DE1704531B2

DE1704531B2 - Verfahren zur herstellung von spezifisch lichten kunststoffkoerpern

Info

Publication number: DE1704531B2
Application number: DE19671704531
Authority: DE
Inventors: Rudolf Zurich Heller (Schweiz)
Original assignee: Contraves AG
Current assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Priority date: 1966-03-23
Filing date: 1967-03-16
Publication date: 1972-04-06
Also published as: US3640787A; DE1704531A1; GB1118277A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von spezifisch leichten Kunsf-toffkörpern. bestehend aus rundlichen Zellkörnein, die durch eine Feststoffteilchen enthaltende, erhärtete Bindemittelmasse verbunden sind, durch Mischen der Zellkörner mit dem Bindemittel und den Feststoffteilchen und anschließendes Aushärten der Mischung aus ummantelten rieselfähigen Zellkörnern in einer Preßform unter Einwirkung von Druck und Wärme.

Ein wirtschaftlich und technisch bedeutendes An-Wendungsgebiet für spezifisch leichte Kunststoffkörper der genannten Art. wie sie durch die vorliegende Erfindung verbessert werden sollen, sind insbesondere Formkörper. Platten und Fertigbauteile für I.eichtbauzvvecke. Diese Bauteile sollten ein spezifisches Gewicht in der Größenordnung von 0.1 bis 0.3 g cm^;i. eine entsprechend vorzügliche Wärmeisolierung, nicht zuletzt aber eine relativ hohe Eigenfestigkeit und Formstabilität haben, die auch bei übernormalen Temperaturen erhalten bleibt. Die Festigkeitseigenschäften solcher Bauteile bzw. Kunststoffkörper sollten etwa denjenigen von Faserstofr-Kuustharzpreßlingen. Beton- oder Ziegelstein-Wanden entsprechen.

Es ist bekannt, daß solche Anforderungen grundsätzlich am besten durch Hohlzellstrukturen bzw. durch Verbundbaukörper mit äußtren festen und dichten Schalen und einer oder mehreren inneren Hohlzeltstruktur-Füliungen, gegebenenfalls mit Armierungseinlage, erfüllt werden können.

Bekannte Höhlzellstruktur-Verbundbaukörper enthalten z. B. innere Hohlwaben-Struktttren, bestehend aus vorgefaitetert und streifenweise verbundenen Karton-Kunststoff- oder Metallfolieii zur Bildung von verbundenen SechskaiiW-Iöhlrohren, deren vorher offene Stirneriden mit Atißerischalen oder irgend- 6g welchen Zwischenlagen verleimt sind, Abgesehen davon, daß derartige WabertstruklUrett nur gegen Zug- und Druckkräfte in Richtung der Wabenachsert. aber wesentlich weniger gut gegen quer dazu gerichtete Yerformungskräfte widerstandsfähig sind, ist die Wärmeisolationswirkung solcher Strukturen an sich, nicht besonders gut, da in den Wabenzellen eint ungehinderte Luftkonvektion von der ejnan zur anderen Stirnabschlußebene möglich ist.

In den meisten Fällen versucht man, die gewünschte Wärmeisolationsfähigkeit und das angestrebte niedrige spezifische Gewicht eines Lejchtbaukörpers dadurch zu erreichen, daß ein Formhohlraum für einen weitgehend beliebig gestalteten Guß- oder Preßkörper mit einer aufschäumbaren Masse oder blähbarem Material geuillt wird und in der geschlossenen Form geschäumt oder gebläht und nachher verfestigt wird. Die Verwendung von Polyurethanen als schäumbare Massen führt zwar zu einer relativ formstabilen und tragfähigen Kleinzeüstruktur. Diese ist jedoch nur bis etwa 50 ^ C stabil Polystyrol als blähbare Masse ist zwar bis zu Temperaturen von etwa 110 C ausreichend beständig, seine mechanische Festigkeit und Formstabilität ist abei auch bei niedrigen Temperaturen zu gering, als daß es für tragende Konstruktionen verwendbar ist.

Es ist schon versucht worden, Hohlzellstrukturen in der Weise herzustellen, daß eine Mischung von starrwandigen Hohlkugeln und flüssigem, aushartbarem Bindemittel in einem Formhohlraum eingebracht wurde, der mit einer die Schale des Zellstruktur-Baukörpers bildenden Folie ausgekleidet war. Die genannte Hohlkugelmasse wurde im Formhohlraum einem Preßdruck ausgesetzt, der so lange aufrechterhalten wurde, bis das Bindemittel ausgehärtet war. Dabei war angestrebt, daß die Hohlkugeln eine polyedrische Struktur durch das Pressen einnehmen. Es hat sich erstens gezeigt, daß es nicht leicht ist, stabile Hohikugeln massenweise zu tragbaren Kosten herzustellen und zweitens, daß die Honikugeln durch Aneinanderpressen nicht die gewünschte polyedrische Struktur einnehmen und Zelhvände dieser Form aus dem aushärtbaren Bindemittel bilden. Bei der Verwendung glattwandiger und einigermaßen formstabiler Hohlkugeln neigt die flüssige Bindemittelmasse dazu, beim Aneinanderpressen der Hohlkugeln von den Anpreßstellen in die frei bleibenden Hohlräume auszuweichen, so daß die Verbindung zwischen den Hohlkugeln ungenügend fest wurde und eine polyedrische Struktur des Bindemittels nicht erreicht wurde.

Es -st ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Herstellung von Verbundbauteilen bekanntgeworden, bei denen zwischen festen Außenschichten ein leichter, zellig strukturierter Stüt/stoff erhalten wird. Dieses bekannte Verfahren sieht vor. daß Hohlperlen aus Ton. Phenolharz. Glas od. dgl. zunächst mit feinem Metallpulver als Feststoffteilchen vermischt, dann ein flüssiges Bindemittel, wie SiIi "nharz, Phenolharze Epoxydharz od. dgl. zügen JH und unter dauernder Bewegung der Mischung getrocknet bzw, ausgehärtet wird, um eine lagerfähige, löse Masse von mit einem Gemisch von erhärtetem Bindemittel und Metallpulver ummantelten Hohlperlen zu erhalten, Dieses wird dann unter Beimischung von zusätzlichem, die Zwischenräume füllendem Bindemittel und Metallpulver in einer Preßform zu dem Stützstoft verpreßt, In einer Abwandlung kann das Metallpulver zunächst auch dem Bindemittel beigemischt werden, bevor diese·? den Hohlperlen zugegeben wird.

Neben der relativ teuren Herstellung der Hohlperlen ist es zeitraubend und mühsam, nach diesem Verfahren eine lose, rieselfähige Masse von Hohlkügelchen zu erhalten, die mit einer Mischung von ,erhärtetem Bindemittel und darin verteilten Feslstaffpartikeln umhüllt sind, um ein transportfähiges Zwischenprodukt für die Herstellung der Verbundbaukörper zu erhalten, Die nach dem bekannten Verfahren umhüllten Hohlkügelchen sind hart und spröde go daß bei ihrem Zusammenpressen darauf ^achtet werden muß, daß sie nicht unter zu hoher Druckeinwirkung zerstört werden. Besonders nachteili" ist jedoch, daß keine ideale Zellstruktur mit polyedrischen also flächig aneinander anliegenden Zellkammern die rniteinander durch überall gleich dicke bzw. möglichst dünne Wände verbunden sind, erhalten wird sondern eine erhärtete Bindemittelmasse, in die kugelige Zellkammern unregelmäßig verteilt einaelagert sind. Wird kein zusätzliches Bindemiud zur Ausfüllung der Zwischenräume eingebt acht, ν.-bleiben Lücken unkontrollierbarer Form, da die Hohlperlen selbst nicht nachgeben, oder bei Ausfüllung der Lükken mit zusätzlichem Bindemittel wird das spezifische Gewicht des erhaltenen Produktes nicht optimal niedrig.

Die angestrebte polyedrische Zellkammerstruktur entsteht auch nicht bei einem weiteren bekannten Verfahren zur Herstellung von Furmkörpern hoher mechanischer Festigkeit, bei dem Teilchen aus sen

eine innige, wasserfeuchte Mischung aus kleinteiligen blähfähigen thermoplastischen Kunststoffen und hochmolekularen, als Bindemittel wirkenden Waffen in eine gasdurchlässige Form einzubringen und in einem elektrischen Hochfrequenzfeld zu erhitzen und dadurch aufzublähen, Durch das Aufblähen entstehen keine die geblähten Kunststoffteilchen vollständig umgebenden Bindemittelstrukturen bzw. Wände,
Schließlich ist ein Verfahren zur Herstellung von

ίο geformten Kunstharzleichtstoffen aus zerkleinertem Kunstharzschaum insbesondere zur Verwendung an Stelle von Gipsbinden bekanntgeworden, bei dem aus einem Gemisch aus einem pulverförmigen, zu Harzen härtbaren Kondensationsprodukt, zerkleinertem

Kunstharzschaum und einer Dispersion oder Lösung eines natürlichen oder künstlichen, nicht härtbaren Film bildenden Bindemittels in Flüssigkeiten, welche das genannte Gemisch nicht que¹· :n, die Flüssigkeit verdampft und die erhaltene getrocknete poröse Masse unter entsprechender Formgebung vor oder während des Härtens gepreßt wird. Eine polyedrische zellige Struktur als tragendes Element wird nicht erreicht.

Der Erfindung liegt, ausgehend von einem Verfah-

=5 ren der eingangs erwähnten Art, die Aufgabe zugrunde, einen spezifisch leichten Kunststoffkörper hoher mechanischer Festigkeit und geringen spezifivorgeschlagen:

schen Gewichtes auf wirtschaftlich tragbare Weise

... . herzustellen, der aus polyedrischen, im wesentlichen

c, 1 ,ι,™ ■ t ⁿ r-^Ju¹¹'⁸¹-* ^FormkörP'-^>r aus 30 gleich starken, tragenden Zellwänden aus erhärtetem Stv.olpolymerisaten mit Gießharzmischungen über- Bindeharz mit ^Eigenschaften des Körpers beeinzo;,,n werden Dadurch wird lediglich die Stabilität flussenden Zuschlagstoffen besteht.

?■ kpV.1 pIV , τ .Τ ^{ZusammenIaSern} der Zur Lösun» dieser Aufgabenstellung wird, aus-

Po.>stvroI-PoIymensat-Teilchen entsteht durch das gehend von einem Verfahren der einsanas «nannten die Teilchen umgebende Gießharz allenfalls ein ₃₅ Art, die Kombination folgender VerfahreVschritte Kn-tengitter aus ausgehärtetem Gießharz, da dieses
bc-irebt ist. ir die sternförmigen Hohlräume zwischen den Teilchen auszuweichen.

I ntsprechend ist es bekannt, durch Verwendung von Bindemitteln bz.vv. Zwischenschichten mit flamm""-widrigen Zusätzen und geblähten Polystyrol-Schaumstiifkörnern SchaumstofTstrukturen zu schaffen, die gewisse feuerf.emnienJe Eigenschaften im Vergleich zu reinen Schaumstoff-Strukturen zeigen. Dabei sind die Zwischenschichten auch schon mit pulverfövmige:> Stoffen, die die feuerhemmenden Eigenschaften aufweisen, überzogen worden. Die Schichten werden dabei bereits vor dem Blähen der Schaumstoffkörner aufgebracht, so daß beim expandierenden Blähen diese Überzugsschichten zerreißen und somit kein Strukturbauelement bilden.

Zur Herstellung von Bauelementen mit niedrigem spezifischen Gewicht ist es bekannt, kleinteilige

po'öse thermoplastische KunststofFkörner mit in 'ich _w... „,„„„„„„ _{Ullu uoiiii} ^₁.,

geschlossenen Poren und die kein oder höchstens ein 55 F*esTstorTpärHkdr7'jested

geringes ^Wasseraufnahmevermögen besitzen, mit wanddicken durch die Durchmesser der Feststoffp;u-

! bestimmt, die sich beim Zusammenpressen «lei 'iiiiiMnfTkörner in deren nachgiebigen Oberfläche!'

■ k. πι. so daß das flüssige Bindemittel, das durcl-I ^MofTteilchen vollständig benetzt ist. beim /πι npressen der mit Bindemittel und Feststoff in doppelt ummantelten SchaumstofTkörner ^; zeitlich ausweichen kann, sondern die 12c

■ hten polyedrischen. etwa gleich starken Zeil· •neiwiinde stehenbleiben. Entscheidend für d;is ,'Inen bzw. das damit zu erzielende Produkt ist t. Ί,ιβ die verwendeten Zellkörner nachgiebige 1 1 beispielsweise aus bereits s»e<.ch;iumft*m Pnl\

a) daß als Zellkörner nachgiebige Körner aus geschäumtem Kunststoff mit flüssigem Bindemittel vollständig benetzt werden,
anschließend Feststoffteilchen in der Größenordnung der gewünschten Zellwandstärke bis zur vollständigen Bedeckung der benetzten Zellkörner beigemischt werden und die so erhaltenen rieselfähigen, doppelt ummantelten Schaiimstoffkörncr

c) vor der Wärmeeinwirkung durch Pressen zu flächig aneinander anliegenden Polyedern verformt werden.

Durch dieses Verfahren erhält man eine iJeale Zellkammerstruktur mit polyedrischen. geschlossenen Zellkammern. de^ren überall gleich dünne Wände aus erhärtetem Bindcharz und darin dispers eingebetteter.

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styrol, sind, die beim Verpresseri zu polyedrischeri Körpern verformt werden können, und daß die Feststoffteilchen in der Größenordnung der gewünschten Zelhvände liegen, so daß ein Ausweichen des Bindemittels beim Verpressen verhindert ist,

Als Feststoffteilchen der gewünschten Größenordnung und die Figenschaften des Körpers beeinflussende Zuschlagstoffe kommen die verschiedensten Werkstoffe, '-vie Natur- oder Kunststoffe, in Betracht. Fur die 1 r/ielutiii des gewünschten Effektes kommt es auf den Durchmesser der Feststofipartikeln an.

I in nach ckm erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter /eilig strukturierter Kunststoffkörper hat eine vorzügliche Festigkeit und Formsteifigkeit in allen Beanspruchungsrichtungen, die mit derjenigen von Beton und Ziegelsteinen vergleichbar ist. Dabei hat der Körper ein sehr geringes Raumgewicht und ein entsprechend geringes Wärmeleitvermögen, sofern ein qualitativ hochwertiges und mindestens bis zu Temperaturen bis zu 200 bis 300 C beständiges ao Bindemittel für die Herstellung der Zeilkammer- «.mile verwendet wird. Auch übernormale t'mgebungstempeiaUiren und intensive Sonneneinstrahlung auf einer Seite des Körpers beeinträchtigen nicht seine Festigkeit und Formstabilität. Die für die Herstellung der polyedrischen Struktur notwendigen nachgiebigen, vorzugsweise aus Polystyrol bestehenden Köiner haben für den fertigen Kunststoffkörper keine tragende Funktion. Sie sind für die Bestimmung der W arrm uberganaseigenschaften aber erwünscht.

Da hei der Aushärtung von Epoxydharzen zusätzlich Wärme frei wird und diese Wärme von den PoIystvrolkörnern nur sehr langsam aufgenommen wird und dabei wegen der kleinen Wärmekapazität der Körner relativ schnelle Temperaturanstiege bewirkt werden genügt es vielfach, eine gepreßte Masse der doppelt ummantelten nachgiebigen Körner von außen her zu erwärmen.

Iv ist ohne Schwierigkeiten möglich, in die zu verpressende Masse aus doppelt ummantelten Zeilkörnern relativ zu den Körnern größer dimensionierte F.insehlußkörper aus spezifisch schwererem Material einzubetten und beim \ erpressen mit der entstehenden Hohlzcllstruktur zj integrieren. Es ist dabei an Deekmaterialien in Gestalt von Platten. Blechen oder Folien und an Verbindungskörper. 1. B. Türbeschlagteile. Schraub- bzw. Steckorgane. Stütz- oder Armierungskörper gedacht. Überhaupt sind beim Verpressen und Aushärten praktisch alle bekannten Maßnahmen der Formpreßtechnik anwendbar.

Mit einem Durchmesser von etwa 0,1 mm der Feststoffteilchen wird man unter Verwendung von verhältnismäßig wenig Bindemittel auch eine Durchschnittsdicke der Wände der polyedrischen Hohlzellstruktur von dieser Größenordnung und damit eine gute mittlere Festigkeit derselben erreichen. Bei Verwendung von feinstkörnigem Feststoff (Mehl) und noch knapperer Bemessung der flüssigen Bindemittelmenge ergibt sich eine entsprechend geringere, leichtere, auch auch weniger widerstandsfähige HohlzeTlstruktur. Umgekehrt führt die Verwendung von Feststoffteilchen gröberer Körnung, z. B. 0.2 bis 0,4 mm, und von etwas zäherem Bindemittel in größerer Menge zu einer entsprechend dickwandigeren und festeren, aber schwereren Hohlzellstniktur. Die zum Aushärten erforderliche Erwärmung der dem Preßdruck ausgesetzten Schaumkorpermasse im Fonnhohlraum kann in einem Ofen erzeugt werden oder beispielsweise nach dem Prinzip der Diathermie^ Geräte im hochfrequenten elektrischen Wechselfeld.·

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig, 1 ein Beispiel für die Ausführung des ersten Verfahrensschrittes gemäß Merkmal ä)j

F i g. 2 ein Beispiel für die Ausführung des zweiten Verfahrensschrittes gemäß Merkmal b).

Fig. 3 im Schnitt die Herstellung des Kunststoff körpers in einer Preßform gemäß Merkmal c).

Fig. 4 im Ausschnitt eine vergrößerte Schnittansicht der erzielten polyedrischⁿn Hohlzellstruktur.

Gemäß F i g. 1 werden in einen gegebenenfalls mit einem nicht dargestellten Rührwerk versehenen Mischbehälter 1 aus einem Gefäß 2 geblähte Polystyrolkörper 20 von rundlicher Form und einem Litergewicht von etwa 5 bis 10 g eingebracht. Ihr Durchmesser wird im Mittel 3 bis ft mm betragen. Auf etwa 10 bis 15 I solcher Polystyrol körner werden aus einem Gefäß 3 als Bindemittel eine Menge von etwa 250 bis 300 g Epoxydharz-Flüssigkeit mit vorgeschriebenem Härterzusatz zugemischt und das Ganze innig vermischt, bis alle Polystyrolkörper g'eichmäßig mit einer Bindemittelschicht 30 benetzt sind. Es wf-rden je nach der Menge des zugesetzten flüssigen Bindemittels und ie nach dessen Zähigkeit dünnere oder dickere Bindemittelschichten auf den Polystyrolkörnern erzeugt. Im Mittel kann diese Bindemittel-Schichtdicke etwa 0.08 bis 0.25 mm betragen. Gemäß Fig. 2 wird anschließend aus einem Sack 4 in den Mischbehälter 1 eine Menge von feinkörnigem Ouarzsand 40. eventuell auch von anderem Mineralsand. 7. B. imprägniertes Kreidepulver, oder auch Metallpulver, z. B. Aluminiumpulver, einer Korngröße von 0.05 bis 0.25 mm. beigemischt, welche ausreicht, um die mit flüssigem Bindemittel benetzten Polystyrolkörner 10 vollständig mit einer äußerlich trockenen Schicht 40 zu umhüllen, deren Feststoffteilchen einzeln im Bindemittel 30 kleben.

Die so hergestellten doppelt ummantelten und rieselfähigen Polystyrol körner mit der Bindemittelschicht und den anhaftenden bzw. zum Teil eingebetteten Feststoffteilchen werden in einem durch die zusammenpassenden Formteile 51. 52 gebildeten Formhohlraum eingebracht. In der Form sine bei der gezeigten Ausführung übereinander ein unteres Deckblech 61, Kernrohre 62. die Füllmasse 60 aus doppelt ummantelten Polystyrolkömern sowie ein oberes Deckblech 63 eingebracht. Die Deckbleche 61. 63 sind vorher auf der der Füllmasse zugewandten Seite mit Bindemittel benetzt. Der Forminhalt wird auf Weniger als die Hälfte des ursprünglichen Volumens zusammengepreßt. Für den Fall, daß eine sehr hohe Festigkeit des Endproduktes nicht verlangt wird, genügt ein Zusammenpressen bis auf 75 bis 70 ⁰Zo des ursprünglichen Volumens. Die elastisch nachgiebigen, doppelt ummantelten Polystyrolkörner werden dabei zu flächig aneinander anliegenden Polyedern verformt. Dabei wird das plastisch flüssige Bindemittel 30 zwischen den Feststoffteilchen 40 herausgepreßt, so daß die Feststoffteilchen 40 vollständig in das Bindemittel 30 eingebettet werden. Andererseits verhindern die teilweise in das weiche Polystyrol 30 eindringenden Feststoffteilchen 40 das Wegquetschen des Bindemittels. Unter Aufrechterhaltung des Preßdruckes werden die Form 51, 52 sowie eventuell die Kernrohre 62 beheizt, so daß der Forminhalt erwärmt wird, beispielsweise auf 50

bis 90° Gj und dabei das Bindemittel voll aushärtet. Es entsteht auf diese Weise eine einstückiget pölyedrisclie Hohlzellütruktur, die auch mit den Deckbtechen 61, 63 integral verklebt ist. Die direkt an die Füllmasse angrenzenden Flachen der Formteile 51, 52 ünil gegebenenfalls auch def Kemfohre 62 sind mit Trerinsubstanüen, z. ß. Silikonfett öd* dgl.- behan-

delt worden, damit diese Teile leicht wieder gelöst werden können. Es kpnn vorgesehen sein, nach dem Aushärten des Bindemittels den Fofminhalt kurzzeitig auf eine größere Temperatur von beispielsweise 130° C zu erhitzen, wobei die die bisher gebildeten Hohlzellen satt ausfüllenden Polystyfolköf ner Zusativ menfallen und ihre elastische Spannkraft verlieren,

hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209515/306

Claims

1 7U4

Patentanspruch;

Verfahren zur Herstellung von spezifisch leich-■ten Kunststoffkörpern, bestehend aus rundlichen Zellkörnern, die durch eine Feststoffteilchen, enthaltende, erhärtete. Bindermttelmasse verbunden sind, durch Mischen der Zellkörner mit dem Bindemittel und den Feststoffteilchen und anschließendes Aushärten der Mischung aus ummantelten rieselEähigen Zellkörnern in einer Preßform unter Einwirkung von Druck und Wärme, dadurch gekennzeichnet,

a) daß als Zellkörner nachgiebige Körner aus geschäumtem Kunststoff mit flüssigem Bindemittel vollständig benetzt werden,

b) anschließend Feststoffteilchen in der Größenordnung der gewünschten Zellwandsiärke bis zur vollständigen Bedeckung der benetzten Zellkörner beigemischt werden und die so erhaltenen rieselfähigen, doppelt ummantelten Schaumstoffkörner

c) vor der Wärmeeinwirkung durch Pressen zu flächig aneinander anliegenden Polyedern verformt werden