DE2549475B2 - Verfahren und vorrichtung zum verbinden von formkoerpern aus polytetrafluoraethylen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum verbinden von formkoerpern aus polytetrafluoraethylen

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DE2549475B2 DE19752549475 DE2549475A DE2549475B2 DE 2549475 B2 DE2549475 B2 DE 2549475B2 DE 19752549475 DE19752549475 DE 19752549475 DE 2549475 A DE2549475 A DE 2549475A DE 2549475 B2 DE2549475 B2 DE 2549475B2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von Formkörpern aus gesintertem Polyfluoräthylen im Stumpfstoß, nach welchem die aneinandergepreßten Stoßflächen auf eine -»o Temperatur oberhalb von 327° C erhitzt werden.
Aus Polytetrafluoräthylen (PTFE) bestehende und vorwiegend PTFE enthaltende Formteile werden wegen ihrer hervorragenden thermischen und chemischen Stabilität in zunehmendem Maße als korrosionsbeständige Auskleidung, z. B. für Chemieapparate, wie Wärmeaustauscher, Kolonnen und Behälter, verwendet. Dabei ist es — besonders für Apparate mit größerem Innendurchmesser — notwendig, Formteile, z. B. Platten oder Folien, gas- und flüssigkeitsdicht miteinander zu verbinden, da die Herstellung von PTFE-Rohren größeren Durchmessers durch Ram- oder Pastenextrusion nicht möglich ist. Weitere Beschränkungen entstehen dadurch, daß für jeden Durchmesser ein eigenes Pressenmundstück erforderlich ist und das Verhältnis Wanddicke/Durchmesser nur beschränkt variiert werden kann.
Wegen der schlechten Benetzbarkeit des Polytetrafluoräthylens und der vergleichsweise geringen thermischen und chemischen Beständigkeit von Klebstoffen ist es bisher auch nicht gelungen, geklebte Verbindungen in einer etwa für Chemieapparate notwendigen Qualität, insbesondere mit einer hohen thermischen und chemischen Beständigkeit, herzustellen. Auch nach vorherigem Ätzen der zu verbindenden PTFE-Flächen reicht die Qualität der Verbindung für den genannten Verwendungszweck nicht aus. Die zum Verbinden von herkömmlichen thermoplastischen Kunststoffen gebräuchlichen Schweißverfahren, nach denen aneinandergepreßte Teile über den Schmelz- bzw. Erweichungspunkt des Kunststoffes erhitzt werden, sind für Polytetrafluoräthylen nicht brauchbar. Nach diesem Verfahren sind jedoch zwischen dünnen PTFE-Folien Verbindungen mit Überlappstoß hergestellt worden, die sich für Behälterauskleidungen wegen der Materialverdickung an der Überlappung weniger gut eignen. Besonders bei Verwendung von dickeren Folien oder Platten ist die Abdichtung derartiger Nähte, beispielsweise an Flanschbördeln, schwierig und aufwendig. Zur Herstellung von Dichtungsringen ist es schließlich nach der österreichischen Patentschrift 2 20 440 bekannt, Bandstreifen aus Polytetrafluoräthylen durch gemeinsame Einwirkung von Hitze und Druck stumpf aneinander zu schweißen, wobei die Schweißtemperatur etwa 370° C und der Druck etwa 20 N/cm2 betragen. Das Verfahren eignet sich jedoch nur zum Verbinden von Folien verhältnismäßig geringer Dicke, etwa von 0,4 mm. Verbindungen zwischen dickeren PTFE-Folien ohne Überlappungen werden nach der französischen Offenlegungsschrift 21 63 420 dadurch hergestellt, daß V-förmige Nahtfugen zwischen zwei auf einer Unterlage fixierten PTFE-Platten mit einem PTFE-Pulver gefüllt werden und das Pulver durch stempeiförmig ausgebildete, auf den Stoß gepreßte Heizelemente erhitzt wird. Eine ausreichende und reproduzierbare Schweißgüte, die u. a. in komplizierter Weise von der Pulverqualität und -körnung sowie von der Packungsdichte abhängt, ist nach diesem Verfahren nur bei sorgfältiger, unter normalen Betriebsbedingungen kaum möglicher Beachtung sämtlicher Einflußgrößen zu erreichen. Nachteilig für die Schweißgüte ist schließlich die durch die Anordnung der Unterlage unterhalb der Schweißnaht bedingte unsymmetrische Temperaturverteilung im Schweißgut.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein für Formkörper beliebiger Dicke und Größe geeignetes Verfahren zum Herstellen einer Verbindung im Stumpfstoß mit hoher Schweißgüte zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung betrifft die Schaffung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verbindungsverfahrens.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, nach welchem die zu verbindenden Formkörper bis auf einen schmalen, die Stoßflächen einschließenden Streifen zwischen gekühlten Spannbacken eingespannt werden, der Streifen durch Strahlung und/oder konvektiv berührungslos erhitzt wird, beim Zusammenpressen der Stoßflächen eine Nahtverdickung erzeugt wird und die Verdickung anschließend abgearbeitet wird.
Zur Erzeugung einer hochwertigen Verbindung ist es nach den der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnissen erforderlich, die Stoßflächen unter Druck auf eine Temperatur oberhalb des Kristallitschmelzpunktes von PTFE zu erhitzen und Temperatur und Druck bis zur Ausbildung einer Nahtverdickung auf die Verbindungsflächen einwirken zu lassen. Es ist weiterhin erforderlich, die Temperaturverteilung in dem erhitzten PTFE-Streifen zwischen den Spannbacken derart zu bemessen, daß ein Ausknicken des frei überstehenden PTFE-Streifens als auch zu breite oder zu schmale Aufschmelzzonen vermieden werden oder mit anderen Worten, daß unabhängig von den jeweiligen geometrischen Formen und Maßen der zu verbindenden Körper eine Aufschmelzzone gerade ausreichender Breite erzeugt und während der Dauer des Schweißvorgangs aufrechterhalten wird. Nach der Erfindung ist es
schließlich erforderlich, zur Entfernung von schädlichen Oberflächenkerben die Nahtverdickung etwa durch Hobeln oder Abziehen abzuarbeiten. Die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insoweit überraschend, als das im Bereich der :>toßflächen aufge- ■> schmolzene PTFE trotz der ^ur Herstellung einer hochwertigen Verbindung notwendigen und angewendeten verhältnismäßig hohen Drücke und langen Einwirkungszeilen nicht abtropft oder ausfließt. Die unerwartete mechanische Stabilität der Schmelze ist ebenfalls die Grundlage für eine einfache und sehr flexible Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Besonders zweckmäßig werden die Stoßflächen auf eine Temperatur zwischen 340 und 4300C erhitzt. Unterhalb dieses Temperaturbereichs sind die notwendigen Schweißzeiten verhältnismäßig lang, während oberhalb des Breichs zwar sehr kurze Schweißzeiten erzielt werden können, andererseits aber die Möglichkeit einer partiellen Zersetzung des Polytetrafluoräthylens wächst. Anpreßdruck und Schweißzeiten betragen vorzugsweise 30 bis 150 N/cm2 bzw. 10 bis 120 min., wobei die Parameter Temperatur, Druck und Zeit bis zu einem gewissen Grade gleichartig wirken, so daß ein niedriger Wert des einen Parameters durch Erhöhung der anderen Parameter in diesem Substitutionsbereich ausgeglichen werden kann. Es ist weiterhin für die Einstellung einer gleichförmigen Temperaturverteilung im Verbindungsstoß zweckmäßig, die Breite des auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur erhitzten PTFE-Streifens in ein bestimmtes Verhältnis zur Dicke der zu verbindenden Körper zu setzen. Günstige Ergebnisse werden etwa bei einem Verhältnis 0,2 :1 bis 2 :1 und insbesondere 1 :1 erzielt.
Eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Polytetraf'.uoräthylenkörper haltenden und gegeneinanderpressenden Spannbacken mit Kühlvorrichtungen zur geregelten Ableitung der Überschußwärme aus dem erhitzten Polytetrafluoräthylenstreifen versehen sind und zur Regelung des Anpreßdrucks während des Schweißvorgangs in wenigstens einer zur Stoßfläche im wesentlichen senkrechten Richtung verschiebbar sind. Längs der Schweißnaht sind zwischen den Spannbakkenpaaren zum berührungslosen Erhitzen des freien PTFE-Streifens Heizstrahler, z. B. in Form von Heizbändern oder Heizdrähten, angeordnet oder zum Erhitzen des freien Streifens werden in den durch die Spannbackenpaare gebildeten Spalt heiße Gase, insbesondere Luft, auf die PTFE-Oberfläche geblasen. Die PTFE-Körper sind zweckmäßig derartig eingespannt, daß die gegeneinandergepreßten Stoßflächen von jedem der Spannbackenpaare etwa gleich weit entfernt sind. Der Verlauf der Stoßflächen und die Gestaltung der Schweißnaht sind für das Verfahren weitgehend unkritisch. Die Stoßflächen können in einem beliebigen Winkel die Körperoberfläche schneiden, konkav und konvex ausgebildet sein oder beliebige Profile aufweisen. Die Schweißnähte sind in ihrer Längserstreckung geradlinig oder gekrümmt gestaltet. Es ist ebenso möglich, die Stoßflächen auf der gesamten Länge der Schweißnaht oder in bestimmten Abschnitten miteinander zu verzahnen verzahnen. Der zum Verschweißen der PTFE-Teile notwendige Druck wird unter Berücksichtigung der thermischen Dehnung des PTFE-Streifens von außen aufgebracht, auf einem bestimmten Betrag gehalten oder während der Schweibzeit nach einem vorgegebenen Programm geändert. Eine Kammerung des freien fTFE-Streifens ist dabei trotz der oberhalb des Schmelzpunktes liegenden Temperatur und des über längere Zeit aufrechterhaltenen Drucks nicht erforderlich, da insbesondere wegen der geregelten Temperaturverteilung in dem Streifen nur sehr schmale Zonen beiderseits der Stoßflächen erweichen. Die fehlende Kammerung ermöglicht die vorteilhafte Erhitzung des Polytetrafiuoräthylens durch einfache Heizstrahler oder durch erhitzte Gase und vereinfacht somit das Verbindungsverfahren.
Die Vorrichtung ist grundsätzlich ebenfalls für das Verbinden anderer thermoplastischer Kunststoffe, insbesondere von fluorhaltigen Thermoplasten mit einem höheren Erweichungspunkt und von hochschmel/.enden Polymeren, wie z. B. von Polyimiden, geeignet. Die für die einzelnen Kunststoffe vorteilhaften Verfahrensparameter, wie Temperatur, Druck und Zeit, lassen sich jeweils durch einfache Versuche ermitteln.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in einfacher Weise die Herstellung von stoffschlüssigen Verbindungen im Stumpfstoß von und an Formkörpern aus PTFE mit unterschiedlichen geometrischen Formen, wie Platten, Stäbe, Folien, Hohlzylindern, Hohlkegeln und dergleichen. Der als Schweißfaktor bezeichnete Quotient aus der bei Raumtemperatur ermittelten Reißfestigkeit der Verbindung und der Reißfestigkeit des massiven Ausgangsmaterials ist fast 1. Die Schweißnähte beeinträchtigen nicht die Permeabilität einer durch Verbinden mehrerer PTFE-Teile hergestellten Hohlform und ebenso wird die Beständigkeit von PTFE gegen korrosiv wirkende Stoffe durch die Verbindung nicht verändert. Weitere Vorteile des Verfahrens sind die hervorragende Reproduzierbarkeit, die gleichmäßige Nahtgüte und schließlich die einfache Handhabbarkeit.
Die Erfindung wird im folgenden durch eine Zeichnung und durch Beispiele erläutert:
In der Figur ist der Schnitt durch eine Schweißvorrichtung schematisch dargestellt. 1 und 2 sind zwei zu verbindende im Verbindungsstoß 3 gegeneinander gepreßte PTFE-Körper, die von den Spannbackenpaaren 4 gehalten sind, wobei die aufgebrachten Kräfte durch Pfeile A dargestellt sind. Zum Aufbringen des notwendigen Schweißdrucks sind die backen 4 in Richtung des Verbindungsstoßes 3 verschiebbar und pressen mit der durch Federn, hydraulische Mittel oder Gewichten und dergleichen erzeugten Kraft B die Stoßflächen gegeneinander. Zwischen den Spannbakken sind zum Erwärmen des Polytetrafiuoräthylens im Bereich des Verbindungsstoßes 3 Heizstrahler 5 angeordnet. Zur Regelung der Tomperaturverteilung im Schweiß- und Einspannbereich enthalten die Spannbakken 4 Kühlvorrichtungen 6 oder Kühlmittel mit einer hohen Wärmekapazität oder die Wärmekapazität der Spannbacken selbst ist hinreichend groß, um während des Schweißvorgangs eire bestimmte Temperaturverteilung zwischen Spannbacken und Verbindungsstoß aufrechtzuerhalten.
Die Funktionsweise der Vorrichtung wird anhand des folgenden Beispiels näher erläutert.
Beispiel
Zur Auskleidung eines Trichters mit öffungsdurchmessern von 1400 mm bzw. 500 mm und einer Höhe von 1000 mm wurde eine zugeschnittene und an den Stoßflächen plangehobelte PTFE-Folie mit einer Dicke von 4 mm derartig in die Vorrichtung nach der Figur gespannt, daß der Verbindungsstoß etwa gleich weit
von den Spannbackenpaaren entfernt war und parallel zu den Backen verlief. Der Abstand der Spannbacken betrug 10 mm. Die Zone beiderseits des Verbindungsstoßes wurde durch die Heizstrahler auf ca. 4000C erhitzt, bei der ein Gleichgewicht zwischen der durch Strahlung in die etwa 5 mm breite Schweißzone eingebrachte und durch Leitung über die Spannbacken abgeführte Energie bestand. Die Temperatur und ein Druck von 60 N/cm2 wurden für 40 min. aufrechterhallen und die Schweißzone dann unter Druck auf Raumtemperatur abgekühlt. Die sich beiderseits der Stoßflächen ausgebildeten Nahtverdickungen wurden dann abgehobelt und kerbenfreie Oberflächen geschaffen. Im Vergleich zu nichtverschweißtem PTFE hatte die Schweißnaht folgende Eigenschaften
Bruchfestigkeit
Bruchdehnung
>0,8
>0,9
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Verbinden von Formkörpern aus gesintertem Polytetrafluoräthylen im Stumpfstoß, nach welchem die aneinandergepn ' ι Stoßflächen auf eine Temperatur oberhalb . 327°C erhitzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper bis auf einen schmalen, die Stoßflächen einschließenden Streifen zwischen ge- to kühlten Spannbacken eingespannt werden, der Streifen durch Strahlung und/oder konvektiv berührungslos erhitzt wird, beim Zusammenpressen der Stoßflächen eine Nahtverdickung erzeugt wird und die Verdickung anschließend abgearbeitet wird. '5
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Temperatur und Druck im Schweißstoß !0—120 Minuten aufrechterhalten werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des erhitzten Streifens das 0,2- bis 2fache, vorzugsweise das 1 fache der Körperdicke beträgt.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Polytetrafluoräthylenkörper haltenden und gegeneinanderpressenden Spannbacken mit Kühlvorrichtungen zur geregelten Ableitung der Wärme aus dem erhitzten Polytetrafluoräthylenstreifen versehen sind und zur Regelung des Anpreßdrucks während des Schweißvorgangs in wenigstens einer zur Stoßfläche imwesentlichen senkrechten Richtung verschiebbar sind.
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