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"Verbundbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung"
Die Erfindung bezieht sich auf leichte, formbeständige, isolierende und
sehr widerstandsfähige Verbundbauelemente in Form von Platten, Rohren oder
Blöcken und auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
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Derartige Verbundbauelemente bestehen im wesentlichen aus einer starren,
vorzugsweise gewellten, aber beispielsweise auch zickzaekförmigen oder in
einer anderen Weise
winklig gebogenen Armierung, die ihrer jeweiligen Ausbildung
entsprechend geformte Kanäle aufweist, welche
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je nach dem Verwendungszweck des Verbundbauelements ent-weder
mit steifem oder halbsteifem Schaumstoff gefüllt und mit einer Abdeokfolie
verkleidet sind. Die Armierung selbst
besteht aus einem faserförmigen
Harz, in das Veratärkungseleb mente eingelassen sind.
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Die so hergestellten Verbundbauelemente eignen sich
zur
Verwendung als Stützelemente, wie beispielsweise Träger oder Stützpfeiler, und insbesondere
als Zimmerwände, Fussböden, Zimmerdecken u.dgl., weil es Konstruktion und Herstellungsverfahren
der Verbundbauelemente gestatten, diese mit sehr grossen Abmessungen herzustellen.
In zylindrischer Form und mit anderen Profilen können die Verbundbauelemente für
den Bau von Rohren und Kanälen u. dgl. verwendet werden und es können für alle architektonischen
und baulichen Erfordernisse und Besonderheiten geeignete Verbundbauelemente hergestellt
werden. So können die Verbundbauelemente beim Hochbau als vorgefertigte Bauelemente,
Zimmergerüste, Zimmerwände u.dgl. verwendet werden, ebenso aber auch für den Bau
von Schutzräumen
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gegen atomare Niederschläge, Brücken, Überführungen, Docks, Booten,
Fähren, Schwimmbecken, Rohren, Rohrleitungen, Fahrzeugen, Ausrüstungsteilen, Radartürmen
u.dgl.
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In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt.
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Die Fig. 1 bis 6 zeigen verschiedene teilweise im Schnitt dargestellte
perspektivische Ansichten von erfindungsgemässen Verbundbauelementen, die
jeweils im wesentlichen aus Armierungselementen 10, 11 bzw. 11t
be-
stehen, die derart ausgebildet sind, dass sie parallel nebeneinanderliegende
Kanäle 20 bzw. 20f bilden,
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welche mit einem Schaumstoff 30 gefällt sind,
wobei eine
Abdeckfolie 40 mittels eines geeigneten Klebers
auf dem Schaumstoff 30 befestigtzst. Die Verbundbauelemente der Fig. 1 und 6 Sind
flache oder ebene Platten, während es sich bei den Bauelementen nach den Fig. 2,
3 und 5 um winkelförmige oder gewölbte Platten handelt. Die Armierungselemente der
in den Fig. 2 und 3 dargestellten Verbund-Bauelemente sind so ausgebildet, dass
an den äusseren Winkelkanten der Bauelemente Kanäle 24 bzw. 25 gebil-
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det werden. Dagegen weist das Bauelement der Fig. 5 ein
besonderes winkelförmiges Armierungselement 17 auf, mit dem zu beiden Seiten
die Armierungselemente 11 als Schenkel verbunden sind. Das winkelförmige Armierungselement
17 bildet einen Kanal 23.
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Fig. 4 zeigt ein gewölbtes Verbundbauelement gleicher Konstruktion,
das ein entsprechend geformtes Armierungselement 10'aufweist.
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Während beiden in den Fig. 1, 2, 3 und 4 dargestellten Verbundbauelementen
die Kanäle 20 alle nach einer Seite
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hin, nämlich an der mit der Abdeckfolie 40 verklebten Seite, randoffen
sind, sind die Armierungselemente 11 und 11' der in den Fig. 5 bzw. 6 dargestellten
Verbundbauelemente so ausgebildet, dass die Kanäle 20 bzw. 20' abwechselnd um
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1800 versetzt, also abwechselnd nach beiden Seiten hin randoffen
sind.
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Die Fig. 7, 8 und 9 sind perspektivische Schnittante
sichten
einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die Verbundbauelemente der Fig. 7 und
8 verwenden jeweils
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eine Doppelarmierung, die aus zwei spiegelbildlich miteinander verbundenen
Armierungselementen 12 besteht. Das Verbundbauelement der Fig. 9 weist ebenfalls
eine Doppels,rmierung auf, doch ist in diesem Fall ein Armierungselement 12 mit
einem anders ausgebildeten Armierungseiement 13 verbunden. Die Doppelarmierungen
bilden von den
Armierungselementen 12 bzw. 12 und 13 an allen Seiten
eingeschlossene
Mittelkanäle 21 sowie sich gegenüberlie-
gende und jeweils-zur entgegengesetzten
Seite hin randoffene Kanäle 31. Bei diesen Verbundbauelementen sind die Mittelkanäle
21 und die randoffenen Kanäle 31 ebenfalls
mit dem Schaumstoff 30 gefüllt
und die Verbundbauelemente der Fig. 7 und 9 sind an beiden Seiten mit
der Abdeokfolie 40 beklebt.
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Die Fig. 10 ist eine teilweise im Schnitt darge-
stellte
perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Verbundbauelemente,
das unterbrochene Armierungen 14 aufweist, die mit dem Schaumstoff 30 gefüllte
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Kanäle 26 begrenzen. Beide Seiten des Verbundelementes tragen
Abdeckfolien 40.
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Fig. 11 ist
eine perspektivische Ansicht eines mit
Hilfe des Armierungselements 11
hergestellten und die
mit
dem Sohaumstoff
30 gefüllten
Kanäle 20 aufweisenden
Verbundelemente der Fig. 18 und 20 gewölbte Profile aufweisen,
während
es sich
bei dem in Fig. 19 dargestellten Verbundbauelement
um ein Rohratüak mit quadratischem
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Querschnitt handelt.
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Fig. 21 ist eine perspektivische Ansicht einer weieren Ausfü?rungsfcrm
der Erfindung, nach der das Verbund @@@@zal.e!ent eine zickzackfö:rmise Armierung
16 aufweist,
iae abwechselnd nach der jewei3@ diametral entgegenge-
setzten
Seite hin randoffene und mit dem Schaumstoff 30 gefüllte, im wesentlichen
V-förmige Kanäle 28 hat, deren
randoffene Seiten mit den auf der
zickzackförmigen Armierung 16 und dem Schaumstoff 30 festgeklebten Abdeckfolien
40 verkleidet sind.
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Die Pig. 22, 23 und 24 sind perspektivische Ansichten
verschiedener
Ausführungsformen von gewellten, die Kanäle
22 bildenden Armierungen
15, die mit in einem Harz 60 eingelassenen Verstärkungselementen 50
versehen sind. Hei der Ausführung gemäss Pig. 22 erstrecken
sich die Veretärkungselemente 50 in Länge- und Querrichtung, gemäe@ fig.
23 nur in Längsrichtung und gemäss ?ig. 24 nur in
Querrichtung.
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Die beschriebenen Verbundbauelemente werden nach
folgendem
Verfahren hergestellt:
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In der ersten Phase wird eine Mehrzahl von
Ver-
steifungsschichten zusammen mit Harzfaserechichten geetreokt.
Die Vereteituageeohiohten können verhältnia-
mässig
kurz sein und brauchen beispielsweise einige Zentimeter Länge nicht zu überschreiten,
doch werden vorzugsweise Schichten von wenigstens fünf 71o11 Länge verwendet. Falls
erforderlich, kann die Länge der Schichten aber auch einige Meter betragen. Auch
das aus Fäden bestehende Harz wird vorzugsweise in Form langer Schichten verwendet.
Die Schichten werden dann einer Quer- und Lä,ngszugspannung unterzogen, damit sich
die Armierungselemente dehnen und eine Matte bilden. Da die Harzschichten während
des Streckens nicht ganz bleiben dürfen - tatsächlich brechen sie unter normalen
Bedingungen in kleine Stücke - ist die obere Streckgrenze der Wert, bei dem-die
Schichten zerreissen. Vorzugsweise wird jedoch eine derartige Zugspannung ausgeübt,
dass die Armierungsechichten im wesentlichen um das 3 bis 6-fache ihrer ursprünglichen
Länge ausgedehnt werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind
die Armierungselemente in der
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Matte deshalb wenigstens 45 cm lang.
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Die Armierungs- oder Verstärkungselemente können Fasern aus Glas oder
Nylon sowie Fäden aus Metall oder anderen festen Werkstoffen sein. Es werden
aber vorzugs-weise Glasfasern als Verstärkungselemente verwendet, und
zwar beispielsweise Glasfasern, die beste Widerstandsmerkmale, Kompatibilität
und Haftvermögen an den anderen
zur Verwendung kommenden Komponenten
haben.
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Das Faserharz ist vorzugsweise ein Polyesterharz, Epoxydharz,
Phenolharz od.dgl. und wird vorzugsweise in Form thermoplastischer Platten verwendet.
Die Verstö,rkungeelemente und das Harz werden vorzugsweise in einem
Verhältnis von 90 t 10 verwendet, doch kann da® Verhältnis auch 80-95 g6 Verstärkungselemente
und 5-220 96 Faserharz betragen.
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Verwendet werden können alle handelsüblichen Epoxydharze, von denen
einige, wie beispielsweise das Diz3'zlopentadir_dioxyd, das Vinylzyklohexandioxyd
mit Epichl orhydrin und Bisphenol-A in Verbindung finit Här-@emitteln, wie Phthalanhydrid,
Maleinanhydrid, Diäthyltriamin, Methyldiani=
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lin oder Diäthyltetramin zur Anwendung kommen. 1s können auch
die üblichen Verbeaserunge- und Modifikationamittel vorhanden sein.
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Zu den verwendbaren Polyesterharzen gehren die
üblichen
ungesättigten Polyester, die aus zweibasischen
Säuren und ihren Anhydriden,
wie Phthalanhydrid, Maleinanhydrid, Fumarsäure, zsophthaleäure und ldipinegure,
mit Alkoholen 31% z.H. Glykole, Propylalkohol,, Diäthylalkohol`
oder Dipropylalkohol in Gegenwart von Agenzien mit
Querverbindungen,
wie Styrol, substituierte Otyrole und
Diallylphthal beatten.
Modifikationsmittel und andere
Stoffe, wie beispielsweise Stabilisatoren
von der Art
des Hydrochinon, können ebenfalls vorhanden
sein.
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Zu den verwendbaren Phenolharzen gehören die gewöhnlichen Phenolharze,
die durch Kondensation von Monohydridphenoleng wie Phenol, Xylenole
und mehrkernige Phenole oder auch von Polyhydridphenolen, wie Resorzinol,
Hydrochinon, Pyrogallol, Pisphenol A, mit einem Aldehyd, wie Formaldehyd,
Furfurol oder Allylaldehyd, in Gegenwart von gewöhnlichen sauren und/oder
basischen Katalysa-toren gebildet werden. Es können such andere Zusätze oder
Modifikationsmittel vorhanden sein.
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Gemäss einer Ausführungsvariante dieses Verfahrens-schritte
werden das Faserharz und die Verstärkungselemente
auf einer ebenen Oberfläche
ausgebreitet und beider Fasern werden um etwa das Drei- bis Sechsfache
ihrer ursprUng-7ichen Längt ausgedehnt, um eine Matte zu bilden. Es
hat sich herausgestellt, dass eine derartige Matte eine gute
Kohäsion
suiweist, die sich aus dem körperlichen Kontakt des Verstärkungselements
mit dem Harz ergibt, so dass
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das Produkt anschliessend im wesentlichen wie eine richtige
Matte
behandelt werden kann und nicht wie ein Erzeugnie
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aus losen Fasern. Dies triät besonders für
die' Verwendung von Glasfasern als Verstärkungselemente in Verbindung
mit Polyester- oder eoxydharzfaserschichten zu. Offensicht-
lich
beruht die hervorragende Kohäsion der beiden Arten
auf der Tatsache,
dass jedes Material eine unterschied-
2_iche elektrische
Ladung hat und dass die Harzfäden, die schwächer als die Glasschichten sind, während
der Zehnspannung reissen und sich zwischen die Spalten der gedehnten Glasschicht
setzen.
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in der zweiten Arbeitsphase wird die in der ersten Pese hergestellte
'elatte in die gewünschte Form gebracht, die 1-Aispielsweise wie in ?ig. 12 gewellt
oder gemäss einer° der anderen Figuren der Zeichnungen ausgebildet sein ?-.ann.
Es Kann aber auch jede beliebige andere form gewählt werden, die als Armierung geeignet
ist und Kanäle aufweist, welche mit Schaumstoff gefüllt werden können. Das Formen
selbst erfolgt durch Erwärmen der Werkstoffe bis zu ihrer Plastizität und nachfolgendem
Abkühlen zwecks Härtung. Die Erwärmungstemperatur liegt vorzugsweise im Bereich
von 130 bis 1800C bei einer Erwärmungsdauer von
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1 bis 5 Minuten. Nachdem die Werkstoffe ihre gewünschte
Form
erhalten haben, wird ein flüssiges Harz zugegeben. Das flüssige Harz kann
auf die geformten Werkstoffe durch Spritzen, Giessen oder in einer anderen Weise
aufgebracht werden. Das dazu verwendet* Harz kann ein gewöhnliches
Polyesterharz, Epoxydharz, Phenolharz, Acrylharz od.dgl. sein. Diese Harze werden
vorzugsweise mit dem Monomer und
Katalysator oder Härter und mit
genügender Kontrakt- oder Härteaubstanz verwendet, um die beim ersten Verfahrensschritt
verwendete thermoplastische Phase zu härten.
Bei der dritten
Arbeitsphase des Verfahrens wird . vorzugsweise eine auereichende Menge Harz verwendet,
um das endgültige Mischungsverhältnis der Armierung, nämlich 20-70 % Faserharz und
30-80 % Verstärkungsmaterial, herzustellen. Obwohl die in diesem Stadium des Verfahrens
verwendeten Harze andere sein können als die in der ersten Phase zur Herstellung
der Harzschichten verwendeten Harze, werden vorzugsweise in beiden Phasen die gleichen
Harze verwendet. Auf jeden Fall ist dies hinsichtlich des Verfahrens unwichtig und
es können unterschiedliche Harze verwendet werden, vorausgesetzt, dass sie kompatibel
und komplementär sind. Beispielsweise kann das flüssige Harz ein Acrylharz sein,
das durch Polymerisation eines Acryl-oder Metacrylesters unter normalen Bedingungen
einschliesslich Verwendung von Katalysatoren wie die Peroxyde gebildet wird.
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Nach Zusatz des flüssigen Harzes werden die Harze vulkanisiert,
um mit normalen Mitteln wärmehärtende Werk-
stoffe herzustellen.
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Die so hergestellte Armierung wiegt vorzugsweise zwischen 15,2 und
152 g/cm2. Sie besteht aus einer-innigen Mischung von Verstärkungsfaserschichten
und Harzfaserschichten zusammen mit einem flüssigen Harz, wobei alle enthaltenen
Harzarten thermostatisch gemacht wurden, um ein starres und sehr starkes
und festes Armierungeelement zu erzeugen.
in der vierten
Verfahrensstufe werden die wellenförmi&n oder rechtwinkligen, V-förmigen oder
sonstwie ausgebille t en Kanäle in den Armierungselementen mit dem Schaumstoff gefüllt,
der entweder steif oder halbsteif sein kann, und
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zwar je nach dem Verwendungszweck des fertiger. Verbundbauelements.
Der verwendete Schaumstoff ist vorzugsweise ein Polyurethan, doch kann auch Polystyrol
oder ein ähnlicher Kunststoff verwendet werden. Diese Kunststoffe werden mit gewöhnlichen
Mitteln hergestellt, und zwar im Falle des Polyurethans durch Reaktion eines Polyesters
mit Hydrvxylendgruppen, eines Polyesters oder Glykols mit einem geeigneten
Isocyanat wie TDI und Wasser, um einen steifen Schaum zu bilden.
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Wenn die Kanäle des jeweiligen Armierungselements mit dem Schaumstoff
gefüllt sind, kann auf einer oder beiden Seiten ein beliebiges Materialtals
Verkleidung vorgesehen
r J@
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werden und das Verbundbauelement ist fertig zur Verwendung. Das Verkleidungsmaterial
kann ein Kunststoff von der in .der dritten Verfahrensphase beschriebenen
Art sein. So kann die Verkleidung aus wärmehärtenden, an Ort und Stelle
geformten
Kunststoffen oder aus einer Folie aus Kunst-
stoff, Metall oder
einem anderen Werkstoff hergestelLt
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und mittels eines
geeigneten Klebers, wie beispielsweise'
ein 1p oxydharz oder
ein Polysulfurharz, auf
dem Schaum-
stoff
und der Armierung
befestigt sein.