DE2925519A1 - Formmasse - Google Patents

Formmasse

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DE2925519A1 DE19792925519 DE2925519A DE2925519A1 DE 2925519 A1 DE2925519 A1 DE 2925519A1 DE 19792925519 DE19792925519 DE 19792925519 DE 2925519 A DE2925519 A DE 2925519A DE 2925519 A1 DE2925519 A1 DE 2925519A1
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Description

DR. BEH α UIP L.-IrJG. STAPF DIPL-INQ. SCHWABE DR. DR. SANDMAIR
PATENTANWÄLTE λ q λ r Γ Λ
• MÖNCHEN ·Ο ■ MAUKRKIRCHER8TR.48 f. Q L O O Ι
Anwaltsakte 30 193 25. Juni 1979
Formmasse
Ansprüche -
030037/0549
B_e_s_c_h £_e_i_b_u_n_g
Die Erfindung bezieht sich auf eine thermoplastische Formmasse und betrifft insbesondere eine thermoplastische Formmasse zum Formen von zur Verwendung in einem wässrigen Medium bestimmten Formteilen.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf die Verwendung einer solchen Formmasse zum Formen von beweglichen Teilen von Durchflußmessern.
Durchflußmesser enthalten gewöhnlich ein in einer Meßkammer angeordnetes, bewegliches, d.h. drehbares Teil, welches von dem einströmenden Strömungsmittel in Bewegung versetzt wird. Anhand der Bewegung bzw. Drehung des beweglichen Teils läßt sich dann die die Kammer durchströmende Menge des Strömungsmittels bestimmen. Die Kammer kann beispielsweise aus Metall oder einem thermoplastischen Material geformt sein. Um ein ordnungsgemäßes Funktionieren des Durchflußmessers sowie eine lange Betriebslebensdauer desselben zu gewährleisten, sollten sowohl die Kammer als auch das bewegliche Teil aus sehr verschleißfesten Werkstoffen mit möglichst niedrigem Gleitreibungskoeffizienten geformt sein. Außerdem müssen das bewegliche Teil, z.B. ein Kolben oder eine Taumelscheibe, sowie die Kammer in Wasser dimensionsstabil sein und dürfen nicht nennenswert Wasser absorbieren.
Die beweglichen Teile bekannter Durchflußmesser werden aus verschiedenen Werkstoffen gefertigt, welche unterschiedliche Nachteile aufweisen. So wird häufig etwa Hartgummi, z.B. Ebonit oder Vulkanit, verwendet, welcher zwar die erforderlichen physikalischen Eigenschaften aufweist, nämlich Dimensionsstabilität in einem wässrigen Medium und einen niedrigen Reibungskoeffizienten,
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sowie hohe Verschleißfestigkeit bei Verwendung von daraus geformten beweglichen Teilen in Kammern aus Metall oder Kunststoff. Der genannte Werkstoff ist jedoch sehr teuer und läßt sich nur schwer zu eine verwickelte Form aufweisenden Teilen formen, so daß die Kosten für den Formvorgang sehr hoch sind. In der Praxis wird daher aus dem Hartgummi zunächst ein Rohling geformt, welcher anschließend spanabhebend bearbeitet wird, was sehr zeitraubend und aufwendig sein kann.
Zwei weitere bisher verwendete Werkstoffe sind Nylon und Noryl, eine Polyphenylenoxidverbindung. Diese beiden Werkstoffe sind billiger als Hartgummi und lassen sich ohne Schwierigkeit formen, ihre Eigenschaften machen sie jedoch weniger geeignet für den angestrebten Zweck. So erfahren selbst ein niedriges Absorptionsvermögen für Wasser aufweisende Nylonarten im Wasser eine Längendehnung um wenigstens 0,5%· Aus Noryl geformte Teile sind in Wasser zwar stabil, sie sind jedoch weniger Verschleißbeständig als Hartgummi und haben einen höheren Reibungskoeffizienten, worunter die Meßgenauigkeit bei kleinen Durchflußmengen leidet.
Es wurden Versuche mit bekannten Formmassen angestellt, um einen zum Formen von beweglichen Teilen von Durchflußmessern geeigneten Werkstoff zu finden. Es wurde jedoch kein Material gefunden, welches die folgenden Bedingungen erfüllt:
a) Ein thermoplastisches Material zu sein, welches mit einer Maßgenauigkeit von 0,1% formbar ist.
b) In wässrigem Medium stabil zu sein, so daß die Längendehnung eines geformten Teils aufgrund der Aufnahme von Wasser unter 0,1% liegt.
c) Das Formen von Teilen zu ermöglichen, welche bis zu einer Temperatur von 50 C in Wasser arbeiten können und unter tropischen Bedingungen nicht degradieren.
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d) Bei Verwendung in einer Kammer von gebräuchlicher Art einen niedrigen Reibungswiderstand und hohe Verschleißbeständigkeit aufzuweisen, und
e) befriedigende mechanische Festigkeit und Schlagfestigkeit aufzuweisen.
Die Erfindung schafft eine Formmasse, aus welcher verwickelte Formen aufweisende Teile, z.B. die beweglichen Teile von Durchflusmessern auf einfachste Weise formbar sind und welche den vorstehend genannten Bedingungen in weitaus größerem Maße genügt als bisher bekannte Formmassen.
Bei einer Formmasse der genannten Art ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß sie einen größeren Anteil eines thermoplastischen polymeren Materials auf Styrolbais enthält, in welchem, bezogen auf das Gesamtgewicht der Masse, wenigstens 5 Gew.% Polytetrafluoräthylen-(PTFE)-Teilchen dispergiert sind. Vorzugsweise enthält die Masse zwischen 5 und 30 Gew.% PTFE-Teilchen. Um für aus der Masse geformte Teile gleichzeitig die Vorteile der Wohlfeilheit, hoher Verschleißfestigkeit und eines niedrigen Reibungswiderstands zu erzielen, liegt der Anteil der PTFE-Teilchen vorzugsweise zwischen 5 und 15 Gew.%, insbesondere zwischen 8 und 1? Gew.%. Die PTFE-Teilchen sind möglichst klein, ihre größten Abmessungen liegen vorzugsweise unter 100 um. Die PTFE-Teilchen haben vorzugsweise eine solche Größenverteilung, daß weniger als 1% der Teilchen eine größte Abmessung von mehr als 50 μτα aufweisen. Der mittlere Größenbereich beträgt vorzugsweise 1 bis 50 um und insbesondere 1 bis 20 um. Damit aus der Masse geformte Teile besonders günstige Verschleiß- und Reibungseigenschaften aufweisen, sind PTFE-Teilchen mit einer mittleren Größe von 2 bis 10 μχα, vorzugsweise 5 bis 7 bei einem Anteil von weniger als 1% mit einer Größe von
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mehr als 35 um, möglichst gleichmäßig im Styrolanteil, vorzugsweise einem hoch schlagfesten Material, dispergiert.
Die genaue Form der PTFE-Teilchen ist zwar nicht übermäßig kritisch, vorzugsweise haben die für die Herstellung der erfindungsgemäßen Formmasse verwendeten Teilchen jedoch eine solche Form, daß die größte Abmessung der einzelnen Teilchen von qer kleinsten Abmessung derselben nicht übermäßig stark abweicht. Das Längen-Breitenverhältnis der einzelnen Teilchen liegt vorzugsweise bei höchstens 2 : 1 und beträgt vorzugsweise nicht mehr al's 1,5 '■ 1 ·
Die Teilchen liegen also vorzugsweise in granulierter Form vor, d.h. in Form von unregelmäßigen Perlen, Kügelchen, Würfeln usw.. Stärkere Abweichungen von der granulierten Form können dazu führen, daß die Formmasse unerwünschte Fließeigenschaften aufweist, beispielsweise daß die erhitzte Masse eine gewisse Schmelzelastizität aufweist, was insofern unerwünscht ist, als dadurch Uhgenauigkeiten bei der Formung entstehen können.
Die erfindungsgemäße Formmasse kann in der Weise hergestellt werden, daß das polymere Material auf Styrolbasis und die PTFE-Teilchen miteinander vermischt werden, daß das Gemisch erhitzt wird, so daß eine im wesentlichen homogene, plastifizierte Masse aus polymerem Material auf Styrolbasis mit gleichmäßig darin dispergierten PTFE-Teilchen entsteht, und daß die Masse dann granuliert wird.
Die erfindungsgemäßen Formmassen eignen sich insbesondere zum Formen von Teilen von Vorrichtungen, welche für die Verwendung in einem wässrigen Medium bestimmt sind. Der-
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artige Vorrichtungen und Teile für dieselben stellen weitere Ausführungsformen der Erfindung dar. Insbesondere beziehen sich solche Ausführungsformen auf Teile, insbesondere bewegliche Teile, von Durchflußmessern.
In einer anderen Ausführungsform schafft die Erfindung somit einen Durchflußmesser mit einer von einem zu messenden Strömungsmittel durchströmten Kammer und einem in dieser angeordneten, von der Strömung des Strömungsmittels betätigbaren, beweglichen Teil, wobei gemäß der Erfindung vorgesehen ist, daß die Kammer und/oder das bewegliche Teil aus einem polymeren Material auf Styrolbasis geformt sind bzw. ist, in welchem, bezogen auf das Gesamtgewicht der Masse, wenigstens 5 Gew.% PTFE-Teilchen dispergiert sind. Aus dem genannten polymeren Material auf Styrolbasis ist vorzugsweise das bewegliche Teil geformt.
Herstellungs- und Prüfungsverfahren für die erfindungsgemäßen Formmassen sind nachstehend anhand eines Beispiels erläutert.
Beispiel
Hoch schlagfestes Polystyrol in granulierter Form wurde mit in Form eines Granulats vorliegenden PTFE-Teilchen vermischt, deren mittlere Größe zwischen 5 und 7 betrug, wobei der Anteil von Teilchen mit einer Größe von mehr als 35 ^m weniger als 1% betrug. Das Längen-Breitenverhältnis der Teilchen lag unter 1,5 : 1·
Die PTFE-Teilchen wurden gleichmäßig im Polystyrol dispergiert und das Gemisch erhitzt, so daß eine homogene, plastifizierte Masse entstand. Die Masse wurde einem Schneckenextruder zugeführt und dieser auf eine über dem Erweichungspunkt des Polystyrols liegende Temperatur beheizt. Das entstehende Extrudat wurde abgekühlt und
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und zu einem für Formverfahren verwendbaren Granulat zerkleinert. Auf diese Weise wurden Formmassen mit Gehalten von 5, 10, 15, 20, 25 und 30 Gew.% PTFE-Teilchen hergestellt.
Aus jeder Formmasse wurden mittels einer herkömmlichen Formvorrichtung Kolben für die Verwendung in Durchflußmessern geformt.
Ein typischer Kolben ist in Fig. 1 und 2 der Zeichnung in einer Schrägansicht bzw. im Axialschnitt dargestellt. Fig. 3 zeigt einen Wasserzähler mit einem solchen Kolben. Der als einstückiges Formteil ausgebildete Kolben hat eine zylindrische Umfangswand 3 und einen in der Mitte zwischen deren Enden lotrecht zur Achse derselben angeordneten Boden 5· In Ausrichtung mit der Mittelachse des Kolbens steht an einer Seite des Bodens ein kurzer, zylindrischer Zapfen 7 und an der anderen Seite ein metallener Stift 8 hervor. Der Boden 5 hat eine etwa birnenförmige öffnung 9, welche sich von einem Schlitz in der Umfangswand 3 in Richtung auf den Zapfen 7 erstreckt. Ferner hat der Boden 5 eine Anzahl von kreisförmigen Bohrungen 15ι welche in einem hufeisenförmigen Muster im wesentlichen symme-trisch beiderseits der Öffnung 9 angeordnet sind. Die zylindrische Wand 3 ist von vier länglichen öffnungen 17 durchsetzt, welche paarweise zu beiden Seiten des Längsschlitzes 11 angeordnet sind. Die öffnungen 17 haben im wesentlichen rechteckige Form mit ausgerundeten Enden und parallel zum Schlitz 11 verlaufenden Längsrändern.
An den Kolben vorgenommene Messungen zeigten, daß sich alle Formmassen mit einer Maßgenauigkeit von unter 0,1% formen lassen, und daß die Kolben ohne spanende Bearbeitung für die Verwendung in einem Wasserzähler geeignet sind. Die Kolben wurden in einem Wasserzähler
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geprüft, um festzustellen, ob sie den vorstehend unter b) bis e) genannten Bedingungen genügen.
Der für die Untersuchungen verwendete, in Fig. 3 dargestellte Wasserzähler hat ein Kammergehäuse 38 mit einem Wassereinlaß 34-· Auf das Kammergehäuse ist unter Zwischenlage einer Rundringdichtung ein Druckdeckel 39 aufgeschraubt. Oberhalb des Druckdeckels ist ein Außendeckel 36 angeordnet und mittels zweier (nicht dargestellter) Kunststoffkeile befestigt. Das Kammergehäuse 38 enthält einen Kammereinsatz 40, welcher an der Ober- und Unterseite (nicht gezeigte) Ein- und Auslässe hat. Eine an der Wand des Einsatzes einwärts hervorstehende Scheidewand 42 findet Aufnahme in der birnenförmigen Öffnung 9 des Kolbens 1. Der Stift 8 des Kolbens 1 ist in Eingriff mit einer Kupplungsanordnung 44, welche ihrerseits antriebsübertragend mit einem im Außendeckel 36 angeordneten, kombinierten Untersetzungsgetriebe und Zählwerk 46 verbunden ist. Die Bewegungen des Kolbens im Betrieb des Zählers werden so auf das Zählwerk übertragen, welches über eine Sichtanzeige 48 ablesbar ist. Innerhalb des Außendeckels 36 ist das kombinierte Untersetzungsgetriebe und Zählwerk 46 durch eine weitere Rundringdichtung abgedichtet.
Die Arbeitsweise des Wasserzählers geht aus Fig. 4A bis 4D der Zeichnung hervor, in denen die Wasserströmung bei einem vollen Umlauf des Kolbens 1 im Kammereinsatz 40 dargestellt ist. Die Bewegung des Zapfens 7 des Kolbens 1 ist durch eine Führung begrenzt, welche einen zylindrischen Mittelzapfen 50 und einen äußeren zylindrischen Führungsrand 52 aufweist. Die Führung steht aufwärts am Boden des Kammereinsatzes hervor und ist so angeordnet, daß sich der Zapfen 7 des Kolbens bei jedem Umlauf desselben einmal um den Mittelzapfen herum bewegt. Die Scheidewand 42 ist so in die Außen-
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wand des Kammereinsatzes 40 und den Führungsrand 52 eingesetzt, daß sie den Längsschlitz 11 des Kolbens 1 durchsetzt und sich in die birnenförmige Öffnung 9 hinein erstreckt. Der Kammereinsatz 40 hat an der Oberseite einen Einlaß 54 und an der Unterseite einen Auslaß 56« In Fig. 4 ist in die Kammer einströmendes Wasser punktiert, ausströmendes Wasser schraffiert und ruhendes Wasser, d.h. durch den Kolben von Ein- und
uslaß geschiedenes Wasser durch eine leichtere Punktierung dargestellt. In Fig. 4A setzt das in die Kammer einströmende Wasser den Kolben 1 auf seiner exzentrischen Umlaufbahn in Bewegung, wobei er sich in Gleitberührung mit der Scheidewand 42 und der zylindrischen inneren Wandfläche des Kammereinsatzes 40 befindet. Gleichzeitig damit wird Wasser durch den Auslaß 56 der Kammer ausgetrieben.
In Fig. 4B hat sich der Kolben über ein Viertel seiner Umlaufbahn bewegt. Das Wasser strömt weiterhin in den Kolben und füllt diesen weitgehend aus, und beginnt außerdem in den mit 58 bezeichneten Bereich der Kammer einzuströmen. Aus den übrigen Bereichen der Kammer und des Kolbens wird das Wasser weiterhin durch den Auslaß ausgetrieben.
In Fig.4C hat sich der Kolben über die Hälfte seiner Umlaufbahn bewegt. Er ist nun vollständig mit ruhendem Wasser gefüllt, während das Wasser zu beiden Seiten 62, 64 der Scheidewand 42 in die Kammer ein- bzw. aus ihr ausströmt.
Nach drei Vierteln der Umlaufbahn beginnt Wasser vom Einlaß in den Kolben einzuströmen, worauf dann ein voller Umlauf des Kolbens zum Abschluß kommt.(Fig. 4D).
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Während jedes Umlaufs des Kolbens wird der Zähler von einer vorbestimmten Wassermenge durchströmt. Die mit dem Stift 8 des Kolbens verbundene Kupplungsanordnung überträgt die Kolbenbewegung auf das Untersetzungsgetriebe mit dem Zählwerk, so daß dieses die den Zähler durchströmende Wassermenge anzeigt.
In den Versuchen wurde festgestellt, daß die aus Jeder der Formmassen geformten Kolben zufriedenstellend arbeiteten und auch bei kleinen Strömungsmengen genaue Ergebnisse lieferten. Außerdem erwiesen sich die Kolben als verschleißfest und dimensionsstabil in Wasser.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Formmassen ist vorstehend zwar insbesondere mit bezug auf Wasserzähler mit eine exzentrische Umlaufbahn beschreibendem Kolben beschrieben, die Formmassen sind jedoch auch auf andere Art verwendbar. So können sie beispielsweise in Durchflußmessern verwendet werden, bei denen das von der Strömung betätigbare, bewegliche Teil eine Taumelscheibe ist.
Ferner können sie für andere in einem wässrigen Medium arbeitende Vorrichtungen, beispielsweise Pumpen, verwendet werden.
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-ti' e e r s e
ite

Claims (1)

  1. DR. BE a Q D \ PL·.-I K-Q. ST APF DIPL.-ING. SCHWA3E D3. DR. SANDMAIR
    PATENTANWÄLTE • MÖNCHEN 80 · MAU ERKIRCH ERSTR. 45
    Anwaltsakte 30 195
    13. Nov. t379
    P_a_>t_e_n_t_a_n_s_2_r_ü_c_h_e
    1. ) Thermoplastische Formmasse, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen größeren Anteil eines thermoplastischen polymeren Materials auf Styrolbasis enthält, in welchem, bezogen auf das Gesamtgewicht der Masse, wenigstens 5 Gew.% Polytetrafluorathylen-(PTFE)-Teilchen dispergiert sind.
    2. Formmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie, bezogen auf ihr Gesamtgewicht, 5 bis 30 Gew.% PTFE-Teilchen enthält.
    3. Formmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie, bezogen auf ihr Gesamtgewicht, 5 bis 15 Gew.% PTFE-Teilchen enthält.
    M-. Formmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie, bezogen auf ihr Gesamtgewicht, 8 bis 12 Gew.% PTFE-Teilchen enthält.
    5· Forramasse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
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    ORlGiNAL INSPECTED
    Größe der POJI1E-Telichen weniger als 100 um beträgt.
    6. Formmasse nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß nicht mehr als 1% der PTFE-Teilchen eine Größe von mehr als 50 um hat.
    7. Formmasse nach wenigstens einem der Ansprüche bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die PTFE-Teilchen eine mittlere Teilchengröße im Bereich zwischen 1 und 50 pm haben.
    8. Formmasse nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Teilchengröße der PTFE-Teilchen im Bereich zwischen 1 und 20 um liegt.
    9. Formmasse nach Anspruch 7» dadurch g e k e η η zeichnet, daß die mittlere Teilchengröße der PTFE-Teilchen im Bereich zwischen 2 und 10 pa liegt.
    10. Formmasse nach Anspruch 7-> dadurch gekennzeichnet, daß die PTFE-Teilchen eine mittlere Teilchengröße von 5 bis 7 pm und zu nicht mehr als eine Teilchengröße von mehr als 35 um haben.
    11. Formmasse nach wenigstens einem der Ansprüche bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Längen-Breitenverhältnis der Teilchen nicht größer ist als 2:1.
    12. Formmasse nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß das Längen-Breitenverhältnis der Teilchen nicht größer ist als 1,5 · 1·
    13. Formmasse nach wenigstens einem der Ansprüche bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material auf Styrolbasis ein hoch schlagfestes Polystyrol enthält.
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    14. Verfahren zum Herstellen einer Formmasse nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn ze ichnet, daß das polymere Material auf Styrolbasis und das PTFE miteinander vermischt werden, daß das Gemisch erhitzt wird, so daß eine im wesentlichen homogene, plastifizierte Masse aus dem polymeren Material auf Styrolbasis entsteht, in welcher die PTFE-Teilchen gleichmäßig dispergiert sind, und daß die Masse granuliert wird.
    15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse extrudiert und das Extrudat zerhackt wird.
    16. Verwendung der Formmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Bildung eines Formkörpers.
    17. Verwendung der Formmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Bildung eines Teils einer in einem wässrigen Medium benutzbaren Vorrichtung.
    18. Verwendung der Formmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Bildung mindestens eines Teils (1) eines Durchflußmessers.
    19. Verwendung nach Anspurch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das betreffende Teil (1) ein bewegliches Teil ist, welches im Gebrauch des Durchflußmessers in Berührung mit dem zu messenden Strömungsmittel arbeitet.
    20. Verwendung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das betreffende Teil (1) von dem zu messenden Strömungsmittel betätigbar ist.
    21. Verwendung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das betreffende Teil ein Kolben (1) ist.
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    22. Verwendung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das betreffende Teil eine Taumelscheibe ist.
    23. Verwendung des polymeren Materials auf Styrolbasis, in welchem, bezogen auf das Gesamtgewicht der Masse, wenigstens 5 Gew.% PTFE-Teilchen dispergiert sind, insbesondere nach Anspruch 1, zur Formung einer von einem zu messenden Strömungsmittel durchströmbaren Kammer (40) und/oder eines in dieser angeordneten, von der Strömung des Strömungsmittels betätigbaren, beweglichen Teils (1) eines Durchflußmessers.
    24. Verwendung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem polymeren Material auf Styrolbasis geformte Element das bewegliche Teil (1) ist.
    25. Verwendung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Teil ein Drehkolben (1) ist.
    26. Verwendung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Teil eine Taumelscheibe ist.
    27. Verwendung der Formmasse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Bildung des beweglichen Teils (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 23 bis 26.
    030037/0B49
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