DE2743911A1

DE2743911A1 - Kolben fuer dosiergeraete und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2743911A1
Application number: DE19772743911
Authority: DE
Inventors: Erich Knoedel
Original assignee: WALTER GRAF U CO GmbH AND Co
Current assignee: WALTER GRAF U CO GmbH AND Co
Priority date: 1977-09-29
Filing date: 1977-09-29
Publication date: 1979-04-05
Also published as: CA1064433A; US4315454A; JPS5853290B2; DE2743911B2; JPS5454673A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Dosiergeräte der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Zum Abmessen vorgegebener Teilmengen einer Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter sind seit längerer Zeit sogenannte Dosiergeräte gebräuchlich. Solche Dosiergeräte sind auf den Vorratsbehälter aufsetzbar und bestehen im wesentlichen aus einem Glaszylinder, einem in diesem verschiebbaren Kolben, einem Einlaßventil, einem Auslaßventil und einem Auslaufrohr. Durch eine Relativverschiebung des Kolbens gegen den Zylinder in Richtung eines Saugtaktes wird ein abgemessenes Flüssigkeitsvolumen aus dem Vorratsbehälter in den Zylinder gesaugt; durch anschließendes Relativverschieben des Kolbens im Zylinder in der entgegengesetzten Richtung, nämlich in Richtung des Drucktaktes, wird das angesaugte und abgemessene Flüssigkeitsvolumen aus dem Zylinder über das Auslaufrohr in eine Vorlage ausgestoßen. Ein Dosiergeräte der in Rede stehenden Art ist also im wesentlichen eine Kolbenschieber-Dosierpumpe.

Dosiergeräte dieser Art werden überwiegend in chemischen, technischen und medizinischen Laboratorien eingesetzt. Bei den abzumessenden Flüssigkeiten handelt es sich dabei in den meisten Fällen um konzentrierte Lösungen chemisch agressiver Reagenzien, beispielsweise um konzentrierte wässrige Mineralsäuren oder Alkalimetallaugen.

Neben der starken Agressivität der zu dosierenden Flüssigkeiten ist ihre häufig recht hohe Konzentration und ihre Neigung zur Bildung von Verkrustungen im Dosierzylinder eines

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der Hauptprobleme bei diesen Dosiergeräten. Als Werkstoff für alle Teile des Dosiergerätes, die mit dem zu dosierenden Medium in Berührung kommen, haben sich daher in der Praxis im wesentlichen nur Glas, oxidische Sinterkeramik und Polytetrafluorethylen (PTFE) bewährt. Der Dosierzylinder dieser Dosiergeräte besteht seit vielen Jahren bei praktisch allen diesen Geräten aus Glas. Seit langem ist bekannt, daß die Verwendung eines Dosierkolbens aus Glas oder Keramik in einem Dosierzylinder aus Glas für viele zu dosierende Medien, insbesondere aber für konzentrierte Alkalimetallaugen, nicht verwendbar ist. Ist beispielsweise ein Dosierkolben aus Glas mit kleinsten Fertigungstoleranzen exakt in einen Dosierzylinder eingeschliffen, so frißt sich der Kolben bereits nach kürzester Zeit im Zylinder fest, wenn das zu dosierende Medium beispielsweise eine 25 %-ige Natronlauge ist. Wird der Glasdosierkolben mit größerer Toleranz in den Dosierzylinder eingepaßt, so kann zwar das Festfressen des Dosierkolbens im Dosierzylinder über einen längeren Zeitraum hin vermieden werden, dafür geht durch Ansaugungenauigkeiten jedoch die Dosiergenauigkeit verloren. Auch die Verwendung von Fetten, selbst von Siliconfetten, verbietet sich wegen der Aggressivität der zu dosierenden Medien.

Der einzige Werkstoff, der sich in der Praxis bislang für die Gleitfläche des Dosierkolbens bewährt hat, ist PTFE. Die Verwendung massiver Kolben aus PTFE verbietet sich jedoch aufgrund des relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten des PTFE im Vergleich zu Glas. Die in Rede stehenden Dosiergeräte müssen aber ohne weiteres beispielsweise in Sterilisierschränken bei etwa 120 ⁰C getrocknet und sterilisiert werden können.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist aus dem gebräuchlichen Stand der Technik, beispielsweise aus der DT-OS 23 43 687

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bekannt, den Dosierkolben aus einem Keramikkern mit einem PTFE-Überzug herzustellen. Dieser Überzug kann als Beschichtung aufgetragen, als Schrumpffolie übergezogen oder in anderer Weise angebracht sein. Aufgrund des hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten von PTFE können diese Beschichtungen nur relativ dünn ausgebildet werden, beispielsweise mit Stärken im Bereich zwischen 0,1 und 0,5 mm. Beim Aufbringen solcher überzüge durch Spritzen, Streichen oder
Tauchen müssen Haftvermittler verwendet werden, wenn der
PTFE-Überzug auf der Glasoberfläche oder auf der Keramikoberfläche ausreichend fest haften soll. Die auf diese
Weise hergestellten mit PTFE überzogenen Dosierkolben sind jedoch für eine Reihe hochaggressiver Flüssigkeiten, insbesondere gegen wässrige Natronlauge, nicht beständig. Dies liegt daran, daß derart dünne PTFE-Überzüge nie ganz porenfrei herstellbar sind. Bei der Verwendung eines solchen Dosierkolbens zum Dosieren von Natronlauge gelangt die Natronlauge durch diese Poren hindurch und zersetzt den Haftvermittler. Dies führt bereits nach kurzer Zeit zum Ablösen und zum Zerstören des PTFE-Überzuges. Die Verwendung dickerer porenfreier PTFE-Uberzüge oder massiver PTFE-Kolben verbietet sich wegen der hohen Wärmeausdehnung und der ungenügenden Maßhaltigkeit, mit der solche PTFE-Kolben herstellbar sind. So ist PTFE beispielsweise nicht mit der für Dosierkolben von Dosiergeräten erforderlichen Präzision schleifbar und polierbar·

Die Verwendung von Schrumpffolien aus PTFE verbietet sich in der Praxis vor allem wegen des ungewöhnlich hohen Preises solcher Folien. Außerdem müssen aber auch diese Folien in aller Regel unter Verwendung eines Haftvermittlers aufgetragen werden wenn sie die erforderliche mechanische Dauerbeanspruchbarkeit aufweisen sollen. Dabei treten jedoch wiederum die vorstehend genannten Nachteile auf. Wird die

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Schrumpffolie ohne Verwendung eines Haftvermittlers auf dem Keramikkolben angebracht, so sind solche Kolben nicht beliebig oft bei den gebräuchlichen Trockenschranktemperaturen im Bereich zwischen ca. 110 und 150 ⁰C trockenbar. Die aufgeschrumpfte Folie ermüdet und verspannt sich thermisch, so daß der Kolben unbrauchbar wird.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Dosierkolben für ein Dosiergerät mit Glaszylinder der eingangs genannten Art zu schaffen, der für alle aggressiven Medien, die Glas und Keramik als Werkstoffe nicht zersetzen, dauerhaft einsetzbar ist, insbesondere zum Dosieren auch konzentrierter Alkalimetallaugen dauerhaft verwendbar ist, der mechanisch robust und kostengünstig herstellbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Dosierkolben der eingangs genannten Art vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im Anspruch 1 genannten Merkmale aufweist.

Das als Dosierkolbenmantel verwendete glasfaserverstärkte Polytetrafluorethylen (GFPTFE) weist einen je nach dem Grad der Glasfaserfüllung um etwa 20 bis 50 % niedrigeren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten als das ungefüllte PTFE auf. Es kann daher bei den gebräuchlichen Kolbendurchmessern im Bereich von ca. 10 bis 100 mm ohne weiteres mit Wandstärken für den Mantel im Bereich von 1 bis 3 mm eingesetzt werden. Bei diesen Wandstärken wird zwischen der Oberfläche des aus Glas oder Keramik bestehenden Kerns des Kolbens und der inneren Oberfläche des Kolbenmantels kein Haftvermittler benötigt. Der Mantel des Dosierkolbens ist daher nach prinzipiell beliebigen Verfahren bei einer solchen Wandstärke absolut frei von durchgehenden Kanalporen dauerhaft und völlig unempfindlich auf dem Kolbenkern aufbringbar.

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Der gegenüber dem unverstärkten PTFE wesentlich geringere lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des GFPTFE allein würde jedoch noch nicht ausreichen, um die absolut unempfindlich mit PTFE ummantelten Dosierkolben herzustellen. Ein wesentlicher weiterer Faktor der zu diesem Erfolg führt, ist die Tatsache, daß sich GFPTFE im Gegensatz zu unverstärktem PTFE überraschenderweise mit derselben Präzision schleifen und polieren läßt wie Glas. Dies eröffnet die Möglichkeit, den GFPTFE-Mantel zunächst mit ausreichend großem Übermaß auf dem Glaskern oder Keramikkern aufzubringen und den so vorgefertigten Kolben nach Abschluß aller übrigen Verfahrensschritte in der für Glaskolben üblichen Weise präzisionszuschleifen.

Dadurch, daß der Mantel auf den Kern bei Verwendung von GFPTFE als Werkstoff auch in größeren Wandstärken aufgebracht werden kann, kann zur Herstellung des Mantels vorgefertigtes GFPTFE-Formmaterial verwendet werden, das beispielsweise durch Wärmeschrumpfung auf dem Kern aufgebracht werden kann. Die Kosten für solches Halbzeug liegen um rund 70 bis 80 % unter den Kosten für die nach dem Stand der Technik vorgeschlagenen PTFE-Schrumpfschlauchfolien.

Normalerweise sollte das GFPTFE nicht weniger als 10 Gew.-% und nicht mehr als 60 Gew.-% Glasfasern enthalten. Bei einem Anteil von weniger als 10 Gew.-% Glasfasern wird der Wärmeausdehnungskoeffizient zu groß, wird die Haftung des Werkstoffes auf dem Kolbenkern verschlechtert und kann der Mantel nicht mehr präzisionsgeschliffen werden. Bei einem Anteil von über 60 Gew.-% Glasfasern im GFPTFE treten insbesondere bei der Verwendung der Kolben in Verbindung mit wässriger Natronlauge die gleichen oberflächenverändernden Effekte und Blockierung auf wie sie bei der Verwendung von Glaskolben in Glaszylindern beobachtet werden.

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Nach einer Weiterbildung der Erfindung besteht der Mantel des Dosierkolbens vorzugsweise aus einem mit 20 bis 30 Gew.-%, insbesondere ca. 25 Gew.-%, GFPTFE.

Vor allem bei größeren Kolbendurchmessern ist der GFPTFE-Mantel vorzugsweise als stirnseitig offenes Rohr ausgebildet, so daß also auf der Arbeitsfläche des Dosierkolbens die von der Stirnseite des GFPTFE-Mantels umgebene Stirnfläche des Glaskerns oder Keramikkerns freiliegt. Insbesondere bei großen Kolbendurchmessern (ca. 30 bis 100 mm) wird dadurch eine erhöhte thermische Stabilität der Maßhaltigkeit des Dosierkolbens erzielt. Ein Eindiffundieren aggressiver molekularer Bestandteile der zu dosierenden Flüssigkeit entlang der Grenzfläche zwischen dem Kern und dem Mantel ist dabei unschädlich, da der Mantel ohne Haftvermittler direkt auf dem Kern sitzt, also keine Werkstoffveränderung in der Grenzfläche stattfinden kann. Auch ist ein unter Umständen störendes Herausdiffundieren der in die Grenzfläche eindiffundierten Moleküle durch den Mantel hindurch in radialer Richtung nicht zu befürchten, da der Mantel bei einer Stärke von vorzugsweise ca. 1 mm absolut frei von durchgehenden Kanalporen ist.

Zur Herstellung des Kolbens wird vorzugsweise von GFPTFE-Halbzeug, speziell einem Rohrmaterial ausgegangen, dessen Innendurchmesser geringfügig kleiner, in aller Regel etwa 1 bis 8 %, vorzugsweise etwa 2 bis 3 % kleiner als der Außendurchmesser des Kerns und dessen Außendurchmesser etwas größer, beispielsweise 2 bis 20 %, vorzugsweise ca. 5 bis 15 % größer als der Solldurchmesser des fertigen Dosierkolbens ist. Dieses Halbzeug wird durch thermische Schrumpfung/ ohne daß ein Haftvermittler erforderlich ist, auf den Kern aufgebracht. Dabei ist dieses Aufschrumpfen durch reinen thermischen Schwund deutlich von dem aus dem Stand der Technik bekannten Aufschrumpfen von Schrumpffolien zu unter-

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scheiden, bei denen das Schrumpfen durch eine thermisch ausgelöste Texturrückstellung bewirkt wird.

Zum Aufschrumpfen des GFPTFE-Rohres auf dem Glaskern oder Keramikkern wird das GFPTFE-Rohr in der gewünschten Mantellänge gleichmäßig erwärmt, und zwar vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen etwa 190 und 250 ⁰C. Bei dieser Temperatur wird das GFPTFE-Rohr dann auf den auf Umgebungstemperatur (15 bis 30 ⁰C) befindlichen Kern aufgezogen. Nach dem Abkühlen wird der GFPTFE-Mantel wie ein Glaskolben auf Präzisionsmaß geschliffen.

Die so erhaltenen Kolben sind mechanisch robust und sind selbst auf der präzisionsgeschliffenen Oberfläche außerordentlich unempfindlich und können auch im Dauerbetrieb für jedes zu dosierende Medium verwendet werden, das den verwendeten Werkstoff selbst nicht angreift. Insbesondere kann dieser Kolben in Verbindung mit Glaszylindern ohne die geringste Beeinträchtigung im Dauerbetrieb für die Dosierung von Alkalimetallaugen eingesetzt werden. Diese Dosieraufgabe kann mit den bekannten Dosiergeräten bislang nicht gelöst werden.

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Claims

JAEGER, GRAMS & PONTANI 274391 i

PAT Ii N TA N WA LT H

DIPL.CHEM. DR. KLAUS JAEGER DIPL-ING. KLAUS D. GRAMS DR.-ING. HANS H. PONTANI

GAUTING BERGSTR. 4BV. 6O31 STOCKDORF ■ KREUZWEG 34 8752 KLElNOSTHEiM · HIRSCHPFAD 3

GRA-11

Walter Graf u. Co

GmbH & Co.

Am Bildacker 5-7, 6980 Wertheim/Main

Kolben für Dosiergeräte und Verfahren zu seiner Herstellung

Patentansprüche

{ 1 .) Kolben für Dosiergeräte mit Glaszylinder, wobei der Kolben aus einem zylindrischen Kern aus Glas, Keramik oder Metall und einem Mantel aus PTFE besteht, dadurch gekennzeichnet , daß der Mantel aus einem mit 10 bis 60 Gew.-% Glasfasern verstärkten PTFE (GFPTFE) besteht.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus einem mit 20 bis 30 Gew.-% Glasfasern verstärkten PTFE besteht.

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TELEPHON: (OBO) B5O2O3O, 8574O8O; (O6O27) 8825 · TELEX: 5 21 777 isar d

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3. Kolben mit einem Kern aus Glas oder Keramik nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel zumindest auf der Arbeitsseite des Kolbens stirnseitig offen ist.
4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus einem vorgefertigten massiven GFPTFE-Rohr besteht, das ohne Haftvermittler thermisch auf den Kern aufgeschrumpft ist.
5. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf die erforderliche Mantellänge zugeschnittenes GFPTFE-Rohr, dessen Innendurchmesser ca. 2 bis 3 % kleiner als der Kerndurchmesser ist, gleichmäßig auf ca. 200 ⁰C erwärmt wird und auf den auf Umgebungstemperatur befindlichen Kern ohne Verwendung eines Haftvermittlers aufgezogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Außendurchmesser des GFPTFE-Rohres ca. 5 bis 15 % größer als der Solldurchmesser des fertigen Kolbens ist und daß der Mantel nach dem Aufschrumpfen auf den Kern und nach Abkühlen exakt auf Sollmaß geschliffen und poliert wird.

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