DE3735634C2

DE3735634C2 -

Info

Publication number: DE3735634C2
Application number: DE19873735634
Authority: DE
Inventors: Hans-Rainer Dr. 5093 Burscheid De Zerfass; Bernd Dipl.-Ing. 5090 Leverkusen De Spillner
Original assignee: GOETZE AG 5093 BURSCHEID DE
Current assignee: Federal Mogul Sealing Systems GmbH
Priority date: 1987-10-21
Filing date: 1987-10-21
Publication date: 1990-06-13
Also published as: DE3735634A1

Description

Die Erfindung betrifft ein asbestfreies Weichstoffflachdichtungsmaterial für die Herstellung hoch beanspruchter Flachdichtungen, wie Zylinderkopfdichtungen, Auspuffflanschdichtungen oder ähnlich belastete Dichtungen für vor allem Verbrennungskraftmaschinen, bestehend aus einem gegebenenfalls metallisch verstärkten und imprägnierten, im Papierherstellungsverfahren hergestellten Faservlies mit organischen Synthesefasern, pulvrigen bis feinkörnigen Füllstoffen und polymeren Bindemitteln.

Herkömmliche Weichstoffflachdichtungen für Verbrennungskraftmaschinen bestehen bevorzugt aus gegebenenfalls metallisch verstärkten Asbestfaservliesen, die im Papierherstellungsverfahren aus Ausschlämmungen von Asbestfasern unter Zusatz von Latexbindemitteln gewonnen werden. Asbestfasern sind dabei hochtemperaturbeständig, und sie lassen sich gut im Papierherstellungsverfahren zu Faservliesen mit für Zylinderkopfdichtungen geeigneter Verformbarkeit, Festigkeit, Porosität und Beständigkeit herstellen. Zusätzlich werden Weichstoffzylinderkopfdichtungen vor allem zur Erhöhung ihrer Festigkeit, ihrer Querschnittsdichtigkeit und ihrer Abdichtgüte mit in der fertigen Dichtung vernetzten Imprägniermitteln imprägniert, und gerade Asbestzylinderkopfdichtungen lassen sich gut mit der gewünschten Porenfüllung mit gleichmäßiger Verteilung imprägnieren.

Wegen der gesundheitsgefährdenden Wirkung von Asbestfasern sind heute immer mehr Zylinderkopfdichtungen mit asbestfreien Faservliesen im Einsatz. Da die bisher bekannten Asbestersatzfasern alleine nicht alle technologischen Eigenschaften des Asbestes zugleich besitzen, hat man im Papierherstellungsverfahren Faservliese für Zylinderkopfdichtungen aus Gemischen verschiedener Faserarten hergestellt. Nach der DE-PS 29 14 173 enthalten die Faservliese zur Papierblattbildung geeignete Fasern, wie insbesondere Zellulosefasern und organische Synthesefasern, vor allem zur Erreichung der geforderten Beständigkeits- und Festigkeitswerte. Nach der DE-OS 32 32 255 enthalten die Faservliese mindestens drei verschiedene Faserarten, nämlich organische Naturfasern, organische Synthesefasern und anorganische Mineralfasern neben mineralischen Füllstoffzusätzen und Zusätzen an organischen Bindemitteln.

Bei Gemischen dieser verschiedenen Faserarten ist es jedoch aufwendig und schwierig, völlig homogene Faseraufschlämmungen zu erhalten, und in den im Papierherstellungsverfahren gewonnenen Faservliesen können leicht nachteilig ungleichmäßige Verteilungen der Faserarten entstehen. Ebenso kann sich ein relativ hoher Zellulosefaseranteil nachteilig auf die Temperaturbeständigkeit der Dichtung auswirken.

Nach der DE-PS 31 06 411 bestehen die im Papierherstellungsverfahren gewonnenen Faservliese für Zylinderkopfdichtungen aus 3 bis 60 Gewichtsteilen Phenolharzfasern, 5 bis 50 Gewichtsteilen Polyaramidfasern, 10 bis 80 Gewichtsteilen anorganischen Füllstoffen und 10 bis 40 Gewichtsteilen Kautschukbindemittel. In diesem Fall lassen sich die ausschließlich verwendeten und physikalisch ähnlichen organischen Synthesefasern aus Phenolharz und Aramid leichter zu homogenen Faservliesen verarbeiten. Die verwendeten unbehandelten organischen Synthesefasern besitzen aber relativ glatte Oberflächen und dadurch bedingt eine schlechte Haftung untereinander und zu den anorganischen Füllstoffen. Damit überhaupt ein ausreichend festes Faservlies gebildet werden kann, müssen die hohen organischen Bindemittelanteile eingesetzt werden. Hohe organische Bindemittelanteile im Faservlies verschlechtern vor allem deren Setzverhalten bei Temperaturbelastungen, so daß Zylinderkopfdichtungen mit derartigen Faservliesen nur begrenzt einsetzbar sind.

Es ist schon bekannt, organische Synthesefasern, wie insbesondere Polyaramidfasern, zu fibrillieren und dadurch die Faseroberfläche wesentlich zu vergrößern. Nach beispielsweise der US-PS 43 87 178 besteht ein asbestfreies im Papierherstellungsverfahren gefertigtes Faservlies für Flachdichtungen aus 5 bis 40% fibrillierter Polyaramidfaser, 25 bis 85% mineralischem Füllstoff, 0,5 bis 10% Phenolharzzusatz und 5 bis 25% eines Polyacrylatlatex mit gegebenenfalls für die Vernetzung erforderlichen Zusatzstoffen. Die Faservliese weisen vor allem hinsichtlich ihrer Verformung bei Druckbelastung, ihrer Elastizität und ihrer Beständigkeit gegenüber verschiedenen Abdichtmedien für hoch belastete Flachdichtungen geeignete Eigenschaften auf und vor allem waren ihre Festigkeitseigenschaften auch bei geringerem Bindemittelanteil so hoch, daß ihre Temperaturbelastbarkeit auch für die Verwendung in Zylinderkopfdichtungen geeignet war. Nachteilig erwies sich allerdings bei diesem Material der relativ steile Anstieg der Verformungskennlinie, gemessen aus der aufgebrachten Flächenpressung in Abhängigkeit von der dabei gemessenen Dickenänderung des Faservlieses.

Nach der DE-OS 34 15 567 besteht ein asbestfreies Faservliesmaterial für Dichtungen aus 35 bis 60% plastischem Ton, 10 bis 40% fibrillierten Polyaramidfasern, 5 bis 20% organischem Polymerbinder und 2 bis 10% Zellulosefasern. Die Zellulosefasern fördern dabei die Faservliesbildung im Papierherstellungsverfahren, allerdings reichen die Verformungseigenschaften dieses Materials noch nicht aus, um für alle Anwendungsfälle geeignete Zylinderkopfdichtungen herzustellen.

Bei Zylinderkopfdichtungen, bei denen vor allem am metallisch eingefaßten Brennraumrand ein möglichst genau auf die Motorverhältnisse abgestimmter Dichtpressungsdruck beim Einbau eingestellt werden muß, ist ein wesentlich flacherer Verlauf der Verformungskennlinie erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Weichstoffflachdichtungsmaterial gemäß Oberbegriff des Hauptpatentanspruchs zu schaffen, welches eine flachere Verformungskennlinie beim Einbau besitzt, und welches einfach und kostensparend herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein im Papierherstellungsverfahren gewonnenes Faservlies gemäß Oberbegriff des Hauptpatentanspruches gelöst, dessen organische Fasern aus einem Gemisch fibrillierter p-Polyaramidfasern mit nicht fibrillierten Synthesefasern mit erhöhter Temperaturbeständigkeit über 200°C, einer Bruchdehnung von mehr als 15% und einem E-Modul von unter 15 kN/mm² bestehen. Das Gewichtsverhältnis der fibrillierten p-Polyaramidfaser zur nicht fibrillierten organischen Synthesefaser liegt dabei bevorzugt zwischen 1 : 4 und 4 : 1. Die bevorzugte Zusammensetzung eines erfindungsgemäßen Faservlieses besteht dann aus

1 bis 15 Gewichtsprozent fibrillierter p-Polyaramidfaser
1 bis 15 Gewichtsprozent nicht fibrillierter organischer Synthesefaser mit den obigen technologischen Eigenschaften
35 bis 95 Gewichtsprozent eines anorganischen Füllstoffs und
3 bis 10 Gewichtsprozent eines organischen Bindemittels und
0 bis 30 Gewichtsprozent Mineralfasern.

Mit den erfindungsgemäßen Faservliesen wurden Prüfringe mit metallisch eingefaßten Öffnungsrändern hergestellt und ihr Verformungsverhalten an den Einfassungen bestimmt. Die vermessenen Verformungswerte wurden mit gemäß der US-PS 43 87 178 hergestellten Prüfringen mit lediglich fibrillierten Polyaramidfasern verglichen, und dabei wurde für uns überraschend bei den erfindungsgemäßen Prüfringen ein wesentlich flacherer Verlauf der Verformungskennlinie als bei den bekannten Materialien festgestellt. Mit den erfindungsgemäßen Faservliesen können jetzt auch Dichtungsmaterialien mit am Öffnungsrand genau auf die Motorverhältnisse abgestimmter Dichtpressung hergestellt werden.

Gefunden wurde, daß als nicht fibrillierte organische Synthesefasern mit einem E-Modul von weniger als 15 kN/mm² und einer Bruchdehnung von mehr als 15% vor allem die Fasern aus meta-Polyaramid, Polyimid und voroxidiertem Polyacrylnitril eingesetzt werden können.

Die Faserlänge aller im Faservlies eingesetzten Fasern sollte bevorzugt im Bereich zwischen 0,2 und 6 mm liegen, dabei können erfindungsgemäß dem Faservlies vor allem zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit auf der Papiermaschine auch bis zu 30 Gewichtsprozent Mineralfasern, wie Glasfasern, Steinwollfasern oder Schlackenfasern zugegeben sein. Dieser Zusatz beeinflußt das Verformungsverhalten des Faservlieses nur unwesentlich.

Als mineralische, pulvrige bis feinkörnige Füllstoffe werden die aus der asbestfreien Faservliestechnik bekannten mineralischen Füllstoffe, wie Kieselsäure, Tonerde, Glimmermehl, Schiefermehl, Diatomeenerde, Porzellanerde, Wollastonit oder Keramik, verwendet. Als Bindemittel wird bevorzugt ein Nitrilbutadien-Latex mit gegebenenfalls den zur Vernetzung erforderlichen Zusatzstoffen verwendet.

Die Herstellung der Faservliese erfolgt im Papierherstellungsverfahren nach den aus der Faservliestechnik bekannten Verfahrensschritten.

Durch die Erfindung ist somit ein asbestfreies Faservliesmaterial für die Herstellung von vor allem Zylinderkopfdichtungen von Verbrennungskraftmaschinen geschaffen, das neben den erforderlichen Festigkeitswerten, Beständigskeitswerten gegenüber Abdichtmedien, der Temperaturbeständigkeit, der Elastizität und Verformbarkeit auch eine flache Verformungskennlinie aufweist. Diese flache Verformungskennlinie ermöglicht beim Einbau die Einstellung eines genau auf die Motorverhältnisse abgestimmten Dichtpressungsdruckes, vor allem zwischen eingefaßtem Brennraumbereich und Restfläche. Das mit den erfindungsgemäßen Faservliesen hergestellte Weichstoffflachdichtungsmaterial kann zusätzlich, wie bei Zylinderkopfdichtungen üblich, imprägniert sein oder es können damit auch Auspuffflanschdichtungen oder andere Flachdichtungen, vor allem für den Motorenbau, hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Dichtungsmaterial kann darüber hinaus preiswerter sein, da relativ teure p-Polyaramidfasern durch preiswertere organische Synthesefasern ersetzt werden können.

In der Abbildung sind die Verformungskennlinien von drei metallisch eingefaßten Faservliesringen dargestellt.

Die Probe 1 dient zum Vergleich und das Faservlies besteht aus

5% p-Polyaramidfaser fibrilliert, Faserlänge 0,2 bis 6 mm
10% p-Polyaramidfaser nicht fibrilliert, Faserlänge 0,2-6 mm
7% NBR-Katuschuklatex als Bindemittel
78% Kieselsäure als Füllstoff

Die Probe 2 ist ein erfindungsgemäßes Faservlies und besteht aus

5% p-Polyaramidfaser fibrilliert, Faserlänge 0,2 bis 6 mm
10% m-Polyaramidfaser nicht fibrilliert, Faserlänge 0,2 bis 6 mm
7% NBR-Kautschuklatex als Bindemittel
78% Kieselsäure als Füllstoff

Die Probe 3 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Faservlies aus

5% p-Polyaramidfaser fibrilliert, Faserlänge 0,2 bis 6 mm
10% voroxidierter Polyacrylnitrilfaser nicht fibrilliert, Faserlänge 0,2 bis 6 mm
7% NBR-Kautschuklatex als Bindemittel
78% Kieselsäure als Füllstoff

Die Prüfringe besitzen eine Faservliesdicke von 1,748 bis 1,752 mm und sind am Öffnungsrand mit einer im Querschnitt U-förmig über den Rand gebogenen metallischen Einfassung aus einem Ironal-Stahlblech von 0,25 mm Dicke versehen. Bei den Prüfringen sind die Einfassungen nicht in den Weichstoff einplaniert und der Bördelüberstand ist gleich der Einfassungsdicke. Die Messung der Flächenpressung und des Verformungswegs erfolgt an der Einfassung im Modellgerät.

In der Abbildung sind im Diagramm auf der X-Achse die Verformung 5 der Dichtungsplatte in Mikrometer und auf der Y-Achse die Flächenpressung 4 in N/mm² angegeben. Die Kurven sind die Verformungskennlinien der vermessenen Prüfringe. Dabei bedeutet der relativ steile Anstieg der Verformungskennlinie der Vergleichsprobe 1 eine starke Erhöhung der Flächenpressung bei schon geringer Verformungsveränderung, während die Verformungskennlinien der erfindungsgemäßen Proben 2 und noch mehr 3 flacher ansteigen und entsprechende Verformungsveränderungen wesentlich geringere Änderungen der Flächenpressungen hervorrufen. Nur bei den erfindungsgemäßen Proben 2 und 3 ist die problemlose Einstellung eines genau auf die Motorverhältnisse abgestimmten Dichtpressungsdruckes zwischen eingefaßtem Öffnungsrand und Restfläche möglich.

Claims

1. Asbestfreies Weichstoffflachdichtungsmaterial für die Herstellung hoch beanspruchter Flachdichtungen, wie insbesondere Zylinderkopfdichtungen, Auspuffflanschdichtungen oder ähnlich belastete Dichtungen von vor allem Verbrennungskraftmaschinen, bestehend aus einem gegebenenfalls metallisch verstärkten und imprägnierten, im Papierherstellungsverfahren hergestellten Faservlies mit organischen Synthesefasern, pulvrigen bis feinkörnigen Füllstoffen und polymeren Bindemitteln, dadurch gekennzeichnet, daß die organischen Fasern im Faservlies aus einem Gemisch fibrillierter p-Polyaramidfasern mit nicht fibrillierten Synthesefasern mit erhöhter Temperaturbeständigkeit über 200°C, einer Bruchdehnung von mehr als 15% und einem E-Modul von unter 15 kN/mm² bestehen.

2. Weichstoffflachdichtungsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von fibrillierter p-Polyaramidfaser zur nicht fibrillierten Synthesefaser zwischen 1 : 4 und 4 : 1 liegt.

3. Weichstoffflachdichtungsmaterial nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht fibrillierten organischen Synthesefasern aus m-Polyaramidfasern, aus Polyimidfasern und/oder voroxidierten Polyacrylnitrilfasern bestehen.

4. Weichstoffflachdichtungsmaterial nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Faservlies zusätzlich bis zu 30 Gewichtsprozent an Mineralfasern enthält.

5. Weichstoffflachdichtungsmaterial nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Fasern im Bereich zwischen 0,2 und 6 mm variiert.

6. Weichstoffflachdichtungsmaterial nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Faservlies aus 1 bis 15 Gewichtsprozent fibrillierter p-Polyaramidfaser
1 bis 15 Gewichtsprozent nicht fibrillierter organischer Synthesefaser
0 bis 30 Gewichtsprozent Mineralfaser
35 bis 95 Gewichtsprozent mineralischem Füllstoff und
3 bis 10 Gewichtsprozent organischem Bindemittelbesteht.