DE2549571C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Formkörpern aus Polytetrafluoräthylen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Formkörpern aus Polytetrafluoräthylen

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DE2549571C3
DE2549571C3 DE2549571A DE2549571A DE2549571C3 DE 2549571 C3 DE2549571 C3 DE 2549571C3 DE 2549571 A DE2549571 A DE 2549571A DE 2549571 A DE2549571 A DE 2549571A DE 2549571 C3 DE2549571 C3 DE 2549571C3
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Günter 6233 Kelkheim Wenzel
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von Formkörpern aus gesintertem Polytetrafluorälhylen im Stumpfstoß, bei dem die mit ihren Stoßflächen aneinanderliegenden Formkörper im Verbindungsbereich eingespannt und auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Polytetrafluoräthylens 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. D. 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 Pclytetrafluoräthylens 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 chemisehen Beständigkeit, herzustellen. Auch nach vorherigem Ätzen der zu verbindenden PTFE-FIächen 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 BehälterauskJeidungen 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 3700C 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 ram. 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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, 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 ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem die Formkörper bis auf einen schmalen, die Stoßflächen einschließenden Streifen zwischen Spannbacken eingespannt, die freien Abschnitte der Formkörper durch zwischen den Spannbacken angeordnete Heizelemente erhitzt, in den Stoßflächen Drücke zwischen 30 und 150 N/cm2 erzeugt und Druck und Temperatur 10 bis 120 Minuten lang aufrechterhalten werden.
Zur Erzeugung einer hochwertigen Verbindung im Stumpfstoß ist es erforderlich, die Stoßflächen unter
Druckspannungen auf eine Temperatur oberhalb des Kristallitschmelzpunktes zu erhitzen und Temperatur end Druck eine bestimmte Zeit auf die Stoßflächen einwirken zu lassen. Thermoplastische Kunststoffe neigen unter diesen Bedingungen, insbesondere bei 5 Anwendung höherer Temperaturen und/oder Drücke zum Ausfließen oder Austropfen des aufgeschmolzenen Anteils aus der Schweißnaht Das Ausfließen wird überraschenderweise nach der Erfindung durch eine einfache Kammerung der unter Druckspannungen stehenden Schmelzzone vermieden, wobei die kalten Abschnitte der durch Spannbacken gehaltenen PTFE-Körper und die die Stoßflächen erhitzender Heizelemente als Kammerwände wirken. Die Kammerung ermöglicht ebenfalls, den Anpreßdruck über die jeweilige Schweißze.t aufrechtzuerhalten und verhindert ein Ausknicken oder Ausbeulen der zwischen den Spannbacken frei überstehenden PTFE-Abschnitte.
Der Druck in der Kammer wird vorzugsweise allein durch das sich unter Wirkung der Heizelemente ausdehnende PTFE erzeugt- Zur Regelung des Drucks während des Schweißvorgangs wird zweckmäßig wenigstens ein Heizelement parallel zu der Stoßfläche oder mindestens eine Spannbacke senkrecht zu der Stoßfläche bewegt, wobei beide Maßnahmen gleichzeitig oder nacheinander ausgeführt werden können.
Die Stoßflächen werden zweckmäßig auf eine Temperatur zwischen 340 und 4300C erhitzt. Unterhalb dieses Temperaturbereichs sind die erforderlichen Schweißzeiten verhältnismäßig lang, wahrend oberhalb des Bereichs zwar sehr kurze Schweißzeiten erzielt werden können, andererseits aber die Gefahr einer partiellen Zersetzung des erhitzten Polytetrafluoräthylens wächst. Anpreßdruck und Schweißzeit betragen nach der Erfindung vorzugsweise 30 bis 150 N/cm-' bzw. 10 bis 120 min, wobei die Parameter Temperatur, Druck und Zeit bis zu einem gewissen Grade gleichartig wirken und ein niedriger Wert des einen Parameters durch Erhöhung der anderen Parameter in diesem Substitutionsbereich ausgeglichen werden kann. Das Verfahren eignet sich zum Verbinden von PTFE-Körpern der verschiedensten Formen und Maße, wobei die Verbindung im Stumpfstoß besonders einfach zwischen den Körpern mit einer Dicke von etwa 0,5-10 mm hergestellt werden kann.
Eine Vorrichtung zum Verschweißen von PTFE-Körpern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht aus in geringem Abstand liegenden Spannbackenpaaren 7,8 zwischen denen die zu verbindenden Polytetrafluoräthylenkörper gehalten sind und zwischen den Spannbackenpaaren angeordnete Heizelemente 6. Die thermische Ausdehnung der erhitzten PTFE-Abschnitte wird d:irch die kammerartige Vorrichtung gehemmt oder blockiert, so daß in den Stoßflächen Druckspannungen in einer für die Herstellung einer Verbindung im Stumpfstoß geeigneten Größenordnung entstehen, die über die jeweils erforderliche Zeitspanne aufrechterhalten werden. Durch Aufbringen einer zusätzlichen auf die Stoßflächen wirkenden Kraft kann der Druck in der Schweißzone konstant gehalten oder na<_h einem vorgegebenen Programm geändert werden. Druckänderungen werden nach der Erfindung durch parallel zur Stoßfläche verschiebbare, mit einer vorgegebenen Kraft beaufschlagte Heizelemente und/oder durch in einer Führung senkrecht zu den Stoßflächen verschiebbare, belastete Spannbacken ermöglicht. Die Heizelemente sind zweckmäßig als Heizbänder ausgebildet oder als mit Heizmitteln gefüllte Hohlkörper.
Durch die Erfindung geüngt es in einfacher Weise, Formkörper aus PTFE unterschiedlichster geometrischer Formen, wie Platten, Släbe, Folien. Hohlzylinder. Hohlkegei und dergleichen im Stumpfstoß stoffschlüssig zu verbinden. Der Verlauf der Stoßflächen und die Gestaltung der Schweißnaht sind für das Verfahren weitgehend unkritisch. Die Stoüflächen können in einem beliebigen Winkel die Körperoberfläche schneiden, konkav oder konvex ausgebildet sein oder beliebige Profile aufweisen. Die Schweißnähte können in ihrer Längserstreckung geradlinig oder gekrümmt gestaltet sein und es ist ebenso möglich, die Stoßflächen auf der gesamten Länge der Schweißnaht oder in einigen Abschnitten miteinander zu verzahnen. Vorteile der erfindungsgemäß hergestellten Verbindungen sind der außerordentlich günstige als Schweißfaktor bezeichnete Quotient aus der bei Raumtemperatur ermittelten Reißfestigkeit der Verbindung und der Reißfestigkeit des massiven Ausgangsmaterials, die Dichtigkeit der Schweißnähte und ihre Beständigkeit gegen korrodierend wirkende Stoffe. Der Schweißfaktor der Verbindung beträgt angenähert 1. Für geschweißte Hoplkörper ist es von Wichtigkeit, daß die geringe Permeabilität des Ausgangsmaterials durch die Schweißnähte nicht nennenswert vergrößert wird. Weitere Vorteile des Verfahrens sind die hervorragende Reproduzierbarkeit, eine gleichmäßige Nahtgüte und schließlich die unfacr e Handhabbarkeit.
Die Erfindung wird im folgenden durch schematische Figuren und Beispiele erläutert:
Es sind im einzelnen dargestellt in
F i g. 1 ein Schnitt durch eine Schweißvorrichtung mit starrer Einspannung,
F i g. 2 ein Schnitt durch eine Schweißvorrichtung mit einem verschiebbaren Heizelement.
F i g. 3 ein Schnitt durch eine Schweißvorrichtunt mit verschiebbaren Spannbacken,
F i g. 4 ein Schnitt durch eine Schweißvorrichtung mit verschiebbarem Heizelement und verschiebbaren Spannbacken.
In F i g. 1 sind 1 und 2 zwei sich im Verbindungsstoß 3 berührende plattenförmige zwischen den Spannbackenpaaren 7 und 8 eingespannte PTFE-Körper. Zwischen den Spannbackenpaaren sind symmetrisch zum Stoß 3 oberhalb und unterhalb der PTFE-Körper 1 und 2 je ein Heizelement 4 und 5 angeordnet, die gegen die Joche y durch die Zwischenstücke 6 thermisch und elektrisch isoliert sind. Der Abstand der beiden Heizelemente ist so gewählt, daß sich das beim Erhitzen auf die Schweißtemperatur ausdehnende PTFE an beiden Heizelementen anlegt, wobei der sich im Stoß 3 aufbauende Druck durch die Joche 9 und die kalten Abschnitte der PTFE-körper zwischen den Heizbändern und den Spannbacken aufgenommen wird. Durch die Pfeile A sind die auf die Backen wirkenden Spannkräfte zeichnerisch dargestellt.
In F i g. 2 ist das Heizelement 5 mit dem isolierenden Zwischenstück 6 beweglich gelagert und die Kraft B drückt die Heizelemente auf den Verbindungsstoß 3. Die durch Federn, hydraulisch oder durch Gewichte und dergleichen erzeugte Kraft B kann beispielsweise bereits während der Aufwärmung des PTFE's an den Stoßflächen angelegt werden, sie ist regelbar, so daß für jede Temperatur der durch Versuche ermittelte beste Druck aufgebracht werden kann.
In der Ausführung nach Fi g. 3 sind die Spannbacken in Richtung auf den Verbindungsstoß 3 beweglich und werden beim Abkühlen der Schweißverbindung durch
Kontraktionsspannungen in Richtung auf den Verbindungsstoß gezogen.
Die Vorrichtung nach Fig.4 mit verschiebbaren Heizelementen und Spannbacken ermöglicht schließlich eine vollständige Anpassung des Drucks im erwärmten Abschnitt beiderseits des Verbindungsstoßes auf eine für jede Temperatur optimale Größe.
Die Funktionsweise der Vorrichtungen wird an Hand eines Beispeils erläutert:
Die zur Auskleidung eines Trichters mit Öffnungsdurchrnessern von 500 mm und 1400 mm und einer Höhe von 1000 mm vorgesehenen PTFE-Schälfolien mit einer Dicke von 4 mm wurden zugeschnitten und die Kanten plangehobell. Die Schälfolie wurde dann derartig in eine Vorrichtung nach Fig.4 eingespannt, daß die sich befünfeifuen StöBiiäeiren parallel zu den Backen verliefen und etwa gleich weit von jedem Backenpaar entfernt waren, deren gegenseitiger Abstand ca. 19 mm beträgt. Eine insgesamt etwa 15 mm breite Zone beiderseits des Verbindungsstoßes wurde dann durch die anliegenden Heizelemente auf eine Temperatur von etwa 4000C aufgeheizt und durch Verschieben der Spannbacken ein Druck von ca. 120 N/cm2 an die Stoßflächen angelegt. Druck und Temperatur wurden 45 min aufrechterhalten und die Schweißnaht anschließend unter Druck auf Raumtemperatur abgekühlt. Die im Kurzreißversuch bestimmte Festigkeit und Dehnung betrugen im Vergleich zu nichtverschweißlem PTFE:
Bruchfestigkeit > 0,85
Bruchdehnung > Ό.95
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche!
1. Verfahren zum Verbinden von Formkörpern aus gesintertem Polytetrafluoräthylen im Stumpfstoß, bei dem die mit ihren Stoßflächen aneinanderliegenden Formkörper im Verbindungsbereich eingespannt und auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Polytetrafluoräthylens erhitzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper bis auf einen schmalen, die Stoßflächen einschließenden Streifen zwischen Spannbacken eingespannt, die freien Abschnitte der Formkörper durch zwischen den Spannbacken angeordnete Heizelemente erhitzt, in den Stoßflächen Drücke zwischen 30 und 150 N/cm2 erzeugt und Druck und Temperatur 10—120min lang aufrechterhalten werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck allein durch das sich unter Wirkung der Heizelemente ausdehnende Polytetrafluoräthylen erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Aufheizphase und/oder während der Haltephase und/oder während der Abkühlphase durch Verschieben mindestens einer Spannbacke in wenigstens einer zur Stoßfläche im wesentlichen senkrechten Richtung ein zusätzlicher Druck auf den Stumpfstoß ausgeübt wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Polytetrafluoräthylen-Körper je für sich zwischen zueinander in geringem Abstand liegenden Spannbackenpaaren gehalten und zwischen den Spannbacken (7, 8) Heizelemente (6) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Heizelement (6) parallel zur Stoßfläche beweglich und mit einer vorgegebenen Kraft beaufschlagbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Spannbacke (7, 8) in einer Führung senkrecht zu den Stoßflächen verschiebbar ist.
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