DE2105120A1

DE2105120A1 - Metal wire reinforced plastic tubing - with multi layer embedded sheath/braiding

Info

Publication number: DE2105120A1
Application number: DE19712105120
Authority: DE
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1971-02-04
Filing date: 1971-02-04
Publication date: 1972-08-10

Abstract

An inner tube of thermoplastic material is lapped with >=1 close wound inner layer of wires or tapes with a dia. of 50 - 500 mu m and then with >=1 outer layers of 10 - 100 times the cross sectional area wires/taper more open wound, the wires/tapes being esp. of steel, and embedded in an outer thermoplastic sheath, both inner tube and sheath being of polypropylene or a polyamide. Safe reliable, for high temp/pressure use.

Description

Metalldrahtverstärkte Kunststoffrohre Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind mit Metalldrähten verstärkte Rohre aus thermoplastischen Kunststoffen sowie Verfahren zu deren Herstellung. Metal wire reinforced plastic pipes are the subject of the present invention Invention are pipes made of thermoplastics reinforced with metal wires and processes for their manufacture.

Es ist bekannt, daß die mechanische Festigkeit thermoplastischer hochpolymerer Stoffe stark abhängig ist von der Temperatur, der diese Materialien ausgesetzt sind.It is known that the mechanical strength of thermoplastic high polymer Substances is strongly dependent on the temperature to which these materials are exposed.

Oberhalb der sogenannten Glastemperatur, welche von der chemischen Konstitution des betreffenden Stoffes bestimmt wird, zeigen Kunststoffe ein visco-elastisches Verhalten, welches dazu führt, daß auch bei kleinsten Belastungen ein temperatur- und zeitabhängiges Kriechen auftritt. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei erhöhten Temperaturen, was dazu führt, daß bei durch Innendruck belasteten Rohren aus thermoplastischen Kunststoffen Gebrauchstemperaturen oberhalb etwa 60 bis 80 OP nicht zulässig sind, damit übermäßige Deformationen und frühzeitiges Versagen vermieden werden.Above the so-called glass transition temperature, which is determined by the chemical If the constitution of the substance in question is determined, plastics are visco-elastic Behavior which leads to a temperature- and time-dependent creep occurs. This effect is particularly pronounced at elevated temperatures, which leads to that when due to internal pressure loaded pipes made of thermoplastic plastics use temperatures above around 60 to 80 OPs are not allowed, so excessive deformations and premature Failure to be avoided.

Es ist weiterhin bekannt, daß man, um zu höheren Gebrauchstemperaturen bei thermoplastischen Druckrohren zu kommen, diese äußerlich mit verstärkenden Wicklungen versieht, wodurch das Langzeitkriechen des Kernes verhindert wird.It is also known that in order to use higher temperatures to come with thermoplastic pressure pipes, these externally with reinforcing windings provides, whereby the long-term creep of the core is prevented.

Am häufigsten werden thermoplastische Rohre mit äußeren Mänteln aus glasfaserverstärktem Expoxidharz versehen. Es lassen sich hierdurch Gebrauchstemperaturen bis zu ca. 100 0C erreichen. Werden diese Temperaturen wesentlich überschritten, so fällt die Zeitstandfestigkeit der für die Verstärkung verwendeten Glasfasern rapide auf einen Bruchteil der bei Raumtemperatur vorhandenen Festigkeit ab. So geht beispielsweise die Standfestigkeit von Fasern aus E-Glas um zwei Größenordnungen zurück, wenn die Temperatur von 20 auf 150 0C erhöht wird.Most commonly, thermoplastic pipes are made with outer jackets glass fiber reinforced epoxy resin. It can thereby be used temperatures reach up to approx. 100 ° C. If these temperatures are significantly exceeded, the creep rupture strength of the glass fibers used for reinforcement falls rapidly to a fraction of the strength at room temperature. So For example, the stability of fibers made of E-glass is two orders of magnitude back when the temperature is increased from 20 to 150 0C.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile thermoplastischer Druckrohre, die höheren Temperaturen ausgesetzt werden sollen, zu beseitigen.The present invention is therefore based on the object described Disadvantages of thermoplastic pressure pipes that are exposed to higher temperatures supposed to eliminate.

Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe mit einem metalldrahtverstärkten Rohr aus thermoplastischem Kunststoff gelöst werden kann, daß dadurch gekennzeichnet ist, daß es aus einem beispielsweise hohlzylinderförmigen Kunststoffkern mit einem mehrschichtigen Mantel aus im Kunststoff eingebetteten Metalldrähten oder -bändern besteht, wobei mindestens eine innere Schicht des Mantels aus dichtgewickelten Lagen und mindestens eine äußere Schicht aus relativ weitmaschig gewickelten Verstärkungslagen aufgebaut ist.It has now been shown that this task with a metal wire reinforced Thermoplastic tube can be solved that is characterized is that it consists of, for example, a hollow cylindrical plastic core with a multilayered sheath made of metal wires or strips embedded in the plastic consists, with at least one inner layer of the jacket made of tightly wound layers and at least one outer layer of relatively wide-meshed wound reinforcement layers is constructed.

Nach einer Ausführungsart der Erfindung können die Metalldrähte oder -bänder aus herkömmlichen Stählen bestehen.According to one embodiment of the invention, the metal wires or -bands are made of conventional steels.

So weisen beispielsweise Stahldrähte bis zu Temperaturen von 200 0C eine gleichbleibende Festigkeit und eine höhere Duktilität als Glasfasern auf. Es können Drähte aus normalen Kohlenstoffstählen mit Zugfestigkeiten bis zu 100 kp/mm2 sowie Federstähle und martensitaushärtende Stähle bis zu 250 kp/mm2 verwendet werden. Andere Metalle und Legierungen, wie Messing, Aluminium, Kupfer, Wolfram usw., sind ebenfalls für den vorliegenden Zweck geeignet.For example, steel wires have temperatures of up to 200 ° C a constant strength and a higher ductility than glass fibers. It can make wires made of normal carbon steels with tensile strengths of up to 100 kp / mm2 as well as spring steels and martensite-hardening steels up to 250 kp / mm2 can be used. Other metals and alloys such as brass, aluminum, copper, tungsten, etc. are also suitable for the present purpose.

Nach einer weiteren Ausführungsart der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Metalldrähte oder -bänder der Verstärkungslagen die 10 bis lOOfache Querschnittsfläche der Metalldrähte oder -bänder der dichtgewickelten Lagen aufweisen.According to a further embodiment of the invention, it is provided that the metal wires or bands of the reinforcement layers have 10 to 100 times the cross-sectional area of the metal wires or bands of the tightly wound layers.

Die dichtgewickelten Lagen können aus Feindrähten mit einem Durchmesser von etwa 50 bis 500 /um bestehen.The tightly wound layers can consist of fine wires with a diameter consist of about 50 to 500 / µm.

Ferner kann es vorteilhaft sein, als Kunststoff für den Kern und für den Mantel Polypropylen oder ein Polyamid vorzusehen.It can also be advantageous as a plastic for the core and for to provide the sheath polypropylene or a polyamide.

Ein günstiges Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Rohres ist dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus Metalldrähten oder -bändern gewickelt wird, die mit thermoplastischem Kunststoff umhüllt sind.A favorable method for producing the pipe according to the invention is characterized in that the jacket is wound from metal wires or bands that are encased with thermoplastic material.

Schließlich ist es noch erfindungsgemäß vorgesehen, zunächst eine Vielzahl von Metalldrähten oder -bändern mit thermoplastischem Kunststoff untereinader zu Flachbändern zusammenzufügen, mit denen sodann der Mantel des Rohres gewickelt wird.Finally, it is also provided according to the invention, initially one Large number of metal wires or strips with thermoplastic material underneath one another to combine to form flat strips, with which the jacket of the pipe is then wound will.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Abbildungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung hervor.Further features, advantages and possible uses of the invention go from the following description as well as from the attached illustrations of exemplary embodiments of the invention.

Es zeigt Fig. la einen Längsschnitt durch ein Rohrstück nach der Erfindung, Fig. lb die Draufsicht des Rohrstückes nach Fig. la, jedoch ohne den Kunststoff des Mantels und Fig. 2 im Längsschnitt und in Teildarstellung eine weitere Ausführungsart des Rohres nach der Erfindung.It shows Fig. La a longitudinal section through a pipe section according to the invention, Fig. Lb the top view of the pipe section according to Fig. La, but without the plastic of the jacket and FIG. 2 in longitudinal section and in partial representation, a further embodiment of the tube according to the invention.

Nach den Fig. la und lb verfügen die erfindungsgemäßen Rohre über einen üblichen Kunststoffkern (i) aus einem Thermoplasten.According to FIGS. La and lb, the tubes according to the invention have a conventional plastic core (i) made of a thermoplastic.

Dieser Kern (1) wird von einem mehrschichtigen, hier zweischichtigen,Mantel (2) umgeben, der aus Draht lagen verschiedener Art besteht, die in einen thermoplastischen Kunststoff eingebettet sind. Im allgemeinen dürfte der Kunststoff des Kernes 1 und des Mantels 2 der gleiche sein. Die Anordnung dieser Drähte ist so getroffen, daß das erfindungsgemäße Rohr eine erhöhte Festigkeit gegenüber mechanischen Beanspruchungen besitzt, und zwar auch bei Temperaturen, bei denen der unverstärkte thermoplastische Kunststoff nur noch sehr geringe Widerstandskraft gegenüber auftretenden Belastungen aufweist.This core (1) is covered by a multi-layer, here two-layer, jacket (2), which consists of wire layers of various types, which are converted into a thermoplastic Plastic are embedded. In general, the plastic of the core 1 and of the jacket 2 be the same. The arrangement of these wires is such that the pipe according to the invention has an increased strength against mechanical stresses possesses, even at temperatures at which the unreinforced thermoplastic Plastic only has a very low resistance to stresses occurring having.

Die innere, aus relativ dünnen Drähten (3) bestehende Schicht des Mantels (2) besteht aus derart dichtgewickelten Windungen und Lagen (7), daß selbst bei erhöhter Gebrauchstemperatur des erfindungsgemäßen Rohres der thermoplastische Kunststoff des Kernes (1) nicht durch diese Lagen (7) hindurchtreten kann.The inner layer of the Sheath (2) consists of such tightly wound turns and layers (7) that even at an elevated service temperature of the pipe according to the invention, the thermoplastic one Plastic of the core (1) cannot pass through these layers (7).

Dagegen sind die Verstärkungslagen (8), die in der dargeste#lten Ausführungsart aus relativ dicken Drähten (4) bestehen, im wesentlichen nach mechanischen Gesichtspunkten in der äußeren Schicht des Mantels (2) angeordnet.In contrast, the reinforcement layers (8) are those in the embodiment shown consist of relatively thick wires (4), essentially from a mechanical point of view arranged in the outer layer of the jacket (2).

Bei der Herstellung der metalldrahtverstärkten Rohre nach der Erfindung wird eine Anzahl von Lagen aus kunststoffummantelten Drähten 3,4 bzw. 5,6 auf einen in herkömmlicher Weise extrudierten Kunststoffkern (1) aus dem betreffenden Thermoplasten gewickelt, wobei die Zahl der aufzubringenden Lagen (7 bzw. 8) der geforderten Festigkeit der fertigen Rohre bzw.In the manufacture of the metal wire reinforced pipes according to the invention a number of layers of plastic-coated wires 3.4 or 5.6 on one conventionally extruded plastic core (1) made of the thermoplastic in question wound, the number of layers to be applied (7 or 8) of the required strength of the finished pipes or

dem vorgesehenen Innendruck angepaßt wird.is adapted to the intended internal pressure.

Da Metalldrähte normalerweise eine höhere Festigkeit besitzen als thermoplastische Kunststoffe, kann die Wandstärke eines metalldrahtverstärkten Rohres verhältnismäßig dünn ausgeführt werden. Bei Stahldrähten mit 200 kp/mm2 Festigkeit und einem Kunststoff mit 6 kp/mm2 Festigkeit (bei Raumtemperatur) beträgt die Wandstärke des verstärkten Rohres nur etwa 10 bis 15 ,~ der für homogenes Material errechneten Wandstärke. Dies hat zur Folge, daß, trotz des hohen spezifischen Gewichts der Drähte, die verstärkten Rohre je Längeneinheit ein Gewicht haben, welches nur etwa 50 bis 65 % von dem der unverstärkten Rohre ausmacht.Since metal wires usually have a higher strength than thermoplastics, can be the wall thickness of a metal wire reinforced pipe are made relatively thin. For steel wires with a strength of 200 kp / mm2 and a plastic with a strength of 6 kp / mm2 (at room temperature) is the wall thickness of the reinforced pipe only about 10 to 15 ~ that calculated for homogeneous material Wall thickness. this has the consequence that, despite the high specific Weight of the wires, the reinforced tubes have a weight per unit length, which makes up only about 50 to 65% of that of the unreinforced pipes.

Zur Herstellung der Rohre ist es vorteilhaft,zunächst einige sehr dichte Lagen#(7') aus dem Metalldraht (3) auf den Kunststoffkern (1) zu wickeln, wobei die Zwischenräume zwischen den Drähten so eng wie möglich gewählt werden, um das Kriechen des Kunststoffes durch die verbleibenden Spalten zwischen den Stahldrähten (3) zu verhindern. Auf diese Lagen werden dann weitere Lagen (8) mit größerer Steigung und größeren Abständen zwischen den Einzeldrähten (4) aufgebracht. Die Steigung wird hierbei so gewählt, daß sowohl die vom hydrostatischen Innendruck hervorgerufenen Umfangsals auch die Achsialkräfte von den Drähten (4) aufgenommen werden.In order to manufacture the tubes it is advantageous to start with some very to wind tight layers # (7 ') of the metal wire (3) on the plastic core (1), whereby the spaces between the wires are chosen as narrow as possible, the creeping of the plastic through the remaining gaps between the steel wires (3) prevent. Additional layers (8) with a greater gradient are then placed on top of these layers and larger distances between the individual wires (4) applied. The slope is chosen so that both the internal hydrostatic pressure Circumferential as well as the axial forces are absorbed by the wires (4).

Es können Drähte mit kreisrundem Querschnitt, vergleiche Fig. la und lb, aber auch schmale Bänder 5,6 verwendet werden, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Mit solchen Bändern 5,6 lassen sich hohe Wickelgeschwindigkeiten erreichen.It can wires with a circular cross-section, compare Fig. La and 1b, but also narrow bands 5, 6 can be used, as shown in FIG. 2. With such tapes 5, 6 high winding speeds can be achieved.

Für Rohre und entsprechende Druckbehälter mit Durchmessern bis 500 mm hat sich die Verwendung von Stahldrähten mit einem Durchmesser zwischen 50 und 500 /um als günstig erwiesen. Für dickere Rohre sind Drähte von 0,5 bis etwa 2 mm Durchmesser geeignet.For pipes and corresponding pressure vessels with diameters up to 500 The use of steel wires with a diameter between 50 and mm has become popular 500 / µm has been found to be beneficial. For thicker pipes, wires from 0.5 to about 2 mm are required Diameter suitable.

Eine zuverlässige Einbettung des Drahtes in das Grundmaterial läßt sich erreichen, indem man die Drähte vor dem Aufwickeln auf den Kunststoffkern (1) mit dem thermoplastischen Kunststoff beschichtet. Dies kann z.B. auf Drahtummantelungsmaschinen vorgenommen werden, wie sie in der Kabelindustrie üblich sind.The wire can be reliably embedded in the base material can be achieved by placing the wires on the plastic core (1) before winding them up. coated with the thermoplastic material. This can be done e.g. on wire wrapping machines as they are common in the cable industry.

Um zu einem besonders wirtschaftlichen Herstellungsverfahren zu gelangen, wird eine Vielzahl von Drähten gleichzeitig auf den Kern bzw. auf die breitgewickelte Schicht des Mantels (2) aufgebracht. Zumeist werden diese Drähte in einer Ebene in einem vorgegebenen Abstand parallel zueinander liegen. Sie können als beschichtete Einzeldrähte oder untereinander mit thermoplastischem Kunststoff zu Flachbändern verbunden, aufgebracht werden.In order to achieve a particularly economical manufacturing process, a large number of wires are simultaneously on the core or on the broadly wound Layer of the jacket (2) applied. Mostly these wires are in one plane lie parallel to each other at a predetermined distance. They can be as coated Single wires or with one another with thermoplastic to form flat strips connected, applied.

Im allgemeinen ist es günstig, beim Wickeln die einzelnen Lagen (7 bzw. 8) unmittelbar mit der darunter liegenden Lage, Schichten bzw. Kunststoffkern zu verschweißen. Dadurch entsteht ein Verbundwerkstoff mit sehr geringer Neigung zur Delaminierung zwischen den einzelnen Lagen und Schichten. Diese Verschweißung läßt sich erreichen, indem die die Metalldrähte oder -bänder 3,4 bzw. 5,6 umgebenden Kunststoffschichten vor dem Aufwickeln geschmolzen oder die Beschichtung der Drähte bzw. -bänder unmittelbar vor dem Aufwickeln vorgenommen wird, wodurch sich das Wiederaufschmelzen erübrigt. Die Verschweißung der neuaufgebrachten Lagen mit den darunter liegenden wird wesentlich erleichtert, wenn der Bereich des Rohres, auf dem gerade gewickelt wird, zusätzlich durch äußere Wärmequellen aufgeheizt wird.In general, it is beneficial to use the individual layers (7 or 8) directly with the underlying layer, layers or plastic core to weld. This creates a composite material with very little inclination to the Delamination between the individual plies and layers. This welding leaves can be achieved by surrounding the metal wires or bands 3, 4 and 5, 6 Plastic layers melted before winding or the coating of the wires or tapes is made immediately before winding, whereby the remelting unnecessary. The welding of the newly applied layers with the underlying layers is made much easier if the area of the pipe on which is just wound is additionally heated by external heat sources.

Die im vorstehenden generell als thermoplastische Kunststoffe bezeichneten Materialien umfassen alle herkömmlichen schmelzbaren Kunststoffe, wie Polystyrol und seine Modifikationen, ABS-Terpolymerisate, Polycarbonate, Polyamide, Polyolefine, SAN-Copolymerisate usw. Darüber hinaus können aber auch Duroplaste in ihren schmelzbaren Zwischenstadien Verwendung finden, beispielsweise Novolake als schwach vernetzte, noch schmelzbare Zwischenstufe der Phenolharze.Those generally referred to above as thermoplastics Materials include all conventional fusible plastics, such as polystyrene and its modifications, ABS terpolymers, polycarbonates, polyamides, polyolefins, SAN copolymers etc. In addition, thermosets can also be melted in their meltable Find intermediate stages use, for example novolaks as weakly cross-linked, still fusible intermediate stage of phenolic resins.

Claims

PATENTANS PROCHE

Metal wire reinforced pipes made of thermoplastic plastic, thereby marked that this out. one.

for example, a hollow cylindrical plastic core (1) with a multilayered jacket (2). metal wires embedded in plastic (3,4) or strips (5,6) consist of at least one inner layer of the jacket tightly wound layers (7) and at least one outer layer made of relatively wide-meshed wound reinforcement layers (8) is constructed.

2. Pipes according to claim 1, characterized in that the metal wires (3, 4) or bands (5, 6) are made of steel.

3. Pipes according to claim 1 or 2, characterized in that the Metal wires (3, 4) or strips (5, 6) of the reinforcement layers (8) 10 to 100 times as much Have cross-sectional area of the steel wires or strips of the tightly wound layers (7).

4. Pipes according to claim 1 to 3, characterized in that the tightly wound layers (7) of fine wires with a diameter of about 50 to 500 / um exist.

5. Pipes according to claim 1 to 4, characterized in that the Plastic core (1) and the plastic of the jacket (2) made of or made of polypropylene a polyamide.

6. A method for producing the tube according to one or more of the Claims 1 to 5, characterized in that that the coat (2) made of metal wires (3, 4) or strips covered with thermoplastic material (5,6) is wound.

7 The method according to claim 6, characterized in that initially a multiplicity of metal wires (3,4) or bands (5,6) with one another with thermoplastic Plastic joined together to form flat strips and then with these flat strips the Sheath (2) of the pipe is wrapped.