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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von biegsamen Membranen oder Membran- überzügen aus Polytetrafluoräthylen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von biegsamen Membranen oder Membran- überzügen aus Polytetrafluoräthylen mit einer zentralen Erhebung zur Halterung eines Bolzenkopfes, bei welchem das pulverförmige Polytetrafluoräthylen in eine Form eingebracht, in dieser verdichtet und bei einer oberhalb der oberen Übergangstemperatur liegenden Temperatur zu einem Biskuit gesintert und schliesslich abgeschreckt wird, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus einer Grund- oder Stützmembran aus elastischem Material (Elastomer), die mit einem Überzug oder Belag aus Polytetrafluoräthylen versehen ist, oder aus diesem Material zur Gänze bestehende Membranen eignen sich wegen der inerten Natur des Polytetrafluoräthylens besonders für Membranventile, die für chemisch aggressive oder hoch temperierte Flüssigkeiten bestimmt sind. Mit einer Stützmembran versehene Membranen haben den Vorteil grösserer Biegsamkeit, denn der Überzug kann verhältnismässig dünn sein, weil die Stützmembran den Druck aufnimmt und gleichmässig verteilt. Brauchbare Membranbelege od. -überzüge dieser Art, sind bisher durch Abtrennen dünner Schichten aus PolytetrafluoräthylenStangen hergestellt worden (österr. Patentschrift Nr. 195199).
Dieses Verfahren führt zu verhältnismässig grossen Materialverlusten, so dass nach wie vor nach einem Prägeverfahren gesucht wurde, nach dem auch die technisch zweckmässigsten Membranformen herzustellen sind. Die solchen Verfahren entgegenstehenden Schwierigkeiten entspringen gerade aus jenen Eigenschaften des Polytetrafluoräthylens, die diesen Stoff wertvoll machen. Die Bindungskräfte, welche die Moleküle in polymerisiertem Zustand erhalten, sind sehr klein, so dass das polymerisierte Material, obwohl es verhältnismässig hohen Temperaturen standhält, bei und oberhalb einer bestimmten Temperatur nicht schmilzt, sondern sich zersetzt. Verformungsprozesse, die dem Giessen nahe kommen, scheiden daher vorweg aus.
Es ist daher vorgeschlagen worden, ein aus Polytetrafluoräthylen-Pulver gesintertes Biskuit heiss in einer kalten Prägeform zu prägen, doch lassen sich Formstücke mit stärker variierender Wandstärke nach diesem Verfahren nicht herstellen, so dass in solchen Fällen wieder auf aus Stangenmaterial gefertigte Zwischenprodukte zurückgegriffen werden musste.
Membranen für Membranventile müssen aber mit einer zentralen Erhebung ausgebildet sein, um in dieser den Kopf eines Bolzens einbetten zu können, welcher der Verbindung mit einem Betätigungsorgan dient. Sie sollen gegebenenfalls rundumlaufende oder diametral verlaufende Rippen aufweisen, die in Schliessstellung gegen den runden oder wehrförmigen Ventilsitz unter stärkerem Druck anliegen. Solche Membranen sind wegen der Variation ihrer Dicke nach den bekannten Verfahren nicht herstellbar.
Die Erfindung bezieht sich nun auf ein Verfahren, das ungeachtet der Schwierigkeiten, welche die oben erwähnten Eigenschaften des körnigen Materials verursachen, mit Erfolg und wirtschaftlich angewendet werden kann, und Beläge liefert, die unter den Arbeitsbedingungen, für welche sie bestimmt sind, eine gute Lebensdauer aufweisen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das pulverförmige Polytetrafluoräthylen in der Form unter Einwirkung eines Druckes wenigstens annähernd gleichförmig verdichtet und nach dem Sintern das Biskuit bei einer noch unterhalb der oberen Übergangstemperatur liegenden Temperatur in seine endgültige Form geprägt und unter Aufrechterhaltung des Druckes in der Form abgeschreckt wird.
Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht aus einer Matrize und einer mit dieser zusammenwirkenden Patrize, wobei erfindungsgemäss die Matrize der der Erhebung abgewandten Oberfläche der herzustellenden Membran entspricht und die Patrize mit einer zentralen Ausnehmung zur Ausbildung der Erhebung und einem in der Ausnehmung verschiebbar gelagerten Pressstempel versehen ist und der Pressstempel und die Patrize unabhängig voneinander verschiebbar sind und ihre Relativbewegung gegenüber der Matrize z. B. mittels Anschlägen begrenzt ist. Der Pressstempel kann mittels eines Prékolbens hydraulisch betätigbar sein, der in einem in der Patrize angeordneten Presszylinder verschiebbar geführt ist.
Die Erfindung wird an Hand einer in der Zeichnung dargestellten beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 in schaubildlicher Darstellung einen Belag teilweise im Schnitt, Fig. 2, 3 und 4 schematisch je einen Querschnitt durch Patrize und Matrize im Stadium des Verbindung-un
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Herstellungsprozesses und Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Mulde zum Unterstützen des Biskuits während des Sinterprozesses. Fig. 1 veranschaulicht einen Membranbelag aus Polyterafluoräthylen für ein Membranventil, der mit Vorteil nach dem erfindungsgemässen Verfahren herstellbar ist. Dieser Membelag besteht aus einem flachen Randteil.
M zum Einklemmen in einen Ventilkörper, einem gewölbten, innerhalb des Randteiles gelegenen Teil 12, welcher ohne wesentliche Streckung von der Offen- in die Schliessstellung gebogen werden kann, und aus einer Erhebung 13, in welcher ein Bolzen 14 eingebettet ist, mit dem die Membran an dem Druck- und Betätigungsorgan des Ventiles befestigt ist. Der Randteil n ist mit Löchern 15 für Befestigungsschrauben versehen. Um die Abdichtung am Ventilkörper zu verbessern, ist der dargestellte Belag an seinem Randteil mit einer Rippe 16 und zur Verbesserung der Dichtung an einem Wehr des Ventiles mit einer diametralen Rippe 17 versehen.
Aus der Figur ergibt sich auch, dass die äussere Begrenzung des Randteiles nicht kreisförmig ist, sondern zwei parallele Seiten und zwei gekrümmte Seiten mit lappenförmigen Vorsprüngen 18 aufweist und dadurch der Umriss an die übliche Form von Ventilkörpern angepasst ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Bolzen von einem Stift 19 quer durchsetzt, der zum Befestigen an dem Druckglied des Ventiles dient. Er könnte anstatt dessen auch in bekannter Weise mit einem Gewinde versehen sein.
Aus Fig. 1 ist ferner zu entnehmen, dass der Belag zu einer Gestalt geformt ist, welcher der SchliessStellung des Ventiles entspricht. Es wurde festgestellt, dass dies im allgemeinen wünschenswert ist, weil in diesem Fall in der Schliess-Stellung keine Deformationen auftreten, ausser jenen, die durch den Anpress- druck bedingt sind. Um eine gleichmässige Unterstützung zu gewährleisten, ist es von Vorteil, auch die
Stützmembran entsprechend der Gestalt des Belages zu formen.
Soll ein zufriedenstellendes Endprodukt erhalten werden, so muss das Material während des Verbindungs- und Verdichtungsvorganges gleichmässig verteilt werden. Während dieses ersten Verfahrensschrittes ergibt sich eine sehr erhebliche Volumsverringerung des anfänglich ein Schüttgut darstellenden Materials u. zw. etwa im Verhältnis 4 : 1. Mit Rücksicht darauf ist es zweckmässig, eine Pressform 21 zu verwenden, die beim Einbetten des Kopfes 22 des Bolzens 14 die Ausübung eines unterschiedlichen Presshubes für das Pressen der Erhebung bzw. des restlichen Belages anzuwenden gestattet, da die aus Körnern bestehende
Säule, aus welcher die Erhebung geformt wird, viel höher ist und stärker verdichtet werden muss.
Die
Presshube werden so gesteuert, dass schliesslich sowohl auf die Erhebung als auch auf den übrigen Belag der gleiche Pressdruck ausgeübt wird.
Das Biskuit wird in einer Gestalt hergestellt, die der Gestalt des fertigen Belages so nahe kommt, als mit Rücksicht auf die Ausbreitung beim Sintern möglich ist. Wenn Rippen 16, 17 vorgesehen sind, so werden diese nicht mit dem Biskuit ausgeformt, da die Presse bzw. die Pressform dann noch für die Ausführung weiterer, örtlich unterschiedlicher Presshube eingerichtet sein müsste. Das die Form eines Rotationskörpers aufweisende Biskuit ist noch nicht mit Löchern 15 für die Befestigungsschrauben versehen.
Das körnige Material 23 für den Hauptteil des Belages und jenen Abschnitt der Höhe der Erhebung, welche der Dicke des Belages entspricht, kann nach sorgfältigem Auswägen in einer Matrize 24 sehr gleichmässig durch Anwendung eines Abstreich- oder Schabloniervorganges verteilt werden. Hierauf wird eine Patrize 25 eingesetzt. Diese weist eine zentrale Ausnehmung 26 für die Erhebung 13 des Belages auf, in welcher ein Bolzen 14 mit Hilfe einer verschiebbaren Manschette 27 zentriert ist. Dieses Stadium ist in Fig. 2 dargestellt. Die Manschette 27 wird hierauf vorsichtig entfernt, um jede Verschiebung des Bolzens zu vermeiden und die notwendige, gewogene Menge Körnermaterial 28 eingefüllt. In die Ausnehmung 26 wird dann ein Pressstempel29 eingeführt (s. Fig. 3).
Wenn der Kopf 22 des Bolzens sich in einem Abstand oberhalb der oberen Begrenzungsfläche des eigentlichen Belages befinden soll, wird eine entsprechende Menge des Materials in die zentrale Ausnehmung 26 eingebracht, bevor der Bolzen 14 eingelegt wird. Auf jeden Fall sollte beim Beschicken der Matrize und beim Aufsetzen der Patrize 25 besondere Sorgfalt aufgewendet werden, um zu verhindern, dass das Material in die Ausnehmung 26 gelangt, bevor der Bolzen 14 in seine Lage gebracht ist. Es ist vorteilhaft, an der Ansatzstelle der Erhebung eine entsprechend dimensionierte Abrundung vorzusehen. Die Patrize 25 ist aus diesem Grunde mit einer Abrundung 31 versehen.
Sowohl die Patrize als auch der Pressstempel 29 wird mit dem erforderlichen Druck zur Wirkung gebracht, der hydraulisch erzeugt wird und solange einwirkt, bis das Biskuit eine vorbestimmte Dicke erreicht hat. An der Patrize und an dem Pressstempel können als Anschläge wirkende Schultern 32 bzw. 33 vorgesehen sein. Dieses Stadium des Herstellungsverfahrens ist in Fig. 4 veranschaulicht.
Diese Figur zeigt auch den Presszylinder 34 und den Presskolben 35 für den Pressstempel 29, durch dessen Anordnung im Hauptpressstempel 25 die erforderliche unterschiedliche Bewegung der Patrize und des Pressstempels bewirkt ist. Der Presszylinder 34 wird über eine Bohrung 36 beaufschlagt. Der Raum, in welchem das Haupt des Presskolbens geführt ist, steht über eine Bohrung 37 mit dessen Aussenraum in Verbindung. Die Patrize 25 wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Presszylinders betätigt. Die Anordnung nach Fig. 4 kann z. B. einfach zwischen die Platten einer üblichen hydraulischen Presse gebracht werden, welche dann den notwendigen Druck auf die Patrize ausübt.
Es ist erwünscht, dass die Materialverdichtung in der Erhebung und im übrigen Teil des Belages so durchgeführt wird, dass im fertigen Produkt das Material in der Erhebung und im Belagteil dieselbe Dichte, z. B. 2, 17, aufweist. Wenn das Material genau eingewogen und sauber verteilt wird, kann dieser entsprechende Wert der Dichte durch Anwendung eines Druckes von etwa 240 kgjcm2 erzielt werden.
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Obwohl die Verbindung und Verdichtung bei jeder Temperatur oberhalb 20 C und unterhalb 327 C durchgeführt werden kann, ist es vorteilhaft, das Beschicken und Abstreichen bzw. Schablonieren bei Temperaturen auszuführen, die knapp über 20 C liegen. Es sollte jedoch darauf geachtet werden, dass vor dem Sintern die Temperatur nicht unter 20 C absinkt, um eine Ausdehnung in Richtung in der verfestigt wird, und Schrumpfen in andern Richtungen zu vermeiden, die bei dieser Übergangstemperatur auftreten.
Das Sintern erfolgt bei einer Temperatur, die oberhalb der oberen Übergangstemperatur liegt, aber nicht die Grenze erreicht, bei der eine merkliche Zersetzung beginnt. Passend ist eine Temperatur von 3600 C, auf welcher das Biskuit während etwa 90 min erhalten werden sollte. Um eine Verfärbung des Biskuits, welche jedoch die in Betracht kommenden physikalischen Eigenschaften des Materials nicht abträglich beeinflusst, zu vermeiden, sollte diese während des Sinterns nicht vollkommen eingeschlossen, wohl aber in einer Mulde von entsprechender Form unterstützt sein.
Fig. 5 zeigt eine geeignete Form einer solchen Mulde, die einfach aus einer dicken Metallscheibe 38 besteht, die an ihrer oberen Seite eine der Gestalt des Belages angepasste Aushöhlung 39 aufweist.
Das Prägen wird mit einer Prägeform ausgeführt, welche abgesehen von der nicht kreisförmigen Umrissgestalt und den Bolzenlöchern 15, die Gestalt des fertigen Belages einschliesslich der Rippen 16, 17 aufweist, wenn solche vorgesehen sind. Der Prägevorgang als solcher ist bei jeder Temperatur ausführbar, die unterhalb der obern Übergangstemperatur von 327 C liegt, je höher aber die Prägetemperatur ist, umso wirkungsvoller ist das Abschrecken zur Herbeiführung der Biegsamkeit. Es ist daher angezeigt, bei hohen Temperaturen zu prägen. Die Anwendung eines Prägedruckes von etwa 160 kgfcm2 bei ungefähr 318 C führt zu guten Resultaten. Der Prägedruck sollte langsam aufgebaut werden, um ein Reissen des Belages zu vermeiden. Ein Zeitabschnitt von 15 bis 30 sec, je nach Grösse und Dicke des Belages ist dazu ausreichend.
Das gesinterte Biskuit kann entweder noch warm in die erwärmte Prägeform eingebracht oder auch zuerst abgekühlt und in dieser wieder erwärmt werden.
Nach dem Prägevorgang, in dessen Verlauf das Halbfabrikat in der Form nur auf die erforderliche Temperatur gebracht und unter Druck gesetzt zu werden braucht, Druck und Temperatur aber nicht für eine längere Zeit aufrecht erhalten werden, wird dieses abgeschreckt. Zu diesem Zwecke sollte es, solange es sich noch in der Prägeform befindet, innerhalb eines Zeitraumes von 10 bis 15 sec auf eine Temperatur von etwa 150 C abgekühlt werden. Beim Abschrecken in dieser Weise wird die Oberflächenglätte und die Schmiegsamkeit, d. h. die Fähigkeit zum Biegen ohne einzureissen, wesentlich verbessert.
Um beste Ergebnisse zu erhalten, sollte das Abschrecken mit gleichförmiger Geschwindigkeit geschehen.
Dies erfordert, dass aus der Erhebung in grösserem Ausmass Wärme abgeführt wird, als aus dem diese umgebenden dünneren Teil des Belages, was jedoch schwierig durchzuführen ist. Vorzugsweise geschieht das Abschrecken durch das Hindurchleiten von Kühlflüssigkeit, z. B. kaltem Wasser, durch zu diesem Zweck an der Prägeform vorgesehene Kanäle oder Hohlräume. Wenn solche Kanäle und/oder Hohlräume entsprechend geformt und richtig angeordnet sind, und die Strömungsgeschwindigkeit zweckmässig bemessen wird, kann ein gleichmässiges Abschrecken annähernd erreicht werden.
Der Belag wird nach dem Abschrecken nach dem gewünschten Umriss zugeschnitten und mit den Löchern 15 versehen. Auch der Stift 19 wird nach dem Abschrecken eingesetzt, da sonst in der Manschette 27, dem inneren Pressstempel 29 und in der Prägeform Aussparungen vorgesehen sein müssten, die aber mit der Forderung nach Anwendung eines gleichmässigen Druckes nicht verträglich sind. Wenn der Stift 19 etwa soweit vorsteht, wie in Fig. 1 gezeigt wird, kann er ohne Schwierigkeit und ohne eine Beschädigung zu verursachen, durch die Öffnung einer Stützmembran durchgedrückt werden, deren Durchmesser dem des Bolzenschaftes entspricht. Wenn es sich zweckmässig erweisen sollte, kann der Stift auch nach dem Durchstecken des Bolzenschaftes durch die Öffnung der Stützmembran in diesen eingesteckt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von biegsamen Membranen oder Membranüberzügen aus Polytetrafluoräthylen mit einer zentralen Erhebung zur Halterung eines Bolzenkopfes, bei welchem das pulverförmige Polytetrafluoräthylen in eine Form eingebracht, in dieser verdichtet und bei einer oberhalb der oberen Übergangstemperatur liegenden Temperatur zu einem Biskuit gesintert und schliesslich abgeschreckt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Polytetrafluoräthylen in der Form unter Einwirkung eines Druckes wenigstens annähernd gleichförmig verdichtet und nach dem Sintern das Biskuit bei einer noch unterhalb der oberen Übergangstemperatur liegenden Temperatur in seine endgültige Form geprägt und unter Aufrechterhaltung des Druckes in der Form abgeschreckt wird.