DE3818067C2 - - Google Patents
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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
oder 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 Verbindungen
sind die großen Abminderungsfaktoren, die die mechanische
Belastbarkeit der verbundenen Rohre wesentlich beschränken
und zwar auf Beträge weit unterhalb der Bruchlast des
einzelnen Rohrs.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe
zugrunde, die Festigkeit der Verbindung derart zu ver
bessern, daß verbundene Kohlenstoff- und Graphitrohre wie
die einzelnen Rohre belastet werden können.
Die Aufgabe wird mit einer Klebeverbindung der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß die Manschette 4 aus
Bereichen 5, 6, 6′ besteht, zwischen den End
bereichen 6, 6′ und den Rohren 1, 1′ die Rohre
ringartig umschließende, relativ zu den Rohren be
wegliche Folien 7, 7′ eingelegt sind und der mittlere
Bereich 5 fest mit den Rohren 1, 1′ verbunden ist.
Die Enden der zu verbindenden Rohre sind in bekannter
Weise profiliert; das eine Ende hat ein beliebiges
positives, das zweite ein komplementäres negatives
Profil. Nach Bestreichen der Profilflächen mit einem
Klebstoff oder Kitt werden die Rohrenden zusammen
gesteckt und der im Kitt enthaltene Binder thermisch
oder katalytisch ausgehärtet. Kitte oder Klebstoffe
bestehen aus einem feinkörnigen Kohlen
stoffmaterial, z.B. Ruß oder Graphit, und etwa
20 bis 40% härtbaren Harzen als Binder. Zweckmäßig
verwendet man als Binder Phenolaldehyd-Harze oder
Furanharze, denen gegebenenfalls Härtungskatalysatoren
zugesetzt sind. Die Plastizität des Klebstoffs oder
Kitts wird über den Harzanteil im Gemisch oder auch
durch Zugabe von Plastifizierungsmitteln den
jeweiligen Klebebedingungen angepaßt. Zur Härtung
der Harzkomponenten werden die Verbindungen zweck
mäßig auf etwa 120 bis 180°C erhitzt und etwa
4 bis 12 h auf diesen Temperaturen gehalten. Katalysatoren
enthaltende Kitte verfestigen sich bereits durch Aus
lagerung bei Raumtemperatur.
Die verklebten Rohrenden sind von einer Manschette
umschlossen, deren Länge vorzugsweise größer als der Rohr
durchmesser ist. Sie besteht aus einem mittleren Bereich
und zwei Endbereichen, die zweckmäßig symmetrisch zur
Klebestelle angeordnet sind. Der mittlere Manschetten
bereich ist fest mit den Rohrmänteln verbunden,
zweckmäßig durch ausgehärtete Kunstharzbrücken, die
Endbereiche liegen auf ringförmigen Folien auf, die
auf die Rohre aufgezogen sind. Die relativ zum Rohr
mantel beweglichen Folien bilden Bereiche ver
minderter Haftung zwischen der Manschette und den
Rohren, so daß an den Enden der Manschette kein sprung
hafter Spannungsanstieg aufgebaut wird. Schubspannungen,
die beispielsweise durch die unterschiedliche Wärme
dehnung von Manschette und Rohren entstehen, bewirken
in Höhe der Endbereiche der Manschetten Scherung
oder Verschiebung der Folien, wodurch diese für die
Verbindungsfestigkeit besonders nachteilige Spannung
wesentlich vermindert wird. Der Abminderungsfaktor
der Verbindungsfestigkeit beträgt daher nur etwa 10%,
so daß durch die Klebverbindung verbundene Kohlen
stoff- oder Graphitrohre unter Berücksichtigung der
üblichen Sicherheitszuschläge wie Einzelrohre
belastet werden können.
Die Länge der die Rohrverbindung umschließenden
Manschette ist nach einer bevorzugten Ausbildung
wenigstens gleich groß und höchstens viermal so groß wie
der Rohrdurchmesser. Erstreckt sich, etwa in Form
einer Wicklung, die Manschette über einen größeren
Teil der Rohrlänge, sollten die den direkten Kontakt
zwischen Manschette und Rohr unterbrechenden Folien
nicht weiter als etwa den einfachen Rohrdurchmesser
von der Klebestelle entfernt sein. Bei größerem
Abstand nimmt die Spannungsentlastung der Verbindung
erheblich ab. Die Manschette selbst ist aus Fasern
gebildet, die eine möglichst große Zugfestigkeit
und Steifigkeit haben und bei den Härtungstemperaturen
des Kitts und den Verwendungstemperaturen der Kohlen
stoff- und Graphitrohre beständig sind. Beispiele sind
Glasfasern, Aramidfasern und vor allem Kohlenstoffasern,
die wegen der gleichen Korrosionsfestigkeit wie die Rohre
bevorzugt werden. Die Manschetten bestehen aus Geweben
oder Gewirken dieser Fasern oder aus Garnen, die auf
die Rohre aufgewickelt werden. Gewebe und Garne sind
mit härtbaren Kunstharzen beschichtet, beispielsweise
den gleichen Harzen, die für Klebstoffe oder Kitte
verwendet werden. Zweckmäßig härtet man die Harze des
Kitts und die Beschichtungsharze in einem Arbeitsgang.
Die dabei gebildeten Brücken aus gehärtetem Harz
bewirken eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem
mittleren Bereich der Manschette und den miteinander
verklebten Rohren. Nach einer bevorzugten Ausbildungs
form besteht die Manschette aus vorimprägnierten Gelegen,
deren Fasern parallel zu den Achsen der Rohre
verlaufen.
Unterbrochen wird die Verbindung zwischen Rohren und
Manschette in deren Endbereichen, in denen ring
förmige Folien zwischen Manschetten und Rohren ein
gelegt sind. Grundsätzlich sind für diesen Zweck
temperatur- und korrosionsfeste Folien geeignet,
deren Reibungskoeffizient möglichst klein ist oder
die leicht durch Gleitung verformt werden können.
Beispiele für die erste Gruppe sind fluorhaltige
Polymere, wie Polytetrafluorethylen, ein Beispiel
der zweiten Gruppe ist Graphitfolie, die sich besonders
günstig verhält. Die zweckmäßig 0,1 bis 0,2 mm dicken
Folien werden in Streifen mit einer dem Rohrumfang
entsprechenden Länge und einer Breite entsprechend
etwa 1/5 bis 1/4 der Manschettenlänge geschnitten, in
Abstand von der Verbindungsstelle der Rohre um die
Rohre gelegt und durch die aufgezogene Manschette
fixiert. Eine Verbindung größerer Festigkeit zwischen
der kunstharzbeschichteten Manschette und den Folien
bildet sich dabei nicht, da die Haftung des Harzes
auf der Folie sehr gering und wesentlich schlechter
ist als auf der Mantelfläche der Rohre.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung
beispielhaft erläutert.
Dargestellt sind Graphitrohre 1, 1′ mit S-förmig
profilierten Stirnflächen 2, 2′. Der zwischen den
Stirnflächen gebildete Spalt ist mit Kittmasse 3
gefüllt, die aus einem Phenolformaldehydharz, Ruß und
Graphitpulver enthaltenden Gemisch besteht. Über die
Verbindungsstelle der Rohre mit einem Außendurchmesser
von 37 mm und einem Innendurchmesser von 25 mm ist
eine kunstharzbeschichtete Manschette 4 aufgezogen,
die einen mittleren Bereich 5 und Endbereiche 6, 6′
enthält. Beim Härten der Kunstharzbeschichtung entsteht
über Kunstharzbrücken eine kraftschlüssige Verbindung
zwischen dem mittleren Bereich 5 der Manschette und
den Rohren 1, 1′. Zwischen den Endbereichen 6, 6′
der Manschette und den Rohren 1, 1′ sind ringförmige
Graphitfolien 7, 7′ mit einer Dicke von 0,2 mm ein
gelegt, die eine Verklebung zwischen Manschette und
Rohren in diesem Bereich ausschließen. Die Manschette
besteht aus Graphitfasergarn mit einer Zugfestigkeit
von etwa 3 GPa.
Zur Prüfung der Verbindungsfestigkeit wurden die ver
bundenen Rohre auf Biegung (Vierpunkt-Biegeprüfung)
- Probe (C) beansprucht. Zum Vergleich wurde die Bruchfestigkeit
von Graphitrohren (A) und verklebten Rohren ohne
Manschette (B) gemessen.
Claims (5)
1. Klebeverbindung von Rohren aus Kohlenstoff oder
Graphit mit einer die Klebestelle umschließenden,
aus Graphit-Fasern gebildeten Manschette,
dadurch gekennzeichnet,
daß
zwischen den Endbereichen (6, 6′) der Manschette (4) und den
Rohren (1, 1′) die Rohre ringartig umschließende,
relativ zu den Rohren bewegliche Folien (7, 7′) ein
gelegt sind und der mittlere Bereich (5) der Manschette (4) fest mit
den Rohren (1, 1′) verbunden ist.
2. Klebeverbindung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge der Manschette größer als der Rohr
durchmesser ist und höchstens den vierfachen Rohr
durchmesser beträgt.
3. Klebeverbindung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Manschette auf die Rohre gewickelt ist.
4. Klebeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Manschette aus Gelegen besteht, deren Fasern
parallel zur Achse der verbundenen Rohre verlaufen.
5. Klebeverbindung nach einem der Anksprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ringartig umschließenden Folien Graphitfolien sind.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: SIGRI GREAT LAKES CARBON GMBH, 6200 WIESBADEN, DE |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |