DE2549571B2 - Verfahren und vorrichtung zum verbinden von formkoerpern aus polytetrafluoraethylen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum verbinden von formkoerpern aus polytetrafluoraethylen

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DE2549571B2 DE19752549571 DE2549571A DE2549571B2 DE 2549571 B2 DE2549571 B2 DE 2549571B2 DE 19752549571 DE19752549571 DE 19752549571 DE 2549571 A DE2549571 A DE 2549571A DE 2549571 B2 DE2549571 B2 DE 2549571B2
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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,
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)

Patentansprüche:
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.
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