DE10159895A1

DE10159895A1 - Kunststoffschlauch, insbesondere Pneumatikschlauch

Info

Publication number: DE10159895A1
Application number: DE2001159895
Authority: DE
Inventors: Herbert Wittig; Steffen Buck; Hans-Walter Brenner
Original assignee: DR REUTER MICROCELL PU GmbH; Reuter Microcell Pu Dr GmbH; Festo SE and Co KG
Current assignee: Dr Reuter Microcell Pu 49090 Osnabrueck De GmbH; Festo SE and Co KG
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2021-12-07
Also published as: DE10159895C2

Abstract

Es wird ein Kunststoffschlauch, insbesondere ein Pneumatikschlauch (10), mit wenigstens einer im oder am Schlauchmaterial angeordneten, sich in der Schlauch-Längsrichtung erstreckenden elektrischen Leitung vorgeschlagen. Diese wenigstens eine elektrische Leitung ist als aus Kunststoffmaterial bestehender Teilbereich (11-13) der Schlauchwandung (14) ausgebildet, wobei dieses Kunststoffmaterial die elektrische Leitfähigkeit gewährleistende Partikel enthält, vorzugsweise Kohlenstoff-nanotubes.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kunststoffschlauch, insbesondere einen Pneumatikschlauch, mit wenigstens einer im oder am Schlauchmaterial angeordneten, sich in der Schlauch-Längsrichtung erstreckenden elektrischen Leitung.
Insbesondere pneumatische Einrichtungen und Geräte benötigen neben pneumatischen Schlauchanschlüssen auch elektrische Anschlüsse zur Übertragung von elektrischen Steuersignalen, Sensorsignalen und Versorgungsspannungen. Dies kann im Einzelfall dazu führen, dass eine Vielzahl von Leitungen, Schläuchen und Kabeln die Installation, Wartung und Reparatur derartiger Einrichtungen aufwendig, unübersichtlich und teuer machen. Entsprechende Probleme treten auch bei hydraulischen Einrichtungen und Geräten und sonstigen Einrichtungen auf, bei denen sowohl Fluide als auch elektrische Signale übertragen werden müssen.

Zur Lösung dieses Problems ist es bereits beispielsweise aus der DE 198 27 883 A1 bekannt, in der Wandung eines Pneumatikschlauchs metallische Leiter zu integrieren. Um die Flexibilität zu erhalten, müssen diese Leiter einen sehr geringen Querschnitt aufweisen, was wiederum die Kontaktierung relativ kompliziert und aufwendig macht. Um diese überhaupt zu ermöglichen, muss die Außenkontur des Pneumatikschlauchs asymmetrisch ausgestaltet werden, um bei der Kontaktierung die erforderliche Winkelpositionierung vorzugeben. Eine bessere Flexibilität könnte zwar dadurch erreicht werden, dass die metallischen Leiter weniger oder gar keine Haftung zur Schlauchwand aufweisen. Dies hat aber zur Folge, dass im Falle einer dynamischen Belastung unter Umständen mit Verschiebungen der Adern zu rechnen ist und es dadurch zu Fehlern bei der Kontaktierung zwischen metallischem Leiter und den Abgreifelementen kommen kann.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Kunststoffschlauch zur Übertragung von fluidischen Medien mit in der Wandung integrierten elektrischen Leitern zu schaffen, der bei einfacher und kostengünstiger Herstellung eine einfachere Kontaktierung bei verbesserter Flexibilität ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die wenigstens eine elektrische Leitung als aus Kunststoffmaterial bestehender Teilbereich der Schlauchwandung ausgebildet ist, wobei dieses Kunststoffmaterial die elektrische Leitfähigkeit gewährleistende Partikel enthält.

Das mit den leitfähigen Partikeln versetzte Kunststoffmaterial kann beim Extrudieren des Kunststoffschlauchs je nach Zahl der gewünschten Leitungen strangförmig eingebracht werden, so dass insgesamt ein geometrisch homogener Kunststoffschlauch entsteht, der einen oder mehrere streifenförmige leitfähige Wandbereiche aufweist, die als elektrische Leitungen dienen können. Da diese leitfähigen Bereiche im Vergleich zu herkömmlichen Kupferleitungen eine wesentliche größere geometrische Ausdehnung besitzen, ist eine leichte Kontaktierung möglich, beispielsweise durch radiales oder schräges Einstechen von Kontaktspitzen am Außenumfang. Diese Kontaktierung kann an beliebiger Position des Schlauches erfolgen, z. B. auch durch Schellen oder dergleichen. Durch das im Wesentlichen homogene Kunststoffmaterial der Schlauchwandung ist ein Reißen oder Brechen einer einzelnen solchen Leitung praktisch ausgeschlossen. Der Kunststoffschlauch kann auch symmetrisch, insbesondere mit ringförmigem Querschnitt, ausgebildet werden, was für viele Anwendungen von Vorteil ist. Die Gefahr von Verschmutzungen und mechanischem Verhaken ist wesentlich geringer beziehungsweise praktisch nicht mehr gegeben.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Kunststoffschlauchs möglich.

Die die Leitfähigkeit gewährleistenden Partikel sind zweckmäßigerweise Metall- oder Kohlenstoffpartikel, insbesondere staub- oder faserartige Partikel. Als besonders vorteilhaft haben sich nanotube-Partikel erwiesen. Diese sind wesentlich kleiner als herkömmliche Kohlenstaubpartikel, da ihre Dimensionen im Nanometer-Bereich liegen. Sie gewährleisten dennoch eine hervorragende Leitfähigkeit bei insgesamt deutlich geringerem Kohlenstoffanteil in den leitfähigen Kunststoffbereichen. Hierdurch wird nicht nur die Elastizität des Kunststoffmaterials und damit die Biegefähigkeit des Kunststoffschlauchs insgesamt erhalten, vielmehr haben sich noch positive mechanische Effekte gezeigt, beispielsweise ein gegenüber reinem Kunststoffmaterial verbessertes Berstverhalten. Darüber hinaus ist der Einfluss auf die Eigenschaften des Basis-Kunststoffmaterials beziehungsweise Basis-Polymers deutlich geringer im Vergleich zu herkömmlichen Kohlestoffpartikeln, insbesondere was die Schlagzähigkeit, Schwindung und das Schleißverhalten anbetrifft. Bei sehr guten Oberflächenqualitäten wurde ein geringerer Abrieb von leitfähigen Partikeln beobachtet, ebenfalls wiederum im Vergleich zu herkömmlichen Kohlestoffpartikeln, so dass derartige Kunststoffschläuche auch für Reinraum- bzw. empfindliche Elektronikanwendungen geeignet sind.

Ebenfalls gut geeignete Partikel zur Erzeugung der Leitfähigkeit sind Metallfasern oder Metallgespinste, insbesondere aus Edelstahl oder Silber bestehend.

Als Basis-Kunststoffmaterial eignen sich alle üblichen Kunststoffmaterialien für Schläuche, beispielsweise Polyurethan, Polyamid, Polyethylen, Polypropylen, PTFE oder PVC. Bevorzugt stimmt dabei das Kunststoffmaterial der leitfähigen Bereiche des Kunststoffschlauchs mit dem der nicht leitfähigen Bereiche überein oder wenigstens nahezu überein, um ein möglichst homogenes Wandmaterial zu erreichen.

Mehrere Leitungen werden durch mehrere leitfähige Teilbereiche der Schlauchwandung gebildet, die voneinander durch nicht leitfähige Bereiche getrennt sind. Auf diese Weise lässt sich eine Vielzahl von untereinander elektrisch isolierten elektrischen Leitungen erzeugen.

Zum Schutz der Außenfläche des Kunststoffschlauchs gegen Abrieb, Kurzschlüsse zwischen den leitfähigen Bereichen und unerwünschte Kontaktierung mit metallischen Teilen, Masseleitern oder spannungsführenden Elementen ist der Kunststoffschlauch zweckmäßigerweise von einer schlauchförmigen Schutzhülle aus nicht leitfähigem Kunststoff umgeben.

Eine isolierende Schutzhülle kann auch durch Auftrag von Lacken oder Dickschichtcoatings in hochverschleißfester und elastischer Ausführung erreicht werden, was gleichzeitig zur Dekoration und farbigen Gestaltung der Oberfläche dienen kann. Sinnvoll kann hier ein 2 K-Reaktivsystem eingesetzt werden.

Zur Erleichterung der Kontaktierung können die verschiedenen Leitungen unterschiedlich eingefärbt oder farbig markiert sein, bei Vorhandensein einer Schutzhülle können sich dabei die Markierungen auf dieser befinden.

Die wenigstens eine Leitung ist in vorteilhafter Weise als bei der Extrusion des Schlauchs gebildeter Strang ausgestaltet, wodurch die Herstellung sehr einfach und kostengünstig wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Kunststoffschlauchs mit drei durch leitfähige Bereiche gebildeten Leitungen.
Der im einzigen Ausführungsbeispiel im Querschnitt dargestellte Kunststoffschlauch 10 kann beispielsweise als Pneumatikschlauch, Hydraulikschlauch oder zur Übertragung eines sonstigen flüssigen oder gasförmigen Mediums eingesetzt werden. Zusätzlich können über diesen Kunststoffschlauch elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale, Steuersignale oder Versorgungsspannungen, über drei als elektrische Leiter dienende leitfähige Bereiche 11-13 übertragen werden.
Das Kunststoffmaterial der Schlauchwandung 14 ist ein für derartige Schläuche übliches Kunststoffmaterial, beispielsweise Polyurethan, Polyamid, Polyethylen, Polypropylen, PTFE oder PVC. Die leitfähigen Bereiche 11-13 sind im Wandmaterial integriert und bestehen ebenfalls aus einem Kunststoffmaterial, das mit leitfähigen Partikeln versetzt ist. Bei diesem Kunststoffmaterial kann es sich um dasselbe Kunststoffmaterial wie das der Schlauchwandung 14 handeln. Es kann sich jedoch auch von diesem unterscheiden und muss dann lediglich für einen derartigen Verbund geeignet sein. Beim Extrudieren des Kunststoffschlauchs 10 kann das leitfähige Kunststoffmaterial mit eingebracht werden, so dass sich die strangförmigen leitfähigen Bereiche 11-13 bilden. Ihre Gestalt ist prinzipiell beliebig und hängt nicht zuletzt von der Art der Zuführung, der Menge und der Art des zugeführten Materials ab. Auch ist die Zahl der leitfähigen Bereiche 11-13 prinzipiell beliebig und hängt davon ab, wie viele elektrische Leiter zur Übertragung von elektrischen Signalen oder Spannungen erforderlich sind. Wesentlich dabei ist es, dass sich die leitfähigen Bereiche 11-13 nicht berühren, sondern dass nicht leitfähiges Kunststoffmaterial der Schlauchwandung 14 jeweils dazwischen angeordnet ist.
Beim Ausführungsbeispiel wird das leitfähige Material bei der Herstellung von außen her zugeführt, so dass sich die leitfähigen Bereiche 11-13 über Teilbereiche der Umfangsfläche erstrecken, nicht dagegen Teilbereiche der Innenfläche bilden. Hier sind selbstverständlich Variationen möglich, wobei das leitfähige Kunststoffmaterial auch so eingebracht werden kann, dass es sich weder bis zur Innenfläche noch bis zur Außenfläche erstreckt.
Beim Ausführungsbeispiel, wo sich die leitfähigen Bereiche 11-13 bis zur Außenfläche erstrecken, ist die Schlauchwandung 14 von einer schlauchförmigen Schutzhülle 15 aus nicht leitfähigem Kunststoffmaterial umgeben. Diese kann beim Extrudieren oder nachträglich aufgebracht werden.
Zur Erleichterung der Kontaktierung der als Leiter dienenden leitfähigen Bereiche 11-13 können diese gegenüber dem Material der Schlauchwandung 14 eine andere Farbgebung aufweisen, wobei sie auch untereinander unterscheidbar ausgestaltet werden können. Hierzu wird entweder das leitfähige Kunststoffmaterial unterschiedlich eingefärbt oder es werden an den entsprechenden Umfangsbereichen Farbmarkierungen angebracht, die bei nicht durchsichtiger Schutzhülle 15 auch auf dieser angebracht sein können.
Um dem Kunststoffmaterial für die leitfähigen Bereiche 11-13 die notwendige elektrische Leitfähigkeit zu geben, kann in an sich bekannter Weise Kohlenstoff- bzw. Graphitpulver oder Kohlenstofffasern beigemischt werden. Die Menge des zugemischten Materials hängt dabei von der erforderlichen beziehungsweise gewünschten Leitfähigkeit und den notwendigen elastischen Eigenschaften ab, die sich bei einem zu großen Anteil von Kohlenstoffpartikeln verschlechtern.
Diese Probleme können weitgehend durch die Verwendung von nanotube-Partikeln als leitfähige Partikel vermieden werden. nanotube-Partikel sind seit 1991 bekannt und bilden die Grundlage für die heutige nano-Technologie. Bei den am häufigsten eingesetzten Kohlenstoff-nanotubes handelt es sich um ein- oder mehrwandige Röhrchen mit einem Durchmesser von 1 nm bis 2 nm, die prinzipiell aus einer oder mehreren aufgerollten Graphitschichten bestehen. Mehrschichtige nanotubes können Außendurchmesser auch bis zu 10-50 nm aufweisen. Sie können als riesige Molekulardrähte betrachtet werden, in welchen Elektronen wie in einem Metall frei beweglich sind. Bei gleichmäßiger Verteilung im Kunststoffmaterial erzeugen sie insgesamt eine elektrische Leitfähigkeit, die wesentlich höher im Vergleich zu herkömmlichen Kohlenstoffpartikeln ist, beziehungsweise für die gleiche Leitfähigkeit benötigt man einen wesentlich geringeren Anteil an aus nanotubes bestehendem Kohlenstoffmaterial. Dabei tritt nicht nur keine Verschlechterung der elastischen Eigenschaften auf, sondern einige mechanische Eigenschaften des Kunststoffmaterials werden noch verbessert. Die Herstellung, die Eigenschaften und die Anwendungen von nanotubes sind beispielsweise in der Veröffentlichung "Nationales Forschungsprogramm Nanowissenschaften - Abschließende Zusammenfassung", 1996-2000, NFP 36 (Internet www.snf.ch/nfp/nfp36/progress/inhaltsv.html) ausführlich beschrieben.
Alternativ können dem Kunststoffmaterial für die leitfähigen Bereiche 11-13 auch Metallfasern oder Metallgespinste, beispielsweise aus Edelstahl oder Silber, als leitfähige Partikel zugefügt werden, die ebenfalls die Beibehaltung der Elastizität der leitfähigen Bereiche 11-13 gewährleisten.
Neben der Übertragung von elektrischen Signalen oder Versorgungsspannungen können die leitfähigen Bereiche auch zur Kabelabschirmung oder zur Kabelheizung dienen. Die sich in der Schlauch-Längsrichtung erstreckende Leitung oder Leitungen können auch wendelförmig verlaufen.
Derartige Kunststoffschläuche können sowohl als unverstärkte, wie auch als gewebeverstärkte Schläuche ausgebildet sein. Die Gewebeverstärkung kann dabei ebenfalls aus leitendem Kunststoff gefertigt werden.

Claims

1. Kunststoffschlauch, insbesondere Pneumatikschlauch, mit wenigstens einer im oder am Schlauchmaterial angeordneten, sich in der Schlauch-Längsrichtung erstreckenden elektrischen Leitung, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Leitung als aus Kunststoffmaterial bestehender Teilbereich (11-13) der Schlauchwandung (14) ausgebildet ist, wobei dieses Kunststoffmaterial die elektrische Leitfähigkeit gewährleistende Partikel enthält.

2. Kunststoffschlauch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel Metall- oder Kohlenstoffpartikel sind, insbesondere staub- oder faserartige Partikel.

3. Kunststoffschlauch nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel nanotube-Partikel sind.

4. Kunststoffschlauch nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel Metallfasern oder Metallgespinste sind, insbesondere aus Edelstahl oder Silber bestehend.

5. Kunststoffschlauch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial seiner leitfähigen und/oder nicht leitfähigen Bereiche Polyurethan, Polyamid, Polyethylen, Polypropylen, PTFE oder PVC ist.

6. Kunststoffschlauch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial seiner leitfähigen Bereiche (11-13) mit dem der nicht leitfähigen Bereiche übereinstimmt oder wenigstens nahezu übereinstimmt.

7. Kunststoffschlauch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Leitungen durch mehrere leitfähige Teilbereiche (11-13) der Schlauchwandung (14) gebildet sind, die voneinander durch nicht leitfähige Bereiche getrennt sind.

8. Kunststoffschlauch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er von einer schlauchförmigen Schutzhülle (15) aus nicht leitfähigem Kunststoff umgeben ist.

9. Kunststoffschlauch nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Leitungen oder darüber liegende Bereiche der Schutzhülle (15) unterschiedlich eingefärbt oder farbig markiert sind.

10. Kunststoffschlauch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Leitung als bei der Extrusion des Kunststoffschlauchs (10) gebildeter Strang ausgestaltet ist.