DE1704925A1 - Plastic pipe with fiberglass reinforcement and process for its manufacture - Google Patents
Plastic pipe with fiberglass reinforcement and process for its manufactureInfo
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Description
Kunststoffrohr mit Glasfaserverstärkung, und Verfahren zu dessen Herstellung. Kunststoffrohre mit Glasfaserverstärkungen sind bereits in verschiedenen Ausführungen und für manigfaltige Anwendungen bekannt gewordene Die in Polyester- bzw. Epoxyharzen eingebetteten Glasfasern sind dabei meist in der Form von Geweben angeordnet und bilden so ein dichtes Gerüst aus längs- und querlaufenden Faserelementen, die durch die Einbettung im Harzkörper sowohl unter sich als auch mit dem Harzkörper selbst verbunden sind. Diese Anordnung der Einzelfasern gestattet indessen nicht, ihre Elastizitätseigenschaften voll auszunützen und den Rohren entweder Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen, wo sie bisher mangels genügender Elastizität nicht verwendet werden konnten, oder-sie bei gleichen Dimensionen ganz allgemein für höhere Beanspruchungen auszulegen, weil nur immer ein verhältnismäßig kleiner Teil der Glasfasern auf die Hauptbeanspruchung ausgerichtet ist unddann-oft infolge Überlastung brechen. Demgegenüber bezweckt die vorliegende Erfindung Kunststoffrohre zu schaffen, deren Anwendungsgebiet vorzugsweise dort liegt, wo eine erhöhte Elastizität gefordert ist, bei= spielsweise für Sportgeräte oder Antennenmaste. Solche Kunststoffrohre mit Glasfaserverstärkung enthalten eine innere, mindestens einlagige Glasfaserschicht als Basislage, mindestens eine darüber angeordnete, in Längsrichtung des Rohres laufende Zage vorgespannter Glasfasern, die über den Umfang des Rohres im wesentlichen gleichmäßig verteilt sind, sowie eine äußere, über den vorgespannten Glasfasern liegende mindestens einlagige Glasfaserschicht, wobei das Ganze in einen, das Rohr bildenden ausgehärteten Harzkörper eingebettet und in diesem fixiert ist.Plastic pipe with fiberglass reinforcement, and process for its manufacture. Plastic pipes with glass fiber reinforcements are already known in various designs and for a variety of applications.The glass fibers embedded in polyester or epoxy resins are usually arranged in the form of fabrics and thus form a dense framework of longitudinal and transverse fiber elements, which are embedded in the Resin body are connected both among themselves and with the resin body itself. However, this arrangement of the individual fibers does not allow their elasticity properties to be fully exploited and either to open up possible applications for the pipes where they could not be used up to now due to insufficient elasticity, or to design them with the same dimensions for higher loads in general, because only one is always relatively smaller Part of the glass fibers are geared towards the main stress and then often break as a result of overload. In contrast, the present invention aims to create plastic pipes whose field of application is preferably where increased elasticity is required, for example for sports equipment or antenna masts. Such plastic pipes with glass fiber reinforcement contain an inner, at least one-layer glass fiber layer as a base layer, at least one section of pre-tensioned glass fibers arranged over it and running in the longitudinal direction of the pipe, which are essentially evenly distributed over the circumference of the pipe, and at least one outer layer above the pre-tensioned glass fibers single-layer glass fiber layer, the whole being embedded in and fixed in a hardened resin body forming the tube.
Das Herstellungsverfahren für solche Rohre umfaßt erfindungsgemäß die Schritte des Aufwickelns der die Basislage bildenden Glasfaserschicht auf einen Wickeldorn, des Aufbringens einer zweiten, aus im wesentlichen in Längsrichtung des Rohres laufenden Glasfasern bestehenden Zage, des Vorspannens dieser Glasfasern mittels an den stirnseitigen Enden des Rohrkörpers angebrachten Spannelementen, des Rufwickelns einer dritten Glasfaserschicht über die zweite unter wesentlicher Zugspannung, um die darunterliegende, im wesentlichen längsgerichtete zweite Glasfaserschicht fest gegen die Basislage und die dritte, äußere Faserschicht zu pressen, des Imprägnierens der genannten Glasfaserschichten mit einem härtbaren Kunstharz, des thermischen Aushärtens der Kunstharzimprägnierung, des Lösens der Spannelemente für die nun im Rohr fixierten, vorgespannten, längsgerichteten Glasfasern der genannten zweite Zage und des Abziehens des Rohres vom Wickeldorn, sowie des abschließenden Überschleifens der Rohroberfläche.The manufacturing method for such pipes comprises according to the invention the steps of winding the glass fiber layer forming the base sheet onto one Winding mandrel, the application of a second, from essentially in the longitudinal direction of the pipe running glass fibers, the pre-tensioning of these glass fibers by means of clamping elements attached to the front ends of the tubular body, wrapping a third layer of fiberglass over the second under substantial Tension to the underlying, substantially longitudinally oriented second glass fiber layer to press firmly against the base layer and the third, outer fiber layer, the impregnation of said fiberglass layers with a curable synthetic resin, the thermal one Hardening of the synthetic resin impregnation, the loosening of the clamping elements for the now in the pipe fixed, prestressed, longitudinally directed glass fibers of said second Zage and the removal of the tube from the winding mandrel, as well as the final grinding the pipe surface.
Das Imprägnieren kann sowohl so erfolgen, daß bereits die Basislage eine Harztränkung erhält, wobei das im Überschuß eingebrachte Harz beim weiteren Aufbau der Faserschichten diese ebenfalls durchtränkt, oder das Imprägnieren samt dem anschließenden Aushärten kann in einem Druckgefäß vorgenommen werden, wobei der im Gefäß eingeschlossene, :auf dem Wickeldorn aufgebrachte Glasfaseraufbau zuerst evakuiert, dann, unter Beibehalten des Vakuums mit Harz getränkt und anschließend einem Überdruck ausgesetzt wird, der bis zum Abschluß der Polymerisationsphase im Gefäß aufrechterhalten wird.The impregnation can be done in such a way that already the base layer a resin impregnation is obtained, this being in excess introduced resin as the fiber layers continue to build up, they are also impregnated, or impregnation including the subsequent curing can be carried out in a pressure vessel, wherein the glass fiber structure enclosed in the vessel: applied to the winding mandrel first evacuated, then, while maintaining the vacuum, soaked in resin and then is exposed to an overpressure that is maintained until the end of the polymerization phase in the Vessel is maintained.
Während bei bekannten Kunststoffrohren mit Glasfaserverstärkung Blastizitätsmodule-von 200.000 kg/cm 2 erzielbar sind,. können bei erfindungsgemäßen Rohren solche von 350.000 - 400.000 kg/cm 2 erreicht werden. Außerdem zeigen sie eine, besonders bei Sportgeräten wie z. B. Hochsprung-Stangen wesentliche spriessenfreie Bruchstelle, während bei bekannten Ausführungen die Gefahr von Stichverletzungen besteht, r Die Erfindung. ist im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Darin zeigt Fig" 1 eine schematische teilweise geschnittene Darstellung des Rohraufbaus, wobei die einzelnen Schichten in ihrer stufenweisen-Folge freigelegt sind, während Fg. 2 eine schematische Darstellung der Wickelvorrichtung und des Wickelvorgangs vermittelt.While known plastic pipes with glass fiber reinforcement have modulus of elasticity of 200,000 kg / cm 2 can be achieved. can those of the invention pipes 350,000 - 400,000 kg / cm 2 can be achieved. They also show one, especially at Sports equipment such as B. high jump poles essential crack-free fracture point, while in known designs there is a risk of stab wounds, r The Invention. is explained below with reference to the drawing, for example. In this FIG. 1 shows a schematic, partially sectioned illustration of the pipe structure, the individual layers being exposed in their gradual sequence while FIG. 2 is a schematic representation of the winding device and the winding process conveyed.
Gleiche Hinweisnummern in beiden Figuren bezeichnen gleiche Teile: _ .The same reference numbers in both figures denote the same parts: _.
Der in: Fig.-1 dargestellte Rohrabschnitt weist links eine innere oder erste Glasfaserschicht.1 auf, die in der Form eines Glasfasergewebes oder von Rovings auf einen in Fig. 2 gezeigten Dorn 21 unidirektional aufgewickelt wird und die Basislage bildet: in der Reihenfolge der Herstellschritte bei einer ersten Aufbauweise erhält diese Faserschicht nach dem Aufwickeln eine Imprägnierung mit einem härtbaren Kunstharz, das sämtliche Zwischenräume zwischen den einzelnen Fasern bis zur Oberfläche des Wickeldornes 21 lunkerlos ausfüllt. Als Harzmaterialien eignen sich vorzugsweise wärmehärtende Epoxydde, Polymethane und Polyurethane.The pipe section shown in: Fig. 1 has an inner one on the left or first glass fiber layer.1, which is in the form of a glass fiber fabric or of Rovings is wound unidirectionally on a mandrel 21 shown in FIG. 2 and the base layer is: in the order of the manufacturing steps at In a first construction, this fiber layer receives an impregnation after winding with a curable synthetic resin that removes all of the spaces between each Fills up to the surface of the winding mandrel 21 without voids. As resin materials Thermosetting epoxides, polymethanes and polyurethanes are preferably suitable.
Diese erste Schicht kann auch in der Form einer Glasfasermatte aufgetragen werden, bei der ein Fasergewebe in eine plastisch verformbare Schicht eines unausgehärteten Kunstharzes eingebettet isto Solche Halbfabrikate sind unter der Bezeichnung "Prepreg" bekannt. Es können jedoch auch Rovings aufgewickelt werden, die einen gleichen oder ähnlichen Überzug wie die "Prepreg" Matten aufweisen, oder sie können auf dem Zuführungsweg durch ein Imprägnierbad laufen, aus dem sie den Kunstharz in flüssiger Form aufnehmen. Selbstverständlich können auf diese Weise auch Glasfasergewebe imprägniert werden.This first layer can also be applied in the form of a fiberglass mat be, in which a fiber fabric in a plastically deformable layer of an uncured Synthetic resin is embedded. Such semi-finished products are known as "Prepreg" known. However, rovings can also be wound that have the same or Similar coating to the "prepreg" mats, or they can be on the feed path run through an impregnation bath from which they absorb the synthetic resin in liquid form. Of course, fiberglass fabrics can also be impregnated in this way.
Auf die erwähnte Basislage folgt eine zweite Glasfaserschicht 2, deren Einzelfasern von ca. 8/1000 mm Durchmesser zu Rovings zusammengefaßt, im wesentlichen parallel zur Rohrlängsachse verlaufen und über dem ganzen Rohrumfang gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Ihre beidseitigen Enden werden bei der Herstellung des Rohres, wie in Fig. 2 ersichtlich, in Spannelemente 22, 23 eingeführt. Letztere werden nach erfolgtem Einbringen dieser zweiten Glasfaserschicht geschlossen und sämtlich Faserenden auf dem jeweiligen Rohrende darin festgeklemmt. Dies erfolgt beispielsweise durch Festziehen von Briden 22a und 23a, die die Faserlage zwischen ihrer Innenfläche und dem bezüglichen-Sattelstück 22b und 23b festhalten. Der Anpressdruck wird so groß gewählt, daß eine Verschiebung zwischen Einzelfasern unter sich und gegenüber den Sattelstücken beim anschließenden Vorspannen dieser Fasern ausgeschlossen ist. Bei den in Pig. 2 schematisch dargestellten Vorspannelementen sitzt das Sattelstück 22b des Elementes 22 fest auf dem Wickeldorn 21, ebenso der Halsring 24 auf der Seite des Spannelementes 23, während das Sattelstück 23b auf dem Dorn 21 verschiebbar ist. Der Abstand zwischen dem Halsring 24 und dem Sattelstück 23b wird spätestens beim Einziehen der Glasfaserstränge zwischen Briden und Sattelstücke auf eine Länge eingestellt, die etwas größer ist als die Strecklänge der Fasern. Letztere ergibt sich aus' der Zugfestigkeit der Glasfasern, die beim Vorspannen mit ca. 80 % ihrer Bruchbelastung beansprucht werden. Durch gleichmäßiges Anziehen von Muttern 25, die auf einer Anzahl in regelmäßigen Abständen auf dem Halsring 24 und dem Flansch 23 angeordneten Bolzen 26 sitzen, kann die Vorspannkraft auf die Glasfasern der Faserschicht 2 aufgebracht werden.The base layer mentioned is followed by a second glass fiber layer 2, the individual fibers of which are approximately 8/1000 mm in diameter combined to form rovings, run essentially parallel to the longitudinal axis of the pipe and are evenly distributed over the entire circumference of the pipe. Their ends on both sides are inserted into clamping elements 22, 23 during the manufacture of the pipe, as can be seen in FIG. After this second glass fiber layer has been introduced, the latter are closed and all the fiber ends are clamped onto the respective pipe end. This is done, for example, by tightening clamps 22a and 23a, which hold the fiber layer between its inner surface and the related saddle piece 22b and 23b. The contact pressure is chosen to be so great that a shift between the individual fibers below and with respect to the saddle pieces during the subsequent pretensioning of these fibers is excluded. With those in Pig. 2, the saddle piece 22b of the element 22 sits firmly on the winding mandrel 21, as does the neck ring 24 on the side of the tensioning element 23, while the saddle piece 23b is displaceable on the mandrel 21. The distance between the neck ring 24 and the saddle piece 23b is set at the latest when the glass fiber strands are drawn in between the clamps and the saddle pieces to a length that is slightly greater than the stretching length of the fibers. The latter results from the tensile strength of the glass fibers, which are stressed with approx. 80% of their breaking load during prestressing. By evenly tightening nuts 25, which are seated on a number of bolts 26 arranged at regular intervals on the neck ring 24 and the flange 23, the prestressing force can be applied to the glass fibers of the fiber layer 2.
Die Faserschicht 2 kann in der Form einer Faserbahn eingebracht werden, die durch Querklebstreifen oder in größeren Abständen angeordnete Schußfäden 5 in geeigneter Weise fixiert ist. Durch passende Wahl des Klebstreifen-oder Schußfadenmaterials können nicht entfernbare Kennzeichnungen oder dekorative Elemente eingearbeitet werden. Es ist aber auch möglich, Einzelrovings zwischen den Spannelementen 229 23 zu verlegen.The fiber layer 2 can be introduced in the form of a fiber web, the weft threads 5 in is fixed in a suitable manner. By a suitable choice of adhesive tape or weft thread material non-removable markings or decorative elements can be incorporated will. However, it is also possible to use individual rovings between the tensioning elements 229 23 to be relocated.
Über die nun vorgespannte Faserschicht 2 wird anschließend eine dritte Faserschicht 3 gewickelt, die vorzugswei$e aus Rovings, aber auch aus einem Glasfaser;gewebe bestehen kann, Diese Schicht hat zwei Hauptaufgaben: sie-soll einesteils die vorgespannte Schicht 2 sowohl mit der Basislage 1 als auch mit ihr selbst in .engen Kontakt bringen, als auch absichtlich-im Überfluß in die Schicht 1 eingebrachtes Kunstharz aus dieser herauspressen. Dadurch. wird. eine einwandfreie Einbettung sowohl der Schicht 1, als auch der Schicht 2 bewirkt. Bei geeigneter Viskosität der genannten Kunstharzimprägnierung und genügenden Materialüberschuß kann.- auch die dritte, auch-als Deck- und Schutzschicht dienende Zage 3 in zuverlässiger r*leise mit Harzmaterial getränkt und darin eingebettet werden. Sicherheitshalber dürfte eine Deckimprägnierung angezeigt sein, um eine angemessene Harzüberdeckung der äußersten Faserelemente zu gewährleisten.A third layer is then placed over the now prestressed fiber layer 2 Wrapped fiber layer 3, which is preferably made from rovings, but also from a glass fiber fabric This layer has two main tasks: it is intended to be, on the one hand, the prestressed Bring layer 2 into close contact with both the base layer 1 and with it itself, as synthetic resin made from the layer 1 that is deliberately introduced in abundance squeeze out. Through this. will. perfect embedding of both layer 1, as well as layer 2. With a suitable viscosity of the synthetic resin impregnation mentioned and a sufficient excess of material can.- also the third, also-as a cover and protective layer Serving Zage 3 in reliable r * quietly soaked with resin material and embedded in it will. To be on the safe side, a top impregnation should be indicated in order to to ensure adequate resin coverage of the outermost fiber elements.
Das solchermaßen aufgebaute Rohr wird nun einer Wärme= behandlung unterworfen, bei der das Harz aushärtet und sich mit der Gläsfasereinlage innig verbindet. Dabei wird das immer noch auf seinem horizontal liegenden Dorn aufgespannte Rohr um seine Achse rotiert, um eine rundum gleichmäßige Harzschicht bzw. Rohrwandstärke zu erzielen.The pipe constructed in this way is now subjected to a heat treatment subject, in which the resin hardens and becomes intimate with the glass fiber insert connects. It is still stretched on its horizontally lying mandrel Tube rotates around its axis, around an all-round uniform resin layer or tube wall thickness to achieve.
Zum Aushärten des Harzes kann das Rohr samt seinem Dorn in einen, mit einer Antriebsvorrichtung versehenen (nicht gezeigten) Wärmeraum gebracht werden. Während die bisherige Beschreibung eine Aufbauweise betrifft, bei der bereits die erste-Glasfas:erschicht oder Basislage eine Kunstharztränkunö erfährt, kann der Aufbau nach einer zweiten Aufbauweise auch "trocken" erfolgen. Diese Arbeitsweise ist besonders dann ,angezeigt, wenn das Imprägnieren und das anschließende Polymerisieren des Harzes in einem im wesentlichen rohrförmigen .Druckgefäß ;erfolgt, das aufrechtstehend-den auf dem Wickeldorn aufgebrachten Glasfaseraufbau enthält.. Das Gefäß ist allgemein so ;gestaltet, daß der Wickeldorn in der Boden- und Deckelpartie zentriert wird und weist vorzugsweise einen Innendurchmesser auf, der das Bilden einer angemessenen Harzdeckschicht über den äußersten Faserpartien erlaubt. Nach Verschliefen des Gefäßes wird der Inhalt zuerst» einem Hochvakuum von ca. 0,1 Torr unterworfen, um sämtliche Luft und Feuchtigkeit aus dem Aufbau zu entfernen. Dann wird, unter Beibehalten eines Vakuums, das Imprägnierharz vorzugsweise durch eineunten am Gefäß liegende Öffnung eingelassen, bis sein Pegel eine höhe erreicht, die ca. 5 cm über den obersten Glasfaserpartien steht. Dies ist deshalb nötig, um in der darauffolgenden Phase ein Eindringen von Luft in den Faseraufbau zu verunmöglichen. Nach dem Einfüllen des Imprägnierharzes wird das Vakuum aufgehoben und atmosphärische Luft in den Gefäßabschnitt über dem Harzpegel eingebracht. Dieser Gefäßabschnitt weist gegenüber der darunterlegenden, vorzugsweise der Durchmesserkalibrierung dienenden Partie einen wesentlich größeren Querschnitt auf. Die über dem Harzpegel eingelassene Luft wird min. einem Überdruck von ca. 10`kg%cm2 unterworfen und das Gefäß zwecks Aushärtens des Harzes beheizt. Durch den Überdruck erfolgt bei der Volumenkontraktion eine blasen-" freie Verfestigung des Rohraufbaus..To harden the resin, the pipe and its mandrel can be inserted into a provided with a drive device (not shown) heat space are brought. While the previous description concerns a structure in which the first-Glasfas: the layer or base layer experiences a synthetic resin impregnation, can A second construction can also be used "dry". This way of working is particularly indicated when impregnation and subsequent polymerisation of the resin in a substantially tubular .pressure vessel; takes place, the upright-den contains fiberglass structure applied to the winding mandrel .. The vessel is general so; designed that the mandrel is centered in the bottom and cover section and preferably has an inner diameter that allows the formation of an adequate Resin top layer over the outermost fiber sections allowed. After oversleeping the contents of the vessel are first »subjected to a high vacuum of approx. 0.1 Torr, to remove all air and moisture from the structure. Then, under Maintaining a vacuum, the impregnating resin preferably through a bottom on the vessel recessed opening until its level reaches a height of approx. 5 cm above the top fiberglass sections. This is therefore necessary in the following Phase to prevent air from penetrating the fiber structure. After filling of the impregnation resin, the vacuum is released and atmospheric air enters the vessel section introduced above the resin level. This section of the vessel faces the underlying, preferably the diameter calibration serving a much larger part Cross-section on. The air admitted above the resin level is at least an overpressure of approx. 10 kg% cm2 and the vessel is heated for the purpose of hardening the resin. As a result of the overpressure, a bubble-free solidification takes place during the volume contraction of the pipe structure ..
Nach erfolgtem Aushärten des Kunstharzes wird das nun stabile Rohr.-nach Lösen der Vorspannelemente vom Dorn abgenommen, die beidseitigen Enden beschnitten und gegebenenfalls zwecks erzielens einer glatten Oberfläche 4, außen überschliffen.After the synthetic resin has hardened, the pipe is now stable Loosen the prestressing elements removed from the mandrel, the ends trimmed on both sides and optionally ground on the outside in order to achieve a smooth surface 4.
Die in Fg. 2 schematisch gezeigte Vorrichtung umfaßt nebst den bereits erwähnten Elementen ein für den Antrieb des Wickeldornes 21 dienendes Spannfutter 30, das ein bequemes Festspannen und Lösen des Dornes erlaubt. Auf der Gegenseite ist er in einer Kegelspitze 31 gelagert und zentriert, die ihrerseits auf einem Reitstock 32 sitzt. Die Figur zeigt analog der Beispielsdisposition links der Bruchlinie in der Dornmitte das lagenweise Aufwickeln einer Basislage des Rovings 27 in Pfeilrichtung A, während rechts der genannten Bruchlinie die Phase gezeigt wird, in der die vorgespannte Faserschicht 2 durch die Glasfaserschicht 3 überdeckt wird, indem Rovings 28 in Pfeilrichtung B aufgewickelt werden. Die gezeigten Pfeil- bzw. Wickelrichtungen sind nur durch die Darstellungsweise der Fig. 2 bedingt.The device shown schematically in FIG mentioned elements a for driving the mandrel 21 serving chuck 30, which allows a comfortable tightening and loosening of the mandrel. On the other side it is mounted and centered in a cone tip 31, which in turn on a Tailstock 32 is seated. The figure shows analogous to the disposition example to the left of the break line in the middle of the mandrel, the layer-by-layer winding of a base layer of the roving 27 in the direction of arrow A, while the phase to the right of said break line is shown in which the pre-stressed fiber layer 2 through the glass fiber layer 3 is covered by rovings 28 being wound up in the direction of arrow B. The ones shown The directions of the arrows and the winding directions are only determined by the manner of representation in FIG. 2.
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