DE69530376T2

DE69530376T2 - Verstärkungsplatte mit einem oberflächenmaterial auf cellulosebasis, verfahren zur verstärkung einer holzstruktur und die verstärkte holzstruktur

Info

Publication number: DE69530376T2
Application number: DE69530376T
Authority: DE
Inventors: Daniel A Tingley
Original assignee: Tingley Daniel A Corvallis
Current assignee: Tingley Daniel A Corvallis
Priority date: 1994-03-04
Filing date: 1995-02-28
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2015-03-01
Also published as: EP0748279B1; CA2184279A1; EP0748279A1; US5641553A; AU684150B2; EP0748279A4; WO1995023692A1; ATE237466T1; US6051301A; AU1935695A; DE69530376D1

Description

Diese Erfindung betrifft verstärkte Holzstrukturkörper wie z. B. Träger bzw. Balken, Säulen und Gebinde bzw. Fachwerke. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von Verstärkungsplatten mit einem Zelluloseoberflächenmaterial für eine verbesserte Haftung an Holzstrukturkörpern.
Um wettbewerbsfähig zu bleiben, mussten Holzproduktingenieure innovative Gestaltungen in Kombination mit alternativen Materialien schaffen, um die strukturellen Einschränkungen und die Kosteneffektivität von konstruierten Holzprodukten zu verbessern. Beispiele für konstruierte Holzprodukte umfassen verklebte laminierte Holzträger, laminierte Holzsäulen, I-Träger aus Holz und Holzgebinde bzw. Fachwerke. Der Stand der Technik enthält viele Beispiele dieser konstruierten Holzprodukte.
Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung konstruierter Holzprodukte ist die Verbindung von Holzbrettern mit einem Resorzin-Formaldehyd-Harz. Resorzin-Formaldehyd ist der bevorzugte Kleber, da er billig und gut verarbeitungsfähig ist und insbesondere verglichen mit Epoxidharzen eine niedrigere Toxizität aufweist.
Zur Verbesserung der Effektivität von konstruierten Holzprodukten haben neuere Studien die Verwendung von hochfesten Faserplatten als Verstärkung untersucht. Die US-PS 3,769,143 beschreibt Faserplatten in Form von Zelluloseblättern als Dekordeckschichten. Diese Blätter sind mit einem Harz imprägniert, bei dem es sich um Harz-modifizierte vernetzbare Harnstoff-Formaldehyd-Harze handelt, um Furniere für Möbel und Wandplatten bereitzustellen, die schleifbar und bedruckbar sind. Laminate werden unter Verwendung von Furnieren dieser Erfindung hergestellt. Die CH-PS 398023A beschreibt ein verstärktes Holz, das aus einem Holzlaminat zusammengesetzt ist, bei dem eine Verstärkungsplatte, die aus Glasfasern und Harz hergestellt ist, zwischen zwei Holzlaminatschichten angeordnet ist. Bei der Internationalen Holzkonstruktionskonferenz 1988 wurde ein Aufsatz mit dem Titel „Reinforced Glued-Laminated Wood Beams („Verstärkte klebelaminierte Holzträger")" von Herrn Dan A. Tingley präsentiert (nachstehend als Tingley-Aufsatz bezeichnet), der die Verwendung von verstärkten Kunststoffen (RP) in Kleber-laminierten Holzträgern (Glulams) beschreibt. Der Tingley-Aufsatz beschreibt Testergebnisse von Glulams unter Verwendung von Aramidfasern, die unter der eingetragenen Marke KEVLAR^® für eine verstärkte Kunststoffplatte bzw. für verstärkte Kunststoffplatten verkauft werden, die sich an Stellen mit hoher Belastung befinden. Die Ergebnisse zeigten im Vergleich zu nicht verstärkten Trägern bei Trägern mit ei ner KEVLAR^®-Verstärkung eine Verbesserung der Bruchendbelastung von 19%. Der Tingley-Aufsatz beschreibt jedoch kein Verfahren zur Verwendung des Resorzin-Formaldehyd-Harzes („Resorzin") als Kleber für die Verbindung von RP mit Holzlaminatschichten. Die Lehre des Tingley-Aufsatzes führt vielmehr davon weg, Resorzinkleber zu verwenden, und zwar dadurch, dass der Aufsatz die Verwendung von Epoxidharzen zum Kleben von RP an die umgebenden Holzlaminatschichten lehrt, obwohl der billigere technische Kleber Resorzin zwischen den anderen Schichten der Holzlaminatschichten verwendet worden ist.
Es soll daher eine Verstärkungsplatte bereitgestellt werden, die an die Holzstruktur geklebt werden kann, vorzugsweise auf die gleiche Weise, in der die Holzlaminatschichten selbst zusammengeklebt werden, ohne dass deren Oberfläche abgeschliffen werden muss. Ferner sollte eine solche Platte gegenüber einer Feuchtigkeitszersetzung beständig sein und dimensionsstabil sein. Die Feuchtigkeitszersetzung bezieht sich allgemein auf die Fähigkeit eines Materials, seine Integrität zu bewahren, wenn es einer Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Die Dimensionsstabilität bezieht sich allgemein auf die Fähigkeit eines Materials, einer Schrumpfung oder einer Ausdehnung zu widerstehen, wenn es Belastungen ausgesetzt wird.
Ein anderer Bereich des verwandten Standes der Technik ist das Pultrusionsherstellungsverfahren. Die Pultrusion, die in 7 gezeigt ist, ist als kontinuierliches Herstellungsverfahren zur Herstellung von Längen faserverstärkter Kunststoffteile definiert. Die Pultrusion umfasst das Ziehen flexibler Verstärkungsfasern durch ein flüssiges Harzbad und anschließend durch eine geheizte Düse, in der das Kunststoffteil geformt und das Harz gehärtet wird. Es ist bekannt, das mittels Pultrusion eine kontinuierliche Länge verstärkter Kunststoffe hergestellt und eine gewünschte Anordnung und Orientierung von Fasern vorgenommen werden kann, was die Gestaltung der mechanischen Eigenschaften des pultrudierten Teils für eine spezifische Anwendung ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung überwindet die vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik durch Bereitstellen einer Platte zum Verkleben mit einem länglichen Strukturkörper zur Erhöhung der Belastbarkeit des Strukturkörpers, wobei die Platte eine Länge und eine Vielzahl von Hauptoberflächen aufweist, mit

(a) einer Vielzahl von im Wesentlichen ununterbrochenen Fasern entlang der Plattenlänge, die im Wesentlichen parallel zueinander und im Wesentlichen fluchtend zu einer Längsrichtung des Strukturkörpers angeordnet sind, sobald die Platte mit dem Strukturkörper verklebt ist,
(b) einer Harzhülle, die die Fasern enthält und
(c) einem Zelluloseoberflächenmaterial, das mit wenigstens einer Hauptoberfläche der Platte verklebt ist.

Ferner betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit einer Holzstruktur zur Aufnahme von großen Lasten über eine Spannweite, bestehend aus den Schritten:

(a) Herstellen einer Verstärkungsplatte durch Umschließen einer Vielzahl von Verstärkungsfasern mit einer Harzhülle, wobei die Platte eine Hauptoberfläche aufweist,
(b) Verbinden eines Zelluloseoberflächenmaterials mit der Hauptoberfläche der Platte durch einen Kleber und
(c) Verbinden mehrerer Holzteile und der Hauptoberfläche der Platte mit wenigstens einem der Holzteile durch wenigstens einen anderen Kleber.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Holzstrukturkörper zur Aufnahme hoher Belastungskräfte über eine Spannweite, die

(a) mehrere Holzteile, welche miteinander zur Bildung einer einheitlichen Holzstruktur verklebt sind;
(b) eine Verstärkungsplatte mit einer Hauptoberfläche mit einer Vielzahl von Verstärkungsfasern, die in eine Harzhülle eingebettet sind, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zelluloseobertlächenmaterial mit der Hauptoberfläche der Platte durch einen Kleber verbunden ist und dass die Hauptoberfläche der Platte an der Holzstruktur und einem Bereich hoher Spannung durch einen anderen Kleber angeklebt ist, so dass das Zelluloseoberflächenmaterial zwischen der Harzhülle und einer Hauptoberfläche wenigstens eines Holzteils der Holzstruktur sandwichartig angeordnet ist.

Zelluloseoberflächenmaterialien, wie z. B. Papier oder Holz, die mit einem Polyesterharz imprägniert sind, sind dimensionsstabil und gegen einen Feuchtigkeitsabbau beständig. Ferner weisen Zelluloseoberflächenmaterialien eine Oberfläche auf, die der von Holzkörpern ähnlich ist, und stellen daher eine verbesserte Haftung der Platte an der Holzstruktur bereit, vorzugsweise mit einem billigen Kleber wie z. B. Resorzin.
Eine Verstärkungsplatte, die überlegene Hafteigenschaften aufweist, wird durch Umschließen einer Vielzahl von Verstärkungsfasern in einer Harzhülle und Imprägnieren eines Zelluloseoberflächenmaterials mit einem Polyesterharz hergestellt. Das Zelluloseoberflächenmaterial ist an eine erste Seite der Platte geklebt. Eine Holzstruktur wird durch Verbinden einer Mehrzahl von Holzkörpern mit einem Kleber erzeugt. Danach wird die Verstärkungsplatte an der Holzstruktur an einem Bereich mit hoher Belastung angeklebt, und zwar derart, dass das Oberflächenmaterial sandwichartig zwischen der Harzhülle und der Holzstruktur angeordnet ist.
Vorzugsweise ist die Platte mit einem Phenol-Formaldehyd-Harz an die Holzstruktur geklebt.
Vorzugsweise umfasst die Holzstruktur eine Vielzahl durch einen Kleber verbundene Holzlaminatschichten und ein zweites Zelluloseoberflächenmaterial, das mit einem Kleber an eine zweite Seite der Platte geklebt ist, wobei die Platte zwischen einer äußersten Laminatschicht und einer benachbarten Laminatschicht festgeklebt ist.
Die vorstehend genannten Aufgaben und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung können durch die nachstehende detaillierte Beschreibung der Erfindung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Pultrusionsverfahrens, mit dem eine erfindungsgemäße längliche Verstärkungsplatte hergestellt wird, bei der im Wesentlichen alle Fasern parallel zueinander angeordnet und mit einer Längsachse ausgerichtet sind und die ein Zelluloseoberflächenmaterial umfasst, das an jede Seite der Platte geklebt ist.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der erfindungsgemäßen Platte, bei der eine weggeschnittene Ansicht die Ausrichtung und Orientierung der Fasern, aus denen die Platte aufgebaut ist, sowie das Zelluloseoberflächenmaterial zeigt.
3 ist eine Draufsicht auf einen Holzlaminatträger, bei dem sich erfindungsgemäße Verstärkungsplatten zwischen den Laminatschichten befinden.
4 ist eine Draufsicht auf einen Holzlaminatträger, bei dem sich erfindungsgemäße Verstärkungsplatten an der Außenseite des Trägers befinden.
5 ist eine Draufsicht auf einen I-Träger aus Holz, die bevorzugte Stellen von erfindungsgemäßen Verstärkungsplatten zur Verbesserung der Belastbarkeit des I-Trägers zeigt.
6 ist eine Draufsicht auf ein Holzgebinde bzw. -fachwerk, die eine bevorzugte Stelle einer erfindungsgemäßen Verstärkungsplatte zur Verbesserung der Belastbarkeit des Holzgebindes bzw. -fachwerks zeigt.
7 ist eine perspektivische Ansicht eines Pultrusionsverfahrens des Standes der Technik.
Die vorliegende Erfindung kann durch Beginnen mit einer Beschreibung ihrer Anwendung am besten verstanden werden. In den 3 und 4 ist eine Holzstruktur gezeigt, die eine Vielzahl länglicher Holzkörper aufweist, die miteinander verklebt sind, wobei die Struktur im Allgemeinen als Kleber-laminierter Holzträger (Glulam) 10 bezeichnet wird, der eine Mehrzahl von Laminatschichten aufweist.
Eine primäre strukturelle Anwendung laminierter Träger ist das Überspannen eines offenen Bereichs, der als Bereich zwischen den Blöcken 14 dargestellt ist, und das Tragen einer Last, die mit dem Pfeil 16 dargestellt ist. Bei dieser Konfiguration ist die unterste Laminatschicht 18 einer im Wesentlichen reinen Zugspannung unterworfen. Umgekehrt ist die oberste Laminatschicht 20 einer im Wesentlichen reinen Druckbelastung unterworfen. Forscher haben gefunden, dass die Belastbarkeit laminierter Träger durch Hinzufügen von Verstärkungsplatten 22 und 23 in den Bereichen der größten Belastung verbessert werden kann, nämlich am nächsten zu der untersten Laminatschicht 18 oder der obersten Laminatschicht 20. Die Verstärkungsplatte 22 unterscheidet sich von der Verstärkungsplatte 23, da die Platte 22 für Bereiche mit hoher Zugbelastung gestaltet und in diesen Bereichen angeordnet ist, wohingegen die Platte 23 für Bereiche mit hoher Druckbelastung gestaltet und in diesen Bereichen angeordnet ist. In 3 ist die Verstärkungsplatte 22 zwischen der untersten Laminatschicht 18 und der angrenzenden Laminatschicht und die Platte 23 zwischen der obersten Laminatschicht 20 und der daran angrenzenden Laminatschicht angeordnet. In 4 sind die Verstärkungsplatten 22 und 23 auf der Außenseite der jeweiligen Laminatschichten 18 und 20 gezeigt.
In den 3 und 4 entspricht die Länge der Verstärkungsplatte etwa 3/5 der Trägerlänge. Tests haben gezeigt, und dies war im Stand der Technik beschrieben, dass eine Verstärkungsplatte, die 2/5 bis 3/5 des Mittelabschnitts des Trägers bereitstellt, im Wesentlichen den gesamten Nutzen einer Verstärkungsplatte mit voller Länge bereitstellt, jedoch bei niedrigeren Kosten pro Träger. In 3 ist eine Verstärkungsplatte zwischen angrenzenden Laminatschichten montiert und erstreckt sich etwa über 3/5 der Länge des Trägers, wodurch die Abstandshalter 24 angrenzend an die Enden der Verstärkungsplatte 22 angeordnet werden müssen. Die Abstandshalter 24 sind vorzugsweise aus Holz hergestellt. Wenn die Verstärkungsplatte an der Außenseite des Trägers angeordnet ist, wie dies in 4 der Fall ist, dann sind keine Abatandshalter erforderlich.
Die Verstärkungsplatten können alternativ an der Seite des Kleber-laminierten Holzträgers 10 auf der Seite einer oder mehrerer Laminatschicht(en) angebracht werden.
5 zeigt einen I-Träger aus Holz mit Verstärkungsplatten entlang der Oberseite, der Unterseite und auf den Stegabschnitten an den distalen Enden. 6 zeigt ein Holzgebinde oder -fachwerk, bei dem eine Verstärkungsplatte 22 an der Stelle der höchsten Zugbelastung montiert ist. Die 3 bis 6 sind hier angegeben, um einige Anwendungen der erfindungsgemäßen Verstärkungsplatte zu zeigen und sollen nicht alle Anwendungen für alle Arten der Holzstrukturen umfassen, für welche die erfindungsgemäße Verstärkungsplatte geeignet ist. Es sollte beachtet werden, dass die erfindungsgemäßen Verstärkungsplatten auch für feste Holzträger und -säulen sowie für andere Konstruktions-Holzstrukturen wie z. B. laminierte Furniernutzhölzer und diejenigen Produkte geeignet sind, die unter der eingetragenen Marke PARALLAMS^® verkauft werden.
Die erfindungsgemäße Verstärkungsplatte ist in 2 gezeigt. Die Platte 22 umfasst eine Vielzahl von Kunstfasern 24, die im Wesentlichen entlang der Länge der Platte kontinuierlich, im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und im Wesentlichen mit einer Längsrichtung der Platte ausgerichtet sind. Die Fasern 24 werden durch eine Harzhülle 26 in ihrer Anordnung und Ausrichtung gehalten, welche die Fasern umgibt und die Zwischenräume zwischen den Fasern füllt. Die Platte 22 umfasst ferner mindestens ein Zelluloseoberflächenmaterial 31, das an ihrer Oberfläche festgeklebt ist, wie es nachstehend beschrieben wird, um eine verbesserte Haftung der Platte an einer Holzstruktur wie z. B. dem Glulam 10 zu erleichtern. Der Begriff „Harz", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Klasse fester oder halbfester organischer Produkte natürlicher oder synthetischer Herkunft ohne definierten Schmelzpunkt und im Allgemeinen mit hohem Molekulargewicht. Die meisten Harze sind Polymere.
Die parallele Anordnung und die longitudinale Ausrichtung der Fasern 24 stellt eine Platte mit einer maximalen Festigkeit bereit, da die Festigkeit von den Fasern (und nicht von dem Harz) stammt. Gewöhnlich haben verstärkte Kunststoffteile ein Volumenverhältnis der Fasern zum Harz von 40/60. Die Konfiguration der Fasern in der vorliegenden Erfindung ermöglicht hohe Volumenverhältnisse der Fasern zum Harz von 60/40, wenn die verstärkten Kunststoffteile mit dem Pultrusionsverfahren hergestellt werden. Ferner ist es bei der Herstellung harzverstärkter Kunststoffteile sehr wichtig, dass das Harz die Verstärkungsfasern vollständig imprägniert, was als Benetzung bekannt ist. Bei Fasern, die in einer komplizierten Webart konfiguriert sind, ist eine 100%ige Benetzung schwer zu erreichen. Durch die Bereitstellung einer parallelen Faserkonfiguration ist es jedoch möglich, selbst bei hohen Verhältnissen der Fasern zum Harz eine 100%ige Benetzung zu erreichen. Wenn die Platte aus Holz hergestellt ist, dann stellt das Zelluloseoberflächenmaterial 31, das für die vorliegende Erfindung relevant ist, eine zusätzliche Querfestigkeit für die Platte bereit, was ein noch höheres Verhältnis der Fasern zum Harz von etwa 65/35 ermöglicht, wodurch in der Platte zur Erzeugung einer noch festeren Platte mehr Fasern verwendet werden können.
Bisher wurden verstärkte Kunststoffplatten aufgrund der hervorragenden Klebeeigenschaften von Epoxidharzen mit einem Epoxidharz an Holzstrukturen geklebt. Im Vergleich zu Polyesterharzen und insbesondere zu Resorzin kann jedoch mit Epoxidharzen nur schwer gearbeitet werden und sie sind teurer und toxischer. Daher ist es bevorzugt, für alle Bindungen zwischen den Holzstrukturkörpern Resorzin zu verwenden. Um einen von einem Epoxidharzkleber verschiedenen Kleber mit der Kunststoffverstärkungsplatte 22 verwenden zu können, wie z. B. Resorzin, wird das Zelluloseobertlächenmaterial 31 an einer oder beiden Seiten der Platte 22 festgeklebt. Resorzin und andere ähnliche Kleber binden an die Oberfläche eines Materials in Form einer physikalischen Bindung und erzeugen folglich eine sehr viel stärkere Bindung mit einer texturierten Oberfläche, wie z. B. einer Holz- oder Papieroberfläche. Daher wird bei der Verwendung eines Zelluloseoberflächenmaterials 31, das den Laminatschichten 12 ähnlich ist, das Resorzin eine im Wesentlichen äquivalente Bindung zwischen dem Zelluloseoberflächenmaterial 31 und den Laminatschichten 12 ausbilden, und zwar so, wie es zwischen den Holzlaminatschichten 12 stattfinden würde. Ferner wird bei einer Holzoberflächenmaterial-Laminatschicht-Bindung die Holzoberfläche nicht mit einem unterschiedlichen Material an die Laminatschicht geklebt und daher können die gesetzlichen Vorschriften leichter erfüllt werden. Es bestehen bereits gesetzliche Vorschriften zur Bindung von Holz an Holz, sodass für eine Holzoberflächenmaterial-Laminatschicht-Bindung keine neuen gesetzlichen Vorschriften entwickelt werden müssten, so wie dies für viele andere Materialien der Fall wäre.
Wenn die Platte zwischen zwei Laminatschichten 12 sandwichartig angeordnet ist, dann wird das Zelluloseoberflächenmaterial 31 an beiden Seiten der Platte 22 fixiert. Im Gegensatz dazu muss das Zelluloseobertlächenmaterial 31 dann, wenn die Platte 22 nicht zwischen Laminatschichten 12 sandwichartig angeordnet ist, wie es in 4 gezeigt ist, nur an der Seite der Platte 22 angeordnet sein, die an die Holzstruktur geklebt wird.
Wenn die Holzstruktur unter Belastung steht, dann unterliegen die Platte 22 und die dazugehörigen Zelluloseoberflächenmaterialien 31 hohen interlaminaren Scherbelastungen. Aufgrund so hoher Belastungen muss das Zelluloseoberflächenmaterial 31 so behandelt werden, dass dessen Dimensionsstabilität maximiert wird. Wenn die Platte 22 oder das Zellulo seoberflächenmaterial 31 eine niedrige Dimensionsstabilität aufweisen würde, dann würde die Festigkeit der Holzstruktur, in der die Platte 22 angebracht ist, geringer sein als die Festigkeit einer Holzstruktur, die eine Platte mit einer hohen Dimensionsstabilität aufweist. Ferner sind Holzstrukturen häufig einer Feuchtigkeit ausgesetzt, die das Zelluloseoberflächenmaterial 31 imprägnieren könnte, was eine Feuchtigkeitszersetzung des Zelluloseoberflächenmaterials 31 verursacht. Die Feuchtigkeitszersetzung kann zu einem Versagen der interlaminaren Haftung führen, was zu einem Versagen der Holzstruktur führt.
Um eine Platte mit verbesserter Haftung und gleichzeitig einer Dimensionsstabilität und einem Schutz gegen eine Feuchtigkeitszersetzung bereitzustellen, wird das Zelluloseoberflächenmaterial 31 mit einem Polyesterharz imprägniert. Das spezielle Polyesterharz wird so ausgewählt, dass es das Oberflächenmaterial 31 innerhalb einer relativ kurzen Zeit imprägniert. Es ist offensichtlich, dass abhängig von dem spezifischen ausgewählten Polyesterharz und der Art und der Dicke des Zelluloseoberflächenmaterials 31 die Zeit, die für ein angemessenes Durchdringen erforderlich ist, beträchtlich variieren wird. Ein bevorzugtes Polyesterharz ist das Orthoharz Diallylphthalat (DAP), das ein ausreichend niedriges Molekulargewicht und eine ausreichend niedrige Viskosität aufweist, um eine angemessene Imprägnierung des Zelluloseoberflächenmaterials 31 innerhalb einer vernünftigen Zeit bereitzustellen. Vorzugsweise wird das mit DAP imprägnierte Zelluloseoberflächenmaterial 31 gleichzeitig mit der Härtung der Platte 22 gehärtet. Andere Polyesterharze wie z. B. Polyester und Polyester mit Styrol sind auch zur Imprägnierung des Zelluloseoberflächenmaterials 31 geeignet.
Alternativ kann das Oberflächenmaterial 31 an die Platte 22 geklebt werden, ohne es vorher mit dem Polyesterharz zu imprägnieren, und zwar durch direktes Aufbringen des Zelluloseoberflächenmaterials 31 auf die feuchten Harz-getränkten Fasern der Platte 22 und teilweise Einbetten desselben in der Harzhülle. Auf diese Weise wird das Harz das Zelluloseoberflächenmaterial 31 imprägnieren, wodurch eine Dimensionsstabilität und eine Beständigkeit gegenüber einer Feuchtigkeitszersetzung bereitgestellt wird.
Eine weitere Alternative besteht darin, ein mit einem Polyesterharz imprägniertes Zelluloseoberflächenmaterial 31 zu verwenden und es an die Platte 22 zu kleben, nachdem die Platte 22 im Vorhinein gehärtet worden ist, was im Allgemeinen als „Verfahren nach dem Härten" bezeichnet wird.
Ungeachtet des speziellen ausgewählten Verfahrens stellt die freiliegende Seite des Zelluloseoberflächenmaterials 31 verbesserte Haftungseigenschaften zum Ankleben der Platte 22 an die Holzstruktur bereit, was ein bisher unbekanntes Mittel zum Ankleben von verstärkten Kunststoffplatten an Holzstrukturen mittels Klebern bereitstellt, die von Epoxidharzen verschieden sind.
Ein bevorzugtes Zelluloseoberflächenmaterial ist ein wachsfreies Kraftpapier mit einem Gewicht von etwa 27 kg (60 Pfund), obwohl jegliche Art von Papier mit einem geeigneten Gewicht, wie z. B. ein Papier mit einem Gewicht von etwa 13 bis 40 kg (30 bis 90 Pfund) verwendet werden könnte.
Ein weiteres bevorzugtes Zelluloseoberflächenmaterial ist Weichholz, wie z. B. Radiatta- oder Ponderosa-Kiefer, obwohl auch andere Holzarten akzeptabel sind. Das Holz ist vorzugsweise ein geschnittenes oder rotationsgeschnittenes Furnier, und zwar im Gegensatz zur Verwendung eines Furniers mit einer geschliffenen Oberfläche, da das Schleifen eine Oberfläche erzeugt, bei der eine ausreichend starke Bindung mit einem Kleber wie z. B. Resorzin nur schwer erhalten werden kann. Vorzugsweise werden die einzelnen Stücke des Holzfurniers mit Zinkenfugen zusammengehalten, die auf einer Polyestermatten-Grundfolie montiert, sind, oder alternativ mit einem Band, wobei die Polyesterseite auf die Platte 22 gerichtet ist. Das Holzoberflächenmaterial weist vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,51 mm (2/100 Inch) auf. Es ist jedoch auch ein allgemeiner Bereich von etwa 0,25 bis 6,35 mm (1/100 bis 25/100 Inch) akzeptabel. Abhängig von dem tatsächlich verwendeten Polyesterharz ist die Dicke des Zelluloseoberflächenmaterials vorzugsweise derart, dass das Polyesterharz das Zelluloseoberflächenmaterial vollständig imprägniert, so dass eine maximale Beständigkeit gegen eine Feuchtigkeitszersetzung und eine maximale Dimensionsstabilität bereitgestellt wird, während verbesserte Haftungseigenschaften geschaffen werden.
Die in 2 gezeigte Platte ist die bevorzugte Ausführungsform einer Platte, die zur Verstärkung der Bereiche eines Holzträgers 10 verwendet wird, der einer hohen Zugbelastung unterliegt. Vorzugsweise handelt es sich bei den Fasern 24 um Aramidfasern oder Kohlefasern. Aramidfasern sind unter der eingetragenen Marke KEVLAR^® kommerziell erhältlich und die bevorzugte Qualität für die Fasern der vorliegenden Erfindung ist unter der eingetragenen Marke KEVLAR^® 29 erhältlich. Alternativ kann es sich bei den Fasern um Polyethylen mit hohem Modul handeln, das unter der eingetragenen Marke SPECTRA^® verkauft wird.
Vorzugsweise ist das Harz 26, das bei der Herstellung der Platte verwendet wird, ein Epoxidharz. In alternativen Ausführungsformen könnten jedoch auch andere Polymere verwendet werden, wie z. B. Polyester, Vinylester, Phenolharze, Polyimide oder Polystyrylpyridin (PSP). In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung könnten thermoplastische Polymere wie z. B. Polyethylenterephthalat (PET) und Nylon-66 verwendet werden.
Herstellung der Verstärkungsplatte
Wie es im Stand der Technik beschrieben ist, handelt es sich bei der Pultrusion um ein Herstellungsverfahren, bei dem flexible Verstärkungsfasern in einem Harz angefeuchtet und durch eine geheizte Düse gezogen werden, um das Harz zu härten, das die Fasern umhüllt.
Das Pultrusionsverfahren des Standes der Technik wird unter Bezugnahme auf 7 erläutert. Das in 7 gezeigte Pultrusionsverfahren dient zur Herstellung eines hohlen rechteckigen Schnittelements und erfordert somit einen Holzkern 40 zum Aufrechterhalten des hohlen Kerns während des Pultrusionsverfahrens. Bei dem Pultrusionsverfahren wird eine obere und eine untere Matte 44 bzw. 45 eingesetzt, bei denen es sich typischerweise um ein Roving-Gewebe oder um ein Gewebe handelt. Es liegt auch eine Mehrzahl von Rovings 46 vor, die zwischen den Gewebematten ausgebildet und sandwichartig darin angeordnet sind. Die Zugvorrichtung 48 stellt die Kraft bereit, welche die Fasern durch das Verfahren zieht. Folglich wird beginnend mit der unteren Matte 44 die Matte durch ein Harzbad 50 gezogen und mittels der Formgebungsdüse 52 um den Holzkern 40 ausgebildet. Die Rovings 46 werden entsprechend in einem Harzbad 54 angefeuchtet und mittels der Formgebungsdüse 56 um die Holzkern/Matte-Kombination geformt. Danach wird die obere Gewebematte 45 in einem Harzbad 58 angefeuchtet und mittels der Formgebungsdüse 60 um die Kombination auf dem Holzkern 40, der unteren Matte 44 und den Rovings 46 geformt. Die gesamte Kombination wird durch die geheizte Düse 42 gezogen, die das Harz härtet, so dass aus der Düse ein Strukturkörper 38 als steifer Körper 38 austritt. Um einen festen Körper herzustellen, würde das Pultrusionsverfahren des Standes der Technik durch Entfernen des Holzkerns 40 modifiziert werden.
Das Pultrusionsverfahren des Standes der Technik wird zum Zweck der Herstellung der erfindungsgemäßen Verstärkungsplatte 22 (oder 23) modifiziert, wie es in 1 gezeigt ist. Beginnend mit einer Mehrzahl von Spulen 70, auf denen sich Kunstfaserrovings 72 befinden, werden die Rovings zur Ausrichtung und zur Vermeidung einer Verwicklung der Rovings durch eine Kratze 74 gezogen. Die Kratze 74 weist eine Mehrzahl von Öffnungen 76 auf, durch welche die Rovings 72 hindurchtreten. Die Öffnungen 76 sind typischerweise mit einem Material mit niedriger Reibung ausgekleidet, wie z. B. Keramik oder Kunststoff, um jeglichen Abrieb oder jeglichen Widerstand bezüglich der Rovings 72 durch die Kanten der Öffnungen zu verhindern. Nachdem die Rovings 72 durch die Öffnungen der Kratze 74 hindurchgetreten sind, werden die Rovings mit einem ersten Kamm 78 zusammengefasst und parallel zueinander angeordnet. Nach dem ersten Kamm laufen die Rovings über einen Spanndorn 80 und unter einen zweiten Kamm 82, der die parallele Anordnung der Rovings 72 weiter aufrechterhält. Danach werden die Rovings in einem Harzbad 84 angefeuchtet und mit einer Formgebungsdüse 86 vor dem Eintreten in eine geheizte Düse 88 zusammengefasst, die eine Öffnung 90 aufweist, welche die Platte 22 (oder 23) formt. Die Wärme von der Düse 88 härtet das Harz, so dass die austretende Platte 22 im Wesentlichen ein steifer Körper ist. Zelluloseoberflächenmaterialien 31a und 31b, die auf den jeweiligen Rollen 92a und 92b gelagert sind, befinden sich über und unter der Formgebungsdüse 86. Die Oberflächenmaterialien 31a und 31b werden in den jeweiligen Polymerharzbädern 94a und 94b mit einem Polymerharz imprägniert. Danach werden beide Zelluloseoberflächenmaterialien 31a und 31b in die Formgebungsdüse 86 eingeführt, in Kontakt mit den befeuchteten Fasern gepresst und gleichzeitig mit der Platte 22 gehärtet. Die Spannung, die auf die Oberflächenmaterialien 31a und 31b wirkt, beträgt etwa 1 bis 1,4 kg (2 bis 3 Pfund), um die Spannung aufrechtzuerhalten. Die bevorzugte Härtungsgeschwindigkeit beträgt etwa 0,61 bis 0,91 m (2 bis 3 Fuß) pro Minute, obwohl auch Geschwindigkeiten von mindestens 15,24 cm (6 Inch) pro Minute bis etwa 1,52 m (5 Fuß) pro Minute möglich sind.
Alternativ könnte das Zelluloseoberflächenmaterial nach der Imprägnierung mit einem Polymerharz in einem Verfahren nach dem Härten an eine im Vorhinein gehärtete Platte geklebt werden, wie es vorstehend erwähnt worden ist. Dabei würde das Zelluloseoberflächenmaterial vorzugsweise durch Führen der gehärteten Platte und des feucht imprägnierten Zelluloseoberflächenmaterials durch eine geheizte Härtungsdüse an die Platte geklebt werden.
Eine weitere Alternative umfasst das Weglassen der Polyesterharzbäder 94a und 94b und das gemeinsame Härten des Zelluloseoberflächenmaterials mit der Platte, während das Zelluloseoberflächenmaterial mit dem Harz von der Platte imprägnieren gelassen wird, wie es vorstehend erwähnt worden ist.
Die Begriffe und Ausdrücke, die in der vorstehenden Beschreibung verwendet worden sind, werden hier als Begriffe zur Beschreibung verwendet und sind nicht beschränkend aufzufassen. Durch die Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke sollen Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Abschnitte davon nicht ausgeschlossen werden.

Claims

Holzstrukturkörper zur Aufnahme hoher Belastungskräfte über eine Spannweite, die (a) mehrere Holzteile, welche miteinander zur Bildung einer einheitlichen Holzstruktur verklebt sind; (b) eine Verstärkungsplatte mit einer Hauptoberfläche mit einer Vielzahl von Verstärkungsfasern, die in eine Harzhülle eingebettet sind, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zelluloseoberflächenmaterial mit der Hauptoberfläche der Platte durch einen Kleber verbunden ist und dass die Hauptoberfläche der Platte an der Holzstruktur und einem Bereich hoher Spannung durch einen anderen Kleber angeklebt ist, so dass das Zelluloseoberflächenmaterial zwischen der Harzhülle und einer Hauptoberfläche wenigstens eines Holzteils der Holzstruktur sandwichartig angeordnet ist.
Strukturkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzstruktur eine Vielzahl durch Klebstoff verbundener Laminatschichten einschließlich einer äußeren Laminatschicht aufweist und dass die Hauptoberfläche der Platte an der äußeren Oberfläche einer äußeren Laminatschicht angeklebt ist.
Strukturkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptoberfläche der Platte eine erste Hauptoberfläche bildet und die Platte eine zweite Hauptoberfläche aufweist, dass die Holzstruktur mehrere durch Klebstoff verbundene Holzlaminatschichten einschließlich einer äußeren Laminatschicht bildet, dass das Zelluloseoberflächenmaterial mit der zweiten Hauptoberfläche der Platte verklebt ist, und dass die Platte zwischen der äußeren Laminatschicht und einer benachbarten Laminatschicht festgeklebt ist.
Strukturkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zelluloseoberflächenmaterial teilweise in die Harzhülle eingebettet ist.
Strukturkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zelluloseoberflächenmaterial mit einem Harz imprägniert ist.
Strukturkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz ein Polyesterharz ist.
Strukturkörper nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz Diallylphthalat ober Polyester mit Styrol ist.
Strukturkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzhülle ein thermoplastisches Polymer ist.
Strukturkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Polymer Polyethylenterephthalat oder Nylon-66 ist.
Strukturkörper nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzhülle ein Epoxidharz oder ein Polyester oder ein Vinylester oder ein Phenolharz oder ein Polyamid oder ein Polystyrylpyridin ist.
Strukturkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zelluloseoberflächenmaterial entweder Papier oder Holz ist.
Strukturkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte durch ein Phenol-Formaldehyd-Harz mit der Holzstruktur verklebt ist.
Platte zum Verkleben mit einem länglichen Strukturkörper zur Erhöhung der Belastbarkeit des Strukturkörpers, wobei die Platte eine Länge und eine Vielzahl von Hauptoberflächen aufweist, mit a) einer Vielzahl von im wesentlichen ununterbrochenen Fasern entlang der Plattenlänge, die im wesentlichen parallel zueinander und im wesentlichen fluchtend zu einer Längsrichtung des Strukturkörpers angeordnet sind, sobald die Platte mit dem Strukturkörper verklebt ist, b) einer Kunstharzhülle, die die Fasern enthält und c) einem Zelluloseoberflächenmaterial, das mit wenigstens einer Hauptoberfläche der Platte verklebt ist.
Platte nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Zelluloseoberflächenmaterial teilweise in der Harzhülle eingebettet ist und im wesentlichen mit Harz imprägniert ist.
Platte nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz ein Polyesterharz ist.
Platte nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz Diallylphthalat oder Polyester mit Styrol ist.
Platte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzhülle ein thermoplastisches Polymer ist.
Platte nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Polymer ein Polyethylenterephthalat oder Nylon-66 ist.
Platte nach einem der Ansprüche 3–16, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzhülle ein Epoxydharz oder Polyester oder ein Vinylester oder ein Phenolharz oder ein Polyamid oder ein Polystyrylpyridin ist.
Platte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zelluloseoberflächenmaterial entweder Papier oder Holz ist.
Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit einer Holzstruktur zur Aufnahme von großen Lasten über eine Spannweite, bestehend aus den Schritten: (a) Herstellen einer Verstärkungsplatte durch Umschließen einer Vielzahl von Verstärkungsfäden mit einer Harzhülle, wobei die Platte eine Hauptoberfläche aufweist; (b) Verbinden eines Zelluloseoberflächenmaterials mit der Hauptoberfläche der Platte durch einen Kleber; und (c) Verbinden mehrerer Holzteile und der Hauptoberfläche der Platte mit wenigstens einem der Holzteile durch wenigstens einen anderen Kleber.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Zelluloseoberflächenmaterial mit einem Harz imprägniert ist.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Verkleben der Hauptoberfläche der Platte mit dem Holzteil oder den Holzteilen mit Hilfe eines Phenol-Formaldehyd-Harzes erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz Diallylphthalat oder Polyester mit Styrol ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzhülle ein thermoplastisches Polymer ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zelluloseoberflächenmaterial entweder Papier oder Holz ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzteile eine Vielzahl von miteinander verklebten Holzlaminatschichten, einschließlich einer äußersten Laminatschicht aufweisen, und dass das Verfahren ferner vorsieht, dass die Platte an einer äußeren Oberfläche der äußersten Laminatschicht durch Verkleben befestigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zelluloseoberflächenmaterial ein erstes Zelluloseoberflächenmaterial bildet, dass die Hauptoberfläche der Platte eine erste Hauptoberfläche bildet und dass die Platte eine zweite Hauptoberfläche hat und die Holzteile eine Vielzahl von durch Verklebung miteinander verbundenen Laminatschichten, einschließlich einer äußeren Laminatschicht aufweisen, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Verbindens eines zweiten Zelluloseoberflächenmaterials mit der zweiten Hauptoberfläche der Platte durch Klebstoff vorsieht sowie das Befestigen der Platte durch Verkleben zwischen der äußersten Laminatschicht und einer benachbarten Laminatschicht.
Holzlaminatstrukturkörper geeignet zur Aufnahme großer Lastkräfte über eine Spannweite und zur Aufnahme hoher zwischenlaminarer Scherkräfte, wobei der Strukturkörper eine Längsachse aufweist, mit: (a) einer Vielzahl länglicher Holzteile, die zur Bildung einer einheitlichen Struktur verbunden sind, wobei wenigstens eines der Holzteile eine Länge aufweist, die sich entlang der Längsachse erstreckt, (b) mehreren synthetischen Verstärkungsplatten, von denen jede eine Vielzahl synthetischer Faserstränge enthält, die in einer Harzhülle gehalten werden, welche eine erste und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, und (c) wobei jede oder mehr als eine der synthetischen Verstärkungsplatten eine Zellulosematerialoberfläche aufweist, die mit der Harzhülle auf wenigstens einer ihrer ersten und zweiten Hauptoberflächen verbunden ist und die Platten, die mit dem Zelluloseoberflächenmaterial verbunden sind, an unterschiedlichen Holzteilen der genannten Holzteile angebracht sind, um in dem Strukturkörper mehrere interlaminare Zellulosematerial-zu-Holzkörper-Oberflächen zu bilden, die hohen Scherkräften widerstehen.
Strukturkörper nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Zelluloseoberflächenmaterial mit einem Harz imprägniert ist.