DE60106283T2

DE60106283T2 - Formverfahren

Info

Publication number: DE60106283T2
Application number: DE60106283T
Authority: DE
Inventors: Lee Martin Romford Skinner; Graham Frank Kettering Towers; Ajay Talwar
Original assignee: Individual
Current assignee: Sabas Ltd London Gb
Priority date: 2000-08-18
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2021-08-21
Also published as: KR100916020B1; JP2004506549A; ATE278536T1; DE60106283D1; EP1322459B1; EP1322459A1; AU2001282286A1; KR20030042452A; CA2419378A1; CA2419378C; US7105120B2; GB0020355D0; WO2002016115A1; ES2230352T3; US20040130067A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen eines Verbundwerkstoffartikels, der beabstandete faserverstärkte Kunststoffschalen hat. Ein solches Verfahren ist z. B. aus der US-A-5759658 bekannt.
Es gibt viele verschiedene Arbeitsverfahren für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-(FRP)-Artikeln, und diese führen zu unterschiedlichen mechanischen und physikalischen Eigenschaften. Der herkömmliche Ansatz, um FRP-Artikel herzustellen, besteht in einem Schicht-Verfahren von Hand, wobei Lagen einer Faserverstärkung innerhalb und um eine Form aufgebaut werden, wobei jede Lage mit Kunststoffharz imprägniert wird, während das Verfahren fortschreitet, bis die erforderliche Dicke erreicht ist. Sehr oft wird als ein erster Schritt eine Gelbeschichtungslage eines geeigneten Kunststoffmaterials auf die Form aufgebracht, wonach die Lagen der Faserverstärkung, gewöhnlich in der Form einer Matte, auf die Gelbeschichtung aufgebaut werden. Dieses Verfahren hat viele Vorteile, wie geringe Werkzeugkosten, und ist daher für die Herstellung von einzelnen Artikeln oder Herstellungschargen mit geringer Zahl geeignet.
Wenn ein FRP-Artikel hergestellt wird, ist es möglich, die Verstärkungsfasern auszurichten, um entweder uni-direktionale oder bevorzugt in eine einzelne Richtung weisende Verstärkungsebenen bereitzustellen. Dies macht das Verfahren insbesondere geeignet für die Herstellung von verschiedenen Artikeln, die während der Verwendung in einer Richtung stärker beansprucht werden als in einer anderen Richtung. Zum Beispiel kann das Verfahren für die Herstellung von Rohren, Segmenten von Rohren oder überspannenden Bauelementen verwendet werden.
Ein Nachteil des Schicht-Verfahrens von Hand ist es, dass die Qualität des Endproduktes stark von den Fähigkeiten des ausführenden Arbeiters abhängt. Es ist als solches schwierig, ei ne Qualitätskontrolle zu sichern und in der Folge können die mechanischen Eigenschaften innerhalb einer Herstellungscharge stark variieren. Obwohl es das Ziel ist, dass jede Lage der Verstärkung vollständig mit dem Harz benetzt ist, ist es weiterhin sehr schwierig, dies von Hand zu erreichen, und folglich kann nur ein vergleichsweise geringes Faser/Harz-Verhältnis erreicht werden. Ein weiteres Problem mit dem Schicht-Verfahren von Hand ist der niedrige Faser/Harz-Einschluss in Lufttaschen in den Lagen, die dazu führen, die Festigkeit des Endproduktes zu reduzieren.
Verbundwerkstoffartikel, die hergestellt werden, um zwei beabstandete Schalen aus FRP mit einem Kern dazwischen zu haben, werden in verschiedenen Industriezweigen verwendet. Zum Beispiel ist es bekannt, Bauteile, Rohre und Rohrsegmente auf diese Weise herzustellen, wobei ein Reaktionsharzmörtel-Matrixkern verwendet wird. Der Reaktionsharzmörtel-Matrixkern weist ein Harzmaterial auf, das mit einem Füllstoff, der als Harz-Streckmittel dient, oder mit einem Zuschlagsstoff beladen ist, der dazu dient, sowohl das Harz aufgehen zu lassen als auch die mechanischen Eigenschaften des ausgehärteten Harzsystems zu verändern. Sowohl Füllstoffe als auch Zuschlagsstoffe können in der Matrix verwendet werden und haben Dichten, die größer als die des Harzmaterials sind, das in der Reaktionsharzmörtel-Matrix enthalten ist. Die Verwendung eines Füllstoffes, eines Zuschlagsstoffes oder sowohl eines Füllstoffes als auch eines Zuschlagsstoffes kann die Kosten des Verbundwerkstoff-FRP-Produktes wesentlich reduzieren, während es erlaubt, gute mechanische Eigenschaften zu erreichen. Die äußeren Schalen können gestaltet werden, um die Festigkeit eines Verbundwerkstoffproduktes zu vergrößern, weil diese Schalen den größten Beanspruchungen unter Belastungsbedingungen ausgesetzt sind.
Wenn solche Verbundwerkstoffartikel durch ein Verfahren von Hand hergestellt werden, ist die Kontrolle der Abmessungen sehr schwierig, und dem Kern muss ermöglicht werden, ausreichend auszuhärten, bevor die zweite Schale aus FRP-Lagen aufgebracht werden kann. Dies zieht das Herstellungsverfahren in die Länge und kann die Homogenität des entgültigen Produkts verringern. Im Fall der Verwendung eines Zuschlagsstoffes gibt es auch in Anbetracht der Ungleichheit zwischen der Dichte des Harzes und der des Zuschlagsstoffes eine Tendenz für den Zuschlagsstoff, unter der Schwerkraft durch das Harz zu driften, bevor das Harz hinreichend ausgehärtet ist, was zu Abweichungen in den Kerneigenschaften innerhalb eines Artikels führt.
Andere bekannte Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoff-FRP-Artikeln umfassen Harz-Pressspritzen und Formpressen. Extrem gute mechanische Eigenschaften können durch das letztere Verfahren erhalten werden, aber es ist sehr teuer, es zu betreiben in Anbetracht der hohen Werkzeugkosten, und nur für lange Herstellungszyklen geeignet. Harz-Pressspritzen kann bei vergleichsweise niedrigen Stückzahlen angewandt werden und erzeugt bessere Produkte als Schicht-Verfahren von Hand, es ist aber schwierig, große oder dicke Laminate durch dies Verfahren herzustellen. Es ist ebenfalls schwierig, hohe Faser/Harz-Verhältnisse zu erreichen und ohne die Möglichkeit, hohe Niveaus eines Füllstoffs zu erreichen, kann nur eine vergleichsweise geringe Steifigkeit erhalten werden.
Herstellungsverfahren für Verbundwerkstoffe vom Sandwich-Typ mit geringem Gewicht sind ebenfalls gut bekannt. Diese Verfahren verwenden einen syntaktischen Schaumstoff- oder herkömmlichen Schaumkunststoff-Kern, der entweder eingespritzt oder vorgeformt ist und der mit äußeren faserverstärkten Lagen oder formvorgeformten Schalen kombiniert wird, um Verbundwerkstoffe mit geringem Gewicht herzustellen. Diese bekannten Verfahren, die z. B. in der US 4025686-A beschrieben sind, sind nur für die Verwendung mit Füllstoffen mit geringer Dichte geeignet, wie hohlen Mikrokugeln aus Glas, Epoxid- oder Phenolmaterialien in den flüssigen Harzen (mit Additiven und Härtemitteln, um einen formbaren, aushärtbaren syntaktischen Schaumstoffkern von geringem Gewicht zwischen den verstärkten Schalen zu bilden. Für viele Verbundwerkstoffe mit geringem Gewicht sind Lufteinschlüsse innerhalb des Aufbaus akzeptabel oder sogar gewünscht (im Fall von einfachen Schaumkernen), um so das Gesamtgewicht des geformten Artikels weiter zu verringern, aber dies ist nicht der Fall für dichte, hoch-feste Verbundwerkstoffe, die dazu vorgesehen sind, um bei Gebäuden oder bei anderen entscheidenden Bauanwendungen verwendet zu werden, wo maximale Festigkeit und Steifigkeit gefragt ist. Vielmehr müssen Lufteinschlüsse vermieden werden, um die höchstmögliche Benetzung der äußeren Lagen mit Harz und die dichtest mögliche Kernstruktur sicherzustellen.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, sich den Nachteilen, die mit den oben erläuterten bekannten Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffartikeln verbunden sind, zuzuwenden und dabei die Herstellung von vergleichsweise festen und dichten Verbundwerkstoffartikeln in einer einfachen, vergleichsweise billigen und wirkungsvollen Weise zu erlauben, die nichtsdestotrotz Produkte mit hoher Qualität ergibt, die gute Abmessungstoleranzen, Homogenität und hohe Festigkeit haben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Formen eines Verbundwerkstoffartikels bereitgestellt, um gegenüberliegende äußere Schalen aus faserverstärktem Kunststoffmaterial und dazwischen einen Kern aus Reaktionsharzmörtel zu haben, mit den Schritten:

– Bereitstellen einer Form, die geöffnet werden kann und einen Formhohlraum und eine Einspritzöffnung definiert, durch die eine Reaktionsharzmörtel-Matrix in den Hohlraum eingeführt werden kann,
– Öffnen der Form und Platzieren der jeweiligen Lagen der Faserverstärkung in dem Hohlraum, um die gegenüberliegenden äußeren Schalen zu bilden,
– Schließen der Form und Einspritzen der Reaktionsharzmörte-Matrix durch die Einspritzöffnung zwischen die Lagen der Faserverstärkung in den Hohlraum, die darin platziert sind, und
– Anwenden von ausreichendem Druck auf die eingespritzte Reaktionsharzmörtel-Matrix, um sicherzustellen, dass das Harz die Schichten durchdringt,

Es ist klar, dass das Formverfahren die Herstellung von Verbundwerkstoffartikeln erlaubt, die einen Reaktionsharzmörtel-Kern haben, der mit einem Zuschlagsstoff beladen ist, ohne die Notwendigkeit, ein herkömmliches Verlegen der Lagen von Hand durchzuführen, die die zwei äußeren Schalen bilden. Durch das Verfahren gemäß dieser Erfindung wird die Faserverstärkung in der Form von Hand platziert, es wird aber keine Harzimprägnierung zu diesem Zeitpunkt durchgeführt. Statt dessen erfolgt die Harzimprägnierung zur selben Zeit, wenn der Kern erstellt wird, wobei dasselbe Harz verwendet wird, so dass eine Homogenität des endgültigen Produkts sichergestellt wird.
Der Zuschlagsstoff wird normalerweise eine Teilchengröße im Bereich von 0,05 mm bis 5 mm haben und im Vergleich zu dem Harzmaterial der Reaktionsharzmörtel-Matrix aus hoch-dichtem Partikel-Material sein. Somit kann der Zuschlagsstoff typischerweise ein Mineral-Zuschlagsstoff oder ein anderes relativ hoch-dichtes Partikel-Material umfassen mit Teilchendichten größer als die des Harzmaterials, das in der Reaktionsharzmörtel-Matrix enthalten ist. Zum Beispiel haben typische Polyesterharze eine relative Dichte (R. D.) von ungefähr 1,1. Mineral-Zuschlagsstoffe haben typischerweise eine trockene Volumen-R. D. zwischen 1,5 und 1,75 und eine Teilchen-R. D. zwischen 2,7 und 3,4. Kohleverbrennungsnebenprodukt-Zuschlagsstoffe, wobei Cenosphären und andere behandelte abgeleitete Materialien mit geringem Gewicht ausgeschlossen sind, haben typischerweise eine trockene Volumen-R. D. zwischen 0,6 und 1,1 und haben eine Teilchen-R. D. zwischen 1,6 und 2,1. Zuschlagsstoffe aus wiederverwertetem zerkleinerten Glas haben typischerweise eine trockene Volumen-R. D. zwischen 1,2 und 1,6 und eine Teilchen-R. D. zwischen 2,2 und 2,9.
Für bestimmte Anwendungen kann es vorteilhaft sein, ein Zuschlagsstoff zu verwenden, der eine Teilchengröße außerhalb der obigen Bereiche hat, um der Reaktionsharzmörtel-Matrix z. B. besondere mechanische Eigenschaften zu geben. In diesem Fall kann es notwendig sein, Faserverstärkungen zu verwenden, die Fasern mit speziellen Größen haben oder die eine veränderte Struktur haben, speziell, wenn Zuschlagsstoffe mit kleinen Teilchen verwendet werden.
Wenn ein Zuschlagsstoff innerhalb (oder oberhalb) des Teilchengrößenbereichs, der oben erwähnt ist, verwendet wird, kann die Reaktionsharzmörtel-Matrix zusätzlich einen Füllstoff enthalten. In diesem Fall ist es für die mittlere Teilchengröße der Füllstoffe bevorzugt, hinreichend klein zu sein, wobei nur das Harzmaterial und die Füllstoffe aus kleinen Teilchen die Verstärkungsmaterial-Lagen durchdringen. Zum Beispiel können keramische Füllstoffe verwendet werden. Statt oder zusätzlich zu Füllstoffen aus kleinen Teilchen können geschnittene Fäden oder andere faserförmige Füllstoffe wie Mikrofasern zu dem Reaktionsharzmörtel hinzugefügt werden.
Vorzugsweise wird das Verfahren mit einem Abziehen von Luft aus dem Formhohlraum zu dem Zeitpunkt, wenn die Reaktionsharzmörtelmatrix durch die Einspritzöffnung in den Hohlraum zwischen die Lagen aus Verstärkungen eingespritzt wird, durchgeführt. Ein Abziehen von Luft kann vor dem Einspritzen des Reaktionsharzmörtels stattfinden, wobei ein geringerer Einspritzdruck verwendet werden kann. Zum Beispiel kann die Einspritzöffnung in der Mitte zwischen den Enden des Formhohlraums angeordnet sein und Luft kann von den Enden des Formhohlraums abgezogen werden. Durch Reduzierung des Drucks in dem Hohlraum und gleichzeitiges Einspritzen des Harzes unter Druck kann ein hervorragendes Durchdringen der Verstärkung über deren gesamte Fläche erreicht werden. Die Verwendung eines Unterdrucks reduziert ebenfalls den inneren Druck, der in dem Formhohlraum benötigt wird, um sicherzustellen, dass das Harzmaterial von dem Reaktionsharzmörtel-Kern getrennt wird und schnell die Verstärkungsschichten durchdringt. Dies erlaubt wiederum die Verwendung eines schneller härtenden Harzes, so dass die Zeit, während der ein Zuschlagsstoff-Drift auftreten kann, reduziert wird, was zu einer homogeneren Kernmatrix führt. Es ergibt sich ebenfalls eine reduzierte Taktzeit für einen Herstellungsprozess, was zu geringeren Kosten führt.
Vorteilhafterweise wird das Verfahren mit einem Einspritzdruck von weniger als drei Bar durchgeführt, was mit der Reduzierung des Drucks in dem Formhohlraum verbunden ist. Dies führt zu Kosteneinsparungen bei der Werkzeugausstattung für das Verfahren, weil Formen gestaltet und hergestellt werden können, um geringeren inneren Drücken standzuhalten, als es sonst ohne die Verwendung von Unterdruck notwendig wäre. Zum Beispiel können die Formen aus FRP hergestellt werden und haben trotzdem eine ausreichende Festigkeit für die Durchführung des Verfahrens. Kosteneinsparungen werden auch aus der Reduzierung des Einspritzdrucks herbeigeführt, weil Systeme für geringeren Druck weniger teuer als solche sind, die gestaltet sind, um Materialien bei höheren Drücken einzuspritzen. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Unterdruck ist es, dass ein vollständig geschlossenes Einspritzsystem gebildet werden kann, das eine größere Kontrolle der Emission von flüchtigen Substanzen in die Umwelt erlaubt.
Der eingespritzte Reaktionsharzmörtel kann jedes der Harze umfassen, die herkömmlicher Weise für die Herstellung von Verbundmaterialprodukten verwendet werden, die FRP benutzen. Zum Beispiel kann das Harz aus der Gruppe bestehend aus Epoxy-, Acryl-, Phenolformaldehyd-, Vinylester- und Polyesterharzen zusammen mit einem geeigneten Aktivator, der ein Aushärten des Harzes innerhalb eines vernünftigen Zeitraums, der der Einspritzung des Reaktionsharzmörtels folgt, sicherstellt, ausgewählt werden.
Der Partikel-Zuschlagsstoff mit hoher Dichte, der verwendet wird, um den Reaktionsharzmörtel zu beladen, ist vorzugsweise relativ billig im Vergleich zu den Kosten für das Harzsystem. Zum Beispiel kann ein Mineralzuschlagsstoff wie Sand verwendet werden sowie wiederverwertete oder Abfall-Materialien wie Nebenprodukte der Kohleverbrennung oder wiederverwertetes zerkleinertes Glas. Das Mischen des Reaktionsharzmörtels mit dem Zuschlagsstoff fertig für die Einspritzung, wird vorzugsweise unter Vakuum durchgeführt, um einen Einschluss oder einen Eintrag von Luft in den Mörtel zu vermeiden. Weiter können Umweltverschmutzungen durch Kontrolle sowohl der Überlaufmenge des Harzes als auch des Austritts von Gasen in die Atmosphäre minimiert werden.
Sowohl beim Mischen des Reaktionsharzmörtels unter einem Teilvakuum (d. h. einem reduzierten Druck) als auch beim Einspritzen des Reaktionsharzmörtels, während die Luft aus der Form abgezogen wird, kann das gesamte Verfahren unter abgeschlossenen Bedingungen durchgeführt werden, was die Wahrscheinlichkeit von Umweltverschmutzungen weiter reduziert, während auch Produkte mit hoher wiederholbarer Qualität gegeben sind und guter Homogenität über die Reaktionsharzmörtel-Matrix.
Die Auswahl eines geeigneten Faserverstärkungsmaterials hängt von der Art des Produkts, das hergestellt werden soll, und seiner beabsichtigten Verwendung ab. Typischerweise weist das Faserverstärkungsmaterial wenigstens einen aber möglicherweise Mischungen aus der Gruppe umfassend Glasfasern, synthetische Fasern (wie solche aus Terylen), Naturfasern (wie solche, die aus Jute, Hanf oder Kokosfasern abgeleitet sind) oder Karbon-Fasern. Das Verstärkungsmaterial kann aus einfachen, unidirektionalen Fasern sein, zusammen mit ausreichend weiteren Querfasern, um dem Verstärkungsmaterial Stabilität zu verleihen, während damit hantiert wird und es in dem Formhohlraum angeordnet wird, oder kann ein komplexeres Grundgerüst der Fasern aufweisen, wie einseitig ausgerichtete Fasermatten, bidirektionale Matten, gewebte Matten oder multi-direktionale Glasschnittmatten. In all diesen Fällen wird das Verstärkungsmaterial so angeordnet, dass Spalte zwischen den einzelnen Verstärkungsfasern ein Netz bilden, durch das das Harzmaterial hindurchgeht, aber nicht die Zuschlagsstoffe, so dass eine Harzimprägnierung der Verstärkungsmatte ermöglicht wird.
Die Einspritzöffnung für die eingespritzte Reaktionsharzmörtel-Matrix kann in den Hohlraum von einer Seitenwand davon hineinragen, um so sicherzustellen, dass das Harz in den Raum zwischen zwei Lagen des Verstärkungsmaterials, das vorher in dem Hohlraum angeordnet worden ist, eingebracht wird. Alternativ dazu kann die Öffnung mit der inneren Oberfläche der For fluchten, und die Verstärkung ist mit einer passenden Ausnehmung in dem Bereich der Öffnung versehen, um dem Harz zu erlauben, zwischen die Lagen zu fließen, die die zwei Schalen bilden. Um weiterhin sicherzustellen, dass der Reaktionsharzmörtel, der mit dem Zuschlagsstoff beladen ist, zunächst zwischen diese Lagen läuft, können, wenigstens in der Umgebung der Einspritzöffnung, Abstandshalter zwischen den Lagen, die die zwei Schalen bilden, vorgesehen sein, um die entsprechenden Lagen beabstandet voneinander zu halten und die Einspritzung des Harzes in den beanspruchten Raum zu gewährleisten.
In einem alternativen Verfahren kann das Verstärkungsmaterial geringfügig an die Seitenwände des Formhohlraums geheftet werden, z. B. durch Verwendung eines Klebers oder eines Klebestreifens, bevor die Form geschlossen und die Reaktionsharzmörtel-Matrix eingespritzt wird. In diesem Fall kann kein Bedarf sein, Abstandshalter zwischen die Lagen von Verstärkungsmaterial einzuschließen.
Wie bei den bekannten Herstellungsverfahren für Verbundwerkstoffartikel kann zuerst eine Gelbeschichtung oder andere äußere Schicht (wie eine Anti-Korrosionsschicht) auf wenigstens einer der Oberflächen des Formhohlraums deponiert werden vor der Ausführung der Erfindung, wie sie oben erläutert wurde. Solch eine Gelbeschichtung oder andere äußere Schicht kann gestaltet werden, um dem fertigen Produkt besondere Eigenschaften zu verleihen wie eine Barrierelage, die beständig ge gen das Durchdringen des Verbundwerkstoffartikels von einer Flüssigkeit ist, die damit in Kontakt kommen kann.
Das Herstellungsverfahren gemäß dieser Erfindung ist besonders geeignet für Verbundwerkstoffartikel, die zwei Hauptoberflächen haben, die in einen relativ kleinen Abstand voneinander sind im Vergleich zu den Abmessungen der Hauptoberflächen. Zum Beispiel können solche Artikel Bauplatten und Verkleidungen umfassen. Alternativ können die Hauptoberflächen gebogen sein, wobei der Formartikel ein Segment der Oberfläche eines Rohres bildet, so dass eine Vielzahl von den Segmenten zusammengesetzt werden kann, um ein vollständiges Rohr mit kreisförmigem, ovalem oder anderem Querschnitt zu bilden. Weiter kann das Verfahren verwendet werden, um mit geeignet ausgebildeten Formen vollständige Rohrabschnitte oder zylindrische Produkte zu formen. Solche Rohre, oder Rohre hergestellt aus geformten Rohrsegmenten, können besondere Verwendung finden bei der Auskleidung von Abwasserleitungen und anderen unterirdischen Tiefbaustrukturen, wie Durchgängen, Rohrleitungen, Dükern, Tunneln u. ä.
Nur als Beispiel wird nun ein spezielles Ausführungsbeispiel dieser Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
1 eine Ansicht von hinten einer Form ist, die bei der Durchführung des Verfahrens verwendet wird;
2 eine schematische isometrische Ansicht der Form aus 1 ist;
3 ein vertikaler Schnitt durch die Form ist und
4 einen Querschnitt durch ein Produkt, das durch das Verfahren hergestellt worden ist, darstellt.
Zuerst Bezug nehmend auf die 1 bis 3 ist eine zweiteilige Form 10 dargestellt, die einen starren inneren Abschnitt 11 mit einer gebogenen Form hat und einen flexiblen äußeren Abschnitt 12, der nach unten auf die Dichtflächen 13 des inneren Abschnitts gezogen werden kann, wie durch die Pfeile A dargestellt, um so einen luftdichten Formhohlraum zu bilden. Der innere Abschnitt 11 ist aus elektro-platiertem Stahlguss hergestellt, so dass eine gute Haltbarkeit und ein Finish von hoher Qualität sichergestellt ist, das frei von Fehlern ist und geeignet für die Aufnahme einer Gelbeschichtung oder einigen anderen Barrierelagen. Der flexible äußere Abschnitt 12 ist aus rostfreiem Stahl oder einer Stahlgussplatte hergestellt mit einer geeignet dünnen elektro-platierten Beschichtung, um ein Durchbiegen zu erlauben, ohne dass Spannungen oder Risse in der Beschichtung auftreten.
Wie in 2 gezeigt, ist der äußere Abschnitt 12 entlang der beiden langen Kanten mit Vakuumöffnungen 14 versehen, die bei der Verwendung mit einer Unterdruckquelle verbunden werden, um Luft aus dem Formhohlraum abzuziehen. Weitere Vakuumöffnungen können vorgesehen werden, wenn dies benötigt wird, z. B. entlang der inneren Formhohlraum-Kanten. Eine Reaktionsharzmörtel-Harzeinspritzungsöffnung 15 ist durch den äußeren Abschnitt 12 vorgesehen, im Allgemeinen im mittleren Bereich davon.
Die gebogene Oberfläche des inneren Abschnitts 11 ist mit einem Trennmittel beschichtet, und dann ist eine Gelbeschichtung oder andere Barrierelage 20 (4) über dieser Oberfläche angebracht, wenn solch eine Schicht benötigt wird. Speziell geformte Anti-Korrosionslagen 21 können aus durchgehenden Filamentmatten, Glasschnittmatten und Glas- oder Synthetikfaseroberflächengeweben gebildet sein, um sicherzustellen, dass eine harzreiche Barriereschicht unter der Barrierelage 20 gebil det wird. Dies kann benötigt werden, wenn der fertige Verbundwerkstoffartikel mit wässrigen Flüssigkeiten oder ausfließenden Flüssigkeiten in Kontakt stehen soll. Die Dicke und Zusammensetzung von solchen Lagen 21 kann angepasst werden, um das benötigte Korrosionsfestigkeitsniveau in dem fertigen Artikel zu erreichen.
Als Nächstes werden die Lagen 22 der Faserverstärkung in der Form angeordnet, um so dem fertigen Produkt die benötigten mechanischen Eigenschaften zu verleihen. Somit werden die Anordnung der Fasern in der Verstärkung, die Dichte der Fasern u. s. w. unter Bezug auf das beabsichtigte Endprodukt ausgewählt. Wenn z. B. eine besondere Festigkeit in einer Richtung benötigt wird, wie bei einem Rohr oder einem Rohrsegment, wo die maximale Festigkeit in der Ring-Richtung benötigt wird, kann dann eine uni-direktionale oder bevorzugt in eine Richtung ausgerichtete Fasermatte in dieser Richtung gelegt werden.
Abhängig von der beabsichtigten Verwendung des Endproduktes kann die Faserverstärkung mechanisch gebundene oder mit Kleber verbundene Matten von geschnittenen Fasern, die in zufälliger Richtung liegen, gewebte uni- oder bi-direktionale Matten, durchgehende gedrehte Filamentmatten oder andere geeignete Faserverstärkungsmaterialien oder Kombinationen der vorgenannten Materialien umfassen. In allen diesen Fällen haben die Verstärkungsmaterialien Spalte zwischen den einzelnen Verstärkungsfasern, die ein Netz bilden, durch das das harzartige Material hindurchgehen kann, um die Imprägnierung der Verstärkung zu ermöglichen.
Nach dem Aufbau der benötigten Lagen 20, 21 und 22 gegen den festen inneren Abschnitt 11, um die inneren Schalen zu bilden, werden Abstandhalter 23 (3 und 4) auf diesen Lagen in dem mittleren Bereich um die Einspritzöffnung 15 angeordnet, wenn der äußere Abschnitt zusammengesetzt ist. Diese Abstandhalter sind vorzugsweise in der Form von offenen Spiralfedern, aber einfache kleine Blöcke können statt dessen verwendet werden. Unter Verwendung derselben Betrachtungen, wie sie oben unter Bezug auf die Lagen, die gegen den inneren Abschnitt 11 aufgebaut worden sind, um die innere Schale zu bilden, erläutert worden sind, werden die Lagen 24 aus Verstärkungsmaterial dann aufgebaut, um die äußere Schale zu bilden. Schließlich kann eine andere Barrierelage 25 über die Lagen 24 gelegt werden, wenn es benötigt werden sollte.
Die Form wird durch Ziehen des äußeren Abschnitts 12 über den inneren Abschnitt geschlossen, um eine luftdichte Abdichtung zu erreichen. Während dessen wird die Einspritzöffnung 15 angeordnet, um durch die Verstärkungslagen hindurchzudringen, die die äußere Schale bilden, wobei ein geeignetes Loch durch diese Lagen passend geschnitten wird, um die Öffnung aufzunehmen.
Ein geeignetes Reaktionsharzmörtel-System wird unter Unterdruck aus einem Harz und Partikel-Zuschlagsstoff mit hoher Dichte wie Sand gemischt zusammen mit einem Aktivator zum Aushärten des Harzes. Luft wird aus dem Formhohlraum durch die Vakuumöffnungen 14 abgezogen und dann wird der Reaktionsharzmörtel unter Druck durch die Einspritzöffnung 15 in die Form gebracht zwischen die Verstärkungslagen 21, 22 und 24, die die innere und äußere Schale bilden, während Luft fortgesetzt durch die Vakuumöffnungen 14 abgezogen wird. Das Harz dient dazu, die Lagen 21, 22 und 24 nach außen zu drücken, um in Kontakt mit den Formoberflächen zu treten, zwischen den Fäden dieser Lagen hindurchzusickern und diese zu benetzen. Die Aufteilung von positivem Einspritzdruck und negativem Abzugsdruck kann so eingestellt werden, um sicherzustellen, dass es eine minimale Einspritzzeit verbunden mit dem Entfernen von im Wesentlichen der gesamten Luft aus der Form gibt, verbunden mit einer sehr hohen Durchdringung und Benetzung der Verstärkung. Weiter kann das Harz zu den äußersten Enden des Produkts gezogen werden, während sichergestellt ist, dass die Form nicht mit zu hohem Druck beaufschlagt wird. Dies kann durch ein computergesteuertes oder manuelles Ventilsystem (nicht dargestellt) erreicht werden. Als ein Ergebnis des vakuumunterstützten Harztransfersystems gibt es eine verringerte Taktzeit, was ein schnelleres Aushärten des Laminats erlaubt und in einem größeren Ausmaß Stratifikationsprobleme zunichte macht, die andernfalls zu schaffen machen würden als Ergebnis des Absetzens von Partikel-Zuschlagsstoffen mit hoher Dichte innerhalb des Reaktionsharzmörtel-Kerns über eine längere Aushärtungsdauer.
Die durchschnittliche Dicke und Maschenweite der faserförmigen Matten, die im Aufbau der Verstärkungs- und Anti-Korrosionslagen verwendet werden, um die zwei Schalen zu bilden, und die mittlere Maschenweite des Zuschlagsstoffes sollten so gewählt werden, dass die faserförmigen Matten als ein Filter für den Zuschlagsstoff dienen, um im Wesentlichen zu verhindern, dass sich der Zuschlagsstoff in die Verstärkungslagen bewegt. Auf diese Weise wird nur das Harz und kleine Füllstoffteilchen von dem Reaktionsharzkern getrennt und durchdringen und benetzen die Verstärkungslagen, wobei der Zuschlagsstoff in dem Kern 26 zwischen den inneren und äußeren Verstärkungslagen 22 und 24 verbleibt. Dies erlaubt, höhere Faser/Harz-Verhältnisse in diesen Lagen zu erreichen und so hervorragenden mechanische Eigenschaften, während ein Kern mit nur relativ geringen Kosten verwendet wird.
Ein spezielles Beispiel eines Rohrsegmentherstellungsverfahrens wird jetzt gegeben. Eine Reaktionsharzmörtel-Matrix wurde aus einem isophthalischen Polyesterharz vorbereitet, das eine relative Dichte von 1,1 R. D. hat. Ein Zuschlagsstoff, der ungefähr 45% (des Gewichts) von speziell kalibriertem Silikat- Sand aufweist, mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von ungefähr 0,35 mm, wurde in das Harz gemischt. Die Matrix wurde in einem Mischbehälter unter Unterdruckbedingungen vorbereitet, um Lufteinschlüsse innerhalb der Matrix zu eliminieren, und die Luft, die aus dem Mischbehälter abgezogen wurde, wurde gesammelt und durch Filtern und Waschen vor dem Abgeben an die Atmosphäre gereinigt.
Die Form zur Herstellung der Rohrsegmente hatte einen Formhohlraum mit Abmessungen von ungefähr 1500 mm × 1571 mm mit einem Wandabstand von 35 mm, wobei der mittlere Krümmungsradius der Wände 1017 mm war. Nach der Beschichtung der Form mit einem Trennmittel wurde eine Gelbeschichtung auf die zwei Hauptflächen aufgebracht, wobei Verstärkungsmatten aus geschnittenen Fasern verwendet wurden, um die Gelbeschichtungslagen zu verstärken. Zwei Lagen von uni-direktionalen Glasverstärkungsfasermatten wurden in den Hohlraum benachbart zu einer Hauptfläche gelegt und weitere zwei solcher Lagen benachbart zu der anderen Hauptfläche mit Federn, die verwendet wurden, um die Paare von Lagen in dem Bereich der Einspritzöffnung getrennt zu halten.
Auf das Verschließen der Form folgend wurde Luft aus dem Hohlraum abgezogen, um den Druck darin auf ungefähr 0,7 Bar zu reduzieren. Beschleuniger wurden zu der Matrix unmittelbar vor dem Einleiten des Einspritzschrittes hinzugegeben, so dass bei Umgebungstemperatur von ungefähr 30°C eine Gelierzeit von 15 Minuten und eine Aushärtezeit von ungefähr 60 Minuten gegeben war. Der vorbereitete Reaktionsharzmörtel wurde dann unter einem Druck von 2,5 Bar eingespritzt, während das Abziehen von Luft aus dem Formhohlraum fortgesetzt wurde. Wie bei der Vorbereitung des Reaktionsharzmörtels wurde die Luft, die aus dem Formhohlraum abgezogen wurde, gesammelt und durch Filtern und Waschen vor dem Abgeben an die Atmosphäre gereinigt.
Das fertige Produkt, das aus der Form entnommen wurde, hatte ein Gesamtgewicht von ungefähr 157 kg mit einer R. D. von 1,9. Das Produkt hatte gute Oberflächen an seinen Hauptoberflächen und eine vergleichsweise hohe Festigkeit. Die äußeren Lagen zeigten hervorragende Harzdurchdringung und Benetzung ohne die Gegenwart von Zuschlagsstoffen in diesen Lagen.
Die Werkzeugkosten, die für die Durchführung der Erfindung benötigt werden, sind vergleichsweise niedrig im Vergleich zu Presssystemen. Ebenfalls können hohe Zuschlagsstoff-Pegel in der Reaktionsharzmörtel-Matrix erreicht werden, was Rohmaterialkosteneinsparungen ergibt. Große und besonders dicke Verbundwerkstoffprodukte können durch die gesteuerte Handhabung von positiven Einspritz- und negativen Abzugsdrücken hergestellt werden. Die Verwendung von einer vergleichsweise großen Menge von Partikel-Zuschlagsstoffen mit hoher Dichte und Füllstoffen unterstützt das Formen von dickeren Laminaten. Dies wird verursacht durch den „Wärmesenken"-Effekt, der durch die Füllstoffe und Zuschlagsstoffe vorgesehen wird, was die Anzahl von Rissen reduziert, die durch die exotherme Reaktion, die während des Aushärtens stattfindet, verursacht wird.
Zusätzlich kann die Faserverstärkung ausgewählt und angeordnet werden, um die mechanischen und Korrosionsbeständigkeitseigenschaften des fertigen Verbundwerkstoffartikels zu optimieren. Dies macht das Verfahren insbesondere für die Herstellung von Rohrleitungen, Kanälen, Rohren oder Rohrsegmenten geeignet.
Anstelle eines flexiblen äußeren Formabschnittes kann ein starrer äußerer Abschnitt verwendet werden. Anderes Werkzeug kann verwendet werden, z. B. für die Herstellung von ganzen Rohren oder Zylinderabschnitten. Starre Formen oder Formabschnitte würden es erlauben, sehr gute Abmessungsgenauigkeiten zu erreichen. Eine Qualitätskontrolle kann dann gewährleistet und bei verschiedenen Produktionszyklen wiederholt werden. Ei ne alternative Form kann aus FRP-Materialien hergestellt sein, insbesondere unter Berücksichtigung der vergleichsweise niedrigen Kräfte, die während des Formverfahrens benötigt werden, insbesondere wenn Luft aus der Form gleichzeitig mit dem Einspritzen des Reaktionsharzmörtels abgezogen wird. Insbesondere in diesem Fall muss ein geeignetes Trennmittel auf die Oberflächen der Form aufgebracht werden, um sicherzustellen, dass das Harzmaterial innerhalb des Reaktionsharzmörtels sich nicht selbst mit den Formoberflächen verbindet.

Claims

Verfahren zum Formen eines Verbundwerkstoffartikels, damit dieser gegenüberliegende äußere Schalen aus faserverstärktem Kunststoffmaterial und dazwischen einen Kern aus Reaktionsharzmörtel hat, mit den Schritten: Bereitstellen einer Form, die geöffnet werden kann und einen Formhohlraum und eine Einspritzöffnung definiert, durch die eine Reaktionsharzmörtelmatrix in den Hohlraum eingeführt werden kann, Öffnen der Form und Platzieren der jeweiligen Lagen der Faserverstärkung in dem Hohlraum, um die gegenüberliegenden äußeren Schalen zu bilden, Schließen der Form und Einspritzen der Reaktionsharzmörtelmatrix durch die Einspritzöffnung zwischen die Lagen der Faserverstärkung in den Hohlraum, die darin platziert sind, und Anwenden von ausreichendem Druck auf die eingespritzte Reaktionsharzmörtelmatrix, um sicherzustellen, dass das Harz die Schichten durchdringt, wobei bei dem Verfahren die eingespritzte Reaktionsharzmörtelmatrix ein Harzmaterial beladen mit einem Partikel-Zuschlagsstoff aufweist, dessen Dichte größer als die des Harzmaterials ist, das in der Reaktionsharzmörtelmatrix enthalten ist, und wobei die Maschenweite der Lagen des faserförmigen Verstärkungsmaterials im Mittel kleiner als die mittlere Teilchengröße des Zuschlagsstoffs ist, wodurch das Verstärkungsmaterial den Partikel-Zuschlagsstoff aus der Reaktionsharzmörtelmatrix filtert, um nur dem Harzmaterial das Durchdringen der Lagen zu erlauben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die eingespritzte Reaktionsharzmörtelmatrix ein Harzmaterial aufweist, das mit einem Partikel-Zuschlagsstoff und Partikel-Füllstoffen beladen ist, deren Dichte größer als die des in der Reaktionsharzmörtelmatrix enthaltenen Harzmaterials ist, wobei die mittlere Teilchengröße der Füllstoffe ausreichend klein ist, wodurch nur das Harzmaterial und kleine Partikel-Füllstoffe die Verstärkungsmaterial-Lagen durchdringen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest gleichzeitig mit dem Einspritzen des Reaktionsharzmörtels Luft aus dem Formhohlraum abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Einspritzdruck des Reaktionsharzmörtels und der Unterdruck, um Luft aus dem Formhohlraum abzuziehen, zusammen gesteuert werden, um die Reaktionsharzmörteleinspritzung und die Benetzung der Verstärkung zu optimieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die eingespritzte Reaktionsharzmörtelmatrix ein Harz enthält, das aus der Gruppe bestehend aus Epoxy-, Acryl-, Phenolformaldehyd-, Vinylester- und Polyesterharzen zusammen mit einem geeigneten Aktivator ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Partikel-Zuschlagsstoff mit hoher Dichte, der zum Be laden des Reaktionsharzmörtels verwendet wird, aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem granulären Mineral, einem granulären Nebenprodukt von Kohleverbrennung, wiederverwertetem granulären zerkleinerten Glas und granulärem Metall besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Faserverstärkung Fasern aus Glas, synthetischen Kunststoffen oder Kohlenstoff oder natürliche Fasern oder ein Gemisch solcher Fasern aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Faserverstärkung vornehmlich uni-direktioniale Fasern aufweist, zusammen mit ausreichend weiteren Fasern, um den uni-direktionalen Fasern bei ihrer Handhabung Stabilität zu verleihen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Faserverstärkung in Form einer Matte vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Abstandhalter zwischen jeweiligen Lagen von Verstärkungsmaterial wenigstens in der Nähe der Einspritzöffnung angeordnet sind, um diejenigen Lagen auf Abstand zu halten, die die inneren und äußeren Schalen bilden werden, und um sicherzustellen, dass der Reaktionsharzmörtel zwischen diese Lagen gespritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die jeweiligen Lagen von Verstärkungsmaterial in Kontakt mit den Innenflächen der Form mittels eines Haftsystems gehalten werden, das zwischen den Lagen und den Wänden des Formhohlraums wirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einspritzöffnung eine Ausgangsöffnung hat, die in dem Formhohlraum entweder bündig mit der Wand des Hohlraums, durch die sich die Öffnung öffnet, oder abstehend davon ist, um ein Stück weit zwischen gegenüberliegenden Innenwänden des Hohlraums zu liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Oberfläche des Formhohlraums eine Gelbeschichtung oder Barrierelage hat, die darauf vor der Einbringung der Faserverstärkung aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum zwei gegenüberliegende Hauptflächen und vier Randflächen definiert, die sich zwischen und um den Rand der beiden Hauptflächen erstrecken, wodurch der geformte Verbundwerkstoffartikel im Wesentlichen plattenförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die zwei Hauptoberflächen eine gebogene Form haben, wodurch der geformte Artikel ein Segment der Oberfläche eines Rohrs oder eines Zylinders bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der geformte Artikel einen Rohrabschnitt oder einen Zylinder bildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reaktionsharzmörtelmatrix in einem Mischgefäß unter reduziertem Druck vorbereitet wird, indem Luft aus dem Mischgefäß abgezogen wird, wobei wenigstens gleichzeitig mit der Einspritzung des Reaktionsharzmörtels Luft aus dem Formhohlraum abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die aus dem Mischgefäß und dem Formhohlraum abgezogene Luft gesammelt und gereinigt wird, bevor sie in die Atmosphäre abgelassen wird.