DE1234372B - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von biegsamen Membranen oder Membranueberzuegen aus Polytetrafluoraethylen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B 29 c

Deutsche Kl.: 39 a2 - 3/00

Nummer: 1234 372

Aktenzeichen: S 60526 X/39 a2

Anmeldetag: 6. November 1958

Auslegetag: 16. Februar 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Heristellen von biegsamen Membranen oder Membranüberzügen aus Polytetrafluoräthylen mit einer zentralen Erhebung Zur Halterung eines Bolzenkopfes, bei welchem das körnige oder pulverförmige Polytetrafluoräthylen in eine Form eingebracht, in dieser verdichtet und bei einer oberhalb der oberen Übergangstemperatur liegenden Temperatur zu einem Biskuit gesintert und schließlich abgeschreckt wird.

Aus einer Stützmembran aus elastischem Material (Elastomer), die mit einem Überzug aus Polytetrafluoräthylen — im folgenden kurz PTFÄ genannt — versehen ist, oder aus diesem Material zur Gänze bestehende Membranen eignen sich wegen der inerten Natur des PTFÄ besonders für Membranventile, die für chemisch aggressive oder hoch temperierte Flüssigkeiten bestimmt sind. Mit einer Stützmembran versehene Membranen haben den Vorteil größerer Biegsamkeit, denn der Überzug kann verhältnismäßig dünn sein, weil die Stützmembran den Druck aufnimmt und gleichmäßig verteilt. Brauchbare Membranüberzüge dieser Art sind gemäß der deutschen Patentschrift 858 614 durch Abtrennen dünner Schichten aus PTFÄ-Stangen hergestellt worden. Dieses Verfahren führt zu verhältnismäßig großen Materialverlusten, so daß nach wie vor nach einem Prägeverfahren gesucht wurde, nach dem auch die technisch zweckmäßigsten Membranformen herzustellen sind. Die solchen Verfahren entgegenstehenden Schwierigkeiten entspringen gerade aus jenen Eigenschaften des PTFÄ, die diesen Stoff wertvoll machen. Die Bindungskräfte, welche die Moleküle in polymerisiertem Zustand erhalten, sind sehr klein, so daß das polymerisierte Material, obwohl es verhältnismäßig hohen Temperaturen standhält, bei und oberhalb einer bestimmten Temperatur nicht schmilzt, sondern sich zersetzt. Verformungsprozesse, die dem Gießen nahekommen, scheiden daher vorweg aus. Es ist daher vorgeschlagen worden, ein aus PTFÄ-Pulver gesintertes Biskuit heiß in einer kalten Prägeform zu prägen, doch lassen sich Formstücke mit stärker variierender Wandstärke nach diesem Verfahren nicht herstellen, so daß in Solchen Fällen wieder auf aus Stangenmateriäl gefertigte Zwischenprodukte zurückgegriffen werden mußte. Membranen für Membranventile müssen aber mit einer zentralen Erhebung ausgebildet sein, um in dieser den Kopf eines Bolzens einbetten zu können, welcher der Verbindung mit einem Betätigungsorgan dient. Sie sollen gegebenenfalls rundumlaufende oder diametral verlaufende Rippen aufweisen, die in Schließstellung

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von
biegsamen Membranen oder Membranüberzügen
aus Polytetrafluoräthylen

Anmelder:

Saunders Valve Company Limited,

Cwmbran, Monmouthshire (Großbritannien)

Vertreter:

Dipl.-Ing. A. Maxton, Patentanwalt,

KÖln-Marienburg, Pferdmengesstr. 50

Als Erfinder benannt:

Patrick Breadwell Laming,

Llanfrechfa, Monmouthshire;

Richard Hector Price,

Alan Henderson,

Alan Phillip Jones, Cwmbran, Monmouthshire

(Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 8. November 1957 (34 919)

gegen den runden oder wehrförmigen Ventilsitz unter stärkerem Druck anliegen. Solche Membranen sind wegen der Variation ihrer Dicke nach den bekannten Verfahren nicht herstellbar. Die Membran wird im Ventil häufig verbogen oder gepreßt, so daß an der Stelle, an der der Bolzen mit der Membran verbunden ist, eine Konzentration der Druck- bzw, Zugkräfte auftreten. Gerade an diesen Stellen aber ist es schwierig, eine gleichmäßige Materialyerdichtung während des Preßvorganges zu erzielen. Wenn die gleichmäßige Dichte gerade an diesen Stellen fehlt, an denen die Beanspruchung am größten ist, wird natürlich die Lebensdauer der Membrann kurz sein.

Die Erfindung bezieht sich nun auf ein Verfahren, das ungeachtet der Schwierigkeiten, welche die obenerwähnten Eigenschaften des körnigen Materials verursachen, mit Erfolg und wirtschaftlich angewendet werden kann und Beläge liefert, die unter den Arbeitsbedingungen, für welche sie bestimmt sind, eine gute Lebensdauer aufweisen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das pulverförmige Polytetrafluoräthylen in die Form

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unter Einwirkung eines Druckes möglichst gleich- einem flachen Randteil 11 zum Einklemmen in einen förmig verdichtet wird, so daß das Verhältnis der Ventilkörper, einem gewölbten, innerhalb des Randunter dem Bolzenkopf sich befindenden Schichtstärke teiles gelegenen Teil 12, der von der Offen- in die zur Gesamthöhe der zentralen Erhebung stets gleich- Schließstellung gebogen werden kann, und aus einer bleibt und nach dem Sintern das Biskuit bei einer 5 zentralen Erhebung 13, in der ein Bolzen 14 eingenoch unterhalb der oberen Ubergangstemperatur bettet ist, mit dem die Membran an dem Betätigungsliegenden Temperatür in seine endgültige Form ge- organ des Ventils befestigt ist. Im Randteil 11 sind prägt und unter Aufrechterhaltung des Prägedruckes Löcher 15 für Befestigungsschrauben angeordnet, in der Form abgeschreckt wird. Um die Abdichtung am Ventilkörper zu verbessern,

Während des Verdichtens des in die Preßform ίο ist der Belag an seinem Randteil mit einer Rippe 16

gleichmäßig eingefüllten Materials verschiebt sich und zur Verbesserung der Dichtung an einem Wehr

zwar der Bolzen in der Form, er behält dabei aber des Ventils mit einer diametralen Rippe 17 versehen,

seine gleiche Relativlage zu dem ihn umgebenden Die äußere Begrenzung des Randteiles weist zwei

PTFÄ-Material bei. Während des Verdichtens ist parallele Seiten und zwei gekrümmte Seiten mit

also das Verhältnis der unter dem Bolzenkopf sich 15 lappenförmigen Vorsprüngen 18 auf und ist dadurch

befindenden Schichtstärke zur Gesamthöhe der zen- an die übliche Form von Ventilkörpern angepaßt. Der

tralen Erhebung stets gleich. Bolzen 14 ist von einem Stift 19 durchsetzt, der zum

Das spröde und keine Festigkeit aufweisende Befestigen an dem Betätigungsorgan dient.
Biskuit wird in bekannter Weise bei einer oberhalb Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren muß das der oberen Ubergangstemperatur gelegenen Tempe- 20 Material vor und während des Verdichtungsvorganges ratur gesintert, wobei das Biskuit sich etwas aus- gleichmäßig verteilt werden. Beim Verdichten ergibt dehnt und sich meistens auch Unregelmäßigkeiten sich eine erhebliche Volumensverringerung etwa im entwickeln. Danach wird erfindungsgemäß das gesin- Verhältnis 4:1. Mit Rücksicht darauf wird bei der terte Biskuit einem Heißprägevorgang bei einer unter Durchführung des Verdichtungsvorganges eine Preßder oberen Ubergangstemperatur liegenden Tempe- 25 form 21 verwendet, die beim Einbetten des Bolzenratur unterworfen, wobei es mit Rippen u. dgl. ver- kopfes 22 die Ausübung eines unterschiedlichen Preßsehen werden kann; dann wird das geprägte Form- hubes für das Pressen der zentralen Erhebung bzw. stück abgeschreckt, solange es noch unter Druck des restlichen Belages anzuwenden gestattet, da die steht. Mit dem Wort Abschrecken soll ausgedrückt aus Körnern bestehende Säule, aus welcher die zenwerden, daß der Abkühlvorgang so gleichförmig wie 30 trale Erhebung bzw. der Höcker geformt wird, um möglich und wohl schnell, aber nicht so rasch aus- eine größere Höhe verdichtet werden muß als der geführt werden soll, daß dadurch Risse verursacht übrige Belag. Die Preßhübe werden so gesteuert, daß werden. schließlich sowohl auf der Erhebung bzw. dem

Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfah- Höcker als auch auf den übrigen Belag der gleiche

rens besteht aus einer Matrize und einer mit dieser 35 Preßdruck ausgeübt wird.

zusammenwirkenden Patrize, wobei erfindungsge- Das Biskuit wird in einer Gestalt hergestellt, die maß die Matrize der der Erhebung abgewandten der Gestalt des fertigen Belages so nahekommt, als Oberfläche der herzustellenden Membran entspricht mit Rücksicht auf die Verformung beim Sintern mög- und die Patrize mit einer zentralen Ausnehmung zur lieh ist. Wenn Rippen 16, 17 vorgesehen sind, so Ausbildung der Erhebung und einem in der Ausneh- 40 werden diese nicht mit dem Biskuit ausgeformt, da mung verschiebbar gelagerten Preßstempel versehen die Preßform dann noch für die Ausführung weiteist und der Preßstempel und die Patrize unabhängig rer, örtlich unterschiedlicher Preßhübe eingerichtet voneinander verschiebbar sind und ihre Relativ- sein müßte. Das Biskuit wird in Form eines Drehbewegung gegenüber der Matrize z. B. mittels An- körpers hergestellt, der noch nicht mit Löchern 15 Schlägen begrenzt ist. Der Preßstempel kann mittels 45 für die Befestigungsschrauben versehen ist. Das köreines Preßkolbens hydraulisch betätigbar sein, der in nige Material 23 für das Hauptteil des Belages und einem in der Patrize angeordneten Preßzylinder ver- das Teil des Höckers, welche der Dicke des Belages schiebbar geführt ist. entspricht, wird nach sorgfältigem Auswägen in der

In der folgenden Beschreibung wird ein Ausfüh- Matrize 24 sehr gleichmäßig durch Anwendung eines

rungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf 50 Abstreich- oder Schabloniervorganges verteilt. Hier-

die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt auf wird die Patrize 25 eingesetzt. Diese weist gemäß

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung eines zum Fig. 2 eine Ausnehmung 26 für die zentrale Er-

Teil abgebrochenen Membranbelages, hebung 13 des Belages auf, in die der Bolzen 14 mit

F i g. 2, 3 und 4 schematisierte Schnittansichten der Hilfe einer verschiebbaren Buchse 27 zentriert ist.

Preßform in verschiedenen Stadien des Verfertigungs- 55 Die Buchse 27 wird hierauf vorsichtig entfernt, um

prozesses, jede Verschiebung des Bolzens zu vermeiden, und

F i g. 5 einen Querschnitt durch eine Mulde zum die notwendige, gewogene Menge 28 Körnermaterial

Unterstützen des Biskuits während des Sinter- eingefüllt. In die Ausnehmung 26 wird dann ein

prozesses, Preßstempel 29 gemäß F i g. 3 eingeführt.

F i g. 6 eine Schnittansicht nach der Linie VI-VI in 60 Wenn der Bolzenkopf 22 sich in einem Abstand

F i g. 8 der Form zum Prägen und Abschrecken, oberhalb der oberen Begrenzungsfläche des eigent-

F i g. 7 eine Schnittansicht nach Linie VII-VII der liehen Belages befinden soll, wird eine entsprechende

F i g. 8 und Menge des Materials in die zentrale Ausnehmung 26

F i g. 8 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach eingebracht, bevor der Bolzen eingebracht wird. Auf

F i g. 6. 65 jeden Fall sollte beim Beschicken der Preßform und

Fig. 1 zeigt einen Membranbelag aus PTFÄ für beim Aufsetzen der Patrize 25 besondere Sorgfalt

ein Membranventil nach Fi g. 9 der deutschen Patent- aufgewendet werden um zu verhindern, daß Material

schrift 858 614. Dieser Membranbelag besteht aus in die Ausnehmung 26 gelangt, bevor der Bolzen in

seine Lage gebrächt ist. Es ist vorteilhaft, an der Ansatzstelle des Höckers an dem umgebenden Belag eine entsprechende dimensionierte Abrundung vorzusehen. Die Patrize 25 ist aus diesem Grund mit einer gerundeten Kante 31 versehen.

Die Patrize 25 und der Preßstempel 29 werden mit dem erforderlichen Druck zur Wirkung gebracht, der hydraulisch erzeugt wird und so lange einwirkt, bis das Biskuit eine vorbestimmte Dicke erreicht hat. An der Patrize 25 und am Preßstempel 29 können als Anschläge wirkende Schultern 32 bzw. 33 vorgesehen sein. Dieses Stadium des Herstellungsverfahrens ist in F i g. 4 veranschaulicht.

Diese Figur zeigt auch den Preßzylinder 34 und den Preßkolben 35 für den Preßstempel 29, durch dessen Anordnung in der Patrize 25 die erforderliche unterschiedliche Verdichtungsbewegung bewirkt wird. Der Preßzylinder 34 wird über eine Bohrung 36 beaufschlagt. Der Raum, in dem der Kopf des Preßkolbens geführt ist, steht über eine Bohrung 37 mit dem Außenraum in Verbindung. Die Anordnung nach F i g. 4 kann zwischen die Platten einer üblichen Presse gebracht werden, welche dann den notwendigen Druck auf die Patrize 25 erzeugt.

Es ist erwünscht, daß die Materialverdichtung in der zentralen Erhebung bzw. im Hocker und im übrigen Teil des Belages so durchgeführt wird, daß im fertigen Produkt das Material an allen Stellen dieselbe Dichte, z. B. 2,17 g/cm³, aufweist. Wenn das Material genau eingewogen und sauber verteilt wird, kann diese Dichte durch Anwendung eines Druckes von etwa 240 kg/cm² erzielt werden.

Obwohl das Verdichten bei jeder Temperatur oberhalb 20 und unterhalb 327° C durchgeführt werden kann, ist es am bequemsten, das Beschicken und Abstreichen bzw. Schablonieren bei Temperaturen auszuführen, die knapp über 20° C liegen. Es sollte darauf geachtet werden, daß vor dem Sintern die Temperatur nicht unter 20° C absinkt, um ein Ausdehnen oder Schrumpfen zu vermeiden, die bei dieser Übergangstemperatur auftreten.

Im Verlauf des zweiten Verfahrensschrittes wird das Biskuit bei einer Temperatur gesintert, die oberhalb der oberen Übergangstemperatur liegt, aber nicht die Grenze erreicht, bei der eine merkliche Zersetzung beginnt. Das Biskuit sollte während etwa 90 Minuten auf einer Temperatur von 360° C gehalten werden. Um eine Verfärbung des Biskuits zu vermeiden, sollte es während des Sinterns nicht vollkommen eingeschlossen, wohl aber von einer Mulde von entsprechender Form unterstützt sein. Fig. 5 zeigt eine solche Mulde, die aus einer dicken Metallscheibe 38 besteht, welche eine der Gestalt des Belages angepaßte Aushöhlung 39 aufweist.

Das Prägen wird mit einer Prägeform ausgeführt, welche — abgesehen von dem nicht kreisförmigen Umriß und den Löchern 15 — die Gestalt des fertigen Belages einschließlich der Rippen 16, 17 aufweist. Der Prägevorgang ist bei jeder Temperatur ausführbar, die unterhalb der oberen Übergangstemperatur von 327° C liegt. Je höher aber die Prägetemperatur ist, um so wirkungsvoller ist das Abschrecken zur Herbeiführung der Biegsamkeit. Es ist daher angezeigt, bei hohen Temperaturen zu prägen. Die Anwendung eines Prägedruckes von etwa 160 kg/cm² bei ungefähr 318° C führt zu guten Resultaten. Der Prägedruck sollte langsam aufgebaut werden, um ein Reißen des Belages zu vermeiden. Ein Zeitabschnitt von 15 bis 30 Sekunden, je nach Größe und Dicke des Belages, ist dazu ausreichend.

Das gesinterte Biskuit kann entweder noch warm in die erwärmte Prägeform eingebracht oder auch zuerst abgekühlt und in dieser wieder erwärmt werden.

Nach dem Prägen wird das Halbfabrikat abgeschreckt. Zu diesem Zweck sollte es, solange es sich noch in der Prägeform befindet, innerhalb eines Zeitraumes von 10 bis 15 Sekunden auf eine Temperatur von etwa 150° C abgekühlt werden. Beim Abschrecken in dieser Weise wird die Oberflächenglätte und die Schmiegsamkeit, d. h. die Fähigkeit zum Biegen ohne einzureißen, wesentlich verbessert.

Das Abschrecken sollte mit gleichförmiger Geschwindigkeit geschehen. Dies erfordert, daß aus dem Hocker in größerem Ausmaß Wärme abgeführt wird als aus dem diesen umgebenden dünneren Teil des Belages. Vorzugsweise geschieht das Abschrecken dadurch, daß durch Kanäle der Prägeform Kühlflüssigkeit geleitet wird. Durch günstige Formung und Anordnung der Kühlkanäle und richtige Bemessung der Strömungsgeschwindigkeit kann ein gleichmäßiges Abschrecken annähernd erreicht werden.

Eine entsprechend abkühlbare Prägeform ist in den F i g. 6, 7 und 8 dargestellt. Der Raum, in dem das gesinterte Biskuit eingeschlossen ist und in dem es geprägt wird, ist von einem Oberteil 41 und einem Unterteil 43 umschlossen. Das Unterteil 43 ist mit einem Ring 44 umgeben, der zur Aufnahme und Führung des Oberteiles 41 dient, das seinerseits mit einem gesonderten Mittelstück 42 versehen ist. An der oberen Seite des Oberteiles 41 befindet sich eine ringförmige Rinne 45, die mit einer Platte 46 dicht abgedeckt ist und einen Weg für Kühlwasser bildet, das durch einen Einlaß 47 an einer Seite zugeführt und einen Auslaß 48 an der gegenüberliegenden Seite abgeführt werden kann. In ähnlicher Weise ist das Formunterteil 43 an seiner Unterseite mit einer Ausnehmung 49 versehen, die mit einer Platte 51 abgedeckt ist und mit einem Einlaß 52 und einem Auslaß 53 ausgestattet ist. Der notwendige Prägedruck kann von einer üblichen hydraulischen Presse ausgeübt werden, zwischen deren Platten die Prägeform eingelegt wird.

Der Belag wird nach dem Härten zugeschnitten und mit den Löchern 15 versehen. Auch der Stift 19 wird nach dem Abschrecken eingesetzt, da sonst in der Buchse 27, im Preßstempel 29 und im Prägeformoberteil 41 Aussparungen vorgesehen sein müßten. Wenn der Stift 19 etwa so weit vorsteht wie in F i g. 1 gezeigt wird, kann er, ohne Schwierigkeiten und ohne eine Beschädigung zu verursachen durch die Öffnung einer Stützmembran durchgedrückt werden, deren Durchmesser dem des Bolzenschaftes entspricht. Wenn es sich zweckmäßig erweisen sollte, kann der Stift auch nach dem Durchstecken des Bolzenschaftes durch die öffnung der Stützmembran in diesen eingesteckt werden.
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Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von biegsamen Membranen oder Membranüberzügen aus PoIytetrafluoräthylen mit einer zentralen Erhebung zur Halterung eines Bolzenkopfes, bei welchem das körnige oder pulverförmige Polytetrafluor-

äthylen in eine Form eingebracht, in dieser verdichtet und bei einer oberhalb der oberen Ubergangstemperatur liegenden Temperatur zu einem Biskuit gesintert und schließlich abgeschreckt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Polytetrafluoräthylen in die Form unter Einwirkung eines Druckes möglichst gleichförmig verdichtet wird, so daß das Verhältnis der unter dem Bolzenkopf sich befindenden Schichtstärke zur Gesamthöhe der zentralen Erhebung stets gleichbleibt und nach dem Sintern das Biskuit bei einer noch unterhalb der oberen Übergangstemperatur liegenden Temperatur in seine endgültige Form geprägt und unter Aufrechterhaltung des Prägedruckes in der Form abgeschreckt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Menge des körnigen Materials zur Ausbildung der außerhalb und unter der zentralen Erhebung liegenden Biskuit- ao teile ausgewogen und durch Abstreichen gleichmäßig verteilt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichten bei einer knapp oberhalb 20° C liegenden Temperatur ausgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern des Kunststoffes während einer Dauer von etwa 90 Minuten bei etwa 360° C erfolgt, wobei die Unterseite des Biskuits ihrer Gestalt entsprechend unterstützt wird und anschließend das Prägen des Biskuits bei einer Temperatur von etwa 318° C und einem Druck von etwa 160 kg/cm² erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Prägen des Biskuits an der der Erhebung abgewandten Seite Rippen geformt werden, wobei der Druck langsam, z. B. in einem Zeitabschnitt von 15 bis 30 Sekunden, aufgebaut wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abschrecken die Temperatur der Membran in 10 bis 15 Sekunden von etwa 318 auf 150° C vermindert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abschrecken der Membran der Erhebung mehr Wärme entzogen wird als dem sie umgebenden dünneren Teil, so daß insgesamt eine annähernd gleichförmige Abschreckgeschwindigkeit erreicht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die geprägte Membran auf Fertigmaß beschnitten und mit Löchern für die Klemmschrauben versehen wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bestehend aus einer Matrize und einer mit dieser zusammenwirkenden Patrize, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (24) der der Erhebung (13) abgewandten Oberfläche der herzustellenden Membran entspricht, während die Patrize (25) mit einer zentralen Ausnehmung (26) zur Bildung der Erhebung (13) und einem in der Ausnehmung verschiebbar gelagerten Preßstempel (29) versehen ist, wobei der Preßstempel und die Patrize unabhängig voneinander verschiebbar sind und ihre Relativbewegung gegenüber der Matrize z. B. mittels Anschlägen (32, 33) begrenzt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßstempel (29) mittels eines Preßkolbens (35) hydraulisch betätigbar ist, der in einem in der Patrize (25) angeordneten Preßzylinder (34) verschiebbar geführt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 815 104, 866 848;
Dr.-Ing. Fabel, »Deutsches Jahrbuch für die Industrie der plastischen Massen«, 1951/1952, S. 390.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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