DE202018104840U1

DE202018104840U1 - Hybrider Verbundwerkstoff

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Publication number: DE202018104840U1
Application number: DE202018104840.6U
Authority: DE
Original assignee: FIBER TECH PRODUCTS GmbH; FIBER-TECH PRODUCTS GmbH
Current assignee: FIBER TECH PRODUCTS GmbH; FIBER-TECH PRODUCTS GmbH
Priority date: 2018-08-22
Filing date: 2018-08-22
Publication date: 2018-11-09
Anticipated expiration: 2028-08-23

Abstract

Hybrider Verbundwerkstoff, insbesondere für Bauzwecke zur Ausführung von Gebäudehüllen und Gebäudeverkleidungen, einschließlich Vorhangfassaden, bestehend aus flächigem Glasmaterial mit einer Verstärkungsschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht als duktiler Faserkunststoffverbund ausgebildet ist, welcher eine hochmolekulare Kunststoffmatrix mit eingebetteten, lastabtragenden Fasern aufweist, wobei der Faserkunststoffverbund klebstofffrei mit der Oberfläche des Glasmaterials unter Stoffschluss steht, derart, dass ein lastabtragendes Konstruktionselement vorliegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen hybriden Verbundwerkstoff, insbesondere für Bauzwecke zur Ausführung von Gebäudehüllen und Gebäudeverkleidungen, einschließlich Vorhangfassaden, bestehend aus flächigem Glasmaterial mit einer Verstärkungsschicht gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der DE 29 27 113 A1 ist ein Flachglasmaterial bekannt, welches mit einem dünnen textilen Flächengebilde aus Glasseide oder aus Glasstapelfaser verschmolzen wird. Bei einer Ausbildung dieser Lehre ist das textile Flächengebilde gänzlich in das Glasmaterial eingebettet.
Hierdurch wird ein musterartig ausgestaltetes dekoratives Flachglasgebilde geschaffen, ohne dass Veränderungen der Stabilität in Richtung Druck- und Zugbelastbarkeit auftreten.
Die DE 100 51 028 C2 offenbart die Verwendung eines faserverstärkten Glases oder einer faserverstärkten Glaskeramik für sicherheitstechnische Einrichtungen.
Diesbezüglich kommt faserverstärktes Glas in Form von Platten, die im Beton eingegossen werden, zum Einsatz. Bei einer weiteren Ausführungsform erfolgt eine Verwendung von faserverstärktem Glas als Werkstoff in Form von Granulat, das in einer Menge von 10 bis 50 Gew.-% Beton beigemischt wird. Das Matrixmaterial des dortigen Werkstoffes besteht aus Borosilikatglas, Aluminosilikatglas, Natron-Kalk-Glas oder hoch SiO₂-haltigem Glas.
Bei dem Carbonglas mit in einer Glasmatrix eingebetteten Carbonfasern nach DE 20 2014 103 172 U1 soll die Zugfestigkeit und Beständigkeit erhöht werden. Durch das Einbetten von Carbonfasern in eine zugehörige Glasmatrix sollen Eigenschaften des Glases bzw. der Carbonfasern eins zu eins auf das Carbonglas übertragen werden. Bei einer Weiterbildung des Carbonglases nach DE 20 2014 103 172 U1 weisen die Carbonfasern eine den Schmelzpunkt der Glasmatrix reduzierende Beschichtung auf. Eine derartige schmelzpunktreduzierende Beschichtung ermöglicht ein besonders gutes Umschließen und Einbetten der Carbonfasern durch die Glasmatrix und somit einen optimalen Verbund. Herstellungsseitig wird bevorzugt auf einen Floatprozess zurückgegriffen. Im Floatprozess werden zunächst die Carbonfasern nach dem Austreten der Glasschmelze in den Floatprozess eingebracht, so dass die noch flüssige Glasschmelze in das Gewebe eindringen bzw. die Carbonfasern umschließen kann. Alternativ kann auch ein Aufspalten der Glasschmelze bzw. der Glasmatrix sowie ein Einbringen der Carbonfasern zwischen die beiden entstehenden Glasmatrixhälften erfolgen. Beim sogenannten Overflow-Process kann das Einbringen der Carbonfasern einseitig oder aber auch in zwei Overflow-Prozessen erfolgen, wobei dann die Carbonfasern zwischen den beiden entstehenden Glasmatrixhälften eingebettet werden.
Im Pressverfahren werden die Glasfasern zwischen zwei Glasflächen eingebracht und anschließend diese beiden Glasflächen bzw. die Glasmatrix aufgeschmolzen und zusammengepresst.
Dem vorstehend genannten Verfahren ist eine aufwändige thermische Behandlung gemeinsam, so dass erhöhte Kosten die Folge sind.
Bekannt sind weiterhin durchsichtige Dachkonstruktionen für Fahrzeuge. Hier sei beispielsweise auf die DE 602 08 002 T2 verwiesen. Dort geht es um eine transparente Dachstruktur für ein Fahrzeug. Die Dachstruktur umfasst ein Glasdach mit einer verstärkten Netz-Lage und einer Netz-Glaslage, die durch eine erste Glaslage oberhalb und eine zweite Glaslage unterhalb der verstärkten Netz-Lage gebildet ist.
Bei dem hybriden Bauteil nach DE 10 2007 023 836 A1 wird aus einem ersten und einem zweiten Material und einer Faserlage eine Bauteilherstellung vorgenommen, bei der durch Einbettung sowohl ein Verbund eines ersten Abschnittes der Faserlage mit der Matrix des ersten Materials als auch ein Verbund eines zweiten Abschnittes der Faserlage mit der Matrix des zweiten Materials hergestellt ist. Unter Einbettung wird ein Ein- bzw. Umschließen der Fasern durch die sie umgebende Matrix verstanden, so dass ein adhäsiver und/oder kohäsiver Verbund zwischen Fasern und Matrix entsteht. Die Faserlage erstreckt sich somit kontinuierlich und ohne Unterbrechung auf beide Materialien und ermöglicht eine durchgehende Kraftübertragung unverändert durch die Fasern und durch Adhäsion und/oder Kohäsion zwischen den Fasern und Matrix über den Verbindungsbereich des hybriden Bauteiles hinweg. Bei einer Weiterbildung der dortigen Lehre umfasst das hybride Bauteil ein Faserkunststoffverbundbauteil und ein Metallbauteil. Dabei wird mindestens eine obere und eine untere Lage von Metallhalbzeugen sowie mindestens eine mittlere Faserlage bereitgestellt und der adhäsive und/oder kohäsive Verbund zwischen den Metallhalbzeugen und den Fasern vorzugsweise durch Einpressen durch einen Pressstempel oder durch Einwalzen realisiert.
Im Bereich des Bauwesens sind vorgehängte, hinterlüftete Fassaden bekannt, die durch ihre konstruktive Trennung der Funktionen Wärmeschutz und Witterungsschutz ein hochwirksames System bilden. Gemäß dem diesbezüglichen Stand der Technik kommen bei solchen Vorhangfassaden Glasscheiben zum Einsatz, die in separaten Rahmensystemen gehalten sind. Die Verbindung von Rahmen und Trägerplattensystem übernimmt die notwendige Kraft- bzw. Lastabtragung. Die Glasscheiben werden unter Anwendung kostenintensiver Dickschichtkleber untereinander oder aber auch mit anderen Materialien verbunden. Der Kleber gleicht dabei ausdehnungsbedingt entstehende Spannungen mechanischer Art aus.
Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten hybriden Verbundwerkstoff, insbesondere für Bauzwecke zur Ausführung von Gebäudehüllen und Gebäudeverkleidungen, einschließlich Vorhangfassaden anzugeben, welcher zum einen aus einem flächigen, beliebig formbaren Glasmaterial und zum anderen einer Verstärkungsschicht besteht. Der neuartige Verbundwerkstoff soll selbst ein lastabtragendes und lastaufnehmendes Verhalten zeigen und damit einen eigenständigen Konstruktionswerkstoff ergeben.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Es wird demnach von einem hybriden Verbundwerkstoff ausgegangen, der insbesondere im Bereich des Bauwesens für Bauzwecke zur Ausführung von Gebäudehüllen und Gebäudeverkleidungen Anwendung findet. Unter Gebäudehüllen oder Gebäudeverkleidungen werden hier auch an sich bekannte Vorhangfassaden verstanden.
Der Verbundwerkstoff besteht zunächst aus einem flächigen Glasmaterial an sich bekannter Art und einer Verstärkungsschicht.
Erfindungsgemäß ist die Verstärkungsschicht als duktiler Faserkunststoffverbund ausgebildet. Der Faserkunststoffverbund enthält eine hochmolekulare Kunststoffmatrix mit eingebetteten, lastabtragenden Fasern.
Die Fasern können hier als Wirrfasergebilde aber auch als Gewebe, Gewirk, Gestrick oder dergleichen realisiert werden.
Der Faserkunststoffverbund ist klebstofffrei mit der Oberfläche des Glasmaterials unter Stoffschluss stehend verbunden, so dass das gewünschte lastabtragende Konstruktionselement entsteht, das darüber hinaus durch seine Freiformmöglichkeit allen ästhetischen und architektonischen Ansprüchen genügt.
Die Kunststoffmatrix ist bevorzugt als Epoxymatrix ausgebildet.
Die Fasern selbst können als Glasfasern, Basaltfasern, Aramidfasern, Carbon- oder Kohlefasern oder dergleichen ausgeführt werden.
Als Glasmaterial kommt bevorzugt ein Kalk-Natronsilikatglas zum Einsatz. Selbstverständlich sind hier auch andere Glasmaterialien, beispielsweise klassisches Einscheiben-Sicherheitsglas zur entsprechenden Anwendung geeignet.
Die Auswahl des Glasmaterials und der Kunststoffmatrix erfolgt unter dem Aspekt einer möglichst gleichen oder sich kompensierenden Wertigkeit thermischer Ausdehnungskoeffizienten.
Herstellungsseitig kann das Glasmaterial als Teil der Schalung für den aufzubringenden Faserkunststoffverbund eingesetzt werden.
Der hybride Verbundwerkstoff kann bei einer bevorzugten Ausbildung eine ein- oder mehrachsig gebogene oder gekrümmte Flächenform aufweisen.
Zur Befestigung des flächigen hybriden Verbundwerkstoffes sind im Faserkunststoffverbund Befestigungsmittel bekannter Art eingebettet.
Der Faserverbundwerkstoff kann durch Einfärbung an den gewünschten Einsatzzweck und das zu erzielende Gesamt-Erscheinungsbild angepasst werden.
Bei einer beispielhaften Realisierung der Erfindungslehre wurde ein Verkleidungselement als hybrides Bauteil geschaffen, das aus Faserkunststoffverbund und Kalk-Natronsilikatglas besteht. Die genannten Werkstoffe sind unter Verzicht auf einen Klebstoff dauerhaft stoffschlüssig verbunden, wobei das Matrixmaterial des Faserkunststoffverbundes sowohl als Harz im Kunststoffverbund als auch Haftmittel zum Glas wirkt. Durch die Kombination der genannten Werkstoffe erhöhen sich die Gebrauchseigenschaften eines entsprechend realisierten Produktes. Es weitet quasi der duktile Faserkunststoffverbund das Anwendungsspektrum eines an sich spröden Glases über dessen Werkstoffgrenzen hinaus aus. Andererseits wirkt das Glas mit seiner Witterungsbeständigkeit erhöhend auf die Dauerhaftigkeit des Faserkunststoffverbundes ein.
Der Faserkunststoffverbund stellt eine Kombination aus hochmolekularer Kunststoffmatrix und lastabtragenden Fasern dar. Die Materialeigenschaften lassen sich in weiten Grenzen über die Wahl der Kunststoffmatrix als auch über die Art, Menge und Orientierung der Faserstoffe einstellen. Die Kunststoffmatrix wird bevorzugt durch Duroplaste wie Epoxidharze, ungesättigte Polyester oder Vinylester realisiert.
Die Zugabe von Verstärkungsfasern verbessert das Verformungsverhalten und die am Ende erreichbare Festigkeit. Aus verschiedenen Versuchen hat es sich gezeigt, dass im Gegensatz zu ungesättigten Polyestern und Vinylestern sich Epoxidharze durch ein sehr gutes Haftverhalten und Wärmeformbeständigkeit auszeichnen und hervorragend für den zu realisierenden hybriden Verbundwerkstoff geeignet sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel besteht das Glasmaterial aus Kalk-Natronsilikatglas. Dieses wird üblicherweise im Floatverfahren hergestellt. Eine der Seiten der Glasschmelze kommt mit der vorherrschenden Atmosphäre in Kontakt. Der Faserkunststoffverbund wird bevorzugt auf diese Atmosphärenseite aufgebracht. Floatgas bietet die vorteilhafte Möglichkeit einer abschließenden mechanischen Kantennachbearbeitung, was in Anbetracht der optischen Ansprüche an eine Fassadenelementgestaltung einen wesentlichen Vorteil darstellt.
Die überraschende hohe Haftfestigkeit zwischen Matrixmaterial und Glas führt zu echten neuen Verbundstoffeigenschaften hoher mechanischer Belastbarkeit. Entsprechend der optimierten Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Faserkunststoffverbundes an das Glas werden temperaturinduzierte Zwangsbeanspruchungen innerhalb des entsprechenden Fassadenelementes geringgehalten.
Experimentelle und rechnerische Ergebnisse haben gezeigt, dass sich ein voller Verbund zwischen dem faserverstärkten Kunststoff und dem Glasmaterial einstellt. Aufgebrachte Lasten werden sowohl vom Faserkunststoffverbund als auch vom Glas abgetragen, wobei die Biegetragfähigkeit beider Werkstoffe einerseits als auch deren Schubverbund andererseits zum Lastabtrag beiträgt.
Bei dem entsprechend ausgestalteten Fassadenelement ist also das Glas neben dem Witterungsschutz auch am Lastabtrag beteiligt. Durch diese mittragende Wirkung kann der Materialeinsatz optimiert und die Glasmenge verringert werden. Der jetzt geschaffene Verbundwerkstoff ist aufgrund seiner Materialkomponenten geometrisch keinen Restriktionen unterworfen.
Durch die Nutzung der Kunststoffmatrix kann ein Verbund ohne ansonsten notwendiges Klebstoffmaterial realisiert werden. Der entfallene Verklebeprozess führt zu einer erheblichen Zeiteinsparung aber auch zu einer Masse- und Gewichtsreduzierung im Sinne eines gewünschten Leichtbaus.
Der Hybridwerkstoff ist in statischen Berechnungen als Verbund ansetzbar. Ebenso kann der neuartige Werkstoff freigeformt werden, so dass sich hier neue Anwendungsgebiete, insbesondere in architektonischer Hinsicht ergeben.
Die Lastabtragung durch den Verbundwerkstoff ermöglicht eine größere Auslastung der Glasflächen infolge rahmenloser Hybridstrukturen sowie eine individuelle interne Farbgebung im Laminat. Eine ansonsten übliche Beschichtung kann entfallen. Dadurch, dass keine Rahmenelemente vorliegen, ist die Verschmutzungsgefahr gering. Insgesamt genügt der geschaffene Werkstoff den gestiegenen Ansprüchen an ein hochwertiges, architektonisches Bauen.
Die erfindungsgemäße Lehre wird bevorzugt bei Bauteilen im Bauwesen eingesetzt, die als Vorhangfassaden in der modernen Gebäudearchitektur zum Einsatz kommen. Durch die an sich bekannten Möglichkeiten der Ausgestaltungen von Faserverbundkunststoffen kann eine bauphysikalische und Werkstoffeigenschaften-optimierte Anpassung erfolgen. Beispielhaft kann die räumliche Anordnung der eingesetzten Fasern im Raum, die Kompaktheit der textilen Flächen, die Auswahl der Fasern und dergleichen genutzt werden.
Die eingesetzte hochmolekulare Epoxymatrix besitzt eine hohe Haftkraft auf dem Glassubstrat, ist temperatur- und witterungsstabil und gegen UV-Strahlung beständig.
Der Faserverbundwerkstoff kann sowohl transluzent als auch opak durch Zugabe von Farbstoffen in die Matrix ausgeführt werden.
Aufgrund des direkten Verbundes von Glas mit dem Faserverbundträgermaterial wird Letzteres vom Glas gegen negative Witterungseinflüsse dauerhaft geschützt.
Auf der glasabgewandten Seite sind im Kunststoffverbund Befestigungsmittel integrierbar, die Lasten in ein rückwärtiges Haltesystem bei einer Vorhangfassade ableiten und andererseits so angeordnet werden können, dass die eigentliche Befestigung nicht sichtbar bleibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2927113 A1 [0002]
DE 10051028 C2 [0004]
DE 202014103172 U1 [0006]
DE 60208002 T2 [0009]
DE 102007023836 A1 [0010]

Claims

Hybrider Verbundwerkstoff, insbesondere für Bauzwecke zur Ausführung von Gebäudehüllen und Gebäudeverkleidungen, einschließlich Vorhangfassaden, bestehend aus flächigem Glasmaterial mit einer Verstärkungsschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht als duktiler Faserkunststoffverbund ausgebildet ist, welcher eine hochmolekulare Kunststoffmatrix mit eingebetteten, lastabtragenden Fasern aufweist, wobei der Faserkunststoffverbund klebstofffrei mit der Oberfläche des Glasmaterials unter Stoffschluss steht, derart, dass ein lastabtragendes Konstruktionselement vorliegt.
Hybrider Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser frei formbar ausgeführt ist.
Hybrider Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix als Epoxymatrix ausgebildet ist.
Hybrider Verbundwerkstoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebetteten Fasern als textiles Flächengebilde ausgeführt sind.
Hybrider Verbundwerkstoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebetteten Fasern als Glasfasern, Basaltfasern, Aramidfasern, Carbonfasern oder dergleichen ausgeführt sind.
Hybrider Verbundwerkstoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasmaterial aus Kalk-Natronsilikatglas besteht.
Hybrider Verbundwerkstoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl des Glasmaterials und der Kunststoffmatrix unter dem Aspekt eines möglichst gleichen oder sich kompensierenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten erfolgt.
Hybrider Verbundwerkstoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass herstellungsseitig das Glasmaterial als Teil der Schalung für den aufzubringenden Faserkunststoffverbund eingesetzt ist.
Hybrider Verbundwerkstoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine ein- oder mehrachsig gebogene oder gekrümmte Flächenform aufweist.
Hybrider Verbundwerkstoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Faserverbundwerkstoff Befestigungsmittel eingebettet sind.
Hybrider Verbundwerkstoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff eingefärbt ist.