Faserverstärktes Sunststoffrohr und Verfahren zu dessen llerstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein faserverstärktes Kunststoffrohr, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Es sind Kunststoffrohre der genannten Art bekannt, die als Verstärkungsfasern kurze, d. h. etwa 20 bis 30 mm lange Glasfasern enthalten; meist enthalten diese Rohre ausserdem ein kunststoffgebundenes, mineralisches Füllstoffgranulat (z. B. Sand, Quarzsand, gebrannter Ton, Schlacke etc.). Die Verstärkungsfasern können dabei in relativ scharf abgegrenzten Schichten des Wandquerschnitts konzentriert oder über annähernd den ganzen Wandquerschnitt des Rohres in konstanter oder variierender Konzentration verteilt angeordnet sein. Anderseits ist es bekannt, dass solche Rohre meist nur für relativ geringen Innendruck von z. B. 1.5 bis 2.5 kg/cm2 geeignet sind; sie werden deshalb üblicherweise als im Boden verlegte Abwasserrohre, Gefälls-Wasserleitungen etc. verwendet. Um solche, meist relativ grossen Durchmesser (z.
B. 60 bis 200 cm) aufweisende Rohre für grösseren Innendruck geeignet zu machen, was eine entsprechend starke Armierung in Umfangsrichtung voraussetzt, wurde schon vorgeschlagen, das Rohr mit einer Aussenarmierung aus endlos um den im Wickel- oder Zentrifugierverfahren vorfabrizierten Innenrohr gewickelter Glasfaser zu versehen, wobei die so aufgebrachte Glasfaser entweder durch vorgängiges oder nachträgliches Aufbringen von Kunststoff zu einer zusammenhängenden und mit dem Innenrohr verbundenen Aussenschicht verfertigt werden soll.
Die in Umfangsrichtung des Rohres verlaufende, endlose Glasfaser (Roving) der Aussenschicht erhöht zwar die Innendruckfestigkeit des Rohres, bedingt aber ein relativ kompliziertes Herstellungsverfahren, da das Aufwickeln der endlosen Glasfaser das vorgängige, wenigstens teilweise Aushärten des Innenrohres voraussetzt, so dass im Herstellungs prozess, besonders wenn das Innenrohr im Zentrifugierverfahren hergestellt wurde, ein unerwünschter Unterbruch entsteht. Anderseits wurde schon vorgeschlagen, beim Zentrifugieren von faserverstärkten Kunststoffrohren, die in kleine Stücke von z. B. 20 bis 30 mm geschnittenen Glasfasern in Umfangsrichtung orientiert in den Kunststoff einzubetten.
Gegenüber der wahllos orientierten Einlagerung von Faserstückchen bringt dies zwar eine gewisse Erhöhung der Innendruckfestigkeit des Rohres, wobei jedoch nicht die mittels der endlos gewickelten Glasfaser erreichbaren Werte erzielt werden können, da die Faserstückchen zufolge ihrer geringen Länge bei radial wirkendem Innendruck nicht genügend fest im sie umschliessenden Kunststoff haften; anderseits hat es sich gezeigt, dass es technisch schwierig ist, diese kurzen Faserstückchen wenigstens annähernd genau in Umfangsrichtung orientiert in den Kunststoff einzubetten, was zu ungenügend innendruckfesten Rohrstellen führen kann.
Die vorliegende Erfindung vermeidet diese Nachteile. Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemässe Rohr dadurch gekenzeichnet, dass in einer radial innerhalb der Wandmitte angeordneten, faserverstärkten Schicht in Umfangsrichtung des Rohres orientierte Faserstücke von einer 4 cm übersteigenden Länge vorgesehen sind.
Es hat sich nämlich gezeigt, dass einerseits die gewünschte Innendruckfestigkeit mit einer geringeren Fasermenge erreicht werden kann, wenn die in Umfangsrichtung orientierten Fasern in einer radial innerhalb der Wandstärkenmitte liegenden Schicht angeordnet sind, als wenn sie, wie beim Umwickeln mit einer Endlosfaser in einer Aussenschicht vorgesehen sind, und dass anderseits nicht nur der Haftverbund dieser relativ langen Faserstücke im Kunststoff besser ist als jener der üblichen kurzen Faserstücke, sondern dass auch das Ausrichten dieser Faserstücke in die gewünschte Umfangsrichtung erheblich einfacher und sicherer zu bewerkstelligen ist. Die Länge der Faserstückchen liegt dabei zweckmässig zwischen 5 und 20 cm, könnte aber in gewissen Fällen bis nahe an die Länge des Innenumfangs des Rohres heranreichen.
Das ebenfalls Erfindungsgegenstand bildende Verfahren zur Herstellung des genannten Kunststoffrohres, bei welchem Fasermaterial und Kunststoff einer mit horizontaler Achse rotierenden Form zugeführt werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass das in Form von Faserstücken auf die sich in der rotierenden Form bildende Kunststoffschicht abgegebene Fasermaterial spätestens nach dem Auftreffen des vorangehenden Faserstückendes auf dieser Schicht in Stücklänge von wenigstens 4 cm geschnitten wird, wobei diese Faserstücke mit ihrer Längsachse in Umfangsrichtung des Rohres orientiert, kontinuierlich auf die Schicht aufgebracht werden.
Die Abgabe der Faserstücke erfolgt zweckmässig so nahe wie möglich an der sich bildenden Schicht, so dass die die Abgabevorrichtung verlassenden Faserstücke nur ein relativ kurzes radiales Wegstück bis zum Auftreffen auf die noch plastische Kunststoffschicht zurückzulegen haben, so dass durch die rotierende Form in der letzteren etwa entstehende Wirbelströmungen die Faserstücke nicht mehr aus der gewünschten Umfangsrichtung heraus wirbeln können.
Zweckmässig ist die Anordnung dabei derart, dass das in Abgaberichtung hintere Ende der Faserstücke noch von der Abgabevorrichtung geführt ist, wenn das vorangehende Faserstückende die Kunststoffschicht bereits erreicht hat; es ist besonders vorteilhaft, wenn die Umfangsgeschwindigkeit der rotierenden Form (bzw. der sich bildenden Rohrschicht) grösser ist als die Abgabegeschwindigkeit der Faserstücke, so dass letztere, nachdem ihr vorangehendes Ende die Schicht berührt hat, durch die Haftwirkung des Kunststoffs von der Abgabevorrichtung abgezogen und dabei einwandfrei gestreckt und in Umfangsrichtung in den Kunststoff eingebettet werden.
Die beiliegende Zeichnung zeigt einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Rohres, wobei das Herstellungsverfahren an Hand dieser Zeichnung im Folgenden beispielsweise näher beschrieben ist. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 im Querschnitt einen Teil eines ersten Rohres nach der Erfindung, und
Fig. 2 ebenfalls im Querschnitt einen Teil eines zweiten Beispiels eines solchen Rohres.
Das in Fig. 1 gezeigte, sogenannte Sandwich-Rohr, das im Zentrifugierverfahren hergestellt ist, besitzt von aussen nach innen eine Schicht 1 aus glasfaserarinier- tem Kunststoff, eine Schicht 2 aus kunststoffgebundenem, mineralischem Füllstoffgranulat, eine Schicht 3 aus glasfaserarmiertem Kunststoff, eine Schicht 4 aus kunststoffgebundenem. mineralischem Füllstoffgranulat, und eine Schicht 5 aus glasfaserarmiertem Kunststoff. Es versteht sich, dass zusätzlich noch eine innere und/oder äussere Schutzschicht aus Kunststoff vorgesehen sein könnte.
Das Rohr, das für einen Innendruck zwischen 5 und 15 kg/cm2 geschaffen sein soll, kann einen Durchmesser von z. B. 40 bis 200 cm aufweisen, wobei die Wandstärke entsprechend zwischen 0.6 und 4 cm variieren kann.
Als Kunststoff eignen sich insbesondere Polyesterharze; es können aber auch andere, z. B. Polyurethanharze verwendet werden. Als Füllstoffgranulat kann Sand (fein und/oder grobkörnig) oder irgend ein geeignetes z. B. auch ein poröses mineralisches Granulat mit Korngrössen zwischen 0.5 und 10 mm verwendet werden.
In der armierten Aussenschicht 1 sind mit ihrer Längsachse in Umfangsrichtung orientierte kurze Glasfasern mit einer Stücklänge von 20 bis 30 mm vorgesehen. Die Schicht 2 dient als Distanz- und Versteifungsschicht. Die armierte Zwischenschicht 3 enthält ebenfalls kurze, jedoch in einer speziellen Richtung orientierte Glasfaserstücke. Die Schicht 4 dient wiederum als Distanz- und Versteifungsschicht. In der armierten Innenschicht 5 sind mit ihrer Längsachse in Umfangsrichtung orientierte relativ lange (über 40 mm) Glasfaserstücke vorgesehen. Der Glasfasergehalt in dieser Schicht liegt zweckmässig zwischen 50 und 70 0/o. Es versteht sich, dass zwischen den beiden armierten Schichten 1 und 5 auch mehr als nur zwei durch eine armierte Zwischenschicht 3 getrennte Sperrschichten vorgesehen sein können.
Ferner könnten auch die Glasfaserstücke der Zwischenschicht 3 in Umfangsrichtung orientiert sein. Es ist ausserdem möglich, auch in der Aussenschicht 1 ungerichtete (also nicht in Um fangsrichtung orientierte) Glasfaserstücke zu verwenden. Ferner könnte die Armierung in allen drei (oder eventuell mehr) Schichten 1, 3 und 5 aus langen, in Umfangsrichtung orientierten Glasfaserstücken beste- hen.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Rohr ist eine mit in Umfangsrichtung orientierten, kurzen Glasfaserstücken armierte Aussenschicht 11, eine Distanz- oder Sperrschicht 12 und eine mit in Umfangsrichtung orientierten, langen Glasfaserstücken armierte Innenschicht 15 vorgesehen. Die Sperrschicht 12 enthält kunststoffge- bundenes, mineralisches Füllstoffgranulat und mindestens in den beiden Randzonen zusätzlich Glasfasermaterial, das in relativ kurzen, ungerichteten Stücklängen vorgesehen ist. Dieser Glasfaserzusatz könnte aber auch weggelassen sein. Die armierte Innenschicht 15 enthält das Glasfasermaterial in Form von relativ langen, über 40 mm, in Umfangsrichtung orientierten Faserstücken. Es versteht sich, dass auch die Aussenschicht 11 mit langen Glasfaserstücken armiert sein kann.
Es können ausserdem auch innere und/oder äussere Deckschichten zusätzlich vorgesehen sein.
Die Innendruckfestigkeit der beschriebenen Rohre (für Innendrücke bis z. B. 15 kgi'cm2) wird zur Hauptsache durch die mittels langer, in Umfangsrichtung orientierter Glasfaserstücke armierten Schichten ge währieistet. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die 40 mm stets übersteigende Glasfaserstücklänge zwischen 50 und 80 mm zu wählen. Es könnten aber auch Glasfaserstücke bis zur Länge des Rohrumfangs vorgesehen sein. Bei grossen Faserlängen ist darauf zu achten, dass diese keinen ganzen Bruchteil des jeweiligen Schichltumfangs betragen, damit die zwischen aufeinanderfolgenden Fasern entstehenden Unterbrüche längs des Rohres nicht auf die gleiche Mantellinie zu liegen kommen.
Die beschriebenen Rohre sind nicht nur für grosse Innendrücke geeignet, sondern sind besonders für Untergrundverlegung mit Überdeckungen von mehreren Metern geeignet, da ihre radiale Elastizität ein begrenztes elastisches Deformieren des Rohrquerschnittes gestattet, durch welche wenigstens ein Teil der Überdek- kungslast auf das umgebende Erdreich übertragen wird.
Das Herstellen dieser Rohre erfolgt kontinuierlich in einem Arbeitsgang durch Zentrifugieren. Dabei wird das jeweilige Rohrmaterial mittels eines Abgabekopfes in der Nähe der Innenfläche der rotierenden Rohrform (also erheblich ausserhalb der Formachse) an die Rohrform abgegeben. wobei der Abgabekopf in Längsrichtung der Rohrform hin und her bewegt wird.
Zweckmässig erfolgt das Schneiden der Glasfaserstücke erst unmittelbar vor der Abgabe der letzteren, wobei der Schneidvorrichtung gleichzeitig mehr als ein Glasfaden zugeführt werden kann, so dass jeweils ein Bündel von parallelen Glasfaserstücken gleichzeitig abgeschnitten und gleichzeitig an die Schicht abgegeben wird. Das Orientieren der Glasfasern in Umfangsrich- tung kann durch entsprechend gerichtetes Abgeben der Fasern z. B. mittels einer Düse erzielt werden, wobei zusätzlich geeignete Führungsmittel, z. B. auch ein Luftstrom vorgesehen sein können, so dass die die Ab gabevorrichtung veriassenden Faserstücke sich nicht aus der gewünschten Richtung heraus bewegen können, bevor sie vollständig durch Haftung am schichtbildenden Kunststoff in der gewünschten Orientierung fixiert sind.
PATENTANSPRUCH 1
Faserverstärktes Kunststoffrohr, dadurch gekennzeichnet, dass in einer radial innerhalb der Bandmitte angeordneten, faserverstärkten Schicht in Umfangsrichtung des Rohres orientierte Faserstücke von einer 4 cm übersteigenden Länge vorgesehen sind.
UNTERANSPRÜCHE
1. Faserverstärktes Kunststoffrohr nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass es radial ausserhalb der mit orientierten Langfasern armierten Schicht mindestens noch eine faserarmierte Schicht und dazwischen wenigstens eine Distanzschicht aus kunststoffgebundenem, mineralischem Füllgranulat, z. B. Sand, aufweist.
2. Faserverstärktes Kunststoffrohr nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ausser der mit orientierten Langfasern armierten Schicht noch mindestens zwei mit kurzen Fasern von z. B. 20 bis 30 mm Länge armierte Schichten aufweist, wobei zwischen zwei armierten Schichten jeweils eine Distanzschicht aus kunststoffgebundenem mineralischem Füllgranulat, z. B. Sand, vorgesehen ist.
3. Faserverstärktes Kunststoffrohr nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzfasern wenigstens der einen zusätzlichen Schicht ohne spezifische Orientierung im Kunststoff eingelagert sind.
4. Faserverstärktes Kunststoffrohr nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzschicht aus kunststoffgebundenem Granulat wenigstens in den den faserverstärkten Schichten benachbarten Randzonen Glasfasermaterial enthält.
PATENTANSPRUCH II
Verfahren zur Herstellung eines Rohres nach Patentanspruch I, bei welchem Fasermaterial und Kunststoff einer mit horizontaler Achse rotierenden Form zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das in Form von Faserstäcken auf die sich in der rotierenden Form bildende Kunststoffschicht abgegebene Fasermaterial spätestens nach dem Auftreffen des vorangehenden Faserstückendes auf dieser Schicht in Stücklängen von wenigstens 4 cm geschnitten wird, wobei diese Faserstücke mit ihrer Längsachse in Umfangrichtung des Rohres orientiert kontinuierlich auf die Schicht aufgebracht werden.
UNTERANPRÜCHE
5. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Langfasern nahe der Innenwand der Rohrform in Umfangsrichtung und mit einer Geschwindigkeit, die höchstens gleich oder kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit der Rohrform ist, an die sich bildende Kunststoffschicht abgegeben werden.
6. Verfahren nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass unter Bildung aufeinanderfolgender, durch den Kunststoff unter sich verbundener Schichten, die für die Erzeugung der jeweiligen Schicht erforderlichen Materialien kontinuierlich dem in der rotierenden Form hin- und herbewegten Abgabekopf zugeführt und von dort an die Forminnenwand bzw. die sich bildende Schicht abgegeben werden.
7. Verfahren nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstücke erst im Abgabekopf von einem oder mehreren gleichzeitig dem letzteren zugeführten Faden abgeschnitten werden.
8. Verfahren nach Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laugfaserstücke erst abgeschnitten werden, wenn ihr vorangehendes Ende die sich bildende Kunststoffschicht erreicht hat.
9. Verfahren nach Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern erst dann vollständig aus einer Führung des Abgabekopfes austreten, wenn ihr vorangehendes Ende die sich bildende Kunststoffschicht erreicht hat.
10. Verfahren nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in Umfangsrichtung zu orientierenden Faserstücke auf ihrem Weg vom Abgabekopf zur sich bildenden Kunststoffschicht einen diese Orientierung unterstützenden Luftstrom passieren.
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