DE69932595T2

DE69932595T2 - Elastomerer verbundwerkstoff mit biegungsvermögen

Info

Publication number: DE69932595T2
Application number: DE1999632595
Authority: DE
Inventors: Allen Michael Rising Sun ZUMBRUM; William Jason Newark MULLER
Original assignee: Gore Enterprise Holdings Inc
Current assignee: Gore Enterprise Holdings Inc
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1999-02-11
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2019-02-12
Also published as: CA2317669C; CA2317669A1; JP4327352B2; DE69932595D1; US20030012905A1; US20020031628A1; EP1054766B1; US6451396B1; EP1054766A1; JP2002502735A; AU2675199A; WO1999041071A1; US6673455B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Eine Zusammensetzung mit Biegungsvermögen eines Elastomers, welches mit einer kontinuierlichen Phase von mikroporösem, expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) verstärkt ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Silikonelastomere können zur Anwendung beispielsweise in der medizinischen, Elektro- und chemischen Industrie zu vielen Formen verarbeitet werden. Gegenstände wie zum Beispiel Schläuche von Peristaltikpumpen, Pumpendiaphragmen, Faltenbälge, Sauger für Babyflaschen, Draht- und Kabelhüllen, Dichtungen und O-Ringe werden zum Beispiel häufig aus Silikonelastomeren gefertigt. Viele dieser Gegenstände werden darüber hinaus bei Anwendungen verwendet, die ein wiederholtes Biegen erfordern. Beispielsweise werden Peristaltikpumpen verwendet, um Flüssigkeiten und Pasten durch einen elastomeren Schlauch zu transportieren, wobei der Schlauch zwischen einem Satz rotierender Walzen und einem festen Pumpengehäuse eingequetscht wird. Silikonelastomere werden häufig für Schläuche von Peristaltikpumpen verwendet. Bei einem wiederholten Biegen entwickelt jedoch der Silikonkautschuk Risse in der Seitenwand und zerreißt verhängnisvollerweise. Das Problem wird verschlimmert, wenn Flüssigkeiten bei erhöhten Drücken und Temperaturen gepumpt werden, was zu einer noch kürzeren Lebensdauer des Pumpenschlauchs führt. Offensichtlich wird eine haltbarere Substanz für diese Zwecke benötigt.
Silikone sind eine Klasse von inhärent flexiblen Polymeren mit sich wiederholenden Organosilizium-Sauerstoff-Einheiten, welche bei geringem Widerstand eine Bindungsrotation durchlaufen. Als Folge besitzen Silikone ausgezeichnete Eigenschaften bei niedriger Temperatur; ihre schwachen intermolekularen und intramolekularen Polymerwechselwirkungen führen jedoch zu schlechter Reißfestigkeit und Härte. Als Folge werden Silikonelastomere oft mit entweder partikulären anorganischen Füllstoffen oder löslichen Silikonharzfüllstoffen verstärkt. Anorganische Füllstoffe wie beispielsweise Kieselpuder sind zum Beispiel bekannt, um die Zugfestigkeit von Dimethylsilikonen um einen Faktor von zehn zu erhöhen. Selbst die besten Silikonelastomere sind jedoch immer noch auf ungefähr 8966 kPa (1.300 psi) Zugfestigkeit (ASTM D-412) und 4464 kg/m (250 ppi) Reißfestigkeit (ASTM D-624 Form B) beschränkt. Natürlicher Kautschuk hat andererseits signifikant höhere Zug- und Reißeigenschaften; jedoch fehlen diesem viele der nützlichen Attribute von Silikonelastomeren wie Flexibilität bei niedriger Temperatur, niedriger dielektrischer Verlust, Ozonbeständigkeit, wenig extrahierbare Stoffe und Strahlungsbeständigkeit. Somit ist der Bedarf für eine verbesserte Klasse von verstärkten Silikonelastomeren, welche die Festigkeit und Härte von natürlichem Kautschuk mit den nützlichen Attributen eines Silikonkautschuks verbinden, immer noch unerfüllt.
Polytetrafluorethylen (PTFE) ist ein Polymer mit ausgezeichneter chemischer Inertheit, gekoppelt mit hoher Festigkeit. In den US-Patenten Nr. 3,953,566; 3,962,153; 4,096,227 und 4,187,390 lehrt Gore die Schmierung von PTFE-Pulver und die anschließende Expansion des PTFE zu einer Mikrostruktur, die durch Knoten, welche durch Fibrillen verbunden sind, gekennzeichnet ist. In diesen Patenten lehrt Gore die Verwendung nicht reaktiver Flüssigkeiten wie zum Beispiel Kerosin, Naphtha oder Lösungsbenzin als die schmierende Flüssigkeit, um die Extrusion von PTFE-Feinpulver zu unterstützen. Das PTFE wird zu einem Band extrudiert und getrocknet, um das nicht reaktive Schmiermittel zu entfernen. Schließlich wird das Extrudat expandiert, um ein Material zu erzeugen, das sowohl eine hohe Porosität als auch eine hohe Festigkeit aufweist.
Expandiertes PTFE (ePTFE) wurde ebenfalls hergestellt, indem reaktive Schmiermittel verwendet wurden, wie man in Mitchell ( US 4,764,560 ) und Tu ( EP 256 748 ; US 5,071,609 ) sehen kann. Reaktive Schmiermittel bestehen aus ungehärtetem Silikon und gegebenenfalls einem Lösungsmittel wie zum Beispiel Kerosin, Naphtha oder Lösungsbenzin. Das PTFE-Feinpulver wird geschmiert, extrudiert und expandiert. Während des Expansionsverfahrens härtet das Silikon in situ, um ein sich durchdringendes Polymernetzwerk (IPN) von PTFE und Silikonelastomer zu bilden. Solche expandierten Strukturen weisen eine Restporosität, eine hohe Festigkeit und eine mäßige Spannkraft auf. Mitchel ( US 4,764,560 ; US 4,891,407 ; WO 87/02996) und Dillon ( US 4,832,009 ; WO 9117205) lehren beispielsweise die Verwendung von wärmehärtbarem Dimethylsilikon, um eine poröse Mikrostruktur von sich durchdringenden Matrizes in gehärteter Form mit Durchlässigkeitseigenschaften für Feuchtigkeitsdampf zur Verwendung als Bandagen für schwer verletzte Brandopfer zu erzeugen. Die Menge an härtbarem Silikon, die in den Patenten '560 und '407 von Mitchell vorgeschlagen wird, kann von so wenig wie 1 Gewichtsteil pro 100 Teilen PTFE bis zu soviel wie 150 Teile Silikon pro 100 Teilen PTFE reichen. Unter Verwendung von Mitchell ist es jedoch aufgrund des Fehlens von Verbindungen zwischen Knoten und Fibrillen, was zu einer schlechten Grünfestigkeit des Extrudats führt, nicht möglich, pastenextrudiertes Band mit mehr als 20 Gewichtsprozent Silikon zu einer Mikrostruktur von sich durchdringenden Matrizes in gehärteter Form zu expandieren. Somit besaßen die Zusammensetzungen, die von Mitchell beschrieben wurden, aufgrund ihres relativ hohen Volumenanteils an PTFE eine geringe Elastizität, wenn sie mit der vorliegenden Erfindung verglichen wurden.
Tu ( US 4,816,339 ) beschreibt ebenfalls die Verwendung von reaktiven und nicht reaktiven Schmiermitteln zur Herstellung von radial asymmetrischen Gefäßtransplantaten mit einem Elastomergehalt, dessen Gewichtsprozentverhältnis von Elastomer in Bezug auf PTFE von 5 bis 120 reicht. Tu lehrt die Verwendung von Fluorelastomeren, Silikonelastomeren und anderen. Ein typisches Verfahren, das zur Herstellung eines mehrschichtigen PTFE/Elastomer-Implantats verwendet wurde, umfasste das Mischen des PTFE-Feinpulvers mit dem solvatisierten Elastomer, das Vorformen eines mehrschichtigen Blockes, das Extrudieren aus einer Form heraus, das Härten des Elastomers, das Expandieren des Verbundstoffes und das Bilden einer fakultativen elastomeren Polymerdeckschicht über einen Tauch- oder Sprühbeschichtungsvorgang. Andere schlauchförmige Prothesen sind von Mano ( US 4,304,010 ) entwickelt worden, welche einen porösen Schlauch aus PTFE mit einer Mikrostruktur, die aus Fibrillen und Knoten, welche durch die Fibrillen miteinander verbunden sind, zusammengesetzt ist, wobei die Fibrillen radial verteilt sind, und eine poröse Beschichtung eines Elastomers, gebunden an die Außenoberfläche des PTFE-Schlauches, umfassen. Die Prothese kann mit einer Elastomerlösung vakuumimprägniert werden, um eine Beschichtungsdicke zwischen 20 und 500 Mikrometern zu liefern. Die Prothese weist eine verbesserte Reißfestigkeit der Nähte (suture tear resistance) auf, wenn sie mit dem früheren Stand der Technik verglichen wird.
Tomoda ( US 4,133,927 ) lehrt die Laminierung von ePTFE auf einem Elastomersubstrat, wobei das poröse Blatt von ePTFE eine Schicht mit einer Dicke von ca. 0,05 mm oder mehr auf der Oberfläche des Elastomersubstrats bildet. Der Verbundstoff wird gebildet, indem die poröse Folie oder das Blatt auf ein vulkanisierbares Kautschukelastomersubstrat gelegt wird und das Material Wärme und Druck ausgesetzt wird, die ausreichen, um eine Vulkanisierung des Kautschuks und eine Klebung zwischen dem porösen PTFE und dem Elastomersubstrat zu bewirken. In dem Fall von fluorhaltigem Kautschuk zeigt der resultierende Verbundstoff eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit. Tomoda lehrt nicht die Verwendung von mehreren Schichten von ePTFE, um einen Verbundstoff zu bilden, der in der Lage ist, eine Belastung auf einem molekularen Niveau über die Gesamtheit hinweg zu übertragen.
Für viele Jahre sind Silikonelastomere mit PTFE-Pulver modifiziert worden, um deren Gleitfähigkeit, thermische Stabilität und Reißfestigkeit zu erhöhen. Safford ( US 2,710,290 ) lehrt die Verwendung eines kleineren Anteils an festem PTFE, das durch das Silikon hinweg dispergiert ist, um zufällig verteilte Fibrillen zu bilden. Er zeigt, dass die PTFE-Partikel in situ innerhalb der Silikonmatrix mittels der Wirkung einer Scherdeformation gedehnt wurden. Als Folge wurde die Reißfestigkeit, gemessen durch ASTM D-624 (Form B), von 1160 kg/m auf 4106 kg/m (65 ppi auf 230 ppi) erhöht. Konkle lehrt in US 2,927,908 , dass PTFE verwendet werden kann, um die Zug- und Reißfestigkeit in wärmehärtbaren fluorierten Organopolysiloxanelastomeren zu erhöhen. Diese Verbundstoffe wurden ebenfalls als brennstoff- und ölbeständig charakterisiert. Diese Beispiele von PTFE-Partikeln, die in Silikonkautschuk dispergiert waren, sind aufgrund der Schwierigkeit bei der Verarbeitung des Kautschuks und der Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften des Vulkanisats auf weniger als 25 Gewichtprozent begrenzt. Anders als bei der vorliegenden Erfindung fehlt den mit PTFE-Pulver gefüllten Elastomeren die kontinuierliche Schicht von ePTFE, deren Mikrostruktur durch Knoten, welche durch Fibrillen verbunden sind, gekennzeichnet werden kann, und sie weisen somit eine schlechtere Biegebeständigkeit auf.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verbundstoffelastomer mit überlegenem Biegungsvermögen bereitzustellen, bei welchem das Verhältnis von Elastomer zu ePTFE von 1:1 bis 50:1 auf einer Volumenbasis reicht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein chemisch beständiges Fluorelastomer für Anwendungen, welche ein Biegen in Gegenwart von aggressiven Chemikalien erfordern, bereitzustellen.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verstärktes Elastomer, welches für Pumpenkomponenten, Diaphragmen, Dichtungen, Versiegelungen, O-Ringe, Riemen, Schläuche und Faltenbälge nützlich ist, bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung betrifft Elastomerzusammensetzungen mit Biegungsvermögen, welche auf Elastomeren basieren, die mit einer kontinuierlichen Phase von mikroporösem oder expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) verstärkt sind. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Mischung von Bestandteilen, welche (1) ein flüssiges Elastomer, welches in einen gehärteten festen elastischen Zustand umgewandelt ist, und (2) einen kleineren Anteil von ePTFE mit einer kontinuierlichen Mikrostruktur, die durch Knoten, welche durch Fibrillen verbunden sind, gekennzeichnet ist, umfasst.
Es werden ebenfalls Verfahren zur Fertigung dieser Verbundstoffe mit Biegungsvermögen aus einem Elastomer und ePTFE bereitgestellt. Die Verfahren beinhalten die Beschichtung von ePTFE-Material mit flüssigem Elastomer, das Wickeln des imprägnierten Materials um einen Dorn und gegebenenfalls das Anwenden von Wärme und/oder Druck, um das Elastomer zu vulkanisieren.
KURZE BESCHREIBUNGEN DER ZEICHNUNGEN
1: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (SEM) von ePTFE bei 5.000-facher Vergrößerung, welche die kontinuierliche Mikrostruktur zeigt, die durch Knoten, welche durch Fibrillen verbunden sind, gekennzeichnet ist.
2A, 2B und 2C sind schematische Darstellungen von Tiefdruckbeschichtungsverfahren zum Imprägnieren von ePTFE mit flüssigem Elastomer.
3: Biegungsvermögen von Silikon/ePTFE-Verbundstoffelastomer gegenüber Silikonkautschuk und ePTFE-GORE-TEX^®GR^®-Blattmaterial unter Verwendung von ASTM D-2176-69.
4: SEM des Elastomerverbundstoffs mit einem Silikongehalt von 90 Volumen-%.
5: Druckhandhabbarkeit von Silikon/ePTFE-Verbundstoffelastomer im Vergleich zu Silikonkautschuk und thermoplastischem Elastomer, das unter der Marke MARPRENE^® verkauft wird.
6: Fließgeschwindigkeit als eine Funktion der Zeit für Pumpenschläuche aus Silikon/ePTFE-Verbundstoffelastomer gegenüber Pumpenschläuchen aus extrudiertem wärmegehärtetem Silikonkautschuk.
7: Schematische Darstellung eines Blasformwerkzeugs, das verwendet wurde, um Faltenbälge aus Elastomerverbundstoff zu fertigen.
8: Darstellung einer Form mit mehreren Vertiefungen mit einer Verbundstoffelastomer-Trennfolie, die verwendet wird, um geformte Teile zu kopieren.
Tabelle 1: Physikalische Eigenschaften von Silikon/ePTFE-Verbundstoffelastomeren gegenüber reinen Komponenten.
Tabelle 2: Lebensdauer von Schläuchen von Peristaltikpumpen aus Silikon/ePTFE-Verbundstoffelastomeren gegenüber mit PTFE-Pulver gefülltem Silikonkautschuk.
Tabelle 3: Zusammenfassung der Lebensdauer von Pumpenschläuchen aus Silikon/ePTFE-Verbundstoffelastomer gegenüber mit Lösungsmittel vollgesogenen Schläuchen und kommerziellen Silikonkautschukschläuchen.
Tabelle 4: Zusammenfassung der Effekte verschiedener Chemikalien auf die physikalischen Eigenschaften von sowohl den Fluorelastomerverbundstoffen als auch den Methylsilikonverbundstoffen.
Tabelle 5: Zusammensetzungen von anpassungsfähigen Folien unter Verwendung von Dimethylsilikon, Trifluorpropylmethylsilikon und Perfluoropolyetherelastomeren mit expandierter PTFE-Membran.
Tabelle 6: Wasserabdichtungsvermögen von Silikon-, ePTFE- und Verbundstoffelastomerdichtungen bei verschiedenen angelegten Drucken.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung liefern Elastomerverbundstoffe mit überlegenem Biegungsvermögen. Die Verwendung von expandiertem PTFE liefert eine Mikrostruktur mit Knoten, die durch Fibrillen verbunden sind, welche dazu dienen, die Belastung auf einem molekularen Niveau von einem Teil des Elastomers auf einen anderen zu verteilen. Dieser Verbundstoff wird in der folgenden Weise gebildet:
Zuerst wird ein expandiertes PTFE (ePTFE)-Material erzeugt, wie beispielsweise durch die Verfahren, die in US 3,953,566 von Gore beschrieben werden. Beispielsweise kann die ePTFE-Membran aus einer Mischung von PTFE-Harz (mit einer Kristallinität von ca. 95 % oder darüber) und einem flüssigen Schmiermittel (zum Beispiel einem Lösungsmittel aus Naphtha, weißem Öl, Lösungsbenzin oder dergleichen) gebildet werden. Die Mischung wird gründlich vermischt und dann zu einem Pellet geformt. Das Pellet wird zu einem Band extrudiert, wobei ein Extruder vom Presskolbentyp verwendet wird. Anschließend kann das Schmiermittel dann durch Verdampfen in einem Ofen entfernt werden. Das resultierende Band kann dann entweder einem uniaxialen oder einem biaxialen Strecken bei einer Temperatur von weniger als 327° C unterzogen werden, um der Membran die gewünschte Menge an Porosität und andere Eigenschaften zu verleihen. Ein Strecken kann durch einen oder mehrere Schritte durchgeführt werden. Die resultierende Membran kann dann einer Sintertemperatur über 345° C (d. h. der Schmelztemperatur von PTFE) unterworfen werden, um die Membran in ihrer expandierten Orientierung amorph zu fixieren. Das Ergebnis ist eine poröse Struktur, wie sie durch die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (SEM) in 1 gezeigt wird, welche die polymeren Knoten, die durch Fibrillen verbunden sind, darstellt. Typische Eigenschaften einer Struktur umfassen eine durchschnittliche Fibrillenlänge zwischen den Knoten von 0,05 bis 30 μm (vorzugsweise zwischen 0,2 und 30 μm) und ein Hohlraumvolumen von 20 bis 90 %. Wie aus der folgenden Beschreibung deutlich werden sollte, sind die genauen Eigenschaften und Abmessungen der ePTFE-Strukturen, die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, eine Funktion der Anwendung. Partikuläre Füllstoffe können ebenfalls in die ePTFE-Struktur eingebracht werden, wie von Gore ( US 4,096,227 ; US 4,187,390 ) gelehrt wird. Füllstoffe wie zum Beispiel Kieselpuder liefern eine aktive Stelle für entweder eine kovalente Verknüpfung des Elastomers mit dem ePTFE oder für eine Wasserstoffbindung des Elastomers an den Füllstoff. Die allgemeinen Membraneigenschaften, die zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sollten eine mittlere bis hohe Porosität und eine Benetzbarkeit durch verschiedene Lösungsmittel wie zum Beispiel Methylenchlorid, Toluol und/oder Aceton beinhalten.
Das Substratmaterial, das durch eine der oben beschriebenen Methoden erzeugt wird und zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist im Handel in einer großen Vielzahl von Formen aus einer Anzahl von Quellen, einschließlich unter der Marke GORETEX^® von der W.L. Gore & Associates, Inc., Newark, DE, erhältlich.
Die Elastomere, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können einen natürlichen oder synthetischen Ursprung haben. Beispiele für übliche synthetische Elastomere beinhalten Silikone, Urethane, Nitrilkautschuk, Styrol-Butadien-Styrol (SBR), Chloropren, Phosphazene, Fluorelastomere, Perfluorelastomere, Perfluorpolyetherelastomere, die ein Kautschukelastizitätsmodul von weniger als 10⁷ Pa aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung können lösungsmittelfreie flüssige Elastomere verwendet werden, welche die Verarbeitung vereinfachen und im Hinblick auf die Umwelt verträglicher sind. Solche flüssigen Elastomere sind im Handel in einer großen Vielzahl von Formen aus einer Anzahl von Quellen, einschließlich unter der Marke SILASTIC^® von der Dow Corning Corporation, Midland, MI, und als eine Serie von Raumtemperaturvulkanisaten (RTV) von der General Electric Silicones, Waterford, NY erhältlich. Eine Serie von flüssigen Perfluorpolyetherelastomeren ist unter der Marke SIFEL^® von der Shin Etsu Chemical, Tokyo, Japan, erhältlich.
Die Organosilikonelastomerkomponente kann gehärtet werden, indem verschiedene Mechanismen verwendet werden; jedoch sind Hydrosilylierungsreaktionen zwischen funktionalen Vinyl- und Hydridpolymeren der bevorzugte Ansatz und werden in dieser Anmeldung als ein Additionshärtungssystem bezeichnet werden. Diese Elastomere werden vorzugsweise als lösungsmittelfreie, flüssige Materialien im ungehärteten Zustand bei Raumtemperatur formuliert. Additionshärtungselastomere bestehen typischerweise aus linearem Polymer, Verstärkungsmittel, Vernetzer, Katalysator, Inhibitor und gegebenenfalls einem Haftvermittler.
Lineare Silikonpolymere, die in dieser Erfindung verwendet werden, weisen Viskositäten bis zu 1000 Pa·s (1.000.000 cps) oder mehr bei 25° C auf und sind vorzugsweise mit Dimethylvinylgruppen an den Enden der Polymerketten und/oder Vinylmethylsiloxan-Wiederholungseinheiten in dem Polymergerüst funktionalisiert. Lösungsmittelfreie Beschichtungstechniken können eingesetzt werden, wenn die Viskosität des Polymers zwischen 10 mPa·s und 100 Pa·s (10 und 100.000 cps) bei 25° C gehalten wird, und insbesondere, wenn die Viskosität zwischen 1 und 50 Pa·s (1.000 und 50.000 cps) bei 25° C liegt.
Verstärkungs- und/oder Streckmittel beinhalten unlösliche partikuläre Füllstoffe wie zum Beispiel Kieselpuder, Kieselgallerte, gemahlenen Quarz und Ruß. Diese Füllstoffe werden vorzugsweise mit Silanhaftvermittlern behandelt, um diese hydrophob und so kompatibler mit dem Silikonbasispolymer zu machen. Lösliche Verstärkungsmittel beinhalten Polyorganosiloxanharze des Typs, der von Modic ( US 3,436,366 ) und Nelson ( US 3,284,406 ) offenbart wird. Silikonharze sind hyperverzweigte Copolymere von einer oder mehreren M(Trimethylsiloxy)-, D(Dimethylsiloxy)- oder T(Methylsiloxy)-Einheiten, die mit Q(Silikat)-Einheiten kondensiert sind. Ebenso können eine oder mehrere der M-, D- oder T-Einheiten mit Vinyl-, Hydrid-, Trifluorpropyl-, Phenyl- oder anderen Alkylgruppen funktionalisiert sein. Bevorzugte Zusammensetzungen sind MDQ-Harze mit einer Vinylfunktionalität an entweder den M- oder den D-Siloxaneinheiten. Die Verwendung dieser löslichen Harze erlaubt oft die Bildung von lösungsmittelfreien Materialien, die verstärkt sind, aber nicht wie bei den mit Kieselpuder verstärkten Materialien thixotrop sind. Polyorganosiloxanharzmaterialien, die mit linearen Polymeren gemischt sind, werden vorzugsweise für eine lösungsmittelfreie Anwendung so formuliert, dass sie Viskositäten unter 100 Pa·s (100.000 cps) aufweisen. Materialien mit hoher Viskosität können bei der Verwendung von Lösungsmitteln eingesetzt werden.
Vernetzer wie zum Beispiel Organowasserstoffpolysiloxane können in der gegenwärtigen Erfindung entweder in linearer oder harzartiger Form verwendet werden. Lineare Vernetzer sind vorzugsweise mit Dimethylwasserstoffgruppen an den Enden der Polymerketten und/oder Methylwasserstoffsiloxan-Wiederholungseinheiten in dem Polymergerüst funktionalisiert. Die Polyorganosiloxanharzvernetzer sind hyperverzweigte Copolymere von einer oder mehreren M-, D- oder T-Einheiten, kondensiert mit Q-Einheiten. Eine oder mehrere der M-, D- oder T-Einheiten könnten mit Vinyl-, Hydrid-, Trifluorpropyl-, Phenyl- oder anderen Alkylgruppen funktionalisiert sein. Sowohl die linearen als auch die harzartigen Vernetzer weisen Viskositäten zwischen 0,025 Pa·s und 10 Pa·s (25 und 10.000 cps) bei 25°C auf, mit einem bevorzugten Bereich zwischen 0,05 und 1 Pa·s (50 und 1.000 cps) bei 25°C.
Inhibitoren, die verwendet werden, um die Härtungsgeschwindigkeit der Additionshärtungs-RTVs bei entweder Raumtemperatur oder erhöhten Temperaturen zu kontrollieren, beinhalten Polymethylvinylcyclosiloxan mit drei bis sechs Methylvinylsiloxaneinheiten pro Molekül. Eine weitere Klasse von bevorzugten Inhibitoren sind die acetylenischen Verbindungen ( US 3,445,420 ), insbesondere 2-Methyl-3-butin-2-ol.
Katalysatoren für die Additionshärtungselastomere beinhalten Edelmetalle wie zum Beispiel Platin, Rhodium, Palladium und andere. Diese Edelmetalle können solubilisiert oder in Lösung komplexiert sein, wie von Karstedt in US 3,814,730 , von Ashby in US 3,159,601 und Lamoreaux in US 3,220,970 gelehrt wird. Ein bevorzugter Katalysator für Additionshärtungselastomere ist Platin, das in vinylfunktionalisiertem Silikonpolymer in einer Menge zwischen 0,5 und 50 ppm pro Gewicht Platin in dem Endelastomer solubilisiert ist. Organische Peroxide können verwendet werden, um vinylhaltige Elastomere zu vernetzen. Bevorzugte Peroxide beinhalten Benzoylperoxide, Dicumylperoxid, Di-t-butylperoxid und andere, die einem Fachmann auf dem Gebiet geläufig sind.
Kondensationshärtungselastomere können ebenfalls in der beschriebenen Erfindung eingesetzt werden. Diese Elastomere werden durch die Kondensation von hydrolysierbaren Silikonpolymeren wie beispielsweise hydroxylfunktionalem Dimethylsiloxan gebildet. Katalysatoren, die verwendet werden, um diese Elastomere zu vernetzen, beinhalten auf Zinn und Titan basierende Verbindungen. Bevorzugte Kondensationskatalysatoren beinhalten Dibutylzinndilaurat und Dibutylzinnoxid.
Die Polyorganosilikonmaterialien können so formuliert werden, dass sie entweder eine oder mehrere Komponenten aufweisen. Ein bevorzugtes Zweikomponentensystem beinhaltet eine "A"- und eine "B"-Seite. Das "A" beinhaltet vorzugsweise das lineare Polymer, Verstärkungsmittel und Katalysator. Die "B"-Seite beinhaltet vorzugsweise das lineare Polymer, Verstärkungsmittel, Inhibitor, Vernetzer und gegebenenfalls einen Silanhaftvermittler. Diese Systeme sind im Handel in verschiedenen Verhältnissen von "A" zu "B", einschließlich, aber nicht beschränkt auf 10:1, 9:1 und 1:1, erhältlich. In manchen Fällen kann ein Material aus einem Teil so formuliert werden, dass es das lineare Polymer, Verstärkungsmittel, Vernetzer, Inhibitor, Katalysator und gegebenenfalls einen Silanhaftvermittler bei der Auswahl eines geeigneten Inhibitors beinhaltet.
Die auf Perfluorpolyether basierenden SIFEL^®-Elastomere beinhalten die Hydrosilylierung zwischen funktionalen Vinyl- und Hydridpolymeren mit Perfluorpolyether-Wiederholungseinheiten für das Gerüst, wie in US 5,288,829 ; 5,554,779; 5,314,981 und 5,292,848 gelehrt wird. Diese Elastomere sind vorzugsweise als lösungsmittelfreie, flüssige Materia lien im ungehärteten Zustand bei Raumtemperatur formuliert. Diese auf Perfluorpolyether basierenden RTVs bestehen aus linearem Polymer, Vernetzer, Katalysator, Inhibitor und gegebenenfalls verstärkenden Materialien und Haftvermittler(n).
Wenn einmal geeignete ePTFE- und Elastomervorläufermaterialien erhalten wurden, kann die folgende Verarbeitung durchgeführt werden, um das Verbundstoffmaterial der vorliegenden Erfindung zu erzeugen. Die ePTFE-Membran kann durch irgendeines von einer Vielzahl von Verfahren, einschließlich Tiefdruckbeschichten, beschichtet werden, um die poröse Struktur mit Elastomer zu imprägnieren, wie schematisch in den 2A, 2B und 2C gezeigt wird. Die ePTFE-Membran wird auf eine Tiefdruckwalze (A) abgerollt, worauf sie mit flüssigem Elastomer befeuchtet wird. Die Flüssigkeit wird unter Anwendung von Druck mittels der Kautschukwalze (B), welche gegen die Tiefdruckwalze (A) drückt, in die poröse Struktur hineingetrieben. Wahlweise kann die imprägnierte Membran, wie in 2B gezeigt ist, entweder zu einer Lücke zwischen einer Chromwalze (C) und einer Chromwalze (D) für die Auftragung einer Deckschicht des flüssigen Elastomers oder, wie in 2C gezeigt ist, zu einem Walzenspalt zwischen einer Kautschukwalze (B) und einer Chromwalze (C) weiter befördert werden. Die Beschichtungsdicke kann variiert werden, um Verbundstoffe mit dem gewünschten Elastomergehalt zu erzeugen. Die beschichtete Struktur wird dann entweder im ungehärteten Zustand um einen zylindrischen Dorn (E) herum bis zu einer gewünschten Wanddicke aufgenommen oder durch einen Konvektionsofen geführt, um die mit ePTFE verstärkte Elastomermembran zu härten. In dem ungehärteten Zustand kann das mit Elastomer imprägnierte ePTFE entweder um einen Dorn herum vulkanisiert werden, um einen schlauchförmigen Gegenstand wie beispielsweise einen Pumpenschlauch zu bilden, oder von dem Dorn entfernt werden, indem entlang der Längsachse geschnitten wird, um ein flaches Blatt aus ungehärtetem Material zu erzeugen. Das ungehärtete Material kann dann ausgestanzt werden, um Vorformen zum Kompressionsformen zu Gegenständen mit komplexer Gestalt wie beispielsweise einem Diaphragma, einem O-Ring, einer Dichtung usw. zu erzeugen. Ein anderer Ansatz ist es, die beschichtete Membran auf einen Dorn aufnehmen und das Material zu Bändern der gewünschten Breite aufzuschneiden. Die Bänder können dann um einen Dorn herum aufgewickelt werden, indem Filamentwickeltechniken verwendet werden, um dreidimensionale Gegenstände mit unregelmäßiger Form und unbegrenzter Länge zu erzeugen.
Das Verhältnis von Elastomer zu expandiertem ePTFE sollte ausreichend sein, um den Gegenstand elastomer zu machen, ohne das Biegungsvermögen nachteilig zu beeinflus sen. Zusammensetzungen, die zu wenig Elastomer enthalten, liefern Gegenstände, die sich wie ein Kunststoff verhalten. Sie zeigen oft eine beträchtliche Kriechdehnung, Hysterese und das Fehlen von Spannkraft oder Rückfederung. Zusammensetzungen, die zu viel Elastomer enthalten, profitieren nicht von der Mikrostruktur der Knoten, die mit Fibrillen verbunden sind, welche die einmalige Dauerbiegefestigkeit und die Festigkeit der gegenwärtigen Erfindung liefern. Somit reicht die Zusammensetzung, die für eine maximale Grenzlastspielzahl (fatigue life) geeignet ist, von ungefähr 1:1 Elastomer zu PTFE bis 50:1 Elastomer zu PTFE pro Volumen. Vorzugsweise reicht das Verhältnis von 4:1 bis 25:1 Elastomer zu PTFE pro Volumen.
Elastomere Gegenstände können aus diesen Verbundstoffen durch irgendeine aus einer Anzahl von Formtechniken, einschließlich Kompressionsformen, Blasformen, Extrudieren und Laminieren, hergestellt werden. Die bevorzugten Additionshärtungselastomere können durch Wärme gehärtet werden, um die Fertigung zu beschleunigen. Gegenstände wie zum Beispiel Pumpendiaphragmen, O-Ringe, Dichtungen, Dosierventile, Schläuche und andere geformte Gegenstände können leicht durch das Formpressen mehrschichtiger Vorformen gebildet werden.
Die vorliegende Erfindung umfasst einen Verbundstoff, bei welchem der Verbundstoff eine Mehrzahl von Schichten aus expandiertem PTFE aufweist. Die PTFE-Schichten sind mit wenigstens einem Elastomer imprägniert, und die imprägnierten PTFE-Schichten sind durch Elastomerschichten aneinander geklebt. Das Verhältnis einer Dicke einer Elastomerschicht zu einer Dicke einer imprägnierten expandierten PTFE-Schicht beträgt 6,5:1 oder weniger. Das wenigstens eine Elastomer und die Elastomerschichten umfassen jeweils unabhängig ein natürliches oder synthetisches Elastomer, und dieses kann wenigstens eins aus einem Methylsilikon, einem Phenylsilikon, einem Fluorsilikon, einem Fluorelastomer, einem Perfluorelastomer, einem Perfluorpolyetherelastomer oder eine Kombination von diesen sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Verbundstoffgegenstände beträgt das Volumenverhältnis von Elastomer zu expandiertem PTFE wenigstens 4:1. Das expandierte PTFE kann wenigstens einen Füllstoff beinhalten, wobei der wenigstens eine Füllstoff beispielsweise Kieselpuder, Kieselgallerte, kolloidales Silika oder Ruß sein kann.
Bei einigen möglichen Ausführungsformen können die expandierten PTFE-Schichten plasmabehandelt sein, oder die expandierten PTFE-Schichten können einen Silanhaftvermittler enthalten.
Die vorliegenden Verbundstoffmaterialien können verwendet werden, um Dichtungen, O-Ringe, Faltenbälge und Pumpendiaphragmen zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin einen Verbundstoffschlauch, bei welchem der Schlauch eine Mehrzahl an Schichten aus expandiertem PTFE umfasst. Die expandierten PTFE-Schichten sind mit wenigstens einem Elastomer imprägniert, und die imprägnierten Schichten sind durch Schichten aus Elastomer aneinander geklebt. Das Verhältnis der Dicke einer Elastomerschicht zu der Dicke einer imprägnierten expandierten PTFE-Schicht beträgt 6,5:1 oder weniger. Der Schlauch kann eine Durchmesserdehnung von weniger als 35 % des ursprünglichen Durchmessers aufweisen, wenn er 8,6 bar (125 psi) Innendruck bei 25°C ausgesetzt wird.
Das wenigstens eine Elastomer und die Schichten aus Elastomer können jeweils unabhängig ein natürliches oder synthetisches Elastomer umfassen oder können ein Organosilikon wie beispielsweise ein Methylsilikon, ein Phenylsilikon, ein Fluorsilikon, ein Fluorelastomer, ein Perfluorelastomer, ein Perfluorpolyetherelastomer oder eine Kombination von diesen sein. Das Volumenverhältnis von Elastomer zu expandiertem PTFE beträgt in dieser bevorzugten Ausführungsform wenigstens 80 %. Das expandierte PTFE, das verwendet wird, um die Schläuche zu erzeugen, kann wenigstens einen Füllstoff wie zum Beispiel Kieselpuder, kolloidales Silika, Ruß oder eine Kombination von diesen beinhalten. Die expandierten PTFE-Schichten des Schlauchs können einer Plasmabehandlung unterzogen worden sein und können ebenfalls eine Behandlung mit einem Silanhaftvermittler aufweisen. Der Schlauch, der gemäß dieser Erfindung erzeugt wurde, kann in einer Peristaltikpumpe für wenigstens 100 Stunden bei 200 Upm bei einem Druck von wenigstens 2,07 bar (30 psi) eingesetzt werden.
In einer speziellen Ausführungsform des vorliegenden Schlauchs umfasst der Schlauch wenigstens 31 Schichten aus expandiertem PTFE, wobei die Schichten mit wenigstens einem Organosilikonelastomer imprägniert sind. Die imprägnierten Schichten werden durch Schichten des Organosilikonelastomers aneinander geklebt, wobei das Verhältnis der Dicke einer Elastomerschicht zu der Dicke einer imprägnierten expandierten PTFE-Schicht 6,5:1 oder weniger beträgt.
Die vorliegenden Schläuche sind nicht kontaminierend, durch Dampf sterilisierbar und können in einer Peristaltikpumpe für wenigstens 100 Stunden bei 200 Upm bei einem Druck von wenigstens 2,07 bar (30 psi) eingesetzt werden.
Die vorliegenden Verbundstoffgegenstände können eine Mehrzahl von expandierten PTFE-Membranschichten umfassen, wobei die Schichten eine Dicke von zwischen ca. 0,005 mm (0,2 Mil) und ca. 5 μm-89 μm (3,5 Mil) aufweisen und die Schichten mit wenigstens einem Elastomer imprägniert sind. Die imprägnierten Schichten werden durch Elastomerschichten aneinander geklebt, und das Volumenverhältnis von Elastomer zu expandiertem PTFE in dem Gegenstand beträgt wenigstens 3:1. Das wenigstens eine Elastomer und die Elastomerschichten können jeweils unabhängig ein natürliches oder synthetisches Elastomer umfassen oder können ein Organosilikon wie zum Beispiel ein Methylsilikon oder ein Phenylsilikon, ein Fluorsilikon, ein Fluorelastomer, ein Perfluorelastomer, ein Perfluorpolyetherelastomer oder eine Kombination von diesen sein. Das expandierte PTFE des Verbundstoffgegenstandes kann wenigstens einen Füllstoff wie zum Beispiel Kieselpuder, kolloidales Silika, Ruß oder eine Kombination von diesen beinhalten, und die expandierten PTFE-Schichten können einer Plasmabehandlung unterzogen worden sein und/oder die expandierten PTFE-Schichten können einen Silanhaftvermittler beinhalten.
Schläuche, die aus dem zuvor beschriebenen Verbundstoffgegenstand erzeugt werden, können eine Durchmesserdehnung von weniger als 35 % des ursprünglichen Durchmessers aufweisen, wenn sie 8,6 bar (125 psi) Innendruck bei 25° C ausgesetzt werden.
Die Verbundstoffgegenstände können verwendet werden, um Dichtungen, O-Ringe, Faltenbälge und Pumpendiaphragmen zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung kann besser anhand der folgenden Beispiele und Vergleiche verstanden werden. Man sollte verstehen, dass der Umfang dieser Erfindung durch diese speziellen Beispiele nicht beschränkt wird.
Beispiel 1
Eine ePTFE-Membran (GORE-TEX^®-Membran, hergestellt von W. L. Gore & Associates, Inc., Newark, DE) wurde mit flüssigem Silikon beschichtet (siehe 2A), indem eine Tiefdruckwalze (A) und eine Kautschukwalze (B), die bei einem Druck von 6,2 bar (90 psi) gehalten wurde, verwendet wurden. Die Membran war 38 μm (1,5 Mil) dick, 76,2 cm (30'') breit und wurde als eine fortlaufende Rolle erhalten. Die Membran wies eine Dichte von 440 kg/m³ (0,44 g/cc) auf, und eine mittlere Porengröße betrug 0,25 μm. Das flüssige Silikon wurde als eine Mischung von 725 g α,ω-Vinyldimethyl-verkapptem Dimethylsiloxanpolymer (1 Pa·s (1.000 cps)), 0,0096 kg (9,6 g) Tetrakis(dimethylsiloxy)silanvernetzer, 1,3 g 1-Ethinyl-1-cyclohexanol-Inhibitor und 1,75 g Platinkatalysator (1 Gew.-% Platin in Dimethylsilikonöl mit Vinylendkappen) hergestellt. Es wurde kein Verstärkungsmittel eingesetzt.
Die Membran wurde bei Raumtemperatur bei einer Geschwindigkeit von 1,52 m/min (5 Fuß pro Minute) beschichtet und von einem Dorn mit 8,89 cm (3,5 Inch) aufgenommen, bis eine Wanddicke von 2,28 mm (90 Mil) erhalten wurde. Es wurde keine Deckschicht von Silikon eingesetzt. Als nächstes wurde der ungehärtete Verbundstoff der Länge des Dorns und des Materials nach aufgeschnitten und als ein Blatt ausgebreitet. Vorformen mit Maßen von 12,7 cm breit × 12,7 cm lang × 2,28 mm dick (5'' breit × 5'' lang × 0,090'' dick) wurden aus dem Blatt ausgestanzt und in einer flachen Form bei 125° C kompressionsgeformt, wobei eine Last von 133 kN (13.600 kg (30.000 Ibs)) verwendet wurde, um 1,905 mm (0,075'') dicke Blätter aus gehärteten Verbundstoffelastomer herzustellen.
Das Biegungsvermögen des obigen Silikon/ePTFE-Verbundstoffelastomers wurde mit dem Biegungsvermögen der besten verfügbaren Bestandteilmaterialien, Silikonkautschuk und ePTFE-Folie, verglichen. Kommerzieller Silikonkautschuk (LIM^® 6745, flüssiges Silikonelastomer, hergestellt von General Electric Silicones, Waterford, NY) und ePTFE-Dichtungsfolie (GORE-TEX^® GR Sheet^®, hergestellt von W. L. Gore & Associates, Inc., Newark, DE) wurden unter Verwendung einer Meßvorrichtung für das Biegungsvermögen charakterisiert, wie in dem ASTM D2176-69-Verfahren diskutiert wird. Die Probenstücke mit den Maßen 1,524 cm (0,600'') breit, 1,905 mm (0,075'') dick und 15,24 cm (6'') lang wurden in der Testvorrichtung befestigt, mit einer Masse von 2 kg beladen und bei einer Rate von 56 Zyklen/Minute über einen Bogen von 180 Grad gebogen.
3 stellt den dramatischen Unterschied bei der Biegebeständigkeit des Verbundstoffelastomers, "Probe A", dar, wenn sie mit der ePTFE-Folie, "Probe B", und dem kommerziellen Silikonkautschuk, "Probe C", verglichen wird. Das Verbundstoffelastomer überdauerte über 40 Millionen Zyklen (immer noch im Test) im Vergleich zu 15 Millionen Zyklen für die ePTFE-Folie und 0,5 Millionen Zyklen für den Silikonkautschuk. Die überraschende synergistische Wirkung des Verbundstoffes, der gegenüber den Einzelkomponenten überlegen ist, scheint mit der Fähigkeit des Verbundstoffes zusammenzuhängen, eine Belastung auf einer molekularen Ebene von einem Punkt zu einem anderen über die kontinuierliche Mikrostruktur von Knoten, die durch Fibrillen verbunden sind, hinweg zu übertragen.
Beispiel 2
Eine Serie von drei Verbundstoffen wurde in Form eines Blattes hergestellt, um deren physikalische Eigenschaften mit den reinen Silikonelastomervorläufern zu vergleichen. Zuerst wurde der Verbundstoff aus Beispiel 1 ("Probe A") hergestellt. Als zweites wurde ein Verbundstoffelastomer, "Probe D", hergestellt, indem das Verfahren von Beispiel 1 verwendet wurde und RTV 615 (General Electric Silicones, Waterford, NY) als das flüssige Silikonelastomer benutzt wurde. Der dritte Verbundstoff, "Probe E", wurde hergestellt, indem das Verfahren von Beispiel 1 verwendet wurde und RTV 863 (General Electric Silicones, Waterford, NY) als das flüssge Silikonelastomer benutzt wurde. Tabelle 1 fasst die Zugfestigkeit nach ASTM D-412, die Bruchdehnung und das 25 %-Modul bei dem reinen Silikon "Probe F", RTV 615 ("Probe G") und RTV 863 ("Probe H") zusammen. Ebenso umfasst sind die ASTM D-2240 Shore A-Härte und die ASTM D-624 Form B Reißfestigkeitswerte für alle Materialien.
Für die ASTM D-412-Messung der Zugfestigkeit wurden hantelförmige Probestücke zuerst aus 1,905 mm (0,075'') kompressionsgeformten Blättern ausgeschnitten, wobei das ASTM D-412-Verfahren "C" verwendet wurde. Die Proben wurden dann unter Spannung getestet, wobei ein Instron Spannungsgerät (Modell 5567) verwendet wurde, welches bei einer Zugrate von 50,8 cm/min (20° C/min), alles bei Raumtemperatur, arbeitete.
Für die ASTM D-624-Messung der Reißfestigkeit wurden Probestücke zuerst aus 1,905 mm (0,075'') kompressionsgeformten Blättern ausgeschnitten, wobei ASTM D-624 Form "B" verwendet wurde. Die Proben wurden dann getestet, indem ein Instron Spannungsge rät (Modell 5567) verwendet wurde, welches bei einer Zugrate von 50,8 cm/min (20° C/min), alles bei Raumtemperatur, arbeitete.
Für die ASTM D-2240-Messung der Durometerhärte wurden Probestücke aus dem ASTM D-412-Test 3-fach übereinander gestapelt, was eine Gesamtdicke von ungefähr 5,71 mm (0,225'') ergab. Die gestapelten Proben wurden dann getestet und unter Verwendung der "Typ A"-Skala klassifiziert.
Es wurde festgestellt, dass die Verbundstoffe 4mal stärker, 40mal steifer unter Spannung und 6mal beständiger gegenüber einem Reißen waren als das am meisten verstärkte Silikon, RTV 863. Diese Eigenschaften wurden unter Verwendung eines Verbundstoffes mit einem Volumenanteil von 80-83 % Silikon erhalten.
Beispiel 3
Ein Schlauch einer Peristaltikpumpe ("Probe I") mit 2,868 cm Außendurchmesser (OD) und 1,91 cm Innendurchmesser (ID) (1,125'' OD und 0,75'' ID) wurde hergestellt, indem eine ePTFE-Membran (GORE-TEX^®-Membran, hergestellt von W. L. Gore & Associates, Inc., Newark, DE) beschichtet wurde, indem das Verfahren verwendet wurde, das in 2B dargestellt ist. Die Membran wurde zwischen der Tiefdruckwalze (A) und der Silikonkautschukwalze (B) durchgeführt, indem ein Druck von 6,2 bar (90 psi) verwendet wurde, und wurde dann durch eine Lücke von 76 μm (3 Mil) (welche RTV 615 enthielt) zwischen der Chromwalze (C) und einer weiteren Chromwalze (D) durchgeführt. Die Membran war 25 μm (1,0 Mil) dick, 76,2 cm (30'') breit und wurde als eine fortlaufende Rolle erhalten. Die Membran wies eine Dichte von 440 kg/m³ auf, und eine mittlere Porengröße betrug 0,25 μm. Das flüssige Silikon war RTV 615 (General Elelctric Silicones, Waterford, NY) mit einer Viskosität von 4 Pa·s (4.000 cps) bei 25° C. Die Membran wurde bei einer Geschwindigkeit von 3,05 m/min (10 Fuß pro Minute) beschichtet und von einem Dorn (E) mit 1,91 cm (0,75'') OD aufgenommen, welcher mit einer 50 μm (2 Mil) dicken gespaltenen (skived) PTFE-Trennschicht bedeckt war, bis eine Wanddicke von 4,78 mm (188 Mil) erhalten wurde. Es wurde eine endgültige Dicke der Deckschicht von 38 μm (1,5 Mil) erhalten, was einen Gesamtelastomergehalt von 90 Volumen-% ergab. Das Verhältnis der Dicke einer Elastomerschicht zu der Dicke einer imprägnierten Membranschicht betrug 1,5. Als nächstes wurde der nicht gehärtete Verbundstoff bei 150° C für 20 Minuten in einen Konvektionsofen gestellt und von dem Dorn entfernt. Der Pumpenschlauch wurde für 2 Stunden bei 150° C nachgehärtet, um die endgültige Härtung zu erzielen und flüchtige Stoffe zu entfernen. Das Verhältnis der Wanddicke von 4,78 mm (0,188 Inch) zu dem Innendurchmesser von 19,1 mm (0,75 Inch) betrug 0,25.
Probe I wurde quer aufgeschnitten und durch ein Rasterelektronenmikroskop angeschaut. 4 steht eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts, der von Probe I genommen wurde, dar. Die Probe wurde quer aufgeschnitten, indem ein Schnitt mit einer kalten Rasierklinge durch den Verbundstoff bei einem Winkel, der orthogonal zu der Längsachse der ePTFE-Schichten war, durchgeführt wurde. Die Volumen-% Silikon wurden berechnet, indem die Dicke der Silikondeckschicht (a) zu der Dicke des Silikons in der imprägnierten Schicht (b) addiert wurde, wobei der Silikongehalt aus dem Verhältnis der ePTFE-Dichte zu der PTFE-Dichte berechnet wurde, was dann durch die Gesamtdicke des Verbundstoffes geteilt wurde. In dem Fall der Probe I betrug die Dicke der Silikondeckschicht 38 μm (1,5 Mil), das Dickenverhältnis (0,44 g/cc/2,2 g/cc) betrug 0,2, was einen Silikongehalt von 30 μm (1,2 Mil) in der imprägnierten Schicht ergab, was, wenn es durch die Gesamtdicke von 76 μm (3 Mil) geteilt wurde, zu 90 Volumen-% führte.
Der Verbundstoffelastomerschlauch, "Probe I", zeigt eine deutlich verbesserte Wandfestigkeit und Beständigkeit gegenüber einer Erweiterung oder Dehnung des Durchmessers, wenn er einem Innendruck ausgesetzt wird, wie man durch den Vergleich mit Silikonkautschuk und thermoplastischem Elastomer in 5 sieht. Die Dehnung des Durchmessers ist definiert als zweimal die absolute Änderung des Radius des Schlauches, gemessen durch eine LVTD-Sonde, welche in Kontakt mit der Seite des Schlauchs angeordnet wird. Der Radius wurde 60 Sekunden nach dem Aufblasen des wassergefüllten Schlauchs, welcher in einer hydraulischen Einheit befestigt war, gemessen. Der Druck, der nötig war, um die Schläuche über 10 % Spannung aufzuweiten, definiert die Druckhandhabbarkeit der Schläuche. Somit weist das Verbundstoffelastomer "Probe I" mehr als 4mal die Druckhandhabbarkeit des herkömmlichen Silikonpumpenschlauchs, "Probe J", und des thermoplastischen Elastomers (TPE), MARPRENE^®-Schlauch, der als "Probe K" gezeigt ist, auf.
Beispiel 4
Der Verbundstoffelastomerschlauch aus Beispiel 3 ("Probe I") wurde in einer Peristaltikpumpe Watson-Marlow Modell 704, die bei einer Geschwindigkeit von 200 Upm bei 25° C betrieben wurde, wobei Wasser als das flüssige Medium verwendet wurde, getestet und mit dem kommerziellen Silikonschlauch ("Probe J") verglichen. Wie in 6 dargestellt ist, riss der Silikonschlauch nach ungefähr 300 Stunden, und das Verbundstoffelastomer versagte nach ungefähr 3.400 Stunden. Zusätzlich zu der außerordentlichen Lebensdauer zeigte das Verbundstoffelastomer über die gesamte Dauer des Tests hinweg ein stabiles Verhalten bei der Fließgeschwindigkeit.
Beispiel 5
Der Verbundstoffelastomerschlauch aus Beispiel 3 ("Probe I") wurde ebenfalls mit einem Schlauch verglichen, der durch das Verfahren von Safford ( US 2,710,290 ) hergestellt wurde, wobei PTFE-Pulver in das flüssige Silikonelastomer gemischt wurde. Die Verbundstoffschläuche wurden mit reinen Elastomerschläuchen, die aus RTV 615 ("Probe L") und RTV 863 ("Probe M") gefertigt waren, verglichen. Zwei Typen von PTFE-Pulver wurden in RTV 615A gemischt: Ein nicht fibrillenbildendes PTFE-Pulver (TEFLON^® 6B Fluorpolymer, erhältlich von E. I. duPont de Nemours & Co., Inc., Wilmington, DE) wurde verwendet, um "Probe N" herzustellen, und ein fibrillenbildendes Pulver (CD 123, erhältlich von ICI) wurde verwendet, um "Probe O" herzustellen.
Ein Verbundstoff ("Probe N"), welcher auf nicht fibrillenbildendem PTFE basierte, wurde hergestellt, indem das folgende Verfahren verwendet wurde. Eine Sigma Klingen-Teigknetmaschine wurde zuerst mit 725,8 g (1,6 Ibs) RTV 615A beladen und dann mit einer Gesamtmenge von 394,6 g (0,87 Ibs) TEFLON^® 6B Fluorpolymer in Teilmengen von 90,7 g (0,2 lb) beladen, um ein 35 Gew.-% Konzentrat in RTV 615A zu ergeben. Beim Erreichen einer hohen Scherung (shear) und einer vollständigen Benetzung, wurde das Mischen für 30 Minuten bei Raumtemperatur fortgesetzt. Als nächstes wurde die Paste auf 10 Gew.-% Gesamt-PTFE-Feststoffe verdünnt, indem 3,22 kg (7,1 Ibs) RTV 615A verwendet wurden. Die resultierende Mischung wurde gut gemischt, aber das PTFE war in dem RTV 615A nicht merklich durch Fibrillen verbunden. Schließlich wurden 0,4 kg (400 g) RTV 615A mit 0,04 kg (40 g) RTV 615B unter Verwendung eines Statikmischers gemischt. Die Mischung wurde in eine zylindrische Metallform gepumpt, die mit einem Dorn von 1,91 cm (0,75'') Durchmesser ausgerüstet war, und über Nacht bei Raumtemperatur gehärtet, um eine Länge von 60,96 cm (24'') eines Elastomerschlauches von 2,86 cm (1,125'') OD und 1,91 cm (0,75'') ID herzustellen. Der Schlauch wurde von dem Dorn entfernt und in einem Konvektionsofen für 2 Stunden bei 150° C nachgehärtet.
Ein Verbundstoff ("Probe O"), welcher auf fibrillenbildendem PTFE basierte, wurde unter Verwendung des folgenden Verfahrens hergestellt. Eine Sigma Klingen-Teigknetmaschine wurde zuerst mit 725,8 g (1,6 Ibs) RTV 615A beladen und dann mit einer Gesamtmenge von 394,6 g (0,87 Ibs) CD 123 in Teilmengen von 90,7 g (0,2 lb) beladen, um ein 35 Gew.-% Konzentrat in RTV 615A zu ergeben. Beim Erreichen einer hohen Scherung und einer vollständigen Benetzung wurde das Mischen für 30 Minuten bei Raumtemperatur fortgesetzt. Als nächstes wurde die Paste auf 10 Gew.-% Gesamt-PTFE-Feststoffe verdünnt, indem 3,22 kg (7,1 Ibs) RTV 615A verwendet wurden. Die resultierende Mischung war viskoser als das frühere Harz aufgrund der Bildung von langfasrigem PTFE-Material in dem RTV 615A. Schließlich wurden 400 g RTV 615A mit 40 g RTV 615B unter Verwendung eines Statikmischers gemischt. Die Mischung wurde in eine zylindrische Metallform gepumpt, die mit einem Dorn mit 1,91 cm (0,75'') Durchmesser ausgestattet war, und über Nacht bei Raumtemperatur gehärtet, um eine Länge von 60,96 cm (24'') eines Elastomerschlauches von 2,86 cm (1,125'') OD und 1,91 cm (0,75'') ID herzustellen. Der Schlauch wurde von dem Dorn entfernt und in einem Konvektionsofen für 2 Stunden bei 150° C nachgehärtet.
Alle drei Verbundstoffelastomere, Proben "I", "N" und "O", wurden unter Verwendung einer Peristaltikpumpe Watson-Marlow Modell 704, welche bei einer Geschwindigkeit von 200 Upm bei 25° C betrieben wurde, unter Verwendung von Wasser als dem flüssigen Medium getestet. Tabelle 2 fasst die Lebensdauer der Pumpenschläuche der drei Zusammensetzungen zusammen und vergleicht diese mit dem reinen Silikonelastomerschlauch. Das Verbundstoffelastomer zeigte eine 10.000mal längere Lebensdauer im Vergleich zu dem mit TEFLON^® 6B Fluorpolymer gefüllten Silikon und eine Lebensdauer von 320mal länger im Vergleich zu dem gefüllten Silikon ICI CD 123. Selbst bei identischer Beladung mit PTFE zeigte der Verbundstoff dieser Erfindung als ein Ergebnis der kontinuierlichen Mikrostruktur von Knoten, die durch Fibrillen verbunden sind, eine überlegene Lebensdauer. Daher ist nicht nur die Zusammensetzung sondern ebenfalls die Morphologie des Verbundstoffs für das Biegungsvermögen entscheidend.
Beispiel 6
Der Verbundstoffelastomerschlauch von Beispiel 3 ("Probe I") wurde ebenfalls mit einem Schlauch verglichen, der durch das Verfahren von Tomoda ( US 4,133,927 ) hergestellt wurde, wo ein mikroporöses PTFE-Material auf ein Kautschuksubstrat laminiert wurde. Insbesondere wurde ein ePTFE-Schlauch mit 1,91 cm ID × 1,92 cm OD (0,750'' ID × 0,754'' OD) hergestellt, indem das Verfahren von Gore ( US 3,953,566 ) verwendet wurde, und wurde auf einen Metalldorn mit 1,91 cm (0,75'') OD gezogen und in eine zylindrische Metallform gestellt. Der PTFE-Schlauch hatte eine Dichte von 600 kg/m³. Als nächstes wurde flüssiges Silikon (RTV 615 GE Silicones, Waterford, NY) in die Form gepumpt und über Nacht gehärtet. Das Silikon erstreckte sich in das ePTFE, so dass ein integraler Pumpenschlauch erzeugt wurde. Der Schlauch wurde von dem Dorn entfernt und in einem Konvektionsofen für 2 Stunden bei 150° C nachgehärtet.
Sowohl das Verbundstoffelastomer ("Probe I") als auch der Schlauch, der durch das Verfahren von Tomoda erzeugt wurde ("Probe P"), wurden unter Verwendung einer Peristaltikpumpe Watson-Marlow Modell 704, die bei einer Geschwindigkeit von 200 Upm bei 25° C betrieben wurde, unter Verwendung von Wasser als dem flüssigem Medium getestet. Das Verbundstoffelastomer, ("Probe I"), zeigte 9mal die Lebensdauer des Pumpenschlauchs (2.400 Stunden gegenüber 267 Stunden) im Vergleich zu dem ePTFE-laminierten Silikonelastomer, "Probe P". Von den laminierten Strukturen wird angenommen, dass diesen die molekulare Verstärkung fehlt, die von dem ePTFE über die Gesamtheit des Verbundstoffes hinweg bereitgestellt wird. Der Grund des Versagens war eine Delaminierung zwischen dem ePTFE-Schlauch und der laminierten Kautschukgrundlage wie auch ein Reißen über das gesamte Elastomer hinweg entlang der Längsachse des Schlauchs.
Beispiel 7
Ein Schlauch für eine Peristaltikpumpe mit kleinem Durchmesser ("Probe Q") mit 9,5 mm OD und 6,4 mm ID (0,375'' OD und 0,25'' ID) wurde hergestellt, indem eine ePTFE-Membran (GORE-TEX^®-Membran, hergestellt von W. L. Gore & Associates, Inc., Newark, DE) beschichtet wurde, indem das Verfahren verwendet wurde, das in 2B dargestellt ist. Die Membran wurde zwischen der Tiefdruckwalze (A) und der Silikonkautschukwalze (B) durchgeführt, indem ein Druck von 6,2 bar (90 psi) verwendet wurde, und wurde dann durch eine 50 μm (2 Mil) Lücke (enthaltend RTV 615) zwischen der Chromwalze (C) und einer weiteren Chromwalze (D) durchgeführt. Die Membran war 50 μm (2,0 Mil) dick, 60,96 cm (30'') breit und wurde als eine fortlaufende Rolle erhalten. Die Membran wies eine Dichte von 400 kg/m³ auf, und eine mittlere Porengröße betrug 0,25 μm. Das flüssige Silikon war RTV 615 (General Electric Silicones, Waterford, NY) mit einer Viskosität von 4 Pa·s (4.000 cps) bei 25° C. Die Membran wurde bei einer Geschwindigkeit von 0,6 m/min (2 Fuß pro Minute) beschichtet und von einem Dorn (E) mit 6,4 mm (0,25'') OD aufgenommen, welcher mit einer gespaltenen PTFE-Trennschicht bedeckt war, bis eine Wanddicke von 1,6 mm (63 Mil) erhalten wurde. Es wurde eine Dicke der letzten Deckschicht von 38 μm (1,5 Mil) erhalten, was einen Gesamtelastomergehalt von 93 Volumen-% ergab. Das Verhältnis der Dicke einer Elastomerschicht zu der Dicke einer imprägnierten Membranschicht betrug 0,75. Als nächstes wurde der ungehärtete Verbundstoff bei 110° C für 10 Minuten in einen Konvektionsofen gestellt und von dem Dorn entfernt. Der Pumpenschlauch wurde für 2 Stunden bei 150° C nachgehärtet, um die endgültige Härtung zu erzielen und flüchtige Stoffe zu entfernen.
Zu Vergleichszwecken wurde ebenfalls ein mit Silikonlösungsmittel getränkter ePTFE-Schlauch ("Probe R") hergestellt, indem das Verfahren von Tu ( EP 256 748 ) verwendet wurde. Zuerst wurde ein monolithischer, poröser PTFE-Schlauch oben auf einen festen PTFE-Kern extrudiert, indem das Verfahren von Gore ( US 3,953,566 ) verwendet wurde, um einen ePTFE-Schlauch mit Anfangsmaßen von 6,4 mm (0,25'') ID und 1,12 mm (0,442'') OD zu erhalten. Der Dorn half dabei, einen konstanten Innendurchmesser beizubehalten und ermöglichte, dass das Material nach dem Eintauchen komprimiert wurde. Als nächstes wurde ein Silikonbad hergestellt, indem eine Mischung von 1 Teil RTV 4010 (Dow Corning, Corp., Midland, MI) mit 1 Teil Lösungsbenzin, pro Volumen, verwendet wurde. Der Schlauch wurde dann in das Silikonbad eingetaucht, um die ePTFE-Struktur vollständig zu durchdringen, und bei 60° C für 20 Minuten in einem Druckluftkonvektionsofen getrocknet, um das restliche Lösungsmittel zu entfernen. Schließlich wurde der Schlauch bei einer Geschwindigkeit von 0,92 m/min (3 Fuß pro Minute) durch eine erwärmte, konische Form (275° C) gezogen, um den Schlauch auf einen OD von 9,5 mm (0,375'') zu komprimieren und das Elastomer vollständig zu vulkanisieren. Der resultierende Schlauch wies einen Silikongehalt von ungefähr 63 Volumen-% auf.
Ebenfalls zu Vergleichszwecken wurde ein extrudierter, wärmegehärteter Silikonkautschukschlauch ("Probe S") von der Cole-Palmer Instrument Company, Vernon Hills, IL, erhalten. Der Kautschukschlauch wies einen Außendurchmesser von 9,5 mm (0,375'') und einen Innendurchmesser von 6,4 mm (0,25'') auf.
Alle drei Peristaltikpumpenschläuche wurden getestet, indem ein Cole-Palmer^® Modell L/S mit Easy-Load^® Pumpenkopf (Cole-Palmer Instrument Company, Chicago, IL) verwendet wurde, welches bei 400 Upm betrieben wurde, wobei Wasser als das Testmedium verwendet wurde. Die Elastizität der verschiedenen Schläuche wurde ebenfalls quantifiziert, indem eine Zugtestmaschine, die im Kompressionsmodus arbeitete, verwendet wurde. Der Schlauch wurde bis zu dem Punkt des vollständigen Verschließens des Innendurchmessers (6,4 mm) (0,25'' Hub) komprimiert, worauf die Last von der Probe entfernt wurde, indem der Kreuzkopf zurück in die ursprüngliche Position bewegt wurde. Dieses Verfahren wurde 5mal wiederholt, worauf die letzte Hubhöhe aufgezeichnet wurde, bis sich die Last auf 1 % der vollen Kompressionslast verringert hatte. Die Differenz zwischen der endgültigen Hubhöhe und der anfänglichen Lücke von 9,5 mm (0,375'') wurde als das Ausmaß des "Setzens" ("set") aufgezeichnet, welches die Probe zeigte, und wurde durch den Gesamtdurchmesser geteilt, um den prozentualen Rückschnellverlust zu ergeben. Diese Technik wurde verwendet, um zu quantifizieren, wie elastisch sich die Schläuche benahmen. Die Ergebnisse des prozentualen Rückschnellverlustes und die Pumpenschlauchlebensdauer sind in Tabelle 3 zusammengefasst.
Der Verbundstoffschlauch ("Probe Q") hielt 18mal länger als der kommerzielle Silikonkautschukschlauch. Der mit Lösungsmittel getränkte Schlauch zeigte einen kunststoffähnlichen Griff und wies 34 % Verlust bei der Rückfederung (dem Rückschnellen) bei wiederholter Schließung auf, im Vergleich zu 2,4 % Verlust für den Verbundstoffelastomerschlauch. Zusätzlich schien der getränkte Schlauch Wassertröpfchen auszuschwitzen, während er in dem Pumpengehäuse eingesetzt wurde. Auch wenn der Schlauch während der Vulkanisierung komprimiert wurde, behielt dieser eine gewisse Menge an Porosität bei, was zu einer raschen Verschlechterung bei der Leistungsfähigkeit führte.
Beispiel 8
Ein mit funktionalisiertem Silika gefüllter Verbundstoffelastomerschlauch ("Probe T") (2,86 cm OD und 1,91 cm ID) (1,125'' OD und 0,75'' ID) wurde durch Tiefdruckbeschichtung einer mit Kieselpuder gefüllten ePTFE-Membran (hergestellt durch das Verfahren von Gore in US 4,096,277 ; US 4,187,390 ) unter Verwendung des Verfahrens, das in 2B dargestellt wird, hergestellt. Die mit Kieselpuder gefüllte Membran wurde durch Co-Koagulieren eines hydrophoben Kieselpuders (Degussa Corporation AEROSIL^® 200, behandelt mit 1,3-Divinyltetramethyldisilazan (PCR Incorporated, Gainesville, FL)) mit einer PTFE-Emulsion hergestellt. Das mit Silika gefüllte PTFE wurde als Paste extrudiert und zu einer 70 μm (2,75 Mil) dicken Membran mit einem Porenvolumen von 81 % expandiert. Die Membran maß 60,96 cm (30 Inch) in der Breite und wurde als eine fortlaufende Rolle erhalten. Die Membran wies eine Dichte von 400 kg/m³ (0,4 g/cc) und eine mittlere Porengröße von 0,25 μm auf. Das flüssige Silikon war RTV 615 (General Electric Silicones, Waterford, NY) mit einer Viskosität von 4 Pa·s (4.000 cps) bei 25° C. Die mit Silika gefüllte Membran wurde zwischen der Tiefdruckwalze (A) und der Silikonkautschukwalze (B) unter Verwendung eines Drucks von 6,2 bar (90 psi) durchgeführt, und dann durch eine Lücke von 102 μm (4 Mil) (enthaltend RTV 615) zwischen der Chromwalze (C) und einer weiteren Chromwalze (D) durchgeführt. Die Membran wurde bei einer Geschwindigkeit von 0,6 m/min (2 Fuß pro Minute) beschichtet und von einem Dorn (E) von 1,91 cm (0,75'') OD aufgenommen, welcher mit einer expandierten PTFE-Trennschicht mit einer Dichte von 1,1 g/cc bedeckt war, bis eine Wanddicke von 4,78 mm (188 Mil) erhalten wurde. Der Gesamtelastomergehalt betrug 91 Volumen-%. Das Verhältnis der Dicke einer Elastomerschicht zu der Dicke einer imprägnierten Membranschicht betrug 0,36. Als nächstes wurde der ungehärtete Verbundstoff bei 100° C für 30 Minuten in einen Konvektionsofen gestellt und von dem Dorn entfernt. Der Pumpenschlauch wurde für 2 Stunden bei 150° C nachgehärtet, um eine endgültige Härtung zu erzielen und flüchtige Stoffe zu entfernen.
Das mit Silika gefüllte Verbundstoffelastomer ("Probe T") wurde getestet, indem eine Peristaltikpumpe Watson-Marlow Modell 704 verwendet wurde, die mit einem Gegendruck von 4,1 bar (60 psi) arbeitete und bei einer Geschwindigkeit von 200 Upm bei 25° C pumpte, wobei Wasser als das flüssige Medium verwendet wurde, und wurde mit dem kommerziellen Silikonschlauch ("Probe J") verglichen. Der Verbundstoff hielt für 35 Stunden im Vergleich zu dem kommerziellen Silikonkautschukschlauch, welcher beim Erreichen eines Gegendrucks von 2,7 bar (40 psi) riss.
Beispiel 9
Eine plasmabehandelte ePTFE-Membran wurde verwendet, um einen weiteren Verbundstoffelastomerschlauch ("Probe U") (2,86 cm OD × 1,91 cm ID) (1,125'' OD und 0,75'' ID) herzustellen. Die oberflächenbehandelte Membran wurde mit Silikon imprägniert, wobei das Tiefdruckbeschichtungsverfahren, das in 2B dargestellt ist, verwendet wurde. Die plasmabehandelte Membran wurde hergestellt, indem eine kommerzielle ePTFE-Membran (GORE-TEX^®-Membran, hergestellt von W. L. Gore & Associates, Inc., Newark, DE) durch eine Mikrowellenplasmaentladungskammer (Acton Technologies, Inc., Pittston, PA) geführt wurde, um das ePTFE mit Hydroxylgruppen zu funktionalisieren. Als nächstes wurde die hydrophile Membran mit 1,3-Divinyltetramethyldisilazan (PCR Incorp., Gainesville, FL) durch Eintauchen in die Flüssigkeit bei Raumtemperatur für 24 Stunden behandelt. Die Membran wurde aus der Flüssigkeit entfernt und in einem Ofen für 3 Stunden bei 150° C getrocknet. Die behandelte Membran wurde beschichtet, indem das Verfahren verwendet wurde, das in 2B dargestellt ist. Die Membran wurde zwischen der Tiefdruckwalze (A) und der Sililkonkautschukwalze (B) unter Verwendung eines Drucks von 6,2 bar (90 psi) durchgeführt, und wurde dann durch eine Lücke von 44 μm (1,75 Mil) (enthaltend RTV 615) zwischen der Chromwalze (C) und einer weiteren Chromwalze (D) durchgeführt. Die Membran war 15 μm (0,6 Mil) dick, 60,96 cm (30'') breit und wurde als eine fortlaufende Rolle erhalten. Die Membran wies eine Dichte von 320 kg/m³ auf, und eine mittlere Porengröße betrug 0,25 μm. Das flüssige Silikon war SLE 5700 (General Electric Silicones, Waterford, NY) mit einer Viskosität von 50.000 cps bei 25° C. Die Membran wurde bei einer Geschwindigkeit von 1,2 m/min (4 Fuß pro Minute) beschichtet und von einem Dorn (E) mit 1,91 cm (0,75'') OD aufgenommen, welcher mit einer 50 μm (2 Mil) dicken gespaltenen PTFE-Trennschicht bedeckt war, bis eine Wanddicke von 4,78 mm (188 Mil) erhalten wurde. Der Gesamtelastomergehalt wurde auf 88 Volumen-% bestimmt. Als nächstes wurde der ungehärtete Verbundstoff bei 120° C für 30 Minuten in einen Konvektionsofen gestellt und von dem Dorn entfernt. Der Pumpenschlauch wurde für 2 Stunden bei 150° C nachgehärtet, um eine endgültige Härtung zu erzielen und flüchtige Stoffe zu entfernen.
Der Verbundstoffelastomerschlauch, "Probe U", wurde getestet, indem eine Peristaltikpumpe Watson-Marlow Modell 704 verwendet wurde, die bei einer Geschwindigkeit von 200 Upm bei 25° C mit Wasser als dem flüssigen Medium betrieben wurde, und mit dem kommerziellen Silikonschlauch ("Probe J") verglichen. Der Verbundstoffelastomerschlauch hielt länger als 1.920 Stunden (wird immer noch getestet), im Vergleich zu 300 Stunden für den kommerziellen Silikonschlauch.
Beispiel 10
Ein anderer Peristaltikpumpenschlauch ("Probe V") (2,86 cm OD und 1,91 cm ID) (1,125'' OD und 0,75'' ID) wurde durch ein Bandaufwickelverfahren hergestellt. Wie in 2B gezeigt wird, wurde die ePTFE-Membran (GORE-TEX^®-Membran, hergestellt von W. L. Gore & Associates, Inc., Newark, DE) zwischen der Tiefdruckwalze (A) und der Silikonkautschukwalze (B) unter Verwendung eines Drucks von 6,2 bar (90 psi) durchgeführt, und wurde dann durch eine Lücke von 63 μm (2,5 Mil) (enthaltend SLE 5700) zwischen der Chromwalze (C) und einer weiteren Chromwalze (D) durchgeführt. Die Membran war 80,96 cm (30'') breit und wurde als eine fortlaufende Rolle erhalten. Die Membran wies eine mittlere Porengröße von 0,25 μm auf. Das flüssige Silikon war SLE 5700 (General Electric Silicones, Waterford, NY) mit einer Viskosität von 50.000 cps bei 25° C. Die Membran wurde bei einer Geschwindigkeit von 0,9 m/min (3 Fuß pro Minute) beschichtet und von einem Dorn (E) mit 8,9 cm (3,5'') aufgenommen. Der ungehärtete Verbundstoff wurde dann zu 15 einzelnen Bändern, die jeweils 5,1 cm (2 Inch) breit waren, aufgeschnitten. Jeweils ein Band wurde von einem rotierenden Dorn mit 1,91 cm (0,75'') Durchmesser aufgenommen, wobei eine maschinelle Drehbank verwendet wurde. Das Aufwickeln wurde fortgesetzt, bis die Wanddicke 4,78 mm (188 Mil) erreichte. Als nächstes wurde der ungehärtete Verbundstoff bei 120° C für 30 Minuten in einen Konvektionsofen gestellt und von dem Dorn entfernt. Der Pumpenschlauch wurde für 2 Stunden bei 150° C nachgehärtet, um eine endgültige Härtung zu erzielen und flüchtige Stoffe zu entfernen.
Der Verbundstoffelastomerschlauch, "Probe V", wurde getestet, indem eine Peristaltikpumpe Watson-Marlow Modell 704 verwendet wurde, welche bei einem Gegendruck von 4,1 bar (60 psi) arbeitete und bei einer Geschwindigkeit von 200 Upm bei 25° C mit Wasser als dem flüssigen Medium pumpte, und wurde mit dem kommerziellen Silikonschlauch ("Probe J") verglichen.
Beispiel 11
Ein weiterer Verbundstoffelastomerperistaltikpumpenschlauch, "Probe W", wurde hergestellt, indem mehrere flüssige Silikonelastomervorläufer und expandierte PTFE-Membran verwendet wurden. Wie in 2B gezeigt ist, wurde die Membran zuerst zwischen der Tiefdruckwalze (A) und der Silikonkautschukwalze (B) unter Verwendung eines Drucks von 6,2 bar (90 psi) durchgeführt, worauf die Membran mit RTV 615 (GE Silicones, Waterford, NY) imprägniert wurde. Als nächstes wurde die Membran durch eine Lücke von 254 μm (10 Mil) (enthaltend RTV 863 (GE Silicones, Waterford, NY)) zwischen der Chromwalze (C) und einer weiteren Chromwalze (D) durchgeführt. Die Membran war 50 μm (2,0 Mil) dick, 60,96 cm (30'') breit und wurde als eine fortlaufende Rolle erhalten. Die Membran wies eine Dichte von 400 kg/m³ auf, und eine mittlere Porengröße betrug 0,25 μm. Die zwei flüssigen Silikone, RTV 615 und RTV 863, hatten Viskositäten von 4 Pa·s bzw. 60 Pa·s (4.000 cps und 60.000 cps) bei 25° C. Die Membran wurde bei einer Geschwindigkeit von 0,6 m/min (2 Fuß pro Minute) beschichtet und von einem Dorn (E) mit 1,91 cm (0,75'') OD aufgenommen, der mit einer gespaltenen PTFE-Trennschicht von 50 μm (2 Mil) bedeckt war, bis eine Wanddicke von 4,78 mm (188 Mil) erhalten wurde. Eine Dicke der endgültigen Deckschicht von 76 μm (3 Mil) wurde erhalten, was einen Gesamtelastomergehalt von 92 Volumen-% ergab. Das Verhältnis der Dicke einer Elastomerschicht zu der Dicke einer imprägnierten Membranschicht betrug 1,5. Als nächstes wurde der ungehärtete Verbundstoff bei 120° C für 30 Minuten in einen Konvektionsofen gestellt und von dem Dorn entfernt. Der Pumpenschlauch wurde für 2 Stunden bei 150° C nachgehärtet, um die endgültige Härtung zu erzielen und flüchtige Stoffe zu entfernen.
Der Verbundstoffelastomerschlauch, "Probe W", wurde getestet, indem eine Peristaltikpumpe Watson-Marlow Modell 704 verwendet wurde, welche ohne Gegendruckbeschränkung arbeitete und bei einer Geschwindigkeit von 200 Upm bei 25° C mit Wasser als dem flüssigen Medium pumpte, und mit dem kommerziellen Silikonschlauch ("Probe J") verglichen. Der Verbundstoffelastomerschlauch hielt 2.400 Stunden im Vergleich zu dem kommerziellen Silikonschlauch, welcher nach 300 Betriebsstunden riss.
Beispiel 12
Ein Pumpendiaphragma, "Probe X", wurde durch Kompressionsformen einer mit Silikon imprägnierten ePTFE-Membran hergestellt. Zuerst wurde eine ePTFE-Membran unter Verwendung einer Tiefdruckwalze (A) und einer Kautschukwalze (B), die bei einem Druck von 6,2 bar (90 psi) gehalten wurde, mit flüssigem Silikon (RTV 863) tiefdruckbeschichtet (siehe 2B) und dann durch eine Lücke von 38 μm (1,5 Mil) (enthaltend RTV 863) zwischen der Chromwalze (C) und einer weiteren Chromwalze (D) durchgeführt. Die Membran war 5 μm (0,2 Mil) dick, 60,96 cm (30'') breit und wurde als eine fortlaufende Rolle erhalten. Die Membran wies eine Dichte von 300 kg/m³ (0,3 g/cc) auf, und eine mittlere Porengröße betrug 0,21 μm. Die Membran wurde bei Raumtemperatur bei einer Geschwindigkeit von 1,2 m/min (4 Fuß pro Minute) beschichtet und von einem Dorn (E) mit 8,89 cm (3,5 Inch) aufgenommen, bis eine Wanddicke von 4,01 mm (158 Mil) erhalten wurde. Eine Deckschicht von 30 μm (1,2 Mil) Silikon wurde oben auf die tiefdruckbeschichtete Membran aufgetragen. Das Verhältnis der Dicke einer Elastomerschicht zu der Dicke einer imprägnierten Membranschicht betrug 6. Als nächstes wurde der ungehärtete Verbundstoff entlang der Länge des Dorns und des Materials nach unten aufgeschnitten und als ein Blatt ausgebreitet. Vorformen, mit Maßen von 25,4 cm (10 Inch) im Durchmesser und 4 mm (158 Mil) dick, wurden aus dem Blatt ausgestanzt und in einer Aluminiumdiaphragmaform bei 100° C unter Verwendung einer Last von 350 kN (36.000 kg (80.000 Ibs)) kompressionsgeformt, um ein 3-dimensionales Verbundstoffelastomerdiaphragma herzustellen.
Das Diaphragma wurde in eine Yamada NDP-25BT-Pumpe eingepasst und für 240 Stunden mit 2,8 bar (40 psi) Luftdruck und 0,7 bar (10 psi) Gegendruck betrieben, um 53 l/min (14 gal/min) Wasser zu befördern. Ein Pumpendiaphragma, "Probe Y", wurde hergestellt, indem reines RTV 863 verwendet wurde. Es wurde gefunden, dass dieses Elastomer zu schwach war, um für den anschließenden Test in dem Pumpengehäuse an Ort und Stelle eingesetzt zu werden.
Beispiel 13
Ein Faltenbalg aus einem Verbundstoffelastomer, "Probe Z", wurde durch Blasformen einer mit Silikon imprägnierten ePTFE-Membran in einer geschlossenen Hohlraumform hergestellt. Zuerst wurde eine ePTFE-Membran unter Verwendung einer Tiefdruckwalze (A) und einer Kautschukwalze (B), die bei einem Druck von 6,2 bar (90 psi) gehalten wurde, mit flüssigem Silikon (RTV 863) tiefdruckbeschichtet (siehe 2B) und dann durch eine Lücke von 44 μm (1,75 Mil) (enthaltend RTV 863) zwischen der Chromwalze (C) und einer weiteren Chromwalze (D) durchgeführt. Die Membran war 5 μm (0,2 Mil) dick, 60,96 cm (30'') breit und wurde als eine fortlaufende Rolle erhalten. Die Membran wies eine Dichte von 300 kg/m³ auf, und eine mittlere Porengröße betrug 0,20 μm.
Das flüssige Silikon war RTV 863 (GE Silicones, Waterford, NY) mit einer Viskosität von 60 Pa·s (60.000 cps) bei 25° C. Die Membran wurde bei einer Geschwindigkeit von 0,6 m/min (2 Fuß pro Minute) beschichtet und von einem perforierten Metalldorn (E) mit 8,9 cm (3,5'') OD aufgenommen, welcher mit einer aufblasbaren Silikonkautschukblase bedeckt war, bis eine Wanddicke von 2,54 mm (100 Mil) erhalten wurde. Eine Dicke der endgültigen Deckschicht von 33 μm (1,3 Mil) wurde erhalten, was einen Gesamtelasto mergehalt von 97 Volumen-% ergab. Das Verhältnis der Dicke einer Elastomerschicht zu der Dicke einer imprägnierten Membranschicht betrug 6,5. Als nächstes wurde der Dorn in eine geschlossene Hohlraumform gestellt, wie sie in 7 gezeigt wird, und unter Verwendung eines Luftdrucks von 4,1 bar (60 psi) aufgeblasen. Die Form wurde dann bei 175° C für 1 Stunde in einen Konvektionsofen gestellt. Die Probe wurde dann aus der Form entfernt und für 2 Stunden bei 175° C nachgehärtet.
Beispiel 14
Ein lösungsmittelresistenter auf einem Fluorelastomer basierender Verbundstoff wurde als "Probe AA" hergestellt. ePTFE wurde mit flüssigem Perfluorpolyetherelastomer mit 3 Pa·s (3.000 cps), das unter der Marke SIFEL^® 610 (Shin Etsu Chemical Company, Tokyo, Japan) verkauft wird, unter Verwendung einer Tiefdruckwalze (A) und einer Kautschukwalze (B), die bei einem Druck von 6,2 bar (90 psi) gehalten wurde, beschichtet (siehe 2C). Die beschichtete Membran wurde dann zwischen einer Kautschukwalze (B) und einer Chromwalze (C), die bei einem Druck von 6,2 bar (90 psi) gehalten wurde, durchgeführt. Die Membran war 38 μm (1,5 Mil) dick, 60,96 cm (30'') breit und wurde als eine fortlaufende Rolle erhalten. Die Membran wies eine Dichte von 440 kg/m³ (0,44 g/cc) auf, und eine mittlere Porengröße betrug 0,25 μm. Die Membran wurde bei Raumtemperatur bei einer Geschwindigkeit von 0,6 m/min (2 Fuß pro Minute) beschichtet und von einem Dorn (E) mit 8,9 cm (3,5 Inch) aufgenommen, bis eine Wanddicke von 2,54 mm (100 Mil) und ein Elastomergehalt von 85 Volumen-% erhalten wurden. Als nächstes wurde der ungehärtete Verbundstoff der Länge des Dorns und des Materials nach nach unten aufgeschnitten und als ein Blatt ausgebreitet. Vorformen, mit Maßen von 12,7 cm (5'') breit × 12,7 cm (5'') lang × 2,54 mm (0,100'') dick und kompressionsgeformt in einer flachen Plattenform bei 125° C unter Verwendung einer Last von 133 kN (13.600 kg (30.000 Ibs)), [wurden verwendet,] um 1,9 mm (0,075'') dicke Blätter aus gehärtetem Verbundstoffelastomer herzustellen. Die Blätter wurden in einem Konvektionsofen bei 150° C für 2 Stunden nachgehärtet.
Ein weiteres Verbundstoffelastomer, "Probe BB", wurde durch Kompressionsformen einer mit Methylsilikon imprägnierten ePTFE-Membran hergestellt. Zuerst wurde eine ePTFE-Membran mit flüssigem Silikon (RTV 863 GE Silicones, Waterford, NY) unter Verwendung einer Tiefdruckwalze (A) und einer Kautschukwalze (B), die bei einem Druck von 6,2 bar (90 psi) gehalten wurde, tiefdruckbeschichtet (siehe 2B) und dann durch eine Lücke von 76 μm (3,0 Mil) (enthaltend RTV 863) zwischen der Chromwalze (C) und einer weiteren Chromwalze (D) durchgeführt. Die Membran war 19 μm (0,75 Mil) dick, 60,96 cm (30'') breit und wurde als eine fortlaufende Rolle erhalten. Die Membran wies eine Dichte von 320 kg/m³ (0,32 g/cc) auf, und eine mittlere Porengröße betrug 0,21 μm. Die Membran wurde bei Raumtemperatur bei einer Geschwindigkeit von 0,6 m/min (2 Fuß pro Minute) beschichtet und wurde von einem Dorn (E) mit 8,9 cm (3,5 Inch) aufgenommen, bis eine Wanddicke von 100 Mil erhalten wurde. Wenn die tiefdruckbeschichtete Membran durch die Lücke von 76 μm (3,0 Mil) hindurchging, wurde eine Deckschicht von 46 μm (1,8 Mil) Silikon auf die Membran aufgetragen, was einen Gesamtelastomergehalt von 98 Volumen-% ergab. Das Verhältnis der Dicke einer Elastomerschicht zu der Dicke einer imprägnierten Membranschicht betrug 2,4. Als nächstes wurde der ungehärtete Verbundstoff entlang der Länge des Dorns und des Materials nach unten hin aufgeschnitten und als ein Blatt ausgebreitet. Vorformen, mit den Maßen von 1,27 cm (5'') breit × 1,27 cm (5'') lang × 2,4 mm (0,095'') dick und kompressionsgeformt in einer flachen Plattenform bei 125° C unter Verwendung einer Last von 18.000 kg (40.000 Ibs), [wurden verwendet,] um 1,9 mm (0,75'') dicke Blätter aus gehärtetem Verbundstoffelastomer herzustellen. Die Blätter wurden in einem Konvektionsofen bei 150° C für 2 Stunden nachgehärtet.
Tabelle 4 fasst die Wirkungen verschiedener Chemikalien auf die physikalischen Eigenschaften des Perfluorpolyetherelastomers und der Methylsilikonverbundstoffelastomere ("Probe AA" beziehungsweise "Probe BB") zusammen. Die gemessenen Eigenschaften beinhalten die Zugfestigkeit nach ASTM D-412, die Bruchdehnung, das 25 %-Modul und die Shore A-Härte (ASTM D-2240). Im Allgemeinen behalten die Perfluorpolyetherelastomerverbundstoffe die chemische Beständigkeit des Perfluorpolyetherelastomergrundstoffes bei, profitieren aber von der ePTFE-Struktur, was ihre Festigkeit und Härte, selbst nach verlängertem Eintauchen in aggressive Chemikalien, drastisch erhöht.
Beispiel 15
Ein Pumpendiaphragma aus einem Perfluorpolyetherelastomerverbundstoff, "Probe CC", wurde durch Kompressionsformen einer mit Silikon imprägnierten ePTFE-Membran hergestellt. Zuerst wurde eine ePTFE-Membran mit flüssigem Perfluorpolyetherelastomer (SIFEL^® 610) unter Verwendung einer Tiefdruckwalze (A) und einer Kautschukwalze (B), die bei einem Druck von 2 bar (30 psi) gehalten wurde, tiefdruckbeschichtet (siehe 2 C) und weiter zwischen einer Kautschukwalze (B) und einer Chromwalze (C), die bei 2 bar (30 psi) gehalten wurde, befördert. Die Membran war 5 μm (0,2 Mil) dick, 60,96 cm (30'') breit und wurde als eine fortlaufende Rolle erhalten. Die Membran wies eine Dichte von 0,3 g/cc auf, und eine mittlere Porengröße betrug 0,25 μm. Die Membran wurde bei Raumtemperatur bei einer Geschwindigkeit 1,5 m/min (5 Fuß pro Minute) beschichtet und von einem Dorn (E) mit 8,9 cm (3,5 Inch) aufgenommen, bis eine Wanddicke von 3,7 mm (145 Mil) erhalten wurde. Es wurde keine Deckschicht des Elastomers eingesetzt. Als nächstes wurde der ungehärtete Verbundstoff entlang der Länge des Dorns und des Materials nach unten hin aufgeschnitten und als ein Blatt ausgebreitet. Vorformen, mit den Maßen 25,4 cm (10 Inch) im Durchmesser und 13,7 mm (145 Mil) dick, wurden aus dem Blatt ausgestanzt und in einer Aluminiumdiaphragmaform bei 150° C unter Verwendung einer Last von 13.600 kg (30.000 Ibs) kompressionsgeformt, um ein 3-dimensionales Verbundstoffelastomerdiaphragma mit einem Elastomergehalt von 83 Volumenprozent herzustellen.
Beispiel 16
Ein Faltenbalg aus einem Perfluorpolyetherelastomerverbundstoff, "Probe DD", wurde durch Blasformen einer mit Perfluorpolyetherelastomerimprägnierten ePTFE-Membran in einer geschlossenen geriffelten Aluminiumhohlraumform hergestellt. Zuerst wurde eine ePTFE-Membran mit flüssigem Perfluorpolyetherelastomer (SIFEL^® X-70-701) unter Verwendung einer Tiefdruckwalze (A) und einer Kautschukwalze (B), die bei einem Druck von 6,2 bar (90 psi) gehalten wurde, tiefdruckbeschichtet (siehe 2B), und wurde weiter zwischen einer Kautschukwalze (C) und einer Chromwalze (D), die bei 6,2 bar (90 psi) gehalten wurde, befördert. Die Membran war 5 μm (0,2 Mil) dick, 60,96 cm (30'') breit und wurde als eine fortlaufende Rolle erhalten. Die Membran wies eine Dichte von 300 kg/m³ (0,3 g/cc) auf, und eine mittlere Porengröße betrug 0,25 μm. Die Membran wurde bei einer Geschwindigkeit von 1,2 m/min (4 Fuß pro Minute) beschichtet und von einem porösen Metalldorn (E) mit 8,9 cm (3,5'') OD aufgenommen, welcher mit einer Silikonkautschukblase bedeckt war, bis eine Wanddicke von 25,4 mm (100 Mil) erhalten wurde. Der Gesamtelastomergehalt betrug 90 Volumen-%. Als nächstes wurde der Dorn in eine geschlossene Hohlraumform, wie sie in 7 gezeigt ist, gestellt und unter Verwendung eines Luftdrucks von 4,1 bar (60 psi) aufgeblasen. Die Form wurde dann bei 175° C für 1 Stunde in einen Konvektionsofen gestellt. Die Probe wurde dann aus der Form entfernt und für 2 Stunden bei 175° C nachgehärtet.
Beispiel 17
Ein lösungsmittelbeständiger Peristaltikpumpenschlauch ("Probe EE") (2,86 cm OD und 1,91 cm ID) (1,125'' OD und 0,75'' c) wurde unter Verwendung des in 2B dargestellten Verfahrens hergestellt. Eine ePTFE-Membran (GORE-TEX^®-Membran, hergestellt von W. L. Gore & Associates. Inc., Newark, DE) wurde zwischen einer Tiefdruckwalze (A) und einer Silikonkautschukwalze (B) unter Verwendung eines Drucks von 6,2 bar (90 psi) durchgeführt und wurde dann durch eine Lücke von 64 μm (2,5 Mil) (enthaltend SIFEL^® X-70-709) zwischen einer Chromwalze (C) und einer weiteren Chromwalze (D) durchgeführt. Die Membran war 19 μm (0,75 Mil) dick, 60,96 cm (30'') breit und wurde als eine fortlaufende Rolle erhalten. Die Membran wies eine Dichte von 320 kg/m³ (0,32 g/cc) auf, und eine mittlere Porengröße betrug 0,25 μm. Das flüssige Perfluorpolyetherelastomer wurde als SIFEL^® X-70-709 (Shin Etsu Chemical Company, Tokyo, Japan) mit einer Viskosität von 50 Pa·s (50.000 cps) bei 25° C verkauft. Die Membran wurde bei einer Geschwindigkeit von 0,6 m/min (2 Fuß pro Minute) beschichtet und von einem Dorn (E) mit 1,91 cm (0,75'') aufgenommen. Der ungehärtete Verbundstoff wurde dann in einer geschlossenen Muschelschalenhohlraumform (closed cavity clam shell form) kompressionsgeformt, um einen Schlauch mit einer Wanddicke von 4,8 mm (188 Mil) und einem Elastomergehalt von 83 Volumen-% zu ergeben. Die Form wurde bei 120° C für 60 Minuten in einen Konvektionsofen gestellt. Der Pumpenschlauch wurde aus der Form entfernt und für 2 Stunden bei 150° C nachgehärtet, um eine endgültige Härtung zu bewirken und flüchtige Stoffe zu entfernen.
Der Verbundstoffelastomerschlauch, "Probe EE", wurde getestet, indem eine Peristaltikpumpe Watson-Marlow Modell 704 verwendet wurde, die ohne Gegendruck betrieben wurde und bei einer Geschwindigkeit von 200 Upm bei 25° C mit Wasser als dem flüssigen Medium pumpte. VITON^®-Pumpenschläuche sind kommerziell nicht in Größen mit großem Durchmesser erhältlich.
Beispiel 18
Eine Serie von anpassungsfähigen Folien wurde hergestellt, indem verschiedene Silikon- und Perfluorpolyetherelastomere mit expandierten ePTFE-Membranen kombiniert wurden, wie in Tabelle 5 zusammengefasst ist. Alle Folien wurden hergestellt, wie in 2B dargestellt ist, indem eine ePTFE-Membran (GORE-TEX^®-Membran, hergestellt von W. L.
Gore & Associates. Inc., Newark, DE) zwischen einer Tiefdruckwalze (A) und einer Silikonkautschukwalze (B) unter Verwendung eines angewandten Drucks durchgeführt wurde und dann gegebenenfalls die getränkte Membran durch eine Lücke (enthaltend flüssiges Elastomer) zwischen einer Chromwalze (C) und einer weiteren Chromwalze (D) durchgeführt wurde. Als nächstes wurden die beschichteten Membranen durch einen Druckluftkonvektionsofen (180° C) durchgeführt, um die Elastomerverbundstoffe zu vulkanisieren.
Die Eigenschaften der Membran, des flüssigen Elastomers und des Verbundstoffelastomers sind in Tabelle 5 zusammengefasst. Die Verbundstoffelastomerfolien wurden ebenfalls in Bezug auf ihre Sauerstoffpermeabilität unter Verwendung ASTM D1434-92, Verfahren V, charakterisiert. Proben wurden in eine Gaspermeabilitätszelle (Custom Scientific Model CS-135) geladen, um eine Querschnittsfläche von 66 cm² bereitzustellen. Sauerstoff wurde an einer Seite der befestigten Folien bei 25° C angewandt (0,34 bar) (5 psig), um die Sauerstoffpermeabilitäten zu messen, wie sie in Tabelle 5 zusammengefasst sind.
Die Verbundstoffelastomerproben wurden wiederholt in eine Form mit mehreren Hohlräumen, wie sie in 8 dargestellt ist, gezogen. Aufgrund der Härte, Reißfestigkeit und Biegungsermüdungseigenschaften dieser Verbundstoffe waren alle Proben in der Lage, mehr als 25 wiederholte Zyklen von Hineinziehen und Freigeben auszuhalten. Im Gegensatz dazu waren die kommerziell verfügbaren Trennfolien einschließlich gespaltenem PTFE (50 μm) (2 Mil) und ETFE (TEFZEL^®) nach einer einzigen Verwendung dauerhaft deformiert und entwickelten beim Hineinziehen der Folien in die Form kleine Perforationen.
Beispiel 19
Eine Dichtung aus Verbundstoffelastomer, "Probe KK", wurde formuliert und mit einer kommerziellen Silikonkautschukdichtung, "Probe LL", und einer expandierten PTFE-Dichtung, "Probe MM" (GORE-TEX GR^® Blattdichtung, erhältlich von W. L. Gore & Associates. Inc., Newark, DE) verglichen. Das Verbundstoffelastomer, "Probe KK", wurde durch Tiefdruckbeschichten und anschließendes Kompressionsformen hergestellt. Eine ePTFE-Membran (GORE-TEX^®-Membran, hergestellt von W. L. Gore & Associates. Inc., Newark, DE) wurde mit flüssigem Silikon, RTV 615 (GE Silicones, Waterford, NY), beschichtet, indem die Membran zwischen einer Tiefdruckwalze (A) und einer Kautschukwalze (B), die bei einem Druck von 6,2 bar (90 psi) gehalten wurde, wie in 2C dargestellt ist, durchgeführt. Die Membran wurde dann zwischen der Kautschukwalze (B) und der Chromwalze (C) bei einem Druck von 6,2 bar (90 psi) durchgeführt, um das Eindringen des flüssigen Silikons in die ePTFE-Struktur zu verbessern. Die Membran war 38 μm (1,5 Mil) dick, 60,96 cm (30'') breit und wurde als eine fortlaufende Rolle erhalten. Die Membran wies eine Dichte von 440 kg/m³ (0,44 g/cc) auf, und eine mittlere Porengröße betrug 0,25 μm. Die Membran wurde bei Raumtemperatur bei einer Geschwindigkeit von 1,5 m/min (5 Fuß pro Minute) beschichtet und von einem Dorn mit 20,3 cm (8 Inch) aufgenommen, bis eine Wanddicke von 4,0 mm (156 Mil) erhalten wurde. Als nächstes wurde der ungehärtete Verbundstoff entlang der Länge des Dorns und des Materials nach unten hin aufgeschnitten und als ein Blatt ausgebreitet. Eine Vorform mit den Maßen von 13,3 cm (5,25'') breit × 13,3 cm (5,25'') lang × 4,0 mm (0,156'') dick wurde aus dem Blatt ausgestanzt und in einer flachen Plattenform bei 125° C kompressionsgeformt, indem eine Last von 133 kN (13.600 kg (30.000 Ibs)) verwendet wurde, um ein 3,2 mm (0,125'') dickes Blatt aus gehärtetem Verbundstoffelastomer herzustellen. Ein ringförmiges Probenstück wurde aus dem Blatt herausgeschnitten, um eine Dichtung mit einem OD von 7,6 mm (3 Inch) und einem ID von 5,1 mm (2 Inch) zu ergeben.
Das Wasserabdichtungsvermögen der drei Dichtungen wurde gemäß der Methode ASTM F-37 getestet, wobei die Proben in einem ANSI-Ring von 7,6 mm × 3,8 mm (3'' × 0,150'') befestigt wurden, in einer Hydraulikpresse montiert wurden und mit 2,1 (30), 4,1 (60) und 6,9 bar (100 psi) von unter Druck gesetztem Wasser bei Raumtemperatur auf die Probe gestellt wurden. Eine Druckspannung wurde auf die Spannvorrichtung angewendet, bis kein Durchsickern um die Dichtung herum festgestellt wurde. Die Spannungswerte, die notwendig waren, um die bestimmten Dichtungen abzudichten, wurden aufgezeichnet und sind in Tabelle 6 zusammengefasst.
Der Elastomerverbundstoff benötigte die Hälfte (1/2) der Spannung, um abzudichten, im Vergleich zu der ePTFE-Dichtung und eine vergleichbare Spannung, um in Bezug auf die Silikonkautschukdichtung abzudichten. Somit liefert das Verbundstoffelastomer mit seiner niedrigen Spannung, um abzudichten, gekoppelt mit seiner 6mal größeren Reißfestigkeit und 4mal größeren Zugfestigkeit (siehe Tabelle 1) gleichzeitig Anpassungsvermögen und Härte.
Ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung beschränken zu wollen, stellen die vorstehenden Beispiele dar, wie die vorliegende Erfindung ausgeführt und verwendet werden kann.
Während hierin bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, soll die vorliegende Erfindung nicht auf solche Darstellungen und Beschreibungen beschränkt sein. Es sollte klar sein, dass Änderungen und Modifikationen als Teil der vorliegenden Erfindung innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche eingebaut und ausgeführt werden können.

Claims

Verbundstoff aufweisend: Eine Mehrzahl von Schichten aus expandiertem PTFE, wobei die PTFE-Schichten mit mindestens einem Elastomer imprägniert sind; wobei die imprägnierten PTFE-Schichten durch Schichten aus Elastomer aneinander geklebt sind, wobei das Verhältnis einer Dicke einer Elastomerschicht zu einer Dicke einer imprägnierten expandierten PTFE-Schicht 6,5:1 oder weniger beträgt und das Volumenverhältnis von Elastomer zu ePTFE 1:1 bis 50:1 beträgt.
Verbundstoff nach Anspruch 1, bei dem das mindestens eine Elastomer und die Schichten aus Elastomer jeweils unabhängig ein Silikon, ein Urethan, einen Nitrilkautschuk, einen Styrol-Butadien-Kautschuk, ein Chloropren, ein Phosphazen, ein Fluorelastomer, ein Perfluorelastomer, ein Perfluorpolyether-Elastomer oder Kombinationen davon aufweisen.
Verbundstoff nach Anspruch 1, bei dem das mindestens eine Elastomer und die Schichten aus Elastomer jeweils unabhängig ein Methylsilikon, ein Phenylsilikon, ein Fluorsilikon oder Kombinationen davon aufweisen.
Verbundstoff nach Anspruch 1, bei dem das mindestens eine Elastomer und die Schichten aus Elastomer jeweils unabhängig ein Fluorelastomer, ein Perfluorelastomer oder Kombinationen davon aufweisen.
Verbundstoff nach Anspruch 1, bei dem das mindestens eine Elastomer und die Schichten aus Elastomer jeweils unabhängig ein Perfluorpolyether-Elastomer aufweisen.
Verbundstoff nach Anspruch 1, bei dem das Volumenverhältnis von Elastomer zu expandiertem PTFE mindestens 4:1 beträgt.
Verbundstoff nach Anspruch 1, bei dem das expandierte PTFE mindestens einen Füllstoff enthält.
Verbundstoff nach Anspruch 7, bei dem der mindestens eine Füllstoff Kieselpuder, Kieselgallerte, kolloidales Silica, Ruß oder Kombinationen davon ist.
Verbundstoff nach Anspruch 1, bei dem an den expandierten PTFE-Schichten eine Plasmabehandlung durchgeführt wurde.
Verbundstoff nach Anspruch 1, bei dem die expandierten PTFE-Schichten einen Silan-Haftvermittler enthalten.
Dichtung hergestellt aus dem Verbundstoff nach Anspruch 1.
O-Ring hergestellt aus dem Verbundstoff nach Anspruch 1.
Faltenbalg hergestellt aus dem Verbundstoff nach Anspruch 1.
Pumpendiaphragma hergestellt aus dem Verbundstoff nach Anspruch 1.
Verbundstoff-Schlauch hergestellt aus dem Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10, aufweisend: eine Mehrzahl von expandierten PTFE-Schichten, wobei die expandierten PTFE-Schichten mit mindestens einem Elastomer imprägniert sind und die imprägnierten Schichten durch Schichten aus Elastomer aneinander geklebt sind, und wobei das Verhältnis der Dicke einer Elastomerschicht zu der Dicke einer imprägnierten expandierten PTFE-Schicht 6,5:1 oder weniger beträgt.
Verbundschlauch nach Anspruch 15, bei dem das mindestens eine Elastomer ein Organosilikon-Elastomer ist und der Verbundstoff mindestens 31 Schichten aus expandiertem PTFE aufweist, wobei die Schichten mit dem mindestens einem Organosilikon-Elastomer imprägniert sind und die imprägnierten Schichten durch Schichten aus Organosilikon-Elastomer aneinander geklebt sind.
Verbundschlauch nach Anspruch 16, bei dem das expandierte PTFE außerdem einen Kieselpuder-Füllstoff aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoffs nach Anspruch 1 aufweisend: Bereitstellen einer expandierten PTFE-Membran mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche; Imprägnieren der expandierten PTFE-Membran mit mindestens einem Elastomer in einer Menge, die ausreichend ist, um eine Porosität der Membran mindestens vollständig zu füllen, um eine imprägnierte Membran zu bilden; Wickeln der imprägnierten Membran um einen Dorn und Härten des mindestens einen Elastomers, um eine Mehrzahl von imprägnierten PTFE-Schichten, die durch Schichten aus Elastomer aneinander geklebt sind, zu schaffen, wobei das Verhältnis einer Dicke einer Elastomerschicht zu einer Dicke einer imprägnierten expandierten PTFE-Schicht 6,5:1 oder weniger beträgt.
Verfahren nach Anspruch 18, außerdem aufweisend ein Schaffen einer Schicht des mindestens einen Elastomers auf mindestens einer Oberfläche der Membran.
Verfahren nach Anspruch 18, außerdem aufweisend ein Härten des Verbundstoffs durch Formpressen des Verbundstoffs in die Gestalt eines Schlauchs, eines Diaphragmas, einer Dichtung, eines O-Rings oder eines Faltenbalgs.