DE69109290T2

DE69109290T2 - Faserverstärkte flexible kompositmaterialien.

Info

Publication number: DE69109290T2
Application number: DE69109290T
Authority: DE
Inventors: John Connelly; John Knox
Original assignee: WL Gore and Associates Inc
Current assignee: WL Gore and Associates Inc
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1991-06-21
Publication date: 1996-02-01
Anticipated expiration: 2011-06-22
Also published as: DE69109290D1; EP0536289B1; WO1992000343A1; EP0536289A1; JPH05509116A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf verstärkte flexible Kompositwerkstoffe.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein flexibles, polymeres Material, das mit gewebten, gewirkten, geflochtenen oder gewickelten Textilerzeugnissen verstärkt ist, welche Fasern aus expandiertem Polytetrafluorethylen aufweisen, um verstärkte, flexible Materialien mit einzigartigen physikalischen Eigenschaften zu erzeugen.

Hintergrund der Erfindung

Seit Jahren haben die Gummi- und Kunststoff-Industrien verstärkende Textilerzeugnis-Elemente in Verbindung mit flexiblen Polymeren verwendet, um verstärkte flexible Kompositwerkstoffe zu erzeugen, die zur Herstellung einer Vielzahl von nützlichen technischen Waren verwendet werden, wie z.B. von Reifen, Schläuchen, Lagerbüchsen, Membranen, Dichtungen, Packungen, schützenden Textilerzeugnissen, Bändern, Akkumulatoren, Airbags, Brennstoffzellen, Brennstofftanks, flexiblen Kupplungen, medizinischen Leitungen (Schläuche), strukturellen Lagern usw.. Der Zweck der verstärkenden Elemente in den verstärkten flexiblen Materialien besteht darin, die Verformung der Kompositwerkstoffe zu begrenzen, den Anforderungen des beabsichtigten Einsatzes zu genugen, den Kompositwerkstoff zu verfestigen, Formbeständigkeit zu erhalten, Energie zu absorbieren und die Brauchbarkeitsdauer auszudehnen.
Über die Jahre sind verbesserte verstärkende Textilerzeugnisse aus Baumwolle entwickelt und durch die Verwendung von Reyon-, Nylon-, Polyester-, Glas-, Stahl-, Polyaramid- und Polytetrafluorethylen (PTFE)- Fasern weiterentwickelt worden. Diese Materialien sind in der Form von individuellen Fasern oder Korden und in der Form von gewebten, gewirkten oder geflochtenen Textilerzeugnissen in Abhängigkeit von den Anforderungen des Endverbrauches benutzt worden. Ein jedes dieser Materialien trägt einzigartige Eigenschaften zu der endgültigen Kompositstruktur bei und ein jedes leidet an gewissen Beschränkungen in kritischen Eigenschaften, z.B. Festigkeit, Dehnung, Steifigkeit, Flexibilität, Dauerfestigkeit, Kriechfestigkeit sowie chemischer und thermischer Beständigkeit.
Ein besonderer Fortschritt hinsichtlich der Anwendung von Textilerzeugnissen zur Verstärkung von Kompositwerkstoffen wurde in dem US- Patent Nr. 2 772 444 für Burrows, et al gelehrt, wobei die Anwendung von PTFE in orientierter Faserform dargelegt wurde. Die Industrie hat dieses Material in Kompositstrukturen erforscht. Jedoch ist aufgrund seiner niedrigen Zugfestigkeit, seiner geringen Kriechfestigkeit und seinem hohen Kaltfluß seine Anwendung als Verstärkung in flexiblen Kompositwerkstoffen sehr eingeschränkt worden.
Das US-Patent Nr. 3 513 064, für Westley. et al offenbart die Verwendung von PTFE-Faser in Verbindung mit einem Fluorelastomer und einem Fluorkunststoff zur Anwendung in Schutzkleidung, bei der die geringen physikalischen Eigenschaften der Ware dem Endverbrauch angemessen sind. Andere Endanwendungen sind ebenfalls erwähnt worden, sie hatten jedoch wegen den oben erwähnten Mängeln eine begrenzte Brauchbarkeit.
Das US-Patent Nr. 4 680 220 für Johnson verwendet Filamente aus expandiertem PTFE (ePTFE), um Waren zu erzeugen, die mit gewissen, in Wärme aushärtenden Harzen imprägniert sind, um dielektrische Materialien zur Verwendung bei festen Leiterplatten (gedruckten Schaltungen) zu ergeben.
Das US-Patent Nr. 4 946 736 für Sassa lehrt ein Laminat, welches angeheftete Schichten aus Polytetrafluorethylen(PTFE)-Membrane, thermoplastischem Polymer und einem Grundgewebe aus gewebten Fasern aus PTFE aufweist. Die bevorzugten Membranen und Fasern bestehen aus porösem PTFE, in noch bevorzugterer Weise aus porösem expandierten PTFE (ePTFE). Das Laminat weist überlegene elektromagnetische Übertragungseigenschaften auf und wird zum Umschließen und Schützen von Radioantennen verwendet.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem Gesichtpunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Kompositwerkstoff vorgesehen, aufweisend wenigstens eine Schicht aus:
(a) einer Ware bestehend aus Fasern aus expandiertem porösen Polytetrafluorethylen; und
(b) wenigstens einem flexiblen Polymer mit einem Biegeelastizitätsmodul geringer als 1400 MPa,
bei welchem das Volumenverhältnis des flexiblen Polymers zu der Ware zwischen 5 bis 95 % und 95 % bis 5 % liegt, wobei (1) der genannte Kompositwerkstoff bei 5 % Reckung einen Modul von weniger als 170 MPa aufweist, und bei welchem (2) die Gesamtverformungsarbeit, welche der Kompositwerkstoff vor einem Bruch aushalten kann, größer ist als 670 Joules/cm der Waren-Matrix (auf das Volumen bezogen).
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Kompositwerkstoff vorgesehen, aufweisend: a) eine Ware bestehend aus Fasern von expandiertem porösen Polytetrafluorethylen und aus mindestens einer zusätzlichen, kompatiblen Faser, und b) wenigstens ein flexibles Polymer mit einem Biegeelastizitätsmodul geringer als 1400 MPa, wobei (1) der genannte Kompositwerkstoff bei 5 % Reckung einen Modul von geringer als 210 MPa aufweist und bei welchem (2) die Gesamtverformungsarbeit, welche der Kompositwerkstoff vor einem Bruch aushalten kann, größer ist als 450 J/cm der Waren-Matrix (auf das Volumen bezogen).
Die Erfindung betrifft einen verstärkten flexiblen Kompositwerkstoff aus wenigstens einer Schicht einer Ware, die aus Fasern aus expandiertem porösen PTFE hergestellt ist oder eine Faser aus expandiertem porösen PTFE enthält, in Kombination mit einem oder mehreren Polymeren mit einem Biegeelastizitätsmodul weniger als 1400 MPa, wobei der genannte Kompositwerkstoff bei 5 % Reckung einen Modul von weniger als 170 MPa und eine durch Zerreißprüfung bestimmte Eigenschaft eines "Energy management" von größer als 670 Joules/cm der Waren-Matrix (auf das Volumen bezogen) aufweist.
Das "Energy management" ist definiert als die Gesamtverformungsarbeit, welche ein Material vor einem Bruch oder Reißen aushalten kann, normiert auf das Volumen der Ware.
Die "Energy management"-Fähigkeiten der verstärkten flexiblen Kompositwerkstoffe gemäß dieser Erfindung sind charakterisiert durch Berechnen des Gesamtbereiches unter der Spannungs/Dehnungs-Kurve, die bei der Zerreißprüfung erzeugt wurde, welcher in größer als 670 J/cm der Waren-Matrix (auf das Volumen bezogen) resultiert.
Diese einzigartigen "Energy management"-Eigenschaften werden mit den hervorstechenden Eigenschaften der Fasern aus ePTFE, z.B. Umgebungs-Beständigkeit (sowohl thermisch als auch chemisch) und Oberflächeneigenschaften, z.B. Abriebfestigkeit, geringe Reibung und Selbstschmierung kombiniert, um verstärkte flexible Kompositwerkstoffe für einen weiteren Bereich von Anwendungen zu ergeben.
Bei Vergleich mit anderen verstärkten Kompositwerkstoffen weist der erfindungsgemäße, verstärkte flexible Kompositwerkstoff hohe "Energy management"-Werte auf, welche als der Gesamtbetrag der Arbeit oder die Gesamtverformungsarbeit definiert sind, welche ein Material vor einem Bruch aushalten kann. Der erfindungsgemäße, verstärkte, flexible Kompositwerkstoff weist Zähigkeit anstatt Sprödigkeit oder Brüchigkeit auf, wodurch es erlaubt wird, daß weitere Arbeit in den verstärkten flexiblen Kompositwerkstoff eingeleitet wird, nachdem seine Zerreißfestigkeit erreicht worden ist.
Die Flexibilität des erfindungsgemäßen, verstärkten, flexiblen Kompositwerkstoffs wird durch die geringen Spannungs-Pegel bei den zugeordneten Dehnungs-Pegeln demonstriert, die von dem verstärkten, flexiblen Kompositwerkstoff während der physikalischen Prüfung aufgezeigt werden. Der erfindungsgemäße, verstärkte, flexible Kompositwerkstoff weist bei physikalischer Prüfung ebenfalls hohe Zug- und Berstfestigkeiten auf. Bei Vergleich mit bekannten verstärkten Kompositwerkstoffen repräsentiert der erfindungsgemäße verstärkte flexible Kompositwerkstoff eine einzigartige Kombination von mechanischen Eigenschaften der Zähigkeit, Flexibilität, Festigkeit ünd erhöhten "Energy management"- Werten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A ist eine Spannungs-/Dehnungs-Kurve eines 6-Schichten- Materials, bei dem jede Schicht ein in Wärme aushärtendes Fluorelastomer ist, das verstärkt ist mit einem Quadrat- Gewebe (Gewebe mit der gleichen Anzahl von Kett- und Schußfäden je Zoll) in Leinwandbindung aus 200 Denier- Faser aus expandiertem PTFE (ePTFE) (Denier = ein Maß für den Feinheitsgrad für Garn gleich dem Feinheitsgrad eines Garns, das 0,05 g für jede 450 m der Lange oder 1 g für jede 9000 m wiegt), wie gemäß Beispiel 1 hergestellt. Die Spannungs-/Dehnungs-Kurve ist für die Kompositwerkstoffe gemäß dieser Erfindung repräsentativ.
Fig. 1B ist eine Spannungs-/Dehnungs-Kurve eines 6-Schichten- Materials, bei dem jede Schicht dasselbe Fluorelastomer ist, wie gemäß Fig. 1A benutzt, jedoch die verstärkende Ware ein Quadrat-Gewebe in Leinwandbindung aus 200 Denier-Faser aus nicht-expandiertem PTFE ist, das für Vergleichszwecke in Beispiel 1 benutzt wurde.
Fig. 1C ist eine Spannungs-/Dehnungs-Kurve eines 6-Schichten- Materials, wie gemäß Fig. 1A und 1B beschrieben, mit der Ausnahme, daß die verstärkende Ware ein Quadrat-Gewebe in Leinwandbindung aus 200 Denier-Glasfaser ist, das für Vergleichszwecke in Beispiel 1 benutzt wurde.
Fig. 1D ist eine Spannungs-/Dehnungs-Kurve eines 6-Schichten- Materials, wie gemäß Fig. 1A, 1B und 1C beschrieben, mit der Ausnahme, daß die verstärkende Ware ein Quadrat-Gewebe in Leinwandbindung aus 200 Denier-Aramid- Faser ist, das für Vergleichszwecke in Beispiel 1 benutzt wurde.
Fig. 2 stellt die "Energy management"-Werte (auf der Basis von Zerreißprüfungen), die gemäß Tabelle 1C, Spalte 11 festgestellt wurden, gegen die Stärke (Dicke) des Kompositwerkstoffs dar, die gemäß Tabelle 1A, Spalte 1 festgestellt wurde.
Fig. 3 stellt die Kugel-Berstfestigkeit von verstärkten Kompositwerkstoffen, die gemäß Tabelle 1C, Spalte 13 festgestellt wurde, gegen die Stärke (Dicke) der Kompositwerkstoffe dar, die gemäß Tabelle 1A, Spalte 1 festgestellt wurde.
Fig. 4 zeigt eine Ware zur Anwendung bei der Erfindung mit Fasern, die sämtlich aus expandiertem PTFE bestehen.
Fig. 5 zeigt eine Ware zur Anwendung bei der Erfindung mit Fasern aus expandiertem PTFE und Quarzfasern.
Fig. 6 zeigt einen verstärkten, flexiblen Kompositwerkstoff, der ein in Wärme aushärtendes Elastomer, ein Gewebe aus expandiertem PTFE und einen Thermoplasten aufweist.
Fig. 7 zeigt eine Membrane, die aus dem in Fig. 6 dargestellten verstärkten Kompositwerkstoff hergestellt wurde.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

In den Fig. 1A, 1B, 1C und 1D sind die Spannungs-/Dehnungs-Kurven von repräsentativen, mit 6-Schicht-Ware verstärkten Komposit-Werkstoffen dargestellt, die gemäß Beispiel 1 hergestellt wurden.
Die "Energy management"-Fähigkeit eines jeden der vier Kompositwerkstoffe wurde durch Errechnen des Gesamtbereiches unter der Spannungs- /Dehnungs-Kurve in Joules und durch auf das Volumen bezogene Normierung des Wertes für die Waren-Matrix ermittelt. Der mit der aus ePTFE bestehenden Ware verstärkte flexible Kompositwerkstoff (Fig. 1A) gemäß dieser Erfindung hatte einen "Energy management"-Wert von 2200 J/cm. Im Gegensatz hierzu hatte ein mit aus nicht-expandiertem PTFE bestehender Ware verstärkter Kompositwerkstoff (Fig. 1B) einen Wert von lediglich 400 J/cm. Ein mit aus Glas bestehender Ware verstärkter Kompositwerkstoff (Fig. 1C) bzw. ein mit aus Aramid bestehender Ware verstärkter Kompositwerkstoff (Fig. 1D) hatten Werte von lediglich 140 J/cm bzw. 560 J/cm. Der vergrößerte Bereich unter der Spannungs-/Dehnungs-Kurve von mit aus ePTFE bestehender Ware verstärktem, flexiblen Kompositwerkstoff gemäß dieser Erfindung in Fig. 1A ist eine graflsche Veranschaulichung des vergrößerten "Energy management" der flexiblen Kompositwerkstoffe unter Verwendung von aus ePTFE bestehenden Waren als Verstärkungsmaterial.
Die Spannungs-/Dehnungs-Kurve des mit ePTFE-Ware verstärkten flexiblen Kompositwerkstoffes, die in Fig. 1A dargestellt ist, zeigt ferner einen zusätzlichen Vorteil der Verwendung von ePTFE als eine durch eine Ware gebildete Verstärkung: Die Zähigkeit des resultierenden Kompositwerkstoffs. Diese Zähigkeit erlaubt es, daß die Kompositwerkstoffe gemäß dieser Erfindung damit fortfahren, einem Bruch Widerstand zu bieten, nachdem Zerreißfestigkeit des Kompositwerkstoffes erreicht worden ist. Wie aus den Fig. 1B, 1C und 1D zu ersehen ist, weisen die hierin dargestellten Vergleichs-Kompositwerkstoffe Brüchigkeit auf, so daß, wenn einmal die Zerreißfestigkeit des Kompositwerkstoffes erreicht worden ist, der Kompositwerkstoff spontan zu Bruch geht.
Die Fig. 1A und 1B zeigen, daß die mit Ware verstärkten Kompositwerkstoffe, wobei verstärkende Waren auf der Grundlage von ePTFE und PTFE verwendet werden, geringere Spannungspegel bei 5 % Dehnung haben als die jeweiligen in Fig. 1C bzw. 1D gezeigten Kompositwerkstoffe, die aus Glas bzw. Aramid bestehende Ware aufweisen. Das Auftreten geringerer Spannungspegel bei niedriger Dehnung wird als Anfangs-Modul beschrieben.
Fig. 2 ist eine Darstellung der Beziehung zwischen dem "Energy management" von mit aus ePTFE bestehender Ware und mit anderer Vergleichs-Ware verstärkten, flexiblen Kompositwerkstoffen, die aus 1, 2, 4 oder 6 Schichten zusammengesetzt sind, und der Waren-Matrix-Stärke des Kompositwerkstoffes.
Fig. 3 zeigt die Kugel-Berst-Festigkeit, wobei die Festigkeit eines Materials ermittelt wird, wenn eine Kraft in der Normalrichtung aufgebracht ist, in Newton (Tabelle 1C, Spalte 13) gegen die Stärke des Laminats in mm, Spalte 1. Wie gezeigt ist, liegen mit aus ePTFE bestehender Ware verstärkte, flexible Kompositwerkstoffe gemäß dieser Erfindung in bemerkenswerter Weise oberhalb der Vergleichs-Kompositwerkstoffe, die mit aus PTFE bestehender Ware verstärkt sind. Die Vergleichsprobe aus einem sechsschichtigen, mit aus PTFE bestehender Ware verstärkten Kompositwerkstoff ging abrupt bei 740 N der Kraft zu Bruch, während die Probe aus einem vierschichtigen, mit aus ePTFE bestehender Ware verstärkten flexiblen Kompositwerkstoff gemäß dieser Erfindung bei 4450 N Kraft (die Belastungsgrenze der Maschine) nicht zu Bruch ging.
Ähnliche Verbesserungen für mit aus ePTFE bestehender Ware verstärkte Kompositwerkstoffe gegenüber Kompositwerkstoffen, die mit aus Glas bestehender Ware verstärkt sind, sind in Fig. 3 für die Kugel- Berst-Festigkeit gezeigt. Mit aus Aramid bestehender Ware verstärkte Vergleichs-Kompositwerkstoffe zeigen eine hohe Kugel-Berst-Festigkeit auf (bei Überschreitung der Fähigkeit der Lastmeßzelle in dem physikalischen Prüfäpparat), wie für diese Ware von ultrahohem Modul und ultrahoher Bruchfestigkeit, jedoch geringer Flexibilität und geringen elastischen Eigenschaften zu erwarten ist.
Fig. 4 zeigt einen Bereich einer gewebten Ware, bei welcher alie Fasern 40 Fasern aus expandiertem PTFE sind, und Fig. 5 zeigt einen Bereich einer Ware, bei welcher ein Teil der Fasern 40 Fasern aus expandiertem PTFE und ein Teil Quarzfasern 50 sind.
Fig. 6 zeigt einen verstärkten flexiblen Kompositwerkstoff gemäß dieser Erfindung, welcher ein in Wärme aushärtendes Elastomer 60, eine Ware aus expandiertem PTFE 40 und einen Thermoplasten 61 aufweist.
Fig. 7 zeigt eine Membrane, die aus dem in Fig. 6 dargestellten verstärkten Kompositwerkstoff hergestellt ist. Die Oberseite der Membrane ist ein Thermoplast 61. Die Unterseite ist ein in Wärme aushärtendes Elastomer 60. Zwischen dem Thermoplasten 61 und dem in Wärme aushärtenden Elastomer 60 ist eine Ware aus expandiertem PTFE 40 eingebettet.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Diese Erfindung involviert die Verwendung von (gewebten, gewirkten, geflochtenen oder gewickelten) textilen Erzeugnissen oder Waren aus expandierter poröser PTFE (ePTFE)-Faser, welche mit Ätzflüssigkeit behandelt und mit gewissen in Wärme aushärtenden oder thermoplastischen flexiblen polymeren Materialien kombiniert werden kann, um flexible Produkte mit einzigartigen Eigenschaften zu erzeugen. Das Volumenverhältnis von flexiblem Polymer zur Ware ist zwischen 5 bis 95 % und 95 bis 5 %.
Das US-Patent Nr. 3 953 566 und das US-Patent Nr. 4 187 390 lehren ein expandiertes PTFE (ePTFE) in poröser Form, welches zu einer großen Vielzahl von nützlichen Erzeugnissen führt, z.B. Filme, Rohre, Stangen und kontinuierliche Filamente.
Filamente aus porösem PTFE werden durch die in dem US-Patent Nr. 3 962 153 beschriebenen Verfahren in unterschiedlichen Denier hergestellt und sie werden nachfolgend unter Anwendung von Web-, Maschenwarenherstellungs-, Flecht- und Wickel-Verfahren zu Textilerzeugnissen oder Waren verarbeitet. Diese Textilerzeugnisse oder Waren können anschließend mit Ätzflüssigkeiten behandelt werden, z.B. Alkalinaphthanaten oder anderen Oberflächenmodifiziermitteln, um die Anhaftung an den Polymeren zu verbessern.
Derartige Textilerzeugnisse oder Waren werden sodann mit flexiblen Polymeren oder Kombinationen, welche flexible Polymere enthalten, kombiniert. Im Anschluß daran können derartige, individuell beschichtete Lagen (oder Schichten) der Textilerzeugnisse oder Waren zu Mehrfach-Schicht-Gebilden kombiniert werden; derartige Gebilde können unter Verwendung von Schichten, denen andere verstärkende Waren oder Textilerzeugnisse zugrundeliegen, kombiniert werden. Einzelne Schichten können aus ePTFE-Faser gewebt werden, wobei sie mit anderen Fasern kombiniert werden (wie z.B. Quarz, Glas, Aramiden oder Nylon).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das flexible Polymer ein in Wärme aushärtendes Elastomer, welches aus der Klasse ausgewählt ist, welche besteht aus: Fluorelastomeren, einschließlich deijenigen, welche Wasserstoff enthalten, und deijenigen, welche nicht Wasserstoff enthalten, Perfluorelastomeren und Fluorelastomeren, die Silikonanteile enthalten, Nitrilelastomeren, Acrylelastomeren, Olefindienelastomeren, chlorsulfonierten Polyethylenelastomeren, Polychloroprenelastomeren, Butyl- und halogenierte Butyl-Elastomeren, Styrolbutadien-Elastomeren, Polydienelastomeren und Silikonelastomeren. Die in Wärme aushärtenden Elastomere der oben genannten Klasse weisen einen Biegeelastizitätsmodul (ASTM D790-84a) auf, der geringer als 1400 MPa ist.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das flexible Polymer ein thermoplastisches Elastomer, das aus der Klasse ausgewählt ist, welche besteht aus: Copolyetherester-Elastomeren, Polyurethan-Elastomeren, Styrolpolyoleflnblockcopolymer-Elastomeren, Polyamid-Elastomeren, Ethylencopolymer-Elastomeren und thermoplastischen Elastomeren, welche durch das Verfahren der dynamischen Vulkanisiemng hergestellt werden, wie in USP 4 130 535 für Coran. et al beschrieben worden ist, bei welchem eine Mischung aus einem härtbaren Elastomer und einem Kunststoff zu einer thermoplastischen elastomeren Zusammensetzung führt. Die thermoplastischen Elastomere gemäß der oben erwähnten Klasse weisen einen Biegeelastizitätsmodul (ASTM D790-84a) auf, der geringer als 1400 MPa ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das flexible Polymer aus einem Thermoplasten, der einen Biegeelastizitätsmodul (ASTM D790-84a) aufweist, der geringer als 1400 MPa ist, und der aus der Klasse ausgewählt ist, welche besteht aus: fluorierten thermoplastischen Werkstoffen, bestehend aus Homopolymeren und Copolymeren von Tetrafluorethylen, Copolymeren von Vinylidinfluoriden, Copolymeren von Chlortrifluorethylen, Polyolefinen und plastifizierten Polyvinylchloriden.
Die Ware, welche ePTFE-Faser aufweist, wird laminiert, beschichtet oder gesättigt mit flexiblen Polymeren, und zwar durch: Lösungsbeschichten, Schmelzbeschichten, Kalandrieren, Extrudieren, Laminieren, Preßformen, Roto-Formen, Thermoverformung oder Vakuum-Formverfahren. Das resultierende Komposit bildet eine aus einem Stück bestehende Einheit.
Endteile können durch Nachformen von flexiblen, verstärkten Kompositwerkstoffen hergestellt werden, welche eine einzelne Schicht oder Mehrfachschichten aufweisen, und zwar durch: Drucklaminierungs-, Preßformungs-, Autoklavformungs-, Rotationsformungs-, Heißwalzlaminierungs-, Vakuumformungs- oder Thermoverformungs-Verfahren.
Zu Endteilen, welche den flexiblen, verstärkten Kompositwerkstoff aufweisen, gehören: Reifen, Schläuche, Lagerbüchsen, geformte Membranen, Bälge, Dichtungen, Septa (Scheidewände), Dichtungen, Packungen, beschichtete Textilerzeugnisse, Schutzkleidung, Bänder, Stoßdämpfer, Akkumulatoren, Luftsäcke, Brennstoffzellen, Brennstofftanks, flexible Kupplungen, Schläuche, medizinische Schläuche und Leitungen, Ausdehnungsverbindungen, strukturelle Lager und Treib-Riemen.
Die Leistungsfähigkeit dieser verstärkten, flexiblen Kompositwerkstoffe kann ferner durch die Art und Weise modifiziert werden, in welcher ein Flechten, Weben, Herstellen von Maschenware oder Wickeln zur Herstellung der Ware ausgeführt werden.

Testmethoden

Zerreißprüfung

Die Zerreißspannung, die Zerreißdehnung, die Spannung bei 5 % Dehnung, der Modul bei 5 % Dehnung, die Bruch-Dehnung, die Bruch- Spannung und die "Energy management"-Charkkteristika der Werkstoffe wurden unter Anwendung der ASTM D 882-83-Methode A bestimmt. Es wurde eine Maschine vom Typ mit Konstantgeschwindigkeits-Backen- Trennung (Instron Testing Machine, Modell 1122) benutzt, welche mit einem Streifenregistriergerät ausgerüstet war.
Es wurden Werkstoffe unter Verwendung einer Matrize in Proben von 2,5 cm x 15,2 cm sowohl in der Kettenrichtung als auch in der Schußrichtung geschnitten. Alternativ hierzu wurden unter Verwendung einer Matrize Proben in eine hantelförmige Gestalt von 15,2 cm geschnitten. Die Proben wurden nicht konditioniert, jedoch wurde das Testverfahren in einem überwachten Raum bei einer Temperatur von 21 ºC und einer relativen Feuchtigkeit von 65 % ausgeführt.
Die Meßlänge des Probenstückes war 10,2 cm und die Dehnungsgeschwindigkeit, die verwendet wurde, war 25,4 cm/min. Das Streifenregistiergerät lief mit 127,0 cm/min. Alle Proben wurden bis zum Zerreißen getestet, wenn die Grenze der Lastmeßzelle nicht überschritten wurde. Wenn die Grenze der Lastmeßzelle überschritten wurde, wurde der Test abgebrochen und der Wert wurde als ein die Belastungsgrenze überschreitender Wert festgestellt.
Es wurden sowohl die Spannungs-/Dehnungs-Niveaus bei "Maximal" und bei "Bruch" als auch die Spannung bei 5 % Dehnung aufgezeichnet. Falls die Probe vor 5 % Dehnung riß, wurde die Zerreiß-Spannung in Listen eingetragen und das Fehlen eines Wertes bei 5 % Dehnung wurde vermerkt.
Das "Energy management" des Materials wurde durch Errechnen des Gesamtbereiches unter der Spannungs-/Dehnungs-Kurve erhalten, die durch diesen Test erzeugt wurde. Dieser Wert wurde für das Waren- Volumen normiert und wurde als J/cm der auf das Volumen bezogenen Waren-Stärke aufgezeichnet.
Der Modul bei 5 % Dehnung des Werkstoffes wurde dadurch errechnet, daß der Betrag der Spannung bei 5 % Dehnung für einen Werkstoff ermittelt wurde und daß dieser Wert durch die Stärke der Waren-Matrix dividiert wurde.

Kraft zum Biegen

Es wurde die Höchstkraft gemessen, die erforderlich war, um einen Werkstoff durch eine definierte Biegung hindurch zu biegen. Das benutzte Gerät war ein Thwing-Albert Handle-O-Meter, Modell 211-5. Das Handle-O-Meter hat ein Blatt, welches eine Probe eines Werkstoffes in einen 0,64 cm breiten Schlitz hineintreibt, der parallele Seiten bis zu einer Tiefe von 0,64 cm aufweist. Die Höchstkraft, die zum Erzielen dieser Durchbiegung erforderlich ist, ist in Gramm aufgezeichnet worden.
Der Werkstoff wurde mittels Matrize in Proben von 2,5 cm x 7,6 cm geschnitten. Jeder getestete Werkstoff wurde in drei Ketten-Proben und drei Schuß-Proben geschnitten. Vor dem Test wurde es den Teststücken erlaubt, sich in einem überwachten Raum bei einer Temperatur von 21 ºC und einer relativen Feuchtigkeit von 65 % zu konditionieren.
Jede Probe wurde über die 2,5 cm-Dimension in Richtung zu einem Ende der Probe hin getestet. Nach diesem Test wurde die Probe umgedreht und das andere Ende und die gegenüberliegende Seite der Probe wurden getestet. Dieses Verfahren erlaubte ein Testen von Bereichen, welche vorher nicht dem Biegen unterworfen worden sind. Die von einer Ketten- und einer Schuß-Probe erhaltenen Werte wurden gepaart. Die Addition dieser vier Ablesungen ist die Gesamtanzeige, welche eine Messung der Werkstoff-Flexibilität liefert.

Rohr- bzw. Schlauch-Berst-Festigkeit

Die Berstfestigkeit von verstärkten, rohr- bzw. schlauchförmigen Konstruktionen wurde unter Verwendung von SAE J 343-C; SA 100R Series Burst Test for Hydraulic Hose and Hydraulic Hose Assemblies bestimmt. Sämtliche Proben wurden bei Umgebungstemperatur bis zum Bruch getestet. Es wurde sowohl die Deformation der Probe vor dem Bersten als auch der Bereich des Bruches aufgezeichnet.

Kugel-Berst-Festigkeit

Die Kugel-Berst-Festigkeit und die "Energy management"-Charakteristik der Werkstoffe wurde unter Verwendung von FTM 5120 bestimmt. Eine Maschine vom Typ mit Konstantgeschwindigkeit-Backen-Trennung (Instron Testing Machine, Modell 1122), welche mit einem Streifenregistriergerät ausgerüstet war, wurde verwendet, um diese Tests durchzuführen.
Die Testmaschine wurde mit einer 4450 N-Lastmeßzelle ausgerüstet und sie wurde in ihrem Kompressions-Modus laufengelassen. Es wurde ein Ringeinspannmechanismus mit einem inneren Durchmesser von 4,45 cm verwendet, um die Probe durch den Test hindurch sicher an Ort und Stelle zu halten. Die das Ende des Plungers definierende Kugel hatte einen Durchmesser von 2,54 cm. Die relative Bewegung der Kugel war rechtwinkelig zu der Ebene des Ringeinspannmechahismus und verlief durch den Mittelpunkt der Probe.
Falls eine Probe aus einem flachen Material bestand, wurde die Probe zu einem Quadrat von 10,2 cm x 10,2 cm geschnitten. Wenn die Probe ein Fertigteil war, z.B. eine geformte, gefaltete Membrane, war die Probe von ausreichender Größe, um durch den Ringeinspannmechanismus sicher eingespannt zu werden. Die Proben wurde in dem Ringeinspannmechahismus zentriert, sicher eingespannt und bei einer Querhauptgeschwindigkeit von 25,4 cm/Minute getestet. Die Proben wurden vor dem Testen nicht konditioniert.
Das "Energy management" des Materials wurde durch Errechnen des Gesamtbereichs unter der für den Kugel-Berst-Test aufgezeichneten Kurve erhalten. Ähnlich wie der "Energy management"-Wert, der aus der Spannungs-/Dehnungskurve erhalten wurde, wurde der aus dem Kugel-Berst-Test erhaltene "Energy management"-Wert für das Waren- Volumen normiert und als J/cm der auf das Volumen bezogenen Waren- Stärke aufgezeichnet.

Abrieb-Test

Die Abriebfestigkeit der Materialien wurde unter Verwendung von ASTM D 3884-80 ermittelt. Ein 1000 g-Gewicht wurde an der Testvorrichtung angeordnet, um eine vergrößerte Last an den Proben zu ergeben. Es wurde ein H-18-Schleifmittel verwendet. Die Proben wurden mit freiliegender Waren-Seite getestet und ohne vorheriges Konditionieren.
Nach jeden 300 Zyklen wurden die Schleifkörper mit einer Bürste gereinigt, um abgeschliffenes Material zu entfernen. Nach jeden 1000 Zyklen oder beim Starten einer Probe wurde eine neue Schleifscheibe in der Testvorrichtung plaziert. Die Probenstärke wurde periodisch mit einem Mikrometer getestet. Wenn eine Oberflächenreduktion von 0,005 cm gemessen wurde, wurde der Test beendet und die Anzahl der Zyklen wurde aufgezeichnet.

Biegeelastizitätsmodul

Der Biegeelastizitätsmodul des flexiblen Polymer wurde durch ASTM D 790-84a; Testmethoden für Biegeeigenschaften von unverstärkten und verstärkten Kunststoffen und elektrischen Isolationsmaterialien ermittelt.

Beispiele

Beispiel 1 und Vergleich - Verstärkter flexibler Kompositwerkstoff

Eine Ware, die aus 200 Denier-ePTFE-Faser (Leinwandbindung, Fäden/2,5 cm : W/F, 65/66) gewebt wurde, wurde durch den folgenden Prozeß geätzt: ein Alkalinaphthanat-Ätzmittel (Tetra-Etch -Ätzmittel, das von W.L.Gore & Associates, Inc. erhalten wurde) wurde auf die Waren- Oberfläche mit einer Bürste aufgetragen. Es wurde dem Ätzmittel ermöglicht, auf der Oberfläche der Ware für eine kurze Zeitspanne zu verbleiben. Die Waren-Oberfläche wurde sodann sorgfältig mit einer Uberschußmenge von heißem Wasser gewaschen, um das Ätzmittel zu entfernen. Die gewaschene Oberfläche wurde mit einem organischen Lösungsmittel abgewischt (es wurde Methylethylketon verwendet). Wenn das organische Lösungsmittel von der Ware verdampft war, wurde die Ware in einem 100ºC-Ofen für etwa 10 Minuten plaziert, um das restliche Naphthanat zu sublimieren.
Die geätzte Ware wurde mit einem Fluorelastomer in einer Lösungsmittellösung beschichtet (Viton -Fluorelastomer-Lösung, PLV-2000, erhalten von Pelmor Laboratories). Das Fluorelastomer wurde mit einem Ketimin-Härtungsmittel gehärtet (Beschleuniger Nr. 4, erhalten von Pelmor Laboratories). Die Fluorelastomerlösung wurde mit dem Ketimin-Härtungsmittel in einem Verhältnis von 27 Gewichtsteilen der Fluorelastomer-Lösung zu einem Gewichtsteil des Härtungsmittels gemischt. Die Fluorelastomer-Beschichtung wurde mit einer Geschwindigkeit von 90 cm pro Minute unter Verwendung eines Tauchbehälters mit einer Meier-Stange aufgetragen, was eine Beschichtung mit 43 Volumen-% Fluorelastomer ergab.
Für Vergleichszwecke wurden andere im Handel erhältliche 200 Denier- Waren aus Aramidgarn (Keflar 29 Aramidgarn, Style 005, Leinwandbindung, Fäden/2,5 cm:W/F 50/51, erhältlich von E.I. DuPont de Nemours & Co.); Fasern aus unexpandiertem Polytetrafluorethylen (Teflon TFE-Fluorkohlenstoff, Leinwandbindung, Fäden/2,5 cm : W/F 51/51 erhältlich von E.I. DuPont de Nemours & Co.); und Glasfasern (1100 Glas, Style 125 Leinwandbindung, Fäden/2,5 cm:W/F 58/47, erhältlich von J.P. Stevens) mit dem Fluorelastomer bei Anwendung des gleichen Prozesses bis zu etwa denselben Volumen-Prozentanteilen beschichtet. Die Polytetrafluorethylen-Ware wurde unter Anwendung des im Vorangehenden beschriebenen Ätz-Prozesses vor der Beschichtung mit dem Fluorelastomer geätzt.
Mehrere Schichten dieser beschichteten Waren wurden anschließend heiß-druck-laminiert und 30 Minuten bei 150ºC und 2070 KPa druckgehärtet, um verstärkte Kompositwerkstoffe zu ergeben, welche 1, 2, 4 oder 6 Schichten für eine darauffolgende physikalische Untersuchung enthielten. Die physikalische Untersuchung von Spannungs-Dehnungs- Eigenschaften wurde durchgeführt und die Ergebnisse sind in Tabellen 1A, 1B und 1C zusammengefaßt. TABELLE 1A Spannung bei 5% Dehnung Spalte Ware Schichten Komposit-Stärke Waren-Matrix Fraktion (auf Vol. bezogen) Waren-Matrix Stärke (auf Vol. bezogen) NEWTON Warenmatrix-Basis (auf Vol. bezogen) MPa Beispiel 200 DENIER ePTFE Fäden/2,54 cm: W/F, 65/66 Leinwandbindung Vergleich 200 DENIER PTFE Fäden/2,54 cm: W/F, 51/51 Leinwandbindung Vergleich 200 DENIER ARAMID STYLE 005, Leinwandbindung Fäden/2,54 cm: W/F, 50/51 Vergleich 200 DENIER GLAS Fäden/2,54 cm: W/F, 58/47 Leinwandbindung TABELLE 1B Dehnung bei Zerreißfestigkeit Maximale Zugfestigkeit Spalte Ware Schichten (pro 10,16 cm Meßlänge) NEWTON Gesamptkomposit-Werkstoffbasis, M Pa Warenmatrixbasis (auf Vol. bezogen) MPa Beispiel 200 DENIER ePTFE Fäden/2,54 cm: W/F, 65/66 Leinwandbindung Vergleich 200 DENIER PTFE Fäden/2,54 cm: W/F, 51/51 Leinwandbindung Vergleich 200 DENIER ARAMID STYLE 005, Leinwandbindung Fäden/2,54 cm: W/F, 50/51 Vergleich 200 DENIER GLAS Fäden/2,54 cm: W/F, 58/47 Leinwandbindung TABELLE 1C "ENERGY MANAGEMENT" (Gasamtbereich unter Spannungs/Dehnungs-Kurve) KUGEL-BERST "ENERGY MANAGEMENT" (Gasamtbereich unter Spannungs/Dehnungs-Kurve) Spalte Ware Schichten JOULE der Matrix (auf Vo. bezogen) Kugel-Berst Festigkeit, Beispiel 200 DENIER ePTFE Fäden/2,54 cm: W/F, 65/66 Leinwandbindung Vergleich 200 DENIER PTFE Fäden/2,54 cm: W/F, 51/51 Leinwandbindung Vergleich 200 DENIER ARAMID STYLE 005, Leinwandbindung Fäden/2,54 cm: W/F, 50/51 Vergleich 200 DENIER GLAS Fäden/2,54 cm: W/F, 58/47 Leinwandbindung NEWTON (kein Bruch)
In Tabelle 1A sind die Stärke der Probe, der volumetrische Anteil der Ware an dem Kompositwerkstoff (der restliche Anteil ist das Fluorelastomer-Polymer) und die Daten bezüglich Spannung bei 5 % Dehnung zusammengefaßt.
In der Tabelle 1B sind die Dehnungsdaten bei Zerreißfestigkeit sowohl als ein Absolutprozentwert als auch als cm der ursprünglichen, ungedehnten Meßlänge von 10,1 cm zusammengefaßt. Die Spalten 8, 9, 10 enthalten die Zerreißfestigkeit des Kompositwerkstoffes in Newton und in MPa, d.h. die Zugfestigkeit.
In Tabelle 1C sind in den Spalten 11 und 12 die "Zug-Energy-Management"-Eigenschaften in Joules und in J/cm pro 2,54 cm (inch) der Warenmatrix zusammengefaßt.
Tabelle 1C faßt die Kugel-Berst-Daten in Ausdrücken der Berstfestigkeit (Spalte 13), des "Kugel-Berst-Energy Management" in Joules (Spalte 14) und in J/cm der Warenmatrix (Spalte 15) zusammen.
Die Serien der verstärkten flexiblen Kompositwerkstoffe, welche aus ePTFE bestehende textile Erzeugnisse enthalten, hatten eine größere Kugel-Berst-Festigkeit und "Energy-Management"-Werte als verstärkte Kompositwerkstoffe, die aus PTFE und Glas bestehende textile Erzeugnisse enthalten. Die mit Aramid-Ware verstärkten Kompositwerkstoffe wiesen höhere Kugel-Berst-Festigkeitswerte auf, was das erwartete Ergebnis für diese Ware von hohem Modul und hoher Bruchfestigkeit war (jedoch, wie früher definiert, von geringer Flexibilität und geringen Elastizitätseigenschaften).
Um ferner die "Energy Management"-Eigenschaften von verstärkten, flexiblen Kompositwerkstoffen aus ePTFE-Ware zu veranschaulichen, sind die Fig. 2 und 3 gezeigt, welchen die gleichen Proben und Daten aus der Tabelle 1 zugrundeliegen.
Sowohl die ePTFE-verstärkten Kompositwerkstoffe gemäß dieser Erfindung als auch die Vergleichs-Kompositwerkstoffe aus nicht-expandiertem PTFE weisen mehr als genug Dehnung auf, um es aus ihnen hergestellten Strukturen zu erlauben, als elastische, flexible Kompositwerkstoffe verwendet zu werden. Umgekehrt weisen verstärkte Vergleichs-Kompositwerkstoffe aus Glas und Aramid nicht eine ausreichende Dehnung auf, um bei wirklich flexiblen Anwendungen verwendet zu werden.
Die brauchbare elastische Eigenschaft der Kompositwerkstoffe ist durch die Spannungs-Pegel in Verbindung mit niedrigen Pegeln der Dehnung im Bereich von 1-10% Dehnung definiert. Dies wird oftmals als "Anfangs"-Modul beschrieben. Um wirklich flexibel zu sein, muß ein verstärkter Kompositwerkstoff die "Elastizität" aufweisen, um von 1 bis 10 % bei gering angewendeten Spannungs-Pegeln gedehnt zu werden.
Die Flexibilität von Kompositwerkstoffen wird ebenfalls durch die Kraft bestimmt, die notwendig ist, um Proben der Kompositwerkstoffe zu biegen. Die Kraft zum Biegen der Kompositwerkstoffe, welche eine Schicht von verschiedenen 200 Denier enthalten, ist in Tabelle 2 ermittelt worden.
Die "brauchbaren elastischen" Eigenschaften von wirklich flexiblen, verstärkten Kompositwerkstoffen sind durch ihren geringen "Anfangs"- Modul und ihre geringe Flexibilität definiert. Die Leistungsfähigkeit, Langlebigkeit und Sicherheit von flexiblen, verstärkten Kompositwerkstoffen sind durch ihre Eigenschaften des "Energy-Management" bestimmt, was die Gesamtverformungsarbeit ist, die ein flexibler Kompositwerkstoff vor einem Bruch aushalten kann. Die letztere beinhaltet die Verformungsarbeit, die ein verstärkter Kompositwerkstoff aushalten kann, nachdem Zerreißfestigkeit des Kompositwerkstoffs erreicht worden ist. Tabelle 2 Kraft zum Biegen ePTFE-Ware PTFE-Ware Aramid-Ware Glas-Ware Gramm
Diese Daten demonstrieren den hohen Flexibilitätsgrad, der sowohl bei ePTFE- als auch bei PTFE-Waren festgestellt worden ist, im Gegensatz zu den steifen Waren aus Aramid und Glas.
Fig. 2 zeigt die "Energy-Management"-Daten für die Serien von verstärkten, flexiblen 1-, 2-, 4- und 6-Schicht-Kompositwerkstoffen in Joules (Tabelle 1C, Spalte 11) gegen die Stärke der verstärkten, flexiblen Kompositwerkstoffe in mm (Tabelle 1A, Spalte 3). In ähnlicher Weise zeigt Fig. 3 die Kugel-Berst-Daten.
Zusätzliche Beispiele von verstärkten, flexiblen Kompositwerkstoffen wurden durch das im Vorhergehenden beschriebene Verfahren hergestellt. Diese zusätzlichen Beispiele enthielten Ware, die entweder aus 50- oder 400-Denier-ePTFE-Fasern hergestellt wurden. Die Ergebnisse der Untersuchung, die an diesen flexiblen, verstärkten Kompositwerkstoffen ausgeführt wurden, ergeben sich aus den Tabellen 3A, 3B und 3C. TABELLE 3A Spalte Ware Schichten Komposit-Stärke mm Waren-Matrix-Fraktion (auf Vol. bezogen) Waren-Matrix-Stärke (auf Vol. bezogen) Spannung bei 5 % Dehnung NEWTON Waren-Matrix-Basis (aufVol. bezogen) M Pa Beispiel 50 DENIER ePTFE Fäden/2,54 cm: W/F, 129/112 Leinwandbindung Beispiel 200 DENIER ePTFE Fäden/2,54 cm: W/F, 65/66 Leinwandbindung Beispiel 400 DENIER ePTFE Fäden/2,54 cm: W/F, 52/52 Leinwandbindung TABELLE 3B Spalte Ware Schichten Dehnung bei Zerreißfestigkeit cm (pro 10,16 cm Meßlänge) Zerreißfestigkeit NEWTON Gesamt-Komposit-Werkstoff-Basis M Pa Waren-Matrix-Basis (aufVol. bezogen) M Pa Beispiel 50 DENIER ePTFE Fäden/2,54 cm: W/F, 129/112 Leinwandbindung Beispiel 200 DENIER ePTFE Fäden/2,54 cm: W/F, 65/66 Leinwandbindung Beispiel 400 DENIER ePTFE Fäden/2,54 cm: W/F, 52/52 Leinwandbindung TABELLE 3B "ENERGY MANAGEMENT" (Gesamtbereich unter Spannungs-/Dehnungs-Kurve Kugel-Berst-"ENERGY MANAGEMENT" (Gesamtbereich unter Spannungs-/Dehnungs-Kurve Spalte Ware Schichten JOULE J/cm der Matrix (auf Vol. bezogen) Kugel-Berst-Festigkeit, Beispiel 50 DENIER ePTFE Fäden/2,54 cm: W/F, 129/112 Leinwandbindung Beispiel 200 DENIER ePTFE Fäden/2,54 cm: W/F, 65/66 Leinwandbindung Beispiel 400 DENIER ePTFE Fäden/2,54 cm: W/F, 52/52 Leinwandbindung kein Bruch
Der verstärkte, flexibe Kompositwerkstoff, der eine Ware enthält, die aus 400-Denier-ePTFE-Faser hergestellt wurde, wies größere "Energy Management"-Eigenschaften als ein in ähnlicher Weise hergestellter, verstärkter, flexibler Kompositwerkstoff auf, der Ware enthält, die aus 200-Denier-ePTFE-Fasern, wie im Vorangehenden beschrieben, hergestellt wurde. Der Unterschied zwischen diesen zwei Materialien bleibt selbst dann, wenn die Daten auf eine einheitliche volumetrische Waren- Matrix-Basis normiert werden (Tabelle 3C, Spalte 12). Der verbleibende Unterschied wird durch das kleinere Verhältnis des Oberflächenbereiches zum Volumen der Faser erklärt, wenn der Denier der Faser erhöht wird. Diese Zunahme im Volumen in Bezug auf den Oberflächenbereich reduziert Brüche oder Risse aufgrund von Oberflächenunvollkommenheiten der Fasern.
Der verstärkte, flexible Kompositwerkstoff, der Ware enthält, die aus 50-Denier-ePTFE-Fasern hergestellt wurde, weist sowohl Geschmeidigkeit, Flexibilität als auch Eigenschaften hoher Festigkeit und "Energy Management"-Eigenschaften auf. Derartige Eigenschaften sind bei der Herstellung von industriellen Membranen aus diesem verstärkten, flexiblen Kompositwerkstoff von Vorteil.
Diesen Daten liegen Quadrat-Gewebe mit Leinwandbindung zugrunde, die mit flexiblen Polymeren kombiniert sind, um verstärkte, flexible Kompositwerkstoffe herzustellen, deren mechanische Funktionalität durch die mechanischen Eigenschaften der Waremnatrix bestimmt ist. Es ist offensichtlich, daß, wenn offen gewebte Waren aus denselben Fasertypen wie in den oben erwähnten Beispielen verwendet wurden, solche auf die Dehnung bezogenen Eigenschaften (Dehnungs-Beanspruchung bei 5 % Dehnung und "Energy-Management") in beträchtlichem Maße unterschiedlich sind.

Beispiel 2 - Verstärkte flexible Kompositwerkstoffe für Bauzwecke

Es wurden verstärkte, flexible Kompositwerkstoffe, welche 1200 Denier- Gewebe aus ePTFE in Leinwandbindung gemäß dieser Erfindung aufweisen, und ein Vergleichswerkstoff aus unexpandiertem PTFE miteinander verglichen. Kalandrierte Schichten eines 0,64 mm dicken, in Wärme aushärtenden Elastomeres, eines chlorsulfonierten Polyethylenelastomers (Hypalon , erhältlich von E. I. duPont de Nemours & Co.) wurden auf beide Seiten dieser Textilerzeugnisse durch die Verwendung einer Flachbettplattenpresse mit einem Laminationszyklus von 5 Minuten bei einer Temperatur von 121 ºC und einem aufgebrachten Druck von 690 kPa laminiert.
Die physikalischen Festigkeitseigenschaften der zwei verstärkten, flexiblen Kompositwerkstoffe sind, unter Verwendung einer Kreuzkopf- oder Querhaupt-Geschwindigkeit von 50,8 cm/Minute in Tabelle 4 zusammengefaßt. Tabelle 4 "Energy-Management" (Zugfestigkeit) "Energy-Management" (Kugel-Berst-Festigkeit) ePTFE verstärkter flexibler Komposit-werkstoff gemäß dieser Erfindung PTFE-verstärkter flexibler Vergleichs-Kompositwerkstoff
Die Vorteile der ePTFE-Ware zum Verstärken des chlorsulfonierten Polyethylenelastomers und anderer flexibler Polymere sind von erheblicher Bedeutung bei beschichteten Textilerzeugnissen, die für Bauzwecke angewendet werden, bei denen hohe Festigkeit, attraktive Farben, Widerstand gegenüber Beschädigung durch Schlag sowie außergewöhnliche Langlebigkeit im Freien Vorbedingungen für flexible Strukturen sind, wie z.B. geodätische Bauwerke, Einschicht-Deckungen oder Bedachungen und Außen-Markisen oder -Vordächer.

Beispiel 3 - Membranen für chemische Pumpen

Membranpumpen zur Anwendung beim Pumpen von gefährlichen Chemikalien werden gegenwärtig mit zwei Membranen ausgerüstet; eine Membran weist ein Fluorkohlenstoffharz auf, um den zersetzenden Wirkungen der gefährlichen Chemikalien Widerstand zu leisten, und eine zweite Membran weist ein gewebeverstärktes Elastomer auf, um den mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Kräften zu widerstehen, welche die Pumpe antreibt.
Zur Bewertung von "Einzel"-Membran-Anwärtern oder -Kandidaten, um "Doppel"-Membranen zu ersetzen, wurden verstärkte, flexible Dreikomponenten-Kompositwerkstoffe hergestellt. Für Vergleichszwecke wurden Textilerzeugnisse aus 200 Denier-ePTFE und -PTFE unter Anwendung des im Beispiel 1 beschriebenen Verfahrens geätzt. Die geätzten Textilerzeugnisse wurden auf eine 0,13 mm dicke Folie aus fluoriertem Ethylenpropylen in einer Vakuumpresse bei 327ºC für 10 Minuten bei 1.034 kPa des aufgebrachten Druckes separat laminiert. Die Textilseite dieser Laminate wurde unter Verwendung des in Beispiel 1 beschriebenen Ätzprozesses geätzt und anschließend auf 0,76 mm eines Fluorelastomergummis (Eagle Elastomer Nr. EE-4515) in einer Presse bei 177ºC für 30 Minuten bei 1.034 kPa des aufgebrachten Druckes laminiert.
Die physikalischen Eigenschaften der zwei verstärkten, flexiblen Kompositwerkstoffe sind, unter Verwendung einer Kreuzkopf- oder Querhaupt-Geschwindigkeit von 50,8 cm/Minute in Tabelle 5 gezeigt. Tabelle 5 "Energy-Management" (Zugfestigkeit) "Energy-Management" (Kugel-Berst-Festigkeit) FEP/ePTFE/Fluorelastomer-Gummi-Kompositwerkstoff gemäß dieser Erfindung FEP/PTFE/Fluorelastomer-Gummi-Vergleichs-Komposit-Werkstoff
Die thermische Stabilität und die Hochtemperaturfestigkeit einer ePTFE- Ware ermöglicht die Hochtemperatur-Laminierung von Fluorkohlenstoff- Kunststoffolien auf sie und eine gleichzeitige oder anschließende Vulkanisierung von Gummi auf die andere Seite. (Zusätzlich sind die thermischen Eigenschaften im Bereich von -212ºC bis +288ºC bei Anwendung besonders wertvoll, ebenso wie die chemische Widerstandsfähigkeit der Fluorkohlenstoffkomponenten).

Beispiel 4 - Membranen für Brennstoffpumpen

Einzelschicht-100-Denier-Textilerzeugnisse aus ePTFE und PTFE wurden unter Anwendung des in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrens geätzt. Die geätzten Textilerzeugnisse wurden in einer Form für eine gefaltete Membran mit 7,6 cm Außendurchmesser mit einer 0,25 mm dicken Schicht aus Nitrilgummi plaziert (VT 455-1, erhalten von Akron Rubber Development). Die Formen wurden in einer hydraulischen Presse für 15 Minuten bei 160ºC und bei einem Druck von 2070 kPa plaziert.
Die fertiggestellten gefalteten Membranen wurden unter Verwendung einer Kreuzkopf- oder Querhaupt-Geschwindigkeit von 50,8 cm/Minute für Kugel-Berst-Festigkeit untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen ergeben sich aus Tabelle 6. Aufgrund der unregelmäßigen Oberfläche der gefalteten Membranen konnte eine genaue Messung der Reiß-Dehnung nicht erhalten werden. Ohne eine genaue Messung der Dehnung konnten die "Energy Management"-Werte nicht errechnet werden. Tabelle 6 Kugel-Berst-Festigkeit (Newton) aus ePTFE/Nitril-Kompositwerkstoff bestehende, gefaltete Membran gemäß dieser Erfindung (Außendurchmesser 7,6 cm) aus PTFE/Nitril- Kompositwerkstoff bestehende, gefaltete Vergleichs-Membran (Außendurchmesser 7,6 cm)
Die gefalteten Membranen, die aus dem ePTFE/Nitrilverstärkten, flexiblen Kompositwerkstoff hergestellt wurden, weisen die erforderliche chemische Beständigkeit auf, um in Brennstoffpumpen Anwendung zu finden, in denen die Membranen Kombinationen aus regulärem Brennstoff und Zusätzen, einschließlich Ethanol, Methanol, Äthern, Peroxiden und anderen ätzenden bzw. korrodierenden, oxidierenden Nebenprodukten widerstehen müssen. Während sowohl die mit PTFE als auch mit ePTFE verstärkten, flexiblen Kompositwerkstoffe eine ausreichende chemische Widerstandsfähigkeit gegenüber diesen Brennstoffzusätzen aufweisen, weist der ePTFE/Nitril-verstärkte, flexible Kompositwerkstoff die physikalische Festigkeit und das erforderliche "Energy Management" auf, welche für die Anwendung gefordert werden.

Beispiel 5 - Flexible Kompositwerkstoffe mit niedriger Oberflächenreibung

Eine einzelne Schicht von 100-Denier-Textilerzeugnissen aus ePTFE und aus PTFE wurde unter Anwendung des in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrens geätzt. Die geätzten Textilerzeugnisse wurden auf 0,13 mm starke Folien aus einem Polyester-Elastomer (Hytrel 7246, erhältlich von E. I. duPont de Nemours & Co.) in einer Vakuumpresse bei 229ºC für 5 Minuten bei 1034 kPa Druck laminiert. Es wurde Sorgfalt darauf verwendet, um das Eindringen des Polyesterelastomeren in die geätzten Textilerzeugnisse zu begrenzen, so daß eine Seite des Textilerzeugnisses freiliegend blieb.
Es wurden Abriebteste an den zwei Proben des verstärkten, flexiblen Kompositwerkstoffes vorgenommen. Die Proben wurden in der Untersuchungsvorrichtung plaziert, um es der freiliegenden Seite des Textilerzeugnisses des verstärkten, flexiblen Kompositwerkstoffes zu erlauben, abgerieben zu werden. Wenn eine Reduzierung um 0,005 cm bei der Probe gemessen wurde, wurde der Test beendet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 zu finden. Tabelle 7 Zyklen ePTFE-verstärkter, flexibler Kompositwerkstoff gemäß dieser Erfindung PTFE-verstärkter, flexibler Vergleichs-Kompositwerkstoff
Für viele dynamische Dichtungsanwendungen, bei denen mit einem textilen Erzeugnis verstärkte, flexible Kompositwerkstoffe verwendet werden, z.B. für Gummibuchsen, Wellendichtungen, Packungen oder dergleichen, sind die Umwelteigenschaften und die Eigenschaften hinsichtlich niedriger Oberflächenreibung von PTFE-Textilerzeugnissen hoch erwünscht. Die überlegene Oberflächenabriebfestigkeit des ePTFE- Textilerzeugnisses soll eine erhöhte Brauchbarkeit im Falle des Einsatzes von ePTFE-Textilerzeugnissen gegenüber PTFE-Textilerzeugnissen bei diesen Anwendungen ergeben.

Beispiel 6 - Mit Misch-Ware verstärkte, flexible Kompositwerkstoffe

Um die Wirkung von Textilerzeugnissen oder Waren mit einer Mischung aus ePTFE-Fasern und einer zweiten Faser zu ermitteln, wurden drei Textilerzeugnisse miteinander verglichen. Das erste Textilerzeugnis war ein 100-Denier-Quadrat-Gewebe aus ePTFE. Das zweite Textilerzeugnis wurde aus 100-Denier-ePTFE-Faser und Quarzfaser (525 Style-Quarzfaser, erhalten von J. P. Stevens, erhalten von Fabric Development) zusammengewebt. Diese Misch-Ware bestand aus einer Kette von 75 Fasern pro 2,5 cm, von denen 30 Fasern 525-Quarzfasern und 45 Fasern 100-Denier-ePTFE-Fasern waren, und einem Schuß von 60 Fasern pro 2,5 cm, von denen 24 Fasern 525-Quarzfasern und 36 100-Denier- ePTFE-Fasern waren. Ein drittes Textilerzeugnis war eine Quarzfaserware in Leinwandbindung mit 51 Fasern in der Kette und 52 Fasern im Schuß (525 Style-Quarzfaserware, erhalten von J.P. Stevens).
Die ersten zwei Textilerzeugnisse wurden unter Anwendung des in Beispiel 1 beschriebenen Ätzverfahrens geätzt. Die Textilerzeugnisse wurden sodann unter Anwendung des gleichen Verfahrens, wie in Beispiel 1 beschrieben, beschichtet.
Die Ergebnisse der physikalischen Untersuchungen dieser verstärkten, flexiblen Kompositwerkstoffe unter Verwendung einer Querhaupt- oder Kreuzkopf-Geschwindigkeit von 50,8 cm/Minute ergeben sich aus Tabelle 8. Tabelle 8 Modul bei 5 % Dehnung "Energy Management" (Zugfestigkeit) "Energy Management" (Kugel-Berst-Festigkeit) ePTFE- verstärker flexibler Kompositwerkstoff gem. dieser Erfindung ePTFE/ Quarz verstärker Kompositwerkstoff gem. dieser Erfindung Quarz verstärker Vergleichs-Kompositwerkstoff
Die Ergebnisse zeigen, daß die Leistungsfähigkeit des verstärkten, flexiblen Kompositwerkstoffes durch die Anwendung von Textilerzeugnissen, welche ePTFE-Fasern zusammen mit anderen Fasern enthalten, zugeschnitten werden kann. Die Vorteile der Verwendung von ePTFE- Fasern bestehen in einem erhöhten "Energy Management" und in einer erhöhten Kugel-Berst-Festigkeit.

Beispiel 7 - Kompositwerkstoffe für geflochtenen, röhrenförmigen Schlauch

Bei der Herstellung von nicht-metallischen, hydraulischen oder pneumatischen Schläuchen wird eine Verstärkung durch synthetische Ware verwendet, weil hohe Drucknennwerte des Schlauches ohne die Verwendung von Metallgeflecht erreicht werden können, welches zur Unbiegsamkeit, Leitfähigkeit und Gewicht des Schlauches beiträgt.
Es wurden 400-Denier-Fasern aus ePTFE oder PTFE über ausgehärtete Fluorelastomer-Schläuche mit 0,64 cm Innendurchmesser x 0,95 cm Außendurchmesser geflochten (Viton Fluorelastomer-Schlauch, erhältlich von Eagle Elastomer), wobei eine "36 Carrier New England Butt Braider" (Flechtmaschine) verwendet wurde. Eine zweite Schicht aus Geflecht wurde über die erste durch Wiederholung des Flechtvorganges angeordnet.
Die aus geflochtenem Textilerzeugnis bestehenden Schläuche wurden sodann unter Anwendung des in Beispiel 1 beschriebenen Ätzverfahrens geätzt. Die aus geflochtenem Textilerzeugnis bestehenden Schläuche erhielten zwei Tauchbeschichtungen der Fluorelastomerlösung, die in Beispiel 1 beschrieben wurde, und sie wurden in einem Ofen für 16 Stunden bei 232ºC nachgehärtet, um die Fluorelastomer-Beschichtung zu härten.
Die fertiggestellten, aus verstärktem, flexiblen Kompositwerkstoff bestehenden Schläuche wurden gekuppelt und es wurden die Rohr- bzw. Schlauch-Berst-Festigkeiten ermittelt. Die Ergebnisse ergeben sich aus Tabelle 9. Tabelle 9 Berst-Druck für gekuppelten Schlauch in Bar (psi) Schlauch aus schlauchförmigem ePTFE-verstärktem Kompositwerkstoff gemäß dieser Erfindung Schlauch aus schlauchförmigem PTFE-verstärktem Vergleichs-Kompositwerkstoff
Die dreifache Verbesserung hinsichtlich des Berstdruckes des Schlauches aus röhrenförmigem, verstärktem Kompositwerkstoff aus ePTFE-Faser zeigt im Vergleich mit dem Schlauch aus röhrenförmigem verstärktem Kompositwerkstoff aus PTFE die überlegenen Eigenschaften hinsichtlich "Energy Management" der röhrenförmigen verstärkten Kompositwerkstoffe aus ePTFE. Die Inertanz von ePTFE ist für Schlauchverstärkung lange erwünscht gewesen, nicht nur wegen den offensichtlichen Werten von chemischer und thermischer Beständigkeit oder Widerstandsfähigkeit gegenüber den enthaltenen Fluiden und dem umgebenden Milien, sondern auch, um Langzeit-Zersetzungseffekten von Chemikalien an der Textilverstärkung, die in Gummischlauchkomponenten verwendet wurde, zu widerstehen.
Zusätzlich zu der höheren Berstdruck-Festigkeit kann von Geflechten aus ePTFE-Fasern erwartet werden, daß sie die Widerstandsfähigkeit der Schläuche gegenüber einem abrupten, spontanen Reißen verbessern, was zu einem plötzlichen Versprühen von ätzenden, heißen Chemikalien im Arbeitsbereich und/oder zu einem mechanischen Peitschen oder Schlagen des Schlauches führen kann, sollte der Schlauch vollständig von der Kupplung abreißen oder irgendwo anders entlang seiner Länge reißen.

Beispiel 8 - Schwere Textilerzeugnisse (Schwergewebe)

Um die Wirkung des Gewichts eines Textilerzeugnisses an flexiblen, verstärkten Kompositwerkstoffen zu veranschaulichen, wurden zwei 400- Denier-ePTFE-Textilerzeugnisse erhalten. Ein Textilerzeugnis war ein "normales" 400-Denier-Textilerzeugnis (Leinwandbindung, Fäden/2,5 cm: W/F, 52/52), wie in Beispiel 1 beschrieben. Bei dem zweiten Textilerzeugnis wurde dieselbe 400-Denier-Faser verwendet, jedoch mit einer höheren Fadenzahl (Leinwandbindung, Fäden/2,5 cm W/F, 78/72).
Die Textilerzeugnisse wurden unter Anwendung des in Beispiel 1 beschriebenen Ätzverfahrens geätzt. Die geätzten Textilerzeugnisse wurden anschließend mit der Fluorelastomer-Lösung beschichtet und den in Beispiel 1 beschriebenen Schritten folgend gehärtet.
Die Ergebnisse der physikalischen Untersuchungen dieser verstärkten flexiblen Kompositwerkstoffe unter Anwendung einer Querhaupt- oder Kreuzkopf-Geschwindigkeit von 50,8 cm/Minute sind in Tabelle 10 zu finden. Tabelle 10 Joule Kugel-Berst-Festigkeit Kompositwerkstoff gemäß dieser Erfindung mit einem 400-Denier-W/F, 52/52-Textilerzeugnis Vergleichs-Kompositwerkstoff mit einem 400-Denier-W/F, 78/72-Textilerzeugnis joule Newton
Dieses Beispiel zeigt den größeren Betrag der Arbeit und Kugel-Berstfestigkeit, welchen ein verstärkter, flexibler Kompositwerkstoff aushalten kann, wenn er einen größeren Betrag an ePTFE-Textilerzeugnis enthält. Wenn die Daten für das Volumen eines Textilerzeugnisses normiert werden, würden die "Energy Management"-Werte der zwei Proben vergleichbar sein.
Die obigen Beispiele wurden geliefert, um die Prinzipien von verstärkten flexiblen Kompositwerkstoffen mit ePTFE-Textilerzeugnissen zu erläutern. Während die gebotenen Beispiele die einzigartigen Eigenschaften von verstärkten, flexiblen Kompositwerkstoffen zeigen, die aus der Kombination von ePTFE-Textilerzeugnissen und in Wärme aushärtenden Elastomeren, thermoplastischen Elastomeren und flexiblen Kunststoffen hergestellt wurden, ist es nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die spezifischen Polymere oder Arten von Endprodukten zu begrenzen, die angegeben sind, vielmehr besteht die Absicht, alle breiten Klassen von flexiblen Polymeren mit einzuschließen, welche, wenn sie mit ePTFE- Textilerzeugnissen kombiniert werden, zu flexiblen, verstärkten Kompositwerkstoffen mit erhöhten "Energy Management"-Werten, erhöhter Umwelt-Stabilität und verbesserten Oberflächeneigenschaften führen.
Ob gewebte, durch Maschenwaren-Herstellungsverfahren hergestellte oder geflochtene Textilerzeugnisse in Betracht gezogen werden, Vergleichen innerhalb dieser Erfindung müssen dichte oder fest eingestellte Waren-Matrizen zugrundeliegen, so daß bei Anfangsspannung keine freie Dehnung in dem flexiblen Polymer vor dem Einsatz der Waren-Matrix auftritt.

Claims

1. Ein Kompositwerkstoff mit wenigstens einer Schicht aus:

(a) einer Ware bestehend aus Fasern aus expandiertem porösen Polytetrafluorethylen; und

(b) wenigstens einem flexiblen Polymer mit einem Biegeelastizitätsmodul geringer als 1400 MPa,

bei welchem das Volumenverhältnis des flexiblen Polymers zu der Ware zwischen 5 bis 95 % und 95 bis 5 % liegt, wobei (1) der genannte Kompositwerkstoff bei 5 % Reckung einen Modul von weniger als 170 MPa aufweist, und bei welchem (2) die Gesamtverformungsarbeit, welche der Kompositwerkstoff vor einem Bruch aushalten kann, größer ist als 670 joules/cm der Waren-Matrix (auf das Volumen bezogen).

2. Ein Kompositwerkstoff wie in Anspruch 1 beansprucht, bei welchem das flexible Polymer ein in Wärme aushärtendes Elastomer ist.

3. Ein Kompositwerkstoff, wie in Anspruch 1 beansprucht, bei welchem das flexible Polymer ein thermoplastisches Elastomer ist.

4. Ein Kompositwerkstoff, wie in Anspruch 1 beansprucht, bei welchem das flexible Polymer ein thermoplastisches Polymer ist.

5. Der Kompositwerkstoff, wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, bei welchem die Ware aus gewebten, gewirkten, geflochtenen oder gewickelten Textilerzeugnissen ausgewählt ist.

6. Ein Kompositwerkstoff, wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, welcher eine bis vier Lagen des genannten Kompositwerkstoffs aufweist und bei welchem die Ware ein Quadrat-Gewebe mit 50 Denier ist.

7. Ein Kompositwerkstoff, wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 beansprucht, welcher eine bis sechs Lagen des genannten Kompositwerkstoffes aufweist, und bei dem die Ware ein Quadrat-Gewebe mit 200 Denier ist.

8. Ein Kompositwerkstoff, wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 beansprucht, welcher eine bis zu sechs Lagen des genannten Kompositwerkstoffes aufweist, und bei welchem die Ware ein Quadrat-Gewebe mit 400 Denier ist.

9. Ein Kompositwerkstoff, wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 beansprucht, bei welchem die Ware ein Quadrat-Gewebe mit 1200 Denier ist.

10. Ein Kompositwerkstoff, aufweisend: a) eine Ware bestehend aus Fasern aus expandiertem porösen Polytetrafluorethylen und aus mindestens einer zusätzlichen kompatiblen Faser, und b) wenigstens ein flexibles Polymer mit einem Biegeelastizitätsmodul geringer als 1400 MPa, wobei (1) der genannte Kompositwerkstoff bei 5 % Reckung einen Modul von geringer als 210 MPa aufweist und bei welchem (2) die Gesamtverformungsarbeit, welche der Kompositwerkstoff vor einem Bruch aushalten kann, größer ist als 450 J/cm der Waren-Matrix (auf das Volumen bezogen).

11. Ein Kompositwerkstoff, wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, bei welchem der Werkstoff ein Diaphragma ist.

12. Ein Verfahren zum Herstellen des Kompositwerkstoffs gemäß Anspruch 1, bei welchem die Komposit-Struktur durch Kombinieren der Ware und des flexiblen Polymeres zubereitet wird.

13. Ein Verfahren, wie in Anspruch 12 beansprucht, bei welchem die Komposit-Struktur durch Kombinieren der Ware und des flexiblen Polymeres durch einen Schritt zubereitet wird, der ausgewählt wird aus Druck-Laminieren, Preß-Formen, Autoklav-Formen, Roto-Formen, Warmwalz-Laminieren oder Vakuum-Formen.