DE2338165C3

DE2338165C3 - Verfahren zur Herstellung von Kunststoffrohren

Info

Publication number: DE2338165C3
Application number: DE2338165A
Authority: DE
Inventors: Zug Aeroquip Ag (Schweiz)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-08-01
Filing date: 1973-07-27
Publication date: 1979-07-19
Also published as: US3907955A; GB1430604A; NL164379C; IT989957B; NL164379B; FR2194545A1; BE802705A; DE2338165A1; FR2194545B1; DE2338165B2; NL7310412A; ES216721U; ES216721Y; ES417416A1

Description

30

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffrohren mit einem durchgehenden, achsparallelen, in Kanälen mit kleinem Querschnitt verlaufenden elektrischen Leitweg, bei dem ein Rohr ausgepreßt und zur Ausbildung der Kanäle als Leitweg ein pulverförmiges, elektrisch leitendes Material in diese eingebracht wird.

Flexible Rohrleitungen aus Kunststoff, die zum Transport von flüssigen oder gasförmigen Stoffen unter Druck bestimmt sind, insbesondere für Zwecke der Luftfahrtindustrie, müssen bezüglich der Materialeigenschaften sehr strengen Bestimmungen entsprechen. Unabhängig von dem erforderlichen mechanischen Verhalten verlangt man von derartigen Produkten eine innere elektrische Leitfähigkeit, v/elche die Abführung der infolge des schnellen Durchflusses entstehenden statischen Ladungen begünstigt. Die durch solche Ladungen hervorgerufenen schweren Unzuträglichkeiten sind bekannt. Insbesondere sind zu erwähnen

a) die Gefahr der Entflammung beim Transport brennbarer Stoffe; und

b) die Entladung quer durch die Rohrwandung, wobei diese durchbrochen werden kann.

Zur Behebung dieser Nachteile sind aus den US-PSen 21 08 759,27 52 638,30 70 132 und 30 70 759 verschiedene Vorschläge bekanntgeworden. Die klassische Ausführung darin, der Rohrmasse einen elektrischen leitenden Stoff einzuverleiben, um das Rohr in seinem Gesamtvolumen relativ leitend zu machen. Dieses m> Vorgehen führt jedoch zu einem in seiner gesamten Masse heterogenen Material, wodurch die physikalischen und folglich auch mechanischen Eigenschaften verschlechtert werden. Dies betrifft insbesondere die Porosität. ·.">

Bekannt ist auch ein zusammengesetztes Rohr, bei dem zwei konzentrische Rohre miteinander verbunden sind. Das innere Rohr ist dadurch elektrisch leitend gemacht, daß in seine Masse in wechselnden Verhältnissen ein pulverförmiges elektrisch leitendes Material eingearbeitet ist Zur Herstellung eines solchen Rohres werden im Hinblick auf die spätere Extrusion zunächst zwei konzentrische Vorformlinge hergestellt, von denen der innere, wie erwähnt, leitend ist und der äußere aus reinem dem Gebrauchszweck entsprechenden Material besteht Auch diese Ausführungsferm hat Nachteile. Das aus Pulvern hergestellte Mischmaterial des inneren Vorformlings darf, um eine gute Haftung des Innenrohrs zu bekommen, nur einen sehr geringen Prozentsatz an leitendem Material aufweisen. Hierdurch bekommt man natürlich nur eine schwache Leitfähigkeit Wegen der schwachen Leitfähigkeit und aus herstellungstechnischen Gründen muß man dem leitenden Innenrohr beträchtliche Dimensionen geben. Zur Herstellung des inneren Vorformlings muß daher ein großer Abstand zwischen dem Dorn und der Matrize vorgesehen werden, was zu erhöhter Porosität führt

Diese Rohre können zwar elektrostatische Ladungen verteilen, da in Längsrichtung des Rohrs eine ununterbrochene leitfähige Strecke gebildet ist Die Leitfähigkeit ist jedoch sehr gering. Sie liegt in der Größenordnung von 3 Mikro-Ampere unter 1 Volt pro cm.

Nach dar DE-OS 14 54 862 wird eine pastenförmige Strangpreßmasse verwendet, die in gleichförmiger Vermischung aus Teilchen aus PTFE mit einem Überzug aus elektrisch leitfähigem Material und aus nicht überzogeren PTFE-Teilchen von kolloidaler Größe besteht. Hierdurch bekommt man eine im gesamten Rohrquerschnitt heterogene Masse mit den genannten Nachteilen. Es kann auch kein streng linearer und gleichförmig durchlaufender Leitweg entstehen. Das gleiche trifft für die aus der DE-OS 17 79 905 bekannten Ausführungsformen mit zwei konzentrischen Rohrschichten zu, wozu noch die genannten Nachteile eines zusammengesetzten, zweischichtigen Rohres kommen. Schließlich ist ein eingangs erwähntes Verfahren aus der DE-GbmS 17 22 682 bekanntgeworden. Gemäß diesem Verfahren wird ein Kunststoffrohr extrudiert, das verschiedene Kanäle in der Rohroberfläche aufweist. Nach beendetem Extrudieren des Rohres wird ein Metallpulver mittels eines Klebers in die Kanäle eingebracht, so daß streifenförmige elektrische Leitwege entstehen. Ein derartiges Verfahren hat jedoch verschiedene Nachteile. Beispielsweise sind an dem fertig extrudierten Rohr noch verschiedene Arbeitsgänge vorzunehmen, um das pulverförmig elektrisch leitende Material auf die Rohroberfläche aufzukleben. Es ist klar, daß hierbei bezüglich der Haftungseigenschaften des elektrisch leitfähigen Materials auf dem Rohr keine optimalen Ergebnisse erreicht werden können; vielmehr ist damit zu rechnen, daß nach einer gewissen Betriebsdauer der Kleber ermüdet und das Pulver schließlich den Kontakt mit dem Rohr verliert. Hinzu kommt, daß infolge des nachträglichen Ausfüllens der Kanäle Inhomogenitäten in der Rohrwandung vorhanden sind, die die mechanische Festigkeit der Rohre insgesamt verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein schnell ablaufendes Verfahren zur Herstellung von Kunststoff rohren mit einem durchgehenden, achsparallelen, in Kanälen mit kleinem Querschnitt verlaufenden elektrischen Leitweg zur Verfügung zu stellen, mit dem sich Rohre mit hoher mechanischer Festigkeit und guten Haftungseigenschaften des elektrischen Leitweges herstellen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem

eingangs beschriebenen Verfahren dadurch gelöst, daß ein Vorformling aus Polytetrafluorethylen mit bereits ausgebildeten Kanälen eingesetzt wird, in die während der Extrusion eine wäßrige Dispersion von Polytetrafluorethylen mit einem Gehalt von 1 bis 50 Gew.°/o des leitenden Materials eingegossen wird.

Es können Vorformlinge verwendet werden, bei denen offene Kanäle an der zylindrischen Innenwandung angeordnet sind, oder solche, bei denen geschlossene Kanäle im Inneren der Wandung vorgesehen sind.

Als leitfähiges Material verwendet man mit Vorteil Graphit, Ruß oder eine Mischung von diesen. Es können aber auch Metallpulver verwendet werden, z. B. von Kupfer und dessen Legierungen, Aluminium, Gold, Silber, Ferriten, so» ie andere leitfähige Pulver. Bei dem vorzugsweise verwendeten Graphit oder Graphit-Ruß-Gemisch erhält man die besten Ergebnise bei Gemischen mit einem Gehalt von etwa 20 Gew.% Graphit und 10 Gew.% Ruß ebenso wie mit Gemischen von etwa 35 Gew.% reinem Graphit

Der Prozentsatz des einverleibten leitfähigen Pulvers kann variiert werden bis zu 50 Gew.%. Die untere Grenze richtet sich nach der Leitfähigkeit, die erreicht werden soll. Die obere Grenze ergibt sich daraus, daß man eine ausreichend niedrige Viskosität des Gemisches braucht, um in einem Produkt von erhöhter Porosität und mit Zwischenräumen bzw. Hohlräumen kleiner Abmessungen ohne Druck gießen zu können.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß im Gegensatz zu den bekannten Ausführungen die Granulometrie des beizumengenden leitfähigen Pulvernicht kritisch ist. Beispielsweise kann das Pulver eine Korngröße von 4 bis 50 μπι haben. Die erfindungsgemäß hergestellten leitfähigen Bänder haben eine hohe Leitfähigkeit in der Größenordnung von 500 Mikro-Ampere unter 1 Volt pro cm.

Gegenüber dem aus der DE-GbmS 17 22 682 bekannten Verfahren, bei dem ebenfalls Kanäle in der Rohroberfläche sowie ein pulverförmiges leitfähiges Material Anwendung finden, zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, daß es bedeutend schneller durchzuführen ist als dieses und daß sich damit Rohre mit verbesserter mechanix 1\·. ι Festigkeit und besseren Haftungseigenschaften des elektrischen Leitweges herstellen lassen. Es ist klar, daß sich bei einer Auffüllung der Kanäle im weichgemachten Zustand des Kunststoffes bessere Haftungseigenschaften erzielen lassen als bei einer nachträglichen Klebung, zumal der zur Anwendung kommende Vorformling ausi eichend porös ist, so daß die eingebrachte Kunststoffdispersion zum Teil in die Poren des Vorformlings eindringen kann. Durch diese gute Oberflächenbindung zwischen Vorformling und leitfähigem Gemisch werden Inhomogenitäten in der Rohroberfläche vermieden, so daß damit keine Schwächungen der Rohroberfläche entstehen, was zu ähnlich hohen mechanischen Festigkeiten führt, als wenn in der Rohroberfläche überhaupt keine Kanäle angeordnet wären.

Da eine Flüssigkeit als Dispersionsmittel für das pulverförmige Material verwendet wird, erreicht man eine bessere und gleichförmige Verteilung der leitfähigen Füllung, wodurch man den Prozentsatz derselben beträchtlich erhöhen kann und eine verbesserte Leitfähigkeit erhält. Da durch die Verwendung eines porösen Vorformlings und einer Flüssigkeit ein Imprägnierungseffekt eintritt, können die leitenden Wege eine extrem dünne Schichtdicke haben, die aber ausreichend ist, um die gewünschte Leitfähigkeit zu gewährleisten. Infolge dieser dünnen Schichtdicke werden die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Rohres nicht beeinträchtigt, und es verhält sich wie ein Rohr aus reinem PTFE.
Die Einverleibung des leitfähigen Gemisches, das in jedem Fall heterogen und infolgedessen porös ist, beeinträchtigt an sich die Gebrauchseigenschaften eines PTFE-Rohres, das für Flüssigkeiten unter hohem Druck bestimmt ist und eine maximale Widerstandsfähigkeit insbesondere auch gegen Durchsickern haben soll. Bei erfindungsgemäß hergestellten Rohren ist das Volumen der Leitwege auf ein Minimum reduziert Die Reduzierung des heterogenen, artfremden Gemisches wirkt sich vorteilhaft auf die Festigkeit und Dichtheit des Rohres aus, das die besten, bei einem reinen PTFE-Rohr erreichbaren Eigenschaften haben soll. Die Anzahl und Form bzw. Ausdehnung der Leitwege in beliebiger Weise variiert werden und somit jedem Erfordernis angepaßt werden.

Die Möglichkeit der visuellen Prüfung ist von großem Interesse, weil hierdurch in den meisten Fällen Struktur- und sonstige Fabrikationsfehler erkannt werden können. Bei den bekannten Rohren, die das leitfähige Material in der gesamten Rohrmasse verteilt enthalten oder eine leitfähige Innenhülse aufweisen, ist die visuelle Prüfung praktisch unmöglich, da das Rohr opak ist, insbesondere da üblicherweise ein leitfähiges Material mit hohem Kohlenstoffgehalt (Ruß, Graphit) verwendet wird. Hingegen sind Rohre gemäß der Erfindung zum

jo größten Teil ihres Volumens durchscheinend, und man kann deshalb visuelle Prüfungen mit hoher Wirksamkeit vornehmen.

Ergänzend zum Stand der Technik sei bcuerkt, daß der Einsatz eines Vorformlings aus Polytetrafluoräthylen mit bereits ausgebildeten Kanälen zum Verfüllen dieser Kanäle in einem Extruder bekannt ist (US-PS 33 03 352). Diese Verfahrensweise ist jedoch in Verbindung mit der Kunststoffummantelung von Drähten bekanntgeworden, wobei zur Erleichterung der Identifizierung des Drahtes in die Ummantelung ein umgrenzter Bereich eingearbeitet werden soll, der sich farblich von der übrigen Ummantelung unterscheidet. Dabei wird ein mit Kanälen auf der Außenseite versehener Vorformling in einen Extruder eingeführt, in dem die Kanäle mit einem granulären Kunststoffpigment veriuilt werden, wonach extrudiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von diesem bekannten Verfahren grundsätzlich dadurch, daß im Extruder eine wäßrige Dispersion und kein Granulat in die

so Kanäle eingebracht wird. Erst aus dieser erfindungsgemäßen Art der Auffüllung der Kanäle wird es möglich, das pulverförmige, elektrisch leitende Material bereits im Spritzkopf einzubringen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mix gebräuchliehen Extrusionspressen durchgeführt werden, ausgehend von einem einzigen Vorformling des Polymeren, an dem durchgehende längsgerichtete Rillen oder Kanäle vorgesehen sind, in die bei der Extrusion des Vorformlings das leitfähige Gemisch ohne Druck

h>: eingegossen wird. Der Vorformling ist z.B. ein zylindrischer Rohrstutzen aus reinem Polytetrafluor äthylen, dessen Wandstärke den Abmessungen des Ringraums zwischen der Matrize und dem Extrusionsstempel entspricht. An der zylindrischen Innenfläche

.·, sind einer oder mehrere durchgehende Kanäle vorgesehen, die sich linear in Längsrichtung des Rohres erstrecken. Anzahl und Verteilung dieser Kanäle können verschieden sein. Ihre Abmessungen sind klein

im Verhältnis zu den Querdimensionen des Rohres und liegen z. B. in der Größenordnung von einigen Millimetern.

Derartige Kanäle können auch an der Außenwandung oder in ringförmiger Verteilung innerhalb der s Wandung des Vorformlings vorgesehen sein.

Die Herstellung des Vorformlings erfolgt mittels einer gebräuchlichen Presse unter Anwendung eines Drucks, der gerade ausreichend ist um das Polytetrafluoräthylenpulver zu agglomerieren. Hierdurch erhält ι ο man eine erhöhte Porosität, welche die folgende Imprägnierung mit dem leitfähigen Gemisch bzw. das Eindringen desselben begünstigt

Nach Einführung des Vorformlings zwischen Matrize und Extrusionsstempel wird das aus Polytetrafluoräthy- >■ ■> len und leitfähigem Pulver bestehende Gemisch in die Kanäle eingegossen.

Als Vorläufer bzw. Ausgangsmaterial für das leitfähige Gemisch verwendet man eine wäßrige Dispersion von Polytetrafluorethylen, wie sie im Handel erhältlich ist

Das Gemisch läßt sich leicht herstellen, indem man in einem elastischen Gefäß einen Magneten anordnet, der durch einen üblichen magnetischen Rührer in Rotation versetzt wird und das Gemisch homogenisiert Während der gesamten Betriebszeit der Extrusion kann auf diese Weise das Gemisch ohne Schwierigkeiten in ständiger Bewegung gehalten werden und ist zu jeder Zeit in vollkommen homogener Form verfügbar.

Zur Herstellung des Gemisches werden beispielsweise 200 g Graphit in einer wäßrigen Dispersion von 500 g des Polymeren eingearbeitet Hierzu kann man handelsübliche Polytetrafluoräthylendispersionen mit einem Trockengehalt von etwa 60% verwenden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird ein π Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Axialschnitt eines Vorformlings;

Fig. 2 einen Radialschnitt nach der Linie H-Il der F i g. 1;

F i g. 3 einen der F i g. 2 analogen Schnitt einer abgeänderten Ausführungsform in verkleinertem Maßstab;

Fig.4 einen Schnitt einer Extrusionsmatrize mit einem Vorformling; -r,

F i g. 5 die Vorrichtung der F i g. 4 während der Extrusion; und

F i g. 6 den Querschnitt eines Rohres.

Nach den Fig. 1 und 2 ist der Vorformling 1 ein zylindrischer Rohrstutzen aus reinem Polytetrafluorethylen, dessen innerer und äußerer Durchmesser dem Dorn 10 und der Matrize 3 (F i g. 5) der Extrusionspresse entspricht. An der Innwandung des Vorformlings 1 befinden sich im dargestellten Fall drei durchgehende offene Kanäle 4, die um jeweils 120° versetzt sind. Die Abmessungen der Kanäle 4 betragen einige Millimeter.

Die Kanäle 4 können auch, wie in F i g. 3 gezeigt, innerhalb der Wandung oder an der Außenfläche des Vorformlings 1 angeordnet sein. Es kann auch eine andere Anzahl der Kanäle 4 gewählt sein.

Wie den Fig.4 und 5 zu entnehmen ist, wird der Vorformling 1 in bekannter Weise zwischen der Innenwandung der Matrize 3 und dem Dorn 10 in die Presse eingeführt.

In die Kanäle 4 wird eine wässrige Dispersion von Polytetrafluorethylen mit einem hohen Gehalt an Graphit oder einer Mischung von Graphit und Ruß eingegossen. Das Eingießen kann mittels des Ausflußrohrs 5 des Mischgefäßes oder auf andere Weise erfolgen.

Während der Stempel 2 der Extrusionspresse gegen das formende Teil 6 der Matrize 3 vorstößt, bildet sich rund um den Dornfortsatz 7 der Rohrkörper 8, und längs dessen Innenwand entstehen drei Bänder 9 aus leitfähigem Gemisch, das vorher als Dispersion ohne Druck in die Kanäle 4 eingegossen worden war.

Sobald die Kanäle 4 gefüllt sind, wird der Extrusionsdruck ausgeübt Hierdurch wird die vorhergehende Imprägnierung vollendet und eine Oberflächenbindung zwischen dem leitenden Gemisch und dem Vorformling 1 herbeigeführt. F i g. 6 zeigt das fertiggestellte Rohr. Es besteht aus dem eigentlichen Rohrkörper 11 aus Polytetrafluorethylen und den drei leitenden Bändern 12 an der Innenfläche. Die Bänder 12 messen im Querschnitt nur einige hundertstel Millimeter.

Da der Anteil des Graphits und/oder des Rußes in der Polytetrafluoräthylendispersion in sehr weiten Grenzen schwanken kann, erhält man je nach Belieben Rohre mit guten dielektrischen Eigenschaften, einem hohen Widerstand gegen Rißbildung, geringer Porosität und hervorragenden Eigenschaften bezüglich der Ableitung von elektrostatischen Ladungen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Kunststoffrohren mit einem durchgehenden, achsparallelen, in Kanälen mit kleinem Querschnitt verlaufenden elektrischen Leitweg, bei dem ein Rohr ausgepreßt und zur Ausbildung der Kanäle als Leitweg ein pulverförmiges, elektrisch leitendes Material in diese eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorformling (1) aus Polytetrafluoräthylen mit bereits ausgebildeten Kanälen (4) eingesetzt wird, in die während der Extrusion eine wässrige Dispersion von Polytetrafluoräthyien mit einem Gehalt von 1 bis 50 Gewichtsprozent des leitenden Materials eingegossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorformling verwendet wird, bei dem offene Kanäle (4) an dor zylindrischen Innenwandung angeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorformling verwendet wird, bei dem geschlossene Kanäle im Innern der Wandung angeordnet sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als leitfähiges Material Graphit, Ruß oder eine Mischung von diesen verwendet wird.