DE69704947T2

DE69704947T2 - Dichtungspapier

Info

Publication number: DE69704947T2
Application number: DE69704947T
Authority: DE
Inventors: David Geoffrey Hall; Antony Latkowski
Original assignee: Federal Mogul Technology Ltd
Current assignee: Federal Mogul Technology Ltd
Priority date: 1996-06-27
Filing date: 1997-06-12
Publication date: 2001-09-06
Anticipated expiration: 2017-06-13
Also published as: EP0916001B1; ZA975620B; DE69704947D1; EP0916001A1; GB2314569A; GB9613456D0; KR20000015807A; AU713243B2; JP2000513053A; BR9709944A; WO1997049864A1; GB2314569B; AU3099097A

Description

Diese Erfindung betrifft besonders, aber nicht ausschließlich, Papiere, die für die Verwendung bei flüssigkeitsabdichtenden Anwendungen geeignet sind, wie Zylinderkopfdichtungen. Es ist bekannt, Dichtungspapiere aus nicht asbesthaltigen Formulierungen herzustellen, die auf anderen Fasern, wie Glasfasern und/oder Mineralfasern basieren und einen untergeordneten Teil an Zellulose als bahnformendem Mittel einschließen. Beispielsweise offenbaren die GB-A-2,138,854 und 2,138,855 zellulosehaltige Zusammensetzungen, die Bindeton als einen Füllstoff verwenden. Die GB-A-2,250,302 offenbart ein Dichtungsmaterial, das zellulosefrei ist und das ein sorgfältig ausgewähltes Gemisch von calciniertem Kaolin und Bindeton als Füllstoff umfasst. Die GB-A-2,254,346 offenbart ein Hochtemperaturdichtungsmaterial, das Glas- oder Kohlestapelfasern und temperaturtolerante Füllstoffe umfasst. Die GB-A-2,093,474 und EP-A2-0522441 offenbaren Zusammensetzungen, die Aramidstapelfasermaterialien umfassen.
Während einige dieser nicht asbesthaltigen, Bindeton enthaltenden Produkte ein gutes Betriebsverhalten bei unkritischen Anwendungen aufweisen, wurde beobachtet, dass ihr Verhalten bei erhöhten Temperaturen hinsichtlich Spannungsrelaxation (oder Kriechen) nicht ausreichend ist, besonders wenn über eine ausgedehnte Zeitdauer getestet wird, um die eigentliche Verwendung zu simulieren. Spannungsrelaxation oder Kriechen führt zu einem Verlust von Belastung in einer Verschraubung und kann zu Dichtungsversagen führen, so dass bei temperaturkritischen Anwendungen eine bessere Aufrechterhaltung der Spannung sehr wünschenswert ist.
Es wurde nun entdeckt, dass der Austausch der Bindetonkomponente durch ein Silikatmineral, wie ein geschichteter Kaolinton oder ein faseriges Silikat in Kettenform oder ein Gemisch von diesen, zu einer verbesserten Spannungsrelaxationsleistung führt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Papierausgangsmaterials zum Entwässern zu Papier, das 4-15 Gew.-% Aramidfaserpulpe, 60- 90 Gew.-% Silikatmineral, 4-10 Gew.-% Polymerbinder und 2-15 Gew.-% anorganischen Binder umfasst, die Schritte, die in dem Teil vor dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dargelegt sind und weiter kennzeichnet sind durch Herstellen eines ersten Gemisches, das Aramidfasern und Silikatmineral enthält, bevor der anorganische Binder dazugegeben wird, und vor dem Zugeben des anorganischen Binders, Zugeben einer 10%-igen Papiermacheralaun-Lösung zu dem ersten Gemisch, derart, dass der Trockengehalt 1% der Gesamtzusammensetzung beträgt, und Rühren des Gemisches, um die Oberfläche des Silikatminerals durch das Alaun aufzubereiten, um den anorganischen Binder aufzunehmen und, nach Zugabe des anorganischen Binders, Zugeben des Polymerbinders mit einem Feststoffgehalt von 50 Gew.-% und Dispergieren des Polymerbinders in dem Gemisch, ohne diesen auszufällen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung besteht mindestens ein Teil des Silikatminerals aus Attapulgit.
Der anorganische Binder ist vorzugsweise kolloidales Siliziumdioxid. Das Polymermaterial ist vorzugsweise Nitrilkautschuk.
Ein besonders bevorzugtes Papier gemäß des erfinderischen Verfahrens umfasst 4-8 Gew.-% Aramidfaserpulpe, 5-8 Gew.-% Polymerbinder, 75-87 Gew.-% Silikatmineral und 4- 10 Gew.-% kolloidales Siliziumdioxid. Es ist klar, dass in dem vorliegenden Zusammenhang "Aramid" ein Verweis auf polyaromatisches Aramidmaterial ist.
Die Formulierungen der vorliegenden Erfindungen können auf mindestens zwei verschiedene Arten verwendet werden. Erstens eignet sich die Verwendung von calcinierten Kaolin in Kombination mit kolloidalen Siliziumdioxid zur Herstellung eines Papiers, das mit einem Silikon oder anderen Harz, wie Polybutadien, imprägniert werden kann, um die Widerstandsfähigkeit und Abdichtungsfähigkeit gegenüber Fluiden, wie Wasser/Frostschutzmittelgemischen und Öl, zu erhöhen. Alternativ ist es durch Einschließen von Attapulgit möglich, ein Papier herzustellen, das aufquillt, wenn es Wasser ausgesetzt wird. Derartige Papiere können ohne eine Harzimprägnationsbehandlung verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einem Papierausgangsmaterial, das zur Herstellung von Dichtungen sowohl mit als auch ohne Nachbehandlung mit einem Harzimprägnierungsmittel verwendbar ist.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass es durch Weglassen des Bindetons (früher als ein entscheidendes Bestandteil angesehen) bei den erfindungsgemäßen Formulierungen möglich ist, bei erhöhten Temperaturen ohne die Verwendung von anorganischen Fasern verbesserte Spannungsrelaxationleistung zu erhalten.
Dazu, dass die Erfindung besser verstanden wird, werden nun bevorzugte Ausführungsformen von ihr beispielhaft mit Bezug auf die folgenden Beispiele beschrieben werden.
Im Interesse der Klarheit wurde die Spannungsrelaxationsleistung durch ein auf der ASTM- Untersuchung F 1276 basierenden Verfahren bestimmt, bei dem die Proben während 22 Stunden 300ºC ausgesetzt wurden. Es ist klar, dass das Letztere deutlich länger ist als in einigen anderen Untersuchungen, aber Nachforschungen ergeben, dass die Spannungsrelaxation nach langen Aussetzungszeiten, die der eigentlichen Verwendung viel näher kommen, merklich höher ist.
Somit wurden die Untersuchung durch Binden des Testpapiers an beide Seiten eines ebenen Stahlkerns durchgeführt, der ringförmige Prüfstücke von 14,7 mm Innendurchmesser und 34,5 mm Außendurchmesser ausspart. Diese wurden dann erneut auf der Basis der ATSM F1276 durch Anlegen einer anfänglichen Spannung von 58,6 MPa untersucht. Nach 22 Stunden bei 300ºC wurde auf gewöhnliche Weise die verbleibende Spannung gemessen, die Spannungsrelaxation berechnet und auf eine Papierdicke von 1,0 mm normalisiert. Diese Vorgehensweise wurde überall in den folgenden Beispielen verwendet, die die Untersuchungen bei Papier, das gemäß dem Stand der Technik hergestellt wurde, einschließen.

Beispiel 1

Es wurde ein Papier mit folgender Zusammensetzung hergestellt: % Trockengewicht
fibrillierte Aramidfaserpulpe 8
calcinierter Kaolin 76
Nitrilkautschuk 6
kolloidales Siliziumdioxid 10

Ausgngsmaterialzubereitung

Die Aramidfasern wurden in Wasser dispergiert, um eine Aufschlemmung mit einem Feststoffgehalt von ungefähr 2 Gew.-% zu ergeben. Diese Pulpe weist eine Freiheit von 50ºSR auf. Die Pulpe wurde zu einem Mischgefäß überführt und weiter mit Wasser bei 40ºC verdünnt. Der calcinierte Kaolin wurde zugegeben und das Gemisch wurde gerührt. Es wurde weiteres Wasser zugegeben, um eine Aufschlemmung mit einem Feststoffgehalt von etwa 4 Gew.-% zu ergeben. Eine 10%ige Lösung von Papiermacheralaun wurde zugegeben, so dass der Trockengehalt etwa 1% der Gesamtzusammensetzung war. Das Gemisch wurde für 2 Minuten gerührt, bevor das kolloidale Siliziumdioxid als eine Suspension mit 30% Feststoffgehalt zugegeben wurde. Das Gemisch wurde für weitere 5 Minuten gerührt und Nitrilkautschuk in Latexform mit einem Feststoffgehalt von ungefähr 50% wurde zugegeben. Der Nitrilkautschuklatex wurde 5 : 1 mit Wasser verdünnt, bevor er zu dem Gemisch zugegeben wurde. Als er vollständig dispergiert war, wurde der Latex durch die Zugabe einer weiteren Menge an Papiermacheralaun dazu gebracht, sich auf den Fasern und Füllstoffen abzuscheiden, bis die obenauf schwimmende Flüssigkeit klar wurde.

Papierherstellung

Ein Papier wurde aus dem vorstehenden Ausgangsmaterial durch die herkömmliche Technik des Entwässerns auf einem Drahtgeflecht, des Abpressens und des Trocknens hergestellt, wobei ein Polyacrylamidflockungsmittel verwendet wurde, um das Verfahren zu unterstützen. Das Papier wurde nachfolgend bis zu der erforderlichen Dichte unter Verwendung eines herkömmlichen 2-Walzen-Kalanders kalandriert.
Das resultierende Papier hatte folgende Eigenschaften:
Dicke 0,83 mm
Flächenmasse 920 gm&supmin;²
Dichte 1110 kgm&supmin;³
Zugfestigkeit 4,2 MPa
Verdichtung bei 34,5 MPa 14,3%
Spannungsrelaxation 24,8%
Ein herkömmliches, gemäß der GB-2,250,302 hergestelltes Papier zeigte eine Spannungsrelaxation von 42% bei dem gleichen Untersuchungsverfahren.
Zusätzlich zu den vorstehenden Eigenschaften wurde die Fähigkeit des Papier gemessen, gegenüber einem Gemisch von 50 Gew.-% Wasser und 50 Gew.-% Frostschutzmittel abzudichten. Eine Dichtungsspannung von 10,3 MPa wurde an eine ringförmige Probe des Papiers angelegt und der interne Druck des Wasser/Frostschutzmittelgemisches wurde in Schritten von 1 bar erhöht. Jeder Druck wurde für eine Zeitdauer von 5 Minuten gehalten und der Druck, beim dem Leckflüssigkeit auftrat, wurde notiert. Es wurde herausgefunden, dass die Proben des vorstehenden Papiers bei einem internen Druck von 2 bar undicht wurden.
Es wurde festgestellt, dass die Abdichtungsleistung des Papiers drastisch durch die Imprägnierung des Papiers mit einem Silikonharz verbessert werden kann, so dass ein Fluiddruck von 10 bar abgedichtet wurde.

Beispiel 2

Ein Papier wurde im Großen und Ganzen wie vorstehend beschrieben aus der folgenden Formulierung zubereitet.
% Trockengewicht
fibrillierte Aramidfaserpulpe 4
calcinierter Kaolin 30
Attapulgit 50
kolloidales Siliziumdioxid 10
Nitrilkautschuk 6
Das Papier hatte die folgenden Eigenschaften:
Dicke 0,65 mm
Flächenmasse 860 gm&supmin;²
Dichte 1330 kgm&supmin;³
Zugfestigkeit 7,0 MPa
Verdichtung bei 34,5 MPa 15,3%
Spannungsrelaxation 29,8%
Ein Abdichtungstest wurde, wie vorstehend beschrieben, ausgeführt, und es wurde festgestellt, dass das Papier einen internen Druck von 10 bar ohne nachweisbare Leckflüssigkeit bei einer Dichtungsspannung von 10,3 MPa abdichtet. Das Papier dichtete ebenfalls 10 bar Fluiddruck bei einer verringerten Dichtungsspannung von 3,4 MPa ab.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Papierausgangsmaterials zum Entwässern zu Papier, umfassend 4-15 Gew.-% Aramidfaserpulpe, 60-90 Gew.-% Silikatmineral, 4-10 Gew.-% Polymerbinder und 2-15 Gew.-% anorganischen Binder, umfassend die Schritte Herstellen eines Gemisches von Aramidfasern in Wasser in einer Aufschlämmung mit 2 Gew.-% Feststoffgehalt, dem Silikatmineral und dem anorganischen Binder, Zugeben des Polymerbinders zu dem Gemisch und, wenn der Polymerbinder vollständig dispergiert ist, Zugeben von Papiermacheralaun, bis der Polymerbinder ausgefällt ist, und die überstehende Flüssigkeit des Gemisches klar wird, gekennzeichnet durch

Herstellen eines ersten Gemisches, das die Aramidfasern und das Silikatmineral enthält bevor der anorganische Binder zugegeben wird, und vor dem Zugeben des anorganischen Binders, Zugeben einer 10%-igen Papiermacheralaun-Lösung zu dem ersten Gemisch, derart, dass der Trockengehalt 1% der Gesamtzusammensetzung beträgt, und Rühren des Gemisches, um die Oberfläche des silikatischen Minerals durch das Alaun aufzubereiten, um den anorganischen Binder aufzunehmen und,

nach Zugabe des anorganischen Binders,

Zugeben des Polymerbinders mit einem Feststoffgehalt von 50 Gew.-% und Dispergieren des Polymerbinders in dem Gemisch, ohne diesen auszufällen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch Zugabe von mindestens einem Teil des zugegebenen Silikatminerals als faseriges Silikat in Kettenform.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das faserige Silikat in Kettenform als Attapulgit zugegeben Wird.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch Zugabe des Silikatminerals als geschichteter Kaolitton.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, gekennzeichnet durch Calcinieren des Kaolins vor dessen Zugabe.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch Calcinieren des Kaolins bei über 800ºC.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch Zugabe des anorganischen Binders als kolloidales Siliciumdioxid.

8. Verfahren gemäß irgendeinem vorstehendem Anspruch, gekennzeichnet durch Zugabe des Polymerbinders als Nitrilkautschuk.

9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend das Vermischen von 4-8 Gew.-% Aramidfaserpulpe, 5-8 Gew.-% Polymerbinder, 75-87 Gew.-% Silikatmineral, 4-10 Gew.-% anorganischem Binders.