DE19619709A1 - Dichtungsmaterial - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft ein Dichtungsmaterial zur Verwen­ dung als Grundmaterial für die verschiedensten Dichtungen und insbesondere ein zum Abdichten von Wasser geeignetes Dichtungsmaterial.

Als nichtmetallisches Dichtungsmaterial sind weiche Materia­ lien, z. B. eine Preßfolie (Dichtungsfolie), eine Hollän­ derfolie, eine Ölfolie und dgl. weit verbreitet. Diese nichtmetallischen Dichtungsmaterialien besitzen jedoch die folgenden Nachteile

• (a) Die mechanische Festigkeit (Zugfestigkeit) ist gering.
• (b) Die Druckbeständigkeit ist gering.
• (c) Die Spannungsrelaxation (Abnahme des Anziehmoments) ist groß.
• (d) Eine Prägung des Dichtungsmaterials zur Erhöhung des Kontaktdrucks zwischen Dichtungsmaterial und abzudichtenden Flächen zu einer besseren Abdichtung läßt sich nicht durch­ führen.
• (e) Es bereitet Schwierigkeiten, die Dichtung in eine Maschine bzw. einen Motor mit Hilfe eines automatischen Montagesystems einzusetzen.

Da in den vergangenen Jahren Maschinen und Motoren immer leichter wurden, wurde die Steifigkeit ihrer Flansche ver­ mindert. Dadurch kommt es häufiger zu einer Deformation der Flansche, wenn sie mittels Bolzen verspannt sind, und ferner zu einer Wärmeverformung der Flansche. Wenn folglich die be­ kannten nichtmetallischen Dichtungsmaterialien bei einer Maschine oder einem Motor montiert sind, kommt es zu einer starken Abnahme des Anziehmoments, so daß die Dichtungsma­ terialien infolge einer ihre Druckfestigkeitsgrenze über­ schreitenden Belastung leicht reißen. Darüber hinaus ver­ mindert das seit wenigen Jahren gültige Erfordernis, Nicht­ asbestfasern einzusetzen, häufig die Wärmebeständigkeit und mechanische Festigkeit der nichtmetallischen Dichtungsmate­ rialien noch weiter. Dadurch verstärken sich die zuvor ge­ schilderten Nachteile nichtmetallischer Dichtungsmaterialien oft noch mehr.

Andererseits ist als halbmetallisches Dichtungsmaterial ein solches aus einem flachen Metallblech, z. B. einem Blech aus Stahl, Aluminium, nichtrostendem Stahl o. dgl., mit einem darauf befindlichen Überzug aus synthetischem Kautschuk (im folgenden als "kautschukbeschichtetes Dichtungsmaterial" bezeichnet) bekannt. Ein solches kautschukbeschichtetes Dichtungsmaterial besitzt folgende Vorteile:

• (A) Es kann darauf geprägt werden.
• (B) Da sein Grundmaterial aus einem Metallblech besteht, ist seine mechanische Festigkeit so groß, daß selbst in seinen schmalen Bereichen weder Brüche noch Durchblasen vorkommen.
• (C) Da es anders als im Falle einer Asbestpreßfolie keine Faserstruktur aufweist, findet (durch das Dichtungsmaterial hindurch) keine merkliche Leckage bzw. kein merkliches Aus­ laufen statt.
• (D) Es behält in hervorragender Weise seine Drehkraft (torgue) bei, wobei es kaum zu einer Abnahme des Anzieh­ moments (torque down) kommt.
• (E) Es zeigt eine hervorragende Dickegenauigkeit.
• (F) Da es mit Hilfe eines Werkzeugs ausstanzbar ist, ist es von hervorragender Dimensionsgenauigkeit.
• (G) Da es hauptsächlich aus einem Metallblech besteht, ist es leicht handhabbar und mittels eines automatischen Monta­ gesystems ohne Schwierigkeiten in abzudichtende Bereiche in den verschiedensten mechanischen Vorrichtungen einsetzbar.
• (H) Da es hauptsächlich aus einem Metallblech besteht, zeigt es bezüglich der Wärmealterungsbeständigkeit hervorragende Eigenschaften.
• (I) Anders als im Falle einer Asbestpreßfolie gibt es keine Schwierigkeiten aufgrund von Faserflaum.

Da es lediglich mit einer Schicht aus einem synthetischen Kautschuk beschichtet ist, besitzt das kautschukbeschichtete Dichtungsmaterial jedoch folgende Nachteile:

• (a) Seine Wärmebeständigkeitstemperatur ist niedrig (üblicherweise etwa 150°C).
• (b) Wenn die Verspannungslast zu stark ist, kommt es in seiner Kautschukschicht zu einem seitlichen Fließen, wobei sich die Schicht leicht ablösen kann. Insbesondere beim Prägen kommt es - wenn ein Bereich übermäßig stark belastet wird - häufig zu einem seitlichen Fließen und einem Ablösen der Kautschukschicht in diesem Bereich. Zwangsläufig führt das Ablösen der Kautschukschicht oft zu einer Leckage.
• (c) Wird es übermäßiger Belastung ausgesetzt, kommt es neben dem genannten seitlichen Fließen des Kautschuks häufig zu einer Abnahme des Anziehmoments der Bolzen.
• (d) Die Obergrenze der Kautschukschichtdicke ist verbindlich etwa 100 µm. Die Dicke kann nicht über die genannte Ober­ grenze erhöht werden, da mit zunehmender Dicke der Schicht aus dem synthetischen Kautschuk dessen seitliches Fließen noch stärker wird. Darüber hinaus wird auch das Prägen des Dichtungsmaterials wegen der Elastizität des Kautschuks un­ möglich. D.h., selbst wenn auf das kautschukbeschichtete Dichtungsmaterial beim Prägen durch vorstehende Teile eines Werkzeugs Druck ausgeübt wird, wird das Metallblech nicht deformiert, da die Deformation der dicken Kautschukschicht den Preßdruck des Werkzeugs absorbiert.

Um nun den geschilderten Nachteilen des kautschukbeschichte­ ten Dichtungsmaterials zu begegnen, wurde bereits ein halb­ metallisches Dichtungsmaterial aus einem Metallblech mit einem darauf aufgetragenen Überzug nicht nur aus einem Kaut­ schuk (alleine), sondern auch aus einer Mischung aus einem Kautschuk und Asbest mit 60 bis 80 Gew.-% Asbest entwickelt und verwendet (im folgenden als "mit einer Kautschuk/Asbest- Mischung beschichtetes Dichtungsmaterial" bezeichnet). Da in den letzten Jahren jedoch klar geworden ist, daß Asbest eine schädliche Wirkung auf den menschlichen Körper besitzen kann, wurden Massen bzw. Verbindungen, so daß Asbest durch bestimmte Fasern ersetzt ist, gefordert. Mit den Ersatzfa­ sern wurden jedoch bislang noch keine zufriedenstellenden Ergebnisse erreicht, da infolge nicht gleichmäßiger Dis­ pergierbarkeit der Ersatzfasern in dem Kautschuk keine Masse herstellbar ist, da ein Metallblech unmöglich mit der Masse beschichtet werden kann, da man keine akzeptablen Wärmebe­ ständigkeitseigenschaften erreichen kann bzw. da die Abdich­ tungsfähigkeit schlechter wird.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ein Dichtungs­ material aus einem Metallblech mit einem Überzug aus einer Masse mit einer Fasergrundlage sowohl aus von Asbest ver­ schiedenen verdichtbaren, anorganischen Fasern als auch aus verdichtbaren organischen Fasern, einem Kautschuk, einem Kautschukzusatz und einem anorganischen Füllstoff ent­ wickelt. Dieses Dichtungsmaterial ist in der japanischen Patentveröffentlichung (KOKOKU) Nr. Heisei 6-84785 beschrie­ ben. Mit Hilfe dieses Dichtungsmaterials lassen sich die geschilderten Nachteile des kautschukbeschichteten Dich­ tungsmaterials beseitigen. Darüber hinaus ist es hinsicht­ lich verschiedener physikalischer Eigenschaften und der Dichtungsfähigkeit der mit der Kautschuk/Asbest-Mischung be­ schichteten Dichtung gleichwertig oder überlegen.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Dichtungsmaterial durch Verbessern des aus der japanischen Patentveröffentlichung (KOKOKU) Nr. Heisei 6-84785 bekannten Dichtungsmaterials zu schaffen, das sich durch eine bessere Anpassung bei Verwendung als Wasserdichtung auszeichnet und mit dem eine gute Wasserabdichtung auch bei geringerem Druck erreichbar ist.

Das erfindungsgemäße Dichtungsmaterial besteht aus einem Me­ tallblech, das mit einer Masse mit einem Wasserquellmittel neben einer Fasergrundlage aus sowohl von Asbest verschiede­ nen, verdichtbaren anorganischen Fasern als auch verdichtba­ ren organischen Fasern, einem Kautschuk, einem Kautschukzu­ satz und einem anorganischen Füllstoff beschichtet ist. Das Wasserquellmittel kann beispielsweise aus einem superabsor­ bierenden Polymer (superwasserabsorbierenden Polymer) einer Struktur, in der eine lose Brückenbildung zwischen Ketten elektrolytischer Polymere mit ionischem Charakter und, im wesentlichen, Wasserlöslichkeit vorliegt. Solche superab­ sorbierende Polymere vermögen Wasser in der Größenordnung des mehrmaligen 10fachen bis zum 1000fachen oder mehr ihres Eigengewichts zu absorbieren, geben selbst bei Druckeinwir­ kung kein Wasser frei und geben Wasser nach und nach unter Rückkehr zu ihrer ursprünglichen Größe lediglich beim Trock­ nen frei. Bei den superabsorbierenden Polymeren kann es sich beispielsweise um Vinylalkohol/Acrylat-Copolymere handeln.

Die Gesamtmenge an verdichtbaren Fasern und Füllstoffen in der Masse beträgt vorzugsweise 50 Gew.-% oder mehr. Die Men­ ge an dem Wasserquellmittel in der Masse beträgt vorzugswei­ se etwa 10 Gew.-%. Die Dicke der Masseschichten auf den bei­ den Seiten des Metallblechs insgesamt beträgt vorzugsweise 50 bis 600 µm.

Da erfindungsgemäß das Metallblech das Kernmaterial des Dichtungsmaterials bildet, ist die mechanische Festigkeit, z. B. die Zugfestigkeit, des Dichtungsmaterials insgesamt größer als diejenige üblicher nichtmetallischer Dichtungs­ materialien. Auf diese Weise weist das Dichtungsmaterial eine ausreichende Druckbeständigkeit auch bei geringer Ab­ dichtungsbreite, beispielsweise von nur etwa 2 mm, auf. Gleichzeitig ist die Abnahme des Anziehmoments nur gering.

Da das Metallblech nicht nur mit einem Kautschuk, sondern auch mit einer Masse mit einer Fasergrundlage aus sowohl von Asbest verschiedenen, verdichtbaren anorganischen Fasern als auch verdichtbaren organischen Fasern sowie einem Kautschuk beschichtet ist, ist die Wärmebeständigkeitstemperatur des Dichtungsmaterials im Vergleich zu einem üblichen kaut­ schukbeschichteten Dichtungsmaterial verbessert.

Aus demselben Grund kommt es kaum zu einem seitlichen Flie­ ßen und zu einem Ablösen der aufgetragenen Schicht aus der betreffenden Masse. Die Anziehmomenthalteeigenschaften sind ebenfalls verbessert. Die Dicke der aufgetragenen Schicht aus der betreffenden Masse läßt sich auf jeder Seite des Dichtungsmaterials auf bis zu 500 µm erhöhen. Darüber hinaus kann auch eine Prägung des Dichtungsmaterials durchgeführt werden.

Da die aufgetragene Schicht aus der betreffenden Masse in hohem Maße verdichtbar ist und darüber hinaus ein Wasser­ quellmittel enthält, wird das Dichtungsmaterial durch Wasser gequollen, wodurch seine Formanpassungsfähigkeit an abzu­ dichtende Flächen beim Inberührungkommen mit Wasser besser wird. Folglich läßt sich auch bei geringerer Druckfläche, z. B. dann, wenn die Dichtung flach ist, oder bei starken Verwindungen der abzudichtenden Flächen und großer Bolzen­ spannbreite eine gute Dichtungsfähigkeit gegen Wasser auf­ rechterhalten.

Wenn die Fasergrundlage der Masse lediglich aus von Asbest verschiedenen anorganischen Fasern besteht, verschlechtert sich die Dichtungsfähigkeit des Dichtungsmaterials, da es der anorganischen Faser an Weichheit mangelt. Wenn ande­ rerseits die Fasergrundlage der Masse lediglich aus einer organischen Faser besteht, verschlechtern sich die Wärmebe­ ständigkeitseigenschaften des Dichtungsmaterials, da organi­ sche Fasern schlechtere Wärmebeständigkeitseigenschaften aufweisen. Wenn anstelle des anorganischen Füllstoffs ein organischer Füllstoff verwendet wird, verschlechtern sich die Wärmebeständigkeitseigenschaften des Dichtungsmaterials ebenfalls. Durch Einsatz einer Fasergrundlage aus sowohl verdichtbaren anorganischen Fasern als auch verdichtbaren organischen Fasern zusammen mit einem anorganischen Füll­ stoff wird jedoch erfindungsgemäß ein Dichtungsmaterial bereitgestellt, das den Anforderungen an sowohl die Ab­ dichtungsfähigkeit als auch die Wärmebeständigkeit voll­ ständig genügt.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung enthält die Masse zusätzlich einen Kautschuk mit Öl­ quelleigenschaften, z. B. einen Styrol/Butadien-Kautschuk (SBR) oder einen ähnlichen Kautschuk, oder ein von Kaut­ schuksorten verschiedenes Ölquellmittel. In dieser Zusammen­ setzung ist - da die Masse nicht nur durch Wasser sondern auch durch Öl gequollen wird - die Dichtung nicht nur gegen Wasser, sondern auch gegen Öl selbst bei niedrigerem Druck besser.

Wird als Ölquellkautschuk SBR verwendet, enthält die Masse vorzugsweise neben SBR noch einen keine Ölquelleigenschaften aufweisenden Acrylnitril/Butadien-Kautschuk (Nitrilkaut­ schuk, NBR). Im Falle der alleinigen Verwendung von SBR verschlechtert sich die Druckwiderstandsfähigkeit des Dich­ tungsmaterials trotz verbesserter Ölquelleigenschaften. Die Verwendung von NBR in Kombination mit SBR sorgt jedoch für eine hohe Druckwiderstandsfähigkeit und ausreichende Öl­ quelleigenschaften. Wird - wie zuvor ausgeführt - NBR in Kombination mit SBR verwendet, liegt NBR vorzugsweise in einem Mischungsanteil von 30 bis 50 Gew.-Teilen bei 70 bis 50 Gew.-Teilen SBR vor.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt im Querschnitt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dichtungsmaterials.

Zur Herstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dichtungsmaterials wird zunächst eine Mas­ se der folgenden Zusammensetzung zubereitet:

(a) Glasfasern
50 Gew.-%
(b) Fibrillierte aromatische Polyamidfasern (Handelsbezeichnung "Kevlar Pulp", hergestellt von Du Pont)	5 Gew.-%
(c) NBR	8 Gew.-%
(d) SBR	8 Gew.-%
(e) Vinylalkohol/Acrylat-Copolymere (Handelsbezeichnung "Sumikagel SP-510 oder SP-520", hergestellt von Sumitomo Kagaku Kogyo K.K., Japan)	10 Gew.-%
(f) Kautschukzusatz	4 Gew.-%
(g) Glimmerpulver	15 Gew.-%

Für die Masse der angegebenen Zusammensetzung werden als verdichtbare anorganische Fasern Glasfasern und als ver­ dichtbare organische Fasern fibrillierte aromatische Poly­ amidfasern verwendet. Bei den eingesetzten Vinylalkohol/ Acrylat-Copolymeren handelt es sich, wie bereits ausgeführt, um als Wasserquellmittel dienende superabsorbierende Polyme­ re. Das Glimmerpulver dient als anorganischer Füllstoff. Der Kautschukzusatz kann aus einem Vulkanisiermittel, z. B. Schwefel, Zinkoxid, Magnesiumoxid, Peroxid, Dinitrobenzol o. dgl., oder einem Vulkanisationsbeschleuniger, z. B. Thia­ zolverbindungen, Polyaminverbindungen, Sulfenamidverbin­ dungen, Dithiocarbamatverbindungen, Aldehydaminverbindungen, Guanidinverbindungen, Thioharnstoffverbindungen, Xanthatver­ bindungen o. dgl., bestehen.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wurde ein Dichtungsmateri­ al "1" durch Beschichten beider Seiten eines Metallblechs "3" aus SPCC-Stahl (JIS G 3141), auf das zuvor ein wärme­ beständiger Klebstoff "2" appliziert worden war, mit der zu­ bereiteten Masse hergestellt. In der Zeichnung werden die Schichten aus der aufgetragenen Masse mit "1" bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform betrug die Dicke des Stahlblechs "3" 0,2 mm. Die Dickewerte der auf beide Seiten des Stahl­ blechs "3" aufgetragenen Masseschichten "1", die unterein­ ander gleich waren, betrugen 0,2 mm oder 0,3 mm.

Tabelle 1 enthält Angaben über Testergebnisse (gemäß der Vorschrift ASTM F-104 und F-38) für allgemeine physikalische Eigenschaften dieser Ausführungsform des Dichtungsmaterials. In der Spalte "Meßwert" von Tabelle 1 geben die Spalten (A) die Meßwerte bei einer Dicke der Masseschichten "1" von 0,2 mm und (B) die Meßwerte bei einer Dicke der Masseschichten "1" von 0,3 mm an.

Während bei der beschriebenen Ausführungsform als Metall­ blech "3" ein Stahlblech verwendet wird, kann es sich bei dem erfindungsgemäß benutzten Metallblech selbstverständlich auch um andere Bleche aus beispielsweise Aluminium, nichtro­ stendem Stahl und dgl. handeln.

Bei der geschilderten Ausführungsform wurden als Wasser­ quellmittel Vinylalkohol/Acrylat-Copolymere verwendet. Selbstverständlich können erfindungsgemäß als Wasserquell­ mittel auch andere superabsorbierende Polymere als stark wasserabsorbierende Vinylalkohol/Acrylat-Copolymere oder andere Wasserquellmittel als superabsorbierende Polymere verwendet werden.

Bei der geschilderten Ausführungsform werden als verdicht­ bare anorganische Fasern Glasfasern verwendet. Selbstver­ ständlich können jedoch erfindungsgemäß als verdichtbare anorganische Fasern auch andere verdichtbare anorganische Fasern, z. B. Keramikfasern, Steinwolle, Mineralwolle, Quarz­ glasfasern, chemisch behandelte, einen hohen Siliciumdioxid­ anteil aufweisende Fasern, Fasern aus gesintertem Alumi­ niumoxidsilicat, Endlosaluminiumoxidfasern, stabilisierte Zirkoniumoxidfasern, Bornitridfasern, Alkalititanatfasern, Whisker, Borfasern, Kohlenstoffasern, Metallfasern o. dgl., verwendet werden.

Bei der geschilderten Ausführungsform werden als verdicht­ bare organische Fasern aromatische Polyamidfasern verwendet. Selbstverständlich können jedoch als verdichtbare organische Fasern erfindungsgemäß auch andere verdichtbare organische Fasern, z. B. andere von aromatischen Polyamidfasern ver­ schiedene Polyamidfasern, Polyolefinfasern, Polyesterfasern, Polyacrylnitrilfasern, Polyvinylalkoholfasern, Polyvinyl­ chloridfasern, Polyharnstoffasern, Polyurethanfasern, Polyfluorkohlenstoffasern, Phenolfasern, Cellulosefasern o. dgl., verwendet werden.

Bei der beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung wurden als Kautschuksorten SBR und NBR verwendet. Selbstverständlich können erfindungsgemäß auch noch andere Kautschuksorten, z. B. ein Isoprenkautschuk (IR), ein Chloro­ prenkautschuk (CR), ein Butadienkautschuk (BR), ein Isobuty­ len/Isopren-Kautschuk (IIR), ein Ethylen/Propylen-Kautschuk (EPM), ein Fluorkautschuk (FPM), ein Siliconkautschuk (Si), chlorsulfoniertes Polyethylen (CSM), Ethylen/Vinylacetat- Copolymere (EVA), chloriertes Polyethylen (CPE), ein Chlor­ isobutan/Isopren-Kautschuk (CIIR), ein Epichlorhydrin-Kaut­ schuk (ECO), ein Nitril/Isopren-Kautschuk (NIR), ein Natur­ kautschuk o. dgl. verwendet werden. Ölgestreckte Kautschuk­ sorten erhält man durch Zusatz eines Naphthenprozeßöls zu den genannten Kautschuksorten, beispielsweise SBR.

Bei der geschilderten Ausführungsform wurde als anorgani­ scher Füllstoff Glimmerpulver verwendet. Selbstverständlich können jedoch erfindungsgemäß auch andere anorganische Füll­ stoffe, z. B. Ton, Talkum, Bariumsulfat, Natriumbicarbonat, Graphit, Sulfat, Tripel, Wollastonit o. dgl. verwendet wer­ den.

Tabelle 1

Claims (8)

1. Dichtungsmaterial, bestehend aus einem Metallblech und einem darauf befindlichen Überzug aus einer Masse mit einer Fasergrundlage aus sowohl von Asbest verschiede­ nen, verdichtbaren anorganischen Fasern als auch ver­ dichtbaren organischen Fasern, einem Kautschuk, einem Kautschukzusatz und einem anorganischen Füllstoff, da­ durch gekennzeichnet, daß die Masse zusätzlich ein Was­ serquellmittel enthält.

2. Dichtungsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Wasserquellmittel aus (einem) superabsor­ bierenden Polymer(en) besteht.

3. Dichtungsmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das (die) superabsorbierende(n) Polymer(e) aus Vinylalkohol/Acrylat-Copolymeren bestehen.

4. Dichtungsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Masse zusätzlich einen Kautschuk mit Öl­ quelleigenschaften enthält.

5. Dichtungsmaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kautschuk mit Ölquelleigenschaften aus einem Styrol/Butadien-Kautschuk (SBR) besteht.

6. Dichtungsmaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Masse sowohl einen Styrol/Butadien-Kaut­ schuk (SBR) als auch einen Acrylnitril/Butadien-Kaut­ schuk (NBR) enthält.

7. Dichtungsmaterial nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Mischungsanteil des Acrylnitril/Butadien- Kautschuks (NBR) 30 bis 50 Gew.-Teile bei 70 bis 50 Gew.-Teile des Styrol/Butadien-Kautschuks (SBR) liegt.

8. Dichtungsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Masse zusätzlich ein von Kautschuksorten verschiedenes Ölquellmittel enthält.