ungleichungen CSa ≥ 1/2 × CSb, Ea < Eb und ESa ≥ 1/2 × ESb erfüllt (darin bedeuten Ca einen Druckelastizitätsmodul der Kernschicht in Längsrichtung; Cb einen Druckelastizitätsmodul der Oberflächenschicht in Längsrichtung; CSa die Fließdehnung unter Druck der Kernschicht, CSb die Fließdehnung unter Druck der Oberflächenschicht, Ea einen Zugelastizitätsmodul der Kernschicht; Eb einen Zugelastizitätsmodul der Oberflächenschicht; ESa die Fließdehnung unter Zug der Kernschicht und ESb die Fließdehnung unter Zug der Oberflächenschicht), und aus den Gleichungen folgt, daß 300 MPa ≤ Ca ≤ 12000 MPa, 0,005 ≤ CSa, 50 MPa ≤ Ea, 0,005 ≤ ESa, 2000 MPa ≤ Cb ≤ 8000 MPa, 0,01 ≤ CSb, 5000 MPa ≤ Eb ≤ 18000 MPa und 0,01 ≤ ESb gilt.
Die Kernschicht 2g enthält den Füllstoff mit einem Gewicht, das mindestens gleich dem 0,7-fachen des Produkts aus dem Volumen der Kernschicht und der Schüttdichte des Füllstoffs ist, und weist eine Scherfestigkeit DBa von mindestens 5 MPa auf.
Der so beschaffene Verbundstoff 1g bietet die Ergebnisse, daß er eine Zerstörung der Kernschicht unterdrückt und außer der Biegefestigkeit, der Proportionalitätsgrenze unter Druck, dem Nagelverhalten und dem Nagelziehverhalten die Flexibilität verbessert. Wenn daher der Verbundstoff als Schienenschwelle und dergleichen verwendet wird, dann bewirkt er leicht eine Schwingungsdämpfung zur Geräuschminderung.
In 12 ist die achte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbundstoffs dargestellt.
Wie in 12 dargestellt, weist der Verbundstoff 1h eine Kernschicht 2h, eine Zwischenschicht 7h und eine Oberflächenschicht 3h auf und hat eine rechteckige Querschnittsform.
Die Kernschicht 2h weist Füllstoff und Polyurethanschaumstoff auf, enthält den Füllstoff mit einem Gewicht, das mindestens gleich dem 0,7-fachen des Produkts aus dem Volumen der Kernschicht und der Schüttdichte des Füllstoffs ist und hat eine Dichte von mindestens 0,3 g/cm³ bis höchstens 2,3 g/cm³.
Der Füllstoff besteht aus mindestens einem Pulver/Granulat, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus anorganischem Pulver/Granulat, Trockenschlammpulver/-granulat und pulverisiertem faserverstärktem Harz besteht.
Die Oberflächenschicht 3h besteht aus Polyurethanschaumstoff, dessen Langfasern im allgemeinen parallel in Längsrichtung ausgerichtet sind.
Die Oberflächenschicht 3h bildet mindestens 10 Vol.-% bis höchstens 65 Vol.-% des Gesamtvolumens.
Die Zwischenschicht 7h besteht aus Polyurethanharz in Form von unverschäumtem hitzehärtbarem Harz. Die Oberflächenschicht 3h und die Kernschicht 2h sind über die Zwischenschicht 7h durch eine Klebeverbindung integriert.
Die Zwischenschicht 7h weist ein harzimprägniertes folienähnliches Material auf, das allerdings nicht dargestellt ist, und hat eine Scherfestigkeit von mindestens 6 MPa, wenn sie in einer Richtung parallel zur Faserausdehnungsrichtung der Langfasern 5 der Oberflächenschicht 3h komprimiert wird.
In 13 ist eine vertikale Formgebungslinie gemäß einem Beispiel des Herstellungsverfahrens für den Verbundstoff 1h dargestellt.
Anhand von 13 wird das Herstellungsverfahren gemäß den entsprechenden nachfolgenden Prozessen beschrieben.
(1) Zuführung und parallele Ausrichtung von Langfasern:
In 13 werden Langfasern 81 von Richtlamellen (nicht dargestellt) aus vier Richtungen zugeführt, die den jeweiligen Seiten des erhaltenen Produkts entsprechen (in dem Schema sind nur zwei Richtungen dargestellt), so daß Langfaserbündel 82, die unter Zugspannung gezogen und dabei im allgemeinen parallel zu gegebenen Strecken ausgerichtet werden, in eine Richtung befördert werden.
(2) Imprägnieren, Positionieren und Einführen von Fasersträngen:
Danach läßt man Polyurethanschaumstoff in Form einer Lösung aus Polyurethanschaumstoffbehältern 83, die über den in Bewegung befindlichen Langfaserbündeln 82 angeordnet sind, auf die Langfaserbündel 82 herabsickern, um daran anzuhaften. Dann werden die Langfaserbündel 82 mit dem daran anhaftenden Polyurethanschaumstoff Imprägnierplatten 84 zugeführt. Die Imprägnierplatten 84 werden in einer zur Bewegungsrichtung der Langfaserbündel senkrechten Richtung hin und her bewegt, um die Langfaserbündel 82 zu kneten und den Polyurethanschaumstoff zwischen den Langfasern eindringen zu lassen, welche die Langfaserbündel 82 bilden.
Dann werden die harzimprägnierten Langfaserbündel 85, die in ihrer Position den vier Seiten entsprechen, auf ihren entsprechenden Seiten in Einlässen von beweglichen Formen 86 angeordnet.
Dann können Führungen (nicht dargestellt) verwendet werden, um eine Änderung oder Feineinstellung der Bewegungsrichtung auszuführen.
Dann werden die harzimprägnierten Langfaserbündel 85 jeweils durch eine von einer Entnahmevorrichtung 88 angreifende Antriebskraft in eine der beweglichen Formen 86 eingeführt und kommen dabei in Kontakt mit vier Seiten der beweglichen Form 86. Hierbei ist zu beachten, daß die bewegliche Form 86 einen geschlossenen Raum definiert, in dem endlose Bänder 86a in vier Richtungen angeordnet sind (in dem Schema sind nur zwei Richtungen dargestellt).
(3) Einführen des harzimprägnierten folienähnlichen Materials:
Zunächst läßt man unverschäumte hitzehärtbare Harzflüssigkeit aus einem Mischkopf 89 auf harzimprägniertes folienähnliches Material 87 herabsickern, und dann läßt man das harzimprägnierte folienähnliche Material 87 durch Imprägnierwalzen 90 laufen, um das folienähnliche Material 87 mit dem unverschäumten hitzehärtbaren Harz zu imprägnieren. Das auf diese Weise imprägnierte harzgetränkte folienähnliche Material 87' wird in eine bewegliche Form 86 eingeführt, so daß es in dem erzeugten Verbundstoff 1h zwischen der Kernschicht 2h und der Oberflächenschicht 3h angeordnet werden kann.
(4) Gießen von Füllstoff:
Dann wird eine Polyurethan-Schaumstoffzusammensetzung 92, der Quarzsand zugesetzt und darin vermischt wird, gegossen und aus einer Mischvorrichtung 91 in einen Raum abgegeben, der von den Langfaserbündeln 85, die an den vier Seiten im Inneren der beweglichen Form 86 angeordnet und mit der Polyurethan-Harzflüssigkeit imprägniert sind, und von dem harzimprägnierten folienähnlichen Material 87 umgeben ist, das an der Innenseite der Langfaserbündel 85 angeordnet und mit dem unverschäumten hitzehärtbaren Harz imprägniert ist. Die Mischvorrichtung 91 ist mit einem Einlaß 91a für die Polyurethan-Schaumstoffflüssigkeit, einem Einlaß 91b für den Füllstoff und einem Hauptkörper (einem Mischungsabschnitt) versehen.
(5) Formen des Laminats:
Die Harzflüssigkeit, die den oben erwähnten Füllstoff enthält, die mit der umgebenden Harzflüssigkeit imprägnierten Langfaserbündel 85 und das harzimprägnierte folienähnliche Material 87', das mit dem unverschäumten hitzehärtbaren Harz imprägniert ist, wie z. B. mit unverschäumtem Polyurethanharz, werden durch die endlosen Bänder 86a, welche die bewegliche Form 86 bilden, gleichzeitig abwärts transportiert.
Im Verlauf der Bewegung werden das füllstoffhaltige Harz, die mit der umgebenden Harzflüssigkeit imprägnierten Langfaserbündel 85 und das mit dem unverschäumten hitzehärtbaren Harz imprägnierte harzgetränkte folienähnliche Material 87 zunächst von dem durch einen Heizungs-/Abkühlungsabschnitt 86c beheizten endlosen Bändern 86 erhitzt, um eine Verschäumungs- und Aushärtungsreaktion zu entwickeln und dadurch ein faserverstärktes Harzlaminat 1h' herzustellen, in dem die Kernschicht 2h, die Oberflächenschicht 3h und die dazwischen eingebrachte Zwischenschicht 7h allgemein geformt werden. Dann wird das faserverstärkte Harzlaminat 1h' durch die endlosen Bänder 86a abgekühlt, die durch einen unteren Heizungs-/Abkühlungsabschnitt 86c abgekühlt werden.
(6) Abkühlung:
Dann wird die mehrlagige Struktur aus der beweglichen Form 86 entnommen und einer Abkühlungsvorrichtung 93 zugeführt. Die mehrlagige Struktur wird durch Kühlwalzen 93a in der Abkühlungsvorrichtung 93 vollständig abgekühlt.
(7) Schneiden:
Nach dem Durchlauf durch die Entnahmevorrichtung 88 wird das faserverstärkte Harzlaminat mit einer Schneidvorrichtung 94 auf einen gewünschte Länge zugeschnitten, um den Verbundstoff 1h zu erhalten.
In diesem Verbundstoff 1h sind die Oberflächenschicht 3h und die Kernschicht 2h über die Zwischenschicht 7h durch Verkleben integriert, wie oben erwähnt. Daher kann dieser Verbundstoff leicht genagelt werden und weist eine hervorragende Biegefestigkeit in Längsrichtung auf, ebenso wie im Fall des Verbundstoffs 1a, und kann auch auf geeignete Weise als Baumaterial verwendet werden, beispielsweise in einer wasserdichten Entnahme/Zugangs-Abdichtungswand für Schildvortrieb im SEW-Konstruktionsverfahren.
Ähnlich dem Verbundstoff z. B. durch die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. Hei 5-138797 offenbart wird, in der die Oberflächenschichten mit hitzehärtbarem Schaumstoff, in dem lange Verstärkungsfasern, die in Längsrichtung parallel ausgerichtet und im allgemeinen parallel verteilt sind, auf Oberflächen der Kernschicht auflaminiert werden, die den hitzehärtbaren Schaumstoff mit Füllstoffzusatz aufweist, kann der Verbundstoff relativ leicht in großer Dicke hergestellt werden. Da jedoch sowohl die Kernschicht als auch die Oberflächenschicht den hitzehärtbaren Schaumstoff aufweisen, ist die Grenzflächenfestigkeit für die Anwendung auf das SEW-Konstruktionsverfahren so niedrig, daß an der Grenzfläche leicht eine Ablösung hervorgerufen werden kann, und aus diesem Grunde war die Anwendung des Verbundstoffs für dieses Konstruktionsverfahren praktisch schwierig.
Im Gegensatz dazu sind bei dem Verbundstoff 1h die Oberflächenschicht 3h und die Kernschicht 2h über die Zwischenschicht 7h durch Verkleben fest miteinander integriert, so daß das an der Grenzfläche verursachte Problem des Ablösen verhindert wird. Mit anderen Worten, da an der Grenzfläche zwischen der Kernschicht und der Oberflächenschicht die Schicht aus urverschäumtem hitzehärtbarem Harz vorhanden ist, weist der Verbundstoff an der Grenzfläche eine hervorragende Haftfestigkeit oder mit anderen Worten eine hervorragende Grenzflächenfestigkeit auf.
Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß die Haftfestigkeit an der Grenzfläche, mit anderen Worten, die chemische Bindung pro Flächeneinheit und der Verankerungsgrad in der Grenzfläche, höher sind als die entsprechenden Werte an der Grenzfläche der aneinander gebundenen unverschäumten Schichten.
Übrigens weist die Zwischenschicht 7h eine Scherfestigkeit von mindestens 6 MPa auf, wenn sie in einer Richtung parallel zur Faserausdehnungsrichtung der Langfasern 81 der Oberflächenschicht 3h komprimiert wird, so daß, wenn der Verbundstoff einem Dauerbiegeversuch ausgesetzt wird, die Kernschicht oder die Oberflächenschicht eher als die Zwischenschicht bricht. Daher wird die Bruchausbreitung über die Bruchfläche verhindert, die eine beim Bruch der Zwischenschicht auftretende plötzliche Festigkeitsminderung verursacht. Dementsprechend kann der erfindungsgemäße Verbundstoff vorzugsweise für Zwecke eingesetzt werden, die hohe Elastizität, hohe Biegefestigkeit und Haltbarkeit bei Dauerbiegebeanspruchung erfordern, wozu Baumaterialien gehören, wie z. B. die Entnahme-/Zugangs-Abdichtungswand für Schildvortrieb zur Verwendung beim SEW-Verfahren, sowie Schienenschwellen.
Der erfindungsgemäße Verbundstoff ist nicht auf die oben erläuterten Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise ist zwar die Produktionseinheit 4 der oben dargestellten Ausführungsform so konstruiert, daß die hitzehärtbare Schaumstoffflüssigkeit 59 über die Langfasergruppe 55 gesprüht und diese dann durch die Imprägniervorrichtung 42 mit der Flüssigkeit imprägniert wird, aber die Langfasergruppe 55 kann alternativ in die hitzehärtbare Schaumstoffflüssigkeit eingetaucht oder durch zwei Walzen mit Wülsten geleitet werden, um mit der hitzehärtbaren Schaumstoffflüssigkeit imprägniert zu werden.
Außerdem wird zwar bei dem Herstellungsverfahren des Verbundstoffs 1h die vertikale Produktionseinheit verwendet, aber es kann alternativ auch eine horizontale Produktionseinheit verwendet werden.
BEISPIELE
Nachstehend werden Beispiele der vorliegenden Erfindung ausführlicher beschrieben.
(BEISPIEL 1)
Nach Herstellung einer Kernschicht mit einer Querschnittsgröße von 190 × 100 mm, die eine hitzehärtbare Urethan-Schaumstoffflüssigkeit und den in der nachstehenden Tabelle 1 angegebenen Füllstoff aufwies, wurde die Kernschicht in der Gießform gegossen, um einen Verbundstoff mit einer Querschnittsgröße von 200 × 140 mm herzustellen, der eine Oberflächenschicht mit den Langfasern und der in Tabelle 1 angegebenen hitzehärtbaren Schaumstoffflüssigkeit aufwies und sich entlang den vier Längsflächen erstreckte.
Der hergestellte Verbundstoff zeigte, daß ein Verhältnis der Kernschichtdicke zur Gesamtdicke der die Kernschicht bedeckenden Oberflächenschicht in Dickenrichtung 2,5 betrug; daß die Dicke der Oberflächenschicht auf der Seite des Materials, auf der beim Biegen des Verbundstoffs in Dickenrichtung eine Zugkraft ausgeübt wurde, 14% der Gesamtdicke betrug; und daß die Dicke der Oberflächenschicht auf der Seite des Materials, auf der eine Druckkraft ausgeübt wurde, 14% der Gesamtdicke betrug.
In Tabelle 1 stellt das Polyetherpolyol ein Polyetherpolyol mit Propylenoxid-Zusatz dar (beziehbar von Sumitomo Bayer Urethane Ltd., SUMIPHEN 1703, Hydroxylzahl 380, Polyol-Äquivalent 147), und der maximale Teilchendurchmesseranteil stellt einen Anteil der häufigsten Teilchendurchmesserwerte in benachbarten Peakflächen von mindestens 8 Vol.-% dar.
Der Teilchendurchmesser des Füllstoffs wurde mit einem Sieb reguliert, wie in Tabelle 1 dargestellt. Den Anteil des Füllstoffs erhielt man durch Dividieren des Füllstoffgewichts in der Kernschicht durch (Volumen der Kernschicht × Schüttdichte des Füllstoffs). Die Dichten in der nachstehenden Tabelle sind in Einheiten von g/cm³ ausgedrückt.
[Tabelle 1]
(BEISPIEL 2)
Nach Herstellung einer Kernschicht mit einer Querschnittsgröße von 190 × 160 mm, welche die hitzehärtbare Urethan-Schaumstoffflüssigkeit und den in der nachstehenden Tabelle 2 angegebenen Füllstoff aufwies, wurde die Kernschicht in der Gießform gegossen, um einen Verbundstoff mit einer Querschnittsgröße von 200 × 200 mm herzustellen, der eine Oberflächenschicht mit den Langfasern und der in Tabelle 1 angegebenen hitzehärtbaren Schaumstoffflüssigkeit aufwies, die sich entlang den vier Längsflächen erstreckte.
Der hergestellte Verbundstoff zeigte, daß ein Verhältnis der Kernschichtdicke zur Gesamtdicke der die Kernschicht bedeckenden Oberflächenschicht in Dickenrichtung 4 betrug; daß die Dicke der Oberflächenschicht auf der Seite des Materials, auf die beim Biegen des Verbundstoffs in Dickenrichtung eine Zugkraft ausgeübt wurde, 10% der Gesamtdicke betrug; und daß die Dicke der Oberflächenschicht auf der Seite des Materials, auf die eine Druckkraft ausgeübt wurde, 10% der Gesamtdicke betrug.
In Tabelle 2 stellt das Polyetherpolyol ein Polyetherpolyol mit Propylenoxid-Zusatz dar (beziehbar von Mitsui Chemicals, Inc., MN-3050S, Hydroxylzahl 56, Polyol-Äquivalent 1000), und der maximale Teilchendurchmesseranteil stellt einen Anteil der häufigsten Teilchendurchmesserwerte in benachbarten Peakflächen von mindestens 8 Vol.-% dar.
Der Teilchendurchmesser des Füllstoffs wurde mit einem Sieb reguliert, wie in Tabelle 2 dargestellt.
[Tabelle 2]
(BEISPIEL 3)
Nach Herstellung einer Kernschicht mit einer Querschnittsgröße von 190 × 80 mm, welche die hitzehärtbare Urethan-Schaumstoffflüssigkeit und den in der nachstehenden Tabelle 3 angegebenen Füllstoff aufwies, wurde die Kernschicht in der Gießform gegossen, um einen Verbundstoff mit einer Querschnittsgröße von 200 × 120 mm herzustellen, der eine Oberflächenschicht mit den Langfasern und der in Tabelle 3 angegebenen hitzehärtbaren Schaumstoffflüssigkeit aufwies, die sich entlang vier Längsflächen erstreckte.
Der hergestellte Verbundstoff zeigte, daß ein Verhältnis der Kernschichtdicke zur Gesamtdicke der die Kernschicht in Oberflächenrichtung bedeckenden Oberflächenschicht in Dickenrichtung 2 betrug; daß die Dicke der Oberflächenschicht auf der Seite des Materials, auf die beim Biegen des Verbundstoffs in Dickenrichtung eine Zugkraft ausgeübt wurde, 21% der Gesamtdicke betrug; und daß die Dicke der Oberflächenschicht auf der Seite des Materials, auf die eine Druckkraft ausgeübt wurde, 13% der Gesamtdicke betrug.
In Tabelle 3 stellt das Polyetherpolyol ein Gemisch mit einem Polyol-Äquivalent von 270 dar, das durch Vermischen von 50 Gew.-% Polyetherpolyol mit Propylenoxid-Zusatz (beziehbar von Sumitomo Bayer Urethane Ltd., SUMIPHEN 1703, Hydroxylzahl 380), und 50 Gew.-% Polyetherpolyol mit Propylenoxid-Zusatz (beziehbar von Sumitomo Bayer Urethane Ltd., SUMIPHEN 3900, Hydroxylzahl 35) erzeugt wird.
Der Teilchendurchmesser des Füllstoffs wurde mit einem Sieb reguliert, wie in Tabelle 3 dargestellt.
[Tabelle 3]
(BEISPIEL 4)
Nach Herstellung einer Kernschicht mit einer Querschnittsgröße von 190 × 100 mm, welche die hitzehärtbare Urethan-Schaumstoffflüssigkeit und den in der nachstehenden Tabelle 4 angegebenen Füllstoff aufwies, wurde die Kernschicht in der Gießform gegossen, um einen Verbundstoff mit einer Querschnittsgröße von 200 × 140 mm herzustellen, der eine Oberflächenschicht mit den Langfasern und der in Tabelle 4 angegebenen hitzehärtbaren Schaumstoffflüssigkeit aufwies, die sich entlang vier Längsflächen erstreckte.
Der hergestellte Verbundstoff zeigte, daß ein Verhältnis der Kernschichtdicke zur Gesamtdicke der die Kernschicht bedeckenden Oberflächenschicht in Dickenrichtung 2,5 betrug; daß die Dicke der Oberflächenschicht auf der Seite des Materials, auf die beim Biegen des Verbundstoffs in Dickenrichtung eine Zugkraft ausgeübt wurde, 14% der Gesamtdicke betrug; und daß die Dicke der Oberflächenschicht auf der Seite des Materials, auf die eine Druckkraft ausgeübt wurde, 14% der Gesamtdicke betrug.
In Tabelle 4 stellt das Polyetherpolyol ein Gemisch mit einem Polyol-Äquivalent von 270 dar, das durch Vermischen von 50 Gew.-% Polyetherpolyol mit Propylenoxid-Zusatz (beziehbar von Sumitomo Bayer Urethane Ltd., SUMIPHEN 1703, Hydroxylzahl 380) und 50 Gew.-% Polyetherpolyol mit Propylenoxid-Zusatz (beziehbar von Sumitomo Bayer Urethane Ltd., SUMIPHEN 3900, Hydroxylzahl 35) hergestellt wird.
Der Teilchendurchmesser des Füllstoffs wurde mit einem Sieb reguliert, wie in Tabelle 4 dargestellt.
[Tabelle 4]
(BEISPIEL 5)
Nachdem ein Pulver aus Polyethylenterephthalat-Harz und dem in der nachstehenden Tabelle 5 angegebene Füllstoff vermischt und dispergiert wurden, wurde das Gemisch verwendet, um eine Kernschicht mit einer Querschnittsgröße von 200 × 100 mm durch Heißpressen herzustellen. Danach wurde die Kernschicht in der Gießform gegossen, um einen Verbundstoff mit einer Querschnittsgröße von 200 × 140 mm herzustellen, der eine Oberflächenschicht mit den Langfasern, flüssigem ungesättigtem Polyesterharz der iso-Reihe und Flugasche-Hohlkugeln (beziehbar von Japan Fillite Ltd.) aufwies, wie in Tabelle 5 angegeben, die sich entlang zwei oberen und untern Flächen erstreckt.
Der hergestellte Verbundstoff zeigte, daß ein Verhältnis der Kernschichtdicke zur Gesamtdicke der die Kernschicht bedeckenden Oberflächenschicht in Dickenrichtung 2,5 betrug; daß die Dicke der Oberflächenschicht auf der Seite des Materials, auf die beim Biegen des Verbundstoffs in Dickenrichtung eine Zugkraft ausgeübt wurde, 14% der Gesamtdicke betrug; und daß die Dicke der Oberflächenschicht auf der Seite des Materials, auf die eine Druckkraft ausgeübt wurde, 14% der Gesamtdicke betrug.
Der Teilchendurchmesser des Füllstoffs wurde mit einem Sieb reguliert, wie in Tabelle 5 dargestellt.
[Tabelle 5]
(VERGLEICHSBEISPIEL 1)
Abgesehen davon, daß die Kernschicht und die Oberflächenschicht gemäß der Darstellung in der nachstehenden Tabelle 6 gebildet wurden, wurde der Verbundstoff auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 herstellt.
[Tabelle 6]
(VERGLEICHSBEISPIEL 2)
Abgesehen davon, daß die Kernschicht und die Oberflächenschicht gemäß der Darstellung in der nachstehenden Tabelle 7 gebildet wurden, wurde der Verbundstoff auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 herstellt.
[Tabelle 7]
(VERGLEICHSBEISPIEL 3)
Abgesehen davon, daß die Kernschicht und die Oberflächenschicht gemäß der Darstellung in der nachstehenden Tabelle 8 gebildet wurden, wurde der Verbundstoff auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 herstellt.
Als Polyetherpolyol wurde jedoch Polyetherpolyol mit Propylenoxid-Zusatz (beziehbar von Mitsui Chemicals, Inc., MN-300, Hydroxylzahl 560, Polyol-Äquivalent 100), verwendet.
[Tabelle 8]
(VERGLEICHSBEISPIEL 4)
Abgesehen davon, daß die Kernschicht und die Oberflächenschicht gemäß der Darstellung in der nachstehenden Tabelle 9 gebildet wurden, wurde der Verbundstoff auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 herstellt.
Als Polyetherpolyol wurde jedoch Polyetherpolyol mit Propylenzusatz (beziehbar von Sumitomo Bayer Urethane Ltd., SUMIPHEN 3900, Hydroxylzahl 35, Polyol-Äquivalent 1600) verwendet.
[Tabelle 9]
Es wurden Untersuchungen der Biegefestigkeit, der Proportionalitätsgrenze bei Kompression, des Nagelverhaltens und des Nagelziehverhaltens der in den Beispielen 1–5 und den Vergleichsbeispielen 1–4 erzeugten Verbundstoffe durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 10 dargestellt. Außerdem wurde eine Untersuchung der Flexibilität in den Beispielen 14 und den Vergleichsbeispielen 3 und 4 durchgeführt, und ferner wurde in den Beispielen 1–3 und im Vergleichsbeispiel 1 das Verhalten bei wiederholtem Nagelziehen untersucht. Diese Untersuchungsergebnisse sind gleichfalls in Tabelle 10 dargestellt.
Die Biegefestigkeit und die Proportionalitätsgrenze bei Kompression wurden gemäß dem durch JIS Z 2101 vorgeschriebenen Verfahren gemessen.
Im Hinblick auf das Nagelverhalten wurden vorbereitete Löcher von 17 mm Durchmesser und 110 mm Tiefe gebohrt, und dann wurden durch JIS E 1109 vorgeschriebene Schienenschraubnägel in die vorbereiteten Löcher eingeschraubt. Die Verbundstoffe, die durch das Bohren nicht gebrochen waren, mit einem Drehmoment von höchstens 80 kN·m festgezogen wurden und in ihren Oberflächen durch das Anziehen der Schrauben keine Rißbildung aufwiesen, wurden durch 0 dargestellt, und alle anderen Verbundstoffe als diese wurden durch × dargestellt.
Hinsichtlich des Nagelziehverhaltens wurden die in den Tests des Nagelverhaltens eingeschraubten Schraubnägel herausgezogen. Eine Last von nicht weniger als 38 kN wird durch
dargestellt, nicht weniger als 33 kN wird durch
dargestellt, nicht weniger als 28 kN wird durch O dargestellt, nicht weniger als 23 kN wird durch Δ dargestellt, und weniger als 23 kN wird durch × dargestellt.
Das Verhalten bei wiederholtem Nagelziehen wurde beurteilt, indem die in den Tests zum Nagelziehverhalten eingeschraubten Schraubnägel wiederholt mit einer maximalen Last von 20 kN und einer Sinuswelle von 3 Hz gezogen wurden. Diejenigen Verbundstoffe, in denen bei einer Million wiederholten Nagelziehvorgängen keine Zerstörung festgestellt wurde, wurden durch
dargestellt. Diejenigen, bei denen die Schraubnägel in mindestens 100000 bis höchstens 1000000 wiederholten Nagelziehvorgängen gezogen wurden, wurden durch O dargestellt, und diejenigen, bei denen die Schraubnägel in weniger als 100000 wiederholten Nagelziehvorgängen gezogen wurden, wurden durch × dargestellt.
Flexibilität:
Sie wurde aus der folgenden Gleichung berechnet, wobei die Durchbiegung im Mittelpunkt der Spannweite = Δy benutzt wurde, die bei der Beurteilung der Biegefestigkeit einer zulässigen Kapazität im Nennlastschwerpunktsabstand entspricht. Durchbiegung (%) = 6 × (Dicke des Probekörpers) × Δy/(Spannweite)2 × 100
[Tabelle 10]
Aus Tabelle 10 wird festgestellt, daß die erfindungsgemäßen Verbundstoffe in Bezug auf Biegefestigkeit, Druckverhalten, Nagelverhalten und Nagelziehverhalten hervorragend waren.
(BEISPIEL 6)
Nachdem die Füllstoffe in der in Tabelle 11 angegebenen hitzehärtbaren Schaumstofflösung dispergiert waren, wurden sie in der Form gegossen, um 30 Minuten lang eine Verschäumungs- und Härtungsreaktion bei 100°C zu entwickeln, und dadurch wurde eine Kernschicht von rechteckigem Querschnitt mit einer Größe von 200 × 100 mm erzeugt.
Dann wurden 110 Gewichtsteile der in Tabelle 11 angegebenen hitzehärtbaren Urethanschaumstoff-Mischlösung über 110 Gewichtsteile der in Tabelle 11 angegebenen Langfasern gesprüht, um die Langfasern zu imprägnieren. Dann wurden die Langfasern im Zustand der parallelen Ausrichtung in Längsrichtung der Kernschicht so angeordnet, daß sie sich in einer Dicke von 20 mm (in Dickenrichtung) entlang den oberen und unteren Flächen der Kernschicht erstreckten und sich außerdem in einer Dicke von 5 mm (in Breitenrichtung) entlang beiden Seitenflächen der Kernschicht erstreckten. Danach wurden sie in der Form gegossen und 30 Minuten bei 80°C verschäumt und gehärtet, und dadurch wurde der Verbundstoff mit einer Querschnittsgröße von 210 × 140 mm erzeugt.
Als Polyetherpolyol mit Propylenoxid-Zusatz in der hitzehärtbaren Schaumstoffflüssigkeit der Kernschicht wurde SUMIPHEN 1703 verwendet, das von Sumitomo Bayer Urethane Ltd. beziehbar ist (Hydroxylzahl 380, Polyol-Äquivalent 147).
[Tabelle 11]
(BEISPIEL 7)
Abgesehen davon, daß die Kernschicht und die Oberflächenschicht gemäß der Darstellung in der nachstehenden Tabelle 12 gebildet wurden, wurde der Verbundstoff auf die gleiche Weise wie in Beispiel 6 hergestellt.
Als Polyetherpolyol mit Propylenoxid-Zusatz in der hitzehärtbaren Schaumstoffflüssigkeit der Kernschicht wurde ein Gemisch aus 50 Gew.-% SUMIPHEN 1703, beziehbar von Sumitomo Bayer Urethane Ltd. (Hydroxylzahl 380, Polyol-Äquivalent 147), und 50 Gew.-% SUMIPHEN 3900, beziehbar von Sumitomo Bayer Urethane Ltd. (Hydroxylzahl 35, Polyol-Äquivalent 1600), verwendet.
[Tabelle 12]
(VERGLEICHSBEISPIEL 5)
Abgesehen davon, daß die Kernschicht und die Oberflächenschicht gebildet wurden, die in der nachstehenden Tabelle 13 angegeben sind, wurde der Verbundstoff auf die gleiche Weise wie in Beispiel 6 herstellt.
Als Polyetherpolyol mit Propylenoxid-Zusatz in der hitzehärtbaren Schaumstoffflüssigkeit der Kernschicht wurde SUMIPHEN 1703 verwendet, das von Sumitomo Bayer Urethane Ltd. beziehbar ist (Hydroxylzahl 380, Polyol-Äquivalent 147).
[Tabelle 13]
(VERGLEICHSBEISPIEL 6)
Es wurde ein Formstoff hergestellt, der ausschließlich den durch Längsfasern verstärkten Schaumstoff mit der gleichen Mischungszubereitung wie derjenigen der Oberflächenschicht von Beispiel 6 aufwies.
Die Proportionalitätsgrenze bei Kompression und das Nagelverhalten der in den Beispielen 6, 7 und dem Vergleichsbeispielen 5, 6 hergestellten Verbundstoffe oder Formstoffe wurden gemessen. Außerdem wurden die Biegefestigkeit, der Biegemodul und die Durchbiegung (%) an dem singulären Punkt der in den Beispielen 6, 7 und im Vergleichsbeispiel 5 hergestellten Verbundstoffe sowie der Biegemodul der gleichen Verbundstoffe bei erhöhter Durchbiegung von dem singulären Punkt aus gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 14 dargestellt.
Zu beachten ist, daß der Biegemodul bei erhöhter Durchbiegung aus dem Anstieg der Tangente an den singulären Punkt berechnet wurde, der aus der Richtung der großen Durchbiegung ermittelt wurde.
Biegefestigkeit, Biegemodul und Proportionalitätsgrenze bei Kompression wurden gemäß dem durch JIS Z 2101 vorgeschriebenen Verfahren gemessen.
Die Durchbiegung wurde aus der Gleichung Durchbiegung (%) = 6 × (Dicke des Probekörpers) × Δy/(Spannweite)2 × 100berechnet, wobei die Durchbiegung in einem Mittelpunkt der Spannweite = Δy benutzt wurde, die bei der Beurteilung der Biegefestigkeit einer zulässigen Kapazität im Nennlastschwerpunktsabstand entspricht.
Die Kernschicht und der Verbundstoff wurden in der zur Längsrichtung des Probekörpers senkrechten Richtung gebogen. Hinsichtlich des Verbundstoffs wurde die Orientierungsrichtung der in der Oberflächenschicht enthaltenen Langfasern als Längsrichtung des Probekörpers genommen.
Hinsichtlich des Nagelziehverhaltens wurden nach dem Bohren der vorbereiteten Löcher mit einem Durchmesser von 17 mm und einer Tiefe von 110 mm in der mit der Oberflächenschicht bedeckten Oberfläche des Probekörpers die durch JIS E 1109 vorgeschriebenen Schienenschraubnägel 20 mm bis zu ihren Kopfhohlkehlen eingeschlagen. Dann wurden die Nagelziehwiderstandswerte bei einer Geschwindigkeit von 10 mm/min gemessen. Eine Last von nicht weniger als 23 kN ist durch Δ dargestellt, nicht weniger als 28 kN ist durch O dargestellt, nicht weniger als 33 kN ist durch
dargestellt und weniger als 23 kN ist durch × dargestellt.
[Tabelle 14]
Man wird aus Tabelle 14 erkennen, daß der so aufgebaute erfindungsgemäße Verbundstoff hervorragende Biegefestigkeit und Druckfestigkeit, verbesserte Druckeigenschaften, besonders im Vergleich mit dem Material mit nur einer Oberflächenschicht und ohne Kernschicht, und hervorragende Nagelzieheigenschaften hervorbringen und daher effektiv als Kunstholz eingesetzt werden kann, besonders für Schienenschwellen.
(BEISPIEL 8)
Eine füllstoffhaltige hitzehartbare Schaumstoffschicht von der gleichen Art wie derjenigen, die zum Formen der Kernschicht von Beispiel 6 verwendet wurde, wurde zunächst als erstes füllstoffhaltiges Schichtmaterial in die Form gegossen und dann eingeebnet. Danach wurde eine füllstoffhaltige hitzehärtbare Schaumstoffflüssigkeit von der gleichen Art als zweites füllstoffhaltiges Schichtmaterial in der Form gegossen. Dann wurden die Materialien 30 Minuten bei 100°C einer Verschäumungs- und Härtungsreaktion ausgesetzt, und dadurch wurde die Kernschicht hergestellt, welche die erste füllstoffhaltige Schicht von rechteckigem Querschnitt mit einer Größe von 200 × 100 mm und einer Dicke von 50 mm und die zweite füllstoffhaltige Schicht mit einer Dicke von 50 mm aufweist, wobei die Schichten laminiert sind.
Dann wurde der Verbundstoff mit der Oberflächenschicht, die sich mit einer Dicke von 20 mm entlang den oberen und unteren Flächen der Kernschicht und mit einer Dicke von 5 mm entlang beiden Seitenflächen der Kernschicht erstreckt und im Aufbau identisch mit derjenigen von Beispiel 6 ist und eine Querschnittsgröße von 210 × 140 mm aufweist, auf die gleiche Weise wie in Beispiel 6 gegossen.
(BEISPIEL 9)
Eine füllstoffhaltige hitzehärtbare Schaumstoffschicht von der gleichen Art wie derjenigen, die zum Formen der Kernschicht von Beispiel 6 verwendet wurde, wurde zunächst als erstes füllstoffhaltiges Schichtmaterial in der Form gegossen und wurde dann 30 Minuten bei 100°C der Verschäumungs- und Härtungsreaktion ausgesetzt, um dadurch ein Schichtmaterial herzustellen, das eine erste füllstoffhaltige Schicht von rechteckigem Querschnitt mit einer Größe von 200 × 50 mm ist.
Anschließend wurde ein erstes Zwischenmaterial mit einer Größe von 210 × 75 mm, das eine mit Langfasern verstärkte Schicht aufwies, die sich mit einer Dicke von 20 mm entlang einer oberen Fläche des Schichtmaterials, mit einer Dicke von 5 mm entlang einer unteren Fläche des Materials und mit einer Dicke von 5 mm entlang beiden Seitenflächen des Materials erstreckte, unter den gleichen Bedingungen wie für die Oberflächenschicht gemäß Beispiel 6 hergestellt.
Dann wurde eine füllstoffhaltige hitzehärtbare Schaumstoffflüssigkeit von der gleichen Art wie diejenige, die zum Formen der Kernschicht von Beispiel 2 verwendet wurde, zunächst als zweites füllstoffhaltiges Schichtmaterial in der Form gegossen und dann 30 Minuten bei 100°C einer Verschäumungs- und Härtungsreaktion ausgesetzt, um dadurch ein Schichtmaterial zu erzeugen, das eine zweite füllstoffhaltige Schicht von rechteckigem Querschnitt mit einer Größe von 200 × 50 mm ist.
Anschließend wurde ein zweites Zwischenmaterial mit einer Größe von 210 × 65 mm, das eine mit Langfasern verstärkte Schicht aufwies, die sich mit einer Dicke von 5 mm entlang einer oberen Fläche des Schichtmaterials, mit einer Dicke von 5 mm entlang einer unteren Flache des Schichtmaterials und mit einer Dicke von 5 mm entlang beiden Seitenflächen des Schichtmaterials erstreckte, unter den gleichen Bedingungen wie denjenigen für die Oberflächenschicht von Beispiel 6 erzeugt.
Dann wurde Epoxidklebstoff (ESURON 410, beziehbar von Sekisui Chemical Co., Ltd.) auf eine Unterseite des auf diese Weise herstellten ersten Zwischenmaterials und eine Oberseite des auf diese Weise hergestellten zweiten Zwischenmaterials aufgebracht. Diese Oberflächen wurden bei Raumtemperatur 24 Stunden lang in Druckkontakt miteinander gebracht, um dadurch einen Verbundstoff herzustellen, der eine faserverstärkte Zwischenschicht mit einer Dicke von 10 mm zwischen der ersten füllstoffhaltigen Schicht und der zweiten füllstoffhaltigen Schicht aufwies.
Biegefestigkeit, Biegemodul, Nagelziehverhalten und Durchbiegung der in den Beispielen 8 und 9 erzeugten Verbundstoffe wurden untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 15 dargestellt, zusammen mit denen des Verbundstoffs von Beispiel 6.
Im Hinblick auf das Nagelziehverhalten wurden nach dem Bohren der vorbereiteten Löcher mit einem Durchmesser von 17 mm und einer Tiefe von 120 mm in der Oberfläche des mit der Oberflächenschicht bedeckten Probekörpers die durch JIS E 1109 vorgeschriebenen Schienenschraubnägel 20 mm bis zu ihren Kopfhohlkehlen eingeschlagen. Dann wurden Nagelziehwiderstandwerte bei einer Geschwindigkeit von 10 mm/min gemessen. Eine Last von nicht weniger als 23 kN wird durch Δ dargestellt, nicht weniger als 28 kN wird durch O dargestellt, nicht weniger als 33 kN wird durch
dargestellt, nicht weniger als 38 kN wird durch
dargestellt, nicht weniger als 43 kN wird durch
dargestellt, und weniger als 23 kN wird durch × dargestellt.
[Tabelle 15]
Man wird aus Tabelle 15 erkennen, daß der Verbundstoff mit der Kernschicht, die durch Laminieren mehrerer kernschichtbildender Zusammensetzungsschichten geformt wird, im Vergleich zu dem Verbundstoff mit der Kernschicht aus einer einschichtigen Struktur eine verbesserte Biegefestigkeit bietet. Ferner bietet die Kernschicht, die mit der faserverstärkten Zwischenschicht zwischen der füllstoffhaltigen Schicht und der füllstoffhaltigen Schicht geformt wird, auch ein verbessertes Nagelziehverhalten.
(BEISPIEL 10)
Wie in Tabelle 16 dargestellt, wurde Rohmaterial aus Vinylchloridschaumstoff, in dem 0,05 Gewichtsteile ADCA (Azodicarbonamid) als Verschäumungsmittel 100 Gewichtsteilen Vinylchloridharz (PVC-Masse, beziehbar von Tokuyama Sekisui Co., Ltd.) beigemengt waren, in Form eines tafelähnlichen Formteils mit einer Querschnittsgröße von 160 × 100 mm extrudiert, das die Kernschicht bildet.
Das tafelähnliche Formteil wurde unter Verwendung der in 3 dargestellten Produktionseinheit 4 mit Langfasern und der in Tabelle 16 angegebenen hitzehärtbaren Schaumstoffflüssigkeit umgeben, um einen Verbundstoff mit einer Querschnittsgröße von 200 × 140 mm zu erzeugen, der um die Kernschicht mit der Querschnittsgröße von 160 × 100 mm herum eine Oberflächenschicht aufwies.
[Tabelle 16]
(BEISPIEL 11)
Ein Verbundstoff mit einer Querschnittsgröße von 200 × 140 mm, der eine Oberflächenschicht mit Langfasern und der in Tabelle 17 angegebenen hitzehärtbaren Schaumstoffflüssigkeit aufweist, um die Kernschicht mit einer Querschnittsgröße von 160 mm × 100 mm zu umgeben, welche die hitzehärtbare Schaumstoffflüssigkeit und den in der nachstehenden Tabelle 17 angegebenen Füllstoff aufweist, wurde mit der in 3 dargestellten Produktionseinheit 4 hergestellt. Der aus dem Formmundstück extrudierte Formstoff hatte einen Querschnitt von 160 × 100 mm.
[Tabelle 17]
(BEISPIEL 12)
Ein Verbundstoff mit einer Querschnittsgröße von 200 × 140 mm, der die Oberflächenschicht mit den Langfasern und der in Tabelle 18 angegebenen hitzehärtbaren Schaumstoffflüssigkeit aufweist, um die Kernschicht mit einer Querschnittsgröße von 160 × 100 mm zu umgeben, welche die hitzehärtbare Schaumstoffflüssigkeit und den in der nachstehenden Tabelle 18 angegebenen Füllstoff enthält, wurde mit der in 3 dargestellten Produktionseinheit 4 hergestellt. Der aus dem Formmundstück extrudierte Formstoff hatte einen Querschnitt von 160 × 100 mm.
[Tabelle 18]
(VERGLEICHSBEISPIEL 7)
Es wurde ein Verbundstoff mit einer Querschnittsgröße von 200 × 140 mm hergestellt, der nur die Langfasern und hitzehärtbare Schaumstoffflüssigkeit aufwies, die für die Oberflächenschicht von Beispiel 10 verwendet wurden.
(VERGLEICHSBEISPIEL 8)
Wie in Tabelle 19 dargestellt, wurde nach dem Vorwärmen eines Gemischs aus 20 Gewichtsteilen Phenolteilchen auf Resolbasis (BERU PAARU (Artikelbezeichnung), beziehbar von KANEBO, Ltd.) und 80 Gewichtsteilen Quarzsand Nr. 5 das Gemisch bei 200°C mit 20 kg/cm² heißgepreßt, um dadurch ein poröses Material herzustellen, das die Kernschicht mit einer Querschnittsgröße von 160 × 100 mm ist.
Dieses poröse Material wurde unter Verwendung der in 3 dargestellten Produktionseinheit 4 und der in Tabelle 19 angegebenen Langfasern und hitzehärtbaren Schaumstoffflüssigkeit umgeben, um einen Verbundstoff mit einer Querschnittsgröße von 200 × 140 mm herzustellen, der um die Kernschicht mit der Querschnittsgröße von 160 × 100 mm herum eine Oberflächenschicht aufwies.
[Tabelle 19]
(VERGLEICHSBEISPIEL 9)
Wie in Tabelle 20 dargestellt, wurde Polystyrolharz (beziehbar von Sumitomo Chemical Co., Ltd.) extrudiert und verschäumt, um einen leistungsarmen Polystyrolschaumstoff zu erzeugen, der die Kernschicht mit einer Querschnittsgröße von 160 × 100 mm bildet.
Dieser Schaumstoff wurde unter Verwendung der in 3 dargestellten Produktionseinheit 4 mit den Langfasern und der in Tabelle 20 angegebenen hitzehärtbaren Schaumstoffflüssigkeit umgeben, um einen Verbundstoff mit einer Querschnittsgröße von 200 × 140 mm herzustellen, der um die Kernschicht mit der Querschnittsgröße von 160 × 100 mm herum eine Oberflächenschicht aufwies.
[Tabelle 20]
(VERGLEICHSBEISPIEL 10)
Elastischer Urethanschaumstoff, der die Kernschicht von 160 × 100 mm bildet, wurde unter Verwendung von Urethanharz mit der in Tabelle 21 angegebenen Zusammensetzung hergestellt.
Dieser elastische Urethanschaumstoff wurde unter Verwendung der in 3 dargestellten Produktionseinheit 4 mit den Langfasern und der in Tabelle 21 angegebenen hitzehärtbaren Schaumstoffflüssigkeit umgeben, um einen Verbundstoff mit einer Querschnittsgröße von 200 × 140 mm herzustellen, der um die Kernschicht mit der Querschnittsgröße von 160 × 100 mm herum eine Oberflächenschicht aufwies.
[Tabelle 21]
Die Ca-, Cb-, CSa-, CSb-, Ea-, Eb-, ESa-, ESb-, DBa-Werte, die Biegefestigkeit, das Nagelverhalten und das Nagelziehverhalten der in den Beispielen 10–12 und den Vergleichsbeispielen 7–10 hergestellten Verbundstoffe wurden untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 22 dargestellt.
[Tabelle 22]
Aus Tabelle 22 ist klar ersichtlich, daß die Einstellung von CSa, CSb, Ea, Eb, ESa, ESb und DBa auf den Aufbau des Verbundstoffs gemäß den Ansprüchen 10 und 11 eine Volumenverringerung der Oberflächenschicht ermöglicht und eine Verbesserung der Biegefestigkeit, Verbesserung der Flexibilität sowie der Proportionalitätsgrenze bei Kompression, des Nagelverhaltens und des Nagelziehverhaltens erzielt.
(BEISPIEL 13)
Ein Verbundstoff mit einer Querschnittsgröße von 200 × 140 mm und einer Länge von 2020 mm, der eine in der nachstehenden Tabelle 23 angegebene Kernschicht mit einer Querschnittsgröße von 180 × 100 mm, eine Zwischenschicht mit einem unverschäumten Urethanharz mit einer Dicke von etwa 2 mm und Polyesterfaservlies (SUPAN BONDO E 1050, beziehbar von Asahi Chemical Industrial Co., Ltd.) als harzimprägniertes folienähnliches Material und eine in Tabelle 23 angegebene Oberflächenschicht aufwies, wurde mit der in 3 dargestellten vertikalen Produktionslinie hergestellt.
[Tabelle 23]
Durch mikroskopische Untersuchung des erhaltenen Verbundstoffs an oder in der Nähe der Grenzfläche zwischen der Kernschicht und der Oberflächenschicht wurde das Vorhandensein der Zwischenschicht festgestellt, in der das harzimprägnierte folienähnliche Material angeordnet war.
(BEISPIEL 14)
Abgesehen davon, daß die in der nachstehenden Tabelle 24 angegebene Oberflächenschicht, Zwischenschicht und Kernschicht ausgebildet wurden, wurde ein Verbundstoff auf die gleiche Weise wie im Beispiel 13 hergestellt.
Es wurde festgestellt, daß zwischen der Kernschicht und der Oberflächenschicht eine Zwischenschicht mit einer Dicke von etwa 3 mm aus Epoxidharz gebildet wurde.
[Tabelle 24]
(REFERENZBEISPIEL 1)
Abgesehen davon, daß keine Zwischenschicht vorgesehen war, wurde ein Verbundstoff 1i mit einer Kernschicht 2i und einer Oberflächenschicht 3i, wie in 14 dargestellt, auf die gleiche Weise wie in Beispiel 13 erzeugt.
(REFERENZBEISPIEL 2)
Wie in 15 dargestellt, wurde ein Verbundstoff 1j erzeugt, der ausschließlich aus der Oberflächenschicht von Beispiel 13 bestand.
Es wurden die Scherfestigkeit der Grenzfläche zwischen der Kernschicht und der Oberflächenschicht von jedem der Verbundstoffe gemessen, die aus den Beispielen 13, 14 und den Referenzbeispielen 1, 2 gewonnen wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 25 dargestellt, zusammen mit den Ergebnissen für die Biegefestigkeit, den Biegemodul, die Druckfestigkeit (JIS K 2101) und die Holzbearbeitbarkeit, wie zum Beispiel das Schneiden.
Die Scherfestigkeit wurde nach dem durch JIS Z 2101 vorgeschriebenen Verfahren mit einem TENSIRON UCT-5T-Gerät, hergestellt von Orientec Co., Ltd., mit einer Kreuzkopfgeschwindigkeit von 1 mm/min gemessen.
[Tabelle 25]
Aus Tabelle 25 ist klar ersichtlich, daß der Verbundstoff mit der Zwischenschicht, die zwischen der Oberflächenschicht und der Kernschicht vorgesehen ist und durch welche die Kernschicht und die Oberflächenschicht in einem Stück miteinander verbunden werden, wie der Verbundstoff von Anspruch 13, eine viel höhere Grenzflächenfestigkeit bieten kann als der Verbundstoff der keine Oberflächenschicht aufweist, und ferner als eine von verschiedenen Anwendungen voll auf das SEW-Verfahren anwendbar sein kann.
(BEISPIEL 15)
Abgesehen davon, daß die in der nachstehenden Tabelle 26 angegebene Oberflächenschicht, Zwischenschicht und Kernschicht gebildet wurden, wurde ein Verbundstoff auf die gleiche Weise wie in Beispiel 13 hergestellt.
Als Polyetherpolyol mit Propylenoxid-Zusatz wurde SUMIPHEN 1703 (Hydroxylzahl 380, Polyol-Äquivalent 147), beziehbar von Sumitomo Bayer Urethane Ltd., verwendet.
Es wurde festgestellt, daß der hergestellte Verbundstoff eine Kernschicht mit einer Scherfestigkeit von 6 MPa, eine Oberflächenschicht mit einer Scherfestigkeit von 8 MPa und eine dazwischen ausgebildete Zwischenschicht mit einer Dicke von 1 mm aufwies, die aus leistungsarmem Schaumstoff mit einer Dichte von 0,50 bestand, die um den Faktor 1,1 höher war als in der Kernschicht.
[Tabelle 26]
(BEISPIEL 16)
Abgesehen davon, daß Oberflächenschicht, Zwischenschicht und Kernschicht gebildet wurden, wie in der nachstehenden Tabelle 27 angegeben, wurde ein Verbundstoff auf die gleiche Weise wie in Beispiel 13 hergestellt.
Es wurde festgestellt, daß der erzeugte Kunststoff eine Kernschicht mit einer Scherfestigkeit von 6 MPa, eine Oberflächenschicht mit einer Scherfestigkeit von 8 MPa und Zwischenschichtabschnitte mit einer Dicke von 1 mm aufwies, die zwischen der Kernschicht und dem Faservlies bzw. zwischen dem Faservlies und der Oberflächenschicht ausgebildet waren und eine Dichte von 0,50 hatten, die um den Faktor 1,1 höher als in der Kernschicht war.
[Tabelle 27]
(BEISPIEL 17)
Abgesehen davon, daß Oberflächenschicht, Zwischenschicht und Kernschicht ausgebildet wurden, wie in der nachstehenden Tabelle 28 angegebenen, wurde ein Verbundstoff auf die gleiche Weise wie in Beispiel 13 hergestellt.
Es wurde festgestellt, daß der Verbundstoff eine Kernschicht mit einer Scherfestigkeit von 6 MPa, eine Oberflächenschicht mit einer Scherfestigkeit von 8 MPa und Zwischenschichtabschnitte mit einer Dicke von 1 mm aufwies, die zwischen der Kernschicht und dem Faservlies bzw. zwischen dem Faservlies und der Oberflächenschicht ausgebildet waren und eine Dichte von 0,48 hatten, die um den Faktor 1,1 höher als in der Kernschicht war.
[Tabelle 28]
Die in den Beispielen 15–17 und im Vergleichsbeispiel 5 erhaltenen Verbundstoffe wurden Scherversuchen gemäß dem in JIS Z 2101 vorgeschriebenen Verfahren ausgesetzt, nach dem eine Druckkraft auf den Verbundstoff in Richtung parallel zur Faserausdehnungsrichtung auf eine solche Weise ausgeübt wurde, das in einem Zwischenschichtabschnitt 7k zwischen einer Kernschicht 2k und einer Oberflächenschicht 3k eine Bruchfläche entstehen konnte, wie in 16 dargestellt. Die Meßergebnisse sind in Tabelle 29 dargestellt. Außerdem wurden die Biegefestigkeit und der Biegemodul gemäß dem durch JIS Z 2101 vorgeschriebenen Verfahren gemessen; die Ergebnisse sind in Tabelle 29 zusammen mit den Ergebnissen der Dauerbiegeversuche angegeben.
Zu beachten ist, daß die Dauerbiegeversuche entsprechend den Dauerbiegeversuchen mit gleichbleibender Spannung bei einer Spannweite von 1960 mm, einer Biegespannung von 60 MPa und einer Frequenz von 6 Hz durchgeführt wurden. Eine Biegewechselzahl von nicht weniger als 1 × 10 bis zum Bruch wird durch
dargestellt, weniger als 1 × 10⁷ bis nicht weniger als 1 × 10⁶ wird durch O dargestellt, und weniger als 1 × 10⁶ wird durch × dargestellt. Ferner wird hinsichtlich der Zerstörung der Fall der durch die Oberflächenschicht verursachten Zerstörung durch × dargestellt, und der Fall, wo zwischen der Oberflächenschicht und der Kernschicht keine Zerstörung festgestellt wird, oder der Fall, wo durch wiederholtes Biegen mit einer Biegewechselzahl von nicht weniger als 1 × 10⁷ keine Zerstörung verursacht wird, wird durch O dargestellt.
[Tabelle 29]
Aus Tabelle 29 ist klar ersichtlich, daß der Verbundstoff gemäß Anspruch 20 hervorragende Eigenschaften nicht nur bezüglich der Biegefestigkeit und des Biegemoduls, sondern auch bezüglich der Haltbarkeit bei wiederholtem Biegen bietet.
NUTZUNGSMÖGLICHKEITEN IN DER INDUSTRIE
Der so aufgebaute erfindungsgemäße Verbundstoff kann eine weitere Verbesserung der Druckfestigkeit und des Nagelverhaltens erzielen.
Wenn der Verbundstoff als Schienenschwellen und dergleichen eingesetzt wird, kann er leicht Schwingungen dämpfen, um eine Geräuschminderung zu erreichen. Da außerdem die Kernschicht bei Beschädigung durch Verschleiß widerstandsfähig gegen Zerstörung ist, wird die Beschädigung dann an der Oberflächenschicht verursacht und ist daher leicht erkennbar.
Ferner kann die relative Dichte des hergestellten Verbundstoffs leicht durch Regulieren der relativen Dichte von Füllstoffen der Kernschicht eingestellt werden, so daß der Verbundstoff für verschiedene Anwendungen genutzt werden kann, die von der massesparenden Anwendung bis zur massebelasteten Anwendung reichen.
Bei dem Aufbau gemäß Anspruch 5 kommt insbesondere der Wärmeausdehnungskoeffizient der Kernschicht dem der Oberflächenschicht nahe. Infolgedessen entsteht auch dann, wenn die Umgebungstemperatur stark variiert, eine geringe Verformung an einer Grenzfläche zwischen der Oberflächenschicht und der Kernschicht, und auf diese Weise wird eine hohe Zuverlässigkeit der Langzeit-Hafteigenschaften zwischen den Schichten bereitgestellt.
Bei dem Aufbau gemäß Anspruch 6 wird die Beständigkeit gegen wiederholtes Nagelziehen verbessert, was zu dem Ergebnis führt, daß bei Verwendung des Verbundstoffs als Schienenschwellen das Wartungsintervall für die Schienenschwellen verlängert werden kann.
Bei dem Aufbau gemäß Anspruch 9 wird eine Zerstörung der Kernschicht unterdrückt, wodurch sich die Flexibilität sowie die Biegefestigkeit, die Proportionalitätsgrenze bei Kompression, das Nagelverhalten und das Nagelziehverhalten verbessern. Bei Verwendung des Verbundstoffs als Schienenschwellen und dergleichen kann der Verbundstoff daher zur Geräuschminderung Schwingungen leicht dämpfen. Da außerdem die Kernschicht bei Beschädigung durch Verschleiß widerstandsfähig gegen Zerstörung ist, wird die Beschädigung dann an der Oberflächenschicht verursacht und ist daher leicht erkennbar.
Bei dem Aufbau gemäß den Ansprüchen 14 und 15 kann der Verbundstoff auf geeignete Weise für eine Schienenschwelle (besonders eine Eisenbahnschwelle), eine druckaufnehmende Platte und eine Entnahme-/Zugangs-Abdichtungswand für Schildvortrieb (SEW) verwendet werden, die eine hohe Biegefestigkeit und einen hohen Biegemodul erfordern. Da außerdem für Zwecke, die keine hohe Biegefestigkeit und keinen hohen Biegemodul erfordern, die Produktgröße verringert werden kann, läßt sich eine Materialkosteneinsparung erzielen. Da die faserverstärkte Zwischenschicht zwischen der füllstoffhaltigen Schicht und der füllstoffhaltigen Schicht vorgesehen wird, kann außerdem ein eingeschlagener Nagel durch die Langfasern der faserverstärkten Zwischenschicht gebunden werden, um eine verbesserte Nagelhaltefähigkeit bereitzustellen.
Bei dem Aufbau gemäß Anspruch 18 wird die Zerstörung der Kernschicht unterdrückt, wodurch eine Verbesserung der Flexibilität sowie der Biegefestigkeit, der Proportionalitätsgrenze bei Kompression, des Nagelverhaltens und des Nagelziehverhalten erzielt werden. Daher kann der Verbundstoff bei Verwendung als Schienenschwellen und dergleichen zur Geräuschminderung Schwingungen noch leichter dämpfen.
Beim Aufbau gemäß Anspruch 19 werden die Kernschicht und die Oberflächenschicht durch die unverschäumte hitzehärtbare Harzschicht integriert, wodurch eine hervorragende Grenzflächenfestigkeit bereitgestellt wird.
Bei Verwendung als Material für die SEW-Bauweise, die eine von verschiedenen Anwendungen des Verbundstoffs darstellt, kann der Verbundstoff allein als eine Einheit verwendet werden, ohne daß mehrere flache Platten laminiert und unter Druck miteinander verklebt werden müssen, im Unterschied zu dem herkömmlichen Kunstholz. Daher kann der Klebevorgang weggelassen werden, und es kann die gleiche oder eine höhere Festigkeit erreicht werden als die des herkömmlichen Kunstholzes.
Bei dem Aufbau gemäß Anspruch 20 kann insbesondere die Haltbarkeit gegen Dauerbiegebeanspruchung so verbessert werden, daß der Verbundstoff sich noch besser als Baumaterial eignet, wie z. B. als Wandmaterial für die SEW-Bauweise und als Eisenbahnschwelle, die eine hohe Haltbarkeit gegen Dauerbiegebeanspruchung erfordern.
Bei dem Aufbau gemäß Anspruch 21 kann durch eine hochfeste Folie und dergleichen, die als harzimprägnierte Folie eingesetzt wird, eine höhere Festigkeit der Zwischenschicht ermöglicht werden.
Bei der Ausbildung der Zwischenschicht kann das harzhaltige folienähnliche Material mit einem unverschäumten hitzehärtbaren Harz imprägniert werden, um die Bildung der Zwischenschicht zu erleichtern.
Bei dem Aufbau gemäß Anspruch 22 kann ein Verbundstoff von höherer mechanischer Festigkeit hergestellt werden, der beim Verschäumen leicht geschlossene Zellen bilden kann und eine hervorragend niedrige Absorptionsfähigkeit aufweist.
Bei dem Aufbau gemäß Anspruch 26 kann eine noch stabilere Biegefestigkeit hervorgebracht werden.
Die synthetische Schienenschwelle gemäß Anspruch 27, für die der oben erwähnte erfindungsgemäße Verbundstoff genutzt wird, weist die gleichen hervorragenden Fähigkeiten wie Naturholz auf. Sie weist eine hervorragende Haftfestigkeit an der Grenzfläche auf, mit anderen Worten, eine hervorragende Grenzflächenfestigkeit.

1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1h, 1i und 1j: Verbundstoff
2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i und 2k: Kernschicht
22: Füllstoff
23, 24 und 26: füllstoffhaltige Schicht (kernschichtbildende Zusammensetzung)
25: faserverstärkte Zwischenschicht (kernschichtbildende Zusammensetzung)
3a, 3b, 3c, 3g, 3h, 3i und 3k: Oberflächenschicht
5, 81: Langfaser
7h, 7k: Zwischenschicht
P: singulärer Punkt
T: Tangente (Tangente an den singulären Punkt P)
87: harzimprägniertes folienähnliches Material

Claims

Verbundstoff aufweist: eine Kernschicht (2); und eine Oberflächenschicht (3), die ein hitzehärtbares Harz aufweist, das durch Langfasern (5) verstärkt wird, die parallel in ihrer Längsrichtung verlaufen, wobei die Oberflächenschicht (3) auf die Kernschicht (2) auflaminiert wird, um mindestens eine Oberfläche der Kernschicht (2) zu bedecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschicht (2) ein Kunstharz (21) aufweist, das Füllstoff (22) mit einem Gewicht enthält, das größer oder gleich dem 0,7-fachen des Produkts aus dem Volumen der Kernschicht (2) und der Schüttdichte des Füllstoffs (22) ist.
Verbundstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzehärtbare Harz der Oberflächenschicht (3) leichten Füllstoff enthält.
Verbundstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) eine Dichte von 0,3 g/cm³ bis 1,5 g/cm³ aufweist.
Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) einen Biegemodul von mindestens 6000 MPa und eine Biegefestigkeit von mindestens 100 MPa aufweist.
Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (22) eine mittlere Teilchengröße von mindestens 0,5 mm aufweist.
Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (22) an einer Teilchengrößenverteilungskurve, in der die Teilchengröße auf der Abszisse und ein Volumenverhältnis des Füllstoffs pro Teilchengröße zu allen Füllstoffen auf der Ordinate aufgetragen sind, zwei oder mehrere Peakflächen aufweist, die mindestens 8 Vol.-% ausmachen, und außerdem eine Größenverteilung aufweist, bei der die häufigsten Teilchengrößenwerte in der kleineren Peakfläche von mindestens 8 Vol.-% höchstens das 0,7-fache der häufigsten Teilchengrößenwerte in der größeren Peakfläche von mindestens 8 Vol.-% betragen, die der kleineren Peakfläche am nächsten liegt.
Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstharz (21), das die Kernschicht (2) bildet, hitzehärtbares Harz ist.
Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstharz (21), das die Kernschicht (2) bildet, thermoplastisches Harz ist.
Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstharz (21), das die Kernschicht (2) bildet, thermoplastischer Polyurethanharz-Schaumstoff mit einem Polyol-Äquivalent von mindestens 230 bis höchstens 1500 oder hitzehärtbarer Polyurethan-Schaumstoff mit einer Dichte von mindestens 0,3 g/cm³ und einem Polyol-Äquivalent von höchstens 1500 ist.
Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschicht (2) durch mehrere Kernschichten (23, 24) gebildet wird, die eine Verbundschicht (23, 24) bilden.
Verbundstoff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine der die Kernschicht (23, 24) bildenden Verbundschichten aus hitzehärtbarem Harz, das durch Langfasern verstärkt wird, die parallel in ihrer Längsrichtung verlaufen, oder aus leichten Füllstoff enthaltendem hitzehärtbarem Harz besteht, das durch Langfasern verstärkt wird, die parallel in ihrer Längsrichtung verlaufen.
Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschicht (2) eine Druckscherfestigkeit DPa von mindestens 5 MPa aufweist.
Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschicht (2) und die Oberflächenschicht (3) durch eine Zwischenschicht (7), die schaumstofffreies hitzehärtbares Harz oder leistungsarmen Harzschaum aufweist, in einem Stück miteinander verklebt sind.
Verbundstoff nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenschichtabschnitt (7) eine Druckscherfestigkeit von mindestens 6 MPa aufweist, oder daß die Oberflächenschicht (3) und die Kernschicht (2) beide eine Druckscherfestigkeit von mindestens 6 MPa aufweisen, wenn an dem Verbundstoff (1) in einer zur Faserrichtung der Langfasern (5) der Oberflächenschicht (3) parallelen Richtung eine Druckkraft angreift, so daß eine Bruchfläche in dem Zwischenschichtabschnitt (7) entstehen kann, und wobei der Verbundstoff (1) die physikalische Eigenschaft aufweist, daß entweder die Oberflächenschicht (3) oder die Kernschicht (2) zuerst bricht, wenn die Druckkraft an dem Verbundstoff (1) in der zur Faserrichtung der Langfasern (5) der Oberflächenschicht (3) parallelen Richtung angreift, so daß die Bruchfläche in dem Zwischenschichtabschnitt (7) entstehen kann.
Verbundstoff nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein harzimprägniertes plattenähnliches Material in der Zwischenschicht (7) angeordnet ist.
Verbundstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche mit Ausnahme von Anspruch 8 und jedem von Anspruch 8 abhängigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstharz (21) der Kernschicht (2) Polyurethanharz-Schaumstoff und das Harz der Oberflächenschicht (3) Polyurethanharz-Schaustoff ist.
Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine Gesamtdicke von mindestens 100 mm und ein Verhältnis zwischen einer Dicke der Kernschicht (2) und einer Gesamtdicke der Oberflächenschicht (3), welche die Kernschicht (2) in Dickenrichtung bedeckt, im Bereich von 9/1 bis 1/1 liegt.
Verbundstoff nach Anspruch 11 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschicht (2) mindestens zwei Schichten (23, 24) aus kernschichtbildenden Zusammensetzungen, die Füllstoff und Kunstharz aufweisen, und mindestens eine Schicht (25) aus kernschichtbildender Zusammensetzung mit hitzehärtbarem Harz aufweist, das durch Langfasern verstärkt wird, die zwischen den zwei kernschichtbildenden Zusammensetzungen (23, 24) der mindestens zwei Schichten kernschichtbildender Zusammensetzungen eingefügt sind und parallel in einer Längsrichtung des Verbundstoffs (1) verlaufen, und wobei ein Verhältnis zwischen einer Gesamtdicke der die Kernschicht (2) bildenden Zusammensetzungsschicht (23, 24) und einer Gesamtdicke der die Kernschicht (2) bildenden Zusammensetzungsschicht (25) im Bereich von 95/5 bis 50/50 liegt.
Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) auf die Kernschicht (2) auflaminiert wird, um mindestens zwei Oberflächen der Kernschicht (2) zu bedecken; daß der Verbundstoff (1) eine Gesamtdicke von mindestens 100 mm aufweist, und daß eine Dicke der Oberflächenschicht (3) auf einer Seite, auf die eine Zugkraft ausgeübt wird, wenn der Verbundstoff (1) in Dickenrichtung gebogen wird, mindestens 5% bis höchstens 25% der Gesamtdicke beträgt und die Dicke der Oberflächenschicht (3) auf der Seite, auf die eine Druckkraft ausgeübt wird, mindestens 1,5% bis höchstens 15% der Gesamtdicke beträgt.
Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) vier Oberflächen der Kernschicht (2) umgibt und mindestens 10 Vol.-% bis höchstens 65 Vol.-% des gesamten Verbundstoffs (1) ausmacht.
Synthetische Schwelle, die einen Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 20 aufweist.