DE1268362B

DE1268362B - Durch Metallfaeden verstaerkte Kunststoffe

Info

Publication number: DE1268362B
Application number: DEP1268A
Authority: DE
Inventors: Arthur G Metcalfe; Cord H Sump; Walter C Troy
Original assignee: Armour Research Foundation
Current assignee: IIT Research Institute
Priority date: 1956-01-18
Filing date: 1957-01-17
Publication date: 1968-05-16

Description

Durch Metallfäden verstärkte Kunststoffe Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf durch Metallfäden verstärkte Kunststoffe, in denen die Metallfäden in Wirrlage gleichmäßig über das Gesamtvolumen verteilt sind.
Das Verstärken von Kunststoffen durch Einlagerung von Fäden, Drähten oder Geweben gehört seit langem zum Stand der Technik. Neben Verstärkungen aus Glasfasern oder Glasfasergeweben hat man vor allem metallische Werkstoffe als Verstärkungsmaterial gewählt, besonders dann, wenn die bei Glasfäden begrenzte Dehnbarkeit, Stoß- und Erschütterungsfestigkeit nicht ausreichte und größere Festigkeitswerte gewünscht wurden. Bekannt sind mit Drähten oder Stahlkabeln in Parallel- oder Kreuzlage hergestellte Bänder aus Kautschuk, beispielsweise für Transportbänder, Treibriemen und Gegenstände, an die besondere Anforderungen hinsichtlich Zugfestig-- keit gestellt werden sowie durch schichtenweisen Aufbau aus Kunststoffolien oder -platten, die mit Metalldrähten oder -geweben verstärkt sind.
Wenn die Festigkeitseigenschaften dieser mit richtungsbestimmten Metalleinlagen, wie Litzen, Drähten oder Geweben verstärkten Kunststoffe auch bessere sind, als bei Verstärkungen aus Glasfasern oder Textilien, so sind diese Eigenschaften jedoch nach den verschiedenen Beanspruchungsrichtungen mitunter sehr unterschiedlich und die Herstellung derartiger Kunststoffgebilde ist häufig auch umständlich.
Man hat auch bereits bei der Herstellung von Schwung- und Standgewichten für Antriebsvorrichtungen Metallspäne in Wirrlage gleichmäßig auf das Gesamtvolumen des Materials in der Kunststoffmasse verteilt; hierfür war jedoch lediglich die gleichmäßige Gewichtsverteilung und bei außerdem wirtschaftlicherer Herstellung ein weitgehend gleiches Verhalten maßgebend, wie es bisher bei zu diesem Zweck aus dem Vollen gedrehten Metallgewichten vorlag.
Für Preßmassen schließlich ist die Verwendung von Metalldrähten auch in kurzen Stücken als Verstärkungsmaterial für Kunststoffe bekannt. Hierbei werden Metalldrähte einer Länge von 2 bis 3 cm mit einer als Füllstoff für den Preßling dienenden und mit dem Kunststoff getränkten Faserstoffumhüllung, z. B. mit einem Faden aus saugfähiger Baumwolle, umsponnen.
In keinem der beiden letztgenannten Fälle von in Kunststoff regellos angeordneten Metallpartikeln wird als Verstärkung ein Gebilde erhalten, das der Forderung auf eine nach allen Seiten gleiche Festigkeit und Bruchsicherheit genügt.
Nach der Erfindung wird diese Forderung dadurch erfüllt, daß die Metallfäden jeweils nicht länger als 5 cm sind und ein Skelett bilden, das an den Berührungsstellen der Drähte durch Sinterung in metallischer Bindung zusammengehalten ist und dessen Zwischenräume mit Kunststoff gefüllt sind.
Ein derartiges Skelett, das aus kurzen, miteinander an ihren regellos verteilten Oberlagerungsstellen in metallischer Berührung stehenden und hier metallisch gebundenen Metallfäden besteht, unterscheidet sich in seiner Wirkung grundsätzlich von den lose innerhalb einer Kunststoffmasse verteilten Spänen oder von den Drahtstückchen, die von einem Hüllstoff umkleidet sind. Derartig lose Metallteilchen können einem sich durch die Kunststoffmasse fortsetzenden Druckverlauf naturgemäß nur einen geringeren Widerstand entgegensetzen als ein erfindungsgemäß den Zusammenhalt der Drähte bedingendes Skelett.
Kräfte, die dagegen auf die kompakte Masse eines Skeletts einwirken, das bereits durch ein Zusammenpressen des Drahthaufwerks an den Überlagerungsstellen der Drähte eine Kaltverschweißung erfahren hat und dann durch Sintern der Drähte zu einem festen Ganzen verbunden wurde, werden zugleich von einer Vielzahl von Drähten aufgenommen und dadurch entsprechend verteilt.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, daß die Metallfäden aus gegossenem Metall bestehen.
Unter gegossenen Metallfäden sind dabei solche zu verstehen, die aus einer Schmelze in irgendeiner an sich bekannten Weise, z.B. durch Ausformen aus einer Düse unter Druck, mit rundem Querschnitt, als Band oder Streifen hergestellt sind.
Wie sich gezeigt hat, sind gegossene Metallfäden solchen, die auf mechanischem Wege, z. B. spanabhebende Arbeit od. dgl., erhalten wurden, deshalb überlegen, weil die Gießstruktur vor allem eine bessere Haftung an den verschiedensten Kunststoffen erbringt. Als Metalle kommen dabei alle Arten, wie Blei, Zinn, Zink, Aluminium, Kupfer und dessen Legierungen, Metalle der Eisengruppe und deren Legierungen in Betracht.
Geeignete Kunststoffe sind beispielsweise in organischen Lösungsmitteln lösliche Cellulosederivate, Natur- und Kunstharze, und zwar sowohl thermoplastische als auch wärmehärtbare Harze, ferner natürliche und synthetische Elastomere, wie Naturkautschuk und synthetische Kautschuke.
Durch Metallfäden verstärkte Kunststoffe gemäß der Erfindung eignen sich beispielsweise für Lagerwerkstoffe, für Flüssigkeitsdichtungen oder zur Ableitung von statischer Elektrizität. Je nach den vorgesehenen Anwendungszwecken kann es vorteilhaft sein, daß der Volumanteil der Metallfäden kleiner ist als der Anteil des Kunststoffmaterials oder, umgekehrt, daß der Volumanteil der Metallfäden größer ist als der des Kunststoffmaterials. Für eine Verwendung zur Stoßdämpfung oder Schallabdichtung oder als Schwimmkörper können gemäß der Erfindung Kunststoffe verwendet werden, welche Schaumstruktur in geschlossen-zelliger oder offenzelliger Form aufweisen.
Für Lagerwerkstoffe eignet sich besonders eine Grundmasse, welche 50 bis 80 Volumprozent Metallfäden und 50 bis 20 Volumprozent eines Kunststoffes, wie z. B. Polytetrafluoräthylen oder Kondensationsprodukte von Hexamethylendiamin und Adipinsäure, enthält. Ein Material, das sich in Platten zur Abdeckung von Flügelteilen an Flugzeugen eignet, kann beispielsweise eine Zusammensetzung von ungefähr 25 bis 50 Volumprozent Metallfäden und einen entsprechenden Restanteil an Kunststoff haben. Verschlüsse, wie Flüssigkeitsdruckdichtungen, haben im allgemeinen innerhalb der Kunststoffmasse ein Skelett aus Metallfäden, dessen Volumanteil 8 bis 10% beträgt, während der übrige Anteil aus einem synthetischen Harz besteht. Erdungsleitungen, Fußbodenbeläge oder Sitzbeläge haben in der Regel einen Anteil an Metallfäden, der sich von einigen Volumprozenten bis zu 90 Volumprozenten bewegen kann.
Dabei haben die Metallfäden die Aufgabe, die elektrische Lagung, die das Kunstharz durch Reibung annimmt, wieder abzuleiten.
Beispiele 1. Für ein als Flüssigkeitsdichtung zu verwendendes Material werden Fäden aus rostfreiem Stahl mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 0,05 mm und einer durchschnittlichen Länge von 12 mm zu einem dicht zusammenhängenden, wirren Haufwerk zusammengepackt und zwecks metallischer Bindung bei einer Temperatur von ungefähr 12000 C gesintert. 15 Volumteile dieses so erhaltenen Skelettmaterials werden mit 85 Volumteilen Polytetrafluoräthylenharz gefüllt, indem man das Gerüst mit einer flüssigen Lösung des Harzes tränkt. Dieses so hergestellte Kunststoffmaterial weist eine hervorragende Festigkeit und hohe Widerstandskraft gegen Flüssigkeitsdruck auf.
2. Für eine Hochdruckdichtung wird ein Skelettmaterial aus rostfreiem Stahl wie im Beispiel 1 verwendet, dessen Volumanteil 80 Olo beträgt und dessen Zwischenräume mit 20 Volumprozent eines Polytetraffuoräthylenharzes ausgefüllt werden.
3. Für Lagerkörper werden wirr ineinanderliegende Bronzefasern mit einem Durchmesser von 0,05 bis 0,25 mm und Längen bis zu 25 mm fest zusammengepreßt, wobei an den Überlagerungsstellen der Drähte bereits eine Kaltverschweißung auftritt. Anschließend werden sie bei einer Temperatur von 775 bis 8500 C gesintert. Das entstehende Skelett wird dann mit soviel Polyamidkunstharz getränkt, daß das Endprodukt 60 Volumprozent Metallfäden und 40 Volumprozent Harz enthält. Dieses Material zeigte in jeder Hinsicht ausgezeichnete Lagereigenschaften. Die Drähte des Skelettes sind, besonders wenn es sich dabei um gegossenes Material handelt, derart im Kunststoff verankert, daß es nur unter Gewaltanwendung möglich ist, Draht von Kunststoff zu trennen.
Die Zeichnung zeigt einige Ausführungsbeispiele der gemäß der Erfindung hergestellten verstärkten Kunststoffe.

Claims

F i g. 1 zeigt einen Block 1 mit einer ausgebrochenen Ecke, bei dem der Anteil an metallischen Drähten 2 größer als der Anteil des Kunststoffes 3 ist; F i g. 2 zeigt ebenfalls einen Block in entsprechender Darstellungsweise, wobei der Anteil der das Faserskelett 2' bildenden Metallfäden geringer ist als der Anteil des mit 3' bezeichneten Kunststoffes; Fig. 3 zeigt eine Ausführung, bei welcher der polymere Kunststoff 4 als Schaumstoff vorliegt; das Skelett aus kurzen Metallfäden ist mit 2" bezeichnet, Patentansprüche: 1. Durch Metallfäden verstärkte Kunststoffe, in denen die Metallfäden in Wirrlage gleichmäßig über das Gesamtvolumen verteilt sind, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Metallfäden jeweils nicht länger als 5 cm sind und ein Skelett bilden, das an den Berührungsstellen der Drähte durch Sinterung in metallischer Bindung zusammengehalten ist und dessen Zwischenräume mit Kunststoff gefüllt sind.
2. Durch Metallfäden verstärkte Kunststoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfäden aus gegossenem Metall bestehen.
3. Durch Metallfäden verstärkte Kunststoffe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumanteil der Metallfäden kleiner ist als der Anteil des Kunststoffmaterials.
4. Durch Metallfäden verstärkte Kunststoffe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumanteil der Metallfäden größer ist als der des Kunststoffmaterials.
5. Durch Metallfäden verstärkte Kunststoffe nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial Schaumstruktur in geschlossen-zelliger oder offenzelliger Form aufweist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 870 346, 846 915, 696 035, 853 820, 910 220; deutsche Patentanmeldung C 512 (bekanntgemacht am 22. 3. 1951); deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1 672570; USA.-Patentschrift Nr. 2 372 114; »Bulletin d'informations Techniques«, 1. 8. 1948, S. 10 bis 13.