DE2549571B2 - Verfahren und vorrichtung zum verbinden von formkoerpern aus polytetrafluoraethylen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum verbinden von formkoerpern aus polytetrafluoraethylenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von Formkörpern aus
gesintertem Poiytetrafluoräthylen im Stumpfstoß, bei dem die mit ihren Stoßflächen aneinanderliegenden
Formkörper im Verbindungsbereich eingespannt und auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur
des Polytetrafluoräthylens erhitzt werden.
Aus Poiytetrafluoräthylen (PTFE) bestehende und vorwiegend PTFE enthaltende Formteile werden
wegen ihrer hervorragenden thermischen und chemischen Stabilität in zunehmendem Maße als korrosionsbeständige
Auskleidung, z. B. für Chemieapparate, wie Wärmeaustauscher, Kolonnen und Behälter, verwendet.
Dabei ist es — besonders für Apparate mit größerem innendurchmesser — notwendig, Formteile, z. B. Platten
oder Folien, gas- und flüssigkeitsdicht miteinander zu verbinden, da die Herstellung von PTFE-Rohren
größeren Durchmessers durch Ram- oder Pastenextrusion nicht möglich ist. Weitere Beschränkungen
entstehen dadurch, daß für jeden Durchmesser ein eigenes Pressenmundstück erforderlich ist und das
Verhältnis Wanddicke/Durchmesser nur beschränkt variiert werden kann.
Wegen der schlechten Benetzbarkeit des Polytetrafluoräthylens und der vergleichsweise geringen thermischen
und chemischen Beständigkeit von Klebstoffen ist es bisher auch nicht gelungen, geklebte Verbindungen in
einer etwa für Chemieapparate notwendigen Qualität, insbesondere mit einer hohen thermischen und chemischen
Beständigkeit, herzustellen. Auch nach vorherigem Ätzen der zu verbindenden PTFE-Flächen reicht
die Qualität der Verbindung für den genannten Verwendungszweck nicht aus. Die zum Verbinden von
herkömmlichen thermoplastischen Kunststoffen gebräuchlichen Schweißverfahren, nach denen aneinandergepreßte
Teile über den Schmelz- bzw. Erweichungspunkt des Kunststoffes erhitzt werden, sind
für Polytetrafluoräthylen nicht brauchbar. Nach diesem Verfahren sind jedoch zwischen dünnen PTFE-Folien
Verbindungen mit Überlappstoß hergestellt worden, die sich für Behälterauskleidungen wegen der Materialverdickung
an der Überlappung weniger gut eignen. Besonders bei Verwendung von dickeren Folien oder
Platten ist die Abdichtung derartiger Nähte, beispielsweise an Flanschbördeln, schwierig und aufwendig. Zur
Herstellung von Dichtungsringen ist es schließlich nach der österreichischen Patentschrift 2 20 440 bekannt,
Bandstreifen aus Poiytetrafluoräthylen durch gemeinsame Einwirkung von Hitze und Druck stumpf aneinander
zu schweißen, wobei die Schweißtemperatur etwa 37O0C und der Druck etwa 20 N/cm2 betragen. Das
Verfahren eignet sich jedoch nur zum Verbinden von Folien verhältnismäßig geringer Dicke, etwa von
0,4 mm. Verbindungen zwischen dickeren PTFE-Folien ohne Überlappungen werden nach der französischen
Offenlegungsschrift 21 63 420 dadurch hergestellt, daß V-förmige Nahtfugen zwischen zwei auf einer Unterlage
fixierten PTFE-Platten mit einem PTFE-Pulver gefüllt werden und das Pulver durch stempeiförmig
ausgebildete, auf den Stoß gepreßte Heizelemente erhitzt wird. Eine ausreichende und reproduzierbare
Schweißgüte, die u. a. in komplizierter Weise von der Pulverqualität und -körnung sowie von der Packungsdichte
abhängt, ist nach diesem Verfahren nur bei sorgfältiger, unter normalen Betriebsbedingungen kaum
möglicher Beachtung sämtlicher Einflußgrößen zu erreichen. Nachteilig für die Schweißgüte ist schließlich
die durch die Anordnung der Unterlage unterhalb der Schweißnaht bedingte unsymmetrische Temperaturverteilung
im Schweißgut.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für Formkörper beliebiger Dicke und Größe geeignetes
Verfahren zum Herstellen einer Verbindung im Stumpfstoß mit hoher Schweißgüte zu schaffen. Eine
weitere Aufgabe der Erfindung betrifft die Schaffung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verbindungsverfahrens.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem die
Formkörper bis auf einen schmalen, die Stoßflächen einschließenden Streifen zwischen Spannbacken eingespannt,
die freien Abschnitte der Formkörper durch zwischen den Spannbacken angeordnete Heizelemente
erhitzt, in den Stoßflächen Drücke zwischen 30 und 150 N/cm2 erzeugt und Druck und Temperatur 10 bis
120 Minuten lang aufrechterhalten werden.
Zur Erzeugung einer hochwertigen Verbindung im Stumpfstoß ist es erforderlich, die Stoßflächen unter
Druckspannungen auf eine Temperatur oberhalb des Kristallitschmelzpunktes zu erhitzen und Temperatur
und Druck eine bestimmte Zeit auf die Stoßflächen einwirken zu lassen. Thermoplastische Kunststoffe
neigen unter diesen Bedingungen, insbesondere bei Anwendung höherer Temperaturen und/oder Drücke
zum Ausfließen oder Austropfen des aufgeschmolzenen Anteils aus der Schweißnaht. Das Ausfließen wird
überraschenderweise nach der Erfindung durch eine einfache Kammerung der unter Druckspannungen
siehenden Schmelzzone vermieden, wobei die kalten Abschnitte der durch Spannbacken gehaltenen PTFE-Körper
und die die Stoßflächen erhitzenden Heizelemente als Kammerwände wirken. Die Kammerung
ermöglicht ebenfalls, den Anpreßdruck über die jeweilige Schweißzeit aufrechtzuerhalten und verhindert
ein Ausknicken oder Ausbeulen der zwischen den Spannbacken frei überstehenden PTFE-Abschnitte.
Der Druck in der Kammer wird vorzugsweise allein durch das sich unter Wirkung der Heizelemente
ausdehnende PTFE erzeugt. Zur Regelung des Drucks während des Schweißvorgangs wird zweckmäßig
wenigstens ein Heizelement parallel zu der Stoßfläche oder mindestens eine Spannbacke senkrecht zu der
Stoßfläche bewegt, wobei beide Maßnahmen gleichzeitig oder nacheinander ausgeführt werden können.
Die Stoßflächen werden zweckmäßig auf eine Temperatur zwischen 340 und 4300C erhitzt. Unterhalb
dieses Temperaturbereichs sind die erforderlichen Schweißzeiten verhältnismäßig lang, während oberhalb
des Bereichs zwar sehr kurze Schweißzeiten erzielt werden können, andererseits aber die Gefahr einer
partiellen Zersetzung des erhitzten Polytetrafluoräthylens wächst. Anpreßdruck und Schweißzeit betragen
nach der Erfindung vorzugsweise 30 bis 150 N/cm2 bzw.
10 bis 120 min, wobei die Parameter Temperatur, Druck und Zeit bis zu einem gewissen Grade gleichartig
wirken und ein niedriger Wert des einen Parameters durch Erhöhung der anderen Parameter in diesem
Substitutionsbereich ausgeglichen werden kann. Das Verfahren eignet sich zum Verbinden von PTFE-Körpern
der verschiedensten Formen und Maße, wobei die Verbindung im Stumpfstoß besonders einfach zwischen
den Körpern mit einer Dicke von etwa 0,5—10 mm hergestellt werden kann.
Eine Vorrichtung zum Verschweißen von PTFE-Körpern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht
aus in geringem Abstand liegenden Spannbackenpaaren 7,8 zwischen denen die zu verbindenden Po'ytetrafluoräthylcnkörper
gehalten sind und zwischen den Spannbackenpaaren angeordnete Heizelemente 6. Die thermische
Ausdehnung der erhitzten PTFE-Abschnitte wird durch die kammerartige Vorrichtung gehemmt oder
blockiert, so daß in den Stoßflächen Druckspannungen in einer für die Herstellung einer Verbindung im
Stumpfstoß geeigneten Größenordnung entstehen, die über die jeweils erforderliche Zeitspanne aufrechterhalten
werden. Durch Aufbringen einer zusätzlichen auf die Stoßflächen wirkenden Kraft kann der Druck in der
Schweißzone konstant gehalten oder nach einem vorgegebenen Programm geändert werden. Druckänderungen
werden nach der Erfindung durch parallel zur Stoßfläche verschiebbare, mit einer vorgegebenen
Kraft beaufschlagte Heizelemente und/oder durch in einer Führung senkrecht zu den Stoßflächen verschiebbare,
belastete Spannbacken ermöglicht. Die Heizelemente sind zweckmäßig als Heizbänder ausgebildet
oder als mit Heizmitteln gefüllte Hohlkörper.
Durch die Erfindung gelingt es in einfacher Weise, Formkörper aus PTFE unterschiedlichster geometriscner
Formen, wie Platten, Stäbe, Folien, Hohlzylinder, Hohlkegel und dergleichen im Stumpfstoß stoffschlüssig
zu verbinden. Der Verlauf der Stoßflächen und die Gestaltung der Schweißnaht sind für das Verfahren
weitgehend unkritisch. Die Stoßflächen können in einem beliebigen Winkel die Körperoberfläche schneiden,
konkav oder konvex ausgebildet sein oder
ίο beliebige Profile aufweisen. Die Schweißnähte können
in ihrer Längserstreckung geradlinig oder gekrümmt gestaltet sein und es ist ebenso möglich, die Stoßflächen
auf der gesamten Länge der Schweißnaht oder in einigen Abschnitten miteinander zu verzahnen. Vorteile
der erfindungsgemäß hergestellten Verbindungen sind der außerordentlich günstige als Schweißfaktor bezeichnete
Quotient aus der bei Raumtemperatur ermittelten Reißfestigkeit der Verbindung und der
Reißfestigkeit des massiven Ausgangsmaterials, die Dichtigkeit der Schweißnähte und ihre Beständigkeit
gegen korrodierend wirkende Stoffe. Der Schweißfaktor der Verbindung beträgt angenähert 1. Für
geschweißte Hohlkörper ist es von Wichtigkeit, daß die geringe Permeabilität des Ausgangsmaterials durch die
2j Schweißnähte nicht nennenswert vergrößert wird.
Weitere Vorteile des Verfahrens sind die hervorragende Reproduzierbarkeit, eine gleichmäßige Nahtgüte und
schließlich die einfache Handhabbarkeit.
Die Erfindung wird im folgenden durch schematische Figuren und Beispiele erläutert:
Es sind im einzelnen dargestellt in
Fig. 1 ein Schnitt durch eine Schweißvorrichtung mit starrer Einspannung,
Fig. 1 ein Schnitt durch eine Schweißvorrichtung mit starrer Einspannung,
F i g. 2 ein Schnitt durch eine Schweißvorrchtung mit
J5 einem verschiebbaren Heizelement,
F i g. 3 ein Schnitt durch eine Schweißvorrichtung mit verschiebbaren Spannbacken,
F i g. 4 ein Schnitt durch eine Schweißvorrichtung mit verschiebbarem Heizelement und verschiebbaren
Spannbacken.
In F i g. 1 sind 1 und 2 zwei sich im Verbindungsstoß 3
berührende plattenförmige zwischen den Spannbackenpaaren 7 und 8 eingespannte PTFE-Körper. Zwischen
den Spannbdckimpaaren sind symmetrisch zum Stoß 3
oberhalb und unterhalb der PTFE-Körper I und 2 je ein Heizelement 4 und 5 angeordnet, die gegen die Joche 9
durch die Zwischenstücke 6 thermisch und elektrisch isoliert sind. Der Abstand der beider. Heizelemente ist
so gewählt, daß sich das beim Erhitzen auf die Schweißtemperatur ausdehnende PTFE an beiden
Heizelementen anlegt, wobei der sich im Stoß 3 aufbauende Druck durch die Joche 9 und die kalten
Abschnitte der PTFE-Körper zwischen den Heizbändern und den Spannbacken aufgenommen wird.
Durch die Pfeile A sind die auf die Backen wirkenden Spannkräfte zeichnerisch dargestellt.
In F i g. 2 ist das Heizelement 5 mit dem isolierenden
"'wischenstück 6 beweglich gelagert und die Kraft ß drückt die Heizelemente auf den Verbindungsstoß 3.
Die durch Federn, hydraulisch oder durch Gewichte und dergleichen erzeugte Kraft B kann beispielsweise
bereits während der Aufwärmung des PTFE's an den Stoßflächen angelegt werden, sie ist regelbar, so daß für
jede Temperatur der durch Versuche ermiüeiie besie
Druck aufgebracht werden kann.
In der Ausführung nach F i g. 3 sind die Spannbacken in Richtung auf den Verbindungsstoß 3 beweglich und
werden beim Abkühlen der Schweißverbindung durch
Kontraktionsspannungen in Richtung auf den Verbindungsstoß gezogen.
Die Vorrichtung nach F i g. 4 mit verschiebbaren Heizelementen und Spannbacken ermöglicht schließlich
eine vollständige Anpassung des Drucks im erwärmten Abschnitt beiderseits des Verbindungsstoßes auf eine
für jede Temperatur optimale Größe.
Die Funktionsweise der Vorrichtungen wird an Hand eines Beispeils erläutert:
Die zur Auskleidung eines Trichters mit Öffnungsdurchmessern von 500 mm und 1400 mm und einer
Höhe von 1000 mm vorgesehenen PTFE-Schälfolien mit einer Dicke von 4 mm wurden zugeschnitten und die
Kanten plangehobelt. Die Schälfolie wurde dann derartig in eine Vorrichtung nach Fig.4 eingespannt,
daß die sich berührenden Stoßflächen parallel zu den Backen verliefen und etwa gleich weit von jedem
Backenpaar entfernt waren, deren gegenseitiger Abstand ca. 19 mm beträgt. Eine insgesamt etwa 15 mm
breite Zone beiderseits des Verbindungsstoßes wurde dann durch die anliegenden Heizelemente auf eine
Temperatur von etwa 4000C aufgeheizt und durch
Verschieben der Spannbacken ein Druck von ca. 120 N/cm2 an die Stoßflächen angelegt. Druck und
Temperatur wurden 45 min aufrechterhalten und die
ίο Schweißnaht anschließend unter Druck auf Raumtemperatur
abgekühlt. Die im Kurzreißversuch bestimmte Festigkeit und Dehnung betrugen im Vergleich
zu nichtverschweißtem PTFE:
Bruchfestigkeit > 0,85
Bruchdehnung > 0,95
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Verfahren zum Verbinden von Forr ι pern aus gesintertem Poiytetrafluoräthylen im Stumpfstoß,
bei dem die mit ihren Stoßflächen aneinanderliegenden Formkörper im Verbindungsbereich eingespannt
und auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Polytetrafluoräthylens erhitzt
werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper bis auf einen schmalen, die Stoßflächen einschließenden Streifen zwischen
Spannbacken eingespannt, die freien Abschnitte der Formkörper durch zwischen den Spannbacken
angeordnete Heizelemente erhitzt, in den Stoßflächen Drücke zwischen 30 und 150 N/cm2 erzeugt
und Druck und Temperatur 10—120 min lang aufrechterhalten werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck allein durch das sich unter
Wirkung der Heizelemente ausdehnende Poiytetrafluoräthylen erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Aufheizphase und/oder
während der Haltephase und/oder wahrend der Abkühlphase durch Verschieben mindestens einer
Spannbacke in wenigstens einer zur Stoßfläche im wesentlichen senkrechten Richtung ein zusätzlicher
Druck auf den Stumpfstoß ausgeübt wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
zu verbindenden Polytetrafluoräthylen-Körper je für sich zwischen zueinander in geringem Abstand
liegenden Spannbackenpaaren gehalten und zwischen den Spannbacken (7, 8) Heizelemente (6) 3r>
angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Heizelement (6)
parallel zur Stoßfläche beweglich und mit einer vorgegebenen Kraft beaufschlagbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Spannbacke (7,
8) in einer Führung senkrecht zu den Stoßflächen verschiebbar ist.
45
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