DE2942639C2

DE2942639C2 -

Info

Publication number: DE2942639C2
Application number: DE19792942639
Authority: DE
Inventors: Douglas H. Attawaugan Conn. Us Tracy; Elizabeth L. Danielson Conn. Us Callan
Original assignee: Lydall Inc
Current assignee: Lydall Inc
Priority date: 1978-10-23
Filing date: 1979-10-22
Publication date: 1990-03-22
Also published as: DE2942639A1; GB2037343B; GB2037343A; JPS5558281A; FR2439812A1; FR2439812B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Dichtungsmaterial und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Dichtungsmaterial für Weichscheibendichtungen, das in erster Linie aus gewöhnlichem monoklinem Glimmer (Muskovit) und Zellulosefasern besteht und damit frei von Asbestfasern ist.

Über viele Jahre enthielten Dichtungsmaterialien für viele wichtige Anwendungsfälle Asbestfasern als Bestandteil. Asbestfasern waren für Dichtungsmaterialien einzigartig geeignet, da sie dem Dichtungsmaterial kritisch wichtige Wirkungs- und Struktureigenschaften, wie Wärmefestigkeit, hohe Dichtfähigkeit sowie gute mechanische Eigenschaften, wie Komprimierbarkeit, Kriechfestigkeit und Reißfestigkeit, verliehen. Aber nicht nur deshalb, sondern auch wegen der geringen Kosten wurden Asbestfasern bevorzugt.

In Auswirkung der neu entstandenen Diskussion über das mit Asbestfasern verbundene Gesundheitsrisiko sind jedoch Anstrengungen unternommen worden, asbestfreie Dichtungsmaterialien herzustellen. Doch dies höchst wünschenswerte Ziel konnte durch bloßes Ersetzen der Asbestfasern durch andere Fasern nicht erreicht werden. Bisher konnte, unabhängig von Kostenüberlegungen, kein Ersatzstoff gefunden werden, der die Asbestfasern ersetzen kann und Dichtungsmaterialien mit vergleichbaren Eigenschaften liefert. Man war daher gezwungen, speziell für einige kritische Anwendungsfälle Asbestfasern in vielen Dichtungsmaterialien weiter zu benutzen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein asbestfreies Dichtungsmaterial zu schaffen, das in vollem Umfang als Ersatz für bisherige Dichtungsmaterialien mit Asbestfasern dienen kann. Dies neue Dichtungsmaterial ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß es nach Gewichtsanteilen zu 50 bis 75% aus monoklinen Glimmerteilchen und zu 2 bis 20% aus Zellulosefasern besteht. Ein derartig zusammengesetztes Dichtungsmaterial hat überraschenderweise und unerwartet Wirkungs- und Struktureigenschaften, die im wesentlichen gleich oder besser sind als die bekannten Asbestfasern enthaltenden Dichtungsmaterialien. Auch ist das neue Dichtungsmaterial den Asbestfasern enthaltenden Dichtungsmaterialien funktionell gleichwertig und damit als Ersatz für diese verwendbar.

Das Verfahren zur Herstellung eines solchen neuen Dichtungsmaterial gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine wässerige Aufschwemmung aus bezogen auf das Feststoffgewicht 50 bis 75% monoklinen Glimmerteilchen und 2 bis 20% Zellulosefasern bereitet wird und daß diese Aufschwemmung in einer Papierherstellungsmaschine zu Bogen verarbeitet wird. Die Herstellung der Dichtungsmassenaufschwemmung kann in einem Wahl- und Zusatz-Prozeß erfolgen, bei dem die einzelnen Stoffe in vorbestimmter Reihenfolge zugesetzt werden. Als Papiermaschine können herkömmliche Rundsieb- oder Langsiebmaschinen wie bisher für die Herstellung Asbestfasern enthaltender Dichtungsmaterialien verwendet werden. Das Dichtungsmaterial wird dann zu Formdichtungen der gewünschten Art geschnitten. Wegen der fehlenden Asbestfasern entfällt das bisher bei der Zubereitung, dem Handhaben und dem Schneiden von asbesthaltigem Material gegebene Gesundheitsrisiko.

Das Dichtungsmaterial gemäß der Erfindung ist aus folgenden Stoffbestandteilen zusammenesetzt, wobei sich die genannten Gewichtsprozentangaben auf Prozente der Feststoffe in der wäßrigen Aufschwemmung vor der Ausformung oder auf die Prozente der Feststoffe im fertigen Produkt beziehen:

Stoff
% (nach Gewicht des Feststoffes)
Muskovit (monokliner Glimmer, H₂KAl₃(SIO₄)₃)
50-76
Zellulosefasern	2-20% (vorzugsweise 5-15%)
Bindemittel, Füllstoffe etc.	10-35%

Bezugnehmend auf die in Tabelle 1 angegebene allgemeine Zusammensetzung ist es äußerst wichtig, daß die Gewichtsprozentanteile der Zellulosefasern 20%, vorzugsweise 15%, nicht überschreiten. Auch der Gewichtsprozentanteil des Glimmers soll nicht unter 50%, vorzugsweise nicht unter 55%, liegen. Werden diese Höchst- und Niedrigstgrenzen nicht eingehalten, dann erreicht das Dichtungsmaterial nicht die Leistungsfähigkeit sowie die physikalischen und wirtschaftlichen Eigenschaften wie asbesthaltiges Dichtungsmaterial.

Einer der kritischsten Betriebsparameter von Weichdichtungsmaterial und daraus geformten Dichtungen ist die Fähigkeit, in einer Umgebung von hohen Temperaturen zu arbeiten, oder anders gesagt, die Fähigkeit, einem Abbau nach Einwirken erhöhter Temperaturen zu widerstehen. Diese Hochtemperaturfestigkeit muß jedoch mit guten strukturellen und mechanischen Eigenschaften gekoppelt sein. Zellulosefasern haben bekanntlich einige gute mechanische Eigenschaften, wie Zerreißfestigkeit, aber ebenso auch eine sehr geringe Hochtemperaturfestigkeit. Auf der Suche nach einem Ersatz für Asbestfasern hat man daher bisher Zelllosefasern verworfen, da man annahm, daß ihre Verwendung eine strenge obere Temperaturgrenze von nicht mehr als 150°C für das Dichtungsmaterial bedingen würde. Man hat jedoch entdeckt, daß durch eine Begrenzung des Zellulosefaseranteils in einer Zusammensetzung mit einem hohen Anteil an monoklinem Glimmer ein Dichtungsmmaterial hergestellt werden kann, das die gewünschten mechanischen und strukturellen Eigenschaften von Zellulosefasern aufweist und dennoch ausreichend hochtemperaturfest ist.

Die obere Anteilsgrenze der Zellulosefasern liegt bezogen auf das Gewicht bei 20% und vorzugsweise nicht oberhalb von 15%. Wenn der Gewichtsanteil der Zellulosefasern solchermaßen in einer Zusammensetzung mit monoklinem Glimmer begrenzt wird, dann hält ein solches Dichtungsmaterial Umgebungstemperaturen bis zu 205°C ohne Schaden aus. In dieser Einsicht ist also das Weichscheiben-Dichtungsmaterial gemäß der Erfindung unmittelbar vergleichbar mit asbesthaltigem Dichtungsmaterial.

Auch zeigt das neue Dichtungsmaterial die gewünschten mechanischen Eigenschaften von Zellulosefasern, wie eine hohe Reißfestigkeit.

Der Glimmer in dem Dichtungsmaterial gemäß der Erfindung trägt dazu bei, daß die thermischen Eigenschaften denen von asbesthaltigen Dichtungsmaterialien gleichwertig sind. Um die gewünschten Temperatureigenschaften und außerdem ein in wirtschaftlicher Hinsicht brauchbares Material zu erzielen, sollte der Glimmeranteil mindestens 50% des Dichtungsmaterials ausmachen. Der verwendete Glimmer trägt auch zu den mechanischen, strukturellen Eigenschaften sowie den Wirkungseigenschaften des Dichtungsmaterials bei. Die Bogenstruktur des asbesthaltigen Dichtungsmaterials entsteht in erster Linie durch Verschlingen der Asbestfasern. Im Gegensatz dazu ist Glimmer eher ein schuppenförmiger denn ein faserformiger Stoff, und die Bogenstruktur des neuen Materials ergibt sich in erster Linie durch gleichförmige Ausrichtung und Überlappung der Glimmerschuppen zur Bildung der Bogenstruktur, die natürlich durch Bindemittel und faserige Stoffe zusammengehalten wird. Die Überlappung der Glimmerschuppen führt im Ergebnis zu einer das Dichtungsmaterial durchsetzenden Labyrinthstruktur und damit zu günstigen Dichtungseigenschaften des Dichtungsmaterials. Die Schuppenstruktur widersteht außerdem Formveränderungen unter Druckbelastung und verleiht dadurch dem Dichtungsmaterial Maßbeständigkeit.

Außerdem ist es äußerst erwünscht, daß Muskovitglimmer von relativ gleichmäßiger Teilchengröße zur Bildung des Dichtungsmaterials gemäß der Erfindung verwendet wird. Zu diesem Zweck kann naß oder trocken zermahlener monokliner Glimmer verwendet werden, um eine gleichmäßige Teilchengröße sicherzustellen.

Die Verwendung von naß oder trocken gemahlenem Glimmer gleichförmiger Teilchengröße ist aber nicht nur für die Labyrinthringstruktur, sondern auch aus Gründen der Herstellung und Verarbeitung wünschenwert. Der Materialverlust während der Verarbeitung wird durch die Verwendung von Teilchen diskreter und gleichförmiger Größe auf ein Minimum beschränkt, da kein Gruß vorhanden ist, der während der Verarbeitung verlorengeht oder ausgeschieden wird. Außerdem wurde beobachtet, daß bei Verwendung von Muskovitglimmer gleichförmiger Teilchengröße die "Röschheit" des Materials verbessert wird, d. h. die Absonderung und Ableitung des Wassers aus dem Material wird verbessert, wenn das Material auf das Rund- oder Langsieb einer Papiermaschine aufgebracht wird. Da das geformte Dichtungsmaterial weniger Wasser enthält, wird auch die benötigte Energie zur Trocknung des endgültigen Bogenmaterials verringert.

Die Verwendung von trocken oder naß zermahlenem Glimmer gleichförmiger Teilchen wird daher bei der vorliegenden Erfindung als wünschenswert erachtet. Die Verwendung von Stoffen wie Vermiculite, eine Bezeichnung für eine Gruppe von wasser- und glimmerhaltigen Stoffen von unbestimmter chemischer Natur und ungleichförmiger Teilchengröße, ist für die Zwecke der vorliegenden Erfindung nicht sinnvoll. Die Verwendung derartiger Stoffe wäre in der Tat von Nachteil, da für die Trocknung der Bogen aus solchem Material wesentlich mehr Energie und Zeit benötigt würde. Im nachfolgenden werden verschiedene Beispiele für Dichtungsmaterialien gemäß der Erfindung und deren Herstellungsverfahren näher erläutert. Bei jedem Beispiel werden die Stoffanteile in einer wäßrigen Aufschwemmung durch einen Mahl-Zusatz- Prozeß gemischt. Die Zellulose wird zuerst in einer wäßrigen Aufschwemmung bis zu einem Grad von 250 CSF gemahlen oder verfeinert. Dann werden die anderen Stoffe in der Reihenfolge, wie sie aufgelistet sind, der Aufschwemmung zugesetzt. Die endgültige Aufschwemmung wird durch Zusetzen von Wasser angereichert, bis sie 4% Festsubstanz erreicht, und gerührt, bis sie der Papiermaschine zugeführt wird. Die Stoffe werden dann zu der Kopfkammer einer Papiermaschine mit Rundsieb gepumpt und zu Bogen von der Größe 10,16 cm×45,12 cm und einer Dicke von 0,89 mm geformt. Die Bogen werden anschließend bei 68°C etwa eine Stunde lang getrocknet. Danach werden sie durch eine Reihe von Kalanderwalzen geführt, dabei geglättet und auf eine Nenndichte von 1,6 g/ccm gebracht. Anschließend werden die Bogen veschiedenen Prüfungen unterworfen, die die in den Tabellen 2 und 3 aufgeführten Ergebnisse liefern.

Beispiele 1 und 2

Zwei Bogen des Weichdichtungsmaterials mit folgenden Bestandteilen in Gewichtsprozenten werden erstellt:

Die Bogen aus Weichdichtungsmaterial mit Zusammenset zungen entsprechend den Beispielen 1 und 2 lieferten folgende Kennwerte:

Tabelle 2

Die in Tabelle 2 aufgeführten Werte für die einzelnen Eigenschaften sind denen von asbesthaltigem Material sehr ähnlich.

Beispiele 3, 4 und 5

Drei Bogen des gemäß der Erfindung hergestellten Weichdichtungsmaterials enthielten drei verschiedene Bindemittel aus Gummimilch, die den Bindemitteln von drei mit Asbestfasern verstärkten Weichdichtungsmaterialien R1, R2 und R3 entsprechen, die von der Rogers Corporation, der Anmelderin der vorliegenden Erfindung, vertrieben werden. Dies geschah zu dem Zweck, eine unmittelbare Vergleichsmöglichkeit zwischen dem Dichtungsmaterial der vorliegenden Erfindung und den bekannten asbesthaltigen Dichtungsmaterialien zu schaffen. Die Bestandteile in Gewichtsprozenten bei den Beispielen 3, 4 und 5 sowie den drei bekannten asbestverstärkten Dichtungsmaterialien waren folgende:

Die Bogen aus Weichdichtungsmaterial entsprechend den Zu sammensetzungen der Beispiele 3, 4 und 5 und die Bogen aus Dichtungsmaterial entsprechend den Zusammensetzungen der bekannten asbestverstärkten Materialien R1, R2 und R3 erzielten folgende Ergebnisse:

Tabelle 3

Zusätzlich wurden drei Flüssigkeitsbeständigkeitsprüfungen durchgeführt, um die Beständigkeit gegenüber AST Benzin B, ASTM Öl 3 und Wasser zu bestimmen. Die Prüfungsergebnisse sind in den Tabellen 4, 5 und 6 wiedergegeben. Jede Beständigkeitsprüfung wurde 22 Stunden lang bei Raumtemperatur durchgeführt.

Tabelle 4

Flüssigkeitsbeständigkeit: Benzin B - 22 Stunden - Raumtemperatur

Tabelle 5

Flüssigkeitsbeständigkeit: Öl 3 - 22 Stunden - Raumtemperatur

Tabelle 6

Flüssigkeitsbeständigkeit: Wasser - 22 Stunden - Raumtemperatur

Die in den Tabellen 3 bis 6 wiedergegebenen Werte zeigen, daß die Zusammensetzungen gemäß der Erfindung den bekannten asbesthaltigen Dichtungsmaterialien strukturell und funktionell gleichwertig sind. Zur Interpretation der Werte für die Dichtfähigkeit in Tabelle 3 sei angemerkt, daß jedes Ergebnis im Bereich von 1 bis 10 ml/h als gleichwertig anzusehen ist.

Des weiteren wurden thermische Beständigkeitsprüfungen mit Materialien des Beispiels 5 durchgeführt, da Acrylmilch den bevorzugten organischen Stoff für Hochtemperaturanwendungen darstellt, d. h. für Anwendungen, bei denen eine ständie Umgebungstemperatur von etwa 205°C herrscht. Diese Temperatur-Beständigkeitsprüfung bestand drin, daß das Material gemäß Beispiel 5 für 40 Stunden einer Temperatur von 205°C ausgesetzt wurde und dann die Komprimierbarkeit und die Rückbildung gemessen wurde. Nach der Wärmeeinwirkung betrug die Komprimierbarkeit 15,2% - verglichen mit 15,3% gemäß Tabelle 3 vor der Wärmeeinwirkung - und die Rückbildung 48,7% - verglichen mit 48,8% gemäß Tabelle 3 vor der Wärmeeinwirkung. Es ergab sich also keine wesentliche Veränderung des Materials.

Claims

1. Dichtungsmaterial, bestehend zu 50 bis 75 Gew.-% aus monoklinen Glimmerteilchen und zu 2 bis 20 Gew.-% aus Zellulosefasern.

2. Dichtungsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Zellulosefasern 5 bis 15% beträgt.

3. Dichtungsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es zu 10 bis 35% aus Bindemitteln, Füllstoffen, Farbstoffen, Härte- und Veredelungsmitteln besteht.

4. Dichtungsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die monoklinen Glimmerteilchen eine relativ gleichförmige Größe aufweisen.

5. Verfahren zur Hersellung von Dichtungsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine wäßrige Aufschwemmung aus, bezogen auf das Feststoffgewicht, 50 bis 75% monoklinen Glimmerteilchen und 2 bis 20% Zellulosefasern bereitet wird, und daß diese Aufschwemmung in einer Papierherstellungsmaschine zu Bogen verarbeitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogen getrocknet und die getrockneten Bogen kalandriert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufschwemmung 10 bis 35% Bindemittel, Füllstoffe, Farbstoffe, Härtungs- und Veredelungsmittel zugesetzt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Zellulosefasern beim Bereiten der wäßrigen Aufschwemmung auf 15% begrenzt ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Aufschwemmung durch einen Mahl-Zusatz-Prozeß bereitet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellulosefasern zunächst in einer wäßrigen Aufschwemmung bis zu einem vorbestimmten Grad zermahlen oder verfeinert werden, und daß die Glimmerteilchen anschließend der Aufschwemmung zugesetzt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß monokliner Glimmer in Form von Teilchen gleichförmiger Größe verwendet wird.