DE69303361T2

DE69303361T2 - Chemisch resistentes diaphragma

Info

Publication number: DE69303361T2
Application number: DE69303361T
Authority: DE
Inventors: John M. Rising Sun Md 21911 Connelly; John B. Chadsford Pa 19317 Knox
Original assignee: WL Gore and Associates Inc
Current assignee: WL Gore and Associates Inc
Priority date: 1992-02-19
Filing date: 1993-02-09
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: EP0626905A1; US5217797A; EP0626905B1; CA2126466C; DE69303361D1; JPH07504479A; CA2126466A1; WO1993016875A1; JP3210340B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Diaphragmen zur Verwendung in Pumpen und Ventilen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Diaphragma, das aus einem flexiblen Polymer besteht, das an eine feste Polytetrafluorethylen-Schicht angeheftet ist.
Die Gummi- und Kunststoffindustrien haben seit Jahren verstarkende Gewebeelemente in Verbindung mit flexiblen Polymeren verwendet, um verstärkte flexible Verbundwerkstoffe zu erzeugen, um eine Mannigfaltigkeit von mechanischen Waren herzustellen, zum Beispiel Reifen, Schläuche, Einlagen, Diaphragmen, Dichtungen, Schutzgewebe, Bänder, Akkumulatoren, Airbags, Brennstoffzellen, Brennstofftanks, flexible Kupplungen, medizinische Röhren, strukturelle Lager usw.
Der Zweck von verstärkenden Elementen in verstärkten, flexiblen Werkstoffen besteht darin, die Verformung der Verbundwerkstoffe zu beschränken, den Anforderungen des vorgesehenen Betriebszwecks zu genügen, den Verbundwerkstoff zu verfestigen, die Dimensionsbeständigkeit aufrecht zu erhalten, Energie zu absorbieren und die Lebensdauer zu verlängern.
Über die Jahre sind verbesserte verstärkende textile Gebilde durch Baumwolle, Reyon, Nylon, Polyester, Glas, Stahl, Polyaramide 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 textilen Gebilden verwendet worden. Jedes dieser verstärkenden textilen Gebilde trägt zu den physikalischen Eigenschaften des verstärkten flexiblen Verbundwerkstoffs einzigartige Attribute bei und jedes leidet an Beschränkungen hinsichtlich gewisser kritischer, physikalischer Eigenschaften, zum Beispiel Festigkeit, Dehnung, Steifigkeit, Flexibilität, Dauerfestigkeit, Kriechfestigkeit und chemische und thermische Stabilität.
Eine besondere Weiterentwicklung bei der Verwendung von textilen Gebilden zum Verstärken von Verbundwerkstoffen wurde in dem US- Patent Nr. 2 772 444 für Burrows, et al. gelehrt, wobei die Verwendung von PTFE in orientierter Faserform dargelegt wurde. Die Industrie hat die Verwendung von PTFE in orientierter Faserform in Kompositstrukturen untersucht, jedoch ist seine Verwendung als Verstärkung in flexiblen Verbundwerkstoffen wegen seiner niedrigen Zugfestigkeit, seiner geringen Kriechfestigkeit und seines hohen Kaltflusses sehr begrenzt gewesen. Das US-Patent Nr. 3 513 064 für Westley et al. offenbart die Verwendung von PTFE-Fasern in Verbindung mit einem Fluorelastomer und einem Fluorkunststoff zur Anwendung bei Schutzkleidung, wobei die niedrigen Festigkeitseigenschaften des textilen Gebildes für die Endanwendung angemessen sind.
Ein Bereich, in dem verstärkte Verbundwerkstoffe ihre Brauchbarkeit gezeigt haben, liegt in Diaphragmen zur Verwendung in Ventilen und für Pumpen vor. In der Vergangenheit ist ein großer Bereich von flexiblen Polymeren in Kombination mit verstärkenden Geweben bzw. textilen Gebilden benutzt worden. Die Identität der verwendeten speziellen Werkstoffe ist von der Endanwendung des Diaphragmas abhängig, jedoch, wenn ein Diaphragma in Milieus zu benutzen ist, die thermische und chemische Widerstandsfähigkeit erfordern, werden in typischer Weise Fluorpolymere, zum Beispiel fluorierte Thermoplaste, bestehend aus Copolymeren von Tetrafluorethylen, Copolymeren von Vinylidenfluorid, Copolymeren von Chlortrifluorethylen, verwendet. Diese Werkstoffe zeigen einen hohen Grad an chemischer Widerstandsfähigkeit und sind ziemlich flexibel und zäh über einen weiten Temperaturbereich. Jedoch, wenn gefährlichere Chemikalien vorhanden sind und eine höhere Umweltbeständigkeit erforderlich ist, ist Polytetrafluorethylen (PTFE) aufgrund seines hohen Molekulargewichts und seines hohen Grades an Fluorierung das Material der Wahl, wobei sowohl das hohe Molekulargewicht als auch der hohe Grad der Fluorierung dem resultierenden Diaphragma chemische Widerstandsfähigkeit verleihen. Jedoch besitzt PTFE nicht die physikalischen Eigenschaften der anderen flexiblen Polymere, die in Diaphragmen benutzt werden, und, wenn es als ein einzelnes Diaphragma verwendet wird, kann sich eine erheblich reduzierte Dauerbiegefestigkeit ergeben.
Um normalerweise ein PTFE-Diaphragma zu verwenden, werden Diaphragmapumpen zum Pumpen von gefährlichen Chemikalien mit zwei Diaphragmen ausgerüstet; ein Diaphragma besteht aus Fluorkohlenstoffharz, um einer Zersetzung durch die gefährlichen Chemikalien zu widerstehen, und ein zweites Diaphragma besteht aus einem mit einem textilen Gebilde verstärkten Elastomeren, um den mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Kräften zu widerstehen, die notwendig sind, um die Pumpe anzutreiben. Jedoch weist ein Zwei-Diaphragmen-System Schwäche auf. Verglichen mit Pumpen, die mit einem Diaphragma ausgerüstet sind, erfordern mit zwei Diaphragmen ausgerüstete Pumpen Zusatz-Hardware, um die Diaphragmen in der genauen Orientierung zueinander zu halten. Die Diaphragmen müssen in der genauen Orientierung und in der genauen Reihenfolge für den Pumpenbetrieb angeordnet sein. Ein anderes Problem mit einem Zwei-Diaphragmen-System besteht darin, daß die zwei Diaphragmen voneinander getrennt werden und einen Spalt oder einen Hohlraum zwischen den Diaphragmen bilden, so daß ein fortgesetzter Betrieb der Pumpeinrichtung einen negativen Druck zwischen den zwei Diaphragmen erzeugt. Wenn ein negativer Druck zwischen den zwei Diaphragmen erzeugt wird, liegt für das Material die Neigung vor, zwischen die Diaphragmen gesaugt zu werden. Dies kann in einem frühzeitigen Ausfall des Diaphragma-Systems und/oder in einer Kontaminierung des Materials resultieren, das gepumpt wird. Wenn das zwischen die zwei Diaphragmen gesaugte Material von Natur aus gefährlich ist, kann das gefährliche Material von der Pumpe ausgehen, wodurch eine unannehmbare Gefahr für das Personal in Nachbarschaft der Pumpe geschaffen wird. Ferner sind Zwei-Diaphragmen- Systeme schwierig einzubauen. In typischer Weise erfordern Zwei-Diaphragmen-Systeme, daß die zwei Diaphragmen sowohl beim Einbau als auch einige Zeit nach dem Einbau zusammen gedreht werden, weil die Verformung, welche durch das PTFE-Diaphragma unter der aufgebrachten Belastung erfahren wird, nicht identisch mit der Verformung sein würde, die durch das gewebeverstarkte elastomere Diaphragma erfahren wird, was in einem Verlust von Kompressionskraft zwischen den zwei Diaphragmen resultiert. Ferner können die Kräfte, die durch eine Antriebseinrichtung erzeugt und durch das aus einem gewebeverstärkten Elastomeren bestehende Diaphragma übertragen werden, nicht gleichmäßig über das PTFE-Diaphragma verteilt werden, wodurch ein vorzeitiger Ausfall des Diaphragmasystems verursacht wird.
Es ist die Herstellung eines zusammengesetzten Diaphragmas mit einer PTFE-Seite, die an einer flexiblen Rückseite sicher befestigt ist, worauf die vorliegende Erfindung gerichtet ist.
Die vorliegende Erfindung sieht ein zusammengesetztes Diaphragma vor, welches die folgenden Schichten in Aufeinanderfolge aufweist: Eine kontinuierliche Schicht aus einem festen Polytetrafluorethylen und eine Schicht aus einem Verbundwerkstoff, der ein Gewebe aufweist, das aus expandierten porösen Polytetrafluorethylenfasern und wenigstens aus einem flexiblen Polymer besteht, das aus der Klasse ausgewählt ist, welche besteht aus: In Wärme aushärtbarem Elastomer, thermoplastischem Elastomer und thermoplastischem Polymer, wobei das flexible Polymer einen Biegeelastizitätsmodul von weniger als 1400 MPa aufweist.
Eine wahlweise elastomere Schicht kann an der Schicht aus Verbundwerkstoff angebracht werden. An der wahlweisen elastomeren Schicht kann eine Reihe von konzentrisch angeordneten, elastomeren Rippen ausgebildet werden.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben, in welchen zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht des zusammengesetzten Diaphragmas nach der Erfindung.
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer flachen Ausführungsform des Diaphragmas nach der Erfindung.
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer geformten Ausführungsform des Diaphragmas nach der Erfindung.
Fig. 3A eine gemäß der Linie 3A genommene Schnittansicht des Diaphragmas nach Fig. 3.
Wenn nunmehr auf die Figuren Bezug genommen wird, so bezeichnet 10 einen Querschnitt eines zusammengesetzten Diaphragmas nach der Erfindung, wie in Fig. 1 gezeigt. Das zusammengesetzte Diaphragma weist die folgenden Schichten in Aufeinanderfolge auf: Eine Schicht 11 aus einem festen Polytetrafluorethylen (PTFE) und einen verstärkten flexiblen Verbundwerkstoff 15. Zusätzlich kann eine elastomere Schicht 14 an dem verstärkten flexiblen Verbundwerkstoff angeheftet sein.
Die Schicht 11 aus festem PTFE ist eine Schicht aus einem Volldichte- PTFE. Ein Beispiel für ein Volldichte-PTFE ist vom Block geschnittenes PTFE. Dieses Material versieht das zusammengesetzte Diaphragma mit einer inerten Außenseite, wodurch die Dauerhaftigkeit und die chemische Widerstandsfahigkeit des Diaphragmas erhöht werden. Die Schicht aus festem PTFE weist eine Innenseite auf, welche an dem verstärkten flexiblen Verbundwerkstoff angeheftet ist. Wahlweise kann diese Innenseite behandelt werden, um die Oberflächenenergie des PTFE zu erhöhen und um hierdurch die Anhaftung der Innenseite an dem verstärkten flexiblen Verbundwerkstoff zu vergrößeren. Behandlungen, die allgemein im Stand der Technik bekannt sind, umfassen die Anwendung von Alkalinaphthanaten oder anderen Oberflächenmodifizierungsmitteln, um die Anhaftung an Polymeren zu verbessern.
Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 1 wird erläutert, daß der verstärkte flexible Verbundwerkstoff 15 aus einem flexiblen Polymeren 12 besteht, das mit einem textilen Gebilde 13 kombiniert ist, das aus einer Faser aus expandiertem porösen Polytetrafluorethylen (ePTFE) besteht. Im Anschluß hieran können derartige, individuell beschichtete Schichten (oder Lagen) des textilen Gebildes zu Mehrfachlagenkonstruktionen kombiniert werden. Derartige Mehrfachlagenkonstruktionen können unter Verwendung von Lagen auf der Grundlage von anderen verstärkenden textilen Gebilden kombiniert werden.
Einzelne Lagen können aus ePTFE-Faser in Kombination mit anderen Fasern (zum Beispiel Quarz, Glas, Aramiden oder Nylon) gewebt werden.
Das textile Gebilde 13 (gewebt, gewirkt, geflochten oder gewickelt) aus ePTFE-Faser kann behandelt werden, um die Oberflächenenergie der ePTFE-Faser zu erhöhen, und mit gewissen in Wärme härtenden oder thermoplastischen flexiblen Polymermaterialien 12 kombiniert werden, um den verstärkten flexiblen Verbundwerkstoff 15 zu erzeugen. Behandlungen, die allgemein im Stand der Technik bekannt sind, umfassen die Anwendung von Alkalinaphthanaten oder anderen Oberflächenmodifizierungsmitteln, um die Anhaftung an Polymeren zu verbessern. Das Volumenverhältnis des flexiblen Polymers zum textilen Gebilde liegt zwischen 5 bis 95 % und 95 bis 5 %.
Das US-Patent Nr.3 953 566 und das US-Patent Nr.4 187 390, beide für Gore, lehren jeweils sowohl ein Verfahren zum Herstellen von ePTFE-Gegenständen als auch eine große Vielzahl von geformten ePTFE-Gegenständen, zum Beispiel Folien, rohrförmige Gebilde, Stäbe und kontinuierliche Filamente.
Filamente aus ePTFE werden in unterschiedlichen Deniers durch das Verfahren hergestellt, das in dem US-Patent Nr. 3 962 153 für Gore beschrieben ist, und sie werden anschließend unter Anwendung von Web-, Maschenwarenherstellungs-, Flecht- und Wickelmethoden zu textilen Gebilden verarbeitet. Diese textilen Gebilde werden anschließend mit Ätzmitteln behandelt, beispielsweise Alkalinaphthanaten oder anderen Oberflächenmodifizierungsmitteln, um die Anhaftung an Polymeren zu verbessern.
Wenn immer noch auf Fig. 1 Bezug genommen wird, so wird erläutert, daß das textile Gebilde, das aus einer ePTFE-Faser besteht, mit flexiblen Polymeren durch Lösungsbeschichtungs-, Schmelzbeschichtungs-, Kalandrier-, Extrudier-, Laminier-, Preßformungs-, Rotationsformungs-, Thermoformungs- oder Vakuumformungs-Verfahren laminiert, beschichtet oder gesättigt wird. Das resultierende verstärkte, flexible, zusammengesetzte textile Gebilde bildet einen ein Ganzes darstellenden Gegenstand.
Der verstärkte flexible Verbundwerkstoff besteht zumindest aus einer Lage eines textilen Gebildes, das aus einer ePTFE-Faser in Kombination mit einem oder mehreren Polymeren mit einem Biegeelastizitätsmodul weniger als 1400 MPa hergestellt ist oder eine ePTFE-Faser in Kombination mit einem oder mehreren Polymeren mit einem Biegeelastizitätsmodul weniger als 1400 MPa enthält, wobei der verstärkte flexible Verbundwerkstoff bei 5 % Dehnung einen Modul von weniger als 170 MPa und eine "energy management"-Eigenschaft von größer als 670 Joules/cm der Matrix des textilen Gebildes (auf das Volumen bezogen) aufweist, wobei die "energy management"-Eigenschaft durch eine Zugfestigkeitsprüfung ermittelt wird.
"Energy management" wird hierin als der gesamte Betrag von Verformungsarbeit definiert, welchem ein Material vor einem Zubruchgehen widerstehen kann, normiert für das Volumen des textilen Gebildes.
Die "energy management"-Fähigkeiten der verstärkten flexiblen Verbundwerkstoffe gemäß dieser Erfindung sind gekennzeichnet durch Errechnen des Gesamtbereichs unter der bei der Zugfestigkeitsprüfung erzeugten Spannunngs-/Dehnungs-Kurve, was in größer als 670 J/cm der Matrix des textilen Gebildes (auf das Volumen bezogen) resultiert.
Diese einzigartigen "energy management"-Eigenschaften werden mit den hervorragenden Eigenschaften von ePTFE-Fasern, zum Beispiel (sowohl thermische als auch chemische) Umweltbeständigkeit, und Oberflächeneigenschaften kombiniert, zum Beispiel einem hohen Grad an Abriebfestigkeit, einem geringen Reibungskoeffizienten und einem hohen Grad von Selbstschmierfahigkeit, um verstärkte flexible Kompositwerkstoffe zur Verwendung in Diaphragmen zu ergeben.
Wenn mit anderen verstärkten Verbundwerkstoffen verglichen, weist der verstärkte flexible Verbundwerkstoff, der bei der vorliegenden Erfindung vorhanden ist, hohe "energy management"-Werte auf, definiert als der Gesamtbetrag von Verformungsarbeit, welchem ein Werkstoff vor dem Zubruchgehen widerstehen kann. Der verstärkte flexible Verbundwerkstoff weist Zähigkeit anstelle Brüchigkeit auf, um hierdurch zu ermöglichen, daß weitere Verformungsarbeit in den verstärkten flexiblen Verbundwerkstoff einzuleiten ist, nachdem die spezifische Zugfestigkeit des verstärkten flexiblen Verbundwerkstoffs erreicht worden ist.
Die Flexibilität des verstärkten flexiblen Verbundwerkstoffs wird durch verhältnismäßig geringe Spannungsniveaus bei zugeordneten Dehnungsniveaus demonstriert, welche der verstärkte flexible Verbundwerkstoff während des physikalischen Prüfens aufweist. Der verstärkte flexible Verbundwerkstoff weist ferner bei physikalischen Prüfungen hohe Zugfestigkeiten und hohe Bruchfestigkeiten auf. Im Vergleich zu bekannten verstärkten Verbundwerkstoffen weist der verstärkte flexible Verbundwerkstoff bei der vorliegenden Erfindung eine einzigartige Kombination der mechanischen Eigenschaften von Zähigkeit, Flexibilität, Festigkeit mit erhöhten "energy management"-Werten auf.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das flexible Polymer ein wärmehärtbares Elastomer, das aus der Klasse ausgewählt ist, welche besteht aus: Fluorelastomeren einschließlich jener, welche Wasserstoff enthalten, und einschließlich jener, welche keinen Wasserstoff enthalten, Perfluorelastomeren und Fluorelastomeren, welche Silikonanteile enthalten, Nitril-Elastomeren, Acryl-Elastomeren, Olefindien-Elastomeren, chlorsulfonierten Polyethylen-Elastomeren, Polychloropren-Elastomeren, Butyl- und halogenierten Butyl-Elastomeren, Styrolbutadien-Elastomeren, Polydien-Elastomeren und Silikon-Elastomeren. Es wird bevorzugt, daß die wärmehärtbaren Elastomere in der obengenannten Klasse einen Biegeelastizitätsmodul (ASTM D790-84a) von weniger als 1400 MPa aufweisen.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das flexible Polymer ein thermoplastisches Elastomer, das aus der Klasse ausgewahlt ist, welche besteht aus: Copolyetherester-Elastomeren, Polyurethan-Elastomeren, Styrol-Polyolefin-Blockcopolymer-Elastomeren, Polyamid-Elastomeren, Ethylen-Copolymer-Elastomeren und thermoplastischen Elastomeren, die durch das Verfahren der dynamischen Vulkanisation hergestellt sind, wie in dem US-Patent Nr.4 130 535 für Coran et al. beschrieben ist, bei welchem eine Mischung aus einem härtbaren Elastomer und einem Kunststoff in einer thermoplastischen elastomeren Zusammensetzung resultiert. Die thermoplastischen Elastomere in der obengenannten Klasse haben einen Biegeelastizitätsmodul (ASTM D790- 84a) von weniger als 1400 MPa.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das flexible Polymer ein thermoplastisches Polymer mit einem Biegeelastizitätsmodul (ASTM D790-84a) von weniger als 1400 MPa und ist aus der Klasse ausgewählt, welche besteht aus: Fluorierten thermoplastischen Materialien bestehend aus Copolymeren von Tetrafluorethylen, Copolymeren von Vinylidenfluorid, Copolymeren von Chlortrifluorethylen, Polyolefinen und plastifizierten Polyvinylchloriden.
Wenn weiterhin auf Fig. 1 Bezug genommen wird, wird erläutert, daß die feste PTFE-Schicht 11 an dem verstärkten flexiblen Verbundwerkstoff 15 durch irgendein bekanntes Mittel angeheftet ist. Vorzugsweise ist das flexible Polymer 12 des verstärkten flexiblen Verbundwerkstoffs ein thermoplastisches Material, so daß die feste PTFE-Schicht an dem verstärkten flexiblen Verbundwerkstoff durch die Einleitung einer genügenden Menge von Wärme und Druck in das in dem verstärkten flexiblen Verbundwerkstoff enthaltene flexible Polymer angeheftet werden kann, um zu verursachen, daß das thermoplastische Material fließt und an der festen PTFE-Schicht anhaftet. Das erfindungsgemäße Diaphragma kann durch Preßlaminier-, Preßformungs-, Autoklav-Formungs-, Rotationsformungs-, Heißwalzlaminiations-, Vakuumformungs- oder Thermoformungs-Prozesse hergestellt werden.
Wenn weiterhin auf Fig. 1 Bezug genommen wird, so wird erläutert, daß eine wahlweise elastomere Schicht 14 an dem verstärkten flexiblen Verbundwerkstoff 15 angeheftet werden kann. Die elastomere Schicht verleiht dem Diaphragma nach der vorliegenden Erfindung zusätzliche elastomere Qualitäten, zum Beispiel elastomere Erholung. Die elastomere Schicht kann ein elastomeres Polymer aufweisen, welches wärmehärtbare Elastomere oder thermoplastische Elastomere sein kann. Wärmehärtbare Elastomere können aus der Klasse ausgewählt werden, welche besteht aus: Fluorelastomeren einschließlich jener, welche Wasserstoff enthalten, und einschließlich jener, welche keinen Wasserstoff enthalten, Perfluorelastomeren und Fluorelastomeren, welche Silikonanteile enthalten, Nitril-Elastomeren, Acryl-Elastomeren, Olefindien Elastomoeren, chlorsulfonierten Polyethylen-Elastomeren, Polychloropren-Elastomeren, Butyl- und halogenierten Butyl-Elastomeren, Styrolbutadien-Elastomeren, Polydien-Elastomeren und Silikon-Elastomeren. Es wird bevorzugt, daß die wärmehärtbaren Elastomere in der obengenannten Klasse einen Biegeelastizitätsmodul (ASTM D790-84a) von weniger als 1400 MPa aufweisen.
Thermoplastische Elastomere können aus der Klasse ausgewählt werden, welche besteht aus: Copolyetherester-Elastomeren, Polyurethan-Elastomeren, Styrol-Polyolefin-Blockcopolymer-Elastomeren, Polyamid-Elastomeren, Ethylen-Copolymer-Elastomeren und thermoplastischen Elastomeren, die durch das Verfahren der dynamischen Vulkanisation hergestellt sind, wie in dem US-Patent Nr.4 130 535 für Coran et al. beschrieben, bei welchem eine Mischung aus einem härtbaren Elastomer und einem Kunststoff in einer thermoplastischen elastomeren Zusammensetzung resultiert. Die thermoplastischen Elastomere in der obengenannten Klasse weisen einen Biegeelastizitätsmodul (ASTM D790-84a) von weniger als 1400 MPa auf.
Die elastomere Schicht kann entweder in einer verstärkten oder in einer nicht verstärkten Form sein. Die elastomere Schicht in der verstärkten Form weist ein elastomeres Polymer auf, in welches ein verstärkendes textiles Gebilde bzw. Gewebe eingebettet ist. Das verstärkende textile Gebilde bzw. Gewebe kann irgendein textiles Gebilde bzw. Gewebe sein, welches gegenwärtig dazu verwendet wird, um Elastomere zu verstärken. Derartige textile Gebilde bzw. Gewebe schließen textile Gebilde bzw. Gewebe mit ein, die aus polymeren Fasern bestehen, zum Beispiel Nylonfasern, Polyesterfasern, Polyaramidfasern, PTFE-Fasern und ePTFE-Fasern.
Wenn nunmehr auf Fig. 2 Bezug genommen wird, so ist hierin ein zusammengesetztes Diaphragma 20 in einer flachen oder ebenen Form dargestellt. Die feste PTFE-Schicht 11, der verstärkte flexible Verbundwerkstoff 15 und die elastomere Schicht 14 sind in Aufeinanderfolge dargestellt. Eine Einrichtung zum Befestigen eines Umfangsrands des Diaphragmas ist als eine Reihe von Durchgangslöchern 21 offenbart, die dazu befähigt sind, Schrauben oder andere derartige Mittel zum Befestigen des Diaphragmas an Ort und Stelle aufzunehmen. Alternativ hierzu kann die Einrichtung zum Befestigen des Umfangsrands des Diaphragmas ein über den Umfang verlaufender Bördelrand sein.
Wenn nunmehr auf Fig. 3 Bezug genommen wird, so ist hierin ein zusammengesetztes Diaphragma 30 in einer geformten Ausgestaltung dargestellt. Eine Einrichtung zum Befestigen eines Umfangsrands des Diaphragmas ist als ein über den Umfang verlaufender Bördelrand 33 offenbart. Alternativ hierzu kann die Einrichtung zum Befestigen des Umfangsrands des Diaphragmas eine Reihe von Durchgangslöchern sein.
Das zusammengesetzte Diaphragma 30 in einer geformten Ausgestaltung weist ein mittleres Durchgangsloch 34 zum Befestigen des erfindungsgemäßen Diaphragmas an einer Einrichtung zum Hin- und Herbewegen des erfindungsgemäßen Diaphragmas auf.
Wenn weiterhin auf Fig. 3 Bezug genommen wird, so wird erläutert, daß das zusammengesetzte Diaphragma in einer geformten Ausgestaltung konvexe Bereiche 32 und konkave Bereiche 31 aufweist. Die Gestalt und Anordung der konvexen und konkaven Bereiche des Diaphragmas sind von konstruktiven Erfordernissen des Gegenstands abhängig, in welchem das Diaphragma plaziert wird.
Um das zusammengesetzte Diaphragma in einer geformten Gestalt zu erzeugen, wird ein Formverfahren durchgeführt. Die verschiedenen Schichten, welche das erfindungsgemäße Diaphragma aufweisen, werden in einer Form mit einer erwünschten Gestalt angeordnet. Die die verschiedenen Schichten enthaltende Form wird anschließend einer genügenden Menge von Wärme und Druck durch Preßformungs-, Autoklavformungs-, Rotationsformungs-, Vakuumformungs- oder Thermoformungs- Verfahren derart unterworfen, daß die Schichten der Form entsprechen und die erwünschte Gestalt nach Entfernung von der Form beibehalten.
Wenn nunmehr auf Fig. 3A Bezug genommen wird, so ist hierin eine Querschnittsansicht des Diaphragmas nach Fig. 3, genommen entlang der Linie 3A, dargestellt. An einer Rückseite 43 des Diaphragmas ist eine Reihe von konzentrisch angeordneten, elastomeren Rippen 41 in der elastomeren Schicht 14 ausgebildet. Diese elastomeren Rippen sind in einem Versetzungsabschnitt 42 des vorliegenden Diaphragmas angeordnet. Dieser Versetzungsabschnitt 42 des Diaphragmas ist als derjenige Bereich des Diaphragmas definiert, der sich wechselweise biegt, wenn das Diaphragma verwendet wird. Diese elastomeren Rippen verhindern, daß die feste PTFE-Schicht 11 durch Verteilen der Kräfte, die mit der Hin- und Herbewegung des Diaphragmas verbunden sind, radiale Falten bildet. Ohne diese Rippen kann die feste PTFE-Schicht radiale Falten bilden, wodurch die feste PTFE-Schicht geschwächt und ein vorzeitiger Ausfall des Diaphragmas aufgrund einer Konzentration der eingeleiteten Arbeit in die feste PTFE-Schicht an den radialen Falten verursacht werden. Eine Plazierung der Rippen in die elastomere Schicht anstatt in die PTFE-Schicht erlaubt einen größeren Freiraum hinsichtlich einer Rippenausgestaltung. Die elastomere Schicht verteilt die den Rippen zugeordneten Kräfte, wenn das Diaphragma wechselweise gebogen wird, so daß selbst Rippen mit einem winkeligen Profil, zum Beispiel ein Rechteck, Kräfte nicht auf die feste PTFE-Oberfläche zu konzentrieren scheinen und daher hinsichtlich der Verlängerung der brauchbaren Lebensdauer des vorliegenden Diaphragmas Nützlichkeit aufweisen. Die Gestalt und Plazierung der Serien von elastomeren Rippen, die in der elastomeren Schicht des Diaphragmas ausgebildet sind, sind von konstruktionsmäßigen Anforderungen für den Gegenstand abhängig, in welchem das Diaphragma angeordnet wird.
Zusammengesetzte Diaphragmen wurden unter Verwendung der folgenden Prüfungen geprüft:

Biegeelastizitätsmodul

Der Biegeelastizitätsmodul des flexiblen Polymers wird ermittelt durch: ASTM D790-84a; Testmethoden für Biegeeigenschaften von unverstärkten und verstärkten Kunststoffen und elektrischen Isolationswerkstoffen.

Zerreißprüfung

Die Zerreißspannung, die Zerreißdehnung, die Spannung bei 5% Dehnung, der Modul bei 5% Dehnung, und die "energy management"- Charakteristika der Werkstoffe wurden unter Anwendung der ASTM D882-83-Methode A bestimmt. Es wurde eine Maschine vom Typ mit Konstantgeschwindigkeits-Backentrennung (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. Das Testverfahren wurde in einem überwachten Raum bei einer Temperatur von 21ºC und einer relativen Feuchtigkeit von 65 % ausgeführt.
Die Meßlänge des Probenstücks war 10,2 cm und die Dehnungsgeschwindigkeit, die verwendet wurde, war 5,08 cm/Minute. Das Streifenregistriergerät lief mit 12,70 cm/Minute oder bei einem Verhältnis von Streifenregistriergeschwindigkeit zu Dehnungsverhältnis von 2,5 : 1. 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 "Zerreißen" als auch die Spannung bei 5 % Dehnung aufgezeichnet. Wenn eine Probe vor 5 % Dehnung reißt, wird die Zerreißspannung in Listen eingetragen und das Fehlen eines Wertes bei 5 % Dehnung wird vermerkt.
Das "energy management" des Materials wurde durch Errechnen des Gesamtbereichs unter der Spannungs-/Dehnungs-Kurve erhalten, die durch diesen Test erzeugt wurde. Dieser Wert wurde für das Volumen des textilen Gebildes normiert und als J/cm der auf das Volumen bezogenen Dicke des textilen Gebildes 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 Dicke der Matrix des textilen Gebildes dividiert wurde.
Die folgenden Beispiele werden vorgelegt, um die Lehren der vorliegenden Erfindung weiter zu erläutern und nicht, um den Umfang der Erfindung zu beschränken. Zahlreiche Abänderungen und Äquivalente werden sich für Fachleute leicht von selbst ergeben, ohne von dem Gedanken und dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Beispiel 1

Ein zusammengesetztes Diaphragma der vorliegenden Erfindung wurde in der folgenden Art und Weise hergestellt:
Es wurde ein verstärkter flexibler Verbundwerkstoff hergestellt, der ein Gewebe aus einer in Leinwandbindung gewebten 400 Denier-ePTFE- Faser (Rastex-Faser, die von W.L. Gore & Assoc., Inc., Elkton, MD, erhältlich ist) mit 21 Fasern/cm in der Kettenrichtung und 20 Fasern/cm in der Schußrichtung enthält. Das Gewebe in Leinwandbindung wurde zwischen zwei 0,13 mm dicke Schichten aus einem Copolymer von Tetrafluorethylen und einem Perfluor (Propylvinylether) (PFA) (500 LP, erhältlich von E.I. duPont de Nemours, Co.) eingebracht. Eine 0,51 mm dicke Schicht eines vom Block geschnittenen PTFE-Bandes gemäß MIL- D-22241 Typ 2, Sorte A (Cadillac Plastics, Pennsauken, NJ) wurde gegen eine Fläche der PFA-Schicht gelegt und der verstärkte flexible Verbundwerkstoff wurde innerhalb einer Vakuumpresse für 30 Minuten bei einer Temperatur von 365ºC und bei einem Druck von 1,030 MPa plaziert. Der resultierende verstärkte flexible Verbundwerkstoff hatte eine Dicke von 0,94 mm.
Eine PFA-Oberfiäche des verstärkten flexiblen Verbundwerkstoffs wurde mit einem Natriumnaphthanat-Ätzmittel (Tetra-Etch-Ätzmittel, das von W.L. Gore & Assoc., Newark, DE erhältlich ist) behandelt. Auf die behandelte PFA-Oberfläche wurde ein Klebemittel mittels einer Bürste aufgetragen und es wurde dem Klebemittel ermöglicht, unter Umgebungsbedingungen zu trocknen (Chemlok 250, erhältlich von Lord Corporation, Erle, PA). Das Klebemittel ist zu 30 Gew.- % mit Toluol verdünnt worden.
Eine 4,2 mm dicke Schicht eines elastomeren Polymers wurde auf das Klebemittel aufgebracht, welches zuvor auf die PFA-Oberfläche aufgebracht wurde (ein Neopren-Compound auf der Grundlage von Neopren GK, erhältlich von E.I. Dupont de Nemours, Co.). Die Schicht des elastomeren Polymers wurde auf die PFA-Oberfläche dadurch angeheftet, daß der verstärkte flexible Werkstoff in einer Plattenpresse plaziert wurde, die auf 100ºC für 30 Sekunden erwärmt wurde.
Ein Vorformling des verstärkten flexiblen Werkstoffs wurde von dem hergestellten Werkstoff geschnitten und dieser Vorformling des Werkstoffs wurde in einer Form mit einer Ausgestaltung plaziert. Die Form wurde in einer Plattenpresse plaziert, welche 7580 MPa auf den verstärkten flexiblen Werkstoff bei einer Temperatur von 167ºC für 20 Minuten zum Ausbilden eines Diaphragmas aufbrachte.
Das Diaphragma wurde aus der Form nach Abkühlen entnommen und irgendwelches Mehrmaterial wurde von dem Endteil geschnitten. Das Endteil wurde sodann in einer Wilden M-4-Pumpe geprüft, die durch 400 N Luftdruck gegenüber einer Wassersäule von 127 cm bei einer Geschwindigkeit von 66 Zyklen pro Minute angetrieben wurde. Es wurde dem Diaphragma ermöglicht, in der Pumpe zu bleiben, bis das Diaphragma ein Durchgangsloch entwickelte oder bis festgestellt wurde, daß nach periodischer Inspektion ein Bruch des Diaphragmas bevorstehend war. Eine Anhäufung von drei Diaphragmen wurde hergestellt und geprüft. Die Ergebnisse dieser Prüfung sind in Tabelle 1 aufzufinden.

Vergleichsbeispiel 1

Ein zum Vergleich dienendes, zusammengesetztes Diaphragma wurde in der folgenden Art und Weise hergestellt:
Ein verstärkter flexibler Verbundwerkstoff wurde dadurch hergestellt, daß wie in Beispiel 1 ein textiles Gebilde, welches zuvor durch ein Natriumnaphthanat-Ätzmittel (Tetra-Etch-Ätzmittel, erhältlich von W.L. Gore & Assoc., Newark, DE) geätzt worden ist, zwischen zwei Schichten eines PFA-Films plaziert wurde. Eine Schicht des PFA hatte eine Dicke von 0,05 mm, während die andere Schicht des PFA eine Dicke von 0,51 mm hatte.
Der verstärkte flexible Verbundwerkstoff wurde innerhalb einer Vakuumpresse für 60 Minuten bei einer Temperatur von 340ºC und einem Druck von 1030 MPa plaziert. Der resultierende verstärkte flexible Verbundwerkstoff hatte eine Dicke von 0,71 mm.
Die Oberfläche des verstärkten flexiblen Werkstoffs, welche die PFA- Schicht von 0,05 mm enthält, wurde mit einem Natriumnaphthanat-Ätzmittel behandelt. Auf die behandelte PFA-Oberfläche wurde ein Klebemittel mittels einer Bürste aufgebracht, wie in Beispiel 1.
Eine Schicht eines elastomeren Polymers wurde auf die behandelte PFA- Schicht wie im Beispiel 1 aufgebracht, mit der Ausnahme, daß die Schicht eines elastomeren Polymers durch die Anwendung eines Paares von erwärmten Kalandrierwalzen aufgebracht wurde.
Zwei Vorformlinge des verstärkten flexiblen Werkstoffs wurden geschnitten und in die Gestalt wie im Beispiel 1 geformt. Die resultierenden Diaphragmen wurden wie in Beispiel 1 geprüft. Die Ergebnisse dieser Prüfung sind in Tabelle 1 aufzufinden. Tabelle 1

Beispiel 2

Ein zusammengesetztes Diaphragma nach der vorliegenden Erfindung wurde in der folgenden Art und Weise hergestellt:
Ein verstärkter flexibler Verbundwerkstoff wurde wie in Beispiel 1 hergestellt. Ein verstärktes elastomeres Polymer wurde auf die PFA- Oberfläche des verstärkten flexiblen Verbundwerkstoffs aufgebracht. Das verstärkte elastomere Polymer, welches in Aufeinanderfolge eine 0,20 mm dicke Schicht des elastomeren Polymers, ein verstärkendes Gewebe aus einem Nylonmull (WABCO 7200-46, erhältlich von Westinghouse Air Brake Company, Greensburg, Pa) und eine 3,94 mm dicke Schicht des elastomeren Polymers aufwies, wurde auf der behandelten PFA- Oberfläche angeordnet und an dem flexiblen verstärkten Verbundwerkstoff durch die Anwendung von 48 MPa Druck in einer Plattenpresse angeheftet, die auf 93ºC für eine Verweilzeit von 30 Sekunden erwärmt wurde.
Drei Vorformlinge des verstärkten flexiblen Werkstoffs wurden geschnitten und in die Gestalt wie in Beispiel 1 geformt. Die resultierenden Diaphragmen wurden wie in Beispiel 1 geprüft. Die Ergebnisse dieser Prüfung sind in Tabelle 2 aufzufinden.

Beispiel 3

Ein zusammengesetztes Diaphragma nach der vorliegenden Erfindung wurde in der folgenden Art und Weise hergestellt:
Der verstärkte flexible Werkstoff wurde wie in Beispiel 1 hergestellt. Zwei Vorformlinge des verstärkten flexiblen Werkstoffs wurden von dem hergestellten Werkstoff geschnitten und diese Vorformlinge des Werkstoffs wurden in einer Form mit einer Ausgestaltung plaziert. Die Ausgestaltung der Form wurde gegenüber der Ausgestaltung der Form wie in Beispiel 1 insofern geändert, als drei Nuten mit rechteckförmigen Profilen in eine Fläche der Form gearbeitet worden sind, so daß, wenn Wärme und Druck auf die Form angewendet wurden, das elastomere Polymer in die Nuten der Form floß und elastomere Rippen an dem resultierenden Diaphragma formte, wie in Fig. 3A zu sehen. Die resultierenden Diaphragmen wurden wie in Beispiel 1 geprüft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufzufinden.

Beispiel 4

Ein zusammengesetztes Diaphragma nach der vorliegenden Erfindung wurde in der folgenden Art und Weise hergestellt:
Ein verstärkter flexibler Verbundwerkstoff wurde wie in Beispiel 2 hergestellt. Zwei Vorformlinge des verstärkten flexiblen Werkstoffs wurden von dem hergestellten Werkstoff geschnitten und diese Vorformlinge des Werkstoffs wurden in einer Form wie in Beispiel 3 plaziert. Die resultierenden Diaphragmen mit geformten elastomeren Rippen wurden wie in Beispiel 1 geprüft. Die Ergebnisse dieser Prüfung sind in Tabelle 2 aufzufinden. Tabelle 2

Claims

1. Ein zusammengesetztes Diaphragma, welches die folgenden Schichten in Aufeinanderfolge aufweist:

(a) eine kontinuierliche Schicht aus einem festen Polytetrafluorethylen, und

b) eine Schicht aus einem Verbundwerkstoff, der ein Gewebe aufweist, das aus expandierten porösen Polytetrafluorethylenfasern und wenigstens einem flexiblen Polymer gebildet ist, das aus der Klasse ausgewählt ist, welche besteht aus: in Wärme aushärtendem Elastomer, thermoplastischem Elastomer und thermoplastischem Polymer, wobei das flexible Polymer einen Biegeelastizitätsmodul von weniger als 1400 MPa aufweist.

2. Ein zusammengesetztes Diaphragma gemäß Anspruch 1, bei welchem das flexible Polymer aus der Klasse ausgewahlt ist, welche besteht aus: Fluorelastomeren einschließlich jener, welche Wasserstoff enthalten, und einschließlich jener, welche keinen Wasserstoff enthalten, Perfluorelastomeren und Fluorelastomeren, welche Silikonanteile enthalten, Nitril-Elastomeren, Acryl-Elastomeren, Olefindien-Elastomer, chlorsulfonierten Polyethylen-Elastomeren, Polychloropren-Elastomeren, Butyl- und halogenierten Butyl-Elastomeren, Styrolbutadien-Elastomeren, Polydien-Elastomeren und Silikon-Elastomeren.

3. Ein zusammengesetztes Diaphragma gemäß Anspruch 1, bei welchem das flexible Polymer aus der Klasse ausgewählt ist, welche besteht aus: Copolyetherester-Elastomeren, Polyurethan-Elastomeren, Styrol- Polyolefin-Blockcopolymer-Elastomeren, Polyamid-Elastomeren, Ethylen-Copolymer-Elastomeren und thermoplastischen Elastomeren, die durch das Verfahren der dynamischen Vulkanisation hergestellt sind.

4. Ein zusammengesetztes Diaphragma gemäß Anspruch 1, bei welchem das flexible Polymer aus der Klasse augewählt ist, welche besteht aus: fluorierten thermoplastischen Materialien bestehend aus Copolymeren von Tetaafluorethylen, Copolymeren von Vinylidenfluorid, Copolymeren von Chlortrifluorethylen, Polyolefinen und plastifizierten Polyvinylchloriden.

5. Ein zusammengesetztes Diaphragma gemäß Anspruch 1, welches ferner eine elastomere Schicht aufweist, die an die Schicht des Verbundwerkstoffes angebracht ist.

6. Ein zusammengesetztes Diaphragma gemäß Anspruch 5, welches ferner ein verstarkendes Gewebe aufweist, das in die elastomere Schicht eingebettet ist.

7. Ein zusammengesetztes Diaphragma gemäß Anspruch 5, welches ferner eine Reihe von konzentrisch angeordneten elastomeren Rippen aufweist, die in der elastomeren Schicht gebildet sind.

8. Ein zusammengesetztes Diaphragma gemäß Anspruch 1, bei welchem die Schicht des Verbundwerkstoffs ein Gewebe aus expandierten porösen Polytetrafluorethylenfasern aufweist, wobei das Gewebe mit einem flexiblen Polymer laminiert ist.

9. Ein zusammengesetztes Diaphragma gemäß Anspruch 1, bei welchem die Schicht des Verbundwerkstoffs ein Gewebe aus expandierten porösen Polytetrafluorethylenfasern aufweist, wobei das Gewebe mit einem flexiblen Polymer beschichtet ist.

10. Ein zusammengesetztes Diaphragma gemäß Anspruch 1, bei welchem die Schicht des Verbundwerkstoffs ein Gewebe aus expandierten porösen Polytetrafluorethylenfasern aufweist, wobei das Gewebe mit einem flexiblen Polymer gesättigt ist.

11. Ein zusammengesetztes Diaphragma gemäß Anspruch 1, bei welchem die Schicht (b) eine Reihe von konzentrisch angeordneten elastomeren Rippen aufweist, die in der flexiblen Polymerschicht gebildet sind.

12. Ein zusammengesetztes Diaphragma gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 11, wobei das Diaphragma eine ebene Gestalt aufweist.

13. Ein zusammengesetztes Diaphragma gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 11, wobei das Diaphragma eine geformte Gestalt aufweist.