DE102011005323A1

DE102011005323A1 - Verfahren zur Herstellung eines mit einer Polymerschicht ummantelten Zugträgers

Info

Publication number: DE102011005323A1
Application number: DE102011005323A
Authority: DE
Inventors: Tobias Schmidt; Bernd Reif
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2012-09-13
Also published as: WO2012120144A2; WO2012120144A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines mit einer Polymerschicht ummantelten Zugträgers, welches die nachfolgenden Schritte umfasst: a) Herstellen wenigstens eines Zugträgers durch Imprägnieren wenigstens einer Carbonfasern enthaltenden Faserstruktur mit wenigstens einem Polymervorläufer sowie Pultrudieren der imprägnierten Faserstruktur und b) zumindest bereichsweises Ummanteln des wenigstens einen in dem Schritt a) hergestellten Zugträgers mit einer Schicht aus einem Polymer mittels Extrusion. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung einen durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlichen ummantelten Zugträger, dessen Verwendung und eine Vorrichtung zur Herstellung, insbesondere kontinuierlichen Herstellung eines ummantelten Zugträgers.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines mit einer Polymerschicht ummantelten Zugträgers, bei dem eine Faserstruktur mit wenigstens einem Polymervorläufer imprägniert und der so hergestellte Zugträger anschließend mit einer Polymerschicht ummantelt wird. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlichen ummantelten Zugträger, dessen Verwendung und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines ummantelten Zugträgers.
Tragmittel, wie Fördergurte, sind mit einer Schicht, insbesondere einer Polymerschicht, ummantelte Zugträger. Während die Ummantelung den Fördergurt vor mechanischen Beschädigungen schützt, dient der üblicherweise als Verbundwerkstoff ausgebildete Zugträger der Übertragung der im Fördergurt entstehenden Zugkräfte und verleiht dem Fördergurt die notwendige Tragfähigkeit und Stoßfestigkeit.
Aus der WO 2009/026730 A1 ist beispielsweise ein Tragmittel für ein Aufzugsystem bekannt, welches mehrere jeweils mit einer Beschichtung aus einem Thermoplast versehene faserförmige Zugelemente aus Metall umfasst, wobei eine Vielzahl dieser beschichteten Zugelemente mit einem Außenmantel aus einem Polymermaterial ummantelt ist.
In der WO 2009/090299 A1 wird ein Tragmittel für ein Aufzugsystem vorgeschlagen, welches als von einer Polymerschicht ummantelter Zugträger ausgebildet ist. Dabei ist der Zugträger ein Faserverbundwerkstoff, welcher aus mit einer Polymermatrix imprägnierten Fasern gebildet ist. Derartige mit einer Polymerschicht ummantelte Zugträger weisen für die Verwendung in einer Lastanwendung, wie zum Beispiel einem Personenaufzugsystem, vorteilhafte Eigenschaften, nämlich insbesondere eine hohe Zugbelastbarkeit und eine hohe Verschleißbeständigkeit, auf.
Allerdings sind die bisher bekannten Verfahren zur Herstellung von solchen mit einer Polymerschicht ummantelten Zugträgern sehr aufwendig und teuer. Zur Herstellung herkömmlicher Tragmittel für Aufzugsysteme ist es zum Beispiel bekannt, Stahllitzen zu verseilen und die verseilten Stahllitzen über einen Dorn zu wickeln und anschließend zu ummanteln. Dieses Verfahren ist nur diskontinuierlich durchführbar und zudem nur eingeschränkt automatisierbar. Ferner führt dieses Verfahren durch den Dornradius bedingt zu vorgekrümmten Tragmitteln, wobei aufgrund der Vorkrümmung die Länge des auf diese Weise hergestellten Tragmittels beschränkt ist. Ein Tragmittel mit immer höheren Förderhöhen, wie diese auf dem Markt für Aufzugssysteme zunehmend gefordert werden, ist mit einem solchen Verfahren nicht herstellbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Polymerschicht ummantelten Zugträgers anzugeben, welches in einem kontinuierlichen Prozess mit geringem Zeit- und Kostenaufwand durchführbar ist, mit dem ummantelte Zugträger mit einer unbeschränkten Länge sowie ohne Vorkrümmung hergestellt werden können, und mit welchem ummantelte Zugträger erhalten werden, welche die für die Verwendung als Tragmittel in einem Lastzugsystem geforderten Eigenschaften aufweisen, nämlich insbesondere eine hohe Zugfestigkeit und eine exzellente Verschleißbeständigkeit.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Polymerschicht ummantelten Zugträgers gelöst, welches die nachfolgenden Schritte umfasst:

a) Herstellen wenigstens eines Zugträgers durch Imprägnieren wenigstens einer Carbonfasern enthaltenden Faserstruktur mit wenigstens einem Polymervorläufer sowie Pultrudieren der imprägnierten Faserstruktur und
b) zumindest bereichsweises Ummanteln des wenigstens einen in dem Schritt a) hergestellten Zugträgers mit einer Schicht aus einem Polymer mittels Extrusion.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung eines von einer Polymerschicht ummantelten Zugträgers in einem Prozess, der von der Bereitstellung der Faserstruktur bis zu dem Erhalt des fertigen ummantelten Zugträgers ohne Unterbrechung kontinuierlich durchgeführt wird. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass dieses einfach automatisierbar ist. Mithin erlaubt es die vorliegende Erfindung, mit geringem Zeit- und Kostenaufwand einen mit einer Polymerschicht ummantelten Zugträger herzustellen, der sich aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften hervorragend für die Verwendung als Tragmittel in einer Lastanwendung, beispielsweise in einem Personenaufzugsystem, eignet. Aufgrund der in dem ummantelten Zugträger enthaltenen Faserstruktur, welche durch Imprägnierung mit einem Polymer zu einem Zugträger verarbeitet wird und Carbonfasern umfasst, kann der erfindungsgemäß hergestellte ummantelte Zugträger in der Längsrichtung der Carbonfasern wirkende Zugkräfte hervorragend aufnehmen, weswegen der Zugträger insbesondere eine sehr hohe Zugbelastbarkeit aufweist. Zudem werden die Fasern der Faserstruktur durch die Imprägnierung der Faserstruktur mit Polymer bei der weiteren Verarbeitung und bei der späteren Anwendung zuverlässig vor Beschädigungen, wie beispielsweise vor dem Entstehen von Rissen an der Umfangsfläche der Fasern oder vor einem Knicken der Fasern, geschützt. Außerdem wird der Zugträger als Ganzes durch die Ummantelung aus durch Extrusion aufgebrachtem Polymer vor mechanischen Beeinträchtigungen geschützt, wobei die Eigenschaften der äußeren Polymerbeschichtung mit denen des Zugträgers verbunden werden können.
Ferner können durch die Ummantelung die elastischen Eigenschaften des hergestellten ummantelten Zugträgers auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Aufgrund der durch die Extrusion erreichten besonders festen stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Ummantelung und dem Zugträger wird schließlich auch eine wirksame Übertragung von Kräften, die auf die Ummantelung beispielsweise von einer Antriebs- oder Umlenkrolle eines Aufzugsystems ausgeübt werden, auf den innen liegenden Zugträger ermöglicht.
Insbesondere kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein ummantelter Zugträger mit nahezu unbeschränkter Länge sowie ohne Vorkrümmung hergestellt werden, weil die Fasern der Faserstruktur während des gesamten Verfahrens bezogen auf ihre Längserstreckung im Wesentlichen gerade orientiert sind. Aufgrund dessen eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auch zur Herstellung von ummantelten Zugträgern, welche für eine Doppelbiegung eingesetzt werden. Zudem lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren leicht upscalen bzw. hochskalieren, so dass mit vergleichsweise geringen Investitionskosten und bei vergleichsweise niedrigen Herstellungskosten jährliche Produktionsmengen an ummanteltem Zugträger von mehr als 5.000 km erreicht werden können.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter einer Faserstruktur jedes beliebige Gebilde verstanden, welches mehrere, also wenigstens zwei, Fasern umfasst.
Zudem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Polymervorläufer ganz allgemein jede ein- oder mehrkomponentige Zusammensetzung bezeichnet, aus der durch Aushärten ein Polymer, worunter auch Copolymere verstanden werden, hergestellt werden kann. Beispielsweise kann der Polymervorläufer eine reaktive Monomere und/oder Oligomere und ggf. Katalysator enthaltende Mischung sein, welche bei geeigneten Temperaturbedingungen zu einem Polymer polymerisiert werden kann. Andererseits kann der Polymervorläufer bereits selbst ein unvernetztes oder vorvernetztes Polymer sein, welches durch Aushärten vernetzt wird oder dessen Vernetzungsgrad durch Aushärten erhöht wird. Unter Aushärten des Polymervorläufers wird demnach die Umsetzung des Polymervorläufers zu dem Polymer verstanden, d. h. beispielsweise die Polymerisation von Monomeren bzw. Oligomeren zu dem Polymer oder die Vernetzung unvernetzter oder vorvernetzter Polymere zu dem vollständig vernetzten Polymer.
Schließlich wird im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung unter Pultrusion ausschließlich ein Formgebungsschritt verstanden, also ein Schritt ohne die vorherige Imprägnierung.
Dabei umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ganz gezielt das Imprägnieren einer Faserstruktur mit einem Polymervorläufer und die anschließende Aushärtung des Polymervorläufers, weil so eine Faserstruktur erhalten wird, welche besonders vollständig und gleichmäßig mit dem Polymer imprägniert bzw. von diesem durchdrungen ist, da der noch nicht ausgehärtete Polymervorläufer eine vergleichsweise niedrige Viskosität aufweist und so während der Imprägnierung tief und gleichmäßig in die Hohlräume der Faserstruktur eindringen kann. Aufgrund dessen werden die in dem Zugträger enthaltenen Fasern durch das Polymer besonders wirksam vor mechanischen Einwirkungen, welche beispielsweise infolge eines Aneinanderreibens verschiedener Fasern entstehen, geschützt.
Nach alledem schafft die vorliegende Erfindung ein insbesondere kontinuierlich durchzuführendes Verfahren, mit dem aus einer Faserstruktur einfach und kostengünstig ein mit einer Polymerschicht ummantelter Zugträger hergestellt werden kann, welcher sich hervorragend zur Verwendung als Tragmittel in einem Lastzugsystem, wie insbesondere in einem Aufzugsystem, eignet.
Um die Effekte der vorliegenden Erfindung voll auszunutzen, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich durchzuführen. Unter einem kontinuierlichen Verfahren wird in diesem Zusammenhang insbesondere ein Verfahren verstanden, bei welchem die beiden Schritte a) und b) nacheinander so durchgeführt werden, dass die Schrittgeschwindigkeit des ersten Schrittes zumindest im Wesentlichen der Schrittgeschwindigkeit des zweiten Schrittes entspricht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in dem Schritt a) als Carbonfasern enthaltende Faserstruktur ein Roving, ein Gelege, ein Vlies, ein Filz, ein Gewirk, ein Gestrick, ein Geflecht, ein oder mehrere Garne, eine oder mehrere Litzen oder ein Gewebe eingesetzt. Neben Carbonfasern können in der Faserstruktur prinzipiell auch andere Fasern enthalten sein, wie beispielsweise Fasern aus Glas, Basalt und/oder Aramid.
Besonders gute Ergebnisse werden jedoch erhalten, wenn in dem Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens als Carbonfasern enthaltende Faserstruktur ein Roving, ein Drehergewebe oder ein gewebtes Band eingesetzt wird, wobei der Einsatz eines Rovings ganz besonders bevorzugt ist. Dabei ist es naturgemäß vorteilhaft, wenn zumindest ein Teil und vorzugsweise alle der Fasern der Faserstruktur in der Richtung der Längserstreckung des Zugträgers orientiert sind, weil so ein Zugträger geschaffen wird, der in seiner Längsrichtung besonders hohe Zugkräfte aufnehmen kann.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, in dem Schritt a) als Carbonfasern enthaltende Faserstruktur ein Roving mit einer Filamentanzahl zwischen 1.000 und 300.000, bevorzugt, zwischen 12.000 und 60.000 und besonders bevorzugt zwischen 24.000 und 50.000 einzusetzen, weil sich diese mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders gut zu ummantelten Zugträgern mit den gewünschten Eigenschaften verarbeiten lassen. Ein zum Beispiel 24.000 oder 50.000 Filamente bzw. Fasern enthaltender Roving wird dabei auch als 24k-Roving bzw. 50k-Roving bezeichnet.
Ummantelte Zugträger mit besonders guten mechanischen Eigenschaften und insbesondere besonders hohen Zugbelastbarkeiten werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere erzielt, wenn in dem Schritt a) als Carbonfasern enthaltende Faserstruktur ein Roving eingesetzt wird, dessen Fasern ein Längengewicht zwischen 1 und 10 g/m, bevorzugt zwischen 2 und 5 g/m und besonders bevorzugt zwischen 3 und 4 g/m aufweisen. Mit einer derart feine Fasern enthaltenden Faserstruktur wird eine besonders gute Haftung zwischen den Fasern und dem imprägnierten Polymer und somit ein besonders starker Verbund in dem Zugträger erhalten.
Aus demselben Grund ist es bevorzugt, in dem Schritt a) als Carbonfasern enthaltende Faserstruktur ein Roving einzusetzen, dessen Fasern einen Durchmesser zwischen 5 und 10 μm und besonders bevorzugt zwischen 6 und 7 μm aufweisen.
Um einen höchst zugfesten und gleichzeitig äußerst verschleißbeständigen und biegsamen ummantelten Zugträger herzustellen, wird aufgrund der hohen Festigkeit und sonstigen vorteilhaften mechanischen Eigenschaften von Carbonfasern in dem Schritt a) vorzugsweise eine Carbonfasern enthaltende Faserstruktur eingesetzt, welche wenigstens zu 50%, insbesondere bevorzugt wenigstens zu 80%, besonders bevorzugt wenigstens zu 90% und höchst bevorzugt vollständig aus Carbonfasern besteht. Bei nicht vollständig aus Carbonfasern bestehenden Faserstrukturen kann der restliche Faseranteil beispielsweise aus Glasfasern, Polymerfasern, wie Aramidfasern, Basaltfasern oder beliebigen Mischungen aus zwei oder mehr der vorstehenden Faserarten bestehen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird in dem Schritt a) eine Faserstruktur eingesetzt, welche wenigstens zwei Faserschichten und/oder Faserbereiche, welche räumlich voneinander getrennt sein können oder sich auch überschneiden können, umfasst, die sich vorzugsweise bezüglich der Art der darin enthaltenen Fasern oder bezüglich der Mengenanteile der darin enthaltenen Fasern unterscheiden. Beispielsweise können sich die Schichten bzw. Bereiche bezüglich der Mengenanteile der in den Schichten jeweils enthaltenen Carbonfasern und der anderen Fasern, wie Glasfasern, unterscheiden. Auf diese Weise können die mechanischen Eigenschaften des erzeugten Zugträgers in den einzelnen Bereichen des Zugträgers gezielt eingestellt werden. Zum Beispiel kann eine bezogen auf eine Höhenrichtung des Zugträgers in der Mitte des Zugträgers angeordnete Schicht aufgrund ihres sehr hohen Anteils an Carbonfasern eine besonders hohe Zugfestigkeit aufweisen, während eine darauf angeordnete Schicht, welche weniger Carbonfasern enthält, eine im Vergleich zu dieser Schicht erhöhte Biegsamkeit quer zur Längsrichtung des Zugträgers aufweist.
So kann in dem Schritt a) zum Beispiel eine Faserstruktur eingesetzt werden, welche wenigstens eine Schicht umfasst, welche wenigstens zu 50%, bevorzugt wenigstens zu 80%, besonders bevorzugt wenigstens zu 90% und höchst bevorzugt vollständig aus Carbonfasern besteht, und wenigstens eine Schicht umfasst, welche aus einer anderen Art von Fasern, wie beispielsweise Glasfasern, Polymerfasern, wie Aramidfasern, Basaltfasern, anderen als den in der anderen Schicht enthaltenen Carbonfasern oder beliebigen Mischungen aus zwei oder mehr der vorstehenden Faserarten zusammengesetzt ist.
Um die Haftung des imprägnierten Polymers an den Fasern in dem Zugträger zu verbessern, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, in dem Schritt a) eine Faserstruktur einzusetzen, welche zumindest teilweise Fasern enthält, welche mit einer Schlichte beschichtet sind. Gute Ergebnisse diesbezüglich werden beispielsweise erhalten, wenn die Schlichte ein Polyurethan oder einen Epoxidester enthält. Eine derartige Schlichte wirkt als Haftvermittler zwischen den Fasern und dem während der Imprägnierung aufgebrachten Polymervorläufer, so dass durch die Verwendung der Schlichte eine besonders vollständige und fest anhaftende Imprägnierung der Fasern mit dem Polymer erreicht wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können in dem Schritt a) Faserstrukturen mit allen dem Fachmann bekannten Carbonfasern eingesetzt werden. Beispielsweise können die Carbonfasern durch Carbonisieren und ggf. anschließendes Graphitieren eines Kohlenstoffvorläufers, wie beispielsweise Polyacrylnitril oder Pech, hergestellt worden sein.
Als Polymervorläufer eignen sich für das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere reaktive Thermoplastvorläufer und reaktive Duroplastvorläufer. Als reaktiver Thermoplastvorläufer wird hier ein Polymervorläufer bezeichnet, der durch Aushärten zu einem Thermoplast polymerisierbar ist, wohingegen als reaktiver Duroplastvorläufer ein Polymervorläufer bezeichnet wird, der durch Aushärten zu einem Duroplast vernetzbar ist oder durch Aushärten zu einem Duroplast polymerisierbar und vernetzbar ist. Der Thermoplast- bzw. Duroplastvorläufer wird dabei bevorzugt durch eine Wärmebehandlung ausgehärtet, wobei dem Thermoplast- bzw. Duroplastvorläufer zu diesem Zweck ein Katalysator zugegeben werden kann. Ein Thermoplast- bzw. Duroplastvorläufer weist im Vergleich zu dem ausgehärteten Polymer eine vergleichsweise niedrige Viskosität auf, so dass dieser besonders tief in die wenigstens eine Faserstruktur eindringen und diese besonders vollständig und gleichmäßig imprägnieren kann.
Grundsätzliche Beispiele für Polymervorläufer in Form reaktiver Thermoplastvorläufer, welche zu Thermoplasten ausgehärtet werden können, sind:

i) eine Mischung, welche wenigstens ein Monomer und ggf. wenigstens einen Katalysator umfasst,
ii) eine Mischung, welche wenigstens ein Oligomer und ggf. wenigstens einen Katalysator umfasst, oder
iii) eine Mischung, welche wenigstens ein Monomer, wenigstens ein Oligomer und ggf. wenigstens einen Katalysator umfasst.

Als Oligomer wird dabei ein Molekül bezeichnet, das zwischen 2 und weniger als 100 strukturell gleiche Wiederholungseinheiten enthält. Hingegen wird als Polymer ein Molekül bezeichnet, welches wenigstens 100 strukturell gleiche Wiederholungseinheiten enthält.
Durch die geeignete Wahl des eingesetzten Katalysators kann die Temperatur, ab welcher der Thermoplastvorläufer polymerisiert wird, gezielt eingestellt werden, so dass das Aushärten des Thermoplastvorläufers zu dem Thermoplast besonders kontrolliert durchgeführt werden kann.
Konkrete Beispiele für in dem Schritt a) einzusetzende Thermoplastvorläufer sind Polyamidvorläufer, also Zusammensetzungen, welche bei dem Aushärten zu einem Polyamid polymerisieren. Für diesen Zweck kann beispielsweise eine Caprolactam und ggf. einen Katalysator enthaltende Mischung eingesetzt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in dem Schritt a) wenigstens ein reaktiver Duroplastvorläufer eingesetzt. Dieser kann beispielsweise aus der Gruppe ausgewählt werden, welche aus Phenolharzen, Polyurethanharzen, Epoxidharzen, Polyesterharzen und Vinylesterharzen besteht.
Bei dieser Ausführungsform können als Duroplastvorläufer Mischungen aus entsprechenden Monomeren, ggf. Oligomeren und ggf. Katalysator eingesetzt werden, welche während dem Aushärten polymerisieren und vernetzen, oder bereits Polymere, welche unvernetzt oder nur schwach vorvernetzt sind, welche dann bei dem Aushärten vernetzt bzw. vollständig vernetzt werden.
Phenoplaste sind duroplastische Kunststoffe auf der Basis von durch Polykondensation hergestelltem Phenolharz, weswegen sich als Phenoplastvorläufer beispielsweise Mischungen aus einem Phenol, einem Aldehyd und einer Säure oder Base als Katalysator eignen. Hingegen handelt es sich bei duroplastischen Polyurethanen um vernetzte, Urethangruppen enthaltende Polymere, welche in vorteilhafter Weise durch eine Polyadditionsreaktion aus Polyolen und Polyisocyanaten synthetisiert werden können, wobei das Polyol und/oder das Polyisocyanat trifunktionell oder höherfunktionell ist. Ein entsprechender Duroplastvorläufer enthält somit beispielsweise ein Polyol, ein trifunktionelles Polyisocyanat und einen Katalysator, wie beispielsweise ein Amin oder eine metallorganische Verbindung. Epoxidharze können beispielsweise durch katalytische Polymerisation von Epoxiden oder durch Umsetzung von Epoxiden mit Diolen hergestellt werden, so dass ein entsprechender Epoxidharzvorläufer beispielsweise ein Epoxid, wie Epichlorhydrin, ein Diol, wie Bisphenol A, und einen Katalysator enthält. Hingegen handelt es sich bei duroplastischen Polyestern um vernetzte, Estergruppen enthaltende Polymere, so dass als Vorläufer für duroplastische Polyester beispielsweise eine Mischung aus einem Alkohol, einer Carbonsäure und einem Katalysator eingesetzt wird, wobei der Alkohol und/oder die Carbonsäure trifunktionell oder höherfunktionell ist. Vinylester schließlich werden beispielsweise durch die Veresterung von Epoxidharzen mit Acrylsäure oder Methacrylsäure hergestellt.
Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt werden, dass der Polymervorläufer in dem Schritt a) während der Imprägnierung und anschließenden Pultrusion vollständig aushärtet. Allerdings hat es sich zumindest für einige Polymervorläufersysteme als prozesstechnisch einfacher erwiesen, den Polymervorläufer in dem Schritt a) während der Imprägnierung und anschließenden Pultrusion vorzuhärten und erst nach der Pultrusion vollständig auszuhärten. Aushärten bedeutet dabei die im Fall eines Thermoplastvorläufers vollständige Polymerisierung des Thermoplastvorläufers und im Fall eines Duroplastvorläufers die vollständige Vernetzung oder die vollständige Polymerisierung und Vernetzung des Duroplastvorläufers, wohingegen Vorhärten die lediglich teilweise, aber noch nicht vollständige Polymerisierung eines Thermoplastvorläufers bzw. die teilweise, aber noch nicht vollständige Vernetzung oder Polymerisierung und Vernetzung eines Duroplastvorläufers bezeichnet.
Zum Aushärten oder Vorhärten während der in dem Schritt a) stattfindenden Imprägnierung und anschließenden Pultrusion kann der auf die Faserstruktur aufgebrachte Polymervorläufer beispielsweise mittels einer in dem Pultrusionswerkzeug enthaltenen Erwärmungseinrichtung erwärmt werden, und zwar beispielsweise auf eine Temperatur von wenigstens 50°C und bevorzugt von wenigstens 80°C.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Polymervorläufer während der Imprägnierung in dem Schritt a) in ein Pultrusionswerkzeug eingespritzt. Dadurch wird eine besonders gezielte und materialsparende Imprägnierung der Faserstruktur mit Polymervorläufer ermöglicht. Bevorzugt wird der Polymervorläufer bei dieser Ausführungsform mit einem Druck zwischen 1 und 50 bar in das Pultrusionswerkzeug eingespritzt.
Vorzugsweise umfasst das Pultrusionswerkzeug ein Formgebungswerkzeug. Dabei kann das Formgebungswerkzeug eine formgebende Düse sein oder umfassen, durch welche die Faserstruktur hindurch gezogen wird, so dass der Querschnitt der Faserstruktur zumindest annähernd auf einen durch die formgebende Düse vorgegebenen Querschnitt gebracht wird. In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn der Polymervorläufer in dem Schritt a) in das Formgebungswerkzeug, bevorzugt in die formgebende Düse des Formgebungswerkzeugs, eingespritzt wird. Ferner ist es in diesem Fall bevorzugt, den zur Imprägnierung verwendeten Polymervorläufer mittels eines Dosiersystems in das Pultrusionswerkzeug einzuspritzen.
Erfindungsgemäß wird der wie vorstehend beschrieben in dem Schritt a) hergestellte Zugträger zumindest bereichsweise mit einem Polymer ummantelt, und zwar mittels Extrusion. Prinzipiell kann in dem Schritt b) ein beliebiges Polymer eingesetzt werden, solange dies extrudierbar ist. Gute Ergebnisse werden dabei jedoch insbesondere erhalten, wenn der in dem Schritt a) hergestellte Zugträger in dem Schritt b) zumindest bereichsweise mit einem Thermoplasten, Duroplasten oder Elastomer und besonders bevorzugt mit einem thermoplastischen Elastomer ummantelt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in dem Schritt b) ein Polymer eingesetzt, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus thermoplastischen Polyolefinen, thermoplastischen Polyurethanen, thermoplastischen Stärken, thermoplastischen Kautschuken, elastomeren Kautschuken, Phenolharzen, Polyurethanharzen, Epoxidharzen, Polyesterharzen, Vinylesterharzen und beliebigen Mischungen aus zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen besteht.
Um einen ummantelten Zugträger mit einer hervorragenden Elastizität und insbesondere Biegsamkeit zu erhalten, wie sie beispielsweise für ein Tragmittel in einem Aufzugsystem gefordert sind, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, in dem Schritt b) ein Polymer einzusetzen, das bei Raumtemperatur und in dem ausgehärteten Zustand ein Elastizitätsmodul von höchstens 1.000 MPa aufweist.
Grundsätzlich kann die Extrusion in dem Schritt b) bei jeder geeigneten Temperatur durchgeführt werden, wobei das Polymer während der Extrusion beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 100°C und 400°C, bevorzugt zwischen 150°C und 300°C und besonders bevorzugt zwischen 180°C und 250°C erwärmt wird. Hierdurch lässt sich mit den gängigen Thermoplasten und thermoplastischen Elastomeren ein gut fließfähiges Extrudat mit guten Hafteigenschaften erzeugen, welches zu einer gleichmäßigen Ummantelung des Zugträgers und zu einer sehr festen stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Ummantelung und dem in dem Schritt a) hergestellten Zugträgers führt.
Um das Polymermaterial während der Extrusion besonders kontrolliert auf den Zugträger aufzubringen und insbesondere eine genaue Kontrolle über die Dicke der aufgebrachten Polymerschicht zu ermöglichen, wird das Polymer in dem Schritt b) auf den imprägnierten Zugträger bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung des Zugträgers extrudiert. Zum Extrudieren des Polymers kann dabei eine Extrusionsdüse verwendet werden, deren Austrittsöffnung im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung des imprägnierten Zugträgers auf den imprägnierten Zugträger gerichtet ist.
Zum Imprägnieren kann generell eine im Wesentlichen ringförmige Extrusionsdüse verwendet werden, durch welche der in Schritt a) hergestellte imprägnierte Zugträger hindurch läuft. Dadurch kann in einfacher Weise eine vollumfängliche Ummantelung des Zugträgers mit hoher Gleichmäßigkeit erreicht werden. Dies kann in besonders geeigneter Weise dadurch erreicht werden, dass das Polymer in dem Schritt b) durch einen Querspritzkopf auf den imprägnierten Zugträger extrudiert wird.
Bevorzugt wird das Verfahren so durchgeführt, dass der in dem Schritt b) erhaltene ummantelte Zugträger ein senkrecht zu seiner Längserstreckung gemessenes Elastizitätsmodul von 0,1 bis 4 GPa aufweist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mit einer Polymerschicht ummantelter Zugträger, der durch das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren erhältlich ist. Die vorstehend in Bezug auf das Verfahren beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen und Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen ummantelten Zugträger.
Ein solcher Zugträger kann insbesondere als Tragmittel ausgebildet sein und eignet sich besonders zur Verwendung als Tragmittel in einer Lastanwendung, bevorzugt in einer Förderanlage, in einer Transportanlage, in einer Zuganlage, in einer Maschine zur Zug- oder Kraftübertragung oder in einem Aufzugsystem und besonders bevorzugt in einem Personenaufzugsystem.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung, insbesondere zur kontinuierlichen Herstellung eines mit einer Polymerschicht ummantelten Zugträgers, welche eine Pultrusionseinrichtung und stromabwärts davon eine Extrusionseinrichtung umfasst, wobei in der Pultrusionseinrichtung eine Heizeinrichtung vorgesehen ist. Mittels einer solchen Pultrusionseinrichtung kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wenigstens eine Carbonfasern enthaltende Faserstruktur mit wenigstens einem Polymervorläufer imprägniert werden und der Polymervorläufer in der Pultrusionseinrichtung vorgehärtet oder ausgehärtet werden. Dadurch kann ein Polymervorläufer mit ausreichend niedriger Viskosität in die Faserstruktur eingebracht werden, so dass die Faserstruktur besonders vollständig und gleichmäßig imprägniert und daraufhin in der Pultrusionseinrichtung vorgehärtet oder ausgehärtet wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine Pultrusionseinrichtung mit einem wie vorstehend beschriebenen Formgebungswerkzeug umfassen und/oder eine Extrusionseinrichtung mit einer wie vorstehend beschriebenen Extrusionsdüse.
Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur beschrieben.
In der Figur ist eine Fertigungslinie zur Durchführung des erfindungsgemäßen kontinuierlichen Verfahrens zur Herstellung eines mit einer Polymerschicht ummantelten Zugträgers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
In der Förderrichtung gesehen umfasst die Fertigungslinie 8 zunächst einen Zuführungsabschnitt 10, in dem der Fertigungslinie 8 mehrere Carbonfasern enthaltende Faserstrukturen 12 zugeführt werden, welche in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Carbonfasern enthaltende Rovings ausgebildet sind, deren Fasern entlang der Förderrichtung orientiert sind.
Auf den Zuführungsabschnitt 10 folgt ein Pultrusionsabschnitt 14 mit einem Pultrusionswerkzeug 16, in dem die einzelnen Faserstrukturen 12 zusammengeführt und durch unter Ausbildung einer imprägnierten Faserstruktur 18 mit wenigstens einem Polymervorläufer imprägniert und vorgehärtet werden.
Dabei umfasst das Pultrusionswerkzeug 16 eine Pultrusionsdüse (nicht dargestellt), durch welche der wenigstens eine Polymervorläufer unter Druck in das Pultrusionswerkzeug 16 eingespritzt wird, um die Faserstrukturen 12 zu imprägnieren. Dabei ist die Pultrusionsdüse in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beheizt, um den Polymervorläufer zu erwärmen, damit dieser auf den Faserstrukturen 12 vorgehärtet wird.
Die in der Figur in perspektivischer Ansicht gezeigte imprägnierte und vorgehärtete Faserstruktur 18 weist einen in etwa rechteckigen Querschnitt auf, der durch die Form der Pultrusionsdüse des Pultrusionswerkzeugs 16 bestimmt wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die imprägnierte und vorgehärtete Faserstruktur 18 eine größere Breite b als Höhe h auf.
Wie vorstehend dargelegt, werden die Faserstrukturen 12 in dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel bei dem Einziehen in das Pultrusionswerkzeug 16 zusammengeführt. Allerdings ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch möglich, zu diesem Zweck vor dem Pultrusionswerkzeug 16 eine separate Zusammenführungseinheit vorzusehen, um die einzelnen Faserstrukturen 12 zusammenzuführen. Eine solche Zusammenführungseinheit kann zum Beispiel mehrere Umlenkrollen oder Umlenkwalzen aufweisen, zwischen denen ein Zwischenraum ausgebildet ist, durch den die Faserstrukturen 12 hindurch geführt werden, um diese zusammenzuführen.
Nach dem Pultrusionsabschnitt 14 wird die imprägnierte und vorgehärtete Faserstruktur 18 kontinuierlich einem Aushärtungsabschnitt 20 zugeführt, in dem zum vollständigen Aushärten des wenigstens einen Polymervorläufers zu dem Polymer eine Erwärmungseinheit 22 vorgesehen ist. Durch das vollständige Aushärten des Polymervorläufers wird der Zugträger 24 gebildet. Die Erwärmungseinheit 22 kann beispielsweise eine oder mehrere beheizte Platten aufweisen, über welche die imprägnierte Faserstruktur 18 geführt wird. Alternativ dazu oder zusätzlich dazu kann die Erwärmungseinheit 22 zu diesem Zweck auch eine konvektive Erwärmungseinheit oder einen Heizstrahler umfassen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der auf die Faserstrukturen 12 aufgebrachte Polymervorläufer prinzipiell auch bereits in dem Pultrusionsabschnitt 14 vollständig ausgehärtet werden, wobei in diesem Fall auf eine von dem Pultrusionswerkzeug 16 separate Erwärmungseinheit 22 verzichtet werden kann. Alternativ dazu kann grundsätzlich auf eine Vorhärtung oder Aushärtung in dem Pultrusionswerkzeug 16 verzichtet werden und die vollständige Aushärtung in der stromabwärts des Pultrusionswerkzeugs 16 angeordneten Erwärmungseinheit 22 erfolgen.
Auf den Aushärtungsabschnitt 20 folgt ein Extrusionsabschnitt 26, in welchem ein Extrusionswerkzeug 28 vorgesehen ist, um den Zugträger 24 durch Extrusion zur Bildung eines ummantelten Zugträgers 32 mit einer Schicht 30 aus einem Polymer zu ummanteln. Dabei umfasst das Extrusionswerkzeug 28 einen senkrecht auf den Zugträger 24 gerichteten Querspritzkopf, durch welchen der Zugträger 24 hindurch läuft. Wie in der Figur ersichtlich, wird der Zugträger 24 in dem Extrusionswerkzeug 28 vollumfänglich mit dem Polymer ummantelt, wobei die Polymerschicht 30 über die gesamte Oberfläche des Zugträgers eine im Wesentlichen konstante Dicke aufweist.
In der Förderrichtung gesehen hinter dem Extrusionsabschnitt 26 folgt ein Ziehabschnitt 34 mit einer Zieheinheit 36, welche den ummantelten Zugträger 32 durch die in Förderrichtung stromaufwärts davon angeordneten Stufen der Fertigungslinie 8 zieht. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Zieheinheit 36 durch zwei Bänder ausgebildet, welche von oben und unten an den ummantelten Zugträger 32 angreifen.
Schließlich folgt stromabwärts der Zieheinheit 36 ein Aufwickelabschnitt 38 mit einer durch eine Rolle gebildeten Aufwickeleinheit 40 zum Aufwickeln des fertigen ummantelten Zugträgers 32.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das gesamte Verfahren, also von dem Zuführungsabschnitt 10 bis zu dem Aufwickelabschnitt 38, kontinuierlich durchgeführt. Der durch dieses Verfahren hergestellte ummantelte Zugträger 32 ist als gurtartiges Tragmittel mit einer größeren Breite B als Höhe H ausgebildet, das sich hervorragend zur Verwendung in einer Lastanwendung, wie zum Beispiel in Förderanlagen, in Transportanlagen, in Zuganlagen, in Maschinen zur Zug- oder Kraftübertragung und insbesondere in Personenaufzugsystemen, eignet.
Bezugszeichenliste

8: Fertigungslinie
10: Zuführungsabschnitt
12: Faserstruktur
14: Pultrusionsabschnitt
16: Pultrusionswerkzeug/Pultrusionseinrichtung
18: imprägnierte Faserstruktur
20: Aushärtungsabschnitt
22: Erwärmungseinheit
24: Zugträger
26: Extrusionsabschnitt
28: Extrusionswerkzeug/Extrusionseinrichtung
30: Polymerschicht
32: ummantelter Zugträger
34: Ziehabschnitt
36: Zieheinheit
38: Aufwickelabschnitt
40: Aufwickeleinheit
b, B: Breite
h, H: Höhe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/026730 A1 [0003]
WO 2009/090299 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mit einer Polymerschicht (30) ummantelten Zugträgers (32), umfassend die nachfolgenden Schritte: a) Herstellen wenigstens eines Zugträgers (24) durch Imprägnieren wenigstens einer Carbonfasern enthaltenden Faserstruktur (12) mit wenigstens einem Polymervorläufer sowie Pultrudieren der imprägnierten Faserstruktur und b) zumindest bereichsweises Ummanteln des wenigstens einen in dem Schritt a) hergestellten Zugträgers (24) mit einer Schicht (30) aus einem Polymer mittels Extrusion.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses kontinuierlich durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt a) als Carbonfasern enthaltende Faserstruktur (12) ein Roving mit einer Filamentanzahl zwischen 1.000 und 300.000, bevorzugt zwischen 12.000 und 60.000 und besonders bevorzugt zwischen 24.000 und 50.000 eingesetzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt a) als Carbonfasern enthaltende Faserstruktur (12) ein Roving eingesetzt wird, dessen Fasern ein Längengewicht zwischen 1 und 10 g/m, bevorzugt zwischen 2 und 5 g/m und besonders bevorzugt zwischen 3 und 4 g/m aufweisen.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt a) als Carbonfasern enthaltende Faserstruktur (12) ein Roving eingesetzt wird, dessen Fasern einen Durchmesser zwischen 5 und 10 μm und bevorzugt zwischen 6 und 7 μm aufweisen.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt a) eine Carbonfasern enthaltende Faserstruktur (12) eingesetzt wird, welche wenigstens zu 50%, bevorzugt wenigstens zu 80%, besonders bevorzugt wenigstens zu 90% und höchst bevorzugt vollständig aus Carbonfasern besteht.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Schritt a) eingesetzte Faserstruktur (12) wenigstens zwei Faserschichten und/oder Faserbereiche umfasst, die sich vorzugsweise bezüglich der Art der darin enthaltenen Fasern unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt a) eine Faserstruktur (12) eingesetzt wird, welche wenigstens eine Schicht umfasst, welche wenigstens zu 50%, bevorzugt wenigstens zu 80%, besonders bevorzugt wenigstens zu 90% und höchst bevorzugt vollständig aus Carbonfasern besteht, und wenigstens eine Schicht umfasst, welche aus einer anderen Art von Fasern, bevorzugt Glasfasern, Polymerfasern, wie Aramidfasern, oder Basaltfasern zusammengesetzt ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt a) wenigstens ein Polymervorläufer eingesetzt wird, der wenigstens ein reaktiver Thermoplastvorläufer und/oder wenigstens ein reaktiver Duroplastvorläufer ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt a) wenigstens ein reaktiver Duroplastvorläufer eingesetzt wird, welcher vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Phenolharzen, Polyurethanharzen, Epoxidharzen, Polyesterharzen und Vinylesterharzen besteht.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Schritt a) hergestellte Zugträger in dem Schritt b) zumindest bereichsweise mit einem Thermoplasten, Duroplasten oder Elastomer und bevorzugt mit einem thermoplastischen Elastomer ummantelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer in dem Schritt b) während der Extrusion auf eine Temperatur zwischen 100°C und 400°C, bevorzugt zwischen 150°C und 300°C und besonders bevorzugt zwischen 180°C und 250°C erwärmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt b) das Polymer durch einen Querspritzkopf auf den imprägnierten Zugträger (24) extrudiert wird.
Mit einer Polymerschicht (30) ummantelter Zugträger (32), welcher durch ein Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche erhältlich ist.
Verwendung eines mit einer Polymerschicht (30) ummantelten Zugträgers (32) nach Anspruch 14 als Tragmittel in einer Lastanwendung, bevorzugt in einer Förderanlage, in einer Transportanlage, in einer Zuganlage, in einer Maschine zur Zug- oder Kraftübertragung oder in einem Aufzugsystem.
Vorrichtung zur Herstellung, insbesondere zur kontinuierlichen Herstellung, eines mit einer Polymerschicht ummantelten Zugträgers, welche eine Pultrusionseinrichtung (16) und stromabwärts davon eine Extrusionseinrichtung (28) umfasst, wobei in der Pultrusionseinrichtung (16) eine Heizeinrichtung vorgesehen ist.