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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine bithermale Leitung, d.h. einen
schlauchförmigen
Hohlkörper,
der dazu geeignet ist eine sichere und stabile Funktion zu gewährleisten,
obwohl die Innentemperatur und die Außentemperatur bei Funktion
stark voneinander abweichen, sowie ein Herstellungsverfahren dafür.
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Stand der
Technik
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In
vielen Bereichen der Technik werden Schläuche eingesetzt, die dazu dienen
in einer relativ kalten Umgebung warme oder gar heiße Gase
zu transportieren. Ein Beispiel eines derartigen Schlauchs, der
im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch bithermale Leitung genannt
wird, ist ein Ladeluftschlauch im Automobilbereich. Dabei gibt es einen
Heißbereich,
d.h. den inneren Hohlraum des Schlauchs und die innere Anschlussfläche, sowie
einen Kaltbereich, d.h. die äußere Umgebung
des Schlauchs. Die Temperaturdifferenz über die Schlauchwandung ist
dabei, insbesondere im Winterbetrieb, erheblich. Derartige Schläuche müssen daher
eine ausreichende thermische und auch mechanische Stabilität und Haltbarkeit
aufweisen, damit ein problemloser Betrieb auch über einen langen Zeitraum möglich ist.
Weiterhin wird im Stand der Technik der Werkstoff einheitlich am
Heißbereich
orientiert, so dass große
Beschränkungen
im Hinblick auf mechanische Beanspruchungen sowie Werkstoffkombinationen
bestehen. Insgesamt konnte der Stand der Technik daher zufriedenstellende
Produkte für
den hier genannten Anwendungsbereich nicht zur Verfügung stellen.
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Insbesondere
im Automobilbereich werden daher teilweise konträre Anforderungen an derartige Leitungen
gestellt. Einerseits sollen sie aus möglichst billigen Materialien
gefertigt sein, da insbesondere im Automobilbereich der Kostendruck
ein wesentliches Entscheidungskriterium ist, wobei gleichzeitig
eine lang anhaltende Funktion erforderlich ist. Gleichzeitig sollte
der Aufbau der Leitung möglichst
einfach sein, so dass eine gute und problemlose Fertigung gewährleistet
ist. Andererseits sollen derartige bithermale Leitungen ausreichend
widerstandsfähig
gegenüber
den harten Betriebsbedingungen sein, um eine möglichst langanhaltende Lebensdauer
selbst bei hohen Beanspruchungen zu ge währleisten. Die Herstellung
einer derartigen Leitung sollte insbesondere auch durch einfache
Verfahren möglich
sein, ohne dass komplizierte Verfahrensschritte notwendig sind,
die ggf. zu einem erhöhtem
apparativen Aufwand führen.
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Aufgabe der
vorliegenden Erfindung
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine bithermale
Leitung anzugeben, sowie ein Herstellungsverfahren dafür, die die
oben aufgelisteten Anforderungen erfüllt.
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Kurze Beschreibung
der vorliegenden Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch die bithermale Leitung nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen
definiert.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
bithermale Leitung der vorliegenden Anmeldung zeichnet sich durch
einen einfachen, im Prinzip zweischichtigen Aufbau aus. Dadurch
wird eine einfache Herstellbarkeit gesichert, ohne dass Abstriche
im Hinblick auf die Funktionsfähigkeit
und Haltbarkeit gemacht werden müssen.
Durch die erfindungsgemäße Materialauswahl
wird die Funktionsfähigkeit
und Haltbarkeit gesichert, wobei zusätzlich auch das Kriterium der
Kosten Berücksichtigung
findet.
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Die
erfindungsgemäße bithermale
Leitung umfasst zwei wesentliche Bereiche:
- – einen
innenliegenden Heißbereich,
der erfindungsgemäß ein Hochleistungselastomer
umfasst; und
- – einen
außenliegenden
Kaltbereich, der ein konventionelles und daher billigeres Elastomermaterial
umfasst.
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Dieser
einfache Aufbau der erfindungsgemäßen bithermalen Leitung erfüllt überraschend
die gewünschten
Anforderungen, so dass die oben skizzierte Aufgabe gelöst werden
konnte.
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Diese
beiden Bereiche, die üblicherweise
als Schichten der Schlauchwandung ausgestaltet sind, können an
ihrer Grenzfläche
zusätzlich
ein Faserverstärkungsmaterial
aufweisen, um die mechanische Festigkeit zu erhöhen. Dieses Faserverstärkungsmaterial
kann auch innerhalb des Kaltbereichs vorgesehen sein, insbesondere
wenn das Vorliegen des Faserverstärkungsmaterials zu einer ungenügenden Haftung
zwischen den Schichten des Heißbereichs und
des Kaltbereichs führt.
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Der
prinzipielle Schlauchaufbau, bezogen auf die einzelnen Schichten,
lässt sich
also wie folgt skizzieren (von Innen nach Außen):
- Heißbereich/Kaltbereich
- Heißbereich/Faserverstärkungsmaterial/Kaltbereich (bevorzugt
AEM/Aramidfasern/CM)
- Heißbereich/Kaltbereich/Faserverstärkungsmaterial/Kaltbereich
(bevorzugt AEM/CM/Aramidfasern/CM)
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Im
Hinblick auf die oben angeführten
Schichten mit dem Fasererstärkungsmaterial
muss angeführt
werden, dass diese in der bithermalen Leitung selbst nicht als diskrete
Schichten auszumachen sind, da die sie umgebenden Elastomerschichten
so miteinander verschmelzen, dass die Faserverstärkung an der jeweiligen Grenzfläche vorliegt,
eingebettet in die Elas6tomermaterialien.
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Bevorzugt
umfassen die jeweiligen Schichten nur die Elastomer- bzw. Faserverstärkungsmaterialien,
insbesondere um die Herstellung zu vereinfachen und um die Kosten
zu kontrollieren. Es kann jedoch notwendig sein, den einzelnen Schichten
weitere Bestandteile hinzuzufügen,
wie Haftvermittler, zur Erhöhung
der Haftung zwischen den einzelnen Schichten, Antistatikmittel,
Füllstoffe
oder Farbstoffe oder Pigmente. Diese Stoffen können den jeweiligen Ausgangsmaterialien
für die
jeweiligen Schichten zugegeben werden, alternativ, insbesondere
im Hinblick auf die Haftvermittler, ist es auch möglich diese auf
eine bereits produzierte Schicht aufzutragen oder sie durch vorherige
Auftragung auf eine Schicht aus Faserverstärkungsmaterial in die bithermale
Leitung einzuführen.
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Die
als Haftvermittler, Antistatikmittel, Füllstoff oder Farbstoff/Pigment
einzusetzenden Materialien sind dem Fachmann im Prinzip bekannt
und können
daher von ihm in geeig neter weise ausgewählt werden. Auch die Einbringung
in die Leitung, die einzusetzenden Mengen usw. kann der Fachmann
geeignet bestimmen.
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Wie
vorstehend ausgeführt,
umfasst die bithermale Leitung der vorliegenden Erfindung lediglich
die vorstehend definierten Schicht. Es ist jedoch möglich noch
weitere Schichten vorzusehen, insbesondere eine oder mehrere, außenliegende
Funktionsschichten, beispielsweise zur farblichen Kennzeichnung,
zur Erhöhung
der Sicherheit oder zur Isolierung oder als Dämpfungsschicht.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung werden die Materialien für die wesentlichen Schichten
wie folgt ausgewählt:
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Heißbereich:
Hochleistungselastomermaterialien, die eine ausreichende Haltbarkeit
auch gegenüber
hohen Temperaturen ermöglichen,
wobei gleichzeitig eine ausreichende Druckbeständigkeit und Gasundurchlässigkeit
gegeben ist. Geeignete Materialien sind insbesondere AEM (z.B. VAMAC (Handelsname)),
ECO, ACM, HTACM oder vergleichbare Materialien. Bevorzugt ist insbesondere
AEM.
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Die
Dicke der innenliegenden Schicht, umfassend das Hochleistungselastomermaterial
beträgt bevorzugt
40 bis 60% der Gesamtdicke der bithermalen Leitung, stärker bevorzugt
45 bis 55% der Gesamtdicke. Diese Schicht weist bevorzugt eine Stärke von
1,5 bis 3 mm, bevorzugt 1,9 bis 2,5, insbesondere bevorzugt 2,0
bis 2,3 mm.
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Wie
vorstehend ausgeführt,
besteht diese Schicht bevorzugt aus dem Hochleistungselastomermaterial,
ggf. unter Beimischung optionaler Komponenten in üblichen
Mengen, insbesondere Haftvermittler, Antistatikmittel oder Farbstoffe/Pigmente.
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Kaltbereich:
Konventionelles Elastomermaterial, so dass eine ausreichende mechanische
Haltbarkeit gesichert wird. Hierdurch wird insbesondere auch der
Kostenfrage Rechnung getragen. Geeignete Materialien sind CM, EPDM,
CSM, CR oder vergleichbare preiswerte Elastomere. Bevorzugt ist
insbesondere CM.
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Die
Dicke dieser außenliegenden
Schicht, umfassend das konventionelle Elastomermaterial beträgt bevorzugt
60 bis 40% der Gesamtdicke der bithermalen Leitung, stärker bevorzugt
55 bis 45% der Gesamtdicke. Diese Schicht weist bevorzugt eine Stärke von
1,5 bis 3 mm, bevorzugt 1,9 bis 2,5, insbesondere bevorzugt 2,0
bis 2,3 mm. Bei der oben beschriebenen Variante, dass eine Faserverstärkungsmaterialschicht
in die äußere Schicht
aus konventionellem Elastomermaterial eingebettet ist, bezieht sich
die vorstehende Schichtstärke
auf die Summe der beiden einzelnen, die Faserverstärkungsmaterialschicht
umgebenden Schichten. Wie vorstehend ausgeführt trägt die Faserverstärkungsmaterialschicht
selbst nicht zur Schichtstärke
bei, da sie vollständig
in die Elastomerschichten eingebettet ist.
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Wie
vorstehend ausgeführt,
besteht diese Schicht bevorzugt aus dem konventionellen Elastomermaterial,
ggf. unter Beimischung optionaler Komponenten in üblichen
Mengen, insbesondere Haftvermittler, Antistatikmittel oder Farbstoffe/Pigmente.
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Faserverstärkungsmaterial:
Dieses Material dient insbesondere der weiteren mechanischen Verstärkung der
bithermalen Leitung. Geeignete Materialien sind die üblichen
Faserverstärkungsmaterialien,
wie Kevlargarne, Aramidfasern, Kohlenstof- oder Siliziumfasern,
Glasfasern, Rayonmaterialien usw. aber auch Baumwollfasern, Cellulosefasern
o.ä. Bevorzugt
sind Aramid oder Kevlar.
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Geeignete
Garnschichten sind Fasermatten mit eine Stärke von 0,2 bis 1,0 mm, bevorzugt
0,3 bis 0,5 mm. Wie bereits vorstehend ausgeführt tragen diese Schichtmaterialien
jedoch nicht zur Gesamtdicke der bithermalen Leitung bei, da diese
nach der Herstellung der Leitung vollständig in die konstituierenden
Elastomermaterialien eingebettet sind.
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Der
oben geschilderte Schichtaufbau mit einer Innen vorgesehenen Schicht
aus einem Hochleistungselastomermaterial und einer Außen vorgesehenen
Schicht aus einem konventionellen Elastomermaterial, ggf. verstärkt mit
einem Faserverstärkungsmaterial,
sichert die gewünschte
Funktion der erfindungsgemäßen Leitung,
wobei gleichzeitig eine gute Herstellbarkeit bei überschaubaren
Kosten gewährleistet
ist. Die Gesamtdicke der erfindungsgemäßen bithermalen Leitung beträgt bevorzugt
von 3 bis 6 mm, stärker
bevorzugt von 3,5 bis 5 mm und insbesondere etwa 4,2 bis 4,5 mm.
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Die
erfindungsgemäße Leitung
kann durch konventionelle Verfahren hergestellt werden, die im Bereich
der Schlauchherstellung prinzipiell bekannt sind. Geeignet sind
insbesondere Extrusions- und Coextrusionsverfahren, zur sequentiellen
oder gleichzeitigen Herstellung der Schichten, ggf. mit einem abschließenden Verarbeitungsschritt
zur Erhöhung
der Integrität
der Leitung (Verschmelzung der Elastomerschichten und der Schicht mit
dem Faserverstärkungsmaterial),
bzw. Zwischenschritten zur Einbringung des Faserverstärkungsmaterials
bzw. zur Auftragung von Haftvermittler.
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Die
in diesem Zusammenhang notwendigen Vorrichtungen und Verfahrensparameter
kann der Fachmann, basierend auf den vorstehenden Ausführungen
und seinem Fachwissen geeignet auswählen.
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Die
erfindungsgemäßen bithermalen
Leitungen weisen im Gegensatz zur konventionellen Leistungen Schichten
aus zwei verschiedenen Werkstoffen auf, so dass es bei einigen Werkstoffkombinationen
im Laminat zu systemimanenten Kombatibilitätsproblemen kommen kann. Kann
eine ausreichende und dauerhafte Lagenverbindung durch eine geeignete
Werkstoffauswahl für
die wesentlichen Schichten der erfindungsgemäßen bithermalen Leistung hergestellt
werden, so kann vorteilhafter Weise, wie bereits vorstehend ausgeführt wurde,
ein Haftvermittler oder ein Kompatibilitätsverbesserer eingesetzt werden,
um die Werkstoffverbundwirkung zu erhöhen.
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Im
Zusammenhang mit den bereits vorstehend ausgeführten bevorzugten Ausführungsformen, die
Haftvermittler betreffen, können
noch folgende bevorzugte Ausführungsformen
für die
erfindungsgemäßen bithermalen
Leitungen bzw. das erfindungsgemäße Verfahren
benannt werden.
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Eine
Alternative zur Verbesserung der Haftung zwischen den Laminatschichten
ist die Einbringung eines getrennt hergestellten und getrennt aufgetragenen
Haftvermittlers. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn derartige
Haftvermittler als Lösung
oder Dispergierung zwischen die beiden wesentlichen Schichten der
erfindungsgemäßen bithermalen
Leitung appliziert werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen,
dass die im folgenden genauer beschriebene Lösung bzw. Dispergierung auf die
innere Schicht aufgebracht wird, wonach dann die Faserstärkungsmaterialschicht
und anschließend
die zweite, äußere Schicht
aufgetragen werden. Geeignete Materialien für derartige Lösungen oder
Dispergierungen sind insbesondere Elastomermaterialien, bevorzugt
entweder das Material bzw. die Materialmischung der inneren Schicht
oder das Material oder die Materialmischung der äußeren Schicht oder eine Mischung
beider Materialien bzw. beider Materialzusammensetzungen. Als Lösungsmittel
oder Dispergiermittel kommen die klassischen organischen Lösungsmittel
in Frage. Bevorzugt ist in diesem Zusammenhang, wenn die oben angeführte Mischung
der Materialien aus der inneren und der äußeren Schicht eingesetzt wird.
Zusätzlich
kann in diesem Zusammenhang auch noch die Haftvermittlung weiter
gesteigert werden durch Zugabe von Additiven, wie Ressorcin und/oder
Formaldehyd, Isocyanat, Silanen, Siloxanen, Acrylaten und anderen
bekannten Haftvermittlern. Diese werden in geeigneten Anteilen zur
Lösung
bzw. zur Dispergierung der Elastomermaterialien in den Lösungsmitteln
gegeben.
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Eine
zweite Alternative ist die Integrierung der Haftvermittler in die
Materialmischungen für
die jeweiligen das Laminat bildenden Schichten. Dies bietet insbesondere
den Vorteil einer lösungsmittelfreien
Herstellung sowie einer gleichbleibenden Qualität, da keine Schwankungen bei
der Auftragung zu befürchten
sind. Als Komponenten für
die Haftvermittlung durch den integrierten Haftvermittler kommen
die oben im Zusammenhang mit der ersten Alternative aufgelisteten
Materialien in Frage. Durch die Additivierung der das Laminat bildenden
Mischungen kann so eine verbesserte Durchdringung und Haftung an
der Grenzfläche
der Schicht gesichert werden.
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Eine
dritte und insbesonders bevorzugte Alternative für die Verstärkung der Haftung der einzelnen
Laminatschichten ist allerdings die sogenannte Covulkanisation der
beiden Elastomermischungen. Dabei werden zunächst die konsituierenden Schichten
der erfindungsgemäßen bithermalen
Leitung miteinander zur gewünschten
Leitung zusammengeführt,
worauf sich ein Vulkanisationsschritt anschließt. Dabei wird, üblicherweise
durch eine extern zugeführte
Temperatureinwirkung ein in den Ausgangsmischungen vorhandenes Vulkanisationssystem
aktiviert, so dass die gewünschten,
entgültigen Elastomereigenschaften
erreicht werden. Durch die Covulkanisation wird erreicht, dass insbesondere auch
an der Grenzfläche
eine grenzflächenüberschreitende
Vulkanisation stattfindet, so dass die Haftung verbessert wird.
Dazu wird durch geeignete Materialauswahl zunächst sichergestellt, dass die
jeweiligen Vernetzungssysteme für
die jeweiligen konstituierenden Schichten so aufeinander abgestimmt sind,
dass die thermische Vulkanisationsreaktion gleichzeitig oder zumindest
in einem sehr engen Zeitraum stattfindet. Die üblichen zur Vulkanisation eingesetzten
Additivsysteme, wie Aktivatoren und Vernetzungsreagenzien, können dabei
eingesetzt werden, wobei lediglich darauf zu achten ist, dass die ausgewählten Vernetzungssysteme
in geeigneter Weise aufeinander abgestimmt sind.
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Da
die zur Vernetzung des Elastomermaterials notwendige Erwärmung des
Laminats (der bithermalen Leitung) üblicherweise von außen nach
innen erfolgt, muss die Vernetzungscharakteristik proportional den
einzelnen Schichtstärken
von außen
nach innen schneller werdend ausgelegt sein. Dies kann entweder
durch die geeignete Auswahl der Vernetzungssysteme in den einzelnen
Schichten sichergestellt werden oder durch die Dosierung der Vernetzungssysteme über den
Dickenbereich der Wandung der bithermalen Leitung. In einer Ausführungsform dieser
Alternative steigt also der Anteil an Vernetzungssystem von außen nach
innen an, um so die gewünschte
schnellere Vulkanisation auf der Innenseite der bithermalen Leitung
sicherzustellen.
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Die
bithermalen Leitung der vorliegenden Erfindung kann hergestellt
werden durch ein Verfahren, umfassend das Bereitstellen einer inneren
Schicht mit einem Hochleistungselastomermaterial durch ein Extrusionsverfahren,
das Bereitstellen eine äußeren Schicht
mit einem konventionellen Elastomermaterial durch ein Extrusionsverfahren,
und das Verbinden der inneren mit der äußeren Schicht.
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Bevorzugt
umfasst das Verfahren weiter das Bereitstellen einer Schicht aus
einem Faserverstärkungsmaterial
zwischen der inneren und der äußeren Schicht.
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Bevorzugt
umfasst das Verfahren weiter die Aufbringung eins Haftvermittlers
auf mindestens eine der Schichten.
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Bevorzugt
umfasst das Verfahren weiter die Aufbringung einer äußeren Funktionsschicht
auf der Außenseite
der äußeren Schicht
mit einem konventionellen Elastomermaterial.
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Bevorzugt
erfolgt das Verbinden der jeweiligen Schichten durch eine Wärmebehandlung und/oder
Druckbehandlung.
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Die
bithermale Leitung der vorliegenden Erfindung eignet sich als Ladeschlauch
im Automobilbereich.