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Die Erfindung betrifft eine Barriereschicht gegen Migration eines Stoffes, wobei die Barriereschicht in einem Kabel und/oder um einen elektrischen Leiter oder in einem Schlauch angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen elektrischen Leiter zum Übertragen von Energie und/oder Informationen, ein Kabel zum Übertragen von Energie und/oder Informationen, einen Schlauch zum Fördern eines Stoffes, ein Verfahren zum Fertigen eines beschichteten Kabels oder eines beschichteten Schlauches mittels einer Extrusionseinrichtung und eine Verwendung von Polyethylenfuranoat als Barriereschicht.
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Zum Verhindern einer Migration von Stoffen in ein Kabel hinein oder durch einen Schlauch hindurch in die Umgebung sind verschiedene Barriereschichten bekannt. Beispielsweise wird eine Aluminiumschicht um einen elektrischen Leiter in Kabeln eingesetzt, um ein Eindringen von Luftfeuchtigkeit in den elektrischen Leiter zu verhindern. Jedoch weist eine derartige Aluminiumschicht den Nachteil auf, dass diese in einen zusätzlichen Arbeitsschritt separat verschweißt werden muss. Vor allem bewirkt Aluminium aufgrund seiner starren Eigenschaften, dass durch die Aluminiumschicht um den elektrischen Leiter der elektrische Leiter und das Kabel unflexibel werden. Folglich kann ein Kabel mit einer Aluminiumschicht als Barriereschicht nur eine begrenzte Anzahl von Biegewechselzyklen durchführen, welche üblicherweise bei wenigen tausend Biegewechselzyklen liegt.
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Des Weiteren sind Fluorpolymere als Barriereschichten bekannt. Fluorpolymere weisen jedoch den Nachteil auf, dass diese eine sehr hohe Schmelz- und somit Verarbeitungstemperatur im Vergleich zu anderen üblichen Kunststoffen bei der Kabel- und/oder Schlauchfertigung aufweisen. Da Fluorpolymere eine zu hohe Verarbeitungstemperatur im Vergleich zu den anderen eingesetzten Kunststoffen benötigen, bei welcher sich die anderen Kunststoffe bereits thermisch zersetzen, ist eine dauerhafte Verbindung mit den anderen Kunststoffen nicht gegeben.
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Ebenso sind Barriereschichten aus Polyethylenterephthalat (PET) bekannt, wobei PET jedoch nur mittelmäßige Barriereeigenschaften gegenüber Migration aufweist und insbesondere für das Fördern von säurehaltigen Stoffen in Schläuchen nicht geeignet ist.
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Aufgrund dieser Nachteile des Standes der Technik, gibt es für unterschiedliche migrierende Stoffe wie Wasser, Sauerstoff, Kohlendioxid, Weichmacher und/oder chemische Verbindungen keine Barriere, welche eine ausreichende geschlossene Schicht gegen das umgebende oder zu fördernde Medium aufweist und zum anderen selbst die Migration verhindert sowie die Biegeflexibilität des beschichteten Produktes nicht beeinträchtigt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Barriereschicht gegen Migration eines Stoffes, wobei die Barriereschicht in einem Kabel und/oder um einen elektrischen Leiter oder in einem Schlauch angeordnet ist, und die Barriereschicht Polyethylenfuranoat aufweist oder aus Polyethylenfuranoat besteht.
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Durch eine Barriereschicht, welche Polyethylenfuranoat (PEF), auch als Polyethylendicarboxyfuranoat bezeichnet, aufweist oder aus Polyethylenfuranoat besteht, wird zum einen eine geschlossene Schicht gegen das umgebende Medium oder das zu fördernde Medium und zum anderen durch PEF selbst die Migration von unterschiedlichsten Stoffen verhindert.
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Es ist besonders vorteilhaft, dass die dichte geschlossene PEF-Barriereschicht gleichzeitig flexibel ist, sodass ein Kabel oder ein Schlauch eine hohe Anzahl von Biegewechselzyklen durchlaufen kann, welche bei einigen tausend bis einigen Millionen Biegewechselzyklen liegt.
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Vor allem stellt PEF eine zehnmal bessere Barriere gegen Sauerstoff als PET, eine vierfach bessere Barriere gegen Kohlendioxid als PET und eine ca. zweifach bessere Barriere gegen Wasser als PET dar.
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Zudem ist PEF ein biobasiertes Polymer und zu 100% recyclebar.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass durch Verwendung des Polymers Polyethylenfuranoat (PEF) eine geschlossene dichte Barriereschicht bereitgestellt wird, welche dennoch gleichzeitig flexibel ist und somit die Verwendung von Kabeln und Schläuchen trotz deren häufige Biegewechselbelastung nicht einschränkt. Des Weiteren sind die Bedingungen der Verarbeitung von PEF ähnlich zu denen von Standardmaterialien der Kabel- und/oder Schlauchfertigung.
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Folgendes Begriffliche sei erläutert:
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Eine „Barriereschicht“ ist insbesondere eine Schicht, welche als geschlossene Schicht eine Sperre gegen ein umgebendes und/oder zu förderndes Medium aufweist und selbst eine Migration von bestimmten Stoffen verhindert. Eine Barriereschicht schützt jeweils eine anliegende andere Schicht, die sich darunter befindenden Produkte und/oder Bestandteile und/oder die Umwelt vor schädlichen Einflüssen. Eine Barriereschicht kann insbesondere Schutz gegen umweltbedingte Auswirkungen, wie beispielsweise das Eindringen von Sauerstoff und/oder Wasser in den elektrischen Leiter eines Kabels, oder prozessbedingte Auswirkungen, wie beispielsweise die Migration eines zu fördernden Stoffes aus einem Schlauch in die Umwelt, verhindern. Die Barriereschicht ist insbesondere aus PEF oder weist PEF auf.
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Unter „Migration“ wird insbesondere das Wandern eines Stoffes in und/oder durch ein Material, Kunststoff und/oder in das umgebende Medium verstanden.
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Bei einem „Stoff“ handelt es sich insbesondere um einen gasförmigen, flüssigen und/oder festen Stoff, welcher durch das Material und/oder die Materialien eines Kabels und/oder eines Schlauches migrieren kann. Bei einem Stoff handelt es sich insbesondere um Wasser, Sauerstoff, Kohlendioxid, Weichmacher, chemische Verbindungen und/oder chemische Gemische, wie beispielsweise Hydraulikflüssigkeit.
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Als „Kabel“ wird insbesondere ein mit einem Isolierstoff oder mehreren Isolierstoffen ummantelter ein- oder mehradriger Verbund von Adern (Einzelleitungen) bezeichnet, welches zur Übertragung von Energie und/oder Informationen dient. Bei einem Kabel kann es sich um ein elektrisches oder optisches Kabel handeln. Bei einem mehradrigen Kabel sind insbesondere die als Leiter genutzten Adern jeweils ummantelt und gegeneinander isoliert. Bei einem Kabel kann es sich auch um ein Kabelvorprodukt handeln.
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Ein „elektrischer Leiter“ ist insbesondere ein Medium, welches eine hohe Dichte freibeweglicher Ladungsträger und dadurch eine gute elektrische Leitfähigkeit sowie einen möglichst geringen elektrischen Widerstand besitzt, wodurch dieses zum Transport geladener Teilchen (elektrischer Strom) geeignet ist. Bei einem elektrischen Leiter handelt es sich insbesondere um einen isolierten Draht oder Litze. Ein „Draht“ ist insbesondere ein dünn, lang und/oder biegsam geformtes Metall mit kreisförmigem Querschnitt. Bei einem Draht kann es sich aber auch um einen Flach-, Vierkant- oder Profildraht handeln. Ein Draht besteht insbesondere aus Kupfer, Aluminium oder einer Kupferlegierung. Eine „Litze“ ist ein aus dünnen Einzeldrähten bestehender elektrischer Leiter und insbesondere leicht verbiegbar. Eine Litze weist insbesondere Kupfer auf. Die Einzeldrähte der Litze sind insbesondere von einer gemeinsamen Isolierhülle umschlossen (Litzenleitung). Sind insbesondere mehrere Litzenleitungen in einem Kabel vereint, so werden diese Adern genannt. Eine Litze weist eine Dicke von 0,04 mm bis 4 mm auf.
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Eine „Ader“ ist insbesondere eine einzelne Leitung innerhalb eine Bündels eines Kabels. Eine Ader weist als Leiterwerkstoff insbesondere Kupfer, Aluminium, Silber, Stahl und/oder Blei auf. Eine Ader weist insbesondere eine Dicke von 0,1 mm bis 15 mm auf.
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Bei einem „Schlauch“ handelt es sich insbesondere um einen flexiblen länglichen Hohlkörper mit einem definierten Querschnitt, welcher in seinem Inneren ein Medium aufweist und/oder führt, beispielsweise eine Hydraulikflüssigkeit oder Druckluft. In einem Schlauch können aber auch verschiedene Kabel gebündelt geführt werden. Bei einem Schlauch kann es sich insbesondere um einen Wellschlauch, Wellrohr und/oder Glattschlauch handeln.
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„Polyethylenfuranoat“ ist ein Kunststoff auf Basis von 2,5-Furandicarbonsäure. Durch Umsetzung von 2,5-Furandicarbonsäure mit Ethylenglycol entsteht der Polyester Polyethylenfuranoat (PEF), welcher auch als Polyethylendicarboxylfuranoat bezeichnet wird. Polyethylenfuranoat ist ein biobasiertes Polymer und zu 100% recyclebar. Insbesondere weist Polyethylenfuranoat eine Glasübergangstemperatur von 86°C und eine Schmelztemperatur von 235°C auf.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Barriereschicht durch ein Extrudieren zusammen mit einer Mantelschicht in einem Arbeitsgang gefertigt, sodass die Barriereschicht mit der Mantelschicht dauerhaft verbunden ist.
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Es ist besonders vorteilhaft, dass die Barriereschicht und die Mantelschicht im selben Extrusionskopf einer Extrusionsmaschine in einem einzigen Arbeitsgang gefertigt werden.
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Dadurch, dass die Fertigung in einem Arbeitsgang bei gleichen und/oder ähnlichen Temperaturen erfolgt, werden die Barriereschicht und die Mantelschicht während des Extrudierens dauerhaft verbunden, sofern beide direkt aneinander anliegen.
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Folglich entfällt ein zusätzlicher Arbeitsschritt zum Aufbringen einer Barriereschicht. Zudem wird durch die dauerhafte Verbindung der Barriereschicht mit der Mantelschicht eine geschlossene Gesamtschicht erzeugt, sodass sich beispielsweise nicht Luftfeuchtigkeit zwischen der Mantelschicht und der Barriereschicht anreichern kann.
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Unter einem „Extrudieren“ wird insbesondere ein Pressen einer Formmasse durch eine Formmatrize zu einem extrudierten Formstück verstanden. Ein Extrudieren dient insbesondere dem Ummanteln und/oder Beschichten von Drähten, Kabelvorprodukten, Litzen und/oder elektrischen Leitern. Zudem kann durch Extrudieren ein Schlauch als Formstück gefertigt werden. Das Extrudieren erfolgt insbesondere mittels einer Extrusionseinrichtung bei einem Druck von 10 bar bis 1.500 bar und einer Temperatur von 10°C bis 150°C.
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Bei einer „Mantelschicht“ handelt es sich insbesondere um eine Schicht außen um einen Draht, ein Kabelvorprodukt, eine Litze und/oder ein Kabel. Die Mantelschicht dient insbesondere der Isolation und/oder Abschirmung des Drahtes, Kabelvorproduktes oder der Litze und/oder als Kabelmantel des Schutzes des Kabels vor äußeren Einflüssen und/oder der Abschirmung. Ein Kabel kann eine äußere Mantelschicht (den Kabelmantel selbst) und/oder eine oder mehrere innere Mantelschichten um die jeweiligen elektrischen Leiter (Draht, Litze, Kabelvorprodukt) aufweisen. Die Mantelschicht weist insbesondere Kunststoffe wie Polyolefine, Polyurethan, Polyvinylchlorid, Polystyrole, Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder Silikon auf.
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Unter „dauerhaft verbunden“ wird insbesondere verstanden, dass die Barriereschicht und die Mantelschicht sich während der gesamten Nutzungsdauer und/oder Standzeit eines Kabels, elektrischen Leiters und/oder Schlauches nicht von einander lösen.
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Um eine ausreichende Schichtdicke gegen Migration und eine anwendungsspezifische Biegeflexibilität bereitzustellen, weist die Barriereschicht eine Schichtdicke in einem Bereich von 0,01 mm bis 10 mm, bevorzugt von 0,05 mm bis 1 mm, auf.
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Somit kann die PEF-Barriereschicht aufgrund der besseren Rückhalteeigenschaften dünner als eine PET-Barriereschicht ausgeführt werden. Somit kann das Gewicht und die Materialstärke eines Kabels und/oder eines Schlauches reduziert werden, sodass neben der besseren Flexibilität der PEF-Barriereschicht an sich auch durch die geringere Materialstärke des Kabels und/oder des Schlauches die Biegeflexibilität weiter verbessert wird.
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Selbstverständlich kann die PEF-Barriereschicht auch die gleiche Schichtdicke wie eine PET-Barriereschicht aufweisen, sodass dadurch eine sehr dichte und sichere Migrationssperre vorliegt.
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Die „Schichtdicke“ ist insbesondere eine Materialdicke der Barriereschicht in radialer Richtung.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Barriereschicht eine Schmelztemperatur von 235°C auf.
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Dadurch kann die PEF-Barriereschicht optimal durch Extrusion um einen elektrischen Leiter und/oder unter einer Mantelschicht aufgebracht sowie mit der Mantelschicht dauerhaft verbunden werden.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen elektrischen Leiter zum Übertragen von Energie und/oder Information mit einer Barriereschicht, wobei die Barriereschicht Polyethylenfuranoat aufweist oder aus Polyethylenfuranoat besteht und/oder ein zuvor beschriebene Barriereschicht ist, sodass der elektrische Leiter gegen Migration eines Stoffes geschützt und biegeflexibel ist.
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Es ist besonders vorteilhaft, dass der elektrische Leiter durch die PEF-Barriereschicht gegen Eindringen von Sauerstoff, Wasser und/oder Luftfeuchtigkeit sicher geschützt ist, ohne seine Biegeflexibilität dadurch zu verlieren.
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In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Kabel zum Übertragen von Energie und/oder Information, wobei das Kabel mindestens einen elektrischen Leiter aufweist, mit einer zuvor beschriebenen Barriereschicht und/oder einem zuvor beschriebenen elektrischen Leiter, sodass der elektrische Leiter gegen Migration eines Stoffes geschützt und das Kabel biegeflexibel ist.
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Somit ist ein Kabel auch dann biegeflexibel, wenn dieses mehrere Adern aufweist, welche jeweils durch eine eigene Barriereschicht geschützt sind. Zudem kann das Kabel unter der äußeren Kabelmantelschicht zusätzlich noch eine Barriereschicht aufweisen, sodass durch eine doppelte Redundanz für jede zu schützende Ader eine hohe Betriebssicherheit der Adern und somit eine hohe Standzeit des Kabels erzielt werden kann.
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In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch einen Schlauch zum Fördern eines Stoffes mit einer Barriereschicht, wobei die Barriereschicht Polyethylenfuranoat aufweist oder aus Polyethylenfuranoat besteht und/oder ein zuvor beschriebene Barriereschicht ist, sodass der Schlauch frei von einer Migration des Stoffes aus seinem Inneren in eine Umgebung ist und biegeflexibel ist.
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Somit ist ein Medium und/oder Stoff im Inneren des Schlauches förderbar, ohne dass ein Stoff aus dem Inneren in die Umgebung, insbesondere die Umwelt, austritt. Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass der Schlauch trotz der Barriereschicht biegeflexibel bleibt und somit auch sehr lange Schlauchlängen eng aufgerollt und gelagert werden können.
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In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Fertigen eines beschichteten Kabels oder eines beschichteten Schlauches mittels einer Extrusionseinrichtung, mit folgenden Schritten:
- - Einbringen eines durchlaufenden elektrischen Leiters in die Extrusionseinrichtung und/oder
- - Extrudieren einer ersten Formmasse zu einer Mantelschicht und einer zweiten Formmasse, wobei die zweite Formmasse Polyethylenfuranoat aufweist oder aus Polyethylenfuranoat besteht, zu einer Barriereschicht des Kabels oder des Schlauches und
- - Ausbringen des beschichteten Kabels oder des beschichteten Schlauches, sodass das beschichtete Kabel oder der beschichtete Schlauch eine Barriereschicht aufweist und biegeflexibel ist.
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Somit wird ein Verfahren bereitgestellt, bei dem in einem Extrusionsschritt die Barriereschicht und die Mantelschicht eines Kabels oder eines Schlauches gefertigt werden.
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Um die Barriereschicht und die Mantelschicht im selben Extrusionskopf (Spritzkopf) zu fertigen, erfolgt das Extrudieren bei einer Temperatur in einem Bereich von 210°C bis 270°C, bevorzugt von 230°C bis 240°C.
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Es ist besonders vorteilhaft, dass bei nicht mischbaren Kunststoffen durch das gleichzeitige Extrudieren ein Formschluss erreicht wird, welcher in einer Adhäsionsklebung mündet, welche eine ausreichend gute Haftung zwischen den Kunststoffschichten erzielt.
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Neben dem Extrudieren wird auch ein Verschmelzen und somit ein dauerhaftes Verbinden von einer aneinander liegenden Barriereschicht und Mantelschicht ermöglicht.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden beim Extrudieren die Barriereschicht als innere Schicht und die Mantelschicht als äußere Schicht gefertigt.
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Dadurch kann sowohl eine äußere Kabelmantelschicht mit direkt darunter liegender Barriereschicht oder eine äußere Schlauchmantelschicht mit direkt darunter liegender Barriereschicht oder eine Kabelmantelschicht und davon getrennt angeordnet eine Barriereschicht um den elektrischen Leiter oder mehrere Barriereschichten um mehrere elektrische Leiter gefertigt werden.
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Folglich kann die Anordnung der Barriereschicht oder der Barriereschichten und der Mantelschicht entsprechend den Erfordernissen des gefertigten Produktes extrudiert werden.
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Um die Dichtigkeit zu erhöhen und eine Anreicherung von unerwünschten Stoffen zwischen verschiedenen Schichten zu verhindern, werden durch das Extrudieren die Barriereschicht und die Mantelschicht dauerhaft verbunden.
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In einer weiteren Gestaltungsform des Verfahrens erfolgt das Extrudieren der ersten Formmasse und der zweiten Formmasse in einem Arbeitsschritt.
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Somit wird ein schnelles Extrudieren zu einem beschichteten Kabel oder einem beschichteten Schlauch und folglich eine schnelle, material- und energieeinsparende Fertigung ermöglicht.
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In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Verwendung von Polyethylenfuranoat als Barriereschicht um einen elektrischen Leiter und/oder in einem Kabel oder in einem Schlauch, sodass der elektrische Leiter gegen Migration eines Stoffes geschützt und biegeflexibel ist und/oder das Kabel biegeflexibel ist oder der Schlauch frei von einer Migration des Stoffes aus seinem Inneren in eine Umgebung und biegeflexibel ist.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Signalleitung mit einer Polyethylenfuranoat-Schicht und einem elektrischen Leiter,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Elektrokabels mit Mantelschicht und drei Litzen mit Polyethylenfuranoat-Schichten und
- 3 ein Wellschlauch mit Mantelschicht und Polyethylenfuranoat-Schicht.
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Eine Signalleitung 121 weist in ihrem Inneren einen elektrischen Leiter 105 aus Kupfer mit einem Durchmesser von 5 mm auf. Der elektrische Leiter 105 ist von einer Polyethylenfuranoat-Schicht 101 mit einer Schichtdicke von 20 µm umgeben. Die Polyethylenfuranoat-Schicht 101 ist wiederum direkt von einer Mantelschicht 103 aus Polypropylen mit einer Schichtdicke 1,5 mm umgeben. Die Polyethylenfuranoat-Schicht 101 und die Mantelschicht 103 sind durch Extrudieren im selben Extrusionskopf bei 230°C auf den elektrischen Leiter 105 aufgebracht worden und sind dadurch dauerhaft miteinander verschmolzen.
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Ein Elektrokabel 123 weist eine äußere Mantelschicht 103 und in seinem Inneren drei Litzen 107, 109 und 111 umgeben von einem Innenmaterial auf. Die erste Litze 107, die zweite Litze 109 und die dritte Litze 111 weisen jeweils einen Durchmesser von 2 mm auf und sind jeweils direkt mit einer Polyethylenfuranoat-Schicht 101 umschichtet. Durch jede Polyethylenfuranoat-Schicht 101 ist jede der drei Litzen 107, 109 und 111 gegen ein Eindringen von Luftfeuchtigkeit geschützt, welche durch die Mantelschicht 103 des Elektrokabels 123 in das Innere des Elektrokabels 123 migrieren kann. Aufgrund der flexiblen Polyethylenfuranoat-Schicht 101 um jede der drei Litzen 107, 109 und 111 bleibt das Elektrokabel 123 selbst biegeflexibel und ist auf einer Kabelrolle mit einem Trommelinnendurchmesser von 50 mm lager- und transportierbar.
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Ein Wellschlauch 125 weist eine Mantelschicht 103 auf, welche aus Polypropylen besteht. Unter der Mantelschicht 103 ist eine schmelzverbundene Polyethylenfuranoat-Schicht 101 angeordnet. Ein innerer Hohlraum des Wellschlauches 125 ist mit Hydraulikflüssigkeit 115 gefüllt.
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Durch die dichte und geschlossene Polyethylenfuranoat-Schicht 101 wird eine Migration von Stoffen aus der Hydraulikflüssigkeit 115 durch die Polyethylenfuranoat-Schicht 101 verhindert, sodass ein Austritt in die Umgebung des Wellschlauches 125 unterbleibt.
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Der Wellschlauch 125 wird mit folgenden Arbeitsschritten in einer Extrusionseinrichtung gefertigt:
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Fließfähiges Polyethylen (PE) und fließfähiges Polyethylenfuranoat werden bei einer Temperatur von 235° C und einem Druck von 300 bar durch eine Formmatrize gepresst, sodass als Formstück der Wellschlauch 125 mit der äußeren Mantelschicht 103 aus Polyethylen und der innenliegenden Polyethylenfuranoat-Schicht 101 als Migrationssperre gefertigt wird.
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Dadurch, dass das fließfähige Polyethylen und das fließfähige Polyethylenfuranoat in einem Arbeitsschritt zeitgleich durch die Formmatrize gepresst werden und geschmolzen aneinander liegen, werden die Mantelschicht 103 aus Polyethylen und die Polyethylenfuranoat-Schicht 101 miteinander dauerhaft verbunden.
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Anschließend wird der geformte und beschichtete Schlauch aus der Extrusionsmaschine ausgebracht. Der gefertigte Wellschlauch 125 weist eine Nennweite von 25 mm auf und wird auf eine Schlauchtrommel mit einem Trommelinnendurchmesser von 200 mm aufgewickelt. Der gefertigte Wellschlauch 125 weist eine Beständigkeit gegenüber 100.000 Biegewechselzyklen auf.
