DE2114524B2 - Verbundelement aus Deckschichten mit einem Kern aus komprimiertem Schaumstoff - Google Patents

Description

Die restigkeit von Schaumstoffen gegenüber Zug. Druck oder Biegen nimmt allgemein mit steigender Dichte zu. Bei der Verwendung von Schaumstoffen als Konstruktionswerkstoff ergibt sich die erforderliche Mindestdichte aus den auftretenden Belastungen. Mit der Dichte ist somit auch das Gesamtgewicht der Konstruktion festgelegt und der möglichen Gewichtseinsparung gegenüber der Verwendung herkömmlicher Werkstoffe eine Grenze gesetzt. Diese kann nur überschritten werden, wenn Schaumstoffe mit einem günstigeren Verhältnis zwischen den Festigkeitseigenschaften und der Dichte eingesetzt werden.

Ein Werkstoff ist nur in den seltensten Fällen in allen drei Raumnditungcn gleich hohen Belastungen ausgesetzt. Ein Schaumstoff mit anisotropen Festigkeitseigenschaften der Art, daß das Verhältnis der Festigkeitswerte zur Dichte in einer oder zwei Raumrichtungen verbessert ist, würde bereits ein geringeres Konstruktionsgewicht zulassen, als ein isotroper Schaumstoff höherer Dichte, der die gleichen Festigkeitseigenschaften in allen drei Raumrichtungen aufweist.

Es ist bereits bekannt, Schaumstoffplatten zu erhitzen und zu komprimieren, um ihnen eine erhöhte Festigkeit zu verleihen. Sie werden jedoch so angewendet, daß die Belastung in Richtung der vorangegangenen Kompression erfolgt. In dieser Richtung ist die Festigkeit jedoch höchstens geringfügig erhöht, so daß die erheblich verbesserte mechanische Festigkeit, die parallel zur Plattenrichtung liegt, nicht ausgenutzt werden kann.

Bei dem in der USA.-Patentschrift 3 041 229 beschriebenen Verfahren wird ein Schaumstoff zusammengedrückt und in einem Hohlraum durch Erhitzen auf wenigstens 85 bis 95 % seines vor der Kompression eingenommenen Volumens wieder ausgedehnt. Die eventuell verbleibende geringfügige Strukturänderung hat keinen meßbaren Einfluß auf die mechanischen Festigkeitseigenschaften. — Aus der USA.-Patentschrift 3 070 475 sind Verbundelemente mit einem Kern aus Kunststoff bekannt, bei denen man eine über die Eigenfestigkeit des Schaumstoffes hinausgehende Festigkeit des Verbundelements dadurch erreicht, daß man senkrecht zu den Deckschichten in geringen Abständen Verstärkungsstege anordnet. Eine bei der Schaumstoffhersteilung gegebenenfalls auftretende Anisotropie der Schaum struktur bleibt ohne Einfluß auf die Festigkeit, weil sie im thermoplastischen Zustand erzeugt worden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verbundelemente mit einem Kern aus Schaumstoff bereitzustellen, deren Festigkeitseigenschaften gegenüber herkömmlichen Schaumstoff-Verbundelementen gleicher Dichte aus dem gleichen Gerüstmaterial erhöht sind.
Die Erfindimg löst diese Aufgabe, indem sie ein

ίο Verbundelement aus Deckschichten und einem Kern aus komprimierten Schaumstoff bereitstellt, bei dem der Kern aus thermoelastischem Schaumstoff im thermoelastischen Zustand bleibend auf 20 bis 80% seiner ursprünglichen Dicke zusammengedrückt und zwischen zwei Deckschichten so angeordnet ist, daß die Kompressionsrichtang parallel zu den Deckschichten liegt. Der in der angegebenen Weise hergestellte Schaumstoff hat eine höhere Dichte als das AusgangsmateriaJ, jedoch liegen die Fesrigkeitseigenschäften senkrecht zur Kompressionsrichtung beträchtlich höher als die eines isotropen Schaumstoffes gleicher Dichte (s. nachfolgende Tabelle).

*⁵ Zugfestigkeit und Ε-Modul komprimierter Polymethacrylimid-Hartschaumstoffe senkrecht zur Kompressionsrichtung im Vergleich zu nicht komprimierten Schaumstoffen gleicher Dichte

30	80 kg/m	Dichte	Zugfestigkeit	E-Modul
nicht	3 komprimiert	32 kp/cm2	1600 kp/cma
140 kg/m	komprimiert	27 kp/cma	1200 kp/cm2
35 nicht	3 komprimiert	58 kp/cm2	3000 kp/cm2
200 kg/m	komprimiert	48 kp/cm2	2100 kp/cm2
nichi	3 komprimiert	92 kp/cm2	4400 kp/cma
komprimiert	73 kp/cm2	3200 kp/cm2

Schaumstoffe aus thermoelastischem Kunststoff zeichnen sich dadurch aus, daß der das Gerüst aufbauende Kunststoff beim Überschreiten der Erweichungstemperatur noch nicht plastisch fließt, sondern bei einer Verformung eine elastische Rückstellkraft aufbaut und bei Nachlassen der verformenden Kraft seine ursprüngliche Gestalt wieder annimmt. Bleibt die verformende Kraft jedoch bestehen, bis der Schaumstoff unter die Erweichungstemperatur abgekühlt ist, so behält er die verformte Gestalt auch nach dem Nachlassen der Kraft bei. Die im Ausgangsmaterial in grober Näherung kugelförmigen Einzelzellen sind im komprimierten Material linsenförniig. Ein im Sinne der Erfindung komprimierter Schaum-Stoffkörper dehnt sich daher wieder aus, wenn er unbelastet über den Erweichungspunkt erwärmt wird. Erfolgt die Verformung dagegen im thermoplastischen Bereich, so bilden sich kaum Rückstellkräfte aus und die durch Verformung entstehende Gestalt ist auch bei hoher Temperatur beständig. Zu der gewünschten linsenförmigen Ausbildung der Zellen kommt es dabei jedoch nicht.

Für die Verbundelemente gemäß der Erfindung sind daher solche Schaumstoffe in hohem Maße geeignet, die beim Erwärmen einen ausgeprägten thermoelastischen Zustand erreichen oder durchlaufen. Hierzu gehören Schaumstoffe aus Polyvinylchlorid oder Polymethylmethacrylat. Dagegen ist bei Schaum-

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Stoffen aus mehr oder weniger kristallinen Kunst- Stärkung können in die Klebschicht Gewebe oder

stoffen wie Polyolefinen, Polycarbonaten, Polymethy- Vliese aus Textil- oder Mineralfasern eingebettet

lenoxyd oder Polyamiden der thennoelastische Tem- werden.

peraturbereich sehr eng oder gar nicht vorhanden. In den Verbundelementen gemäß der Erfindung ist Die Verwendung von Schaumstoffen für die Zwecke 5 der Schaumstoffkern so angeordnet, daß er senkrecht der Erfindung setzt voraus, daß sie wenigstens in zur Ebene der Deckflächen erhöhte Festigkeit aufeinem schmalen Temperaturbereich thermoelastische weist. Da die Richtung der erhöhten Festigkeit Eigenschaften aufweisen und daß dieser Temperatur- wiederum senkrecht zur Kompressionsrichtung steht, bereich während der Verarbeitung genau eingehalten liegt die letztere parallel zu den Deckschichten. Die wird. Die Übergänge vom festen in den thermo- ίο Kernschicht der neuen Verbundelemente ist in der elastischen Bereich und von diesem in den thermo- Regel aus den oben beschriebenen Platten hergestellt, plastischen Bereich sind fließend und die Zustände die aus einem Block verklebter komprimierter Schaumselbst nicht immer deutlich ausgeprägt. Werden stofftafeln senkrecht zur Kompressionsrichtung geSchaumstoffe aus Kunststoffen der zuletzt beschrie- schnitten worden sind.

benen Art bei erhöhter Temperatur zusammen- ^ Sie werden in an sich bekannter Weise zu Verbundgedrückt, so tritt eine Verbesserung der Festigkeits- elementen verarbeitet, indem man entweder auf ihrer eigenschaften über die Festigkeit gleich dichter, nicht Oberfläche aus flüssigen Gießharzen, beispielsweise komprimierter Schaumstoffe hinaus nur in dem Maße auf Basis von ungesättigten Polyestern, Acrylkunstein, wie das Material unter den Verarbeitungsbedin- stoffen oder Epoxydharzen, gegebenenfalls unter gungen thermoelastisches Verhalten zeigt. 20 Mitverwendung von Glasfasermatten oder anderen

Schaumstoffe aus hochvernetzten Werkstoffen kön- Geweben oder Vliesstoffen, Deckschichten erzeugt

nen, da sie beim Erwärmen nicht thermoelastisch oder vorgefertigte Deckschichten, z. B. aus Kunststoff,

werden, nicht zu Verbundelementen gemäß der Er- aufklebt. Deckschichten von hoher Zugfestigkeit,

findung verarbeitet werden. Dies trifft vor allem für z. B. Metall, ergeben besonders druckfeste und biege-

Phenolharzschäume, Harnstoff-Formaldehyd- und 25 steife Verbundelemente.

Polyurethanschaumstoffe zu. Dagegen können schwach Schaumstoffkerne aus Polymethacrylimidschaum vernetzte Schaumstoffe oder solche, die sehr hoch bieten den besonderen Vorteil, daß sie nicht nur unliegende Erweichungspunkte aufweisen und nicht mehr gewöhnliche Druckfestigkeiten erreichen lassen, sonin einem thermoplastischen Zustand übergehen kön- dem auch beständig gegenüber allen flüssigen Gießnen, in den meisten Fällen bei ausreichend hoher 30 harzen und lösungsmittelhaltigen Klebstoffen sind.
Temperatur komprimiert werden. Der Festigkeits- Das Verbundelement gemäß der Erfindung ist in gewinn ist bei diesen Materialien besonders hoch. den F i g. 1 bis 4 schematisch dargestellt.
Als Beispiel für Schaumstoffe dieser Art sei Poly- F i g. 1 stellt eine Schaumstoffplatte der Breite Ll methacrylimidschaumstoff genannt. Da die Festigkeit und der Länge L 2 dar, die von der ursprünglichen dieses Schaumstoffes nach dem vollen Ausschäumen 35 Dicke H\ in Pfeilrichtung auf die TL ke Hl kompribei weiterem Erhitzen auf etwa 200° C noch deutlich miert worden ist.

zunimmt, ist es besonders vorteilhaft, den Schaum- F i g. 2 zeigt einen Schaumstoffblock. der durch

stoff unmittelbar nach dem Aufschäumen ohne Verkleben χ on mehreren komprimierten Platten Pl,

zwischenzeitliche Abkühlung zu komprimieren und Pl, P3 hergestellt worden ist und der senkrecht zu den

die endgültige Aushärtung im komprimierten Zustand 40 ursprünglichen Schichten Pl, Pl, P3 in Kernschich-

vor sich gehen zu lassen. Es ist indessen auch möglich, ten Zl, 72, Z3 für Verbundelemente zerlegt wird,

den fertig ausgehärteten Schaumstoff erneut zu er- F i g. 3 zeigt ein solches Verbundelement, das durch

hitzen und dann zu komprimieren. Aufkleben von Deckschichten Dl, Dl auf eine Kern-

Die erforderliche Kompression ist nicht auf einen schicht Z1 gemäß F i g. 2 hergestellt worden ist.

bestimmten Bereich der Anfangs- und Enddichte be- 45 F i g. 4 gibt in Vergrößerter Darstellung den in

schränkt. Die eingesetzten Schaumstoffe können bei- F i g. 3 mit K bezeichneten Ausschnitt wieder und

spielsweise Dichten von 20 bis 600 g/l und — je nach läßt die Verformung der Schaumstoffzellen sowie ihre

der gewünschten Festigkeitszunahme — auf 20 bis Anordnung in dem Verbundelement erkennen.
80"_o ihrer ursprünglichen Dicke zusammengedrückt

werden. Da sich hochdichte Schaumstoffe beim Korn- 50 B e i s ρ i e!
primieren den Dichten der entsprechenden Massivwerkstoffe nähern und eine Gewichtsersparnis gegen- Eine handelsübliche Polymethacrylimid - Hartüber diesen kaum noch gegeben ist, wird in der schaumstoffplatte mit einer Rohdichte von 50 kg/m⁸ Praxis die Verarbeitung leichter Schaumstoffe im und Abmessungen von 2000 · 1000 · 60 mm wird auf Bereich von 30 bis 200 g/l und ihre Kompression auf 55 200° C erhitzt und in einer hydraulischen Plattenpresse nicht weniger ah die Hälfte ihres ursprünglichen von 60 auf 22 mm Dicke komprimiert. Nach dem Volumens bevorzugt. Erkalten auf etwa 120° C wird die komprimierte Platte

Die als Ausgangsmaterial verwendeten Schaum- aus der Presse entnommen und von beiden Seiten die Stoffe werden im allgemeinen in Form verhältnis- schwer verklebbare, glatte Schäumhaut mit einer mäßig dünner Platten erzeugt. Eine Kompression ist 60 Zylinderschleifmaschine oder mit einer Dickenhobelpraktisch nicht senkrecht zur Plattenebene möglich. maschine entfernt. Die Rohdichte der komprimierten Die erhaltenen Platten weisen dann nur parallel zur Platte beträgt 135 kg/in³, ihre Dicke nach dem Ab-Plattenebene verbesserte Festigkeitseigenschaften auf. schälen der Schäumhaut etwa 20 mm. Die Druck-Platten mit senkrecht zur Plattenebene erhöhter festigkeit in Preßrichtung (senkrecht zur Plattenebene) Festigkeit lassen sich dadurch herstellen, daß man 65 beträgt 11 kp/cm². Dagegen wird senkrecht zur Preßmehrere vorher komprimierte Platten miteinander zu richtung (parallel zur Plattenebene) eine Druckfestigeinem Block verklebt und daraus senkrecht zu den keit von 33 kp/cm² gemessen.
KJIebeflächen Platten schneidet. Zur weiteren Ver- Die Platte wird in 5 Stücke von 2000 · 200 · 20 mm

aufgeteilt und die 5 Stücke unter Verwendung eines Epoxiharz-Klebers in einer Presse zu einer Gesamtschichtdicke von etwa 100 mm zusammengeklebt. Von diesem Block werden senkrecht zu den Klebflächen längliche Platten von 2000 · 100 · 20 mm ge

schnitten. Die Platten dienen als Kernlage für Sandwichelemente. Als Deckschichten werden 2 mm dicke Aluminiumbleche verwendet, die mit Epoxidharz-Kleber in einer Presse bei etwa 150⁰C aufgeklebt 5 werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verbundelement aus Deckschichten mit einem Kern aus komprimiertem Schaumstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus einem thermoelastischen Schaumstoff besteht, der im thermoelastischen Zustand bleibend auf 20 bis 80% seiner ursprünglichen Dicke zusammengedrückt und zwischen zwei Deckschichten so angeordnet ist, daß die Kompressionsrichtung parallel zu den Deckschichten liegt.

2. Verbundelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus einzelnen Schaumplatten zusammengefügt ist.