DE3818066A1 - Klebeverbindung von rohren aus kohlenstoff oder graphit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Klebeverbindung von Kohlenstoff- oder Graphitrohren mit einer die Klebe­ stelle umschließenden, aus Fasern gebildeten Manschette.

Zum Verbinden von aus Kohlenstoff oder Graphit bestehenden Rohren und Zylindern, die nur in vergleichsweise kurzen Längen hergestellt werden können und zu ihrem Gebrauch häufig zu größeren Längen zusammengesetzt werden müssen, ist es bekannt, die verjüngten Enden mit Gewinden zu versehen und mit ebenfalls aus Kohlenstoff und Graphit bestehenden Muffen zu verschrauben. Besonders für dünnwandige Rohre ist die Muffenverbindung weniger geeignet, da durch die sprunghafte Erhöhung der Wandstärke am Übergang zwischen Rohrmantel und Muffe, die not­ wendigerweise einen größeren Außendurchmesser als das Rohr hat, Spannungsspitzen ausgebildet werden. Die Festigkeit der Verbindung wird dadurch erheblich geschwächt und der Abminderungsfaktor beträgt bis zu 50%. Kohlenstoff- oder Graphitrohre werden auch durch Klebe- oder Kittverbindungen miteinander ver­ bunden. Die Rohrenden sind bei diesem Verbindungs­ typ im allgemeinen geschäftet oder profiliert und mit einem, meist ein härtbares Kunstharz enthaltenden Klebstoff oder Kitt beschichtet, der nach dem Zusammen­ stecken der Rohre gehärtet wird. Bei einfach geschäfteten Rohren läßt sich beim Zusammenstecken der Rohre eine Anhäufung des Kitts entlang der Schnitt­ linie von Schäftung und Rohrmantel nicht vermeiden und es kommt zu einer unerwünschten Streuung der Verbindungsfestigkeit, deren Abminderungsfaktor im Mittel ebenfalls etwa 50% beträgt. Eine größere und weniger stark streuende Verbindungsfestigkeit erhält man mit Rohren, deren Enden S-förmig profiliert sind (DE-PS 10 53 260). Die Verbindung, deren Abminderungs­ faktor etwa 30 bis 40% beträgt, enthält in Form eines umlaufenden Spalts eine Kittasche, die durch Berührungs­ linien der beiden Rohre begrenzt ist.

Kohlenstoff und Graphit sind vergleichsweise spröde Werkstoffe und im wesentlichen aus Kohlenstoff und Graphit bestehende Rohre sind besonders empfindlich gegen stoßartige Beanspruchungen. Es ist bekannt, Kohlenstoff- und Graphitrohre durch Gewebemanschetten, z.B. aus Glasfasermatten, zu versteifen (DE-AS 10 49 171) oder die Rohre mit vorgespannten Graphitgarnen zu umwickeln (DE-PS 31 16 309) und Manschetten und Rohre durch Kunstharzbrücken kraftschlüssig zu verbinden. Sich über die Klebe- oder Kittstellen von mit­ einander verbundenen Rohren erstreckende Manschetten und Wicklungen erhöhen die Festigkeit der Verbindung, ohne daß die Bruchfestigkeit der armierten Rohre erreicht wird. Ein Abminderungsfaktor von 30 bis 50% läßt die volle Nutzung der Rohrfestigkeit nicht zu. Es ist auch bekannt, das mit einer Gewebemanschette umhüllte Ende eines Graphitrohrs mit einem Graphit­ flansch zu verkleben (US-PS 27 82 806). Die Manschette ist dabei direkt in die Kittschicht eingelassen und obwohl eine erhebliche Verbesserung der Verbindungs­ festigkeit erzielt wird, erreicht man nicht die Bruchfestigkeit nichtarmierter Rohre.

Gemeinsames Merkmal aller bekanntgewordenen Erfindungen sind die großen Abminderungsfaktoren, die die mecha­ nische Belastbarkeit verbundener Rohre wesentlich einschränken und zwar auf Beträge weit unterhalb der Bruchlast des einzelnen Rohrs. Vergleichsweise günstig verhalten sich Verbindungen mit S-förmig profilierten Klebeflächen, die aber einen vergleichsweise großen Herstellungsaufwand erfordern.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ohne größeren Bearbei­ tungsaufwand eine Verbindung mit hoher Festigkeit zu schaffen, die wie die einzelnen Rohre belastet werden kann.

Die Aufgabe wird mit einer Klebeverbindung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die verklebten Stirnflächen der Rohre Kegelflächen sind und die die Klebestelle umschließende Manschette mit einem Thermoplasten imprägniert ist.

Die Enden der zu verbindenden Rohre sind als komplementäre Kegelflächen ausgebildet, deren Neigung gegen die Längsachse der Rohre etwa 15 bis 60° beträgt. Nach Bestreichen der Flächen mit Klebstoff oder Kitt werden die Rohrenden zusammengesteckt, wobei an den Schnittlinien mit den Rohrmänteln etwas Klebstoff oder Kitt aus der Klebefuge austritt. Die Kittanhäufung und das Ausbrechen der spitz auslaufenden Kanten sind die wesentlichen Schwachpunkte der Verbindung, die erfindungsgemäß durch eine die Verbindungsstelle umschließende, mit einem Thermoplasten imprägnierten Manschette kompensiert werden. Insbesondere wird der Aufbau von Spannungsspitzen verhindert, so daß der Abminderungsfaktor mit 10 bis 15% vergleichs­ weise klein ist und die verbundenen Kohlenstoff- und Graphitrohre unter Berücksichtigung der üblichen Sicherheitszuschläge wie Einzelrohre belastet werden können.

Die zur Herstellung der Verbindung verwendeten Kleb­ stoffe oder Kitte bestehen aus einem feinkörnigen oder pulverigen Kohlenstoffmaterial, z.B. Ruß oder Graphit, und etwa 20 bis 40% härtbaren Harzen als Binder. Zweckmäßig verwendet man als Binder Phenol- Aldehyd-Harze oder Furanharze, denen gegebenenfalls Härtungskatalysatoren zugesetzt werden. Die Plastizität des Kohlenstoffs oder Kitts wird über den Harzanteil im Gemisch oder auch durch Zugabe von Plastifizierungs­ mitteln den jeweiligen Klebebedingungen angepaßt. Zur Härtung der Harzkomponenten werden die Verbindungs­ stellen zweckmäßig auf 120 bis 180°C erhitzt und etwa 4 bis 12 h auf diesen Temperaturen gehalten. Katalysatoren enthaltende Kitte verfestigen sich bereits durch Auslagerung bei Raumtemperatur.

Nach Aushärtung des Harzes wird auf die Rohre eine die Klebestelle umschließende, aus Fasern gebildete Manschette gezogen, deren Länge größer als der Rohr­ durchmesser ist. Manschetten mit einer kleineren Länge verhindern den Aufbau von Spannungsspitzen in und an der Klebestelle weniger wirksam. Die Manschette selbst ist aus Fasern gebildet, die eine möglichst große Zugfestigkeit und Steifigkeit haben und bei den Verwendungstemperaturen der Kohlenstoff- und Graphit­ rohre beständig sind. Beispiele sind Glasfasern, Aramidfasern und Kohlenstoffasern, die wegen ihrer guten Korrosionsfestigkeit bevorzugt werden. Die Manschetten bestehen aus Geweben oder Gewirken dieser Fasern oder aus Garnen, die auf die Rohre aufgewickelt werden.

Wesentlich für die Wirksamkeit der Armierung ist die Bindung zwischen Manschette und Rohrmänteln. Eine sehr starre Verbindung erhält man mit härtbaren Harzen, wie Phenol-Aldehy-Harzen, Furanharzen und auch Epoxidharzen, die unterhalb der Manschette auf die Rohrmäntel aufgetragen oder durch Imprägnierung der Manschette eingebracht und gehärtet werden. Wegen der großen Sprödigkeit der gehärteten Schicht ist ein größerer Spannungsabbau offensichtlich nicht möglich. überraschend günstiger verhalten sich Thermoplasten, mit denen die Manschetten imprägniert werden, Thermoplasten lassen sich leichter verformen und nehmen insbesondere die für die Verbindung schädlichen Schubspannungen auf. Aufgrund der günstigen Temperatur- und Korrosionsfestigkeit sind besonders fluorhaltige Thermoplasten als Imprägniermittel geeignet, z.B.: Polyvinylidenfluorid. Bevorzugt werden perfluorierte Propylvinylether-Copolymere (TFA), die einfach ver­ arbeitbar sind und das Faserwerk der Manschette gut benetzen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert.

Dargestellt sind Graphitrohre 1, 1′, deren Stirn­ flächen 2, 2′ komplementäre Kegelflächen sind. Der Spalt zwischen den Flächen ist mit der Kittmasse 3 gefüllt, die aus einem Phenolformaldehydharz, Ruß und Graphit enthaltenden Gemisch besteht. Über die Rohre, deren Außendurchmesser 37 mm und deren Innendurch­ messer 25 mm beträgt, ist die Manschette 4 aus Kohlen­ stoffasern gewickelt, die mit TFA imprägniert ist.

Zur Prüfung der Verbindungsfestigkeit wurden die verbundenen Rohre auf Biegung belastet (Vierpunkt- Biegeversuch) - Probe (C). Zum Vergleich wurde die Bruchfestigkeit von Graphitrohren (A) und von ver­ klebten Rohren ohne Manschette (B) gemessen.

Claims (6)

1. Klebeverbindung von Rohren aus Kohlenstoff oder Graphit mit einer die Klebestelle umschließenden, aus Fasern gebildeten Manschette, dadurch gekennzeichnet,
daß die verklebten Stirnflächen der Rohre Kegel­ flächen sind und die Manschette mit einem Thermoplasten imprägniert ist.

2. Klebeverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Manschette mit einem fluorhaltigen Thermo­ plasten imprägniert ist.

3. Klebeverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Manschette mit einem perfluorierten Propyl­ vinylethercopolymeren imprägniert ist.

4. Klebeverbindung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Manschette länger als der Rohrdurchmesser ist.

5. Klebeverbindung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Manschette Kohlenstoffasern enthält.

6. Klebeverbindung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Manschette auf die Rohre gewickelt ist.