DE2920989A1 - Bauwerkstoff insbesondere fuer kryogene behaelter und mit einem derartigen werkstoff versehener behaelter - Google Patents

Bauwerkstoff insbesondere fuer kryogene behaelter und mit einem derartigen werkstoff versehener behaelter

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DE2920989A1 DE19792920989 DE2920989A DE2920989A1 DE 2920989 A1 DE2920989 A1 DE 2920989A1 DE 19792920989 DE19792920989 DE 19792920989 DE 2920989 A DE2920989 A DE 2920989A DE 2920989 A1 DE2920989 A1 DE 2920989A1
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Description

Hos--.it«----i
E3. Mai 1979
TECHNIGAZ , 78 310 Maurepas/Frankreich
"Bauwerkstoff insbesondere für kryogene Behälter und mit einem derartigen Werkstoff versehener Behälter"
(Zusatz zu P 26 08 459.3)
Die vorliegende Zusatzanmeldung betrifft verschiedene Verbesserungen und Veränderungen zu der in dem Hauptpatent sowie in dem ersten Zusatzzeugnis zu letzterem beschriebenen Erfindung.
Wie es die vorliegende Anmelderin bewiesen hat, kann man durch die richtige Wahl der jeweiligen Stärke der verschiedenen Schichten des Verbundmaterials, welches in dem Hauptpatent sowie in dem ersten zugehörigen Zusatzzeugnis beschrieben ist, sowie gleichzeitig durch das Auswählen spezifischer Werkstoffe zur Bildung der jeweiligen Lagen dieses Mehrschichtenmaterials die besten Eigenschaften, was die Dichtigkeit gegenüber Flüssigkeiten oder Medien, die mechanische Widerstandsfähigkeit sowie die Biegsamkeit anbetrifft, erzielen, wie das in der Folge näher erläutert wird.
Das geschichtete Verbundmaterial nach dem Hauptpatent weist wenigstens drei kontinuierliche aufeinandergelegte Schichten bzw.
909848/0858
Lagen aus biegsamem, kältebeständigem Material auf, die durch Klebung, Schweissung oder ähnliche gleichwertige haftende Oberflächenverbindung zusammengesetzt oder vereinigt werden, wobei wenigstens eine erste Endschicht, die als fester bzw. mechanisch beständiger Träger wirkt, mindestens eine Zwischenschicht, die aus einer dichten Folie bzw. Haut besteht, sowie mindestens eine zweite Endschicht, die die gleiche Struktur wie die erste Endschicht aufweisen kann, vorgesehen sind.
Gemäss einer ersten Ausführungsform des Werkstoffes nach dem genannten Hauptpatent besteht die erste Endschicht aus einem Gewebe aus Mineralfasern, wie z.B. Glasfasern, während die Zwischenschicht sich aus Metall zusammensetzt und insbesondere durch eine Folie aus Aluminium oder rostfreiem Stahl gebildet ist. Wie in dem vorgenannten Patent erwähnt, besteht die zweite Endschicht aus einem Elastomer.
In dem Hauptpatent ist ebenfalls eine zweite Ausführungsform beschrieben, bei welcher die erste Endschicht aus einem Gewebe aus Mineralfasern, insbesondere aus Glasfasern besteht, während die Zwischenschicht aus Metall besteht und insbesondere durch eine Folie aus Aluminium oder rostfreiem Stahl gebildet ist, wobei die zweite Endschicht ebenfalls aus einem Gewebe aus Mineralfasern, insbesondere Glasfasern, zusammengesetzt ist, so dass der so aufgebaute geschichtete Verbundwerkstoff insbesondere als sekundäre Dichtheitssperre in der wärmeisolierenden Mehrschichtenwandung eines Behälters für sehr kalte Flüssigkeiten eingesetzt werden kann.
Nach einer dritten Ausführungsform des Hauptpatents besteht der geschichtete Verbundwerkstoff aus vier Schichten, von welchen die drei ersten nach der oben erwähnten zweiten Ausführungsform aufgebaut sind, wobei die vierte Schicht, die die genannte zweite Endschicht deckt, aus einem Elastomer besteht und für letztere eine mechanische Schutzumkleidung bildet, so dass ein derartiges Verbundmaterial zur Bildung einer ersten Dichtheitssperre in der wärmeisolierenden Mehrschichtenwandung eines kryogenen Behälters eingesetzt werden kann.
909848/0858
Der geschichtete Verbundwerkstoff nach dieser Zusatzanmeldung entspricht im allgemeinen dem in dem Hauptpatent sowie in dem ersten zugehörigen Zusatzzeugnis beschriebenen Material und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke beider Endschichten 0,3 bis 0,6 mm beträgt, während die Stärke der Zwischenschicht 0,04 bis 0,10 mm stark ist.
Sofern dieser geschichtete Verbundwerkstoff eine vierte Schicht aus Elastomer, die die zweite Endschicht deckt, aufweist, beträgt nach der vorliegenden Zusatzanmeldung die Stärke dieser vierten Schicht 0,3 bis 1 mm.
Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform dieser Zusatzanmeldung . in welcher das geschichtete Verbundmaterial nur drei Schichten umfasst, bestehen die zwei genannten Endschichten, deren Stärke jeweils 0,3 bis 0,6 mm beträgt, aus Glasfasergewebe, während die genannte Zwischenschicht vorzugsweise aus Aluminium oder rostfreiem Stahl zusammengesetzt ist, wobei Aluminium doch bevorzugt wird. Die jeweiligen Stärken der Fasergewebeschichten betragen dann vorteilhafterweise 0,3 bis 0,4 mm, während die Zwischenschicht aus Aluminium dabei vorzugsweise 0,04 bis 0,07 mm stark ist.
Gemäss einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Zusatzanmeldung, bei welcher das Verbundmaterial aus vier Lagen Zusammengesetz ist, weisen drei dieser Lagen, die aufeinanderfolgend angeordnet sind, die Eigenschaften des genannten Dreischichten-Werkstoffes nach der ersten bevorzugten Ausführungsform dieser Zusatzanmeldung auf, wobei die vierte Lage, die auf der zweiten Endschicht aus Glasfasergewebe gelegt ist, aus einem Elastomer besteht und eine Stärke von 0,3 bis 1 mm besitzt.
Das in dem geschichteten Verbundwerkstoff nach der vorliegenden Zusatzanmeldung eingesetzte Elastomer, welches in Form einer Schicht mit einer Stärke von 0,3 bis 1 mm vorliegt, wird vorzugsweise unter den Polyurethanen der Art Polyäther gewählt und besteht z.B. aus dem unter der Handelsbezeichnung - ""Adiprene11 bekannten Produkt» Dieses Elastomer kam daneben unter den Polychloroprene^ die insbesondere unter der Handelsbezeichnung "Neoprene" bekannt sind, gewählt werden vm& gleichfalls aus chlorosulfonier-
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tem Polyethylen wie ζ.Β» aus dem unter der Handelsbezeichnung "Hypalon" bekannten Produkt bestehen.
Im allgemeinen weist der geschichtete Verbundwerkstoff nach dieser Zusatzanmeldung in Kombination mit den oben erwähnten Merkmalen, alle oder gewisse Eigenschaften, auf die in dem vorgenannten Hauptpatent und in dem ersten zugehörigen Zusatzzeugnis beschrieben und beansprucht sind. Selbstverständlich kann dieser Werkstoff für alle gesamten im Hauptpatent und dem ersten zugehörigen Zusatzzeugnis beschriebenen Anwendungen eingesetzt werden.
Die folgende Zusatzanmeldung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur oberflächenmässigen Verbindung von Folien aus dem genannten Verbundwerkstoff, welcher zwei Endschichten aus Glasfasergewebe aufweist, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die angrenzenden Folien so angeordnet sind, dass ihre Umfangsränder aufeinanderliegen, wobei ein Klebstoff zwischen den beiden, durch ihre Rander miteinander in Berührung stehenden, faserigen Endschichten aufgetragen wird, der in die Fasern der genannten Endschichten dringt und auf diese Weise eine stark widerstandsfähige Verbindung zwischen den genannten angrenzenden Folien sichert.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in welcher bevorzugte Ausführungsformen erläutert werden.
Die Ausführungsform, bei welcher die zwei Endschichten des geschichteten Verbundwerkstoffes aus Glasfasergewebe bestehen, lässt überraschende Ergebnisse erzielen, da in sehr einfacher Weise mit diesem Werkstoff eine einwandfrei dichte Schutzumkleidung für kryogene Behälter in der Weise gebildet werden kann, dass, wie schon erwähnt, Folien aus dem genannten Material durch ihre Fläche aneinander angrenzend angeordnet und entlang ihrer sich überlappenden Umfangsränder mit Hilfe eines Klebers miteinander verbunden werden, ohne dass dabei ein Druck ausgeübt werden soll, indem die Verbindung bei Raumtemperatur durchgeführt werden kann.
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Dieser bemerkenswerte Vorteil ist insbesondere auf den symmetrischen Aufbau des geschichteten Verbundwerkstoffes nach der vorliegenden Ausführungsform zurückzuführen, da dieser Aufbau die Berührung von zwei rauhen Schichten aus Fasern miteinander unter solchen Bedingungen vorsieht, dass die Bindungskraft am stärksten ist. Diese feste Bindung lässt sich einerseits wegen der nicht glatten Oberfläche beider gegenüberliegenden Schichten erzielen, so dass entlang der Umfangsränder der Verbundwerkstoff-Folien ein einwandfreies Haftvermögen beider Schichten besteht und ist andererseits auf die Durchdringung des Klebers in die jeweiligen Schichten hinein beiderseits ihrer Grenzfläche zurückzuführen, wobei dies eben durch die poröse Struktur dieser Schichten gewährleistet ist.
Unter diesen Bedingungen kann ohne Erhitzung und ohne Druckkraftaufwand eine besonders zufriedenstellende Verbindung geschaffen werden und die Zusammenfügung der genannten Folien kann besonders einfach mit der Hand durchgeführt werden.
Mit dem geschichteten Verbundwerkstoff gemäss der vorliegenden Zusatzanmeldung ist daneben die Gefahr einer Trennung bzw. Ablösung der jeweiligen Folien, die sonst mit äusserlich glatten Oberflächen immer besteht, ausgeschlossen.
Die vorliegende Anmelderin möchte nun auf die kritische Bedeutung der verschiedenen vorgenannten Stärkewerten hinweisen, sofern man mit dem geschichteten Verbundwerkstoff nach der vorliegenden Zusatzanmeldung sehr gute Eigenschaften bezüglich der Biegsamkeit, der mechanischen Widerstandsfähigkeit und der Dichtigkeit erzielen will.
Zuerst besitzen die Glasfasergewebeschichten mit einer Stärke, die geringer als 0,3 mm ist, eine Zugfestigkeit, die zur Aufnahme der Spannungen, die im Bereich der Fugen zwischen den wärmeisolierenden Paneelen einer wärmeisolierenden Mehrschichtenwandung auftreten, nicht ausreicht. Der erfindungsgemässe geschichtete Verbundwerkstoff ist eben als primäre oder sekundäre Dichtheitssperre auf den Paneelen der Mehrschichtenwandung gelegt und die genannten Beanspruchungen sind auf die thermische Zusammenziehung letzterer zurückzuführen. Solche dünnere Glasfasergewebeschichten sind ausserdem nicht in der Lage, den Beanspruchungen, die durch
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den zufälligen Bruch oder das unwillkürliche Abreissen eines Panels der darüber!legenden wärmeisolierenden Mehrschichtenwandung hervorgerufen werden, Widerstand zu leisten.
Die Stärke der Glasfasergewebeschichten darf nicht 0,6mm überschreiten, da die auf die thermische Zusammenziehung des Werkstoffes zurückzuführenden Spannungsbeanspruchungen zu dem Bruch des isolierenden Materials im Bereich der Flächenwinkel der isolierenden Wandung führen können. Die Verankerungsmittel, die zur Befestigung der Membran bzw. der dünnen Haut sowie zur Aufnahme der Zusammenziehungsbeanspruchungen dienen, sind eben im Bereich der genannten Flächenwinkel angeordnet. Dadurch dass die Stärke der jeweiligen Schichten auf den genannten Wert beschränkt ist, erhält der geschichtete Verbundwerkstoff nach der vorliegenden Zusatzanmeldung eine Biegsamkeit bzw. Nachgiebigkeit, die zur Aufnahme der ausgeübten Lasten oder Beanspruchungen ohne Bruchgefahr ausreicht.
Der Einsatz einer zu starken Zwischenschicht, deren Stärke 0,10 mm überschreitet, führt zur Erscheinung von Wärmeschrumpfungsbeanspruchungen, die den Bruch der Isolierung in den Flächenwinkeln hervorrufen können. Eine derartige Stärke verringert ausserdem die Biegsamkeit des Werkstoffes, so dass dessen Einsatz bzw. dessen Handhabung schwieriger vorkommt.
Mit einer Zwischenschicht,deren Stärke geringer als etwa 0,04 mm ist, besteht die Gefahr, dass dadurch die genannte Schicht porös wird und dass der Verbundwerkstoff an Dichtigkeit verliert.
Man kann ausserdem bemerken, dass, sofern die Zwischenschicht aus Aluminium besteht, der angebotene Stärkebereich die Herstellung durch einen Walzvorgang von Aluminiumfolien grosser Abmessungen mit einer Breite, die z.B. 1,50 m erreichen kann, ermöglicht, so dass grossflächige Folien für den Verbundwerkstoff nach der vorliegenden Zusatzanmeldung zur Verfügung stehen.
Für die Elastomerschicht, die als Deckschicht einer faserigen Endschicht in einem vierschichtigen Material dient, reicht eine Stärke von weniger als 0,3 mm nicht aus, um den mechanischen Schutzeffekt zu gewährleisten. Insbesondere wenn diese Elastomer-
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schicht eine Faserschicht, wie z.B. eine Glasfasergewebeschicht deckt, kann eine Stärke von weniger als 0,3 mm aus folgendem Grund die notwendige Verschleissfestigkeit nicht erreichen lassen: Durch die Unregelmässigkeiten der Grenzfläche zwischen der Faserschicht und der Elastomerschicht, weist die genannte Elastomerschicht zwangsweise eine veränderliche Stärke auf, die im Bereich der Erhebungen oder Spitzen der faserigen Fläche am dünnsten ist, so dass in diesen örtlichen Bereichen die mechanische Schutzwirkung ungenügend ist. Das Elastomer wird tatsächlich in diesen Bereichen durch Reibung abgeschliffen, so dass die Glasfaser freigesetzt und dadurch einer Bruchgefahr ausgesetzt werden. Im Gegensatz dazu sind alle Bereiche der darunterliegenden faserigen Schicht einwandfrei geschützt, wenn die Stärke der Elastomerschicht 0,3 bis 1 mm beträgt, so dass jegliche Bruchgefahr ausgeschlossen ist.
Glasfasern werden vor denanderen Faserarten bevorzugt, da diese gegenüber den anderen Fasern, mit Ausnahme der aromatischen Polyamidfasern bzw. Aramidfasern, wie die Fasern aus dem Produkt wKevlarn,das durch die Firma duPONT de NEMOURS vertrieben wird, eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen. Obwohl die Faser aus "Kevlar" eine höhere mechanische Festigkeit als die Glasfasern besitzen, sind sie wegen dem Young-Modul und ihrem Wärmedehnungskoeffizienten, die jeweils wesentlich grosser als die entsprechenden Modulen der Glasfasern sind, ungünstig. Mit solchen Fasern entstehen Wärmeschrumpfungsbeanspruchungen, die wesentlich stärker als die Beanspruchungen, die sich aus der thermischen Schrumpfung des Glasfasergewebes ergeben, sind, wenn der schichtige Verbundwerkstoff nach der vorliegenden Zusatzanmeldung als Dichtheitssperre zur Deckung der Paneele, die die wärmeisolierende Mehrschichtenwandung eines kryogenen Behälters bilden, eingesetzt wird. Diese Beanspruchungen werden senkrecht zu den Fugen zwischen den genannten Paneelen ausgeübt. Die Glasfasern besitzen daher eine Vielzahl von besonders günstigen Eigenschaften, so dass deren Einsatz zur Herstellung des Werkstoffes nach dieser Zusatzanmeldung bevorzugt wird.
Selbstverständlich kömien. die jeweiligen Schichten aus Glasfasergewebe des Verbundwerkstoffes nach der vorliegeaden Zusatzanmeldung verschiedene spezifische Strukturen aufweisen, wobei wegen der höheren Mechanischen WiderstaneLsf©stigkeit das Glasfasergewebe am
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besten geeignet ist.
Man möchte ebenfalls darauf hinweisen, dass der Verbundwerkstoff nach dieser Zusatzanmeldung ein einwandfreies Verhalten gegenüber der zyklischen Beanspruchungen aufweist und dass seine Dichtigkeits e igenschaften gegenüber Flüssigkeiten und Gasen im Vergleich zu den anderen biegsamen Membranen, die in den wärmeisolierenden Verbundwändungen für kryogene Behälter nach dem Stand der Technik eingesetzt sind, wesentlich verbessert sind. So erzielt man für einen Druckunterschied von 1 bar zwischen beiden Seiten der Membran gemäss der vorliegenden Zusatzanmeldung, die aus zwei Endschichten aus Glasfasergewebe sowie einer Zwischenschicht aus Aluminium besteht und mit den Membranen jeweils aus wMylarw (Handelsbezeichnung eines Erzeugnisses der Firma duPONT de NEMOURS), aus Silikon-Elastomer und aus Butyl-Gummi, für die Durchlassleistung folgende Werte :
- Werkstoff nach der vorliegenden Zusatz- : D = 6.10""* cnrVj.m anmeldung
•χ ρ
- Membrane aus "Mylar" : D = 12 cnr/j.m
- Membrane aus Silikon-Elastomer : D = 3,91o5cm^/jm
- Membrane aus Butyl-Gummi : D = 1,
Man müsste ebenfalls bemerken, dass die oben erwähnten bekannten Membranen nur schwierig herstellbar sind, dass die Zusammenfügung der Folien aus den entsprechenden Materialien zur Bildung einer kontinuierlichen Haut einen Schweissvorgang bzw. den Einsatz von Klebstoff mit gleichzeitiger Ausübung einer Druckkraft erförderlich macht, was mit dem Werkstoff nach der vorliegenden Zusatzanmeldung,wie schon erwähnt, nicht der Fall ist.
Die folgende Tabelle nennt die Zugfestigkeitswerte des geschichteten Verbundwerkstoffes der folgenden Zusatzanmeldung, der in diesem Fall aus zwei Endschichten aus Glasfabergewebe und aus einer Zwischenschicht, die durch eine Aluminiumfolie gebildet ist, besteht, wobei die jeweiligen Glasfasergewebeschichten eine Stärke von O,3mni aufweisen, während die Stärke der Aluminiumfolie O904 mm beträgt ;
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-y-
J Zugfestigkeit : Versuchstemperatur : '. -196°C :
: Aufgebrachte Beanspruchung bis
: zum Bruch bzw. Riss von
: 1 Meter der Membrane		 200C 26 Tonnen \
•
•
•
\ Bruchbeanspruchung <Γ^
•
*		 15 Tonnen 5250 bar :
• 3000 bar
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Claims (8)

PAT EN TANSPRUCHE
1. - Geschichteter Verbundwerkstoff, der als dichtes geschichtetes
Bauhalbprodukt in Form von verhältnismässig dünnen und biegsamen Folien, Bändern oder Bahnen vorliegt, mit mindestens einer Zwischenschicht, die mit zwei Endschichten bzw. äusseren Schichten in Berührung steht, nach einem der Ansprüche des Hauptpatentes, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Endschichten dieses Werkstoffes eine Stärke von 0,3 bis 0,6 mm und die Zwischenschicht eine Stärke von 0,04 bis 0,10 mm aufweisen.
2. - Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn-
zeichnet, dass die erste Endschicht aus einem Mineralfasergewebe, insbesondere aus Glasfasergewebe besteht, während die Zwischenschicht durch eine Folie aus Aluminium oder rostfreiem Stahl gebildet ist, und dass die zweite Endschicht ebenfalls aus einem Mineralfasergewebe, insbesondere aus Glasfasergewebe zusammengesetzt ist»
3. - Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Endschichten aus Glasfasergewebe bestehen und dass die Zwischenschicht durch eine Folie aus Aluminium oder rostfreiem Stahl gebildet ist.
4. - Verbundwerkstoff nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , dass die zwei Endschichten aus Glasfasergewebe bestehen und dass die Zwischenschicht durch eine Aluminiumfolie gebildet ist.
5. - Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine vierte Schicht aus Elastomer vorgesehen ist, die auf die zweite Endschicht unmittelbar gelegt ist, wobei die Stärke der genannten vierten Schicht 0,3 bis 1 mm beträgt.
6. - Verbundwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass Jede Glasfasergewebeschicht
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ORIGINAL INSPECTED
eine Stärke von 0,3 bis 0,4 mm besitzt, während die Stärke der Aluminiumfolie 0,04 bis 0,07 mm beträgt.
7. - Verbundwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass das genannte Elastomer unter den Elastomer-Polyurethanen, den Polychloroprenen und den eiastomeren chlorosulfonierten Polyethylenen gewählt wird.
8. - Verfahren zur oberflächenmässigen Verbindung von Folien aus
dem genannten Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die angrenzenden Folien des Werkstoffes so angeordnet sind, dass ihre Umfangsränder aufeinanderliegen, und dass zwischen diesen Rändern ein Klebstoff aufgetragen wird, um nach der Eindringung des genannten Klebstoffes in die Faser beider in Berührung stehenden faserigen Endschichten und nach erfolgter Trocknung des Klebstoffes bzw. des Klebers die genannten Folien dicht und fest miteinander zu verbinden bzw. aneinanderheftend zu halten.
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