DE69113194T2 - Verfahren zum verbessern der mechanischen und der dichtungseigenschaften von elastomerdichtungen und nach diesem verfahren hergestellte dichtungen. - Google Patents
Verfahren zum verbessern der mechanischen und der dichtungseigenschaften von elastomerdichtungen und nach diesem verfahren hergestellte dichtungen.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern der Dichtungen oder dynainischen Elastomerdichtungen, welche insbesondere, aber nicht ausschließlich, bei den Funktionsteilen von Armaturen verwendet werden.
- Es ist allgemein bekannt, daß die Dichtigkeit bei den Anwendungen dieser Art durch Erzeugen eines Kontaktdrucks zwischen zwei Teilen bewirkt wird, von denen das eine zumindest bereichsweise elastomere Teil die Dichtung bildet, während das andere z.B. metallene Teil den Absperrkörper bildet.
- Der Benutzer erwartet, daß der zur Herstellung der Dichtigkeit erzeugte Druck dauerhaft einen Wert aufweist, welcher größer ist als ein vorbestimmter Mindestwert.
- Nun werden die dynamischen Dichtungen aufgrund ihrer Funktionen aber wechselweise belastet und dementsprechend dem Kontaktdruck ausgesetzt oder nicht. Es ist also wichtig, daß die Dichtigkeit unabhängig von vielfachen bzw. wiederholten Belastungen der Dichtung im Laufe der Zeit erhalten bleibt.
- Im übrigen bedingt der Übergang vom unbelasteten Zustand zum belasteten Zustand, daß die Dichtung unterschiedlichen Beanspruchungen und verschiedenen Zwängen ausgesetzt wird, z.B. Reibung, Dehnung, Scherung, usw., welche die inneren Eigenschaften der Dichtung aufs Spiel setzen, insbesondere die Elastomerrelaxationseigenschaften, und ihr visko-elastisches Verhalten, ihre mechanischen Eigenschaften und die Veränderung dieser Eigenschaften als Funktion der Temperatur, und dementsprechend die eng mit diesen Eigenschaften verbundenen Grenzen der Verwendbarkeit der Dichtung (Druckbereiche, Temperaturbereiche usw.) betreffen.
- Gegenwärtig werden bei der Herstellung von Dichtungen geeignete Elastomertypen eingesetzt, wobei sowohl die Zusammensetzungen bzw. Mischungen als auch die Herstellungsmethoden der Teile herkömmlich bleiben.
- Somit können diese Teile mit Hilfe von Basiskautschukmischungen unterschiedlicher Aufbereitung erzeugt werden: SBR, EPDM, EPM, Butadien-Acrylnitril, Polychloropren, chlorsulfoniertes Polyethylen, fluorierte Polymere usw..
- Diese Kautschuke haben eine herkömmliche Zusammensetzung auf Grundlage von Verstärkungsfüllern, z.B. Rußschwarz unterschiedlicher Grade, von Weichmachern und von Vulkanisierungssystemen, welche Verbindungen der Typen Mono- oder Polysulfid oder Verbindungen vom Typ Kohlenstoff-Kohlenstoff ergeben.
- Die Dichtungen werden durch Formung (welche die Vulkanisierung des Elastomers bewirkt) gebildet; wobei die Formung durch Spritzguß, durch Transferpressen oder durch Pressen eines Kohlings bewerkstelligt wird.
- Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, die Eigenschaften und das Verhalten der im Vorhergehenden beschriebenen Dichtungen zu verbessern.
- Die Durckschrift FR-A 807 592 beschreibt das Vermengen von kurzen Abschnitten verformbarer, widerstandsfähiger Elemente, z.B. Garne, Fäden oder Textilschnüre, welche beträchtlichen Zugbelastungen widerstehen können, und von einer Elastizität aufweisenden Kautschukmasse. Dieses mit den Abschnitten vermischte elstische Material wird flachgedrückt, um die Abschnitte dazu zu bringen, sich in der gleichen allgemeinen Richtung zu erstrecken, was zu dünnen ebenen Foliein führt. Danach wird aus diesen Folien der gewünschte Gegenstand geformt und gemäß der geeigneten lamellaren Form konfektioniert. Um die Lamellen miteinander zu verbinden, ist ein Vulkanisierungsschritt vorgesehen, welcher zur endgültigen Form führt.
- Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung eine Eormtechnik vor, welche als Formung durch Spritzguß oder Trans£erpressen ausgebildet ist, wobei die Ausrichtung der im Elastomer eingebetteten Fasern über eine geeignete Anordnung von Einspritzdüsen oder Kanälen zur Bewirkung des Einspritzens oder des Transfers in den Hohlraum der Form erhalten wird, wobei bei dieser Formtechnik auch die Vulkanisierung des Elastomers bewirkt wird.
- Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Formtechnik kann ein Einspritzen mit Kompression oder sogar mit Transferpressen sein. Im Falle einer Spritzgußtechnik wird die Ausrichtung der in dem Elastomer eingebetteten Fasern durch eine geeignete Anordnung und eine geeignete Ausrichtung der Einspritzdüsen für das Formmaterial erhalten, wobei es sich versteht, daß sich die Fasern im wesentlichen in der Fließrichtung des Materials ausrichten.
- Für das Formprinzip durch Transferpressen werden die Einspritzkanäle mit einer Kompressionskammer verbunden, welche eine die Fasern umfassende Formmasse umschließt. Der Transfer der Masse in die Form wird durch ihre Komprimierung im Innern der Kammer mittels eines Kolbens hervorgerufen. Auch hierbei hängt die Ausrichtung der Fasern von der Art des Fließens in den Kanälen und in dem Formungshohlraum ab.
- So münden die Einspritzdüsen z.B. im Falle der Formung einer zylindrischen oder torischen Dichtung in den Bereich der radialen Seitenflächen der Dichtung, parallel zu deren Längsachse.
- In diesem Fall richten sich die Fasern in dem Material im wesentlichen parallel zu dieser Achse aus.
- Beim Einspritzen der Elastomermischung und der Fasern mittels einer Mehrzahl von tangential jur Innenfläche ausgerichteten Einspritzdüsen richten sich die Fasern spontan zur Achse der Düsen aus und sind deshalb innerhalb der Form konzentrisch zur Hauptachse der Form und deshalb parallel zur Innenfläche angeordnet.
- Für die Herstellung einer Dichtung einer Absperrklappe weist die Form einen Hohlraum mit C-förmigem Querschnitt auf. Das Einspritzen wird hierbei mit Hilfe von Düsen oder Kanälen bewerkstelligt, welche in den abgewinkelten Bereich münden, welcher der am C-förmigen Kern angrenzenden Oberfläche benachbart ist. Die Ausrichtung der Fasern im Inneren des geformten Teils wird durch die Fließeigenschaften des Materials in den Kanälen und/oder in dem Innenvolumen der Form erreicht.
- Die Düsen oder Kanäle können relativ zur Oberfläche schräg, orthogonal oder auch tangential ausgerichtet sein.
- Vorteilhafterweise sind die Fasern derart ausgerichtet, daß sie sich im wesentlichen parallel zum Kontaktbereich der die dynamische Abdich-tung gewährleistenden Dichtung erstrecken.
- In diesen Fällen weist das die Dichtung bildende Elastomer anisotrope Eigenschaften auf und hat gegenüber den z.B. durch die Klappe einer Absperrklappe auf den Kontaktbereich der Dichtung ausgeübten Belastungen eine maximale Widerstandsfähigkeit. Insbesondere wird die Reißfestigkeit der Dichtung bei Umgebungstemperatur beträchtlich erhöht. Im übrigen können durch diese Lösung die Phänomene des Elastomerkriechens besser beherrscht werden, wenn es einer Kornpression unterzogen wird, und es kann die Gefahr der Ausbreitung von Kerben unterdrückt werden, welche in der Dichtung gebildet werden könnten.
- Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Fasern können z.B. Fasern aus Zellulose oder Kohlenstoff oder Aramidfasern sein. Im Falle von Zellulosefasern werden im allgemeinen sogenannte "kurze" Fasern mit variabler Länge von 2 bis 12 mm verwendet, wobei Formfaktoren des Verhältnisses Länge/Durchmesser zwischen 100 und 200 bei einem bevorzugten Wert von 140 liegen.
- Im Falle von Aramidfasern werden Fasern mit einer mittleren Länge von 6 mm und mit Durchmessern in der Größenordnung von 12 u verwendet. Diese Werte können wie im Vorhergehenden von 2 bis 12 mm variieren, wobei aber das optimale Formverhältnis in diesem Fall um 500 liegt.
- Die Zusammensetzung des Elastomers ist bekannt, wobei jedoch Produkte vom Typ HMMM (Hexametoxymethylmelamin) im Verhältnis von 1 bis 3 und Aramidfasern im Verhältnis von 3 bis 15 Gewichtsprozent hinzugefügt werden.
- Aufgabe des HMMM ist es, durch chemische Reaktion unter der Wirkung der Temperatur eine chemische Verbindung mit der Schmälze der Faser (Schmälze = Oberflächenbehandlung der Faser, welche ihre spätere Verbindung mit dem Kautschuk ermöglicht) und den Molekülen des Polymers hervorzurufen. Das Produkt ist für die Fasern vorn Zellulosetyp und für die Fasern vom Aramidtyp verwendbar.
- Für den Fall, daß Kohlenstoffasern verwendet werden, wird vorzugsweise für das HMMM das System HRH (Hexamethylentetramin, Resorcin, Kieselerde) verwendet, wobei dieses System auch für die Baumwoll- und Zellulosefasern verwendbar ist.
- Das Verhältnis der zur Mischung gegebenen Produkte ist im wesentlichen proportional zum Verhältnis der in der Kautschukmischung verwendeten Fasern.
- Unter Benutzung der folgenden Zusammensetzungen sind hervorragende Ergebnisse erzielt worden:
- Für aramidfaserverstärkte Kautschukmischungen: für 3 Teile Fasern 1 Teil HMMM 5 Teile Kieselerde variabel von 1 bis 15 proportional zu den Fasern
- Für die Zellulosefasern: für 3 Teile Fasern 0,6 Teile HMMM 5 Teile Kieselerde variabel von 1 bis 15 proportional zu den Fasern
- Für die Systeme mit HRH: für 5 Teile Fasern 2 bis 3 Teile Resorcin 1,5 Teile Hexamethylen 5 Teile Kieselerde variabel von 1 bis 15 fest variabel von 3 bis 15 proportional zu den Fasern
- Versuche mit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Dichtungen für Klappen haben zahlreiche Vorteile aufgezeigt, unter welchen die folgenden bei einer Mischung vom EPDM Typ festgestellten Vorteile angeführt seien:
- - eine Vergrößerung der Sekans-Module (Elastizitätsmo dul):
- - das Modul bei 100 % Dehnung ist um 30 % größer,
- - das Modul bei 30 % Dehnung ist verdoppelt.
- Die mechanische Festigkeit des Kautschuks ist insbesondere bei geringen Dehnungen (von 5 bis 10 %) modifiziert:
- - eine Vergrößerung der Warm-Reißfestigkeit,
- - eine Modifizierung der Relaxation, welche durch einen nicht normierten Versuch zur Druckhaltigkeit des Ventils bestimmt wurde.
- Eine Dichtung gemäß Anspruch 11 weist den Vorteil der vergrößerten Langlebigkeit und Haltbarkeit auf. Es wird eine Vergrößerung des zulässigen Betriebsdrucks, der Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärme und eine Vergrößerung der Betriebstemperatur und der Beibehaltung der Dichtigkeit im Laufe der Zeit festgestellt.
- Im folgenden werden Ausführungs formen des erfindungsgemäßen Verfahrens in beispielhafter und nicht einschränkender Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- die Figuren 1a und 1b schematische Darstellungen einer ersten Formungsweise durch Einspritzen vorn Tangentialtyp, wobei Figur 1a die Form und Figur 1b das in dieser Form hergestellte Produkt darstellt;
- die Figuren 2a und 2b den Figuren 1a und 1b ähnliche Darstellungen für eine Formung vorn Nicht-Tangentialtyp;
- die Figuren 3a, 3b und 4a, 4b zwei Einspritzweisen, in welchen die bevorzugte Ausrichtung der Fasern durch Einwirken auf die Besonderheiten des Fließvorgangs des Materials in den Einspritzkanälen und/oder in dem Formungshohlraurn erreicht wird (die Figuren 3a und 4a sind Axialteilschnitte der Form und die Figuren 3b und 4b sind Transversalschnitte der aus diesen Formen erzeugten Dichtungen);
- die Figuren 5a, 5b und 6a 6b schematische Darstellungen, welche jeweils denjenigen der Figuren 3a, 3b und 4a, 4b entsprechen und das Prinzip der Formung durch Transferpressen erläutern.
- Bei dem in Figur 1a dargestellten Beispiel weist die Form 1 einen Hohlraum 2 in Gestalt eines Rohrabschnitts mit kreisförmigem Querschnitt auf, in welchen eine Mehrzahl von Einspritzdüsen 8, 9, 10, 11 einmünden, die tangential zur zylindrischen Innenfläche 3 der Form 1 ausgerichtet sind. Beim Einspritzen der Elastomermischung und der Fasern richten sich die Fasern 14 in der Achse der Düsen 8 bis 11 spontan aus und sind deshalb im Innern der Form 1 konzentrisch zur Hauptachse der Form 1 angeordnet und deshalb parallel zur Zylinderfläche 6 des Werkstucks 15, welches z.B. eine Vorrichtung zur dynamischen Abdichtung sein kann.
- Ein ähnliches Ergebnis könnte mit einer Form 12 des in Figur 2a dargestellten Typs erzielt werden, in welche Einspritzkanäle 8' bis 11' einmünden, die zur Innenfläche 3 der Form zwar nicht tangential sind, deren Achsen jedoch tangential zu Kreisen sind, welche zur Hauptachse der Form (hier durch den Kern 13 verkörpert) konzentrisch sind.
- Es sei festgehalten, daß die Fasern 14 auch hierbei konzentrisch zur Hauptachse des Werkstücks 15 angeordnet sind.
- Bei dem in Figur 3a dargestellten Beispiel weist die Form 16 einen Hohlraum 17 mit C-förmigem Querschnitt auf. Das Einspritzen wird hierbei mittels einer Mehrzahl von Kanälen 18 durchgeführt, welche in den abgewinkelten Bereich in der Nähe der Fläche 19 einmünden, die an den Steg der C-Form angrenzt. Die Ausrichtung der Fasern 14 im Inneren des geformten Werkstücks 20 wird durch die Fließeigenschaften des Materials in den Kanälen 18 und/oder in dem Innenvolumen der Form erreicht.
- Die Kanäle 18 könnten zur Fläche 19 schräg, wie in Figur 3a dargestellt, orthogonal, wie in den Figuren 4a und 6a dargestellt, oder auch tangential, wie in Figur 5a dargestellt, ausgerichtet sein.
- Die Figuren 5a und 6a zur Erläuterung des Formungsprinzips durch Transferpressen zeigen eine Form 16, welche denjenigen der Figuren 3a und 4a ähnelt, in welcher die Einspritzkanäle 18 mit einer Kompressionskammer 21 verbunden sind, die eine die Fasern 14 umfassende Formungsmasse enthält. Der Transfer der Masse in die Form 16 wird durch ihre Kompression im Inneren der Kammer 21 mittels eines Kolbens 22 bewirkt. Auch hierbei hängt die Ausrichtung der Fasern 14 von der Art und Weise des Fließens in den Kanälen 18 und dem Formungshohlraum 17 (Lamellen) ah.
- Es ist zu betonen, da£ die Verstärkung der Mischung und die Anisotropie durch bevorzugte Ausrichtung der Fasern eine Veränderung der Eigenschaften des Elastomers und insbesondere seines visko-elastischen Verhaltens ermöglicht, wodurch insbesondere eine Verbesserung:
- - seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber Belastungen und im speziellen seiner Warmreißfestigkeit,
- - seines Warmverhaltens,
- - der Dauerhaftigkeit des Kontaktdrucks, welchen es z.B. auf ein Schließelement ausübt,
- ermöglicht wird.
- Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für die Herstellung von Armaturendichtungen und im speziellen
- - die Manschetten von zentrierten Klappenventilen,
- - die Ventildichtungen mit verschobener Klappe und durch Extrudieren hergestellte dynamische Armaturendichtungen,
- - die Membranen von Membranventilen wegen der erreichten Verbesserung der Zerreißfestigkeit.
- Bei diesen Anwendungen wird eine Verbesserung:
- - des zulässigen Betriebsdrucks,
- - der Warmfestigkeit und eine Vergrößerung der Betriebstemperatur,
- - der Beibehaltung der Dichtigkeit im Laufe der Zeit festgestellt.
Claims (11)
1. Verfahren zum Verbessern der mechanischen und der Dichtungseigenschaften
von Elastomerdichtungen zur dynamischen Abdichtung, welches bei der
Herstellung der Dichtung eine Vorbereitungsphase des Elastomers aufweist,
während welcher der Elastomermischung kurze Fasern (14, 32) mit einer
mittleren Länge in der Größenordnung von 2 bis 12 mm beigemengt werden,
anschließend eine Phase zur Formgebung und Vulkanisierung dieses
Elastomers, wobei die Phase der Formgebung mittels einer Formtechnik
ausgeführt wird, die ein Fließvorgang des Elastomers beinhaltet, durch
welchen eine vorzugsweise Ausrichtung der Fasern (14, 32) im Inneren der
herzustellenden Dichtung erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß diese
Formtechnik als Spritzguß oder Transferpressen ausgebildet ist, wobei die
Ausrichtung der im Elastomer eingebetteten Fasern (14) über eine geeignete
Anordnung von Einspritzdüsen (8-11; 8'-11') oder Kanälen (18) zur
Bewirkung des Einspritzens oder destransfers in den Hohlraum (2; 17) der
Form (1; 12; 16) erhalten wird, und wobei bei dieser Formtechnik auch die
Vulkanisierung des Elastomers durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung einer zylindrischen oder torischen
Dichtung (15), dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüsen (8-11; 8'-
11') im Bereich radialer Seitenflächen der Dichtung parallel zur Hauptachse der
Dichtung einmündet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung einer Dichtung in Form eines
Rotationsvolumens, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüsen (8-11;
8'-11') tangential zur Rotationsoberfläche dieses Volumens (3) einmünden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung einer Dichtung (20) einer
Absperrklappe, wobei die Dichtung (20) im wesentlichen einen rohrförmigen Abschnitt
zur Auskleidung der Durchgangsöffnung einer Absperrklappe, zwei radial
umlaufende, nach außen umgeschlagene Ränder, die sich an den radialen
Seitenflächen der Armatur rückwärts erstrecken, aufweist und der rohrförmige
Abschnitt mit der Kante eines Absperrkörpers zur Sicherstellung der
Abdichtung der Hoch- bzw. Niederdruckseite der Armatur zusammenwirkt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung oder das Transferpressen
mittels Einspritzdüsen (8-11; 8'-11') oder Kanälen (18) erfolgt, welche in dem
dem rohrförmigen Abschnitt und dem oder den umlaufenden Rändern
benachbarten abgewinkelten Bereich einmünden.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
daß die Ausrichtung der Fasern (14, 32) im wesentlichen parallel zu einer
dynamischen Dichtung herstellenden Kontakffläche der Dichtung (15) ist.
6. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
daß die obengenannten Fasern (14, 32) Karbonfasern, Zellulosefasern oder
Aramidfasern sind.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
daß die vorgenannten Zellulosefasern (14, 32) ein Formverhältnis
(Längeldurchmesser) zwischen 100 und 200 aufweisen, mit einem
bevorzugten Wert bei 140.
8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Aramidfasern (14, 32) ein optimales Formverhältnis in
der Größenordnung von 500 aufweisen.
9. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
daß die Fasern (14, 32) Zellulosefasern oder Aramidfasern sind, und daß in
diesem Fall das Elastomer ein aus einer bekannten Mischung unter
Hinzufügung eines Bestandteils des Typs HMMM (Hexametoximethylmelamin)
im Verhältnis von 1 bis 3 und Aramidfasern im Verhältnis von 3 bis 15
Gewichtsprozent aufweisen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die genannten Fasern (14, 32) Karbonfasern, Baumwoll- oder Zellulosefasern
sind und daß die gebräuchliche Elastomermischung eine Beifügung eines HRH
(Hexamethylentetramin, Resorcin, Kieselerde) enthält, mit:
- von 1 bis 15 Teilen Fasern,
- von 2 bis 3 Teilen Resorcin,
- von 1,5 Teilen Hexamethylentetramin,
- von 3 bis 15 Teilen Kieselerde.
11. Elastomerdichtung zur Herstellung einer dynamischen Dichtung einer einen
Absperrkörper aufweisenden Absperrklappe, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dichtung eine Vielzahl von im Elastomer eingebetteten Fasern (14, 32) enthält,
die eine vorzugsweise Ausrichtung parallel zur Oberfläche, gegen welche die
Kante des Absperrkörpers anliegt und senkrecht zum Absperrkörper während
des Eintauchens des Absperrkörpers im Augenblick des Schließens der
Absperrklappe aufweist.
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