DE2743911B2

DE2743911B2 -

Info

Publication number: DE2743911B2
Application number: DE2743911A
Authority: DE
Inventors: Erich 6980 Wertheim Knoedel
Original assignee: Walter Graf U Co & Co 6980 Wertheim GmbH
Current assignee: Walter Graf U Co & Co 6980 Wertheim GmbH
Priority date: 1977-09-29
Filing date: 1977-09-29
Publication date: 1980-02-28
Also published as: JPS5454673A; JPS5853290B2; US4315454A; DE2743911A1; CA1064433A

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben aus einem zylindrischen Kern aus Glas, Keramik oder Metall und einem Mantel aus glasfaserverstärktem Polytetrafluorethylen (GFPTFE) für Dosiergeräte mit Glaszylinder.

Aus der DE-OS 20 61 802 ist ein Kolben für eine Meßpumpe bekannt, der aus einer nachgiebigen äußeren Hülle aus PTFE und einem starren Kern besteht. Der Kern weist im Bereich der Arbeitsfläche des Kolbens eine ringförmige Vertiefung auf, in der ein elastischer O-Ring liegt. Der O-Ring zwingt die elastische PTFE-Hülle radial auswärts dichtend an die Wand des Meßpumpenzylinders.

Diese Art der Dichtung zwischen dem Kolben und dem Zylinder einer Meßpumpe ist nicht in der Lage, die an die Meßgenauigkeit von Dosiergeräten gestellten gestiegenen Anforderungen /u erfüllen. Durch unzureichende Dichtung im Dauerbetrieb, durch geometrische Ungcnauigkeit der Lage der Dichtfläche beim Nachspannen des Dichtungsringes und durch Volumeneffekte, die in der Elastizität der PTFE-Hülle begründet sind, können mit Meßpumpen, die solche Kolben verwenden, keine relativen Dosiergenauigkeiten von kleiner als ungefähr ± 1% erreicht werden.

Die von den Dosiergeräten der in Rede stehenden Art erwarteten Dosiergenauigkeiten lassen sich andererseits ohne weiteres durch Prä/.isionsschleifcn erzielen, WlMIM beispielsweise sowohl der Dosicrkolbcn als auch tier Dosier/.ylinder des Dosiergerätes aus Glas bestehen. Ein solcher Austausch des aus der DE-OS 20 61 802 bekannten Kolbens für eine Meßpumpe durch einen prä/isionsgeschliffenen Glaskolben verbietet sich jetloch ans chemischen Gründen. Dosiergeräte, besser

Präzisionsdosiergeräte, im Sinne dieser Erfindung werden überwiegend ir. chemischen, technischen und medizinischen Laboratorion eingesetzt. Bei den abzumessenden Flüssigkeiten handelt es sich in den meisten Fällen um konzentrierte Lösungen chemisch aggressiver Reagenzien, beispielsweise um konzentrierte wäßrige Mineralsäuren oder Alkalimetallaugen.

Neben der starken chemischen Aggressivität der zu dosierenden Flüssigkeiten ist ihre häufig recht hohe Konzentration und ihre Neigung zur Bildung von Verkrustungen am Dosierzylinder eines 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°C getrocknet und sterilisiert werden können.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist aus dem gebräuchlichen Stand der Technik, beispielsweise aus der DE-OS 23 43b87 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 Beschichtung nur relativ dünn ausgebildet werden, beispielsweise mn 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 bestandig. Dies liegt daran, daß derart dünne PTFE-Überzüge nie ganz porenfrei herstellbar sind. Bei der Verwendung eines solchen Dosierkolbcns /um Dosieren von Natronlauge gelangt die Natronlauge durch diese Poren hindurch und zersetzt den I laflVermittler. Dies führt bereits nach

kurzer Zeit zum Ablösen und zum Zerstören des PTFE-Überzuges. Die Verwendung dickerer porenfreier PTFE-Überzüge 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 Schrumpffolie ohne Verwendung eines Haftveimittlers auf dem Keramikkolben angebracht, so sind solche Kolben nicht beliebig oft bei den gebräuchlichen Trockenschranktemperaturen im Bereich zwischen ca. 110 und 150° C 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 Dosierkoiben 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 Glasfaserfüliung um etwa 20 bis 50% niedrigeren lineraren 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.

Der gegenüber dem unverstärkten PTFE wesentlich geringere lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des G FPTFE allein würde jedoch noch nicht ausreichen, um die absolut unempfindlich mit PTFE ummantelten Dosierkolben herzustellen. Ein wesentlicher weiterer Faktor der zu diesem E'.rfolg 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 Hegen 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 10Gew.-% und nicht mehr als 60 Gew.-% Glasfasern erhalten. Bei einem Anteil von weniger als 10Gew.-% Glasfasern wird der Wärmeausdehnungskoeffizient zu groß, wird die Haftung des Werkstoffes auf dem Kolbenkern verschlechtert und kann der Mantel nicht mehr präzisionsgeschüfien werden. Bei einem Anteil von über 60gew.-% 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.

Vor allem bei größeren Kolbendurchmessern ist der

r> 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 KeramiLkems freiliegt. Insbesondere bei großen KoI-

W bendurchmessern (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

i^r> 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 eindiffun-

Ί1 dienen 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 I bis 8%, vorzugsweise etwa 2 bis 3% kleiner als der Außendurchmesser des Kerns und dessen Außendurchmesser etwas größer, beispielsweise

^r><> 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 unterscheiden, bei denen das Schrumpfen durch eine thermisch ausgelöste Texturrückstellung bewirkt wird.

^hl> 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 25O°C. Bei dieser Temperatur wird das

''-' GFPTFE-Rohr dann auf den auf Umgebungstemperatur (15 bis 30⁰C) befindlichen Kern aufgezogen. Nach dem Abkühlen wird der G FPTFE-Mantcl wie ein Glaskolben auf Präzisionsmaß geschliffen.

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Die so erhaltenen Kolben sind mechanisch robust und dung mit Glaszylindern ohne die geringste Beeinträchti-

sind selbst auf der präzisionsgeschliffenen Oberfläche gung im Dauerbetrieb für die Dosierung von Alkalime-

außerordentlich unempfindlich und können auch im tallaugen eingesetzt werden. Diese Dosieraufgabe kann

Dauerbetrieb für jedes zu dosierende Medium verwen- mit den bekannten Dosiergeräten bislang nicht gelöst

det werden, das den verwendeten Werkstoff selbst nicht 5 werden,
angreift. Insbesondere kann dieser Kolben in Verbin-

Claims

Patentansprüche:

1. Kolben aus einem zylindrischen Kern aus Glas, Keramik oder Metall und einem Mantel aus glasfaserverstärktem Polytetrafluorethylen (GFPTFE) für Dosiergeräte mit Glaszylinder, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus einem vorgefertigten schleiffähigen GFPTFE-Rohr besteht, das thermisch auf den Kern aufgeschrumpft ISt-

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel ohne Haftvermittler auf dem Kern aufgeschrumpft isL

3. Kolben nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel auf der Arbeitsseite des Kolbens stirnseitig offen ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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°C erwärmt wird und auf den auf Umgebungstemperatur befindlichen Kern ohne Verwendung eines Haftvermittlers aufgezogen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des GFPTFE-Rohres ca. 5 bis 15% größer als der Solldurchmesser des fertigen Kolbens ist und dall der Mantel nach dem Aufschrumpfen auf den Kern und nach Abkühlen exakt auf Sollmaß geschliffen und poliert wird.