Es bestehen schon bekannte Vorschläge zur Herstellung von spezifisch leichten Schaumstoffgebilden, beispielsweise auch auf Pdlyurethanharz-Basis, in deren Zellwänden zur Verbesserung der spezifischen Festigkeitseigenschaften der Gesamtstruktur Fasermaterial, vorzugsweise Glasfasern, eingebettet sind.
Nach einem der vorbekannten Verfahrensprinzipien wird, beispielsweise zur Herstellung von Kofferndeckeln oder anderen Fertigbauteilen, in einem Arbeitsgang ein luftdurchlässiger Formhohlraum mit einer lockeren Glasfasermasse ausgefüllt, und es wird ins Innere dieser Glasfasermasse eine zum Schäumen vorbereitete Harzflüssigkeit unter hohem Druck aus einer oder mehreren Düsen eingespritzt, damit die Glasfasern von innen her mit Harzflüssigkeit durchtränkt werden. Dieses bekannte Verfahrensprinzip bewirkt aber ein Mitreissen bzw. eine Verdrängung der Fasermasse von den Einspritzstellen aus gegen die Formwände, so dass die Faserdichte in den Aussenwänden des Fertigproduktes gross und im Körperinnern klein wird.
Sofern dabei durch subtile Feinregelung der Einspritzmenge und der Einspritzgeschwindigkeit die Gefahr vermieden werden kann, dass in einzelnen Bezirken die Faserdichte zu gross wird, als dass dort die Fasern noch vollständig von Schaumstoff durchtränkt und miteinander verklebt werden könnten, entsteht für einen Fertigbaukörper eine an sich günstige Festigkeitsverteilung. Die Aussenschichten werden dichter und entsprechend widerstandsfähiger als die Innenteile. Es hat sich aber gezeigt, dass auf diese Weise immer wieder an gewissen Stellen die Glasfasern ungenügend im Schaumstoff eingebettet sind.
Auf keinen Fall lässt sich nach diesem Prinzip ein homogener, glasfaserverstärkter Schaumstoffkörper mit überall gleich guten Festigkeitseigenschaften und überall gleichem spezifischem Gewicht herstellen, damit man daraus zum Herstellen von Verbundbaukörpern Stützkörper wählbarer Grösse und Form und vorbestimmter Festigkeit ausschneiden könnte, wie z. B.
aus Holzblöcken oder Brettern.
Nach einem anderen, vorbekannten Verfahrensprinzip werden relativ dünne, flächenhafte Gebilde aus vermaschten oder miteinander verklebten Glasfasern von beiden Seiten her mit zum Schäumen vorbereiteter Polyurethanharzflüssigkeit imprägniert und denn zwischen parallelen Förderbändern durchbewegt. Damit soll erreicht werden, dass beim nachfolgenden Schäumen das Harzgemisch das flächenhafte Fasergebilde von beiden Aussenseiten her durchdringt, so dass nach der Verfestigung eine glasfaserverstärkte Schaumstruktur entsteht. Die Luft kann dabei aber aus dem Innern der Fasergebilde nur dann verdrängt und durch Schaum ersetzt werden, wenn das ganze Gebilde relativ dünn bleibt und ein offenzelliger Schaum verwendet wird.
Selbst durch späteres Verkleben der schaumimprägnierten Glasfaserschichten entstehen keine günstigen Schaumstrukturen, weil sie wegen ihrer Offenzelligkeit zur Feuchtigkeitsaufnahme neigen, wodurch das gewünschte spezifische Gewicht grösser und damit die Wärmeisolierfähigkeit geringer wird.
Nach einem weiteren vorbekannten Verfahrensprinzip werden zwar homogene kleinzellige, glasfaserverstärkte Leichtbaustrukturen in relativ dicken Platten dadurch erzielt, dass mit einer flüssigen nicht schäumbaren Epoxydharz Glasfasermischung sogenannte Microballons, d. h. eine voluminöse lockere Masse von dünnwandigen, Phenolharz- oder Glas-Hohlkügelchen mit Aussendurchmessern von weniger als 0,5 mm, vermischt werden, bis eine plastisch verformbare Kunstmasse entsteht, mit welcher ein Formhohlraum gefüllt werden kann und die in der Form ausgehärtet wird. Das Fertigprodukt kann aber dabei nur mit grossen Schwierigkeiten so leicht gemacht werden, dass sein spezifisches Raumgewicht demjenigen von Holz ähnlich ist.
Mindestens im Vergleich zur Vorzugsrichtung von Naturholz sind die auf diese Weise erzielbaren Festigkeitseigenschaften des Endproduktes meistens ungenügend. Nach diesem Prinzip kann nämlich dem Epoxydharz nur ein relativ geringer Gewichtsanteil von Glasfasern zugemischt werden, wenn nachher noch die Hohlkügelchen zugemischt werden sollen.
Technisch erwünscht wäre es, in wenig arbeitsaufwendiger Weise spanabhebend bearbeitbare und zerschneidbare Planken oder Blöcke mit kleinem spezifischem Gewicht und grosser Zugfestigkeit, vorzugsweise als geschlossenzelliges und damit keine Feuchtigkeit aufnehmendes Kunststoffmaterial industriell herstellen zu können. Dabei sollte das Kunststoffmaterial eine kleinzellige Hartschaumstoffstruktur darstellen und einen möglichst hohen Anteil an verstärkendem Fasermaterial, vorzugsweise Glasfasern, in gleichmässiger Verteilung und je einzeln vollständig im Kunststoff eingeklebt enthalten, um relativ hohe Festigkeitswerte des Endproduktes zu erzielen. Bestenfalls ist bei Verwendung von ungerichteten Glasfasern ein Glasgewicht von 50 Gewichtsprozent des Endproduktes erreichbar.
Angestrebt wird im Besonderen die Schaffung eines Verfahrens, nach welchem unter Beibehaltung des relativ hohen Glasgehaltes das spezifische Gewicht des Endproduktes auf einfache Weise innert weiter Grenzen ziemlich genau vorbestimmbar ist, so dass z. B. beliebige Litergewichte im Bereich von 100500 g je nach den Anforderungen der Abnehmer erzielt werden können.
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem vorbekennten, industriell bewährten Verfahren zum Herstellen von spanabhebend bearbeitbaren und zerschneidbaren Hart schaumkörpern durch Eingiessen einer Gewichtsmenge einer flüssigen zum späteren Schäumen und Verfestigen im Schäumzustand vorbereiteten Bindeharzgemisches in einen quaderförmigen luftdurchlässigen Formhohlraum und Aufschäumen- und Verfestigenlassen des Forminhaltes auf ein Endvolumen.
Nach diesem wohlbekannten Verfahren entstehen zwar homogene und auf ein gewünschtes Raumgewicht in einem Bereich von etwa 50-300 kg/m3 ziemlich genau voreinstellbare Schaumkörper. Die Zugfestigkeit von solchen Schaumstrukturen ist aber nur klein.
z. B.
a bei Raumgewicht 60 kg/m3: 3-10 kg/cm2 a bei Raumgewicht 300 kg/m3: 15-50 kg/cm2
Auch die Biegesteifigkeit solcher unverstärkter Hartschaumstrukturen bzw. das Elastizitätsmodul E ist für viele Anwendungen zu gering, z.
E bei Raumgewicht 60 kg/m3: 15 kg/m m2 E E bei Raumgewicht 300 kg/m3: 75 kg/mm2
Ausserdem werden z. B. Hartschaumstrukturen aus Polyurethanharz bei Temperaturen von 60800 C weich, und der dabei steigende innere Druck der in den geschlossenen Zellen enthaltenen Triebmittel bläht solche Schaumstrukturen von innen her auf, so dass sie, z. B. bei Sonneneinstrahlung, ihre Form verlieren.
Zur Erzeugung von Hartschaumkörpern mit durch Fasereinlagen im Harz wesentlich verbesserten Festigkeitseigenschaften und vor allem auch verbesserter Formbeständigkeit bei höheren Temperaturen des Endproduktes ist das erfindungsgemässe Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Eingiessen der schäumbaren Binde harzflüssigkeit in den Formhohlraum eine Gewichtsmenge lufthaltiger Fasermasse in gleichmässiger Verteilung über der ganzen Bodenfläche eingefüllt wird und dass vor dem Einsetzen der Schaumbildung mit Hilfe eines von der offenen Formoberseite in dem Formhohlraum passenden und ein tl eibbaren, luftdurchlässigen Pressstempels der Forminhalt zur Luftverdrängung auf ein wesentlich geringeres Pressvolumen zusammengepresst wird,
dass nachher beim Einsetzen und während der Schäumung des Bindemittels unter dem Schaumdruck der Pressstempel zur Vergrösserung des Formhohlraumes auf das Endvolumen allmählich zurückverstellt wird und dass nach Erreichung dieses Endvolumens der Forminhalt bis zur Verfestigung in der Form belassen wird.
Dadurch, dass die Fasermasse mit dem Press-Stempel von oben her in die flüssige Bindemittelmasse, in der die Schaumbildung noch nicht eingesetzt haben soll, hineingepresst und dabei komprimiert wird, dringt die Flüssigkeit unter völliger Verdrängung der vorher in der Fasermasse enthaltenen Luft durch den Press-Stempel zwangsweise in die Zwischenräume zwischen den Fasern ein und umhüllt jede Faser vollständig, wobei die räumlich überall gleiche Verteilungsdichte der Fasern gewährleistet bleibt.
Beim Einsetzen und während der Schaumentwicklung wird der Press-Stempel allmählich bis auf ein zur Erreichung eines gewünschten Raumgewichtes des Endproduktes Endvolumen allmählich zurückverstellt. Dabei ist darauf zu achten, dass der Forminhalt stets unter einem gewissen Überdruck, bewirkt durch das Stempelgewicht und den inneren Schaumdruck, gehalten wird.
Sofern beim Endprodukt die Zugfestigkeit und die das Elastizitätsmodul etwas geringer sein dürfen, eventuell eine gewisse elastische Nachgiebigkeit sogar erwünscht ist und nur die Formstabilität des Endproduktes auch bis Temperaturen über dem Erweichungspunkt des Bindemittels noch gewährleistet sein muss, so können auch Textilfasern an Stelle von Glasfasern gute Dienste leisten.
Als schäumbare und im Schaumzustand verfestigbare, Bindemittelflüssigkeit werden vorzugsweise an sich wohlbekannte Urethan-Bindeharze mit Polyäther- oder Polyesterharzen und einem Präpolymer mit Isocyanat zur Sicherung einer geschlossenzelligen Schaumbildung verwendet.
Dem Verbraucher ist die chemische Zusammensetzung der von den Herstellern der Komponenten bzw. der beiden vom Verbraucher zu mischenden beiden Flüssigkeiten praktisch nie bekannt, sondern nur je eine Chiffre-Bezeichnung.
Hingegen erfüllen die Schaumharzlieferanten praktisch alle vom Verbraucher gestellten Anforderungen an besondere Eigenschaften. Für die vorliegende Erfindung ist vor allem eine relativ lange Dauer des flüssigen schaumfreien Zustandes der Mischung vom Zusammenschütten der beiden Hauptkomponenten bis zum Einsetzen der Schäumung erwünscht, weil während dieser Zeit die lockere Fasermasse in den Formhohlraum eingefüllt und die Komprimierung des Forminhaltes auf sein Minimalvolumen erfolgen muss. Nachher soll aber die Schäumung und Schaumverfestigung relativ rasch erfolgen. Bisher sind Standzeiten von etwa 4080 Sekunden etwa maximal, was ausreicht, einen Formhohlraum zur Erzeugung einer Enddicke der Faser-Schaumstrukturplatten von etwa 10 cm zu füllen und zu pressen.
Zur raschen Einfüllung der benötigten lufthaltigen Faserstoffmenge in den Formhohlraum nach erfolgter Einschüttung der Bindeharzflüssigkeit wird mit Vorteil ein einstückiger Faserquader verwendet, passend in den Formhohlraum und bestehend aus relativ langen, ungerichteten Fasern, die an ihren Kreuzungsstellen mit einem im flüssigen Harzgemisch löslichen Schlichtmittel verklebt sind.
Es können auch mehrere zu einem solchen Quader aufeinander geschichtete rechteckige Matten aus gegenseitig örtlich verklebten Fasern verwendet werden. Die Löslichkeit des Bindemittels, durch welche die langen Fasern an ihren Kreuzungsstellen gegenseitig verklebt sind, in der Harzflüssigkeit ist wichtig, weil sonst die Fasermasse nicht genügend eng komprimierbar ist.
Unter Verwendung von leistungsfähigen Einstreuvorrichtungen können aber auch relativ kurze Fasern in lockerer Form rasch genug in den Formhohlraum eingeschüttet werden. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren können also faserverstärkte geschlossenzellige Urethan-Hartschaumstrukturen mit hohem Faseranteil (bis 50 Gewichtsprozent) und guter Homogenität in Dicken bis zu etwa 10 cm hergestellt werden, deren Raumgewicht im Bereich von etwa 100 bis 300 kg/mj genau voreinstellbar ist. Solche Strukturen sind spanabhebend bearbeitbar und zerschneidbar und können daher als Halbfabrikat, bzw. wie Rohmaterial, z. B. Naturholz, zur Herstellung von Stützkernen für Verbundbaukörper an Stelle von unverstärkten Schaumstrukturen, Naturholz, oder Honigwaben verwendet werden.
Weil nur relativ billige Materialien verwendet werden und die erfindungsgemässe Herstellung wenig Arbeitszeit erfordert, ergeben sich günstige Gestehungspreise, die zwar vorläufig noch höher sind als für Naturholz, aber z. B. im Vergleich zu Wabenstrukturen klein sind.
Bei Verwendung bekannter Urethan-Hartschaum-Harzgemische haben sich z. B. glasfaserverstärkte Hartschaumstrukturen mit folgenden Eigenschaften ergeben:
Glasanteil 50% des Totalgewichtes Glasanteil 0% a) Raumgewicht 100 kg/m3 100 kg/m3
Zugfestigkeit a 50-100 kg/cm2 15 kg/cm2
Elastizitätsmodul E 100 kg/cm2 15 kg/cm2 b) Raumgewicht 300 kg/m3 300 kg/m3
Zugfestigkeit a 250 kg/cm2 50 kg/cm2
Elastizitätsmodul E = 750 kg/cm2 E = 75 kg/cm2
Die faserverstärkten Urethanhartschaumstrukturen, welche nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt werden, lassen sich ebenso gut wie unverstärkte Hartschaumstrukturen mit anderen Materialien verkleben. Sie nehmen prak tisch auch kein Wasser auf.
Sofern als Glasfasergebilde meh rere Schichten von Fasermatten übereinander geschichtet werden, ergeben sich geschichtete Endprodukte, bei denen glasfaserverstärkte Schaumstoffschichten durch glasfaser freie Schaumstoffschichten verklebt sind. Quer zur Schicht richtung ist dabei die Zugfestigkeit schlecht, in Schichtrich tung aber gut.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfah rens und Feinstrukturen in verschiedenen Fertigungsstufen sind in der Zeichnung schematisiert dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 die erste Fertigungsstufe, nämlich das Einbringen eines quaderförmigen, lufthaltigen Fasergebildes la in einen
Formhohlraum F1, in welchen bereits die noch schaumfreie
Harzflüssigkeit 2 geschüttet worden ist,
Fig. 2 ein Feinstrukturbild des Fasergebildes la gemäss
Fig. 1,
Fig. 3 die Zusammenpressung des Forminhaltes auf sein
Minimalvolumen mit dem luftdurchlässigen Press-Stempel F2,
Fig. 4 die Feinstruktur des gepressten Forminhaltes lb von Fig. 3,
Fig. 5 die Endstufe des Forminhaltes lc nach erfolgter
Zurückbewegung des Press-Stempels und fertiger Verschäu mung der Harzflüssigkeit,
Fig. 6 die Feinstruktur des Endproduktes 1c nach Fig. 5,
Fig. 7 eine der Fig. 1 entsprechende Zeichnung beim Ein bringen von mehreren Fasermatten la' in den Formhohl raum,
Fig. 8 eine der Fig.
3 entsprechende Fertigungsstufe mit maximal verdichtetem Forminhalt,
Fig. 9 eine der Fig. 5 entsprechende Darstellung eines geschichteten Endproduktes,
Fig. 10 eine der Fig. 1 entsprechende Zeichnung bei der Verwendung von kurzen losen Glasfasern la" vor dem Zusammenpressen der Glasfasern.
In den Zeichnungen ist mit F1 ein Teil einer Pressform mit quaderförmigem Formhohlraum und mit F2 ein von der oberen, offenen Seite her in den Formhohlraum hineintreibbaren, luftdurchlässigen Press-Stempels bezeichnet.
Gemäss Fig. 1 ist in den Formhohlraum F1 eine vorbestimmte Gewichtsmenge eines flüssigen Urethan-Schaumharzgemisches 2 eingeschüttet worden, derart, dass in dieser Harzflüssigkeit die Schäumung noch nicht eingesetzt hat.
Sofern eine glasfaserverstärkte Urethan-Hartschaumplatte mit einem Endvolumen von 10 dm3 bei einer Grundfläche des Formhohlraumes von 100 x 20 cm, entsprechend 2000 cm2, und einer Endhöhe von 5 cm hergestellt werden soll, und bei einem Glasfaseranteil von = 30% des Totalgewichtes ein Raumgewicht des Endproduktes von 200 g/dm3 erzeugt werden soll, werden dazu 1500 g Harzgemisch und 500 g Glasfasern verwendet. Die ungeschäumte Harzflüssigkeit wird bei einem spez. Gewicht von 1000 g/dm3 ein Volumen von 1000 cm3 einnehmen und die Formgrundfläche in einer Höhe von etwa 7-8 mm überdecken.
Zur Herstellung des Endproduktes wurde beispielsweise folgende flüssige Komponenten, die von der Firma Reichhold Chemie AG, Hausen bei Brugg (Schweiz) unter den Bezeichnungen Polylite 8666 bzw. Polylite 8667 bzw.
Polylite 8667k gekauft wurden, zusammen gemischt: a) 802 g Polylite 8667 b) 8 g Polylite 8667k c) 690 g Polylite 8666
Die Standzeit dieser Mischung im flüssigen, noch nicht schäumenden Zustand beträgt bei einer Temperatur von 200 C etwa 60 sek. Nachher setzt die Schaumbildung ein, die etwa nach weiteren 5 Min. beendet ist und in einen festen Zustand übergeht. Sofern die Gewichtsmenge von 1500 g Harzgemisch allein auf ein Endvolumen 7,5 dm3 mit einem Raumgewicht von 200 g/dm3 geschäumt würde, ergäbe sich nach totaler Aushärtung eine Polyurethan-Hartschaumstruktur mit einer Zugfestigkeit e von = 30 kg/cm2.
Nun wird aber gemäss der Fig. 1 in den Formhohlraum F1 ein aus relativ langen (Faserlänge = 5-30 cm, Faserdicke = lO,u), ungerichteten Fasern bestehendes, in den Formhohlraum passendes, also eine Grundfläche 100 x 20 cm aufweisendes lufthaltiges Glasfasergebilde mit einem Gesamtgewicht von 500 g, sofort nach erfolgtem Einschütten der Harzflüssigkeit eingebracht. Die Glasfasern 10 sind an ihren Kreuzungsstellen mit einem in der Harzflüssigkeit löslichen Schlichtmittel 11 verklebt. Ein Glasfaserquader dieser Art hat bei der vorausgesetzten Grundfläche eine Höhe ha von etwa 3 cm.
Sofort nach Einbringung dieses lufthaltigen Glasfasergebildes la in den Formhohlraum, wird gemäss Fig. 3 durch Eintreiben des luftdurchlässigen Press-Stempels F2 von der oberen, offenen Formseite her der ganze Forminhalt lb auf eine Höhe hb von etwa 8-10 mm zusammengepresst, wobei sich eine Struktur gemäss Fig. 4 mit eng zusammengepress ten Glasfasern 10b, ergibt. Die Luft ist dabei schon beim Zusammenpressen durch die von unten her eindringende noch ungeschäumte Harzflüssigkeit aus dem Glasfasergebilde Ib verdrängt worden, und die Harzflüssigkeit füllt nun alle verbleibenden Zwischenräume zwischen den Glasfasern gleichmässig aus, so dass also alle Glasfasern einzeln in Harzflüssigkeit eingebettet sind. Ein kleiner Teil des Harzgemisches und der beim Schäumen entstehenden Gase treten aus der Form aus.
Sobald dann die Schäumung der Harzflüssigkeit einsetzt, wird der Press-Stempel F2 während der Schaumentwicklung im Masse desselben allmählich nach oben zurückverstellt, bis eine gemäss Fig. 5 eine Endhöhe hc = 50 mm des Form inhaltes 1c d. h. das vorbestimmte Endvolumen von 10 dm3 erreicht worden ist. Nach etwa 6 Min., gerechnet von der
Mischung der Harzkomponenten an beginnt die Verfesti gung des Forminhaltes 1c, die nach weiteren 18 Min. so weit fortgeschritten ist, dass der glasfaserverstärkte Schaumstoff körper aus der Form heraushebbar ist. Nach einer Nachhär tung, die 1 Tag betragen soll, ist das erhaltene Endprodukt weiter verarbeitbar. Seine Glasfasern 10 sind dann gemäss
Fig. 6 vollständig in einer geschlossenzelligen Harturethan
Schaumstoffstruktur 20 eingebettet und eingeklebt.
Eine solche glasfaserverstärkte Urethan-Hartschaumstruk tur hat dann folgende Eigenschaften:
Glasgehalt 26% des Gesamtgewichtes
Raumgewicht De 200 g/dm3 Zugfestigkeit r 65 kg/cm2
Elastizitätsmodul E 300 kg/cm2
Wasseraufnahme 1 Gew. % Formbeständigkeit bis etwa 1500 C.
Das Endprodukt ist ähnlich wie Pappel- oder Tannenholz spanabhebend bearbeitbar und zerschneidbar.
Gemäss Fig. 7, 8, 9 werden an Stelle eines einstufigen Glasfasergebildes la eine Mehrzahl von Matten la' gleicher Struktur, aber je kleinerer Dicke (1 mm) verwendet, die zusammen ebenfalls einen Quaderblock von 3 cm Dicke und dasselbe Glasgewicht von 1500 g ergeben. Auch die Gewichtsmenge der Harzflüssigkeit und deren Zusammensetzung kann gleich sein.
Die Zusammenpressung des Forminhaltes gemäss Fig. 8 führt zur selben Minimaldicke hb ¯ 9 mm. Hingegen ist vorgesehen, während der Schäumung des Harzes den Forminhalt auf eine Endhöhe hc' von 10 cm steigen zu lassen, so dass statt nur 10 dm3 Endprodukt 20 dm3 entstehen, deren Raumgewicht also durchschnittlich 100 g/dm3 beträgt.
Dabei entsteht ein geschichtetes Endprodukt mit glasfaserverstärkten Urethan-Hartschaumschichten lc', die miteinander durch glasfaserfreie Harturethanschaumstoffschichten 2' verklebt sind. Eine solche geschichtete Glasfaserschaumstruktur hat zwar bei Zugbeanspruchung quer zur Schichtrichtung keine höhere Zugfestigkeit als unverstärkten Schaum. Hingegen sind die Zugfestigkeiten dieses Schichtmaterials bei Zugbeanspruchungen parallel zu den Schichtebenen wesentlich höher, z. B. nach dem genannten Beispiel 50 kg/cm2.
Gemäss Fig. 10 wird in den Formhohlraum nach erfolgter Einschüttung der vorbestimmten Gewichtsmenge von Harzflüssigkeit eine etwa gleichgrosse Gewichtsmenge von lockeren Glasfasern la" (Faserlänge 3 mm, Faserdicke 10jet) eingeschüttet und mit dem Press-Stempel zuerst auf die Minimalhöhe hb gepresst und auf eine Endhöhe ha zurückverstellt. Auch auf diese Weise entstehen homogene Strukturen nach Fig. 6 mit ausgezeichneten Festigkeitseigenschaften.
Durch die Wahl der Gewichtsmengen von Harz und Glasfasern bzw. Vorbestimmung des Endvolumens bzw. der Endhöhe des Forminhaltes hat man es in der Hand, stets bei wählbar hohem Faseranteil von 25-50% das Raumgewicht des Endproduktes auf vorbestimmte Werte im Bereich von etwa 100 g/dm3 bis 500 g/dm3 zum voraus einzustellen. Die Harzzusammensetzung und das Fasermaterial können innert gewisser Grenzen variert werden.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zum Ilerstellen von spanabhebend bearbeitbaren und zerschneidbaren Hartschaumkörpern durch Eingiessen einer Gewichtsmenge einer flüssigen, zum späteren Schäumen und Verfestigen im Schäumzustand vorbereiteten
**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.
There are already known proposals for the production of specifically light foam structures, for example also based on polyurethane resin, in the cell walls of which fiber material, preferably glass fibers, are embedded in order to improve the specific strength properties of the overall structure.
According to one of the previously known process principles, for example for the production of case lids or other prefabricated components, an air-permeable mold cavity is filled with a loose glass fiber mass in one operation, and a resin liquid prepared for foaming is injected into the interior of this glass fiber mass under high pressure from one or more nozzles, so that the glass fibers are saturated with resin liquid from the inside. However, this known method principle causes the fiber mass to be entrained or displaced from the injection points against the mold walls, so that the fiber density in the outer walls of the finished product becomes large and inside the body small.
Insofar as the risk of the fiber density becoming too great in individual areas for the fibers to be completely soaked with foam and glued together can be avoided by means of subtle fine-tuning of the injection quantity and the injection speed, a prefabricated structure is inherently favorable Strength distribution. The outer layers are denser and correspondingly more resistant than the inner parts. However, it has been shown that in this way again and again the glass fibers are insufficiently embedded in the foam at certain points.
Under no circumstances can a homogeneous, glass fiber-reinforced foam body with the same good strength properties and the same specific weight everywhere be produced according to this principle, so that support bodies of selectable size and shape and predetermined strength could be cut out of it for the production of composite structures, such as B.
from blocks of wood or boards.
According to another, previously known process principle, relatively thin, two-dimensional structures of meshed or glued together glass fibers are impregnated from both sides with polyurethane resin liquid prepared for foaming and then moved between parallel conveyor belts. This is intended to ensure that during the subsequent foaming, the resin mixture penetrates the flat fiber structure from both outer sides, so that a glass fiber-reinforced foam structure is created after solidification. The air can only be displaced from the interior of the fiber structure and replaced by foam if the entire structure remains relatively thin and an open-cell foam is used.
Even if the foam-impregnated glass fiber layers are later glued together, no favorable foam structures are created because they tend to absorb moisture due to their open-cell structure, which means that the desired specific weight is greater and the heat insulation capacity is lower.
According to a further previously known method principle, homogeneous small-cell, glass fiber-reinforced lightweight structures in relatively thick panels are achieved by using so-called micro-balloons with a liquid, non-foamable epoxy resin glass fiber mixture. H. a voluminous, loose mass of thin-walled, phenolic resin or glass hollow spheres with outside diameters of less than 0.5 mm are mixed until a plastically deformable synthetic material is created, with which a mold cavity can be filled and which is cured in the mold. The finished product can only be made so light with great difficulty that its specific density is similar to that of wood.
At least in comparison to the preferred direction of natural wood, the strength properties of the end product that can be achieved in this way are mostly inadequate. According to this principle, only a relatively small proportion by weight of glass fibers can be added to the epoxy resin if the hollow spheres are to be added afterwards.
It would be technically desirable to be able to manufacture industrially machinable and cut planks or blocks with low specific weight and high tensile strength, preferably as closed-cell and therefore moisture-free plastic material, in a less labor-intensive manner. The plastic material should be a small-cell rigid foam structure and contain the highest possible proportion of reinforcing fiber material, preferably glass fibers, evenly distributed and individually completely glued into the plastic in order to achieve relatively high strength values in the end product. At best, when using non-directional glass fibers, a glass weight of 50 percent by weight of the end product can be achieved.
In particular, the aim is to create a method according to which, while maintaining the relatively high glass content, the specific gravity of the end product can be predetermined fairly precisely in a simple manner within wide limits, so that, for B. any liter weights in the range of 100500 g can be achieved depending on the requirements of the customer.
The present invention is based on a previously known, industrially proven method for producing machinable and cuttable rigid foam bodies by pouring a weight amount of a liquid binder resin mixture prepared for later foaming and solidifying in the foamed state into a cuboid, air-permeable mold cavity and allowing the molded contents to foam and solidify Final volume.
According to this well-known process, homogeneous foam bodies which can be pre-set fairly precisely to a desired volume weight in a range of about 50-300 kg / m3 are produced. However, the tensile strength of such foam structures is only small.
z. B.
a with a volume weight of 60 kg / m3: 3-10 kg / cm2 a with a volume weight of 300 kg / m3: 15-50 kg / cm2
The flexural rigidity of such unreinforced rigid foam structures or the modulus of elasticity E is too low for many applications, e.g.
E for a volume weight of 60 kg / m3: 15 kg / m m2 E E for a volume weight of 300 kg / m3: 75 kg / mm2
In addition, z. B. rigid foam structures made of polyurethane resin soft at temperatures of 60800 C, and the increasing internal pressure of the blowing agent contained in the closed cells inflates such foam structures from the inside, so that they, for. B. lose their shape in sunlight.
To produce rigid foam bodies with strength properties that are significantly improved by fiber inserts in the resin and, above all, improved dimensional stability at higher temperatures of the end product, the method according to the invention is characterized in that, after the foamable binding resin liquid has been poured into the mold cavity, an amount by weight of aerated fiber mass in a uniform distribution over the the entire bottom surface is filled and that before the onset of foam formation with the aid of an air-permeable plunger that fits from the open top of the mold in the mold cavity and can be relocated, the content of the mold is compressed to a significantly smaller pressing volume to displace air,
that afterwards when inserting and during the foaming of the binding agent under the foam pressure the ram is gradually adjusted back to the final volume to enlarge the mold cavity and that after reaching this final volume the mold contents are left in the mold until solidification.
The fact that the fiber mass is pressed with the press plunger from above into the liquid binder mass in which foam formation should not have started yet and thereby compressed, the liquid penetrates through the press, completely displacing the air previously contained in the fiber mass -Stamp compulsorily into the spaces between the fibers and completely envelops each fiber, whereby the spatially uniform distribution density of the fibers is guaranteed everywhere.
When inserting and during foam development, the press plunger is gradually adjusted back to an end volume to achieve a desired density of the end product. It is important to ensure that the contents of the mold are always kept under a certain overpressure caused by the weight of the stamp and the internal foam pressure.
If the tensile strength and the modulus of elasticity may be slightly lower in the end product, a certain elastic resilience may even be desired and only the dimensional stability of the end product must be guaranteed up to temperatures above the softening point of the binder, then textile fibers can also be good instead of glass fibers Render service.
As the foamable and solidifiable in the foamed state, the binder liquid used is preferably well-known urethane binder resins with polyether or polyester resins and a prepolymer with isocyanate to ensure closed-cell foam formation.
The consumer is practically never aware of the chemical composition of the two liquids to be mixed by the manufacturer of the components or of the two liquids to be mixed by the consumer, only a cipher designation each.
On the other hand, foam resin suppliers meet practically all of the consumer requirements for special properties. For the present invention, a relatively long duration of the liquid, foam-free state of the mixture from the pouring together of the two main components until the onset of foaming is particularly desirable, because during this time the loose fiber mass has to be poured into the mold cavity and the mold contents must be compressed to its minimum volume . Afterwards, however, the foaming and foam consolidation should take place relatively quickly. So far, downtimes of about 4080 seconds are about a maximum, which is sufficient to fill and press a mold cavity to produce a final thickness of the fiber-foam structure plates of about 10 cm.
In order to quickly fill the required amount of air-containing fiber into the mold cavity after the binder resin liquid has been poured in, it is advantageous to use a one-piece fiber block that fits into the mold cavity and consists of relatively long, undirected fibers that are glued at their intersection with a sizing agent that is soluble in the liquid resin mixture.
It is also possible to use several rectangular mats made of mutually locally glued fibers, stacked on top of one another to form such a cuboid. The solubility of the binder, through which the long fibers are mutually glued at their crossing points, in the resin liquid is important because otherwise the fiber mass cannot be compressed sufficiently tightly.
With the use of powerful litter devices, however, relatively short fibers can also be poured into the mold cavity quickly enough in loose form. According to the method according to the invention, fiber-reinforced, closed-cell urethane rigid foam structures with a high fiber content (up to 50 percent by weight) and good homogeneity in thicknesses of up to about 10 cm can be produced, the density of which can be precisely preset in the range of about 100 to 300 kg / mj. Such structures can be machined and cut and can therefore be used as a semi-finished product or as raw material, e.g. B. natural wood, for the production of support cores for composite structures can be used in place of unreinforced foam structures, natural wood, or honeycombs.
Because only relatively cheap materials are used and the production according to the invention requires little working time, there are low cost prices, which are temporarily higher than for natural wood, but z. B. are small compared to honeycomb structures.
When using known urethane-rigid foam resin mixtures z. B. result in glass fiber reinforced rigid foam structures with the following properties:
Glass content 50% of the total weight Glass content 0% a) Volume weight 100 kg / m3 100 kg / m3
Tensile strength a 50-100 kg / cm2 15 kg / cm2
Modulus of elasticity E 100 kg / cm2 15 kg / cm2 b) Volume weight 300 kg / m3 300 kg / m3
Tensile strength a 250 kg / cm2 50 kg / cm2
Modulus of elasticity E = 750 kg / cm2 E = 75 kg / cm2
The fiber-reinforced urethane rigid foam structures which are produced by the process according to the invention can be glued to other materials just as well as unreinforced rigid foam structures. They also practically take up no water.
If several layers of fiber mats are layered on top of one another as a glass fiber structure, layered end products result in which glass fiber reinforced foam layers are glued together by glass fiber free foam layers. The tensile strength is poor across the layer direction, but good in the layer direction.
Embodiments of the method according to the invention and fine structures in different production stages are shown schematically in the drawing.
Show it:
Fig. 1 shows the first production stage, namely the introduction of a cuboid, air-containing fiber structure la in a
Mold cavity F1, in which the still foam-free
Resin liquid 2 has been poured,
Fig. 2 shows a fine structure image of the fiber structure la according to
Fig. 1,
3 shows the compression of the contents of the mold
Minimum volume with the air-permeable press plunger F2,
FIG. 4 shows the fine structure of the pressed mold contents 1b from FIG. 3,
Fig. 5 shows the final stage of the form content lc after
Return movement of the plunger and finished foaming of the resin liquid,
6 shows the fine structure of the end product 1c according to FIG. 5,
Fig. 7 is a drawing corresponding to FIG. 1 when a bring several fiber mats la 'in the mold cavity,
Fig. 8 one of the Fig.
3 corresponding production stage with maximally compressed form content,
FIG. 9 shows a representation of a layered end product corresponding to FIG. 5,
10 shows a drawing corresponding to FIG. 1 when using short, loose glass fibers 1 a "before the glass fibers are pressed together.
In the drawings, F1 denotes a part of a compression mold with a cuboid mold cavity and F2 denotes an air-permeable press ram that can be driven into the mold cavity from the upper, open side.
According to FIG. 1, a predetermined amount by weight of a liquid urethane-foam resin mixture 2 has been poured into the mold cavity F1 in such a way that foaming has not yet started in this resin liquid.
If a glass fiber reinforced urethane foam board with a final volume of 10 dm3 with a base area of the mold cavity of 100 x 20 cm, corresponding to 2000 cm2, and a final height of 5 cm, and with a glass fiber content of = 30% of the total weight, a volume weight of If the end product of 200 g / dm3 is to be produced, 1500 g resin mixture and 500 g glass fibers are used. The non-foamed resin liquid is at a spec. Weight of 1000 g / dm3 occupy a volume of 1000 cm3 and cover the mold base at a height of about 7-8 mm.
For example, the following liquid components, which are available from Reichhold Chemie AG, Hausen bei Brugg (Switzerland) under the names Polylite 8666 or Polylite 8667 or
Polylite 8667k were purchased mixed together: a) 802 g Polylite 8667 b) 8 g Polylite 8667k c) 690 g Polylite 8666
The standing time of this mixture in the liquid, not yet foaming state is about 60 seconds at a temperature of 200 ° C. Afterwards, the foam starts to form, which ends after a further 5 minutes and changes to a solid state. If the weight of 1500 g resin mixture alone were foamed to a final volume of 7.5 dm3 with a density of 200 g / dm3, a rigid polyurethane foam structure with a tensile strength e of = 30 kg / cm2 would result after total curing.
Now, however, according to FIG. 1, an air-containing glass fiber structure consisting of relatively long (fiber length = 5-30 cm, fiber thickness = 10, u), undirected fibers, which fits into the mold cavity, i.e. has a base area of 100 x 20 cm, is inserted into the mold cavity F1 with a total weight of 500 g, introduced immediately after pouring in the resin liquid. The glass fibers 10 are glued at their crossing points with a sizing agent 11 which is soluble in the resin liquid. A glass fiber cuboid of this type has a height ha of about 3 cm given the assumed base area.
Immediately after introducing this air-containing glass fiber structure la into the mold cavity, according to FIG. 3, by driving in the air-permeable press plunger F2 from the upper, open side of the mold, the entire content of the form lb is compressed to a height hb of about 8-10 mm, whereby a Structure according to FIG. 4 with closely compressed glass fibers 10b results. The air has already been displaced from the glass fiber structure Ib during compression by the still non-foamed resin liquid penetrating from below, and the resin liquid now fills all remaining spaces between the glass fibers evenly, so that all glass fibers are individually embedded in resin liquid. A small part of the resin mixture and the gases produced during foaming come out of the mold.
As soon as the foaming of the resin liquid then starts, the press plunger F2 is gradually moved back upwards during the foam development in the mass of the same until a final height hc = 50 mm of the mold contents 1c d according to FIG. H. the predetermined final volume of 10 dm3 has been reached. After about 6 minutes, calculated from the
When the resin components are mixed, the solidification of the mold contents 1c begins, which after a further 18 minutes has progressed so far that the glass fiber reinforced foam body can be lifted out of the mold. After curing, which should be 1 day, the end product obtained can be processed further. Its glass fibers 10 are then according to
Fig. 6 completely in a closed-cell hard urethane
Foam structure 20 embedded and glued.
Such a fiberglass-reinforced urethane rigid foam structure then has the following properties:
Glass content 26% of the total weight
Volume weight De 200 g / dm3 tensile strength r 65 kg / cm2
Modulus of elasticity E 300 kg / cm2
Water absorption 1% by weight dimensional stability up to about 1500 C.
The end product can be machined and cut like poplar or fir wood.
According to FIGS. 7, 8, 9, instead of a single-stage glass fiber structure la, a plurality of mats la 'of the same structure but the smaller the thickness (1 mm) are used, which together also result in a block of 3 cm thickness and the same glass weight of 1500 g . The amount by weight of the resin liquid and its composition may also be the same.
The compression of the mold contents according to FIG. 8 leads to the same minimum thickness hb ¯ 9 mm. On the other hand, it is planned to let the mold content rise to a final height hc 'of 10 cm during the foaming of the resin, so that instead of just 10 dm3 the end product is 20 dm3, with an average density of 100 g / dm3.
This creates a layered end product with glass fiber reinforced urethane hard foam layers 1c 'which are glued together by glass fiber-free hard urethane foam layers 2'. Such a layered glass fiber foam structure does not have a higher tensile strength than unreinforced foam when subjected to tensile stress transversely to the layer direction. In contrast, the tensile strengths of this layer material are significantly higher when subjected to tensile stresses parallel to the layer planes, e.g. B. according to the example mentioned 50 kg / cm2.
According to FIG. 10, after the predetermined amount of resin liquid has been poured in, an approximately equal weight amount of loose glass fibers la "(fiber length 3 mm, fiber thickness 10jet) is poured into the mold cavity and first pressed with the press die to the minimum height hb and to a final height ha. In this way, too, homogeneous structures according to FIG.
By choosing the weight amounts of resin and glass fibers or predetermining the final volume or the final height of the mold content, you have it in your hand, always with a selectable high fiber content of 25-50%, the density of the end product to predetermined values in the range of about 100 g / dm3 to 500 g / dm3 to be set in advance. The resin composition and the fiber material can be varied within certain limits.
PATENT CLAIM 1
Process for the production of machinable and cuttable rigid foam bodies by pouring in an amount by weight of a liquid which is prepared for later foaming and solidifying in the foamed state
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