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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Weichstoffdichtung mit einer Randeinfassung und insbesondere eine Weichstoffdichtung mit mindestens einer Randeinfassung aus einem Metall-Kompositwerkstoff, bevorzugt einem Metall-Polymer-Kompositwerkstoff.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Weichstoffdichtungen (auch Flachdichtungen genannt) finden in vielen Gebieten der Industrie und der Automobiltechnik (Getriebe, Ölwanne, Achsen, Kühler, Saugrohr etc.) Anwendung. Insbesondere sind Weichstoffdichtungen als Deckelabdichtungen, Filterdichtungen, in Getrieben, Kompressoren, Pumpen und Motoren aller Art sowie in industriellen Großanlagen als Flansch- oder Deckeldichtungen im Einsatz. Eine beispielhafte Offenbarung für die Zusammensetzung von Weichstoffdichtungswerkstoffen ist in der Europäischen Patentschrift mit der Veröffentlichungsnummer
EP 0 734 472 B1 bereitgestellt, die in ihrer Gesamtheit und insbesondere mit ihrer Beschreibung auf Seite 3, Zeile 1 bis Seite 4, Zeile 32 und Tabelle 1 der Patentoffenlegungsschrift in dieser Beschreibung aufgenommen ist. Gleiches gilt für die Offenbarung in [0021]-[0025] der
EP 1 293 709 A1 und Seite 9, Zeile 12 bis Seite 11, Zeile 19 der und Beispiele 1-3 der
DE 3232255 A1 . Weitere Ausführungsformen für die Weichstoffmaterialzusammensetzung sind in den Beispielen dieser Beschreibung angegeben. Jedoch sollte die genaue Zusammensetzung der Weichstoffdichtung der vorliegenden Erfindung nicht eingeschränkt werden, da die Anzahl möglicher Inhalts- und Zusatzstoffe nahezu unmöglich komplett anzugeben ist und für die Funktion der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen unerheblich ist.
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Metallische Einfassungen für Weichstoffdichtungen werden für viele Dichtungsanwendungen eingesetzt, um folgende Vorteile zu erzielen:
- - Abschirmung des Dichtungsquerschnitts gegen das Medium
- - Verhinderung von Kontaminationen des Mediums durch Herauslösung von Dichtungsbestandteilen
- - Abschirmung, um Eindringen des Mediums in das Dichtungsmaterial zu vermeiden (in der Praxis lässt sich eine vollständige Abschirmung gegen das Medium in den seltensten Fällen realisieren)
- - Mechanische Verstärkung der Dichtung
- - Schutz vor Herausdrücken der Dichtung
- - Erhöhung der mechanischen Stabilität
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Diese theoretischen Vorteile von metallischen Randeinfassungen bei Weichstoffdichtungen haben dazu geführt, dass einige Standards bestimmter Anwendungen eine metallische Randeinfassung vorschreiben. Jedoch weisen metallische Einfassung in der Praxis erhebliche Nachteile auf. Generell muss eine Weichstoffdichtung verpresst werden, damit Dichtheit erreicht werden kann. In der Regel gilt: je mehr Flächenpressung vorhanden ist, desto dichter wird das System.
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Eine metallische Einfassung beeinflusst die Leckage einer Weichstoffdichtung jedoch aus folgenden Gründen negativ:
- - Metall verformt sich beim Einbau nicht, bzw. nur geringfügig. Die Weichstoffdichtung wird weniger stark verpresst, da die metallische Einfassung einen Großteil der Verformungskraft/Verpressungskraft in Anspruch nimmt;
- - Durch die reduzierte Verpressungskraft resultiert eine erhöhte Oberflächenleckage (Dichtung kann sich nicht mehr so gut an Oberflächenrauigkeiten anpassen) und Querschnittsleckage (Dichtung wird nicht mehr so stark verpresst - höherer Porenanteil)
- - Dieser Effekt lässt sich bei allen Weichstoffdichtungen feststellen, egal auf welchem Material die Weichstoffdichtung basiert (z.B. Graphit-Weichstoffdichtung, Faser-Weichstoffdichtung, Glimmer-Weichstoffdichtung etc.)
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1 bis 3 zeigen Diagramme der Leckrate bzw. Leckagerate in mg/m/s (Emissionsrate) in Abhängigkeit von der Flächenverpressung (in MPa) unterschiedlicher Weichstoffdichtungen bei einem Innendruck von 40 bar und einer Temperatur von 25°C für Helium gezeigt (entspricht der Norm DIN EN 13555 „Flansche und ihre Verbindungen - Dichtungskennwerte und Prüfverfahren für die Anwendung der Regeln für die Auslegung von Flanschverbindungen mit runden Flanschen und Dichtungen“). 1 zeigt dabei ein Leckagediagramm einer handelsüblichen Faserweichstoffdichtung ohne Randeinfassung, 2 ein Leckagediagramm einer handelsüblichen Faserweichstoffdichtung mit metallischer Innen-Einfassung mit einer Blechstärke von 0,10 mm und 3 ein Leckagediagramm einer handelsüblichen Faserweichstoffdichtung mit einer metallischen Innen-Einfassung mit einer Blechstärke von 0,15 mm.
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Mit Bezug auf 3 wird üblicherweise eine 0,15 mm starke Einfassung verwendet. Diese bewirkt eine starke Verschlechterung des Leckageverhaltens (benötigte Flächenpressung um Leckagerate 1,0E-02 zu erreichen: 49 MPa, statt wie bei Variante ohne metallische Einfassung bei 29 MPa).
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Um diesen negativen Einfluss abzuschwächen, kommt es vermehrt zum Einsatz einer dünneren Einfassung (0,10 mm statt wie üblich 0,15 mm, 2). Diese besitzt zwar im Vergleich zur stärkeren Einfassung ein besseres Leckageniveau, im Vergleich zu einer Dichtung ohne metallische Einfassung ist jedoch eine deutliche Verschlechterung der Leckage feststellbar (benötigte Flächenpressung um Leckagerate 1,0E-02 zu erreichen: 39 MPa, statt wie bei ungebördelter Variante bei 29 MPa).
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Eine dünnere Einfassung (0,10 mm) schwächt die Leckageverschlechterung im Vergleich zur Standard-Einfassung ab. Gleichzeitig wird jedoch der Vorteil der „mechanischen Verstärkung“ reduziert. Folglich muss aktuell immer ein Kompromiss zwischen „mechanischer Verstärkung“ und „Leckageverschlechterung“ eingegangen werden, wie in 1-3 zu erkennen ist.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Um die oben beschriebenen Nachteile im aktuellen Stand der Technik auszuräumen, stellt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Weichstoffdichtung bereit. Die vorliegende Erfindung wird dabei durch den beigefügten Anspruch 1 bereitgestellt. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung eine Weichstoffdichtung bereit, umfassend ein Weichstoffmaterial in der Form eines (bevorzugt flachen) Rings und mindestens einer Randeinfassung. Der Ausdruck „Ring“ bzw. „ringförmig“ sollte im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung im weitesten Sinne ausgelegt werden, so dass z.B. auch unrunde Ringe oder Vieleckringe mit eckigen Innen- und/oder Außenrändern unter den Ausdruck „Ring“ fallen. Wesentlich ist in diesem Zusammenhang nur die geschlossene Umrundung einer Öffnung durch das Weichstoffmaterial. Die Randeinfassung umfasst insbesondere einen Metall-Verbundwerkstoff bzw. Metall-Kompositwerkstoff, der eine Metalllage und eine Polymerlage umfasst. Mit Kompositwerkstoff ist in der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Schichtaufbau unterschiedlicher Materialien gemeint. In einer speziellen Ausführungsform besteht die Randeinfassung aus der Metalllage und der Polymerlage. Besonders bevorzugt ist die Ausführung der Weichstoffdichtung als Kreisring.
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In einer Ausführungsform der Weichstoffdichtung ist die Metalllage der Randeinfassung zwischen dem Weichstoffmaterial der Weichstoffdichtung und der Polymerlage angeordnet.
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In einer Ausführungsform der Weichstoffdichtung ist die Polymerlage die äußerste Lage der Randeinfassung der Weichstoffdichtung und steht im eingebauten Zustand in direktem Kontakt zu einer abzudichtenden Fläche.
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In einer Ausführungsform der Weichstoffdichtung umfasst das Weichstoffmaterial ein Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Graphit, Glimmer, insbesondere Phlogopit-Glimmer, Muskovit-Glimmer, oder Vermiculite, Aramidfasern, Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR-Kautschuk), Polytetrafluorethylen (PTFE), Fluorkarbon-Kautschuk bzw. Fluorkautschuk (FKM, veraltet auch FPM) und einer Kombination dieser Materialien.
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In einer Ausführungsform der Weichstoffdichtung umfasst die Polymerlage Fluorpolymer, z.B. Fluorkautschuk (FKM bzw. FPM) und/oder PTFE, und in einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform umfasst die Polymerlage FKM. In einer speziellen Ausführungsform besteht die Polymerlage aus Fluorpolymer, z.B. FKM, FPM, PTFE oder einer Kombination dieser Materialien, und in einer anderen bevorzugten Ausführungsform aus FKM, FPM oder PTFE. Es sei angemerkt, dass FKM viele vorteilhafte Eigenschaften aufweist, die die Vorteile der vorliegenden Erfindung voll unterstützen. Jedoch sollte die vorliegende Erfindung keinesfalls auf die Verwendung von FKM eingeschränkt werden, da viele weitere Polymere, insbesondere Fluorpolymere und deren Mischungen für die Verwendung als Polymer der vorliegenden Erfindung geeignet sind.
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In einer Ausführungsform der Weichstoffdichtung umfasst die Metalllage Edelstahl. In einer speziellen Ausführungsform besteht die Metalllage aus Edelstahl.
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In einer Ausführungsform der Weichstoffdichtung steht das Weichstoffmaterial der Weichstoffdichtung in direktem Kontakt zu einer abzudichtenden Fläche.
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In einer Ausführungsform der Weichstoffdichtung ist mindestens eine Randeinfassung ein Innenbördel oder ein Außenbördel. Es sei angemerkt, dass die Weichstoffdichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auch eine Innen- und eine Außenrandeinfassung, z.B. einen Innen- und einen Außenbördel umfassen kann.
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In einer Ausführungsform der Weichstoffdichtung ist mindestens eine Randeinfassung aus einem Kompositblech gefertigt, das eine Metalllage umfasst, die mit einem Polymer beschichtet wurde. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Polymerbeschichtung im Wesentlichen aus Fluorpolymer, weiterhin bevorzugt aus FKM.
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Mit Bezug auf 4, die ein Leckage-Flächenpressung-Diagramm einer erfindungsgemäßen Weichstoffdichtung mit einer Innenrandeinfassung aus einem Polymer-Metall-Kompositwerkstoff zeigt, ist die erfindungsgemäße Weichstoffdichtung in der Lage nicht nur die Nachteile herkömmlicher metallisch eingefasster Weichstoffdichtungen auszuräumen, sondern verbessert darüber hinaus auch die Dichtleistung einer entsprechenden Weichstoffdichtung ohne Metalleinfassung (siehe zum Vergleich 1, die Messbedingungen sind in 4 abgesehen von der Temperatur identisch, DIN EN 13555). Wie aus 4 hervorgeht, zeigt die vorliegende Erfindung ihre vorteilhaften Effekte bereits ab einer Flächenverpressung von ca. 5 MPa, beispielsweise mit Helium bei einem Rohrdruck von 40 bar.
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Im eingebauten Zustand ist eine herkömmliche Randeinfassung nicht in der Lage sich ausreichend an Unebenheiten in der abzudichtenden Fläche anzupassen. Im Bereich der herkömmlichen Metalleinfassung selbst besteht demnach kaum eine Dichtwirkung. Zudem bildet die herkömmliche Randeinfassung auch eine Begrenzung für die mögliche Verpressungs- oder Kompressionstiefe des Weichstoffmaterials, da die Metalleinfassung nur bis zu einem gewissen Grad ohne Zerstörung verformbar ist.
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In der vorliegenden Erfindung dient die Polymerschicht dazu die Anpassung an Unebenheiten der abzudichtenden Fläche im Bereich der Randeinfassung zu verbessern. Somit trägt die Randeinfassung selbst erheblich zu abdichtenden Wirkung der Weichstoffdichtung bei.
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Die vorliegende Erfindung erreicht somit das, was die Entwicklung von Metalleinfassungen für Weichstoffdichtungen erst angetrieben hat, nämlich der Wunsch nach einer vorteilhaften Kombination einer guten Leckageleistung mit den Vorzügen einer erhöhten Stabilität und Schutz des Weichstoffmaterials durch die Metalleinfassung.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Leckage-Flächenpressung-Diagramm einer herkömmlichen Faserweichstoffdichtung ohne Randeinfassung.
- 2 ist ein Leckage-Flächenpressung-Diagramm einer herkömmlichen Faserweichstoffdichtung mit einer metallischen 0,10 mm Innenrandeinfassung.
- 3 ist ein Leckage-Flächenpressung-Diagramm einer herkömmlichen Faserweichstoffdichtung mit einer metallischen 0,15 mm Innenrandeinfassung.
- 4 ist ein Leckage-Flächenpressung-Diagramm einer erfindungsgemäßen Weichstoffdichtung mit einer Innenrandeinfassung aus einem Polymer-Metall-Kompositwerkstoff.
- 5 ist eine Perspektivansicht einer Weichstoffdichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 6 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A der erfindungsgemäßen Weichstoffdichtung der 5.
- 7 ist eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts B in 6.
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Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
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5 ist eine Perspektivansicht einer Weichstoffdichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 6 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A der erfindungsgemäßen Weichstoffdichtung der 5. 7 ist eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts B in 6. Besonders bevorzugte Ausführungsformen sind auf Weichstoffdichtungen für Rohrflansche, insbesondere Rohrflansche in industriellen Anwendungen, ferner insbesondere auf statische Rohrflanschweichstoffdichtungen in industriellen Anwendungen gerichtet.
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Mit Bezug auf 5-7 umfasst eine Weichstoffdichtung 10 in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Weichstoffmaterial 20 in der Form eines flachen Rings und mindestens einer Randeinfassung 30, wobei die Randeinfassung 30 einen Metall-Kompositwerkstoff umfasst, der eine Metalllage 32 und eine Polymerlage 34 umfasst. Die Metalllage 32 der Randeinfassung 30 ist bevorzugt zwischen dem Weichstoffmaterial 20 und der Polymerlage 34 angeordnet, d.h. die Metalllage trennt das Weichstoffmaterial von der Polymerlage. Eine Ausbildung der Dichtung als Kreisring ist besonders bevorzugt.
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Die Polymerlage 34 ist weiterhin bevorzugt die äußerste Lage der Randeinfassung 30 und steht im eingebauten Zustand in direktem Kontakt zu einer abzudichtenden Fläche. Die abzudichtende Fläche kann dabei eine Flanschfläche (nicht gezeigt) im Apparatebau oder Rohrleitungsbau sein. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf ein spezielles Anwendungsgebiet beschränkt. Es sei weiterhin angemerkt, dass die Figuren lediglich beispielhaft eine Innenrandeinfassung einer Weichstoffdichtung zeigen. Eine entsprechende Randeinfassung kann stattdessen auch am Außenrand der Weichstoffdichtung vorgesehen sein oder es ist zugleich eine Innenrandeinfassung und eine Außenrandeinfassung gemäß der Erfindung vorgesehen. Die entsprechende Auswahl wird üblicherweise abhängig vom beabsichtigten Einsatzgebiet der Dichtung vorgesehen (welches Medium innen und außen vorliegt, Über- oder Unterdruck, Temperaturgradienten etc.).
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In einer Ausführungsform weist die Weichstoffdichtung 10 wenigstens eine, bevorzugt wenigstens drei Öffnungen auf (nicht gezeigt), die zur Passage eines Befestigungselements, z.B. einen Bolzen eines Rohrflansches, dienen.
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In einer Ausführungsform umfasst das Weichstoffmaterial ein Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Graphit, Glimmer, insbesondere PhlogopitGlimmer, Muskovit-Glimmer oder Vermiculite, Aramidfasern, Nitril-Butadien-Kautschuk, FKM, Polytetrafluorethylen (PTFE), expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE) und einer Kombination dieser Materialien. Generell sind auch andere Materialien, die für Weichstoffdichtungen verwendbar sind, geeignet, um gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Metall-Polymer-Kompositrandeinfassung ausgestattet zu werden, je nach gewünschtem Anwendungsgebiet. Es sollte daher verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine spezielle Auswahl an Weichstoffmaterial einzuschränken ist.
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Ein besonders bevorzugtes Material für die Polymerlage 34 ist Fluorpolymer, weiterhin bevorzugt FKM. Es lässt sich mechanisch gut mit einer Metalllage 32 verbinden, ist flexibel genug, um sich schnell an Unebenheiten der abzudichtenden Fläche anzupassen und weist eine gute chemische Widerstandsfähigkeit auf. Ein Bevorzugtes Material für die Metalllage 32 ist Edelstahl. Jedoch sind je nach Anwendung auch andere widerstandsfähige Metalle oder Metalllegierungen als Ausgangsstoff für die Metalllage 32 der Randeinfassung 30 der vorliegenden Erfindung denkbar und die vorliegende Erfindung sollte nicht auf Edelstahl beschränkt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Randeinfassung 30 aus einem Kompositblech gefertigt, das eine Metalllage umfasst, die mit einem Polymer beschichtet wurde. Geeignete Beschichtungstechniken sind hinlänglich bekannt, z.B. Druckbeschichten des Fuorpolymers, bevorzugt FKM, auf eine zuvor angeraute Fläche, etwa durch Sandstrahlen oder einen Ätzvorgang, oder ein Beschichten mittels einer elastischen Acryldispersionsbeschichtung.
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Zusammengefasst ist eine herkömmliche Randeinfassung im eingebauten Zustand nicht in der Lage sich ausreichend an Unebenheiten in der abzudichtenden Fläche anzupassen. Im Bereich der herkömmlichen Metalleinfassung selbst besteht demnach kaum eine Dichtwirkung. Zudem bildet die herkömmliche Randeinfassung auch eine Begrenzung für die mögliche Verpressungs- oder Kompressionstiefe des Weichstoffmaterials, da die Metalleinfassung nur bis zu einem gewissen Grad ohne Zerstörung verformbar ist.
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In der vorliegenden Erfindung dient die Polymerschicht dazu die Anpassung an Unebenheiten der abzudichtenden Fläche im Bereich der Randeinfassung zu verbessern. Somit trägt die Randeinfassung selbst erheblich zu abdichtenden Wirkung der Weichstoffdichtung bei.
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Beispiele
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Im Allgemeinen werden folgende Werkstoffgruppen und Materialien zur Herstellung der Weichstoffdichtungen bzw. des Weichstoffmaterials der vorliegenden Erfindung verwendet:
- - 0-100% Graphit - expandiert oder nicht expandiert, mit einem Reinheitsgrad von mindestens 80%
- - 0-100% NBR - nicht hydriert oder in hydrierter Form (HNBR)
- - 0-100% PTFE
- - 0-95% Funktionsfüllstoffe
- - 0-30% Aramidfasern
- - 0-80% Edelstahl (in Form von Einlagen z.B. Streckmetall, Glattblech, Spießblech)
- - 0-5% Kautschukchemikalien
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Im Folgenden werden einige beispielhafte Rezepturen (in Gew.-%) angegeben, die jedoch nicht zur Beschränkung der vorliegenden Erfindung ausgelegt werden sollten. Die Variationsmöglichkeiten der einzelnen Bestandteile sind nahezu unbegrenzt und es ist daher unmöglich eine „Standardrezeptur“ anzugeben.
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Beispielbereiche für eine Faser-Weichstoffdichtung:
- - 10-30 %, bevorzugt 15-25 %NBR
- - 5-15 %, bevorzugt 8-12% Aramidfasern
- - 58-73 %, bevorzugt 62-69 % Funktionsfüllstoffe (z.B. Siliciumdioxid, Bariumsulfat, Kaolin etc.)
- - 0-12%, bevorzugt 1-8 % Kautschukchemikalien (z.B. Schwefel, Zinkoxid, MBT, ZBEC, TMTD, etc.)
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Beispielbereiche für eine Graphit-Weichstoffdichtung :
- - 60-90%, bevorzugt 70-85% expandierter Graphit, Reinheit 99%
- - 10-40%, bevorzugt 15-30% Edelstahl (z.B. 1.4404 / AISI 316L)
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Beispielbereiche für eine Graphit-Faser-Weichstoffdichtung:
- - 5-35%, bevorzugt 15-25 % NBR
- - 5-15 %, bevorzugt 8-12% Aramidfasern
- - 5-15 %, bevorzugt 8-12% Funktionsfüllstoffe (z.B. Siliciumdioxid, Bariumsulfat, Kaolin etc.)
- - 40-70%, bevorzugt 50-65 % Graphit, nicht expandiert, Reinheit 90%
- - 0-15, bevorzugt 1-6 % Kautschukchemikalien (z.B. Schwefel, Zinkoxid, MBT, ZBEC, TMTD, etc.)
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Beispielbereiche für eine Glimmer-Weichstoffdichtung:
- - 80-98%, bevorzugt 85-95% Glimmer (Phlogopit)
- - 2-20%, bevorzugt 5-15% Edelstahl
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Eine beispielhafte technische Charakterisierung einer typischen Weichstoffdichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Folgenden bereitgestellt:
- - Dichte: 0,50 - 2,0 g/cm3
- - Dicke: 0,5 mm - 4,0 mm
- - Kompressibilität (nach ASTM F 36 J): 2-50%.
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Eine entsprechende technische Charakterisierung der metallischen Einfassung auf Basis Metall-Polymer-Kompositwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung ist hier beispielhaft angegeben:
- - Metallwerkstoff: Edelstahl (z.B. V2A oder V4A)
- - Dicke Metall: 0,10 mm - 0,30 mm
- - Polymerwerkstoff: Fluorpolymer z.B. FKM, FPM, PTFE
- - Polymerschicht Dicke: 0,1 µm - 100 µm, bevorzugt 0,5µm - 30 µm.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0734472 B1 [0002]
- EP 1293709 A1 [0002]
- DE 3232255 A1 [0002]
