WO2012107191A1 - Verbundwerkstoff mit pps fasern, epoxydharz und/oder furanharz - Google Patents

Verbundwerkstoff mit pps fasern, epoxydharz und/oder furanharz Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a fiber-reinforced plastic structure
  • Plastic structure are made, and their use. Such plastic structures are materials that consist of Verstärkungsfasem, which are embedded in a plastic matrix. These are found in a variety of applications in the form of short fiber reinforced,
  • the subgroup of glass fiber reinforced plastics is a composite of a plastic, such as polyester resin, epoxy or polyamide, and glass fibers.
  • a plastic such as polyester resin, epoxy or polyamide
  • Glass fiber reinforced plastics are standard materials in the industry. Tubes of this type are standardized in the DIN and commercially available.
  • thermoplastic material such as e.g. Polypropylene
  • This chemical protective layer is present on those surfaces which come into contact with the alkaline solutions and is intended to protect the glass fiber reinforced plastics. This additional protective layer is required above all when the alkaline solutions have temperatures of> 40 ° C and thus their corrosive effect is enhanced and surfaces are attacked and destroyed.
  • Lye concentrations can be dispensed with a thermoplastic chemical protective layer and this is instead produced from the plastic matrix itself.
  • the disadvantage of the glass fiber reinforced plastics known in the prior art is that if the chemical protection layer is damaged, the glass fibers are exposed and are exposed directly to a chemical attack by alkali.
  • Glass is a chemically highly resistant material, which is not laugebest depict and massively attacked by alkali and destroyed. By destroying the reinforcing fiber of the entire composite material is attacked, because the mechanical strength of the composite is achieved by the reinforcing fibers. The omission of the mechanical strength leads to the failure of the Material, since the pressure and temperature load, which prevails, for example, when operating an industrial plant, no resistance is opposed.
  • a glass fiber reinforced plastic pipe according to the prior art is known for example from DE 10 2008 033 577 A1.
  • this document teaches a plastic tube which has improved properties in terms of tightness, rigidity, dimensional stability and abrasion in comparison to the prior art.
  • the pipe wall is formed by at least one in the spin and / or
  • Centrifugal casting method produced spin coating and at least one winding layer produced in the winding process. Although such pipes have improved properties, but are very expensive to produce.
  • Object of the present invention is therefore to provide an alternative composite material in which both the matrix material and the fiber material at temperatures> 60 ° C is resistant to alkaline media, and thus reduces the likelihood of the occurrence of the failure described above becomes.
  • the invention has also set itself the task of providing appropriate means and uses of the composite material.
  • the object is achieved by a composite comprising reinforcing fibers and a surrounding matrix of a matrix material, wherein the matrix material contains an epoxy resin and / or a furan resin and the reinforcing fibers contain polyphenylene sulfide.
  • the epoxy resin reacts with a crosslinking partner, generally referred to as a hardener, to a thermoset composite material.
  • a crosslinking partner generally referred to as a hardener
  • the EP resin is based on different approaches, preferred for the use used are a bisphenol A or novolak base.
  • the hardener systems are preferably based on amine systems, using both aliphatic and aromatic amines. However, anhydride hardeners can also be used.
  • the composite material additionally includes the additives that influence the composite properties.
  • additives that influence the composite properties. These are selected from the group of stabilizers adhesion promoters and lubricants and are known in the art from the prior art. These modifiers are based predominantly on aliphatic or aromatic glycidyl ethers. However, aliphatic epoxy ester resins or polyepoxide resins are also used to adjust the properties.
  • the accelerators are imidazole-based systems.
  • the composite preferably comprises 0.05 to 35 parts by weight of additives. These can either be in the matrix material and / or in the
  • the matrix material comprises 95 to 100% by weight of resin and 0 to 5% by weight of additives.
  • Fiber material advantageously comprises 65 to 100% by weight of polyphenylene sulfide and 0 to 35% by weight of additives.
  • the composite material according to the invention is resistant to> 20% - concentrated alkaline media, wherein it is the alkaline medium in particular to> 20% NaOH. It goes without saying that the composite also has resistance to other chemicals.
  • the composite of the present invention is resistant to NaOH and other alkaline media at temperatures> 60 ° C.
  • the present invention also includes means for receiving and / or transporting alkaline liquids comprising the invention
  • the pipes and containers are made by a method known to those skilled in the art from the composite material.
  • the known methods are in detail:
  • Winding process In the winding process, rotating (winding mandrel) and reciprocating (support) movements are combined with each other in order to deposit the resin-impregnated fibers on the mandrel after a certain winding pattern.
  • This process can be carried out both mechanized and manually, with different fiber structures, such as e.g. Continuous filaments such as rovings, fleeces of short fibers, random fiber mats of short and long fibers, woven or knitted fabrics can be used
  • Braiding process In the braiding process, the reinforcing fibers of a slidable braiding machine with a rotating braiding head on one
  • Matrix resin are impregnated.
  • the fiber reinforcement in the form of, for example, nonwovens or fabrics is previously inserted or together with the resin and any additives through the lance, a mobile loading arm; introduced as short fiber in the centrifugal mold.
  • a mobile loading arm introduced as short fiber in the centrifugal mold.
  • the composite material according to the invention finds above all things
  • Piping and / or the containers are brought into contact with alkaline media. Even at elevated temperatures of> 60 ° C of alkaline media, the piping and tanks are used.
  • the composite material In a preferred use of the composite material, it is used in devices of an electrolysis process in which alkaline media are produced and / or supplied.
  • the use is conceivable especially in inflows and outflows, as well as in the reaction chambers of electrolysis cells.
  • Composite material will be explained below. These are, for example, devices of a leaching concentration process in which the concentrations of alkaline media are changed or devices of a process of metal extraction in which alkaline media are supplied and / or used, this advantageously being an aluminum extraction from bauxite. Furthermore, the invention relates generally to apparatuses of methods known in the art in which alkaline media are supplied and / or used.
  • the pipe materials used in the experiment are fiber-reinforced plastics.
  • the matrix materials are epoxy, vinyl ester resins and other resin types that differ in their structure.
  • fiber materials are different glass and polymer fibers, e.g. AR glass, polyamide fiber,
  • Polyphenylene sulfide fibers provided. Test specimens made of pure resin and fibers are supplied by commercial manufacturers. The square test specimens have 30 mm edge length. The individual fibers (without resin) are used as commercially available.
  • test specimens and fibers are stored in 32 wt% NaOH solution in PFA cans with screw caps in a drying oven at 90 ° C for 10 days, to determine a basic stability of the samples used. After these 10 days, the temperature was raised to 250 ° C. The aqueous 32% by weight NaOH solution was completely evaporated to dry 100% NaOH. As a result, all specimens were exposed to the concentration range of 32% to 100% at a temperature of up to 250 ° C.
  • the materials according to the invention ie the matrix materials epoxy resins and furan resins, as well as the reinforcing fibers of polyphenylene sulfide have withstood the extreme conditions of the experimental setup and are thus perfectly suited to the starting task.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff umfassend Verstärkungsfasern und einen diese umgebende Matrix aus einem Matrixwerkstoff, wobei der Matrixwerkstoff ein Harz enthält und die Verstärkungsfasern Polyphenylensulfid enthalten.

Description

VERBUNDWERKSTOFF MIT PPS FASERN, EPOXYDHARZ UND/ODER FURANHARZ
[0001] Die Erfindung betrifft eine faserverstärkte Kunststoffstruktur
(Verbundwerkstoff), Mittel, die aus der erfindungsgemäßen faserverstärkten
Kunststoffstruktur gefertigt sind, sowie deren Verwendung. [0002] Derartige Kunststoffstrukturen sind Werkstoffe, die aus Verstärkungsfasem bestehen, welche in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Diese finden in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten in Form von kurzfaserverstärkten,
langfaserverstärkten oder endlosfaserverstärkten Bauteilen Verwendung.
[0003] Die Untergruppe der glasfaserverstärkten Kunststoffe ist ein Verbund aus einem Kunststoff, wie beispielsweise Polyesterharz, Epoxidharz oder Polyamid, und Glasfasern. Glasfaserverstärkte Kunststoffe sind Standardwerkstoffe in der Industrie. Rohre dieser Art sind in der DIN genormt und kommerziell erhältlich.
[0004] Im Bereich alkalischer Medien werden überwiegend glasfaserverstärkte Kunststoffe eingesetzt, um alkalische Flüssigkeiten aufzunehmen oder zu
transportierten. Diese sind in der Regel mit einem thermoplastischen Material, wie z.B. Polypropylen, als chemische Schutzschicht, versehen. Diese chemische Schutzschicht ist auf denjenigen Oberflächen vorhanden, die mit den alkalischen Lösungen in Berührung kommen und soll die glasfaserverstärkten Kunststoffe schützen. Diese zusätzliche Schutzschicht ist vor allen Dingen dann erforderlich wenn die alkalischen Lösungen Temperaturen von > 40°C aufweisen und damit ihre ätzende Wirkung verstärkt wird und Oberflächen angriffen und zerstört werden.
[0005] Bei Temperaturen unterhalb von 40°C und geringen
Laugenkonzentrationen kann auf eine thermoplastische Chemieschutzschicht verzichtet werden und diese wird stattdessen aus der Kunststoffmatrix selbst erzeugt. [0006] Der Nachteil der im Stand der Technik bekannten glasfaserverstärkten Kunststoffe ist nun, dass bei Beschädigung der Chemieschutzschicht, die Glasfasern freigelegt werden und einem chemischen Angriff durch Lauge direkt ausgesetzt sind.
[0007] Glas ist ein chemisch hochresistenter Werkstoff, der jedoch nicht laugebeständig ist und massiv von Lauge angegriffen und zerstört wird. Durch die Zerstörung der Verstärkungsfaser wird der gesamte Verbundwerkstoff angegriffen, denn die mechanische Festigkeit des Verbundes wird durch die Verstärkungsfasern erreicht. Der Wegfall der mechanischen Festigkeit führt zum Versagen des Werkstoffes, da der Druck- und Temperaturbelastung, die beispielsweise beim Betrieb einer Industrieanlage herrscht, kein Widerstand mehr entgegengesetzt wird.
[0008] Ein glasfaserverstärktes Kunststoffrohr nach dem Stand der Technik ist beispielsweise aus DE 10 2008 033 577 A1 bekannt. Diese Schrift lehrt insbesondere ein Kunststoffrohr, das hinsichtlich Dichtigkeit, Steifigkeit, Formstabilität und Abrasion im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Eigenschaften aufweist. Dabei wird die Rohrwand gebildet durch mindestens eine im Schleuder- und/oder
Schleudergussverfahren hergestellte Schleuderschicht und mindestens eine im Wickelverfahren hergestellte Wickelschicht. Derartige Rohre weisen zwar verbesserte Eigenschaften auf, sind aber sehr aufwendig herzustellen.
[0009] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb einen alternativen Verbundwerkstoff zur Verfügung zu stellen, bei dem sowohl der Matrixwerkstoff als auch der Faserwerkstoff bei Temperaturen > 60°C resistent gegenüber alkalischen Medien ist, und somit die Wahrscheinlichkeit des Eintretens des oben beschriebenen Versagensfalls vermindert wird. Die Erfindung hat sich ebenfalls zur Aufgabe gemacht entsprechende Mittel und Verwendungen des Verbundwerkstoffes bereitzustellen.
[0010] Die Aufgabe wird gelöst durch einen Verbundwerkstoff umfassend Verstärkungsfasern und einen diese umgebende Matrix aus einem Matrixwerkstoff, wobei der Matrixwerkstoff ein Epoxidharz und/oder ein Furanharz enthält und die Verstärkungsfasern Polyphenylensulfid enthalten.
[0011] Das Epoxidharz (Kurz EP-Harz) reagiert mit einem Vernetzungspartner, im Allgemeinen als Härter bezeichnet, zu einem duroplastischen Verbundwerkstoff. Das EP-Harz basiert auf unterschiedlichen Ansätzen, bevorzugt für den verwendeten Einsatz sind eine Bisphenol A- oder Novolak-Basis. Die Härtersysteme basieren bevorzugt auf Aminsystemen, wobei sowohl aliphatische wie auch aromatische Amine eingesetzt werden. Es können aber auch Anhydridhärter verwendet werden.
[0012] In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Verbundwerkstoff ergänzend die Zusatzstoffe, die die Verbundwerkstoffeigenschaften beeinflussen. Diese werden aus der Gruppe der Stabilisatoren Haftvermittler und Gleitmittel ausgewählt und sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. Diese Modifizierer basieren überwiegend auf aliphatischen oder aromatischen Glycidyl Ethern. Es werden aber auch aliphatische Epoxy Ester Harze oder, Polyepoxide Harze zur Eigenschaftseinstellung verwendet. Als Beschleuniger fungieren Imidazol-basierte Systeme. [0013] Dabei umfasst der Verbundwerkstoff bevorzugt 0,05 bis 35 Gewichtsteile an Zusatzstoffen. Diese können entweder im Matrixwerkstoff und/oder im
Faserwerkstoff enthalten sein. Erfindungsgemäß umfasst der Matrixwerkstoff 95 bis 100 % Gewichtsteile Harz und 0 bis 5 % Gewichtsteile Zusatzstoffe. Der
Faserwerkstoff umfasst vorteilhaft 65 bis 100 % Gewichtsteile Polyphenylensulfid und 0 bis 35 % Gewichtsteile Zusatzstoffe.
[0014] Vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff gegenüber > 20 %- konzentrierten alkalischen Medien resistent, wobei es sich bei dem alkalischen Medium insbesondere um > 20 % NaOH handelt. Es versteht sich von selbst, dass der Verbundwerkstoff auch eine Resistenz gegenüber anderen Chemikalien aufweist.
[0015] Der Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung ist bei Temperaturen > 60°C resistent gegenüber NaOH und anderen alkalischen Medien.
[0016] Die vorliegende Erfindung umfasst auch Mittel zur Aufnahme und/oder dem Transport von alkalischen Flüssigkeiten, umfassend den erfindungsgemäßen
Verbundwerkstoff. Dabei handelt es sich vorteilhaft um Rohre oder Behälter.
[0017] Dabei werden die Rohre und Behälter nach einem dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren aus dem Verbundmaterial hergestellt. Die bekannten Verfahren sind im Einzelnen:
- Wickelverfahren: Beim Wickelverfahren werden drehende (Wickeldorn) und hin- und hergehende (Support) Bewegungen miteinander kombiniert, um die mit Harz getränkten Fasern nach einem bestimmtem Wickelmuster auf dem Dorn ablegen zu können. Dieses Verfahren kann sowohl mechanisiert wie auch händisch ausgeführt werden, wobei unterschiedliche Faserstrukturen, wie z.B. Endlosfäden wie Rovings, Vliese aus Kurzfasern, Wirrfasermatten aus Kurz- und Langfasern, Gewebe oder Gestricke, eingesetzt werden können
- Flechtverfahren: Beim Flechtverfahren werden die Verstärkungsfasern von einer verschiebbaren Flechtmaschine mit einem rotierenden Flechtkopf auf einem
feststehenden Kern abgelegt. Dadurch wird auf dem stationären Kern eine
gewebeartige Struktur erzeugt, die in einem nachfolgenden Verfahren mit dem
Matrixharz imprägniert werden.
- Schleuderverfahren: Beim Schleuderverfahren wird der Faserverstärkung in Form von z.B. Vliesen oder Geweben vorher eingelegt oder gemeinsam mit dem Harz und eventuellen Zusatzstoffen durch die Lanze, einem beweglichen Beschickungsarm; als Kurzfaser in die Schleuderform eingebracht. Durch die Zentrifugalkraft beim Schleudern entstehen Hohlkörper mit Verstärkungsmittelreichen Außenschichten und harzreichen, chemikalienbeständigen Innenschichten.
[0018] Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff findet vor allen Dingen
Verwendung als Werkstoff für Rohrleitungen und/oder Behälter, wobei die
Rohrleitungen und/oder die Behälter mit alkalischen Medien in Kontakt gebracht werden. Auch bei erhöhten Temperaturen von > 60°C der alkalischen Medien finden die Rohrleitungen und Behälter Anwendung.
[0019] In einer bevorzugten Verwendung des Verbundwerkstoffs wird dieser in Vorrichtungen eines Elektrolyse-Verfahrens verwendet, in welchem alkalische Medien hergestellt und/oder zugeführt werden. Dabei ist die Verwendung vor allem bei Zu- und Abläufen, sowie in den Reaktionskammern von Elektrolysezellen denkbar.
[0020] Weitere Verwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen
Verbundwerkstoffes werden nachstehend ausgeführt. Dies sind beispielsweise Vorrichtungen eines Laugeaufkonzentrierungsverfahrens, in dem die Konzentrationen alkalischer Medien verändert werden oder Vorrichtungen eines Verfahrens der Metallgewinnung, in dem alkalische Medien zugeführt und/oder verwendet werden, wobei es sich hierbei vorteilhaft um eine Aluminiumgewinnung aus Bauxit handelt. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung ganz allgemein auf Vorrichtungen von Verfahren, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, in denen alkalische Medien zugeführt und/oder verwendet werden.
[0021] Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft anhand eines
Ausführungsbeispiels detailliert erläutert und umfasst eine Untersuchung zur
Beständigkeit von Rohrwerkstoffen in heißer Natronlauge.
[0022] Bei den im Versuch eingesetzten Rohrwerkstoffen handelt es sich um Faserverstärkte Kunststoffe. Es sollten zuerst die reinen Grundkomponenten untersucht werden. Die Matrixwerkstoffe sind Epoxid-, Vinylesterharze und andere Harztypen, die sich in ihrer Struktur unterscheiden. Als Fasermaterialien sind unterschiedliche Glas- und Polymerfasern wie z.B. AR-Glas, Polyamidfaser,
Polyphenylensulfidfasern vorgesehen. Prüfkörper aus Reinharz und Fasern werden von handelsüblichen Herstellern geliefert. Die quadratischen Prüfkörper haben 30 mm Kantenlänge. Die einzelnen Faserstoffe (ohne Harz) werden, wie handelsüblich ausgeliefert, eingesetzt.
[0023] Die Prüfkörper und Fasern werden in 32 Gew% NaOH-Lösung in PFA- Dosen mit Schraubdeckeln in einem Trockenschrank bei 90°C 10 Tage lang gelagert, um eine Grundbeständigkeit der eingesetzten Proben zu ermitteln. Im Anschluss an diese 10 Tage wurde die Temperatur auf 250 °C erhöht. Die wässerige 32 Gew% NaOH Lösung wurde dabei vollständig zu trockener 100% NaOH verdampft. Dadurch wurden sämtliche Probekörper dem Konzentrationsbereich von 32% bis 100% bei einer Temperatur von bis zu 250°C ausgesetzt.
[0024] Ein Teil der Proben wurde durch die hohe Temperatureinwirkung und/oder dem chemischen Angriff zerstört. Die erfindungsgemäßen Werkstoffe, also die Matrixwerkstoffe Epoxydharze und Furanharze sowie die Verstärkungsfasern aus Polyphenylensulfid haben jedoch den extremen Bedingungen des Versuchsaufbau stand gehalten und sind somit der Ausgangsaufgabenstellung vollkommen gerecht geworden..
[0025] Vorteile, die sich aus der Erfindung ergeben:
Verbundwerkstoff mit guter Alkalibeständigkeit
Verbundwerkstoff bei hohen Temperaturen, auch in Gegenwart von alkalischen Medien beständig

Claims

Ansprüche
1. Verbundwerkstoff umfassend Verstärkungsfasern und einen diese umgebende Matrix aus einem Matrixwerkstoff, wobei der Matrixwerkstoff ein Epoxydharz und/oder ein Furanharz enthält und die Verstärkungsfasern Polyphenylensulfid enthalten.
2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff als Modifizierer die Zusatzstoffe, die aus den Gruppe der Stabilisatoren, Haftvermittler und Gleitmittel ausgewählt werden, umfasst.
3. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff 0,05 bis 35 % Gewichtsteile an Zusatzstoffen umfasst.
4. Verbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Matrixwerkstoff 95 bis 100 % Gewichtsteile Harz und 0 bis 5 % Gewichtsteile Zusatzstoffe umfasst.
5. Verbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Faserwerkstoff 65 bis 100 % Gewichtsteile
Polyphenylensulfid und 0 bis 35 % Gewichtsteile Zusatzstoffe umfasst.
6. Verbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff gegenüber > 20 %-konzentrierten alkalischen Medien resistent ist.
7. Verbundwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der
Verbundwerkstoff gegenüber > 20 % NaOH resistent ist.
8. Verbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff bei Temperaturen > 60°C alkali- resistent ist.
9. Mittel zur Aufnahme und/oder dem Transport von alkalischen Flüssigkeiten, umfassend den Verbundwerkstoff nach Anspruch 1.
10. Mittel zur Aufnahme und/oder dem Transport von alkalischen Flüssigkeiten nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Rohr handelt.
11. Mittel zur Aufnahme und/oder dem Transport von alkalischen Flüssigkeiten nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Behälter handelt.
12. Verwendung des Verbundwerkstoffs nach Anspruch 1 als Werkstoff für
Rohrleitungen und/oder Behälter, wobei die Rohrleitungen und/oder die Behälter mit alkalischen Medien in Kontakt gebracht werden.
13. Verwendung des Verbundwerkstoffs nach Anspruch 1 als Werkstoff für
Rohrleitungen und/oder Behälter, wobei der Verbundwerkstoff mit alkalischen Medien einer Temperatur von > 60°C in Kontakt gebracht wird.
14. Verwendung des Verbundwerkstoffes nach Anspruch 1 in Vorrichtungen von Verfahren, in denen alkalische Medien zugeführt und/oder verwendet werden.
15. Verwendung des Verbundwerkstoffs nach Anspruch 14, wobei es sich bei den Vorrichtungen, um Vorrichtungen eines Elektrolyse-Verfahrens handelt, indem alkalische Medien hergestellt werden und/oder zugeführt werden.
16. Verwendung des Verbundwerkstoffes nach Anspruch 14, wobei es sich bei den Vorrichtungen um Vorrichtungen eines Laugeaufkonzentrierungsverfahrens handelt, in dem die Konzentrationen alkalischer Medien verändert werden.
17. Verwendung des Verbundwerkstoffes nach Anspruch 14, wobei es sich bei den in Vorrichtungen um Vorrichtungen eines Verfahrens der Metallgewinnung handelt, in dem alkalische Medien zugeführt und/oder verwendet werden.
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