DE4300208A1 - Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus faserverstärkten Kunststoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hohlkörper aus faserverstärkten Kunststoffen, beispielsweise aus Reaktionsharzen, wie Polyesterharze oder Epoxidharze sind bekannt und werden für viele Zwecke mit Erfolg eingesetzt. Besonders vorteilhaft sind sie dort, wo es auf Beständigkeit gegenüber korrosiven Medien ankommt. Im allgemeinen erfolgt ihre Herstel­ lung diskontinuierlich nach dem Wickelverfahren oder nach dem Gieß- bzw. Spritzverfahren.

In der EP-B-0 174 296 ist ein Verfahren zur Herstellung von Roh­ ren, Torsionsstäben, Druckbehältern und dergleichen beschrieben, bei dem Fasern, vornehmlich Glasfasern mit einem Harz getränkt und unter einem Winkel in wenigstens zwei Schichten auf einen rotierenden Dorn aufgewickelt werden und der Wickelkörper ausge­ härtet und abgezogen wird. Dabei weist die Faserorientierung in der einen Schicht einen positiven Winkel und die Faserorientie­ rung in der anderen Schicht einen negativen Winkel zur Hohl­ körperlängsachse auf. Zwecks Einbringung von Eigenspannungen in die Schichten werden diese bis in etwa zum Bereich der Glasüber­ gangstemperatur des Harzes erhitzt und während des Aushärtens des Hohlkörpers mit einer radial nach außen weisenden Druckkraft, z. B. einem Druckmedium beaufschlagt. Auf diese Weise lassen sich zwar hochfeste Hohlkörper herstellen, der Arbeits- und Zeitauf­ wand ist jedoch erheblich. So muß für jeden Hohlkörperdurchmesser ein entsprechender Wickeldorn bereitgestellt werden. Auch ist es nicht möglich, die Hohlkörper thermisch zu verformen oder mitein­ ander zu verschweißen.

Weiterhin ist es aus der DE-C-35 10 626 bekannt, faserverstärkte Kunststoffrohre in einer sich drehenden Form zu fertigen, wobei zuerst der flüssige Kunststoff in die Form eingebracht und auf deren Innenoberfläche verteilt wird und anschließend die verstär­ kenden Fasern in dem Kunststoff verteilt werden. Als Fasern kön­ nen hierfür indes nur solche relativ kurzer Länge, sogenannte Stapelfasern eingesetzt werden, die aber nicht zu gerichteten Faserstrukturen führen, so daß diese Rohre für viele Anwendungs­ fälle nicht geeignet sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung von einer gezielten Faserorientierung aufweisenden Hohlkörpern zu verbessern und ei­ nen Hohlkörper zu schaffen, welcher unter umwelttechnologischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten einfacher zu recyceln ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die Maßnahmen nach dem Kenn­ zeichen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.

Erfindungsgemäß werden Fasern mit gezielter Faserorientierung in wenigstens zwei Schichten auf eine rohrförmige innere Abstützung aus thermoplastischem Kunststoff gewickelt. Die innere Abstüt­ zung, im allgemeinen ein Rohr, fungiert also als Wickelkern, der eine definierte Faserablage mit sogenannten Endlosfasern möglich macht. Das bewickelte Rohr wird dann vorzugsweise mit leichtem Preßsitz in eine drehbare Hohlform (Schleuderform) eingeschoben beziehungsweise eingelegt und die Form in Umdrehung versetzt. In­ folge der Fliehkräfte werden die Fasern an die Wandung der Hohl­ form gepreßt, wobei die Faserorientierung in den Schichten im we­ sentlichen erhalten bleibt. Wird nun die innere Abstützung oder der gesamte Verbundkörper auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des thermoplastischen Kunststoffes erwärmt, so wird aufgrund der Fliehkräfte die Thermoplastschmelze in der Fa­ serwicklung ausgebreitet. Es ist auch möglich, die innere Abstüt­ zung oder den gesamten Verbundkörper außerhalb der Hohlform zu erwärmen und erst dann in diese einzubringen.

Für die innere Abstützung sind praktisch alle thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffe geeignet, z. B. Olefinpolymerisate, wie Polyethylen oder Polypropylen; Styrolpolymerisate, wie Polystyrol oder Copolymere des Styrols mit bis zu 50 Gew.-% Acrylnitril, α-Methyl-Styrol, Maleinsäureanhydrid, Methylmethacrylat, sowie kautschukmodifizierte Styrolpolymerisate, vorzugsweise solche, die 2 bis 25-Gew.-% eines Butadienkautschuks enthalten; Poly­ amide, Polymethylmethacrylat, Polybutylenterephthalat, Polyester aus Terephtalsäure und gesättigten Diolen, Polycarbonat, Polyure­ thane, sowie Mischungen dieser Polymerisate. Außerdem eignen sich die eine erhöhte Wärmeformbeständigkeit aufweisenden und schwer entflammbaren aromatischen Polyether und Polythioether sowie Po­ lyphenylensulfide.

Diese Kunststoffe können die üblichen Zusatzstoffe, wie Füll­ stoffe, Pigmente, Farbstoffe, Antistatika, Stabilisatoren, Flamm­ schutzmittel oder Gleitmittel enthalten.

Die Herstellung der rohrförmigen Abstützung erfolgt nach an sich bekannten Verfahren, beispielsweise nach dem Extrusions- oder Spritzgießverfahren.

Als Fasern kommen die in der Faserverbundtechnik üblichen Ver­ stärkungsfasern wie Glas-, Kohlenstoff- oder Kunststoffasern in Betracht. Die Fasern werden in zwei oder mehreren Schichten unter Winkeln von 0° bis 90° auf die innere Abstützung gewickelt. Gege­ benenfalls können die Fasern mit einem thermoplastischen Kunst­ stoff getränkt oder laminiert werden.

Das Verhältnis Kunststoff zu Fasern wird im allgemeinen so gewählt, daß der fertige Hohlkörper zwischen 10 und 70, vorzugs­ weise 20 bis 60 Vol.-% Fasern enthält.

Der aus der Abstützung und der Faserwicklung bestehende Verbund­ körper wird auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes, zweckmäßig etwa 20°C bis etwa 70°C oberhalb des Schmelzpunktes des thermoplastischen Kunststoffes erwärmt. Dies geschieht beispiels­ weise, indem der Verbundkörper durch einen Ofen geführt wird. Es ist jedoch auch möglich, nur die rohrförmige Abstützung mittels IR-Strahlen vor oder nach dem Einbringen des Verbundkörpers in die Hohlform zu erwärmen, wobei die Wärmezufuhr während des Schleudervorganges aufrechterhalten wird.

Die zur Erzielung einer gleichmäßigen Ausbreitung der Kunststoff­ schmelze in der Faserwicklung benötigte Umlaufgeschwindigkeit der rotierenden Hohlform richtet sich nach der Viskosität der Kunst­ stoffschmelze, nach dem Durchmesser und der Wanddicke des Hohl­ körpers. Sie kann durch einfache Vorversuche leicht ermittelt werden. Insgesamt hat sich eine Umlaufgeschwindigkeit beziehungs­ weise haben sich Zentrifugalkräfte entsprechend einem auf die In­ nenwand der Hohlform wirkenden Druck von etwa 2 bis 7 bar als be­ sonders vorteilhaft erwiesen.

Um die Chemikalienbeständigkeit der Hohlkörper zu verbessern, kann nur ein Teil des thermoplastischen Kunststoffs der inneren Abstützung in der Faserwicklung ausgebreitet werden. Es verbleibt dann auf der inneren Mantelfläche des Hohlkörpers ein sogenannter Liner aus unverstärktem Kunststoff.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der aus der inne­ ren Abstützung und der Faserwicklung bestehende Verbundkörper in ein Rohr aus thermoplastischem Kunststoff mit enger Passung ein­ geschoben und das Ganze in der rotierenden Hohlform erwärmt. Wäh­ rend des Schleudervorgangs drückt sich das spezifisch schwerere Fasermaterial in beziehungsweise durch die Schmelze des äußeren Rohres, so daß sich eine vollständige Benetzung des Fasermate­ rials ergibt. Dabei kann das den Verbundkörper umgebende Rohr aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehen, der mit dem thermo­ plastischen Kunststoff der inneren Abstützung affin ist, jedoch einen höheren Schmelzpunkt hat. In diesem Fall schmilzt das äu­ ßere Rohr nicht vollständig auf, sondern verschweißt nur mit der inneren Abstützung, und es entsteht am fertigen Hohlkörper eine äußere Schutzschicht.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich hochfeste Hohl­ körper, z. B. Rohre, rohrförmige Torsionsstäbe, Druckbehälter und dergleichen einfach und besonders rasch herstellen. Die Hohl­ körper sind frei von Lunker und Fehlstellen und zeichnen sich durch eine gleichmäßige Wanddicke sowie sehr glatte Oberflächen aus. Aufgrund der thermoplastischen Matrix können derartige Hohl­ körper nach ihrem Erwärmen verformt und auch verschweißt werden. Sie sind ohne Probleme recycelbar.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Zur Herstellung eines Torsionsstabes von 100 mm Durchmesser und 1000 mm Länge wird ein extrudiertes Kernrohr aus Polyamid 6 von 94 mm Außendurchmesser und 2 mm Wanddicke in eine drehbankähn­ liche Wickelmaschine gespannt. Auf die als innere Abstützung fun­ gierende Kernrohr werden Fasern aus sogenanntem E-Glas eines Titers von 1200 tex in 12 Schichten aufgewickelt. Der Wickel­ winkel der Schichten beträgt ±45°; die Wickelschicht-Dicke insgesamt 3 mm.

In einem zweiten Arbeitsgang wird der Verbundkörper (3) in eine von einem Motor (2) antreibbare Hohlform (1) - Schleuderform - mit einem Innendurchmesser von 100 mm eingeschoben und mittels einer verfahrbaren und mit Infrarotstrahlen (4) bestückten Lanze (5) auf eine Temperatur von 260°C erwärmt. Während des Erwärmens beziehungsweise Aufschmelzen der inneren Abstützung des Verbund­ körpers wird die Hohlform auf eine Drehzahl von 11 000 min^-1 be­ schleunigt, und es wird über ein Zuführrohr (6) Inertgas in das Innere des Verbundkörpers geleitet. Der Inertgasdruck beträgt 1 bar.

Nach 5 min ist die innere Abstützung vollständig aufgeschmolzen und die Kunststoffschmelze gleichmäßig in der Faserwicklung verteilt. Das so hergestellte Torsionsrohr kühlt nach Wegnahme der Infrarotstrahler rasch ab und kann einfach der Schleuderform entnommen werden. Entsprechend der Faserorientierung von ±45° eignet sich dieses Rohr besonders gut zur Übertragung von Tor­ sionsmomenten.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern, z. B. Rohren, rohr­ förmigen Torsionsstäben, Druckbehältern und dergleichen, welche aus faserverstärkten Kunststoffen mit wenigstens zwei Schichten mit unterschiedlich zur Längsrichtung orientierten Fasern aufgebaut sind, bei dem der Hohlkörper erhitzt und mit einer radial nach außen wirkenden Kraft beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern auf eine rohrförmige innere Abstützung aus thermoplastischem Kunststoff gewickelt werden, ,die Abstützung oder der gesamte Verbundkörper auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des thermoplasti­ schen Kunststoffes erwärmt und der Kunststoff in einer rotie­ renden Hohlform durch Zentrifugalkräfte in der Faserwicklung ausgebreitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die rohrförmige innere Abstützung gewickelten Fasern mit einem thermoplastischen Kunststoff getränkt oder laminiert sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Abstützung auf eine Temperatur von etwa 20°C bis etwa 70°C oberhalb der Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffes erwärmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erwärmte thermoplastische Kunststoff durch Zentrifugalkräfte entsprechend einem auf die Innenwand der Hohlform wirkenden Druck von etwa 2 bis 7 bar in der Faserwicklung ausgebreitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil des thermoplastischen Kunststoffs der inneren Abstützung in der Faserwicklung ausgebreitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der inneren Abstützung und der Faserwicklung bestehende Verbundkörper in ein Rohr aus thermoplastischem Kunststoff mit enger Passung eingeschoben und das Ganze in der rotieren­ den Hohlform erwärmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das den Verbundkörper umgebende Rohr aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht, der mit dem thermoplastischen Kunststoff der inneren Abstützung affin ist, jedoch einen höheren Schmelzpunkt hat.