Verfahren und Strangpresse zum Herstellen von dünnwandigen
Polytetrafluoräthylen-Schläuchen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Strangpresse zum Herstellen von dünnwandigen Polytetrafluoräthylenschläuchen mit verbesserten Eigenschaften.
Polytetrafluoräthylen besitzt eine einzigartige Kombination von Eigenschaften, indem es gegenüber den meisten chemischen Lösungsmitteln inert sowie mechanisch fest und zäh ist, ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften besitzt und bei Temperaturen von - 2400 C bis 2600 C verwendet werden kann.
Infolge dieser Kombination von Eigenschaften wurde Polytetrafluoräthylen besonders brauchbar in Form von Schläuchen oder Taschen zur Beförderung von korrosiven Flüssigkeiten in weiten Temperatur- und Druckbereichen befunden.
Kürzlich wurde ein Verfahren zum Herstellen dünnwandiger Polytetrafluoräthylenschläuche entwikkelt, das auf der Verwendung eines feinen Pulvers beruht, welches mit einem flüssigen organischen Strangpresshilfsmittel vermischt wird, um eine leichte Verformung in die gewünschte Form unterhalb des Schmelzpunktes des Harzes zu ermöglichen. Die Zusammensetzung kann durch enge Matrizen unter praktisch sinnvollen Herstellungsbedingungen gedrückt werden.
Bei diesem Verfahren wird das Strangpresshilfsmittel mit dem Tetrafluoräthylenharzpulver vermischt, diese Zusammensetzung unter Anwendung von etwa 7 bis 21 at Druck zu einer zylindrischen Walze vorgeformt und der Vorformling dann in eine Stempelstrangpresse eingesetzt. Die Zusammensetzung wird mittels eines Stempels oder Stössels durch eine Matrize gepresst, das Strangpresshilfsmittel verdampft und schliesslich das stranggepresste Erzeugnis gesintert und in der Form des fertigen Schlauches abgekühlt. Schläuche mit Wandstärken von 0,025 bis 0,25 cm können auf diese Weise hergestellt werden.
Dünnwandige Polytetrafluoräthylenschläuche der oben bezeichneten Art können vorteilhafterweise als Ausfütterung in mit Drähten verstärkten Schläuchen verwendet werden. Ein Schlauch dieser Art wurde entwickelt, um Arbeitsdrücke bis zu 211 at innerhalb eines Temperaturbereiches von 53,90 C C bis +2320 C auszuhalten. Solche Schläuche wurden für den Transport von Flüssigkeiten, wie z. B. Turbojetbrennstoffe, synthetische Schmieröle, hydraulische Flüssigkeiten für Flugzeuge aus synthetischen Estern und, bei geringeren Drücken und extremen Temperaturen, rauchende Salpetersäure in Geschossen.
Obgleich dünnwandige Schläuche aus Polytetrafluoräthylen, die die Auskleidung von mit Draht verstärkten Schläuchen bilden, in hohem Masse gegen chemische Angriffe von Flüssigkeiten, die in diesen Schläuchen enthalten sind, und gegen thermischen Abbau innerhalb eines weiten Temperaturbereiches widerstandsfähig sind, hat sich doch herausgestellt, dass die Schlauchauskleidung, die aus gewöhnlichem, aus Pasten stranggepresstem Polytetrafluoräthylenharz besteht, Flüssigkeiten mit geringer Viskosität durch ihre Wandungen durchsickern lässt und bricht, insbesondere nachdem sie wiederholt relativ hohen und niederen Temperaturen zyklisch ausgesetzt wurde. Diese Schwächung des Polytetrafluoräthylenschlauches hat die uneingeschränkte Anwendung solcher Schläuche für Flugzeugschläuche trotz der ausgezeichneten thermischen und chemischen Grundeigenschaften verhindert.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen dünnwandiger Schläuche aus Polytetrafluoräthylen zu schaffen, wobei die Schläuche im wesentlichen für Flüssigkeiten niederer Viskosität undurchlässig und gegen Bruch widerstandsfähig sind, sogar nachdem die Schläuche wiederholt relativ hohen und niederen Temperaturen ausgesetzt wurden.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Strangpresse zur Durchführung des Verfahrens.
Gemäss der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen von dünnwandigen Polytetrafluoräthylenschläuchen geschaffen mit hoher Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Durchsickern von Flüssigkeiten geringer Viskosität, indem eine ringförmige Masse von im wesentlichen homogener Zusammensetzung, die fein verteiltes Polytetrafluoräthylen und ein flüchtiges Strangpresshilfsmittel enthält, durch eine ringförmige Matrizenöffnung gepresst wird, und indem der Querschnitt der ringförmigen Öffnung um wenigstens 90 S reduziert wird, um die Teilchen des Polytetrafluoräthylens in Fasern überzuführen, die sich im allgemeinen in Strangpressrichtung erstrecken, und indem die Fasern, die die äusseren Schichten und die inneren Schichten der ringförmigen Masse bilden, in entgegengesetzten Richtungen zueinander verschoben werden,
während eine weitere Reduzierung des ringförmigen Querschnittes stattfindet, so dass die Fasern der entsprechenden Oberflächenschichten der Masse in einem Winkel von wenigstens 150 zueinander angeordnet sind, und indem die Masse durch die ringförmige Matrizen öffnung gedrückt wird, um einen Schlauch zu bilden, das Strangpresshilfsmittel entfernt und der Schlauch gesintert wird.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Strangpresse, die besonders geeignet ist, um Schläuche aus Polytetrafluoräthylen herzustellen und die eine Form oder Matrize und einen Dorn aufweist, welcher in der Mitte innerhalb der Form und im Abstand von dieser angeordnet ist, um eine ringförmige Passage zwischen Matrize und Dorn zu bilden, wobei die ringförmige Passage aus einer ersten konischen Fläche mit kreisförmigem Querschnitt entweder von Matrize oder Dorn gebildet ist, wobei der Querschnitt der Passage in Richtung der Strömung des Materials, das ausgepresst werden soll, abnimmt, und wobei eine zweite, im wesentlichen konische Fläche mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt in Fortsetzung der ersten Fläche in Strömungsrichtung angeordnet ist und im selben Sinne der Querschnitt der Passage abnimmt,
und wobei die Neigung dieser zweiten konischen Fläche geringer als die Neigung der ersten konischen Fläche ist, und wobei eine zylindrische Fläche in der Fortsetzung dieser zweiten konischen Fläche angeordnet ist, und wobei sich eine zylindrische Fläche auf dem anderen Teil von Matrize oder Dorn benachbart und im Abstand von der einen zylindrischen Fläche von Dorn oder Matrize befindet und eine zweite Fläche benachbart und im Abstand von der zuerst genannten zweiten konischen Fläche mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet ist, und wobei die zweite konische Fläche mit kreisförmigem Querschnitt, die sich auf einem Teil befindet und die benachbart angeordnete zweite Fläche auf dem anderen Teil mit Rillen und Stegen zwischen den Rillen versehen sind, und wobei diese Rillen und Stege glatte gekrümmte Oberflächen besitzen und ein Stössel vorgesehen ist,
der sich in einem Mantel vor- und zurückbewegen kann, welcher sich von der Matrize aus erstreckt und den Dorn umgibt.
Anhand der Figuren wird die Erfindung an Beispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe Vorrichtung im Längsschnitt.
Fig. 2 zeigt einen vergrösserten Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1.
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine etwas abgeänderte Ausführungsform einer erfindungsgemä ssen Strangpresse.
Fig. 4 zeigt einen vergrösserten Schnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 3.
Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Strangpresse.
Bei der Herstellung von dünnwandigen Schläuchen aus Polytetrafluoräthylen mittels eines Strangpressverfahrens wird, wenn eine ringförmige Masse aus Harz und einem flüchtigen Strangpresshilfsmittel zwischen Dorn und Matrize so vorgeschoben wird, dass der anfänglich grosse Querschnitt der Masse auf die Wandstärke des gewünschten Rohres verringert wird, eine Bildung der Harzteilchen in Fasern stattfinden. Diese Harzfasern erstrecken sich in Strangpressrichtung, und nach Entfernung des flüchtigen Schmiermittels, beispielsweise durch Erwärmung, ist die faserige poröse ungesinterte Rohrstruktur in Längsrichtung, das heisst in Strangpressrichtung, fest, jedoch in Querrichtung dazu schwach und kann leicht in sich in Längsrichtung erstreckende Faserbündel aufgespalten werden.
Während des Sinterns schrumpft der Schlauch, der frei von flüchtiger Strangpresshilfe ist, auf etwa 40 % in Strangpressrichtung zusammen, die Porosität versohwindet augenscheinlich und die Faserstruktur scheint infolge der Verschmelzung unter Bildung einer homogenen Rohrwandung mit einem Hohlrauminhalt von nahezu Null zu verschwinden.
Die auf diese Weise hergestellten Schläuche zeigen jedoch eine Neigung zum Durchsickernlassen und Brechen. Mikroskopische Untersuchungen von solchen Schläuchen ergaben viele kleine Risse, die längs der Strangpressrichtung in der Wandstruktur verliefen. Aus der Ähnlichkeit zwischen diesen Rissen und solchen Rissen, die durch Trennung der sich in Längsrichtung erstreckenden Fasern in den faserigen ungesinterten Schläuchen erhalten wurden, die frei von flüssigem Strangpresshilfsmittel waren, wurde geschlossen, dass, um eine undurchlässigere Wandung zu erhalten, bessere Zwischenfaserverbindungen erforderlich sind, als sie mit den verfügbaren Strangpressvorrichtungen und Strangpressverfahren erhalten werden konnten.
Es wurde gefunden, dass die Tendenz des dünnwandigen Schlauches aus Polytetrafluoräthylen zu brechen und Flüssigkeiten geringer Viskosität durchzulassen, im wesentlichen ausgeschaltet werden kann, wenn die normalerweise lineare Faserstruktur des Harzes des stranggepressten Schlauches auf besondere Weise unterbrochen wird, so dass Fasern wenigstens in einer Schicht des Schlauches um einen Winkel gegen diejenigen Fasern versetzt werden, die die andere Oberfläche des Schlauches bilden.
In der Zeichnung ist eine Vorrichtung dargestellt, die sich zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens besonders eignet.
Die in Fig. 1 dargestellte Strangpressvorrichtung besitzt einen hohlen Mantel 10 und eine Matrize 11, die die Fortsetzung des Mantels bildet. Der Mantel und die Matrize sind als aus einem einzigen Stück, beispielsweise aus Stahl, bestehend dargestellt. Sie können jedoch auch aus getrennten Teilen bestehen, die zusammengesetzt werden, um die vollständige Strangpressvorrichtung zu bilden. Die Matrize 11 ist mit einer ersten konischen, im Querschnitt kreisförmigen Innenfläche 12 und einer zweiten, im wesentlichen konischen, im Querschnitt im wesentlichen kreisförmigen Innenfläche 13 versehen, die in das engere Ende der konischen Innenfläche 12 übergeht. Das engere Ende der zweiten konischen Fläche 13 geht in eine zylindrische Innenfläche über, die eine Düse 14 bildet.
In der Mitte innerhalb des Mantels und der Matrize und im Abstand von dieser ist ein Dorn 15 angeordnet. Dieser Dorn besitzt eine im wesentlichen konische Aussenfläche 16, die in eine zylindrische Oberfläche 17 übergeht und an dem Über- gang in diese zylindrische Fläche endigt. Die konische Aussenfläche 16 des Dorns ist so angeordnet, dass sie sich benachbart der konischen Innenfläche 13 der Matrize 11 befindet, und die zylindrische Aussenfläche 17 des Dornes befindet sich innerhalb der zylindrischen Düse 14 der Matrize, so dass eine ringförmige Öffnung gebildet wird.
Das andere Ende des Dornes 15, welches nicht dargestellt ist, ist in bekannter Weise befestigt, um eine Verschiebung des Dornes relativ zu dem Mantel und der Matrize zu vermeiden. Bei einer anderen Ausführung sind jedoch Einrichtungen vorgesehen, um eine Relativdrehung des Dornes gegenüber der Matrize zu bewirken. Diese Anordnung wird genauer im Zusammenhang mit der Fig. 3 beschrieben.
Der Konus der ersten konischen Fläche 12 der Matrize soll so sein, dass die Querschnittsfläche des Ringraumes zwischen der Matrize und dem Dorn 15 wenigstens um 90% längs dieser Fläche verringert wird. Der Zweck dieser Flächenreduktion ist, die Harzteilchen in Harzfasern überzuführen, die weiter nach dem erfindungsgemässen Verfahren und in der erfindungsgemässen Vorrichtung bearbeitet werden.
Ein Konus mit einer Neigung von etwa 500 bis etwa 750 gegenüber der Achse ist im allgemeinen ausreichend, um diese Querschnittsreduktion zu bewirken, wenn die äussere Gegenseite des Dornes im wesentlichen zylindrisch ist.
In dem Ringraum zwischen dem Dorn 15 und dem Mantel 10 befindet sich ein ringförmiger Stössel 18, der eine auf und ab gehende Bewegung ausführen kann. Ein nicht dargestellter hydraulischer Kolben stellt eine vorzugsweise verwendete Einrichtung zum Antrieb des Stössels dar. Es können jedoch auch andere geeignete Einrichtungen, wie z. B. eine Schraubenwinde, verwendet werden, um Stössel mit kleinerem Durchmesser anzutreiben. Eine Einrichtung, die in der Lage ist, etwa 700 at Druck an der Stirnfläche des Stössels zu erzeugen, ist für die meisten Anwendungszwecke gemäss der vorliegenden Erfindung geeignet.
Die zweite konische Innenfläche 13 der Matrize ist mit mehreren schraubenförmigen Rillen 19, deren Windungsdurchmesser abnimmt, und die konische Aussenfläche 16 des Dornes ist in gleicher Weise mit mehreren ähnlich angeordneten Rillen 20 versehen.
Die Anzahl der Rillen 19 und 20 kann unterschied' lich sein, jedoch soll diese Anzahl hinreichend gross (und die Rillen hinreichend tief usw., wie weiter unten ausgeführt wird) sein, um die Harzfasern, die wenigstens die oberflächlichen Schichten der Harzfasern der ringförmigen Masse aus Harz und flüchtiger Strangpresshilfe zu verschieben, so dass der Winkel zwischen den äusseren Faserschichten und den inneren Faserschichten der Masse wenigstens 150 beträgt. Im allgemeinen ist der Dorn mit etwa 4 bis etwa 7 Nuten und die Matrize mit etwa 5 bis 10 Nuten versehen, die hinreichend sind, um die oben beschriebene Verschiebung der Fasern gegeneinander zu gewährleisten. Jede der Rillen oder Nuten 19 und 20 verläuft in ihrer gesamten Länge über einen Bogen von etwa 1200 bis etwa 2000 und vorzugsweise etwa 1800.
Die Rillen 19 und 20 besitzen glatte gekrümmte Oberflächen, wie am besten aus Fig. 2 zu ersehen ist.
In gleicher Weise besitzen die Stege 21 und 22 der Rillen 19 und 20 glatte gekrümmte Oberflächen.
Die Tiefe der Rillen 19 und 20 nimmt in Richtung gegen die Mündung der Strangpressvorrichtung, die von der engeren zylindrischen Aussenfläche 16 des Dornes und der zylindrischen Innenfläche 13 der Matrize gebildet wird, ab. In Fig. 2 ist der ringförmige Raum zwischen der zweiten konischen Innenfläche 13 der Matrize und der konischen Aussenfläche 16 des Dornes im Querschnitt dargestellt.
Dieser Raum nimmt längs der gerillten Teile der Flächen 13 und 16 gegen die engeren Enden dieser konischen Flächen um etwa 50 bis etwa 95% und vorzugsweise um etwa 60 bis etwa 80 % ab. Die Querschnittsfläche des ringförmigen Zwischenraums, auf die dabei Bezug genommen wird, besteht nicht nur aus dem Ringraum, der durch die Stege 21 und 22 von Matrize und Dorn begrenzt ist, und der zwischen den konzentrischen Kreisen, die durch die gestrichelten Linien A und B in Fig. 2 dargestellt sind, liegt, sondern auch in den Flächen, die durch die Rillen selbst bestimmt sind.
Vorzugsweise entspricht die Tiefe der Rillen 19 und 20 etwa dem 2- bis etwa dem Sfachen des Abstandes zwischen den konischen Oberflächen 13 und 16 von Matrize und Dorn, gemessen an ein ander benachbarten Stegen an jedem Punkt längs der Achse des Dornes und der Matrize. Daher be trägt, mit Bezugnahme auf Fig. 2, die Tiefe der Rillen 19 und 20 etwa das 2- bis etwa das Sfache des Abstandes zwischen den konzentrischen Kreisen A und B an jeder Stelle längs der gerillten Teile von
Matrize und Dorn.
Die Gesamtquerschnittsfläche sowohl der Nuten
19 als auch der Nuten 20 ist an jeder Stelle quer zur
Achse von Matrize und Dorn von etwa 1/3 bis etwa 2/3 der Querschnittsfläche des Ringraumes, der durch die gegenüberliegenden Stege der konischen kreisförmigen Flächen von Dorn und Matrize begrenzt.
Mit anderen Worten, die Gesamtquerschnittsfläche der Rillen an jeder Stelle längs der Achse des Dornes und der Matrize ist gleich etwa 1/3 bis etwa der Fläche zwischen den konzentrischen Kreisen A und B. Dieselbe Beziehung gilt für die Rillen 20.
Die Länge der gerillten, konischen Teile der Matrize und des Dorns variiert in Abhängigkeit von der Grösse des Mantels und des stranggepressten Erzeugnisses, und der Winkel der Matrizenrillen ist gleich derjenigen des Dorns. Die gerillten konischen Teile sollen lang genug sein, um eine unterschiedliche Verdrehung von wenigstens 3600 der Fasern gegeneinander zu erzeugen, die die inneren und äusseren Schichten des stranggepressten Erzeugnisses, das durch die konischen Teile hindurchgeführt wird, bilden.
Zum Beispiel für breite grosse Schläuche mit einem Aussendurchmesser von 15,24 cm, die in einer Vorrichtung, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, hergestellt werden, ist ein Vorformling mit einem äusseren Durchmesser von 15,24 cm, einer Länge von etwa 30,48 bis 40,64 cm im allgemeinen erforderlich, wohingegen für die Herstellung eines Schlauches mit 0,476 cm Aussendurchmesser, der aus einem Vorformling von 8,89 cm Aussendurchmesser in einer Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, gefertigt wird, ein relativ kurzer Konus von 5,08 bis 10,16 cm gewöhnlich genügt.
Die Länge des Mundstückes, das durch die zylindrische Fläche 34 der Matrize und der Fläche 37 des Dornes gebildet wird, beträgt vorzugsweise etwa das 5- bis etwa das 7fache des Durchmessers des Dornes an der Mündung. Es wurde gefunden, dass mit einem Mundstück, das diese Länge besitzt, der innere Durchmesser und die Wandstärke des fertigen gesinterten Schlauches gleichförmiger und weniger empfindlich in bezug auf Veränderungen der Strangpressgeschwindigkeit und anderer Variablen ist.
Es wurde gefunden, dass, wenn die oben beschriebenen Beziehungen zwischen Dorn und Form vorliegen, Kunststoffschläuche erhalten werden, die im wesentlichen widerstandsfähig gegen das Durch sickern von Medien geringer Viskosität sind, nachdem die Schläuche der üblichen thermischen Behandlung unter Druck unterworfen worden waren.
Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung ist im allgemeinen ähnlich der in Fig. 1 dargestellten. Der in Fig. 3 dargestellte Mechanismus ist für eine relative Drehbewegung des Dornes gegenüber der Form während des Strangpressens dünnwandiger Schläuche konstruiert. Es wird jedoch betont, dass die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung, bei der der Dorn relativ zur Form fest angeordnet ist, zufriedenstellend arbeitet. Trotzdem kann eine erfindungsgemässe Anordnung auch mit sich gegeneinander drehenden Matrize und Dorn, wie in Fig. 3 dargestellt ist, ausgerüstet sein.
Die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung besitzt einen hohlen Mantel 30 und eine Matrize 31, die eine Fortsetzung des Mantels ist. Die Matrize 31 ist mit einer ersten konischen, im Querschnitt kreisförmigen Innenfläche 32 und einer zweiten, im wesentlichen konischen, im Querschnitt im wesentlichen kreisförmigen Innenfläche 33 versehen, welch letztere in das engere Ende der konischen Fläche 32 übergeht. Das engere Ende der zweiten konischen Fläche 33 geht in eine zylindrische Innenfläche einer Düse 34 über.
In der Mitte innerhalb des Mantels und der Form und im Abstand von diesen ist ein Dorn 35 angeordnet, der eine konische, im Querschnitt im wesentlichen kreisförmige Aussenfläche 36 aufweist, die in eine äussere zylindrische Fläche 37 übergeht und an dem Übergang endigt. Die konische äussere Fläche 36 des Dorns ist so angeordnet, dass sie sich benachbart der konischen Innenfläche 33 der Matrize befindet und die zylindrische Aussenfläche 37 des Dornes ist innerhalb der zylindrischen Düse 34 der Matrize angeordnet, do dass sich eine ringförmige öffnung ergibt.
Das andere Ende des Dornes 35 (nicht dargestellt) ist so angeordnet, dass eine Bewegung des Dorns gegenüber dem Mantel und der Form mit Ausnahme einer Drehbewegung verhindert wird. Entweder der Mantel und die Matrize oder der Dorn kann mittels geeigneter Einrichtungen, die nicht dargestellt sind, in Drehung versetzt werden, so dass ein Teil gegen über dem anderen sich dreht.
In dem Ringraum zwischen dem Dorn 35 und dem Mantel 30 befindet sich ein ringförmiger Stössel 38, der innerhalb des Mantels durch entsprechende Einrichtungen, wie sie in Zusammenhang mit der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung angedeutet wurden, auf und ab bewegt werden kann.
Die zweite konische Innenfläche 33 der Matrize ist mit mehreren Rillen 39 versehen, die sich im allgemeinen in axialer Richtung der Vorrichtung erstrecken, und die konische Aussenfläche 36 des Dornes ist in gleicher Weise mit mehreren ähnlich angeordneten Rillen 40 ausgerüstet. Die Anzahl der Rillen in dem Dorn kann im allgemeinen etwa 6 bis 10 betragen, wohingegen die Anzahl der Rillen in der Matrize im allgemeinen von etwa 8 bis 12 variieren kann.
Die Rillen 39 und 40 sind mit glatten gekrümmten Oberflächen versehen, wie am besten aus Fig. 4 zu sehen ist. In gleicher Weise besitzen die Stege 41 und 42 der Nuten 39 und 40 glatte gekrümmte Oberflächen. Die Tiefe der Nuten nimmt in Richtung gegen das Mundstück der Strangpresse in der gleichen Weise ab wie die Nuten der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.
Zwischen den einzelnen Elementen der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Vorrichtung herrschen dieselben Beziehungen wie zwischen den in Fig. 1 und 2 dargestellten Elementen, soweit es die Konizität der ersten konischen Fläche 32 der Matrize, die Querschnittsfläche des Ringraumes zwischen der zweiten konischen Innenfläche 33 der Form und der konischen Aussenfläche 36 des Dorns, die Tiefe der Nuten 39 und 40, die Gesamtquerschnittsfläche der Nuten und die Länge des Mundstücks betrifft.
Zum Beispiel besitzen die Nuten 39 und 40 eine Tiefe, die etwa dem 2- bis dem Sfachen des Abstandes zwischen den konzentrischen Kreisen C und D in Fig. 4 an jeder Stelle längs der konischen Teile der Matrize und des Dorns entsprechen, und die Gesamtquerschnittsfläche der Nuten 39 sowie ebenfalls der Nuten 40 beträgt an jeder Stelle längs der Achse etwa 1/3. bis etwa 2/3 der Querschnittsfläche des Ringraumes, der zwischen den konzentrischen Kreisen C und D an derselben Stelle liegt.
In Fig. 5 ist eine andere Form einer erfindungsgemässen Vorrichtung dargestellt, welche jedoch in der gleichen Weise wie die Vorrichtungen nach den weiter oben beschriebenen Figuren arbeitet. Die Vorrichtung zum Strangpressen von dünnwandigen Schläuchen aus Tetrafluoräthylenharz mit relativ grossem Durchmesser, die in Fig. 5 dargestellt ist, besitzt einen hohlen Mantel 50 und in Fortsetzung desselben einen Matrizenteil 51. Die Matrize 51 besitzt eine im wesentlichen zylindrische Innenfläche 52, deren Endteil eine zylindrische Düse 53 aufweist. In der Mitte innerhalb des Mantels und der Matrize und im Abstand von diesen ist ein Dorn 54 angeordnet, der eine erste konische Aussenfläche 55 mit kreisförmigem Querschnitt und eine zweite, im wesentlichen konische Aussenfläche 56 aufweist, die in das breitere Ende der ersten konischen Fläche übergeht.
Die zweite konische Fläche 56 endigt an ihrem weiteren Ende in eine äussere, zylindrische Fläche 57, die innerhalb der zylindrischen Düse 53 im Abstand von dieser angeordnet ist, so dass eine ringförmige Öffnung in der Düse entsteht.
Die innere zylindrische Fläche der Matrize 51 ist mit schraubenförmigen Rillen 58 versehen und die zweite konische äussere Fläche des Dorns weist Rillen 59 auf. Die Rillen 58 und 59 sind so angeordnet, dass sie einander benachbart liegen und die Drehrichtung der Rillen 58 ist der der Rillen 59 entgegengesetzt. Die Rillen 58 und 59 und die Stege zwischen diesen Rillen sind ebenfalls mit glatten gekrümmten oder gerundeten Oberflächen versehen, und die Tiefe der Rillen nimmt in Richtung gegen das Mundstück der Strangpresse ab.
In dem Ringraum zwischen dem Dorn 54 und dem Mantel 50 befindet sich ein ringförmiger Stössel 60, der mittels geeigneter Einrichtungen, wie in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde, auf und ab bewegt werden kann.
Ebenso wie bei der Vorrichtung nach den Fig. 3 und 4 stehen die Elemente einer in Fig. 5 dargestell- ten Vorrichtung in derselben Beziehung zueinander wie die Elemente der in Fig. 1 dargestellten Vorrich- tung. Deshalb muss der Konus der ersten konischen Fläche 55 des Dorns 54, die in ähnlicher Weise wie die konische Matrizenfläche 12 in Fig. 1 arbeitet, so ausgebildet sein, dass die Querschnittsfläche des Ringraumes zwischen Matrize und Dorn sich wenigstens um 90 XÓ längs der konischen Fläche verringert, um die Bildung von Harzfasern aus Harzteilchen zu bewirken. Eine Neigung von etwa 50 bis 750 gegen über der Achse ist im allgemeinen für diesen Zweck ausreichend, wenn die benachbartliegende Matrizenfläche nicht konisch ist.
Die Rillen 58 und 59 sollen dieselbe Tiefe und Gesamtquerschnittsfläche wie die Nuten 19 und 20 der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung besitzen. Ebenfalls soll die Verringerung der Querschnittsfläche des Raumes zwischen den gerillten Teilen von Matrize und Dorn von etwa 50 bis etwa 95% und vorzugsweise von etwa 60 bis 80 % längs der gerillten Teile betragen.
Beim Strangpressen von dünnwandigen Polytetrafluoräthylenschläuchen nach dem Verfahren und mit einer Vorrichtung nach dieser Erfindung wird eine Beschickung vorbereitet, indem fein verteilte Harzteilchen und ein flüssiges Strangpresshilfsmittel wie z. B. farbloses Paraffinöl, und Naphtha, gut durchmischt werden. Die Menge des verwendeten Strangpresshilfsmittels hängt weitgehend von dem Verhältnis der Querschnittsfläche des Vorformlings, der in die Strangpressvorrichtung eingeführt wird, zu der Querschnittsfläche des stranggepressten Erzeugnisses ab. Im allgemeinen kann etwa 15 bis etwa 25% Schmiermittel, bezogen auf das Gewicht von Schmiermittel und Harz, bei der Herstellung von Schläuchen hoher Qualität verwendet werden.
Ein ringförmiger Vorformling wird dann aus dieser Mischung hergestellt, indem die Mischung in einem Vorformzylinder, in dessen Mitte sich ein Kernstab befindet, verdichtet wird. Die Abmessungen des Verdichtungszylinders sollen so sein, dass der radiale Spielraum zwischen dem Vorformling und den Wandungen des Mantels der erfindungsgemässen Vorrichtung, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, etwa 0,51 bis 0,76 mm beträgt.
Eine abgewogene Menge der Zusammensetzung, die stranggepresst werden soll, wird mit Sorgfalt in den Vorformzylinder gegossen, um zu gewährleisten, dass das Pulver gleichmässig um den Kernstab verteilt ist. Nachdem ein Verschlussstopfen in den Vorformzylinder eingesetzt wurde, wird Druck ange- wandt, um den Vorformling zu verdichten. Ein Druck von etwa 7 bis 21 at soll sich dabei während einiger Minuten ausbilden und dann langsam nachlassen. Der resultierende Vorformling ist ein dichtes lehmartiges Produkt.
Das Strangpressverfahren nach der Erfindung unter Verwendung einer in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung wird nicht kontinuierlich durchgeführt. Die Vorrichtung wird jedesmal angehalten, wenn ein Vorformling ausgepresst ist, und der Stössel wird zurückgezogen, so dass ein neuer Vorformling in den Strangpresszylinder eingesetzt werden kann.
Der zum Strangpressen erforderliche Druck variiert in weitem Ausmass entsprechend dem Verhältnis des Querschnitts des Vorformlings zu dem Querschnitt des röhrenförmigen Produkts. Wenn dieses Verhältnis beispielsweise 250:1 ist, ist ein Druck von etwa 350 at an der Stirnseite des Stössels im allgemeinen erforderlich.
Während des Strangpressens in einer Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, wird, wenn die Strangpressmischung mittels des Stössels durch den Ringraum, der von der konischen, kreisförmigen Fläche 12 der Matrize und dem Dorn 15 begrenzt ist, gedrückt wird, die Querschnittsfläche des Vorformlings um 90 % oder mehr verringert, und die Harzteilchen werden in Harzfasern geformt, die sich in der allgemeinen Strangpressrichtung erstrecken.
Hiernach wird der faserige Vorformling mit wesentlich verringertem Querschnitt durch den Ringraum gepresst, der von der zweiten konischen Fläche 13 der Matrize und der konischen Fläche 16 des Dorns begrenzt ist. Während des Durchgangs des Vorformlings durch diesen Raum wird die Querschnittsfläche weiter um etwa 50 bis etwa 95 %, und vorzugsweise um etwa 60 bis 80% verringert. Zusätzlich folgen die Fasern, die die äusseren Flächenschichten und die inneren Schichten des ringförmigen Vorformlings bilden, dem Strömungsweg des geringsten Widerstands, der durch die Rillen 19 in der Matrize und die Rillen 20 in dem Dorn vorgegeben ist. Auf diese Weise werden die Harzfasern, die später die äussere Schicht des stranggepressten Rohres bilden, nach rechts verdrillt und diejenigen, die die innere Schicht des Rohres bilden, nach links verdrillt.
Diese Verschiebung der Fasern, die die inneren und äusseren Schichten des Rohres bilden, erfolgt vorzugsweise wenigstens etwa um 3600, so dass sie einen Winkel miteinander bilden, der wenigstens etwa 150 und vorzugsweise von etwa 30 bis etwa 600 betragen soll. Das stranggepresste Erzeugnis wird hernach aus der Strangpressvorrich
Eine Zusammensetzung, die etwa 82 % fein ver teilte Teilchen aus Polytetrafluoräthylen und 18 % Naphtha enthielt, wurde in einen Vorformling geformt und in Form eines dünnwandigen Rohres in einer Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, stranggepresst. Nach Entfernen des Naphthas und nach dem Sintern wurde ein 0, 91 m langes Rohr mit 10,32 mm Aussendurchmesser und 1,092 mm Wandstärke erhalten. Dieses Rohr wurde in drei je 0,3 m lange Stücke geteilt und jedes wurde als Auskleidung eines geflochtenen mit Drähten verstärkten Schlauches verwendet, dessen Aussendurchmesser 14,29 mm betrug. Die Schläuche wurden getestet. Das Ergebnis war folgendes:
1. Mit rot gefärbtem JP-4-Turbojet-Brennstoff gefüllt 2 Stunden lang bei Raumtemperatur unter einen Druck von 105 at gesetzt.
2. 22 Stunden lang mit einer Füllung aus einer hydraulischen Silikatester-Hochtemperaturflüssigkeit (Monsanto Chemical Co. OS-45-1) bei 105 at und 2040 C unter Druck gesetzt.
3. Der Versuch 1 wurde wiederholt.
4. Der Versuch 2 wurde wiederholt.
5. Der Schlauch wurde bei - 53,90 C C 5 Stunden lang getränkt, indem er mit rotgefärbtem JP-4-Turbojet-Brennstoff bei Atmosphärendruck angefüllt wurde. Der Druck wurde auf 105 at erhöht und der Schlauch 17 Stunden lang auf einer Temperatur von - 53,90 C gehalten.
Die vorstehend aufgeführte Versuchsreihe bildet einen Einzelzyklus, der bis zum Bruch wiederholt wird. Das Durchsickern während eines Versuches eines Zyklus, das heisst, wenn rotgefärbte Flüssigkeit an der Aussenseite des Schlauches erscheint oder, wenn der Druck in einem geschlossenen System abfällt, zeigt den Bruch an.
Ein Schlauch, dessen Herstellung nach der vorstehenden Beschreibung vorgenommen wurde, zeigte bei diesem Versuch keinen Bruch nach 8 Zyklen.
Vergleichsweise wurden drei Schläuche mittels gewöhnlicher Matrizen und Dorne, die glatte Oberflächen besassen, hergestellt. Der Bruch erfolgte für die auf übliche Weise hergestellten Schläuche im ersten Versuch des ersten Zyklus, im vierten Versuch des ersten Zyklus bzw. im fünften Versuch des ersten Zyklus.
Method and extrusion press for producing thin-walled
Polytetrafluoroethylene tubing
The invention relates to a method and an extruder for producing thin-walled polytetrafluoroethylene hoses with improved properties.
Polytetrafluoroethylene has a unique combination of properties in that it is inert to most chemical solvents, mechanically strong and tough, has excellent dielectric properties and can be used at temperatures from - 2400 C to 2600 C.
Because of this combination of properties, polytetrafluoroethylene has been found to be particularly useful in the form of hoses or bags for conveying corrosive liquids over a wide range of temperatures and pressures.
Recently, a method of making thin-walled polytetrafluoroethylene tubing has been developed which relies on the use of a fine powder which is mixed with a liquid organic extrusion aid to allow easy shaping into the desired shape below the melting point of the resin. The composition can be squeezed through tight matrices under practical manufacturing conditions.
In this process, the extrusion aid is mixed with the tetrafluoroethylene resin powder, this composition is preformed into a cylindrical roller using about 7 to 21 atm of pressure and the preform is then inserted into a punch extruder. The composition is pressed through a die by means of a punch or ram, the extrusion auxiliary evaporates and finally the extruded product is sintered and cooled in the form of the finished tube. Hoses with wall thicknesses of 0.025 to 0.25 cm can be produced in this way.
Thin-walled polytetrafluoroethylene hoses of the type referred to above can advantageously be used as lining in hoses reinforced with wires. A hose of this type was developed to withstand working pressures of up to 211 atm within a temperature range of 53.90 C C to +2320 C. Such hoses were used for the transport of liquids, e.g. B. Turbojet fuels, synthetic lubricating oils, hydraulic fluids for aircraft made from synthetic esters and, at lower pressures and extreme temperatures, fuming nitric acid in projectiles.
Although thin-walled hoses made of polytetrafluoroethylene, which form the lining of hoses reinforced with wire, are highly resistant to chemical attack by liquids contained in these hoses and to thermal degradation within a wide temperature range, it has been found that the Hose liner made of ordinary polytetrafluoroethylene resin extruded from pastes, which allows liquids of low viscosity to seep through its walls and breaks, especially after being repeatedly exposed to relatively high and low temperatures. This weakening of the polytetrafluoroethylene hose has prevented the unrestricted use of such hoses for aircraft hoses in spite of their excellent thermal and chemical basic properties.
The object of the invention is to provide a method of making thin-walled hoses from polytetrafluoroethylene, the hoses being substantially impermeable to low viscosity liquids and resistant to breakage even after the hoses have been repeatedly exposed to relatively high and low temperatures.
Another object of the invention is to provide an improved extruder for carrying out the process.
According to the invention, a method for producing thin-walled polytetrafluoroethylene hoses with high resistance to the seeping through of liquids of low viscosity is created by pressing an annular mass of essentially homogeneous composition, which contains finely divided polytetrafluoroethylene and a volatile extrusion agent, through an annular die opening, and by reducing the cross-section of the annular opening by at least 90 S to convert the particles of polytetrafluoroethylene into fibers which extend generally in the direction of extrusion and by inserting the fibers forming the outer layers and the inner layers of the annular mass in opposite directions are shifted to each other,
while a further reduction of the annular cross-section takes place so that the fibers of the corresponding surface layers of the mass are arranged at an angle of at least 150 to one another, and by pressing the mass through the annular die opening to form a tube, the extrusion aid is removed and the hose is sintered.
The invention also relates to an extrusion press which is particularly suitable for making tubing from polytetrafluoroethylene and which has a mold or die and a mandrel which is centrally located within the mold and spaced therefrom to form an annular passage therebetween To form die and mandrel, wherein the annular passage is formed from a first conical surface of circular cross-section of either die or mandrel, the cross-section of the passage decreasing in the direction of the flow of the material to be extruded, and a second, a substantially conical surface with a substantially circular cross-section is arranged in continuation of the first surface in the direction of flow and the cross-section of the passage decreases in the same sense,
and wherein the inclination of this second conical surface is less than the inclination of the first conical surface, and wherein a cylindrical surface is arranged in the continuation of this second conical surface, and wherein a cylindrical surface on the other part of the die or mandrel is adjacent and in Is spaced from the one cylindrical surface of the mandrel or die and a second surface is adjacent and spaced from the first-mentioned second conical surface of circular cross-section, and wherein the second conical surface of circular cross-section, which is on a part and which adjacent second surface on the other part are provided with grooves and ridges between the grooves, and these grooves and ridges have smooth curved surfaces and a ram is provided,
which can move back and forth in a jacket which extends from the die and surrounds the mandrel.
The invention is explained in more detail using examples using the figures.
Fig. 1 shows a device according to the invention in longitudinal section.
FIG. 2 shows an enlarged section along the line 2-2 in FIG. 1.
3 shows a longitudinal section through a somewhat modified embodiment of an extrusion press according to the invention.
FIG. 4 shows an enlarged section along the line 4-4 in FIG. 3.
5 shows a longitudinal section through a further embodiment of an extruder according to the invention.
In the production of thin-walled hoses from polytetrafluoroethylene by means of an extrusion process, if an annular mass of resin and a volatile extrusion agent is advanced between the mandrel and die in such a way that the initially large cross-section of the mass is reduced to the wall thickness of the desired pipe, a formation of the Resin particles take place in fibers. These resin fibers extend in the extrusion direction, and after the volatile lubricant has been removed, for example by heating, the fibrous, porous unsintered tubular structure is solid in the longitudinal direction, i.e. in the extrusion direction, but weak in the transverse direction and can easily be split into longitudinally extending fiber bundles .
During sintering, the tube, which is free of volatile extrusion aid, shrinks to around 40% in the extrusion direction, the porosity apparently disappears and the fiber structure seems to disappear as a result of the fusion, forming a homogeneous tube wall with a void volume of almost zero.
However, the hoses made in this way show a tendency to leak and break. Microscopic examination of such hoses revealed many small cracks running along the direction of extrusion in the wall structure. From the similarity between these cracks and cracks obtained by separating the longitudinal fibers in the fibrous unsintered tubes that were free of liquid extrusion aid, it was concluded that in order to obtain a more impermeable wall, better inter-fiber connections are required than could be obtained with the extrusion equipment and methods available.
It has been found that the tendency of the thin-walled tubing made of polytetrafluoroethylene to break and to pass liquids of low viscosity can be essentially eliminated if the normally linear fiber structure of the resin of the extruded tube is interrupted in a particular way so that fibers in at least one layer of the Tube are offset by an angle against those fibers that form the other surface of the tube.
The drawing shows a device which is particularly suitable for carrying out the method according to the invention.
The extrusion device shown in Fig. 1 has a hollow jacket 10 and a die 11 which forms the continuation of the jacket. The shell and die are shown as being made of a single piece, such as steel. However, they can also consist of separate parts that are put together to form the complete extrusion apparatus. The die 11 is provided with a first conical inner surface 12 of circular cross-section and a second, substantially conical inner surface 13 of substantially circular cross-section, which merges into the narrower end of the conical inner surface 12. The narrower end of the second conical surface 13 merges into a cylindrical inner surface which forms a nozzle 14.
A mandrel 15 is arranged in the middle within the jacket and the die and at a distance from them. This mandrel has an essentially conical outer surface 16 which merges into a cylindrical surface 17 and ends at the transition into this cylindrical surface. The conical outer surface 16 of the mandrel is arranged so that it is located adjacent to the conical inner surface 13 of the die 11, and the cylindrical outer surface 17 of the mandrel is located inside the cylindrical nozzle 14 of the die, so that an annular opening is formed.
The other end of the mandrel 15, which is not shown, is fastened in a known manner in order to avoid displacement of the mandrel relative to the jacket and the die. In another embodiment, however, devices are provided to bring about a relative rotation of the mandrel with respect to the die. This arrangement is described in more detail in connection with FIG. 3.
The cone of the first conical surface 12 of the die should be such that the cross-sectional area of the annular space between the die and the mandrel 15 is reduced by at least 90% along this surface. The purpose of this area reduction is to convert the resin particles into resin fibers which are further processed according to the method according to the invention and in the device according to the invention.
A cone with an inclination of about 500 to about 750 relative to the axis is generally sufficient to bring about this cross-sectional reduction if the outer opposite side of the mandrel is essentially cylindrical.
In the annular space between the mandrel 15 and the jacket 10 there is an annular plunger 18 which can perform an up and down movement. A hydraulic piston, not shown, represents a device preferably used for driving the plunger. However, other suitable devices, such as, for. B. a screw jack, can be used to drive plungers with a smaller diameter. A device which is able to generate about 700 atm of pressure on the end face of the ram is suitable for most purposes according to the present invention.
The second conical inner surface 13 of the die is provided with a plurality of helical grooves 19, the winding diameter of which decreases, and the conical outer surface 16 of the mandrel is likewise provided with a plurality of similarly arranged grooves 20.
The number of grooves 19 and 20 can be different, but this number should be sufficiently large (and the grooves sufficiently deep, etc., as will be explained below) to cover the resin fibers, which are at least the superficial layers of the resin fibers of the annular mass of resin and volatile extrusion aid, so that the angle between the outer fiber layers and the inner fiber layers of the mass is at least 150. In general, the mandrel is provided with about 4 to about 7 grooves and the die with about 5 to 10 grooves, which are sufficient to ensure the above-described displacement of the fibers relative to one another. Each of the flutes or grooves 19 and 20 extend over an arc of about 1200 to about 2000, and preferably about 1800, over their entire length.
The grooves 19 and 20 have smooth curved surfaces, as best seen in FIG.
In the same way, the ridges 21 and 22 of the grooves 19 and 20 have smooth, curved surfaces.
The depth of the grooves 19 and 20 decreases in the direction towards the mouth of the extrusion device, which is formed by the narrower cylindrical outer surface 16 of the mandrel and the cylindrical inner surface 13 of the die. In Fig. 2, the annular space between the second conical inner surface 13 of the die and the conical outer surface 16 of the mandrel is shown in cross section.
This space decreases along the grooved portions of surfaces 13 and 16 towards the narrower ends of these conical surfaces by about 50 to about 95% and preferably by about 60 to about 80%. The cross-sectional area of the annular space referred to here consists not only of the annular space delimited by the webs 21 and 22 of the die and mandrel and that between the concentric circles indicated by the dashed lines A and B in FIG Fig. 2 are shown, but also in the areas that are determined by the grooves themselves.
Preferably, the depth of the grooves 19 and 20 is about 2 to about 5 times the distance between the conical surfaces 13 and 16 of the die and mandrel, measured at adjacent webs at any point along the axis of the mandrel and the die. Therefore, with reference to FIG. 2, the depth of the grooves 19 and 20 is about 2 to about 5 times the distance between the concentric circles A and B at any point along the grooved portions of FIG
Die and mandrel.
The total cross-sectional area of both the grooves
19 as well as the grooves 20 is at each point across the
Axis of die and mandrel from about 1/3 to about 2/3 of the cross-sectional area of the annular space, which is delimited by the opposing webs of the conical circular surfaces of the mandrel and die.
In other words, the total cross-sectional area of the grooves at any point along the axis of the mandrel and die is equal to about 1/3 to about the area between concentric circles A and B. The same relationship applies to grooves 20.
The length of the grooved, conical portions of the die and the mandrel varies depending on the size of the shell and the extruded product, and the angle of the die grooves is the same as that of the mandrel. The grooved conical portions should be long enough to produce a differential twist of at least 3600 of the fibers with respect to one another which form the inner and outer layers of the extruded product which is passed through the conical portions.
For example, for wide, large hoses with an outside diameter of 15.24 cm, which are produced in a device as shown in FIG. 5, a preform with an outside diameter of 15.24 cm and a length of about 30 is required , 48 to 40.64 cm is generally required, whereas for the production of a tube with 0.476 cm outside diameter, which is made from a preform with 8.89 cm outside diameter in a device as shown in FIG. 1, a relative short cone of 2 to 4 inches is usually sufficient.
The length of the mouthpiece, which is formed by the cylindrical surface 34 of the die and the surface 37 of the mandrel, is preferably about 5 to about 7 times the diameter of the mandrel at the mouth. It has been found that with a die having this length, the inner diameter and wall thickness of the finished sintered tube is more uniform and less sensitive to changes in extrusion speed and other variables.
It has been found that, when the mandrel and mold relationships described above are in place, plastic tubing is obtained which is substantially resistant to the seepage of low viscosity media after the tubing has been subjected to the usual thermal treatment under pressure.
The apparatus shown in FIG. 3 is generally similar to that shown in FIG. The mechanism shown in Figure 3 is designed for relative rotational movement of the mandrel with respect to the mold during extrusion of thin walled tubing. It is emphasized, however, that the device shown in Fig. 1, in which the mandrel is fixed relative to the mold, works satisfactorily. Nevertheless, an arrangement according to the invention can also be equipped with a die and mandrel rotating against each other, as shown in FIG.
The device shown in Fig. 3 has a hollow shell 30 and a die 31 which is a continuation of the shell. The die 31 is provided with a first conical inner surface 32 of circular cross-section and a second, substantially conical inner surface 33 of substantially circular cross-section, the latter merging into the narrower end of the conical surface 32. The narrower end of the second conical surface 33 merges into a cylindrical inner surface of a nozzle 34.
In the middle within the shell and the mold and at a distance therefrom, a mandrel 35 is arranged which has a conical, in cross-section essentially circular outer surface 36 which merges into an outer cylindrical surface 37 and ends at the transition. The conical outer surface 36 of the mandrel is arranged in such a way that it is located adjacent to the conical inner surface 33 of the die and the cylindrical outer surface 37 of the mandrel is arranged inside the cylindrical nozzle 34 of the die, so that an annular opening results.
The other end of the mandrel 35 (not shown) is arranged to prevent movement of the mandrel with respect to the shell and the mold except for a rotational movement. Either the jacket and the die or the mandrel can be set in rotation by means of suitable devices, which are not shown, so that one part rotates relative to the other.
In the annular space between the mandrel 35 and the jacket 30 there is an annular plunger 38 which can be moved up and down within the jacket by appropriate devices, as indicated in connection with the device shown in FIG.
The second conical inner surface 33 of the die is provided with a plurality of grooves 39 which extend generally in the axial direction of the device, and the conical outer surface 36 of the mandrel is likewise provided with a plurality of similarly arranged grooves 40. The number of grooves in the mandrel can generally be from about 6 to 10, whereas the number of grooves in the die can generally vary from about 8 to 12.
The grooves 39 and 40 are provided with smooth curved surfaces, as best seen in FIG. In the same way, the webs 41 and 42 of the grooves 39 and 40 have smooth, curved surfaces. The depth of the grooves decreases towards the mouthpiece of the extruder in the same way as the grooves of the device shown in FIG.
The same relationships prevail between the individual elements of the device shown in FIGS. 3 and 4 as between the elements shown in FIGS. 1 and 2, insofar as the conicity of the first conical surface 32 of the die, the cross-sectional area of the annular space between the second conical inner surface 33 relates to the shape and the conical outer surface 36 of the mandrel, the depth of the grooves 39 and 40, the total cross-sectional area of the grooves and the length of the mouthpiece.
For example, the grooves 39 and 40 have a depth approximately 2 to 5 times the distance between the concentric circles C and D in FIG. 4 at any point along the conical portions of the die and mandrel and the total cross-sectional area of the Grooves 39 and also grooves 40 are approximately 1/3 at each point along the axis. up to about 2/3 of the cross-sectional area of the annular space which lies between the concentric circles C and D at the same point.
In FIG. 5, another form of a device according to the invention is shown, which, however, operates in the same way as the devices according to the figures described above. The device for extrusion of thin-walled tubes made of tetrafluoroethylene resin with a relatively large diameter, which is shown in Fig. 5, has a hollow jacket 50 and, as a continuation of the same, a die part 51. The die 51 has a substantially cylindrical inner surface 52, the end part of which is a cylindrical one Has nozzle 53. In the middle within the shell and the die and at a distance from them, a mandrel 54 is arranged, which has a first conical outer surface 55 with a circular cross-section and a second, essentially conical outer surface 56 which merges into the wider end of the first conical surface .
The second conical surface 56 ends at its further end in an outer, cylindrical surface 57, which is arranged inside the cylindrical nozzle 53 at a distance therefrom, so that an annular opening is created in the nozzle.
The inner cylindrical surface of the die 51 is provided with helical grooves 58 and the second conical outer surface of the mandrel has grooves 59. The grooves 58 and 59 are arranged to be adjacent to each other, and the direction of rotation of the grooves 58 is opposite to that of the grooves 59. The grooves 58 and 59 and the lands between these grooves are also provided with smooth curved or rounded surfaces, and the depth of the grooves decreases towards the die of the extruder.
In the annular space between the mandrel 54 and the jacket 50 there is an annular plunger 60 which can be moved up and down by means of suitable devices, as was described in connection with FIG. 1.
As in the device according to FIGS. 3 and 4, the elements of a device shown in FIG. 5 are in the same relationship to one another as the elements of the device shown in FIG. Therefore, the cone of the first conical surface 55 of the mandrel 54, which works in a similar manner to the conical die surface 12 in FIG. 1, must be designed so that the cross-sectional area of the annular space between the die and the mandrel extends at least by 90 degrees along the conical surface decreased to cause the formation of resin fibers from resin particles. An inclination of about 50 to 750 from the axis is generally sufficient for this purpose if the adjacent die surface is not conical.
The grooves 58 and 59 should have the same depth and total cross-sectional area as the grooves 19 and 20 of the device shown in FIG. Also, the reduction in cross-sectional area of the space between the grooved parts of the die and mandrel should be from about 50 to about 95%, and preferably from about 60 to 80%, along the grooved parts.
When extruding thin-walled polytetrafluoroethylene tubing according to the method and with an apparatus according to this invention, a charge is prepared by adding finely divided resin particles and a liquid extrusion aid such as e.g. B. colorless paraffin oil, and naphtha, are mixed well. The amount of extrusion aid used depends largely on the ratio of the cross-sectional area of the preform that is introduced into the extruder to the cross-sectional area of the extruded product. In general, from about 15 to about 25 percent lubricant based on the weight of lubricant and resin can be used in the manufacture of high quality tubing.
An annular preform is then made from this mixture by compacting the mixture in a preform cylinder with a core rod in the center. The dimensions of the compression cylinder should be such that the radial clearance between the preform and the walls of the jacket of the device according to the invention, as shown in the drawing, is approximately 0.51 to 0.76 mm.
A weighed amount of the composition to be extruded is carefully poured into the preform cylinder to ensure that the powder is evenly distributed around the core rod. After a plug is inserted into the preform cylinder, pressure is applied to densify the preform. A pressure of about 7 to 21 atm should develop for a few minutes and then slowly decrease. The resulting preform is a dense clay-like product.
The extrusion process according to the invention using an apparatus shown in the drawing is not carried out continuously. The device is stopped each time a preform is extruded and the ram is withdrawn so that a new preform can be inserted into the extrusion cylinder.
The pressure required for extrusion varies widely according to the ratio of the cross-section of the preform to the cross-section of the tubular product. For example, if this ratio is 250: 1, a pressure of about 350 atm is generally required on the face of the ram.
During extrusion in an apparatus as shown in Fig. 1, when the extrusion mixture is pressed by means of the ram through the annulus delimited by the conical, circular surface 12 of the die and the mandrel 15, the cross-sectional area of the parison is reduced by 90% or more, and the resin particles are formed into resin fibers extending in the general extrusion direction.
The fibrous preform is then pressed with a significantly reduced cross-section through the annular space which is delimited by the second conical surface 13 of the die and the conical surface 16 of the mandrel. During the passage of the preform through this space, the cross-sectional area is further reduced by about 50 to about 95%, and preferably by about 60 to 80%. In addition, the fibers which form the outer surface layers and the inner layers of the annular preform follow the flow path of least resistance, which is given by the grooves 19 in the die and the grooves 20 in the mandrel. In this way, the resin fibers that will later form the outer layer of the extruded pipe are twisted to the right and those that form the inner layer of the pipe are twisted to the left.
This displacement of the fibers that form the inner and outer layers of the tube is preferably at least about 3600 so that they form an angle with one another which should be at least about 150 and preferably from about 30 to about 600. The extruded product is then made from the extruder
A composition containing about 82% finely divided particles of polytetrafluoroethylene and 18% naphtha was molded into a preform and extruded in the form of a thin-walled tube in an apparatus as shown in FIG. After removing the naphtha and after sintering, a 0.91 m long tube with an outer diameter of 10.32 mm and a wall thickness of 1.092 mm was obtained. This pipe was divided into three 0.3 m long pieces and each was used as the lining of a braided hose reinforced with wires, the outer diameter of which was 14.29 mm. The hoses have been tested. The result was the following:
1. Filled with red-colored JP-4 turbojet fuel, pressurized to 105 atm for 2 hours at room temperature.
2. Pressurized with a charge of high temperature hydraulic silicate ester fluid (Monsanto Chemical Co. OS-45-1) at 105 atm and 2040 C for 22 hours.
3. Experiment 1 was repeated.
4. Experiment 2 was repeated.
5. The hose was soaked at -53.90 ° C for 5 hours by filling it with red colored JP-4 turbojet fuel at atmospheric pressure. The pressure was increased to 105 atm and the hose was kept at a temperature of -53.90 C for 17 hours.
The series of tests listed above forms a single cycle that is repeated until breakage. Leakage during an attempt at a cycle, that is, when red colored liquid appears on the outside of the hose or when the pressure in a closed system drops, indicates the break.
A hose manufactured as described above showed no breakage after 8 cycles in this test.
By way of comparison, three tubes were made by means of ordinary dies and mandrels that had smooth surfaces. The hoses produced in the usual way were broken in the first attempt of the first cycle, in the fourth attempt of the first cycle or in the fifth attempt of the first cycle.