DE69910855T2 - Leichtes und abriebfestes Geflecht - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Geflecht der Art, die typischerweise aus Monofil- oder Multifilgarnen besteht, die miteinander verflochten wurden, um Hülsen für Schutzzwecke, typischerweise für eine elektrische Verdrahtung oder Rohrleitung in Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen, zu bilden, um deren Abrieb zu verhindern oder zu verzögern. Ein Beispiel für eine derartige Hülse wird im EP 0249333 A vorgelegt.
  • Ein Geflecht der vorangehend erwähnten Art wird im allgemeinen aus einzelnen Strängen oder Ansammlungen von Strängen hergestellt, die mit angrenzenden Strängen oder Reihen von Strängen überflochten und aus Polymeren von hoher Qualität hergestellt werden, wie beispielsweise Nylon. Für Anwendungen mit hoher Leistungsfähigkeit, wo insbesondere der Durchmesser des Monofils klein sein muß, wie beispielsweise im Durchmesserbereich von 0,07 mm bis 0,80 mm, um spezifischen Kriterien des Geflechtes hinsichtlich Deckfähigkeit und Leistung zu entsprechen, wird typischerweise ein Polyaryletherketon, wie beispielsweise Polyetheretherketon (bekannt als „PEEK"), typischerweise entweder allein oder in Kombination mit anderen Monofilen verwendet, die aus weniger kostspieligen Polymeren hergestellt werden. Eine bekannte Eigenschaft des PEEK ist seine bessere Abriebfestigkeit, und das ist der Grund, weshalb es ein bevorzugtes Material bei sicherheitskritischen Anwendungen ist, wie beispielsweise in Kraftfahrzeugen und im Flugzeug. Die Kosten der PEEK-Monofile tendierten jedoch immer dazu, daß man im Sinn hatte, daß das Material nur verwendet wird, wenn kein anderes billigeres Material die erforderliche Leistungscharakteristik erfüllen kann, insbesondere mit Bezugnahme auf die Abriebfestigkeit und ein leichtes Gewicht relativ zum Grad der Deckfähigkeit, der vom Geflecht gebracht wird, wenn sich das Monofil innerhalb des vorangehend angezeigten Durchmesserbereiches befindet.
  • Von den weniger kostspieligen, bei hoher Temperatur in der Schmelze verspinnbaren faserbildenden Thermoplasten, die ebenfalls für eine Verwendung bei der Herstellung von Geflechten geeignet sind, werden Polyphenylensulfid (als „PPS" bekannt), Polybutylenterephthalat (als „PBT" bekannt) und Polyethylennaphthalat (als „PEN" bekannt) ebenso wie Polyimide (als „PEI" bekannt) und aliphatische Polyketone (als „PK" bekannt) genannt, die alle zu vollen Monofilen verarbeitet werden können, aus denen ein geflochtener Gegenstand, wie beispielsweise eine schlauchartige Hülse, konstruiert werden kann.
  • Eine geflochtene, schlauchartige Hülse kann leicht aufgeweitet werden, indem sie längs der Länge des Schlauches zusammengedrückt wird, so daß sie leicht über eine Verdrahtung oder ein zu schützendes Rohr paßt, und danach kann die Hülse längs ihrer Länge gezogen werden, so daß ihr Durchmesser verringert wird, um eng anliegend um die Verdrahtung oder das Rohr zu passen. Obgleich die Zugfestigkeit im Geflecht darin von Bedeutung ist, daß es ausreichend fest sein muß, um der normalen Abnutzung zu widerstehen, ist dennoch, vorausgesetzt, daß die Zugfestigkeit ausreichend ist, um die einzelnen Elementarfadenstränge für die Zwecke des Wirkens als ein Geflecht, wie es erforderlich ist, im wesentlichen regenerierbar zu machen, die sehr hohe Zugfestigkeit, die von vollen Monofilen aus Thermoplasten gewährt wird, in großem Umfang nicht erforderlich.
  • Im U.S. Patent 4251588, ausgestellt an Goetmann und Mitarbeiter, werden hohle Polymermonofile beschrieben, die in Papierherstellungsbändern verwendet werden, um eine verbesserte Dimensionsstabilität und Flexibilität zu liefern. Es wird beschrieben, daß die Elementarfäden entsprechend den üblichen Verfahren für die Herstellung von hohlen Monofilen hergestellt werden, wobei das geschmolzene thermoplastische Polymer durch eine belüftete Düse in ein Abschreckmedium extrudiert wird, wonach es orientiert wird, indem es um etwa das 3,4- bis 6,0-fache der ursprünglichen Länge gestreckt wird, was zu Monofilen führt, die im allgemeinen einen Hohlaumgehalt von etwa 3% bis 15% ihrer Querschnittsfläche aufweist. Es wird dargelegt, daß bei einem Hohlraumgehalt von weniger als etwa 3% ein kleiner Vorteil gegenüber dem vollen Monofil realisiert wird, und daß bei einem Hohlraumgehalt von über 15% das Monofil dazu neigt, seine im wesentlichen kreisförmige Querschnittskonfiguration zu leicht zu verlieren und zu einem im wesentlichen hohlraumfreien Elementarfaden abflacht.
  • Diese Ermittlungen werden im U.S. Patent 5597450, das an Baker und Mitarbeiter ausgestellt wurde, bestätigt, worin in einem thermofixierten Gewebe für eine Verwendung in einer Papierherstellungsmaschine und einer ähnlichen Maschine mindestens ein Teil der Schußstränge hohle thermoplastische Polymermonofile mit einer Solidität in ihrer nicht verformten Querschnittsfläche von etwa 50% bis etwa 80% sind. Der Umfang der hohlen Elementarfäden ist größer als der oder gleich dem Umfang der Schußdurchgänge, die sie im Stoff nach dem Thermofixieren einnehmen sollen, wobei der dargelegte Vorteil der ist, daß gesichert wird, daß die Luftdurchlässigkeit sowohl niedrig als auch gleichmäßig konstant durchgehend im Gewebe ist. Ein weiterer dargelegter Vorteil ist, daß, weil einige der Monofile hohl sind, sie eine geringere Masse aufweisen als vergleichbar bemessene volle Monofile, so daß ihre Trägheit niedriger ist, wodurch die Probleme in Verbindung mit der Beschleunigung und Verlangsamung von Monofilen mit großem Durchmesser auf Hochleistungswebmaschinen verringert werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird aus der überraschenden Realisierung abgeleitet, daß hohle Monofile aus Thermoplasten ebenfalls vorteilhafterweise beim Flechten eingesetzt werden können, um die Abriebfestigkeit pro Masseeinheit zu erhöhen, wobei das die Haupteigenschaft ist, die vom Geflecht gefordert wird.
  • Entsprechend der Erfindung wird ein leichtes, abriebfestes Geflecht bereitgestellt, das Monofile aus verspinnbaren Thermoplasten aufweist oder einschließt, wobei jedes Monofil im wesentlichen bis zu etwa 80 Vol.-% hohl ist, und wobei sich die Außendurchmesser im Bereich von 0,07 bis 0,80 mm bewegen. Wo die Hohlraumanteile zwischen 10% und 40% der Querschnittsfläche des Monofils liegen, wurde ermittelt, daß die Abriebfestigkeitsleistung zumindestens so gut, und in einigen Fällen viel besser ist als die Abriebfestigkeitsleistung der vollen Stränge des Monofils. Vorzugsweise wird das hohle Monofil aus PEEK oder irgendeinem anderen in geeigneter Weise verspinnbaren faserbildenden Thermoplastmaterial hergestellt, das PPS, PBT und PEN einschließt.
  • Mit Hohlraumanteilen von zwischen 20 bis 80% der Querschnittsfläche des hohlen Monofils kann eine verbesserte Deckfähigkeit des Geflechtes erhalten werden, dadurch, daß die Monofile beim endgültigen Flechten abgeflacht werden, um eine verbesserte Deckfähigkeit bei wahlfreien Nachflechtbehandlungen zu liefern, um die abgeflachten Profile in ein Geflecht mit dauerhafter hoher Deckfähigkeit mit einer guten Oberflächenabriebfestigkeit mittels Wärme zu fixieren.
  • Die Erfindung liefert daher ein neuartiges Geflecht bei Verwendung von Polymeren mit hohen Kosten, wie beispielsweise PEEK, die Eigenschaften aufweisen, die zumindestens so gut, aber oftmals bedeutend besser sind als beim Geflecht, das aus vollen Monofilen hergestellt wird, und das bei einer folgenden Einsparung an Kosten und Gewicht.
  • Hohle Monofile aus PFEK wurden bei Anwendung eines konventionellen Faserschmelzspinnverfahrens bei Benutzung – einer ringförmigen Düse hergestellt, gefolgt vom Abschrecken, dem Strecken der Fasern über erwärmten Walzen und der Heizplattenrelaxation vor dem Aufwickeln auf eine Spule. PEEK mit einer Grundviskosität von etwa 1,0, gemessen bei 25°C in einer Lösung von 0,1 g des Polymers in 100 ml konzentrierter Schwefelsäure, wurde in einem Einschneckenextruder bei 380°C geschmolzen und mit zwischen 2 bis 15 g/min. durch eine Spinnbaugruppe extrudiert, die mehrere Schichten von Metallmaschenfiltergaze und eine ringförmige Düse mit einem Außendurchmesser von 4,4 mm und einem Innendurchmesser von 2,2 mm enthält, wobei die mittlere Düse in die Atmosphäre entlüftet wird. Der hohle Elementarfaden wurde extrudiert und danach mit zwischen dem 2,5- und 3-fachen der ursprünglichen Länge gestreckt, bevor er erneut auf 310°C bis 340°C erwärmt wurde, um ein Relaxationsverhältnis von bis zu 15% der maximalen gestreckten Länge zu liefern, bevor er auf eine Spule aufgewickelt wird.
  • Monofile aus PEEK, die unter diesen Bedingungen hergestellt wurden, waren kreisförmig mit einer guten Abmessungs- und Formgleichmäßigkeit und lieferten Durchmesser zwischen 0,20 nun und 0,55 mm mit einem Hohlraumgehalt von etwa 25% des Querschnittes des Monofils. Das Gewicht pro Länge der hohlen Monofile war proportional niedriger als für volle Monofile mit äquivalenten Durchmessern.
  • Scheuerversuche wurden an sowohl hohlen als auch vollen Monofilen bei Anwendung eines Hin- und Herbewegungsverfahrens durchgeführt, wobei einzelne Stränge des Monofils wiederholt über einen Aluminiumoxid-Keramikstift mit einem Durchmesser von 3,12 mm unter einem Winkel von 90° unter einer Zugspannung von 3 Newton bei annähernd 0,7 Hz gezogen wurden. Der Hub der Hin- und Herbewegung betrug annähernd 30 mm, und die Umgebungstemperatur lag im Bereich von 25°C + 3°C. In jedem Fall wurde die Anzahl der Zyklen bis zum Bruch durch Zerreißen des Elemantarfadens festgehalten.
  • Beispielsweise wurde ein hohles PEEK-Monofil nach dem vorangehend beschriebenen Verfahren hergestellt, wobei ein Polymerausstoß von 5,4 g/min. und eine Aufwickelgeschwindigkeit von 30 m/min. angewandt wurden, wobei danach mittels heißer Walzen gestreckt und schließlich wieder erwärmt und um etwa 15% der maximalen ausgedehnten Länge des Elementarfadens entspannt wurde. Verschiedene Eigenschaften des hohlen Monofils wurden danach gemessen und mit entsprechenden Eigenschaften eines konventionellen industriellen vollen PEEK-Monofils mit einem Durchmesser von 0,35 mm verglichen, bekannt als und unter Bezugnahme auf Typ Z1110, hergestellt von der Zyex Limited, speziell für Weben und Flechten.
  • Wie beim ersten Beispiel wurde das hohle PEEK-Monofil nach dem vorangehend beschriebenen Verfahren hergestellt, wobei ein Polymerausstoß von 4,0 g/min., eine Aufwickelgeschwindigkeit von 30,0 m/min. und eine Relaxation von 10% zur Anwendung kamen. Dieses wurde mit einem konventionellen industriellen vollen PEEK-Monofil mit einem Durchmesser von 0,28 mm verglichen, bekannt als und unter Bezugnahme auf Typ Z1220, hergestellt von der Zyex Limited, speziell für Weben und Flechten.
  • Die Ergebnisse des Vergleichs werden in der nachfolgenden Tabelle gezeigt, in der man sehen wird, daß, obgleich das volle Monofil in bedeutendem Maß das hohle Monofil hinsichtlich der Leistung bei der Festigkeit, Bruchdehnung und dem Zugfaktor übertraf, das Umgekehrte der Fall war, wenn die Abriebfestigkeit gemessen wurde, wobei ein annähernd 4-facher Vorteil gegenüber dem konventionellen vollen Monofil erzielt wurde.
  • TABELLE
    Figure 00040001
  • Man glaubt, daß dieses überraschende Ergebnis auf die Fähigkeit der äußeren Oberfläche des hohlen Monofils, sich nach innen zu biegen, wenn ein mechanischer Druck angewandt wird, im Ergebnis des Vorhandensein des Hohlraumes angewandt wird, zurückzuführen ist, so daß die Oberfläche, die abgescheuert wird, dadurch vergrößert wird, und daß als eine Folge die mechanische Belastung, die durch das Scheuem hervorgerufen wird, über eine breitere Oberfläche verteilt wird.
  • Das kann im Gegensatz zu der Situation sein, wenn ein volles Monofil gescheuert wird, wo infolge seiner unelastischen Beschaffenheit und Solidität das Scheuem auf einen relativ kleinen und nicht nachgebenden Teil des Monofils konzentriert wird, der dadurch abgescheuert und viel heftiger beschädigt wird, als das hohle Monofil, das in der Lage ist, unter dem Druck des Scheuem nachzugeben.
  • Das hohle Monofil aus Beispiel 2 wurde zu einer schlauchartigen geflochtenen Hülse mit 16 Strängen mit 3 Enden pro Strang unter einem Spiralwinkel von 30° zur Achse verarbeitet. Das resultierende Geflecht zeigte eine lineare Dichte von 3,3 g/m. In einer gleichen Weise wurde ein volles ZYEX-Monofilgeflecht basierend auf 0,28 nun Z1220 zu einer identischen Konstruktion verarbeitet. Das resultierende Geflecht zeigte eine lineare Dichte von 4,4 g/m.
  • Die Abriebfestigkeit dieser Geflechte wurde bei Verwendung der gleichen Hin- und Herbewegungsvorrichtung verglichen, wie sie in den Beispielen 1 und 2 beschrieben wird.
  • In bestimmten Fällen wurde die absolute Last, in anderen Fällen der Winkel über dem Stift und in weiteren noch die Stiftoberfläche verändert. Außerdem wurde das Geflecht getestet, sowohl indem es über einem elektrischen Kabel eng angepaßt wurde als auch ohne eine Anpassung, um die reellen Bedingungen der Benutzung und der Abnutzung genau zu simulieren.
  • Sowohl Geflechte aus vollen als auch hohlen Monofilen wurden in genau der gleichen Weise behandelt und identisch belastet.
  • Überraschenderweise gab es keine bedeutenden Unterschiede bei den Zyklen bis zum Bruch, die für vergleichbare Fälle aufgezeichnet wurden. Das zeigt, daß effektiv ein 25%iger Vorteil in Form des Schutzes beim verwendeten Material zu verzeichnen ist, das durch das hohle Geflecht geliefert wird.
  • Das ist überraschend darin, daß die Prüfung einzelner Monofilproben auf ein Potential für viel größere Verbesserungen hinweisen würde.
  • Die viel größeren Freiheitsgrade, die durch die geflochtene Konstruktion gewährt werden, bewirken vermutlich eine bessere relative Lastverteilung als sie erhalten werden kann, wenn einzelne Monofile in einer vollständig kontrollierten Weise geprüft werden.
  • Eine Untersuchung der Art und Weise des Bruches von Geflechten aus sowohl hohlen als auch vollen Monofilen während einer zerstörenden Prüfung zeigt ebenfalls, daß die Art und Weise des Bruches für jedes sehr unterschiedlich ist. Volle Monofile zeigen eine gleichmäßige Oberflächenabnutzung an hohen Stellen, dem oftmals spezifische seitliche Risse relativ zur Hauptachse des Monofils folgen, die dann schnell zu einem spröden vollständigen Bruch des Elementarfadens führen.
  • Im Fall der hohlen Monofile wird ein geringeres Niveau der Oberflächenabnutzung nachgewiesen, dem Längsrisse relativ zur Hauptachse des Monofils folgen, was zu einem Netz von unregelmäßig feinen Fasern führt, das ein sichtbares „filzartiges" Aussehen bewirkt und danach eine wesentliche zusätzliche Zeit bis zum vollständigen Bruch in Anspruch nimmt.
  • Daher wird erkannt werden, daß das hohle Monofil der Erfindung weiterhin als ein Geflecht funktioniert, selbst nach einem teilweisen Bruch infolge der Abnutzung. Ein zusätzlicher Vorteil, der sich daraus gegenüber vollen PEEK-Monofilen ergibt, ist, daß letztere dazu neigen, geringe oder keine Anzeichen einer Abnutzung vor dem vollständigen Bruch zu zeigen, wohingegen ersterer einen leicht sichtbaren Hinweis auf eine Abnutzung vorlegt, während die Abnutzung fortschreitet, und zwar infolge des Auftretens von Längsrissen, die in bestimmten Fällen tatsächlich das Niveau der Deckfähigkeit des Geflechtes vergrößern, während die Abnutzung fortschreitet. Als solche ist die Abnutzung des Geflechtes viel leichter nachzuweisen und zu korrigieren, so daß bei sicherheitskritischen Anwendungen eine visuelle Kontrolle ein zuverlässiger Indikator dafür sein kann, ob eine Auswechselung des Geflechtes erforderlich ist oder nicht.
  • Die Erfindung stellt ebenfalls ein Geflecht zur Verfügung, das im wesentlichen mehr Deckfähigkeit als die eines Geflechtes aufweist, das volle Thermoplastmonofile verwendet, dadurch, daß, wo das Geflecht eine enge Passung über einem zu schützenden Teil aufweist, wie beispielsweise einer Rohrleitung, die einzelnen Elementarfäden dazu neigen, einen elliptischen Querschnitt anzunehmen, und diese Eigenschaft kann dem Geflecht während dessen Herstellung mittels einer Wärmebehandlung sogar dauerhaft verliehen werden.
  • Die Erfindung bringt daher eine überraschende und neuartige Verwendung des hohlen PEEK-Monofils bei einer speziellen Anwendung mit sich, wo die Abriebfestigkeit die geforderte Eigenschaft ist, wobei diese Eigenschaft in starkem Maß verbessert wird, selbst wenn es auf Kosten einiger weniger wichtiger mechanischer Eigenschaften sein kann.

Claims (4)

  1. Leichtes, abriebfestes, schlauchartiges Geflecht, das Monofile aus verspinnbaren Thermoplasten aufweist oder einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß ein jedes Monofil im wesentlichen bis zu 80 Vol.-% hohl ist und einen Außendurchmesser im Bereich von 0,07 bis 0,80 mm aufweist.
  2. Geflecht nach Anspruch 1, bei dem ein jedes Monofil im wesentlichen bis zu 10 bis 80 Vol.-% hohl ist.
  3. Geflecht nach Anspruch 1, bei dem ein Teil der oder alle Monofile aus Polyaryletherketonen bestehen.
  4. Geflecht nach Anspruch 1, bei dem ein Teil der oder alle Monofile aus PEEK bestehen.
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