DE102023203726A1 - REINFORCEMENT UNIT - Google Patents
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- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E04—BUILDING
- E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
- E04C5/00—Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
- E04C5/07—Reinforcing elements of material other than metal, e.g. of glass, of plastics, or not exclusively made of metal
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bewehrungseinheit, ein Betonbauteil umfassend eine Bewehrungseinheit sowie die Verwendung einer entsprechenden Bewehrungseinheit.The present invention relates to a reinforcement unit, a concrete component comprising a reinforcement unit and the use of a corresponding reinforcement unit.
Description
GEGENSTAND DER ERFINDUNGSUBJECT OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft eine Bewehrungseinheit, ein Bauteil umfassend die Bewehrungseinheit sowie die Verwendung der Bewehrungseinheit.The invention relates to a reinforcement unit, a component comprising the reinforcement unit and the use of the reinforcement unit.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Bewehrung (auch Armierung genannt) ist die Verstärkung von Betonbauteilen, üblicherweise mithilfe von Stahleinlagen. Durch eine Bewehrung kann eine besonders hohe Tragfähigkeit von Betonbauteilen, insbesondere durch Erhöhung der Widerstandsfähigkeit des Materials gegenüber Zugspannungen, erzielt werden. In der Regel werden Bewehrungseinheiten, wie Stahlgitter, bei der Bauteilherstellung in den Beton eingegossen. Anstelle von Stahl können auch faserverstärkte Strukturen genutzt werden, die insbesondere aufgrund ihres in der Regel deutlich geringeren Gewichts, ihrer höheren Festigkeit, besseren Ermüdungseigenschaften und ihrer Korrosionsbeständigkeit bevorzugt sind. Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Verwendung von gitterförmigen Bewehrungen aus textilem Material auf Basis von Glaserfasern bekannt.Reinforcement (also called armouring) is the strengthening of concrete components, usually with the help of steel inserts. Reinforcement can achieve a particularly high load-bearing capacity of concrete components, in particular by increasing the resistance of the material to tensile stresses. As a rule, reinforcement units such as steel grids are cast into the concrete during component manufacture. Instead of steel, fibre-reinforced structures can also be used, which are particularly preferred due to their generally significantly lower weight, higher strength, better fatigue properties and corrosion resistance. For example, the use of grid-shaped reinforcements made of textile material based on glass fibres is known from the state of the art.
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AUFGABETASK
Vor diesem Hintergrund bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung daher darin, eine Bewehrungseinheit bereitzustellen, mit der die oben beschriebenen Nachteile überwunden werden können, die insbesondere eine hohe Flexibilität und Anwendungsbreite ermöglicht, und die auf einfache und kosteneffiziente Weise hergestellt werden kann.Against this background, the object of the present invention was therefore to provide a reinforcement unit with which the disadvantages described above can be overcome, which in particular enables a high degree of flexibility and a wide range of applications, and which can be produced in a simple and cost-effective manner.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Bewehrungseinheit, die nachfolgende Komponenten umfasst
- ▪ ein Fasermaterial in Form von Endlosfasern, d. h. ein Endlosfasermaterial,
- ▪ ein Matrixmaterial,
- ▪ a fibre material in the form of continuous fibres, ie a continuous fibre material,
- ▪ a matrix material,
Das Fasermaterial ist vorzugsweise im Wesentlichen in dem Matrixmaterial eingebettet. Im Wesentlichen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass mindestens 70 Vol.-% des Fasermaterials von Matrixmaterial vollständig umgeben sind, vorzugsweise mindestens 75 Vol.-%, bevorzugter mindestens 80 Vol.-%, noch bevorzugter mindestens 85 Vol.-%, noch stärker bevorzugt mindestens 90 Vol.-% und am bevorzugtesten mindestens 95 Vol.-%. Die Bewehrungseinheit kann auch mehrere Fasermaterialien aus Endlosfasern umfassen, wobei sich in diesem Fall die obigen Bereichsangaben vorzugsweise auf den Volumenanteil eines Fasermaterials und/oder auf die Summe der Volumenanteile aller Fasermaterialien beziehen. The fiber material is preferably substantially embedded in the matrix material. In this context, substantially means that at least 70% by volume of the fiber material is completely surrounded by matrix material, preferably at least 75% by volume, more preferably at least 80% by volume, even more preferably at least 85% by volume, even more preferably at least 90% by volume and most preferably at least 95% by volume. The reinforcement unit can also comprise a plurality of fiber materials made of continuous fibers, in which case the above range information preferably refers to the volume fraction of a fiber material and/or to the sum of the volume fractions of all fiber materials.
Erfindungsgemäß umfasst das Matrixmaterial ein thermoplastisches Polymer oder besteht aus diesem. Das Matrixmaterial umfasst vorzugsweise mindestens 40 Gew.-% eines thermoplastischen Polymers, bevorzugter mindestens 50 Gew.-%, noch bevorzugter mindestens 75 Gew.-%, noch stärker bevorzugt mindestens 85 Gew.-% und am bevorzugtesten mindestens 90 Gew.-% oder sogar 95 Gew.-%.According to the invention, the matrix material comprises or consists of a thermoplastic polymer. The matrix material preferably comprises at least 40% by weight of a thermoplastic polymer, more preferably at least 50% by weight, even more preferably at least 75% by weight, even more preferably at least 85% by weight and most preferably at least 90% by weight or even 95% by weight.
Das Matrixmaterial kann auch mehrere thermoplastische Polymere umfassen, wobei sich in diesem Fall die obigen Mindestangaben auf die Summe der Gewichtsanteile aller thermoplastischen Polymere beziehen. Das Matrixmaterial kann auch Additive, wie beispielsweise flammhemmende Zusätze, Farbstoffe oder Füllmittel, umfassen. Das Einbringen des oder der Additive in das Kunststoffmatrixmaterial kann aufgrund der thermoplastischen Eigenschaften des Matrixmaterials auf einfache Weise über einen sogenannten Masterbatch erfolgen. Unter dem Begriff Masterbatch versteht man in eine Kunststoffmatrix eingebettete Additive in Form von Granulaten, in denen die Additive in Konzentrationen vorliegen, die höher sind als in der Endanwendung. Sie werden dem Kunststoff (Rohpolymer) zur Veränderung der Eigenschaften beigemischt und ermöglichen eine hohe Prozesssicherheit.The matrix material can also comprise several thermoplastic polymers, in which case the above minimum information refers to the sum of the weight proportions of all thermoplastic polymers. The matrix material can also comprise additives, such as flame-retardant additives, dyes or fillers. Due to the thermoplastic properties of the matrix material, the additive(s) can be easily introduced into the plastic matrix material using a so-called masterbatch. The term masterbatch refers to additives embedded in a plastic matrix in the form of granules in which the additives are present in concentrations that are higher than in the end application. They are mixed into the plastic (raw polymer) to change the properties and enable a high level of process reliability.
Die erfindungsgemäße Bewehrungseinheit eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Bauteil, insbesondere einem Betonbauteil und/oder einer Putzbewehrung. Andere mögliche Verwendungen sind als Asphaltbewehrung, Pflanzengitter oder in einem Keramikbauteil (insbesondere zur Rissüberbrückung in einem solchen Bauteil).The reinforcement unit according to the invention is particularly suitable for use in a component, in particular a concrete component and/or a plaster reinforcement. Other possible uses are as asphalt reinforcement, plant grids or in a ceramic component (in particular for bridging cracks in such a component).
Das Matrixmaterial des erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils, d.h. der erfindungsgemäßen Bewehrungseinheit, dient zur zumindest teilweisen, vorzugsweise vollständigen Einbettung des Fasermaterials. Es hält die Fasern des Fasermaterials in ihrer Position und überträgt und verteilt Spannungen zwischen ihnen. Außerdem übernimmt es eine Schutzfunktion, da es die Fasern vor äußeren Einflüssen wie UV-Strahlung oder Witterungseffekten schützt.The matrix material of the fiber composite component according to the invention, i.e. the reinforcement unit according to the invention, serves to at least partially, preferably completely embed the fiber material. It holds the fibers of the fiber material in their position and transfers and distributes tensions between them. It also has a protective function, as it protects the fibers from external influences such as UV radiation or weather effects.
Die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorteile werden maximiert, indem auch die einzelnen Endlosfasern, d. h. die Einzelfilamente des Fasermaterials, teilweise, vorzugsweise vollständig (d. h. über 70 % der Oberfläche) oder sogar vollständig imprägniert sind.The above-described advantages of the invention are maximized by also partially, preferably completely (i.e. over 70% of the surface) or even completely impregnating the individual continuous fibers, i.e. the individual filaments of the fiber material.
Das Faserverbundbauteil kann auch Poren umfassen, d. h. Luft- und/oder Gaseinschlüsse, die jedoch vorzugsweise nicht mehr als 5 Vol.-% des Gesamtvolumens des Faserverbundbauteils ausmachen. Besonders bevorzugt nicht mehr als 3 Vol.-%, noch stärker bevorzugt nicht mehr als 2 Vol.-% und am bevorzugtesten nicht mehr als 1 Vol.-%. Faser- und Matrixvolumenanteile sowie der Volumenanteil von Poren können mittels computertomographischer Analyse, wie z. B. in
Vorzugsweise weist das Matrixmaterial mit Ausnahme eines oder mehrerer optional eingebundener Additive und des eingebundenen Fasermaterials eine im Wesentlichen homogene chemische Zusammensetzung auf, d. h. dass, mit der Ausnahme von optional eingebundenen Additiven und des eingebundenen Fasermaterials, keine sichtbaren Stoffgrenzen bestehen.Preferably, the matrix material has a substantially homogeneous chemical composition with the exception of one or more optionally incorporated additives and the incorporated fiber material, i.e., with the exception of optionally incorporated additives and the incorporated fiber material, there are no visible material boundaries.
Bewehrung oder Armierung bezeichnet die Verstärkung von Betonbauteilen zur Erhöhung der Tragfähigkeit. Die erfindungsgemäße Bewehrungseinheit ist ein Faserverbundbauteil, welches in ein Betonbauteil zu diesem Zweck eingebracht werden kann. Die Bewehrungseinheit umfasst ein oder mehrere Bewehrungselemente, die miteinander verbunden sein können, wobei die Verbindung vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Kunststoffschweißen des thermoplastischen Matrixmaterials, erfolgt ist. Bevorzugt weist die Bewehrungseinheit mehrere, vorzugsweise längliche, Bewehrungselemente auf, die derart zueinander angeordnet sind, dass sie sich kreuzen. Besonders bevorzugt sind die Bewehrungselemente an den Kreuzungspunkten miteinander verbunden, wobei die Verbindung vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Kunststoffschweißen des thermoplastischen Matrixmaterials, erfolgt ist.Reinforcement or armouring refers to the strengthening of concrete components to increase the load-bearing capacity. The reinforcement unit according to the invention is a fibre composite component which can be introduced into a concrete component for this purpose. The reinforcement unit comprises one or more reinforcement elements which can be connected to one another, the connection preferably being made in a material-locking manner, in particular by plastic welding of the thermoplastic matrix material. The reinforcement unit preferably has several, preferably elongated, reinforcement elements which are arranged in such a way that they cross one another. The reinforcement elements are particularly preferably connected to one another at the crossing points, the connection preferably being made in a material-locking manner, in particular by plastic welding of the thermoplastic matrix material.
Sofern die Bewehrungseinheit mehrere Bewehrungselemente umfasst, die einander kreuzen, so ist die Bewehrungseinheit bevorzugt derart ausgestaltet, dass zumindest die Kreuzungspunkte im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig, in Matrixmaterial eingebettet sind.If the reinforcement unit comprises several reinforcement elements that cross each other, the reinforcement unit is preferably designed such that at least the crossing points are substantially, preferably completely, embedded in matrix material.
Die Bewehrungselemente der erfindungsgemäßen Bewehrungseinheit weisen bevorzugt einen zumindest abschnittsweisen, vorzugsweise vollständig, geradlinigen, länglichen Verlauf auf. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Bewehrungselemente zumindest abschnittsweise einen von einem geradlinigen Verlauf abweichenden (z. B. einen gewinkelten) Verlauf auf.The reinforcement elements of the reinforcement unit according to the invention preferably have an at least partially, preferably completely, straight, elongated course. In a preferred embodiment, the reinforcement elements have at least partially a course that deviates from a straight course (e.g. an angled one).
Unter „Endlosfasern“ werden im Rahmen der Erfindung Fasern mit einer Länge L ≥ 50 mm verstanden. Die Fasern des erfindungsgemäßen Fasermaterials weisen vorzugsweise eine Faserlänge L auf, wobei L ≥ 75 mm, bevorzugt L ≥ 100 mm, noch bevorzugter L ≥ 500 mm und am bevorzugtesten L ≥ 1000 mm.In the context of the invention, “continuous fibers” are understood to mean fibers with a length L ≥ 50 mm. The fibers of the fiber material according to the invention preferably have a fiber length L, where L ≥ 75 mm, preferably L ≥ 100 mm, even more preferably L ≥ 500 mm and most preferably L ≥ 1000 mm.
Die erfindungsgemäße Bewehrungseinheit kann fernab von dem Endlosfasermaterial noch weitere Fasermaterialien enthalten. Vorzugsweise sind jedoch ≥ 30 Vol.-% des gesamten Fasermaterials Endlosfasern, bevorzugter ≥ 50 Vol.-%, noch stärker bevorzugt ≥ 60 Vol.-%, noch erheblich stärker bevorzugt ≥ 70 Vol.-%, noch wesentlich stärker bevorzugt ≥ 80 Vol.-% und am bevorzugtesten ≥ 90 Vol.-%. Ganz besonders bevorzugt besteht das gesamte Fasermaterial der Bewehrungseinheit aus Endlosfasern.The reinforcement unit according to the invention can be further removed from the continuous fiber material other fiber materials. Preferably, however, ≥ 30 vol.% of the entire fiber material is continuous fibers, more preferably ≥ 50 vol.%, even more preferably ≥ 60 vol.%, even more preferably ≥ 70 vol.%, even more preferably ≥ 80 vol.% and most preferably ≥ 90 vol.%. Most preferably, the entire fiber material of the reinforcement unit consists of continuous fibers.
Wenn die Bewehrungseinheit längliche Bewehrungselemente umfasst, so sind die Fasern des Fasermaterials vorzugsweise derart ausgebildet, dass sich die Fasern über die gesamte Länge eines Bewehrungselementes erstrecken.If the reinforcement unit comprises elongate reinforcement elements, the fibers of the fiber material are preferably designed such that the fibers extend over the entire length of a reinforcement element.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Endlosfasern um Unidirektionalfasern, d. h. die Endlosfasern sind in einem Bewehrungselement in einzige Richtung orientiert und vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet.Particularly preferably, the continuous fibers are unidirectional fibers, i.e. the continuous fibers are oriented in a single direction in a reinforcement element and are preferably aligned parallel to one another.
Durch die Verwendung eines thermoplastischen Matrixmaterials zur Einbettung des Fasermaterials wird eine besonders hohe Flexibilität bei der Ausgestaltung und Anpassung der Bewehrungseinheit erzielt. Das thermoplastische Polymermaterial ermöglicht das Schweißen, beispielsweise durch Ultraschall oder Laser, was den Strukturaufbau bei der Herstellung der Bewehrungseinheit wesentlich vereinfacht. Kreuzungspunkte können durch Kunststoffschweißen sehr einfach erhalten und auch nachträglich angepasst werden. Dies ermöglicht, auf komplexe und teilweise material- und/oder kostenintensive Verbindungstechniken, wie das Nähen oder das Kleben, zu verzichten. Darüber hinaus kann das thermoplastische Polymermaterial umspritzt oder mit anderen Strukturen allein durch Kunststoffschweißen verbunden werden, sodass auf einfache Weise komplexe Geometrien mit hochwertigen mechanischen Eigenschaften erhalten werden können. Aus der Kombination von Endlosfasern und thermoplastischem Matrixmaterial resultieren zudem besonders vorteilhafte mechanische Eigenschaften, die zu einem verstärkten Bewehrungseffekt führen. Vorteilhaft kann auch die Verwendung von Wirkfäden zur Verbindung mehrerer Bewehrungselemente vermieden werden. Diese führen üblicherweise zu Einschnürungen, wodurch die Homogenität der Bewehrungseinheit und damit deren Tragkraft negativ beeinflusst wird. Besonders bevorzugt weist die Bewehrungseinheit mehrere längliche Bewehrungselemente auf, die das Faser- und das Matrixmaterial umfassen und die an Verbindungsstellen, z. B. Kreuzungspunkten, miteinander verbunden sind, wobei mindestens einer, vorzugsweise mehrere, besonders bevorzugt alle Verbindungsstellen frei von Wirkfäden sind. Besonders bevorzugt sind diese Verbindungsstellen stoffschlüssig miteinander verbunden.By using a thermoplastic matrix material to embed the fiber material, a particularly high level of flexibility is achieved in the design and adaptation of the reinforcement unit. The thermoplastic polymer material enables welding, for example by ultrasound or laser, which significantly simplifies the structure construction during the manufacture of the reinforcement unit. Crossing points can be very easily obtained by plastic welding and can also be subsequently adjusted. This makes it possible to dispense with complex and sometimes material- and/or cost-intensive joining techniques such as sewing or gluing. In addition, the thermoplastic polymer material can be overmolded or connected to other structures using plastic welding alone, so that complex geometries with high-quality mechanical properties can be easily obtained. The combination of continuous fibers and thermoplastic matrix material also results in particularly advantageous mechanical properties that lead to an increased reinforcement effect. The use of knitted threads to connect several reinforcement elements can also be advantageously avoided. These usually lead to constrictions, which negatively affect the homogeneity of the reinforcement unit and thus its load-bearing capacity. The reinforcement unit particularly preferably has a plurality of elongated reinforcement elements which comprise the fiber and matrix material and which are connected to one another at connection points, e.g. crossing points, wherein at least one, preferably several, particularly preferably all connection points are free of knitting threads. These connection points are particularly preferably connected to one another in a materially bonded manner.
Ohne bedeutende Verluste der physikalischen Eigenschaften können einzelne Bewehrungselemente neu geformt und damit die Geometrie der Bewehrungseinheit im Nachhinein angepasst werden. Zudem kann die Bewehrungseinheit nach ihrer Verwendung deutlich einfacher recycliert werden, als dies bei Verwendung duromerer Matrixmaterialien möglich wäre, deren Bestandteile nicht zerstörungsfrei getrennt werden können. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Bewehrungseinheit ermöglicht daher nicht nur eine universellere Verwendung, auch eine bessere Nachhaltigkeit des Produkts kann erzielt werden. Da eine Anpassung der Werkzeuggeometrie nicht oder zumindest nicht in dem Maße wie bei Verwendung von duromeren Harzen notwendig ist, führt die erfindungsgemäße Verwendung eines thermoplastischen Matrixmaterials zudem zu einer Vereinfachung des Herstellprozesses und damit in der Regel zu einer erhöhten Herstellgeschwindigkeit. Darüber hinaus zeichnet sich die erfindungsgemäße Bewehrungseinheit durch eine leichte Zerspanbarkeit für Tunnelbohrmaschinen, eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine gute Durchlässigkeit für Funkfrequenzen aus.Without significant loss of physical properties, individual reinforcement elements can be reshaped and the geometry of the reinforcement unit can be subsequently adjusted. In addition, the reinforcement unit can be recycled much more easily after use than would be possible when using duromer matrix materials, the components of which cannot be separated without causing damage. The use of the reinforcement unit according to the invention therefore not only enables more universal use, but also better sustainability of the product can be achieved. Since an adjustment of the tool geometry is not necessary, or at least not to the extent that it is necessary when using duromer resins, the use of a thermoplastic matrix material according to the invention also simplifies the manufacturing process and thus generally increases manufacturing speed. In addition, the reinforcement unit according to the invention is characterized by easy machinability for tunnel boring machines, low thermal conductivity and good permeability for radio frequencies.
Aufgrund der Korrosionsbeständigkeit und der sehr guten mechanischen Eigenschaften kann durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Bewehrungseinheit in einem Betonbauteil zudem die Menge des notwendigen Betons im Vergleich zu einem Stahlbetonbauteil deutlich reduziert werden, um eine vergleichbare Stabilität des Bauteils zu erhalten. Hierdurch können deutliche CO2-Einsparungen erzielt werden.Due to the corrosion resistance and the very good mechanical properties, the use of the reinforcement unit according to the invention in a concrete component can also significantly reduce the amount of concrete required compared to a reinforced concrete component in order to obtain a comparable stability of the component. This can result in significant CO2 savings.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das thermoplastische Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyamiden (PA), insbesondere PA 6, PA 6,6, PA 4,6, PA 6,10, PA 6,12, PA 11, PA 12, Polyphthalamide (PPA), Polycarbonat (PC), Polyvinylbutyral (PVB), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyester wie Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylenterephthalat (PET), Polyphenylensulfid, Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS), Polyacrylat, Polymethacrylat, Polyoxymethylen (POM), Polycarbonat (PC), Polyethersulfon (PES), Polyetherketone wie Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyetherketonketon (PEKK), Polyphenylether (PEI), Polyvinylchlorid (PVC), Polylactid, Polyurethan, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA), Polystyrol (PS), Copolymeren und/oder Mischungen der vorgenannten Polymere.In a preferred embodiment of the invention, the thermoplastic polymer is selected from the group consisting of polyamides (PA), in particular PA 6, PA 6.6, PA 4.6, PA 6.10, PA 6.12, PA 11, PA 12, polyphthalamides (PPA), polycarbonate (PC), polyvinyl butyral (PVB), polypropylene (PP), polyethylene (PE), polyesters such as polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene terephthalate (PET), polyphenylene sulfide, acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polyacrylate, polymethacrylate, polyoxymethylene (POM), polycarbonate (PC), polyethersulfone (PES), polyether ketones such as polyether ether ketone (PEEK) or polyether ketone ketone (PEKK), polyphenyl ether (PEI), polyvinyl chloride (PVC), polylactide, polyurethane, ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA), polystyrene (PS), copolymers and/or mixtures of the aforementioned polymers.
Besonders bevorzugt sind aufgrund ihres mechanischen Eigenschaftsprofils Polyamide (PA), insbesondere Polyphthalamide (PPA) wie PA6T, PA6T/6I, PA 6T/66, PA9T, PA 6T/6, PA 6T/„DT“, PA6T/X, PA10T/X oder PA6T/6I, Polycarbonate (PC), Polyterephtalate und Polyetherketone.Particularly preferred due to their mechanical property profile are polyamides (PA), in particular polyphthalamides (PPA) such as PA6T, PA6T/6I, PA 6T/66, PA9T, PA 6T/6, PA 6T/“DT”, PA6T/X, PA10T/X or PA6T/6I, polycarbonates (PC), polyterephthalates and polyether ketones.
Typischerweise werden thermoplastische Polymermaterialien in Faserverbundbauteilen nur in der Kombination mit Kurz- oder Langfasern eingesetzt. Die Kurzfasern werden dem Kunststoffmaterial während des Formgebungsprozesses, z. B. dem Spritzgießen, zugegeben oder befinden sich bereits im Granulat (z. B. langfaserverstärkte Thermoplaste, LFT) und im Wesentlichen homogen in der zu verarbeitenden Kunststoffmasse verteilt. Im Gegensatz hierzu werden in der vorliegenden Erfindung Endlosfasern mit einem thermoplastischen Matrixmaterial kombiniert.Typically, thermoplastic polymer materials are only used in fiber composite components in combination with short or long fibers. The short fibers are added to the plastic material during the molding process, e.g. injection molding, or are already in the granulate (e.g. long fiber reinforced thermoplastics, LFT) and are distributed essentially homogeneously in the plastic mass to be processed. In contrast, in the present invention, continuous fibers are combined with a thermoplastic matrix material.
Besonders bevorzugt sind teilkristalline thermoplastische Polymere als Matrixmaterial. Teilkristallin sind thermoplastische Polymere, die in ihrer morphologischen Struktur sowohl geordnete, kristalline als auch ungeordnete, amorphe Bereiche besitzen.Partially crystalline thermoplastic polymers are particularly preferred as matrix material. Partially crystalline thermoplastic polymers are those that have both ordered, crystalline and disordered, amorphous regions in their morphological structure.
Aus der Kombination von teilkristallinen Matrixmaterialien mit Endlosfasern resultieren besonders vorteilhafte mechanische Eigenschaften der Bewehrungseinheit. Darüber hinaus sind diese gegenüber äußeren Einflüssen wie Chemikalien oder Witterung resistent(er) und weisen eine höhere Wärmeformbeständigkeit auf. Bei einem hohen Kristallinitätsgrad sind diese positiven Effekte besonders stark ausgeprägt.The combination of semi-crystalline matrix materials with continuous fibers results in particularly advantageous mechanical properties of the reinforcement unit. In addition, they are more resistant to external influences such as chemicals or weather and have a higher heat resistance. These positive effects are particularly pronounced with a high degree of crystallinity.
Bevorzugt liegt der Kristallinitätsgrad des thermoplastischen Polymers der Bewehrungseinheit bei mindestens 20 %, bevorzugter mindestens 30 %, noch stärker bevorzugt mindestens 35 % und am bevorzugten mindestens 40 %, bevorzugt jedoch auch nicht mehr 85 %.Preferably, the degree of crystallinity of the thermoplastic polymer of the reinforcement unit is at least 20%, more preferably at least 30%, even more preferably at least 35% and most preferably at least 40%, but preferably not more than 85%.
Bevorzugt liegt der Kristallinitätsgrad des thermoplastischen Polymers der Bewehrungseinheit in einem Bereich von 20-90 %, stärker bevorzugt in einem Bereich von 30-80 %, noch stärker bevorzugt in einem Bereich von 35-70 % und am bevorzugtesten in einem Bereich von 35-45 %.Preferably, the degree of crystallinity of the thermoplastic polymer of the reinforcement unit is in a range of 20-90%, more preferably in a range of 30-80%, even more preferably in a range of 35-70%, and most preferably in a range of 35-45%.
Der Kristallinitätsgrad kann durch Dichtemessung oder kalorimetrisch (Dynamische Differenzkalorimetrie) bestimmt werden. Diese dem Fachmann gängigen Methoden werden beispielsweise in „Makromoleküle - Hans-Georg Elias, Hüthig & Wepf Verlag Basel, Heidelberg, 1971“, Abschnitte 5.2.2 und 5.2.3 beschrieben.The degree of crystallinity can be determined by density measurement or calorimetrically (differential scanning calorimetry). These methods, which are familiar to the expert, are described, for example, in “Macromolecules - Hans-Georg Elias, Hüthig & Wepf Verlag Basel, Heidelberg, 1971”, sections 5.2.2 and 5.2.3.
Bei der bevorzugten erfindungsgemäßen Verwendung von Endlosfasern in Kombination mit teilkristallinen thermoplastischen Polymeren konnten die Erfinder eine erhöhte Kristallinität des thermoplastischen Matrixmaterials beobachten. Ohne an diese Theorie gebunden zu sein, gehen die Erfinder davon aus, dass nach dem Imprägnieren der Fasern bei der Herstellung die Endlosfasern bei der anschließenden Abkühlung des Matrixmaterials die Nukleation und das Kristallwachstum fördern. Die Verwendung von teilkristallinen thermoplastischen Polymeren ist daher besonders vorteilhaft.With the preferred use of continuous fibers in combination with semi-crystalline thermoplastic polymers according to the invention, the inventors were able to observe an increased crystallinity of the thermoplastic matrix material. Without being bound to this theory, the inventors assume that after the fibers have been impregnated during production, the continuous fibers promote nucleation and crystal growth during the subsequent cooling of the matrix material. The use of semi-crystalline thermoplastic polymers is therefore particularly advantageous.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das Fasermaterial zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig, in einer übergeordneten textilen Struktur vor, d.h. ein aus den Endlosfasern hergestelltes linien-, flächenförmiges und/oder räumliches Gebilde. Das Fasermaterial ist teilweise, im Wesentlichen (d.h. zu über 90 Vol.-%), oder sogar vollständig in das thermoplastische Matrixmaterial eingebettet.In a preferred embodiment of the invention, the fiber material is present at least in sections, preferably completely, in a higher-level textile structure, i.e. a linear, planar and/or spatial structure made from the continuous fibers. The fiber material is partially, substantially (i.e. over 90% by volume), or even completely embedded in the thermoplastic matrix material.
Besonders bevorzugt ist die textile Struktur ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gelege, Maschenware, Gewebe, Geflechte und Mischungen davon.Particularly preferably, the textile structure is selected from the group consisting of scrims, knitwear, woven fabrics, braids and mixtures thereof.
Unter Flechten wird im Sinne der Erfindung das regelmäßige Ineinanderschlingen mehrerer Stränge aus biegsamem Material verstanden. Der Unterschied zum Weben liegt darin, dass beim Flechten die Fäden nicht rechtwinklig zu der Produkthauptrichtung zugeführt werden.For the purposes of the invention, braiding is understood to mean the regular intertwining of several strands of flexible material. The difference to weaving is that in braiding the threads are not fed at right angles to the main product direction.
Erfindungsgemäß wird unter Gewebe ein textiles Gebilde verstanden, das aus zwei Fadensystemen, Kette (Kettfäden) und Schuss (Schussfäden), besteht, die sich in der Sicht auf die Gewebefläche unter einem Winkel von genau oder annähernd 90° mustermäßig kreuzen. Jedes der beiden Systeme kann aus mehreren Kett- bzw. Schussarten aufgebaut sein (z.B. Grund-, Pol- und Füllkette; Grund-, Binde- und Füllschuss). Die Kettfäden verlaufen in Längsrichtung des Gewebes, parallel zur Gewebekante, und die Schussfäden in Querrichtung, parallel zum Geweberand. Die Verbindung der Fäden zum Gewebe erfolgt vorwiegend durch Reibschluss. Damit ein Gewebe ausreichend schiebefest ist, müssen die Kett- und Schussfäden meistens relativ dicht gewebt werden. Deshalb weisen die Gewebe bis auf wenige Ausnahmen auch ein geschlossenes Warenbild auf. Diese Definition entspricht der Norm DIN 61100, Teil 1.According to the invention, a fabric is understood to be a textile structure that consists of two thread systems, warp (warp threads) and weft (weft threads), which, when viewed on the fabric surface, cross in a pattern at an angle of exactly or approximately 90°. Each of the two systems can be made up of several types of warp or weft (e.g. ground, pile and filling warp; ground, binding and filling weft). The warp threads run in the lengthwise direction of the fabric, parallel to the fabric edge, and the weft threads run in the crosswise direction, parallel to the fabric edge. The threads are connected to the fabric primarily by friction. In order for a fabric to be sufficiently slip-resistant, the warp and weft threads usually have to be woven relatively tightly. Therefore, with a few exceptions, the fabrics also have a closed appearance. This definition corresponds to the standard DIN 61100,
Erfindungsgemäß fallen unter den Begriff Gewebe auch solche textilen Materialien, die getuftet wurden. Das Tuften ist ein Verfahren, bei dem Garne mit einer durch Druckluft und/oder Strom betriebenen Maschine in ein Gewebe verankert werden.According to the invention, the term fabric also includes textile materials that have been tufted. Tufting is a process in which yarns are anchored into a fabric using a machine powered by compressed air and/or electricity.
Erfindungsgemäß werden unter Maschenware textile Stoffe verstanden, die aus Fadensystemen durch Maschenbildung hergestellt werden. Hierunter fallen sowohl gehäkelte als auch gestrickte Stoffe.According to the invention, knitwear is understood to mean textile materials that are made from thread systems by forming stitches. This includes both crocheted and knitted materials.
Unter Gelege wird erfindungsgemäß ein Gebilde, das aus einer oder mehreren Lagen von parallel verlaufenden, gestreckten Fäden besteht, verstanden. An den Kreuzungspunkten werden die Fäden üblicherweise fixiert. Die Fixierung erfolgt entweder durch Stoffschluss oder mechanisch durch Reibung und/oder Formschluss. Bevorzugt ist das Gelege ausgewählt aus einem monoaxialen oder unidirektionalen, einem biaxialen oder multiaxialen Gelege.According to the invention, a scrim is understood to mean a structure that consists of one or more layers of parallel, stretched threads. The threads are usually fixed at the crossing points. The fixation takes place either by material bonding or mechanically by friction and/or form-fitting. The scrim is preferably selected from a monoaxial or unidirectional, a biaxial or multiaxial scrim.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das Fasermaterial in Form von Endlosfasern vorzugsweise als Roving in der Bewehrungseinheit vor, d. h. die Endlosfasern bilden einen oder mehrere Rovings.In a preferred embodiment of the invention, the fiber material is in the form of continuous fibers, preferably as rovings in the reinforcement unit, i.e. the continuous fibers form one or more rovings.
Bevorzugt umfasst die Bewehrungseinheit mehrere Bewehrungselemente, welche jeweils ein oder mehrere Rovings umfassen, die zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, in das thermoplastische Polymermaterial zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, eingebettet sind. Solche mit dem thermoplastischen Polymermaterial imprägnierte Bewehrungselemente sind vorzugsweise in Form von länglichen Elementen ausgebildet und werden dann, wenn Sie genau einen Roving umfassen, als „Rods“ bezeichnet. Sie weisen vorzugsweise einen im Wesentlichen runden Querschnitt auf, wobei der Durchmesser des Querschnitts der Rods in einem Bereich von 1 bis 5 mm, bevorzugt 1,5 bis 3 mm und besonders bevorzugt 2 bis 2,5 mm liegt.The reinforcement unit preferably comprises a plurality of reinforcement elements, each of which comprises one or more rovings which are at least partially, preferably completely, embedded in the thermoplastic polymer material. Such reinforcement elements impregnated with the thermoplastic polymer material are preferably designed in the form of elongated elements and are referred to as "rods" when they comprise exactly one roving. They preferably have a substantially round cross-section, the diameter of the cross-section of the rods being in a range from 1 to 5 mm, preferably 1.5 to 3 mm and particularly preferably 2 to 2.5 mm.
Bevorzugt beträgt die Einzelfilamentanzahl des einen oder der mehreren Rovings ≥ 40.000, vorzugsweise ≥ 50.000. Durch die Verwendung einer entsprechend hohen Einzelfilamentanzahl (sogenannten „Heavy Tows“) kann auf die Verwendung mehrerer einzelner Rovings für die Herstellung eines einzelnen Bewehrungselementes verzichtet, d. h. die Anzahl der zu verwendenden Rovings reduziert, werden. Hierdurch kann im Herstellprozess auf kleinere Spulengatter zurückgegriffen werden, sodass der Herstellprozess wesentlich vereinfacht, stabiler und mit größerem Output durchgeführt werden kann. Bewehrungselemente mit Rovings der oben beschriebenen hohen Einzelfilamentanzahl sind einfacher zu verarbeiten und daher besonders kosteneffizient.Preferably, the number of individual filaments of the one or more rovings is ≥ 40,000, preferably ≥ 50,000. By using a correspondingly high number of individual filaments (so-called "heavy tows"), the use of several individual rovings for the production of a single reinforcement element can be dispensed with, i.e. the number of rovings to be used can be reduced. This means that smaller creels can be used in the manufacturing process, so that the manufacturing process can be carried out much more simply, more stably and with a higher output. Reinforcement elements with rovings with the high number of individual filaments described above are easier to process and therefore particularly cost-effective.
Besonders bevorzugt besteht ein Teil der Bewehrungselemente, vorzugsweise alle Bewehrungselemente, aus sogenannten „Rebars“ (= reinforcing bars). Dies sind längliche Elemente, die zwei oder mehr Rovings umfassen. Diese Rebars weisen vorzugsweise einen im Wesentlichen runden Querschnitt auf, wobei der Durchmesser des Querschnitts der Rebars in einem Bereich von 1 bis 25 mm, bevorzugt 2 bis 15 mm und besonders bevorzugt 3 bis 12 mm liegt. Rebars und Rods können durch Pultrusionsverfahren erhalten werden.Particularly preferably, some of the reinforcement elements, preferably all of the reinforcement elements, consist of so-called “rebars” (= reinforcing bars). These are elongated elements that comprise two or more rovings. These rebars preferably have a substantially round cross-section, the diameter of the cross-section of the rebars being in a range from 1 to 25 mm, preferably 2 to 15 mm and particularly preferably 3 to 12 mm. Rebars and rods can be obtained by pultrusion processes.
Vorzugsweise weisen die Rebars ein E-Modul von ≥ 50 GPa, bevorzugt ≥ 60 GPA, stärker bevorzugt ≥ 75 GPa, noch stärker bevorzugt ≥ 90 GPa und am bevorzugtesten ≥ 100 GPa auf. Das E-Modul kann wie in DIN EN ISO 527-1 beschrieben, ermittelt werden.Preferably, the rebars have an elastic modulus of ≥ 50 GPa, preferably ≥ 60 GPA, more preferably ≥ 75 GPa, even more preferably ≥ 90 GPa and most preferably ≥ 100 GPa. The elastic modulus can be determined as described in DIN EN ISO 527-1.
Vorzugsweise weisen die Rebars eine Zugfestigkeit ≥ 1000 MPa, bevorzugt ≥ 1200 MPA, stärker bevorzugt ≥ 1300 MPa, noch stärker bevorzugt ≥ 1400 MPa und am bevorzugtesten ≥ 1500 MPa auf. Die Zugfestigkeit kann wie in DIN EN ISO 527-1 beschrieben, ermittelt werden.Preferably, the rebars have a tensile strength ≥ 1000 MPa, preferably ≥ 1200 MPA, more preferably ≥ 1300 MPa, even more preferably ≥ 1400 MPa and most preferably ≥ 1500 MPa. The tensile strength can be determined as described in DIN EN ISO 527-1.
Besonders bevorzugt besteht ein Teil der Bewehrungselemente, vorzugsweise alle Bewehrungselemente, aus einer Kombination von „Rebars“ und „Rods“.Particularly preferably, some of the reinforcement elements, preferably all of the reinforcement elements, consist of a combination of “rebars” and “rods”.
Rods und Rebars, insbesondere wenn diese in Form eines Gitters angeordnet sind, weisen vorzugsweise eine Oberflächenprofilierung auf. Die Oberflächenprofilierung kann beispielsweise eine rippen- oder wellenförmige Geometrie aufweisen. Dies führt zu einer verbesserten Verankerung nach der Einarbeitung der Bewehrungseinheit in den Beton.Rods and rebars, especially when arranged in the form of a grid, preferably have a surface profile. The surface profile can, for example, have a ribbed or wave-shaped geometry. This leads to improved anchoring after the reinforcement unit has been incorporated into the concrete.
Bevorzugt weist die Bewehrungseinheit mehrere längliche Bewehrungselemente auf, wobei zumindest ein Teil der Bewehrungselemente in Form einer Gruppe von parallelen Bewehrungselementen angeordnet ist. Bevorzugt weist die Bewehrungseinheit mindestens zwei Gruppen von Bewehrungselementen auf, wobei die Bewehrungselemente aus unterschiedlichen Gruppen nicht parallel zueinander verlaufen.Preferably, the reinforcement unit has a plurality of elongate reinforcement elements, wherein at least some of the reinforcement elements are arranged in the form of a group of parallel reinforcement elements. Preferably, the reinforcement unit has at least two groups of reinforcement elements, wherein the reinforcement elements from different groups do not run parallel to one another.
Besonders bevorzugt ist eine Anordnung in Form eines Gitters, wobei die länglichen Bewehrungselemente, welche das Gitter bilden, vorzugsweise Rods und/oder Rebars sind. Solche Anordnungen werden in Analogie zu Baustahlmatten oder Betonstahlmatten auch als Baucarbonmatten oder Carbonbetonmatten bezeichnet.An arrangement in the form of a grid is particularly preferred, wherein the elongated reinforcement elements that form the grid are preferably rods and/or rebars. Such arrangements are also referred to as construction carbon mats or carbon concrete mats in analogy to construction steel mats or reinforcing steel mats.
Besonders bevorzugt ist auch eine Anordnung in Form eines Bewehrungskorbes.An arrangement in the form of a reinforcement cage is also particularly preferred.
Bevorzugt ist das Fasermaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glasfasern, Carbonfasern, Keramikfasern, Basaltfasern, Borfasern, Stahlfasern, Polymerfasern wie Synthesefasern, insbesondere Aramid- und Nylonfasern, oder Naturfasern, insbesondere Naturpolymerfasern oder Kombinationen der vorgenannten. Besonders bevorzugt sind Glasfasern und Carbonfasern oder Kombinationen der vorgenannten. Aufgrund ihrer vorteilhaften mechanischen Eigenschaften und ihrer geringen Dichte sind Carbonfasern am bevorzugtesten. Glasfasern sind insbesondere dann bevorzugt, wenn die elektrische Leitfähigkeit minimiert werden soll.Preferably, the fiber material is selected from the group consisting of glass fibers, carbon fibers, ceramic fibers, basalt fibers, boron fibers, steel fibers, polymer fibers such as synthetic fibers, in particular aramid and nylon fibers, or natural fibers, in particular natural polymer fibers or combinations of the aforementioned. Particularly preferred are glass fibers and carbon fibers or combinations of the above. Due to their advantageous mechanical properties and low density, carbon fibers are the most preferred. Glass fibers are particularly preferred when electrical conductivity is to be minimized.
Unter Naturfasern sind Fasern zu verstehen, die von natürlichen Quellen wie Pflanzen, Tieren oder Mineralien stammen und sich ohne weitere chemische Umwandlungsreaktionen direkt einsetzen lassen. Erfindungsgemäße Beispiele hierfür sind Flachs-, Jute-, Sisal- oder Hanffasern sowie Proteinfasern oder Baumwolle. Erfindungsgemäß eingesetzt werden können auch Regeneratfasern, d.h. Fasern, die aus natürlich vorkommenden, nachwachsenden Rohstoffen über chemische Prozesse hergestellt werden.Natural fibers are fibers that come from natural sources such as plants, animals or minerals and can be used directly without further chemical conversion reactions. Examples of these according to the invention are flax, jute, sisal or hemp fibers as well as protein fibers or cotton. Regenerated fibers, i.e. fibers that are produced from naturally occurring, renewable raw materials using chemical processes, can also be used according to the invention.
Entsprechende Faserwerkstoffe zeichnen sich durch eine verbesserte Recyclierbarkeit und damit eine besonders hohe Nachhaltigkeit aus.Corresponding fiber materials are characterized by improved recyclability and thus a particularly high level of sustainability.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Bewehrungseinheit mehrere längliche Bewehrungselemente, z. B. in Form von Stangen, auf, die das Faser- und das Matrixmaterial umfassen und die derart angeordnet und ausgerichtet sind, dass sie an Verbindungsstellen miteinander verbunden sind. Die Verbindungsstellen können beispielsweise Kreuzungspunkte sein, an denen die Bewehrungselemente sich kreuzen. Die Bewehrungseinheit kann fernab von diesen Bewehrungselementen noch weitere Bestandteile, z. B. Beschichtungen oder auch Verbindungsmittel aufweisen, die ebenso das Faser- und das Matrixmaterial umfassen können.In a preferred embodiment of the invention, the reinforcement unit has a plurality of elongated reinforcement elements, e.g. in the form of rods, which comprise the fiber and matrix material and which are arranged and aligned in such a way that they are connected to one another at connection points. The connection points can, for example, be crossing points at which the reinforcement elements cross. The reinforcement unit can have further components, e.g. coatings or connecting means, away from these reinforcement elements, which can also comprise the fiber and matrix material.
Die Erfindung umfasst auch ein System, d. h. das räumliche Nebeneinander von funktionell aufeinander abgestimmten Einzelkomponenten, zur Herstellung einer Bewehrungseinheit, aufweisend mehrere längliche Bewehrungselemente, umfassend
- ▪ ein Fasermaterial in Form von Endlosfasern,
- ▪ ein Matrixmaterial,
- ▪ a fibre material in the form of continuous fibres,
- ▪ a matrix material,
Besonders bevorzugt weist die Bewehrungseinheit zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, eine Gitterform auf. Hierdurch kann eine besonders gleichmäßige Verstärkung eines Betonbauteils erzielt werden.Particularly preferably, the reinforcement unit has a lattice shape at least in sections, preferably completely. This makes it possible to achieve particularly uniform reinforcement of a concrete component.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines thermoplastischen Matrixmaterials ermöglicht es, dass die Bewehrungselemente zunächst einzeln und sogar auch räumlich und/oder zeitlich separiert hergestellt werden können und dann ohne die Verwendung weiterer Komponenten stoffschlüssig miteinander verbunden werden können. Die stoffschlüssige Verbindung an Kontaktpunkten, insbesondere Kreuzungspunkten, kann durch Aufschmelzen, beispielsweise durch Ultraschallschweißen, erfolgen. Da auf zusätzliche Fügemittel wie Klebstoffe oder Bindefäden verzichtet werden kann, ist die Herstellung nicht nur besonders einfach, die erzielte Verknüpfung der einzelnen Bewehrungselemente ist auch besonders fest ausgeprägt. Die hieraus erhaltenen Bewehrungseinheiten weisen in der Folge besonders vorteilhafte mechanische Eigenschaften auf. Darüber hinaus können die Verknüpfungspunkte stets neu geformt, d. h. die Elemente der Bewehrungseinheit neu „gesetzt“, werden. Hierdurch ist eine Anpassung der Geometrie direkt vor dem Einbringen in das Betonbauteil möglich. Durch Trennung der Verknüpfungspunkte kann das Gitter auch später andersartig genutzt werden. Die Kontaktpunkte können zusätzlich pressgeformt werden, sodass diese im Wesentlichen die gleiche Dicke wie die Nicht-Überkreuzungsabschnitte der Bewehrungseinheit aufweisen.The use of a thermoplastic matrix material according to the invention makes it possible for the reinforcement elements to be initially manufactured individually and even spatially and/or temporally separated and then to be connected to one another in a material-locking manner without the use of further components. The material-locking connection at contact points, in particular crossing points, can be achieved by melting, for example by ultrasonic welding. Since additional joining agents such as adhesives or binding threads can be dispensed with, production is not only particularly simple, the connection of the individual reinforcement elements achieved is also particularly strong. The reinforcement units obtained from this subsequently have particularly advantageous mechanical properties. In addition, the connection points can always be reshaped, i.e. the elements of the reinforcement unit can be "set" again. This makes it possible to adapt the geometry directly before insertion into the concrete component. By separating the connection points, the grid can also be used in a different way later. The contact points can also be press-formed so that they have essentially the same thickness as the non-crossing sections of the reinforcement unit.
Die Erfindung betrifft vorzugsweise auch ein Umformungsverfahren von erfindungsgemäßen Bewehrungselementen durch Aufschmelzen und anschließendes Abkühlen und optional stoffschlüssiges Verbinden mehrerer Bewehrungselemente durch Kontaktierung im aufgeschmolzenen Zustand.The invention preferably also relates to a forming method of reinforcing elements according to the invention by melting and subsequent cooling and optionally materially connecting several reinforcing elements by contacting in the melted state.
Das Matrixmaterial der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung kann weiterhin ein oder mehrere Additive umfassen.The matrix material of the protective device according to the invention can further comprise one or more additives.
Besonders bevorzugt ist als Additiv ein Flammschutzmittel, das vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus halogenierten und/oder stickstoffbasierten Flammschutzmitteln, anorganischen Flammschutzmitteln wie Graphitsalzen, Aluminiumtrihydroxid, Antimontrioxid, Ammoniumpolyphosphat, Aluminiumdiethylphosphinat, Mica, Muskovit, Guanidinen, Triazinen, Sulfaten, Boraten, Cyanuraten, Salzen davon und Mischungen davon. Hierdurch kann eine Flammschutzaktivität erzielt werden.A particularly preferred additive is a flame retardant, which is preferably selected from the group consisting of halogenated and/or nitrogen-based flame retardants, inorganic flame retardants such as graphite salts, aluminum trihydroxide, antimony trioxide, ammonium polyphosphate, aluminum diethylphosphinate, mica, muscovite, guanidines, triazines, sulfates, borates, cyanurates, salts thereof and mixtures thereof. In this way, flame retardant activity can be achieved.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen ist das Additiv ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Antioxidantien, Licht-, insbesondere UV-Stabilisatoren, Weichmachern, Schäumungsmitteln, elektrischen Leitern, Wärmeleitern, Farbstoffe, Füllstoffe zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften wie Schlagzäh-Modifizierer oder Gummi- oder Thermoplastpartikel sowie Mischungen der vorgenannten.In other preferred embodiments, the additive is selected from the group consisting of antioxidants, light stabilizers, in particular UV stabilizers, plasticizers, foaming agents, electrical conductors, heat conductors, dyes, fillers for improving the mechanical properties such as impact modifiers or rubber or thermoplastic particles as well as mixtures of the aforementioned.
Das Additiv kann im Matrixmaterial gelöst oder dispergiert vorliegen. Sofern es dispergiert vorliegt, so ist es vorzugsweise in Form eines Pulvers, von Flocken, Tubes oder Mischungen der vorgenannten Formen enthalten.The additive can be dissolved or dispersed in the matrix material. If it is dispersed, it is preferably in the form of a powder, flakes, tubes or mixtures of the aforementioned forms.
Sofern es sich bei dem Additiv um ein Flammschutzmittel handelt, so ist dieses vorzugsweise aus der Gruppe der aktiven, d.h. kühlenden, Flammschutzmittel oder aus der Gruppe der passiven, d. h. dämmenden, Flammschutzmittel ausgewählt. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Flammschutzmittel um ein intumeszierendes Flammschutzmittel.If the additive is a flame retardant, it is preferably selected from the group of active, i.e. cooling, flame retardants or from the group of passive, i.e. insulating, flame retardants. The flame retardant is particularly preferably an intumescent flame retardant.
Schließlich können die erfindungsgemäßen Matrixmaterialen auch Netzmittel enthalten. Netzmittel sind grenzflächenaktive Stoffe, die üblicherweise einen hydrophoben und einen hydrophilen Molekülteil aufweisen. Man unterscheidet dabei zwischen nichtionischen, anionischen und kationischen Netzmitteln. Netzmittel senken die Viskosität des thermoplastischen Polymers bei dessen Verarbeitung. Dies ermöglicht, dass hierdurch die Penetration des Faserwerkstoffes verbessert wird, was letztlich zu einer stärkeren Verbindung von Faserwerkstoff und Matrixmaterial führt.Finally, the matrix materials according to the invention can also contain wetting agents. Wetting agents are surface-active substances that usually have a hydrophobic and a hydrophilic molecular part. A distinction is made between non-ionic, anionic and cationic wetting agents. Wetting agents reduce the viscosity of the thermoplastic polymer during its processing. This enables the penetration of the fiber material to be improved, which ultimately leads to a stronger bond between the fiber material and the matrix material.
Nichtionische Netzmittel sind beispielsweise Ester und Amide von Fettsäuren (gesättigte oder ungesättigte Carbonsäuren, die im Allgemeinen 4 bis 26 Kohlenstoffatomen im Molekül aufweisen), Fettamine (primäre Amine, die im Allgemeinen 6 bis 22 Kohlenstoffatome im Molekül aufweisen) oder Polyethylenglykolether bzw. Polypropylenglykolether von Alkoholen, Alkylphenolen oder Fettsäurealkanolamiden. Anionische Netzmittel sind z.B. Salze der Alkylmalon- oder Alkylbernsteinsäure, Alkylsulfonate, Fettsäureestersulfonate, perfluorierte Alkylsulfonate oder sulfatierte Fettsäureamide. Kationische Netzmittel sind Stoffe, wie Fettaminsalze, Salze von Alkylendiaminen und Polyaminen, Alkylbenzylammoniumsalze oder Alkylpyridiniumsalze.Examples of non-ionic wetting agents are esters and amides of fatty acids (saturated or unsaturated carboxylic acids, which generally have 4 to 26 carbon atoms in the molecule), fatty amines (primary amines, which generally have 6 to 22 carbon atoms in the molecule) or polyethylene glycol ethers or polypropylene glycol ethers of alcohols, alkylphenols or fatty acid alkanolamides. Examples of anionic wetting agents are salts of alkylmalonic or alkylsuccinic acid, alkylsulfonates, fatty acid ester sulfonates, perfluorinated alkylsulfonates or sulfated fatty acid amides. Cationic wetting agents are substances such as fatty amine salts, salts of alkylenediamines and polyamines, alkylbenzylammonium salts or alkylpyridinium salts.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Volumenverhältnis von Matrixmaterial zu Fasermaterial in der Bewehrungseinheit 3:1 bis 1:3, vorzugsweise 2:1 bis 1:2 und besonders bevorzugt 1,5:1 bis 1:1,2.In a preferred embodiment, the volume ratio of matrix material to fiber material in the reinforcement unit is 3:1 to 1:3, preferably 2:1 to 1:2 and particularly preferably 1.5:1 to 1:1.2.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Faservolumenanteil der Bewehrungseinheit in einem Bereich von 35 bis 70 Vol.-%, bevorzugt 35 bis 55 Vol.-%, bevorzugter 40 bis 50 Vol.-% und am bevorzugtesten 45 bis 50 Vol.-%.In a preferred embodiment, the fiber volume fraction of the reinforcement unit is in a range of 35 to 70 vol.%, preferably 35 to 55 vol.%, more preferably 40 to 50 vol.%, and most preferably 45 to 50 vol.%.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Matrixvolumenanteil der Bewehrungseinheit in einem Bereich von 25 bis 65 Vol.-%, bevorzugt 45 bis 65 Vol.-%, bevorzugter 45 bis 60 Vol.-% und am bevorzugtesten 50 bis 55 Vol.-%. In den obigen Bereichsgrenzen konnten die Erfinder eine besonders ausgeprägte Verstärkungswirkung feststellen.In a preferred embodiment, the matrix volume fraction of the reinforcement unit is in a range of 25 to 65 vol.%, preferably 45 to 65 vol.%, more preferably 45 to 60 vol.% and most preferably 50 to 55 vol.%. In the above range limits, the inventors were able to determine a particularly pronounced reinforcing effect.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Volumenverhältnis von Matrixmaterial zu Additiv in der Bewehrungseinheit 400:1 bis 20:1, vorzugsweise 200:1 bis 50:1 und besonders bevorzugt 150:1 bis 75:1.In a preferred embodiment, the volume ratio of matrix material to additive in the reinforcement unit is 400:1 to 20:1, preferably 200:1 to 50:1 and particularly preferably 150:1 to 75:1.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Gewichtsanteil von optionalem Additiv an der Gesamtmasse des Faserverbundbauteils, d. h. der Bewehrungseinheit, 0,05 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 20 Gew.-%, bevorzugter 0,3 bis 15 Gew.-%, noch stärker bevorzugt 0,5 bis 10 Gew.-%, und am bevorzugtesten 0,5 bis 1 Gew.-%.In a preferred embodiment, the weight proportion of optional additive to the total mass of the fiber composite component, i.e. the reinforcement unit, is 0.05 to 30 wt.%, preferably 0.1 to 20 wt.%, more preferably 0.3 to 15 wt.%, even more preferably 0.5 to 10 wt.%, and most preferably 0.5 to 1 wt.%.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gewichtsanteil von optionalem Additiv ≤ 1 Gew.-%. Ein geringer Gehalt wirkt sich positiv auf die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundbauteils, d. h. der Bewehrungseinheit, aus.In a preferred embodiment, the weight proportion of optional additive is ≤ 1 wt.%. A low content has a positive effect on the mechanical properties of the fiber composite component, i.e. the reinforcement unit.
Bevorzugt umfasst die Bewehrungseinheit eine Beschichtung, welche vorzugsweise ein Flammschutzmittel aufweist. Hierdurch kann die Flammeinwirkung auf die Matrix und/oder das Fasermaterial möglichst geringgehalten und dadurch im Brandfall eine langanhaltend hohe Stabilität des mit der erfindungsgemäßen Bewehrungseinheit ausgestatteten Bauteils erzielt werden.The reinforcement unit preferably comprises a coating which preferably contains a flame retardant. This allows the effect of the flame on the matrix and/or the fiber material to be kept as low as possible and thus, in the event of a fire, a long-lasting high stability of the component equipped with the reinforcement unit according to the invention can be achieved.
Vorzugsweise umfasst die Beschichtung ein Aerogel, insbesondere ein Silicat-Aerogel. Aerogele weisen sehr gute wärmeisolierende Eigenschaften auf und können durch entsprechende Funktionalisierung sehr gut an das Matrixmaterial und das Bauteilmaterial, in welches die Bewehrungseinheit eingefügt wird, angepasst werden.The coating preferably comprises an aerogel, in particular a silicate aerogel. Aerogels have very good heat-insulating properties and can be adapted very well to the matrix material and the component material into which the reinforcement unit is inserted through appropriate functionalization.
Die Erfindung betrifft auch ein Bauteil, d. h. ein vorgefertigtes Teilstück für den Bau von Bauwerken wie Häusern, insbesondere ein Betonbauteil, umfassend eine erfindungsgemäße Bewehrungseinheit. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Bauteil um ein Bauteil ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Boden-, Wand-, und Deckenplatten, Brückenbestandteilen wie Brückenpfeilern, und Tunnelröhren. Brückenbestandteile sind besonders bevorzugt, da hier eine starke Biegebelastung und somit auch Zugkräfte auf den Beton wirken. Brückenbestandteile sind auch besonders relevant, da hier die sehr guten dynamischen Eigenschaften der Bewehrungseinheit sowie die Korrosionsbeständigkeit besonders gut zum Tragen kommen.The invention also relates to a component, i.e. a prefabricated section for the construction of buildings such as houses, in particular a concrete component, comprising a reinforcement unit according to the invention. The component is particularly preferably a component selected from the group consisting of floor, wall and ceiling panels, bridge components such as bridge piers and tunnel tubes. Bridge components are particularly preferred because a strong bending load and thus also tensile forces act on the concrete. Bridge components are also particularly relevant because the very good dynamic properties of the reinforcement unit and the corrosion resistance are particularly effective here.
Vorzugsweise ist die Bewehrungseinheit in Form eines Gitters in dem Bauteil enthalten. Besonders bevorzugt ist die gitterförmige Bewehrungseinheit so im Bauteil angeordnet, dass das Gitter zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig parallel zu mindestens einer der Oberflächen des Bauteils verläuft. Hierdurch wird eine besonders ausgeprägte Verstärkung erhalten. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Bewehrungseinheit eine Querkraftbewehrung und ist damit senkrecht zu mindestens einer der Oberflächen angeordnet.The reinforcement unit is preferably contained in the component in the form of a grid. The grid-shaped reinforcement unit is particularly preferably arranged in the component in such a way that the grid runs at least partially, preferably completely, parallel to at least one of the surfaces of the component. This results in particularly pronounced reinforcement. In another preferred embodiment, the reinforcement unit according to the invention is a transverse force reinforcement and is thus arranged perpendicular to at least one of the surfaces.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Bewehrungseinheit zur Erhöhung der Stabilität eines Bauteils, wie eines Betonbauteils, insbesondere eines Außenbetonbauteils.The invention also relates to the use of a reinforcement unit according to the invention for increasing the stability of a component, such as a concrete component, in particular an external concrete component.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Bewehrungseinheit, wobei zwei oder mehr Bewehrungselemente, die jeweils ein
- ▪ ein Fasermaterial in Form von Endlosfasern, und
- ▪ ein Matrixmaterial,
- ▪ miteinander stoffschlüssig verbunden werden.
- ▪ a fibre material in the form of continuous fibres, and
- ▪ a matrix material,
- ▪ be bonded together in a material-locking manner.
Das Verbinden erfolgt vorzugsweise durch
- i) zumindest teilweises Aufschmelzen des thermoplastischen Polymers eines oder mehrerer Bewehrungselemente,
- ii) anschließendes Inkontaktbringen der Bewehrungselemente, sodass aufgeschmolzenes thermoplastisches Polymer eines Bewehrungselementes mit einem zweiten Bewehrungselement in Kontakt tritt und
- iii) anschließendes Abkühlen, sodass eine stoffschlüssige Verbindung entsteht.
- i) at least partially melting the thermoplastic polymer of one or more reinforcement elements,
- ii) subsequently bringing the reinforcement elements into contact so that molten thermoplastic polymer of one reinforcement element comes into contact with a second reinforcement element and
- iii) subsequent cooling to form a bonded joint.
Die zwei oder mehr Bewehrungselemente können in einem vorgelagerten Prozessschritt durch Imprägnierung eines Fasermaterials, beispielsweise in einem Pultrusionsprozess, hergestellt werden.The two or more reinforcement elements can be produced in an upstream process step by impregnating a fiber material, for example in a pultrusion process.
Die Erfindung betrifft auch eine Bewehrungseinheit, welche durch das obige Verfahren erhalten wird.The invention also relates to a reinforcement unit obtained by the above method.
BEISPIELEEXAMPLES
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels und Figuren näher beschrieben.The invention will now be described in more detail using an embodiment and figures.
BESCHREIBUNG EINES AUSFÜHRUNGSBEISPIELSDESCRIPTION OF AN EMBODIMENT
Die erfindungsgemäße Bewehrungseinheit kann durch thermisches Fügen, insbesondere Ultraschallschweißen, mehrerer Bewehrungselemente erhalten werden. Die Bewehrungselemente können durch einen Pultrusionsprozess hergestellt werden. Die Herstellung wird nachfolgend beispielhaft erläutert.The reinforcement unit according to the invention can be obtained by thermally joining, in particular ultrasonic welding, several reinforcement elements. The reinforcement elements can be produced by a pultrusion process. The production is explained below by way of example.
Die Herstellung der Rods bzw. Rebars kann beispielsweis mittels Pultrusionsprozess erfolgen, bei dem ein oder mehrere trockene Roving(e) zunächst gespreizt und dann durch ein Imprägnierwerkzeug gezogen werden. Über einen Extruder wird Kunststoffschmelze in das Werkzeug gefördert und das Fasermaterial mit dem Polymer getränkt. Nach Austritt aus dem Imprägnierwerkzeug findet eine finale Formgebung, die Abkühlung der Pultrudate und eine Konfektionierung statt.The rods or rebars can be manufactured using a pultrusion process, for example, in which one or more dry rovings are first spread and then pulled through an impregnation tool. Plastic melt is fed into the tool via an extruder and the fiber material is impregnated with the polymer. After leaving the impregnation tool, the final shaping, cooling of the pultrudates and assembly take place.
Die eingestellte Werkzeugtemperatur richtet sich nach dem verwendeten thermoplastischen Polymer und liegt typischerweise über der Schmelztemperatur (teilkristallin) oder der Verarbeitungstemperatur (amorph) gemäß Datenblatt des Herstellers. Die Prozessdrücke ergeben sich u.a. aus der Werkzeuggeometrie, der Viskosität des Matrixmaterials bei der Verarbeitung und der gefahrenen Prozessgeschwindigkeit.The set tool temperature depends on the thermoplastic polymer used and is typically above the melting temperature (semi-crystalline) or the processing temperature (amorphous) according to the manufacturer's data sheet. The process pressures result from factors such as the tool geometry, the viscosity of the matrix material during processing and the process speed used.
Der Pultrusionsprozess umfasst vorzugsweise folgende beispielhaft skizzierten Teilschritte:
- A) Abspulen
- • Ein Carbonfaserstrang (Roving) mit einer Einzelfilamentzahl von 50 k wird von einer Vorratsspule abgespult. Falls erforderlich, werden mehrere Faserstränge zu einem Faserbündel zusammengeführt.
- B) 1. Imprägnierungsschritt
- • Durchführung des Rovings oder Faserbündels ohne Vorspannung durch einen Matrixvorläuferbehälter, welcher mit einer Caprolactam-Lösung mit vorbestimmter Viskosität zur Herstellung von Polyamid 6 gefüllt ist. Dabei kann die Lösung erwärmt sein und/oder auch unter Druck stehen. Dies unterstützt den Imprägnierungsvorgang, so dass die relativ flüssige Matrixvorläuferlösung alle Einzelfilamente der Faserstränge vollständig umschließt. Die Zwischenräume der einzelnen Faserstränge werden durch diesen Vorgang mit flüssiger Lösung also ausgefüllt. Die Viskosität der Lösung ist so gewählt, dass ein Eindringen in die Zwischenräume der Faserstränge mit hoher Geschwindigkeit möglich ist.
- C) 2. Imprägnierungsschritt
- • Der aus dem Matrixbehälter austretende Faserstrang wird mittels einer Transporteinrichtung weiterbefördert. Die Transporteinrichtung kann eine Heizung besitzen, mittels der der Faserstrang von warmer Luft umströmt wird, um den Gelierprozess der Lösung zu unterstützen, wodurch eine Gelbildung und somit der Härtevorgang initiiert wird.
- • Der Faserstrang tritt danach in einen zweiten Matrixvorläuferbehälter ein, welcher eine Caprolactam-Lösung höherer Viskosität aufweist. Hier entsteht eine den Faserstrang umhüllende Schicht. Diese Lösung besitzt eine gelartige Konsistenz, wobei die Lösung gegebenenfalls auch erwärmt ist und unter Druck steht. Diese Verfahrensstrecke mit definierter Vorspannung bewirkt, dass die einzelnen Filamente des Faserstrangs aneinanderkleben und die entstandene Mantelfläche den Faserstrang als Ganzes umhüllt.
- D) Konsolidierung
- • Der imprägnierte Faserstrang wird in einem Trocknungs- und Aushärtebehälter mittels Wärmestrahlung und unter Einwirkung von Konsolidierungsrollen ausgehärtet.
- E) Konfektionierung
- • Der ausgehärtete und abgekühlte Faserstrang wird in einer Schnitteinrichtung auf die gewünschte Dimension zugeschnitten, sodass ein längliches Bewehrungselement erhalten wird.
- F) Herstellung Bewehrungseinheit
- • Eine gitterförmige Bewehrungseinheit wird durch das Zusammenfügen mehrerer länglicher Bewehrungselemente erhalten. Die Bewehrungselemente werden an ihren Überkreuzungspunkten kurz erwärmt, miteinander in Kontakt gebracht, abgekühlt und hierdurch über das Matrixmaterial miteinander verbunden.
- A) Unwinding
- • A carbon fiber strand (roving) with a single filament count of 50 k is unwound from a supply spool. If necessary, several fiber strands are combined to form a fiber bundle.
- B) 1st impregnation step
- • The roving or fiber bundle is passed without pre-tension through a matrix precursor container which is filled with a caprolactam solution with a predetermined viscosity for the production of polyamide 6. The solution can be heated and/or under pressure. This supports the impregnation process so that the relatively liquid matrix precursor solution completely encloses all the individual filaments of the fiber strands. The spaces between the individual fiber strands are therefore filled with liquid solution through this process. The viscosity of the solution is chosen so that it can penetrate into the spaces between the fiber strands at high speed.
- C) 2nd impregnation step
- • The fiber strand emerging from the matrix container is transported further by means of a transport device. The transport device can have a heater by means of which warm air flows around the fiber strand in order to support the gelling process of the solution, which initiates gel formation and thus the hardening process.
- • The fiber strand then enters a second matrix precursor container, which contains a caprolactam solution of higher viscosity. This creates a layer that envelops the fiber strand. This solution has a gel-like consistency and may also be heated and under pressure. This process section with defined pre-tensioning causes the individual filaments of the fiber strand to stick together and the resulting surface area envelops the fiber strand as a whole.
- D) Consolidation
- • The impregnated fiber strand is cured in a drying and curing tank by means of heat radiation and under the influence of consolidation rollers.
- E) Packaging
- • The hardened and cooled fiber strand is cut to the desired dimension in a cutting device so that an elongated reinforcement element is obtained.
- F) Manufacturing reinforcement unit
- • A lattice-shaped reinforcement unit is obtained by joining several elongated reinforcement elements. The reinforcement elements are briefly heated at their crossing points, brought into contact with each other, cooled and thereby connected to each other via the matrix material.
FIGURENLISTEFIGURE LIST
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.The present invention is explained in more detail below with reference to the embodiments shown in the figures.
Kurzbeschreibung:Short description:
-
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße gitterförmige Bewehrungseinheit aus Bewehrungselementen in Form von Rods.1 shows schematically a grid-shaped reinforcement unit according to the invention made of reinforcement elements in the form of rods. -
2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße gitterförmige Bewehrungseinheit aus Bewehrungselementen in Form von Rebars.2 shows schematically a lattice-shaped reinforcement unit according to the invention made of reinforcement elements in the form of rebars. -
3 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Rods (links) und eines Rebars (rechts), die die Bewehrungselemente der in den1 und2 gezeigten Bewehrungseinheiten bilden.3 shows schematically a cross-section of a rod (left) and a rebar (right), which represent the reinforcement elements of the1 and2 form the reinforcement units shown.
Ausführliche Beschreibung:Detailed description:
Bezugszeichenreference sign
- 11
- Bewehrungseinheitreinforcement unit
- 2a, b2a, b
- Bewehrungselemente in Form von RodsReinforcement elements in the form of rods
- 33
- Kreuzungspunkteintersection points
- 4a, b4a, b
- Bewehrungselemente in Form von RebarsReinforcing elements in the form of rebars
- 55
- Menge von Einzelfilamenten umgeben von Matrix (nicht dargestellt)Set of single filaments surrounded by matrix (not shown)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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