DE102005036122A1

DE102005036122A1 - Gesintertes, expandiertes PTFE-Material und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102005036122A1
Application number: DE200510036122
Authority: DE
Inventors: Detlef Reichl
Original assignee: KWO DICHTUNGSTECHNIK GmbH; KWO DICHTUNGSTECHNIK-GMBH
Current assignee: KWO DICHTUNGSTECHNIK GmbH; KWO DICHTUNGSTECHNIK-GMBH
Priority date: 2005-08-01
Filing date: 2005-08-01
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-08-02
Also published as: DE102005036122B4

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten, expandierten PTFE-Materials mit den Schritten:
a) Extrudieren eines PTFE-Rohmaterials;
b) Expandieren des extrudierten Materials, um eine im Wesentlichen monodirektionale Ausrichtung der Fasern im Material zu erreichen, wobei ein Reckverhältnis von Zuführ- zu Abzugsgeschwindigkeit von 1 : > 1 bis 1 : 10 angewandt wird, wodurch die Dichte des Materials erniedrigt wird;
c) thermisches Rückverdichten des expandierten Materials; wobei ein Verhältnis von Zuführ- und Abzugsgeschwindigkeit von > 1 : 1 bis 10 : 1 angewandt wird, wodurch die Dichte des Materials erhöht wird;
d) Sintern des gereckten Materials.
Die Erfindung beschreibt weiterhin ein nach diesem Verfahren erhältliches, gesintertes und expandiertes PTFE-Material sowie dessen Verwendung als Dichtungsmaterial.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein gesintertes, expandiertes PTFE-Material sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung. Das Material kann insbesondere als Dichtungsmaterial verwendet werden.

Bisher wurden ungesinterte Polytetrafluorethylen(PTFE)-Materialen als Dichtungsmaterialien verwendet. So beschreibt z. B. die US-Patentschrift 3,664,915 einen geformten Gegenstand aus ungesintertem PTFE, der monodirektional expandiert wurde und eine faserförmige Struktur besitzt.

Auch gesinterte PTFE-Materialien sind bereits bekannt. Diese besitzen jedoch zumeist eine geringe Dichte bzw. eine hohe Porosität. So beschreibt z. B. die europäische Patentschrift EP 0 590 002 ein Verfahren zur Herstellung von hochporösen PTFE-Bändern. Die europäische Patentschrift EP 0 815 162 offenbart ein Material, das im Wesentlichen nur aus Mikrofibrillen besteht. Eine Knötchenstruktur liegt nicht vor.

Alle bisher genannten Materialien, die eine für Dichtungen geeignete Dicke und Dichte haben, besitzen jedoch senkrecht zur Expansionsrichtung einen starken Kaltfluß, der nachteilig für die Verwendung als Dichtungsmaterial ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Material bereitzustellen, das vorteilhafte Eigenschaften als Dichtungsmaterial besitzt. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Material sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, das senkrecht zur Faserrichtung eine erhöhte Festigkeit besitzt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1, sowie das Material gemäß Anspruch 9.

Die vorteilhaften Eigenschaften des gesinterten, expandierten PTFE-Materials werden erreicht, indem ein nach herkömmlichen Verfahren extrudiertes und expandiertes PTFE-Material in einem weiteren Verarbeitungsschritt thermisch rückgeschrumpft wird, wobei ein Verhältnis von Zuführ- zu Abzugsgeschwindigkeit von > 1:1 bis 10:1 angewandt wird. Dadurch wird die Dichte des Materials erhöht und es werden verdickte Bereiche senkrecht zur Faserstruktur ausgebildet. Durch das anschließende Sintern des gereckten Materials wird diese Faserstruktur fixiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines gesinterten, expandierten PTFE-Materials umfasst folgende Schritte:

a) Extrudieren eines PTFE-Rohmaterials;
b) Expandieren des extrudierten Materials, um eine im Wesentlichen monodirektionale Ausrichtung der Fasern im Material zu erreichen, wobei ein Reckverhältnis von Zuführ- zu Abzugsgeschwindigkeit von 1:>1 bis 1:10 angewandt wird, wodurch die Dichte des Materials erniedrigt wird;
c) Thermisches Rückverdichten des expandierten Materials; wobei ein Verhältnis von Zuführ- zu Abzugsgeschwindigkeit von >1:1 bis 10:1 angewandt wird, wodurch die Dichte des Materials erhöht wird;
d) Sintern des gereckten Materials.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

PTFE-Pulver enthält knäuelartig aufgewickelte PTFE-Fäden. Diese Knäuel werden durch Extrudieren und Recken zu Fasern oder Fibrillen. Durch eine mangelnde Quervernetzung der Fasern unterliegen die derart hergestellten Materialen einer starken Kriechneigung senkrecht zur Faserausrichtung. Solche Materialen sind nachteilig für z.B. Dichtungen, da sie beim Einbau durch z. B. Anziehen der Schrauben starken Kräften unterliegen. Durch das im Folgenden beschriebene erfindungsgemäße Verfahren wird ein Material mit einer dreidimensionalen Matrixstruktur bereitgestellt, das diese Nachteile nicht zeigt.

Die Erfindung wird auch an Hand der beiliegenden Figuren beschrieben, die folgendes zeigen:
1 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines expandierten PTFE-Materials nach dem Stand der Technik in 10000-facher Vergrößerung;
2 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines expandierten, gesinterten PTFE-Materials gemäß der Erfindung in 10000-facher Vergrößerung;
3 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Schnitts längs zur Expansionsrichtung durch ein expandiertes, gesintertes PTFE-Materials gemäß der Erfindung mit niedriger Dichte in 500-facher Vergrößerung;
4 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Schnitts längs zur Expansionsrichtung durch ein expandiertes, gesintertes PTFE-Materials gemäß der Erfindung mit hoher Dichte in 500-facher Vergrößerung;
5 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Schnitts quer zur Expansionsrichtung durch ein expandiertes, gesintertes PTFE-Materials gemäß der Erfindung in 1000-facher Vergrößerung;
6 Vergleich von effektiven Einbaudicken herkömmlichen Materials und Materials gemäß der Erfindung;
7 Vergleich der Breitenänderung herkömmlichen Materials und Materials gemäß der Erfindung;
8 Breitenfluss eines expandierten PTFE-Materials nach dem Stand;
9 Breitenfluss eines expandierten, gesinterten PTFE-Materials gemäß der Erfindung;
10 Materialquerschnitte bei der Herstellung von PTFE-Material gemäß der Erfindung mit unterschiedlichen Dichtebereichen.
1 zeigt einen Ausschnitt aus einem expandierten PTFE-Material nach dem Stand der Technik. Deutlich ist die Faser-Knötchen-Struktur erkennbar. Aus den Knäueln, die aufgewickelte PTFE-Polymerfasern enthalten, werden bei der Verarbeitung die Fasern in Verarbeitungsrichtung gezogen. Die von links nach rechts in Verarbeitungsrichtung verlaufenden Fasern enden jeweils in einem Knäuel bzw. Knötchen und verleihen der Struktur eine gute Zugfestigkeit in Längsrichtung (Verarbeitungsrichtung). Die verbleibenden Knötchen beinhalten weiterhin Anhäufungen von Fasern. Diese sind in der 10000-fachen Vergrößerung innerhalb der Knötchen zu erkennen. Die Knötchen mit ihrem knäuelartigen Inhalt können weiterhin gedehnt werden. Diese aufgewickelten Faserenden ermöglichen somit eine Dehnung des Materials senkrecht zur Verarbeitungsrichtung. Das Material kann unter Einwirkung einer Presskraft vermehrt in Querrichtung fließen.
Im Gegensatz dazu zeigt 2 ein expandiertes, gesintertes PTFE-Material gemäß der Erfindung. Hier liegt im Endprodukt eine Faser-Brücken-Struktur im Gegensatz zur Faser-Knötchen-Struktur beim herkömmlichen Material vor. Bei der erfindungsgemäßen Verarbeitung des Materials wird dieses thermisch derart weiterbehandelt, dass quer zur gesinterten Faserstruktur Brücken aus gesintertem PTFE-Material entstehen. Diese Brücken enthalten keine Fasern oder knäuelartigen Faserstrukturen mehr, wie aus 2 ersichtlich ist.
Die Fasern in Längsrichtung verleihen dem Material eine große Zugfestigkeit in der Verarbeitungsrichtung. In Querrichtung erfolgt eine Stabilisierung der Struktur über die nun vorhandenen gesinterten Brücken. Diese enthalten keine Faserknäuel mehr, wodurch das Material bei Einwirkung einer Presskraft in Querrichtung nicht mehr so stark fließen kann.
Die Struktur aus über Fasern verbundenen Brücken wird aus den 3 und 4 deutlich. Dabei zeigt 3 eine 500-fache Vergrößerung eines expandierten, gesinterten PTFE-Materials gemäß der Erfindung mit einer niedrigen Dichte von 0,5 g/cm³. Die senkrecht zur Verarbeitungsrichtung verlaufenden Brücken sind in 3 als dunkle Bereiche mit einem Verlauf von oben nach unten ersichtlich. Diese Brücken werden über feine Fasern (helle Bereiche) verbunden, wodurch eine erhöhte Zugfestigkeit in Längsrichtung erreicht wird.
4 zeigt ebenfalls in 500-facher Vergrößerung ein expandiertes, gesintertes PTFE-Material gemäß der Erfindung mit einer höheren Dichte von 1,5 g/cm³. Hier liegen die Brücken im Gegensatz zum Material niederer Dichte enger beieinander und sind in sich ausgedehnter. Die verbindenden Fasern sind somit kürzer. Die ausgedehnten Bereiche von gesinterten Brücken verleihen dem Material eine erhöhte Dichte. Dieses Material weist eine geringere Kompressibilität im Vergleich zu Material niedrigerer Dichte auf. Über die Dichte ist somit die Kompressibilität des Materials steuerbar.
Eine 1000-fache Vergrößerung eines Querschnittes des expandierten, gesinterten Materials gemäß der Erfindung ist in 5 gezeigt. Verschlingungen der rückgeschrumpften Fasern sind in den hellen Bereichen deutlich zu erkennen. Diese Bereiche aus Fasern sind wiederum durch gesinterte Brücken, die in den dunklen Bereichen erkennbar sind, verbunden. Eine derart ausgebildete mehrdimensionale, gesinterte Struktur verbessert die Eigenschaften bei Verwendung des Materials als Dichtungsmaterial erheblich.
Beschreibung des Schrittes a)
Kommerziell erhältliches PTFE-Feinpulver mit einer Rohdichte im Bereich von 2,1 bis 2,2 g/cm³ wird mit z. B. C₁₁-C₁₃ Paraffinöl als Extrudierhilfe bzw. Gleitmittel durchmischt. Alternativ zum Paraffinöl können auch andere Extrudier- bzw. Gleitmittel wie Naphthaverbindungen eingesetzt werden. Diese Erstverarbeitung erfolgt üblicherweise bei Temperaturen um 10°C, bevorzugt unter 19°C. Nach einer Durchdringungsphase und Erwärmung des PTFE auf etwa 30°C, bevorzugt über einen Zeitraum von mehreren Stunden bis zu etwa einem Tag, wird dieses zu einem Strang extrudiert. Das Material erhält bei der Extrusion über das Mundstück bevorzugt bereits seine in etwa endgültige Form. Hierdurch erfährt das Material eine erste Orientierung. Die knäuelartig vorliegenden PTFE-Fasern werden durch die Extrusion in die Länge gezogen, so daß eine im wesentlichen monodirektionale Ausrichtung erreicht wird, ohne daß sie im wesentlichen zerrissen werden.
Das weiterhin mit dem Gleitmittel durchfeuchtete Material wird bei einer erhöhten Temperatur ausgetrocknet. Die Temperatur wird so gewählt, daß im wesentlichen keine thermische Schädigung des Gleitmittels, beispielsweise des oben beschriebenen Paraffinöls, erfolgt. Bevorzugt erfolgt das Trocknen bei etwa 110 bis 120°C, wobei das Öl durch Verdampfung entfernt wird. Bevorzugt schließt sich hieran ein Abkühlen des Materials auf Raumtemperatur an. In diesem ersten Schritt entsteht ein poröses, vororientiertes PTFE-Material mit einer höheren Porosität als vor der Extrusion. Die Dichte des Materials liegt bei etwa 1,8 g/cm³, was im wesentlichen auf die Austrocknung des Öls zurückzuführen ist.
Beschreibung des Schrittes b)
Bei einem anschließenden ersten Expansionsschritt durchläuft das PTFE-Material ein Temperaturprofil. Dabei wird das PTFE-Material auf eine Temperatur unterhalb der Sintertemperatur bzw. Kristallitschmelztemperatur des Materials erhitzt und gleichzeitig expandiert. Die gewählte Temperatur liegt im Bereich von etwa 100 bis 327°C. Die Expansionsverhältnisse liegen im Bereich von 1:>1 bis 1:10, bevorzugt im Bereich von 1:5 bis 1:7, d.h. die Abzugsgeschwindigkeit ist größer als die Zuführgeschwindigkeit des PTFE-Stranges. Das Material wird erst nach Erreichen einer erhöhten Temperatur gereckt.
Beispielsweise liegt das im Schritt a) erhaltene PTFE-Material als aufgespultes Band vor. Dieses Band wird in einem thermomechanischen Prozess über eine bestimmte Wegstrecke in eine Heizstrecke eingeführt und durchläuft in dieser Heizstrecke ein Temperaturprofil. In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Heizstrecke in einem Rohr fünf verschiedene Temperaturbereiche auf, die durch Heizelemente gesteuert werden. Über die Einlauf- bzw. Auslaufgeschwindigkeit einerseits und die Verweildauer in den einzelnen Temperaturabschnitten sowie die Temperaturhöhe andererseits wird der Expansionsschritt so gesteuert, daß das Material zwar nicht sintert, aber expandiert. Es ist dabei auch möglich, daß das Material kurzzeitig Temperaturen oberhalb der Sintertemperatur ausgesetzt wird, ohne daß eine Sinterung einsetzt. Die Kontrolle, ob das Material diesen Anforderungen genügt, erfolgt durch an sich bekannte Methoden, beispielsweise durch DSC.
So wird im ersten Temperaturabschnitt bevorzugt eine moderate Erwärmung des extrudierten PTFE-Materials aus dem Schritt a) bewirkt. Hierbei soll kein allzu großer Temperaturgradient im Material entstehen, d.h. das Material soll möglichst gleichmäßig über seinen gesamten Querschnitt erwärmt werden. Im zweiten Heizabschnitt erfolgt eine weitere Temperaturerhöhung, um die Expansion des Materials zu ermöglichen.
In etwa ab der Mitte der Wegstrecke erfolgt das Recken. Die Verweildauer in der Heizstrecke ist insbesondere abhängig von der eingebrachten Masse, vom Querschnitt des Materials und von der Länge der Heizstrecke. Beispielsweise kann bei einer Länge von ca. 4 m die Verweildauer ca. 1,6 Min. betragen. Die oben beschriebenen Parameter, insbesondere die Länge der Heizstrecke und die Verweildauer in Abhängigkeit von der Masse des eingebrachten Materials und von dessen Querschnitt können vom Fachmann in an sich bekannter Weise variiert und bestimmt werden. Es ist jedenfalls wichtig, daß die Temperatur so eingestellt wird, daß keine oder zumindest im wesentlichen keine Sinterung erfolgt.
Das Einbringen des aufgespulten PTFE-Materials wird üblicherweise über Rollen erfolgen, die auch zur Regelung der Geschwindigkeit dienen. Am Ende der Heizstrecke wird das nunmehr expandierte PTFE-Material aufgespult, und zwar wie oben beschrieben mit einer größeren Auslaufgeschwindigkeit als der Einlaufgeschwindigkeit.
Mit dieser Vorgehensweise entsteht ein monodirektional orientiertes PTFE-Material aus Fibrillen mit niedriger Dichte. Wichtig ist, dass bei dem ersten Expansionsschritt die Sintertemperatur nicht überschritten wird. Ein gesintertes Material eignet sich nicht für die erfindungsgemäße Weiterverarbeitung.
Beschreibung der Schritte c) und d)
Nach einem Abkühlen des PTFE-Materials aus Schritt b) auf ungefähr Raumtemperatur durchläuft das Material wiederum ein Temperaturprofil, das ähnlich ausgelegt ist wie das Temperaturprofil beim Recken aus dem Verfahrensschritt b). Dabei findet eine Rückorientierung der Fasern statt. Die Fasern werden zu Knäueln bzw. Brücken, die senkrecht zur Faserorientierung verlaufen, aufgeworfen und verschlungen, d.h. es findet nicht nur ein Zurückziehen der Faser in die Knäuel statt, sondern es wird eine neuartige Faserstruktur erhalten. Diese Rückorientierung bzw. Rückschrumpfung wird durch einen Verarbeitungsschritt bei erhöhter Temperatur erreicht, bei dem die Zuführgeschwindigkeit größer als die Abzugsgeschwindigkeit ist. Das Verhältnis von Zuführ- zu Abzugsgeschwindigkeit beträgt zwischen >1:1 bis 10:1. Dabei wird die Dichte des Materials erhöht. Die Temperaturen liegen während des Rückschrumpfens in einem Bereich von etwa 100 bis 300°C, jedenfalls unterhalb der Sintertemperatur, die bei über etwa 327°C liegt.
Wie im Verfahrensschritt b) wird das PTFE-Material für den Schritt c) und den nachfolgenden Schritt d) in einem thermomechanischen Prozess über eine bestimmte Wegstrecke in einen Heizraum eingeführt und durchläuft in diesem Heizraum ein Temperaturprofil. In einer Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Heizstrecke sechs verschiedene Temperaturbereiche auf, die durch Heizelemente gesteuert werden. Wiederum wird über die Einlauf- bzw. Auslaufgeschwindigkeit einerseits und die Verweildauer in den einzelnen Temperaturabschnitten andererseits, sowie über die Höhe der Temperatur in den Heizabschnitten sowohl das Schrumpfen als auch der Sinterschritt gesteuert.
Im ersten Abschnitt der Heizstrecke wird das Material erwärmt und schrumpft während dieser Erwärmung unter Erhöhung seiner Dichte. Direkt anschließend wird die Temperatur des Materials in einem zweiten Heizabschnitt weiter erhöht, um das Material zu sintern. Das Material wird dazu auf eine Temperatur oberhalb der Kristallitschmelztemperatur von 327°C erhitzt. Der bei ungesintertem PTFE bekannte erste, irreversible Kristallitschmelzbereich liegt bei etwa 340 bis 350°C. Die Temperatur darf jedoch nicht die Zersetzungstemperatur des PTFEs erreichen, bzw. es darf die Sinterzeit nicht so lange gewählt werden, daß das Material dabei zersetzt wird. Die Temperatur des Materials kann über die Umgebungstemperatur und die Verweildauer bei der gegebenen Umgebungstemperatur geregelt werden.
Bevorzugt werden beim Rückorientieren und Sintern eine Zuführ- zu Abzugsgeschwindigkeit von 1,1:1 bis 6:1, noch bevorzugter von 1,2:1 bis 5:1, insbesondere bei 1,4:1 bis 3,8;1, eingehalten. Dabei wird die Dichte des Materials auf 0,3 bis 1,8 g/cm³, bevorzugt auf 0,5 bis 1,5 g/cm³, noch bevorzugter auf 0,8 bis 1,2 g/cm³ erhöht. Über die Einlauf- und Auslaufgeschwindigkeit kann die Dichte des Endmaterials gesteuert werden. So ist beispielsweise die Dichte des Fertigmaterials umso größer, je größer die Eilaufgeschwindigkeit ist.
Die Dichte des endgültigen Materials hängt jedoch nicht ausschließlich von dem Rückreckschritt ab, sondern wird ebenfalls durch das Verhältnis von Zuführ- zu Abzugsgeschwindigkeit beim Expandieren, d.h. von der Dichte des Materials nach Schritt b), bestimmt. Somit lässt sich Material einer Dichte mit unterschiedlichen Verhältnissen von Zuführ- zu Abzugsgeschwindigkeit bei den jeweiligen Schritten b) und c) herstellen. Das Verhältnis aus Reck- und Rückschrumpfverhältnis ist daher letztendlich für die endgültige Dichte bestimmend.
Die zuvor ausgebildete Faser-Knötchen-Struktur wird während des Sinterschrittes in eine Faser-Brücken-Struktur ungewandelt. Die Knötchen dienen als Querbrücken, die ungefähr senkrecht zur Faserorientierung, d. h. zur Expansionsrichtung, ausgebildet sind. Diese Querbrücken bestehen ebenso wie die Fasern aus gesintertem Material und verbinden die Fasern.
Nach dem Sintern wird das Material im wesentlichen ohne Druck- oder Zugbelastung abgekühlt. Das Material schrumpft nach dem Abkühlen im Wesentlichen nicht mehr. Dadurch kann es vorteilhaft z. B. mit einem Klebestreifen versehen werden, wodurch die Aufbringung des Materials als Dichtung erleichtert wird.
Obwohl das Material mehrfach in derselben Richtung verarbeitet wurde, werden senkrecht zu dieser Verarbeitungsrichtung Querbrücken erzeugt, die die Festigkeit des Materials senkrecht zur Verarbeitungsrichtung erhöhen. Diese bedingen die verbesserten Eigenschaften des Materials wie z.B. den verminderten Kaltfluss senkrecht zur Expansionsrichtung und eine erhöhte Reißfestigkeit in Querrichtung.
Zu den verbesserten Eigenschaften gehören eine größere Höhe beim Einbau (Einbaudicke) des Materials als Dichtungsmaterial sowie eine geringere Breitenänderung des Materials senkrecht zur Verarbeitungsrichtung. Der Vorteil einer größeren Einbaudicke liegt in der Möglichkeit des verbesserten Ausgleichs von Flanschunebenheiten und -rauheiten. Bei gleichen Einbauverhältnissen kann zudem weniger Masse an PTFE eingebracht werden, wodurch bei vergleichbaren Eigenschaften eine Einsparung an Rohmaterial erzielt wird.
Eine Verbreiterung des Materials beim Einbau führt einerseits zur Abminderung der Flächenpressung (N/mm²) durch die Vergrößerung der gesamten Dichtfläche, andererseits zur gleichzeitigen Verringerung der Dicke des Materials durch dessen Wegfließen. Bei gleicher Linienkraft bedeutet eine geringere Breitenänderung während des Einbaus eine deutliche Verbesserung der Flächenpressung bei Verwendung des neuen erfindungsgemäßen Materials. Die verminderte Verbreiterung führt einerseits zu höheren Flächenpressung, bei gleicher Einbaukraft (durch die Beibehaltung der geringeren Dichtfläche), andererseits zur gleichzeitigen besseren Erhaltung der Dicke des Materials.
Die Auswirkungen auf das Verhalten als Dichtungsmaterial sind anhand der 6 und 7 ersichtlich.
Während der gesamten Verarbeitung werden die Abmessungen des Materials im Wesentlichen nicht verändert, so daß eine Formkonstanz erzielt wird.
Durch die einstellbaren Reckverhältnisse beim Expandieren und beim Rückschrumpfen ist es möglich, die Faserorientierung sowie die Dichte des Materials gezielt zu beeinflussen. Die einzustellenden Reckverhältnisse können vom Fachmann durch übliche Reihenversuche unter Berücksichtigung der in der vorliegenden Beschreibung genannten Kriterien ohne weiteres erfinderisches Zutun ermittelt werden.
Das Sintern des Materials aus dem Schritt c) führt zu einer Faserstruktur, die ähnlich dem ungesinterten Material ist; im Gegensatz zu gesinterten PTFE-Materialien, die nach dem Stand der Technik hergestellt wurden, bleibt aber die Faser-Knötchenstruktur, die im Schritt c) erzielt wurde, im wesentlichen erhalten, obwohl auch die Knötchen gesintert werden. Hierdurch gewinnt das Material an Festigkeit, weist eine höhere Dichte als die des Standes der Technik auf, und die verbleibenden Brückenstrukturen erhöhen die Querfestigkeit des Materials. So fließt bei einer Presskraft, wie sie typischerweise bei Verwendung des PTFE-Materials als Dichtungsmaterial auftritt, das Material im Stand der Technik stärker als das gesinterte Material der Erfindung. Das erfindungsgemäß erhaltene mikrozellulare PTFE-Material behält damit bei Belastung eine höhere Dicke bei als das Material des Standes der Technik, und es weist dabei auch eine geringere Breite auf.
In das PTFE-Material können zusätzlich Füll- und/oder Farbstoffe eingebracht werden. Dazu können alle herkömmlich verwendeten Füllstoffe wie Glas, geschnittene Glasfasern, Siliziumoxid, andere Silicatmaterialien, bevorzugt vermahlen, Edelstahlpulver oder -späne, Graphit- oder Bronzepulver verwendet werden. Auch gängige Farbstoffe können gemäß der Erfindung verwendet werden. Die Füll- und/oder Farbstoffe können entweder direkt unter das PTFE-Pulver gemischt werden oder bei der Vermischung des PTFE-Pulvers mit einem Gleitmittel zugegeben werden.
Vorteilhaft kann das Material auch derart extrudiert werden, dass bei einer Umformung des Materials zur endgültigen Form Bereiche entstehen, die eine erhöhte Dichte aufweist. So zeigt beispielsweise 10a den schematischen Querschnitt einer Extrusionsdüse 1, durch die ein Material zu einem Strang extrudiert werden kann. Wird das Material unmittelbar anschließend an Schritt d) mit einer Kraft „F" zu der endgültigen Form 2 verformt (10b), so besitzt der Strang, der in 10c im Querschnitt gezeigt ist, Bereiche mit einer geringeren Dichte 3 und einen Bereich mit erhöhter Dichte 4. Somit kann beispielsweise ein Dichtungsmaterial erzeugt werden, das an spezielle Gegebenheiten von abzudichtenden Bereichen angepasst ist.
Die oben beschriebenen Ausgestaltungen der Verfahrensschritte a) bis d) sind als beispielhafte, bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zu verstehen. Der Fachmann ist aufgrund seines Wissens und Könnens in der Lage, ausgehend von dieser Beschreibung weitere Änderungen und Verbesserungen vorzunehmen, ohne daß hierzu ein erfinderisches Können notwendig sein wird.
Erfindungsgemäß beansprucht wird auch ein neues, gesintertes PTFE-Material, welches durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 erhältlich ist. Das erfindungsgemäß hergestellte PTFE- Material unterscheidet sich vom Stand der Technik insbesondere durch die nachfolgenden Merkmale:

– es weist eine geringere prozentuale Breitenänderung in Bezug auf die Ausgangsbreite auf, die bei Raumtemperatur, abhängig von der Einbaukraft, folgende Werte erreicht: Breitenänderung in Prozent der Ausgangsbreite:
– die Faserstruktur des Ausgangsmaterials bleibt im wesentlichen erhalten, wobei jedoch ein wesentlicher Teil der Knötchen zu gesinterten Querbrücken umgewandelt wird;
– die Kaltflusseigenschaften des Materials sind verringert;
– das Material besitzt eine hohe Reißfestigkeit in Querrichtung;
– die Querfestigkeit des gesinterten Materials ist deutlich höher als im Stand der Technik;
– es handelt sich um ein monodirektional gerichtetes Material mit einer zumindest deutlich verringerten Schrumpfung;
– das Material besitzt eine hohe Formkonstanz bei Flächenpressung, d.h. das "Wegfließen" ist verringert und die Einbaudicke wird erhöht. Die effektiven Einbaudicken erhöhen sich im Verhältnis zum Stand der Technik, insbesondere bei einer größeren Linienkraft: Prozentuale Verbesserung der Einbaudicke:

Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele dienen zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die nachfolgend beispielhaft dargestellten Verfahrensabläufe und Materialien beschränkt.
Beispiel 1
PTFE-Feinpulver wird mit Paraffinöl vermischt und bei 30°C über einen Tag gelagert. Anschließend wird das Material in einem Extruder zu einem Strang von 10 × 3mm extrudiert. Dieser Strang wird bei 110°C getrocknet, bis das Paraffinöl entfernt ist.
Der Strang wird in einer beheizten Reckanlage mit einer Länge von ca. 4 m gereckt. Dabei durchläuft der Strang ein Temperaturprofil mit einer Lufttemperatur von 250°C bis 430°C in einer Zeit von 1,6 Minuten. Die Reckanlage ist mit 5 Heizzonen versehen, die auf Temperaturen von 250, 350, 370, 400 und 430°C erhitzt werden. Die Temperaturen sind als Lufttemperaturen in den jeweiligen Heizzonen zu verstehen. Bei einer Zuführgeschwindigkeit von 2,6 m/min und einer Abzugsgeschwindigkeit von 16,4 m/min beträgt das Reckverhältnis 1:6,3.
Nach Abkühlung des Materials auf Raumtemperatur wird eine zweite Reckanlage mit einer Länge von ca. 3 m durchlaufen. Das Temperaturprofil liegt hierbei zwischen 260 und 510°C Lufttemperatur und wird in 2,9 Minuten durchlaufen. Die sechs Heizzonen werden auf 260, 380, 410, 480, 510 und 510°C erhitzt. Bei einer Zuführgeschwindigkeit von 4,1 m/min und einer Abzugsgeschwindigkeit von 1,1 m/min beträgt das Reckverhältnis 1:0,27.
Beispiel 2
PTFE-Feinpulver wird mit Glasfasern und Paraffinöl vermischt und bei 30°C über einen Tag gelagert. Anschließend wird das Material in einem Extruder zu einem Strang von 15 × 3mm extrudiert. Dieser Strang wird bei 110°C getrocknet, bis das Paraffinöl entfernt ist.
Der Strang wird in einer beheizten Reckanlage mit einer Länge von ca. 3 m gereckt. Dabei durchläuft der Strang ein Temperaturprofil mit einer Lufttemperatur von 270°C bis 450°C in einer Zeit von 1,9 Minuten. Die Reckanlage ist mit 6 Heizzonen versehen, die auf Temperaturen von 270, 290, 350, 370, 430 und 450°C erhitzt werden. Die Temperaturen sind als Lufttemperaturen in den jeweiligen Heizzonen zu verstehen. Bei einer Zuführgeschwindigkeit von 1,8 m/min und einer Abzugsgeschwindigkeit von 9,3 m/min beträgt das Reckverhältnis 1:5,2.
Nach Abkühlung des Materials auf Raumtemperatur wird eine zweite Reckanlage mit einer Länge von ca. 3 m durchlaufen. Das Temperaturprofil liegt hierbei zwischen 270 und 510°C Lufttemperatur und wird in 1 Minuten durchlaufen. Die sechs Heizzonen werden auf 270, 370, 410, 480, 510 und 510°C erhitzt. Bei einer Zuführgeschwindigkeit von 4,8 m/min und einer Abzugsgeschwindigkeit von 3,4 m/min beträgt das Rückschrumpf-Verhältnis 1:0,7.
Beispiel 3
Bei vergleichbarer Ausgangsgeometrie und -masse wurden zwei Proben aus herkömmlichem monodirektional expandierten PTFE und aus expandiertem gesinterten Material unter gleichen Bedingungen in einem Prüfgerät zur Bestimmung der effektiven Dichtungsdicke unter gegebener Last, bei Raumtemperatur (ca. 23°C) verpresst.
Die in 6 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass bei gleicher Linienkraft mit dem erfindungsgemäßen Material wesentlich größere Dichtungsdicken im verpressten Zustand zu erzielen sind als mit herkömmlichem monodirektional expandierten PTFE entsprechend dem Stand der Technik.
Beispiel 4
Bei vergleichbarer Ausgangsgeometrie und -masse wurden zwei Proben aus herkömmlichem monodirektional expandierten PTFE und aus expandiertem gesinterten Material unter gleichen Bedingungen in einem Prüfgerät verpresst und die Breitenänderungen erfasst.
8 zeigt die Auswirkung einer beim Einsatz als Dichtungsmaterial üblichen Presskraft (14 kN/50 mm Dichtungslänge = Linienkraft von 280 N/mm) auf ein herkömmliches monodirektional expandiertes Material.
9 zeigt die Auswirkung einer beim Einsatz als Dichtungsmaterial üblichen Linienkraft von 280 N/mm auf das Material gemäß der Erfindung.
Die Ergebnisse zeigen, dass bei gleicher Linienkraft mit dem erfindungsgemäßen Material wesentliche geringere Dichtungsbreiten zu erzielen sind als mit herkömmlichem monodirektional expandierten PTFE. Bei gleicher Linienkraft bedeutet dies eine deutliche Verbesserung der Flächenpressung bei Verwendung des neuen erfindungsgemäßen Materials. Die Verbreiterung des herkömmlichen Materials führt einerseits zur Abminderung der Flächenpressung (N/mm²) durch die Vergrößerung der gesamten Dichtfläche, andererseits zur gleichzeitigen Verringerung der Dicke des Materials durch dessen Wegfließen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines gesinterten, expandierten PTFE-Materials mit den Schritten: a) Extrudieren eines PTFE-Rohmaterials; b) Expandieren des extrudierten Materials, um eine im Wesentlichen monodirektionale Ausrichtung der Fasern im Material zu erreichen, wobei ein Reckverhältnis von Zuführ- zu Abzugsgeschwindigkeit von 1:>1 bis 1:10 angewandt wird, wodurch die Dichte des Materials erniedrigt wird; c) Thermisches Rückverdichten des expandierten Materials; wobei ein Verhältnis von Zuführ- zu Abzugsgeschwindigkeit von >1:1 bis 10:1 angewandt wird, wodurch die Dichte des Materials erhöht wird; d) Sintern des gereckten Materials.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Expandieren im Schritt b) bei einer Temperatur unterhalb der Kristallitschmelztemperatur des PTFE, bevorzugt im Bereich von etwa 100 bis 327°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Rückverdichten in Schritt c) bei einer Temperatur unterhalb der Kristallitschmelztemperatur des PTFE, bevorzugt im Bereich von etwa 100 bis 327 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sintern in Schritt d) bei einer Temperatur oberhalb der Kristallitschmelztemperatur des PTFE von 327 °C, bevorzugt oberhalb von 346°C, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material nach Schritt d) eine Dichte von 0,3 bis 1,8 g/cm³ besitzt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material nach Schritt d) eine Dichte von 0,5 bis 1,5, g/cm³ besitzt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material nach Schritt d) eine Dichte von 0,8 bis 1,2 g/cm³ besitzt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Expandieren des Materials in Schritt b) ein Reckverhältnis von Zuführ- zu Abzugsgeschwindigkeit von 1:5 bis 1:7 angewandt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim thermischen Rückverdichten des Materials in Schritt c) ein Verhältnis von Zuführ- zu Abzugsgeschwindigkeit von 1,1:1 bis 6:1 angewandt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim thermischen Rückverdichten des Materials in Schritt c) ein Verhältnis von Zuführ- zu Abzugsgeschwindigkeit von 1,2:1 bis 5:1 angewandt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim thermischen Rückverdichten des Materials in Schritt c) ein Verhältnis von Zuführ- zu Abzugsgeschwindigkeit von 1,4:1 bis 3,8:1 angewandt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Sintern in Schritt d) eine Temperatur von 380°C, bevorzugt 350°C nicht überschritten wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das PTFE-Rohmaterial und/oder das Extrudat aus Schritt a) mit Farb- und/oder Füllstoffen versetzt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das PTFE-Rohmaterial und/oder das Extrudat aus Schritt a) mit Glaskügelchen, gemahlenen Glasfasern, Siliziumoxid, Edelstahlpulver oder Bronzepulver versehen wird.
Expandiertes, gesintertes PTFE-Material mit einer Dichte im Bereich von 0,3 bis 1,8 g/cm³, das in seiner Struktur aus gesinterten Fasern besteht, die durch gesinterte Bereiche quer zur Faserrichtung verbunden sind und das einen stark eingeschränkten Kaltfluss quer zur Faserrichtung zeigt.
Expandiertes, gesintertes PTFE-Material, herstellbar durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1–14.
Verwendung eines expandierten, gesinterten PTFE-Materials nach einem der Ansprüche 15–16 als Dichtungsmaterial.