DE4419007C2 - Verfahren zur Herstellung einer imprägnierten Flachdichtung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer imprägnierten Flachdichtung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer imprägnierten Flach­ dichtung aus einem faserartigen Prepreg gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Ein solches Verfahren ist in DE-OS 23 04 558 beschrieben. Eine Flachdichtung, insbesondere Zylinderkopfdichtung, aus einem faserartigen Werkstoff, insbeson­ dere Asbest, wird in fertig gestanzter und gebördelter Form, gegebenenfalls metallisch verstärkt, teilweise oder vollständig mit einer organischen, syntheti­ schen und vollständig polymerisierbaren Flüssigkeit getränkt. Gemäß einer be­ schriebenen Alternative ist das Tränkmittel in der einbaufähigen Flachdichtung bis zu einer plastischen Konstistenz teilpolymersiert. Dieser Vorgang erfolgt z. B. bei ca. 130°C in einem Ofen über ca. 3 Stunden.
Eine auf diese Weise erhaltene Zylinderkopfdichtung enthält ein noch sehr gut plastisches und komprimierbares Polymerisat, welches nachvernetzbar ist. Es handelt sich dabei um ein in der Kunststofftechnik als Prepreg bekanntes Mate­ rial, welches definitionsgemäß mit härtbaren Kunstharzen vorimprägniert ist und durch Warmpressen zu Formteilen verarbeitet werden kann.
Die genannte Druckschrift schlägt vor, die so solchermaßen vorimprägnierte Zylinderkopfdichtung in den Motor einzubauen. Danach erfolgt bei dessen Betriebstemperatur die thermische Nachvernetzung des Tränkmittels, wodurch sich die gewünschte Querschnittsdichtigkeit mit der gewünschten Undurch­ lässigkeit gegen Brenngase, Schmieröle und Kühlflüssigkeit einstellt.
DE-GM 84 25 480 offenbart eine imprägnierte Weichstoffflachdichtung, insbe­ sondere eine Zylinderkopfdichtung für Verbrennungskraftmaschinen, bestehend aus einem ggf. metallisch verstärkten Faservlies aus ggf. asbestfreien Fasern und/oder Fasergemischen organischen und/oder anorganischen Ursprungs, einem Bindemittel und ggf. einem Füllstoff in pulveriger bis feinkörniger Form und einer Flüssigimprägnation des Faservlieses, wobei das flüssige Impräg­ niermittel in der einbaufertigen Dichtung direkt zu einem plastischen bis elasti­ schen Endzustand vernetzt wird. Kritisiert wird bei bekannten Dichtungen die niedrige Fließgrenze imprägnierter Faservliese bei höherer Druckbelastung. Zur Überwindung dieses Problems wird vorgeschlagen, vor der Flüssigimprägnation zusätzlich 3 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das imprägnierte Faservlies, duromere Kunstharze in das Imprägniermittel einzubringen. Bevorzugt werden Melamin-, Expoxid- und/oder Phenolharze.
Es wird als wesentlich herausgestellt, daß die duromeren Kunstharze im Im­ prägniermittel in einer noch reaktiven Form, vor der eigentlichen Flüssigim­ prägnation, vorhanden sind.
Als eine mögliche Verfahrensvariante wird vorgeschlagen, die Faservliese vor der eigentlichen Flüssigimprägnation mit Lösungen, Dispersionen oder Suspen­ sionen der vorvernetzten reaktiven Kunstharze vorzuimprägnieren. Das Endver­ netzen der Kunstharze kann dann auch nach der Imprägnation, beim Vernetzen des Imprägniermittels, erfolgen.
DE 41 09 681 C1 geht bei der Herstellung imprägnierter Flachdichtungen von Faservliesen, also noch relativ unverfestigten Faserflächengebilden, aus. Ein mit einem Trägerblech verbundenes, in sich unverfestigtes Faservliesmaterial oder ein einfaches Faservliesmaterial in Bandform wird kontinuierlich durch ein Im­ prägniermittelbad und anschließend durch einen Vernetzungsofen zur Vernet­ zung des Imprägniermittels geführt. Dann wird aus dem imprägnierten, band­ förmigen Dichtungsmaterial die Flachdichtung ausgestanzt und in den weiteren Verfahrensschritten fertiggestellt. Die Vliese bestehen aus organischen Synthesefasern. Nachteilig dabei ist, daß, insbesondere bei kontinuierlicher Arbeitsweise, um Dichte- und Eigenschaftsschwankungen möglichst gering zu halten, eine gleichmäßige Verteilung aller Bestandteile im Vlies gewährleistet sein muß. Dazu sind sehr aufwendige Verfahrens- und Kontrollschritte während der Aufbereitung der Fasern und der Mischung der im Verfahren verwendeten Komponenten erforderlich. Unter anderem muß dafür Sorge getragen werden, daß gesundheitsgefährdende Faserstäube nicht entstehen oder abgefangen werden. Ferner sind die Handhabung und der Transport unverfestigter Faserflä­ chengebilde während des Verfahrens wegen der mangelnden mechanischen Stabilität beträchtlich erschwert.
DE 32 32 255 A1 befaßt sich mit einem Verfahren zur Herstellung von asbest­ freien Weichstoffflachdichtungen aus einem Faservlies mit mindestens drei ver­ schiedenen Faserarten sowie Füllstoffen und Bindemitteln. Dabei wird die Mög­ lichkeit offenbart, auf einen gegebenenfalls als Rauhblechplatte ausgebildeten Metallträger ein- oder beidseitig Faservliese aufzuwalzen, vorzugsweise analog einem Papierherstellungsverfahren. Aus den Faservliesen und dem Metallträger können die Konturen der Flachdichtung separat herausgestanzt und Faservlies und Metallträger zu einer Flachdichtung vereinigt werden.
DE 31 06 411 A1 beschreibt eine asbestfreie Zusammensetzung zur Herstellung von Dichtungen. Die Zusammensetzung wird durch Entfernen von Wasser aus einem wäßrigen Eintrag erhalten, der Phenolharzfasern, Fasern aus aromati­ schem Polyamid, einen anorganischen Füllstoff, ein synthetisches Kautschuk­ bindemittel und ein wasserunlösliches Hydroxid aufweist. Der Kautschuklatex wird auf den Fasern und den Füllstoffpartikeln abgelagert und dient als Binder in der entstandenen Zusammensetzung. Die resultierende Aufschlämmung wird zu einer Handplatte geformt, diese danach ausgepreßt, um den Überschuß an Feuchtigkeit zu entfernen, und danach im Stück bei einer Temperatur von etwa 110°C getrocknet.
Ausgehend vom erstgenannten Stand der Technik, DE OS 23 04 558, hat die Erfindung zur Aufgabe, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, welches jedoch kontinuierlich durchgeführt werden kann, eine gleichbleibende Mate­ rialqualität gewährleistet und, unter Vermeidung von Faserstäuben, mit mechanisch widerstandsfähigeren Ausgangs-, Zwischen- und Endprodukten auskommt.
Die Lösung dieses Verfahrens besteht in der Art und Reihenfolge der Verfah­ rensschritte des kennzeichnenden Teils im ersten Patentanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungswesentlich ist, daß man als vorzuimprägnierende Materialien keine losen Fasergelege (Vliese) oder fertig geformte Dichtungsmaterialien verwendet, sondern Vliesstoffe, also durch Bindemittel verfestigte Faservliese, bei denen durch ein oder mehrere Nachbehandlungsverfahren der Zusammenhalt der Fa­ sern hoch ist und die als Flächengebilde und Rollenware zur Verfügung stehen. Durch die Art der Fasern, die Mischung unterschiedlicher Fasern, die Art der Verfestigungsverfahren, die Faserverteilung und die mechanische Nachbearbei­ tung lassen sich dadurch asbestfreie Vliesstoffe mit definierten physikalischen und chemischen Eigenschaften maßgerecht für den jeweiligen Verwendungs­ zweck herstellen. Die Herstellung entsprechender Varianten solcher Vlies­ stoffeigenschaften ist praktisch unbegrenzt und lediglich durch den Einsatz der daraus entstehenden Flachdichtung bestimmt. Das zur Verfügungstellen ent­ sprechender Vliesstoffe ist Inhalt eines mannigfaltigen Standes der Technik, für den Fachmann leicht durchzuführen und nicht Gegenstand der Erfindung.
Erfindungsgemäß erfolgt also das Tränken mit der vorvernetzbaren Polymerenmi­ schung an bereits mit Bindemittel verfestigten Faservliesstoffen in Bahnenform. Die Polymerenmischung kann gefüllt oder ungefüllt sein.
Die getränkte Bahn wird vor Eintritt in den Trockenofen in an sich be­ kannter Weise durch zwei Abquetschwalzen laufen gelassen. Durch die Viskositätseinstellung der Polymerenmischung und den Abstand der Abquetschwalzen lassen sich der Anteil an Polymeren und die Dicke der Polymerschicht steuern. Entsprechende Vorversu­ che sind einfach durchzuführen, da das Resultat sofort nach der Walzbehand­ lung vorliegt.
Es schließt sich die Behandlung des imprägnierten Vliesstoff-Flächengebildes im Trockenofen an, wo die Lösungs-, Dispersion- oder Suspensionsmittel so ent­ fernt werden, daß nach dem Verlassen der polymere Anteil zwar trocken, jedoch noch nicht vollständig ausgehärtet ist. Im Zustand dieser Vorvernetzung liegt al­ so eine Vliesstoff-Prepreg-Bahn vor, welche latente Klebe- und Siegeleigenschaf­ ten besitzt.
Diese Prepreg-Bahnen können in gewünschter Anzahl, entsprechend der ge­ wünschten Enddicke einer Flachdichtung, aufeinandergelegt, und unter Druck und Wärme miteinander verbunden werden. Der entstehende Verbund muß in jedem Falle zuletzt einer Wärmeeinwirkung unterworfen werden, welche aus­ reicht, die Endvernetzung des Polymeranteils im Prepreg auszulösen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, daß man Vliesstoff-Prepreg-Bahnen von oben und unten auf eine Kunststoff- oder Metallfolie auflegt, diese Schichten laminiert und das Laminat in beheizten Wal­ zenpaaren oder, falls längere Laminierzeiten erforderlich sind, in einer Doppel­ bandpresse zu einem Dichtungsmaterial verbindet. Die Endvernetzung erfolgt wieder in einem Trockenofen. Solchermaßen hergestellte Dichtungen mit Ver­ steifungskern sind nicht mehr biegeschlaff und erleichtern wesentlich die Mon­ tage, insbesondere, wenn diese vollautomatisch vorgenommen werden soll.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung dieser Verfahrensvariante besteht darin, daß man die Formgebung des Vliesstoff-Pepregs, z. B. durch Stanzen oder Laser­ schneiden, und der Trägerschicht, z. B. durch Stanzen, Laserschneiden oder Spritzen, jeweils getrennt durchführt. Auf den solchermaßen vorkonturierten Träger werden beidseitig die ebenfalls vorkonturierten Formteile der Vliesstoff- Prepregs paßgenau aufgelegt und entsprechend dem obigen Verfahren laminiert mit anschließender Endvernetzung der Polymeren. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß der Abfall bei der Dichtungsherstellung wesentlich reduziert ist und leicht recycelt bzw. entsorgt werden kann.
Alle genannten Verfahrensvarianten sind kontinuierlich durchführbar; der vorver­ festigte Vliesstoff widersteht in allen Phasen den mechanischen und thermi­ schen Einwirkungen der verarbeitenden Maschinen.
Die genannten kernverstärkten Flachdichtungen können, insbesondere für die Anwendung als Zylinderkopfdichtungen, mit Sicken versehen werden. Dabei zeigt sich, daß bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sich die vliesstoffverstärkten Dichtungsschichten auf der Verstärkungsfolie beim Sicken gut verformen lassen, wobei keine Rißbil­ dung oder wesentliche Reduzierung der Schichtdicke an der Dichtung beobach­ tet wird.
Das folgende Beispiel soll die Erfindung erläutern.
Es wird eine stahlblechverstärkte Flachdichtung mit Vliesstoff-Prepregs aufge­ baut.
Rezeptur des Imprägnierungsbades (Teile = Gewichtsteile):
50 Teile einer handelsüblichen 50%igen wäßrigen Dispersion eines Copolymeren auf der Basis von n-Butylacrylat, Methylacrylat, Styrol und Acrylnitril
50 Teile einer handelsüblichen 40%igen wäßrigen Dispersion eines Copolymeren aus Acrylnitril und Butylacrylat
6 Teile roter Phosphor (Füllstoff)
60 Teile 2,4,6-Triamino-1,3,5-triazin (Füllstoff)
1 Teil einer handelsüblichen wasserdispergierbaren Präparation von Kupfer-Phthalocyanin
5,9 Teile einer handelsüblichen 60%igen wäßrigen Lösung eines Methylolgruppen enthaltenden Aminoplast-Vorkondensats
10 Teile Wasser
Die Bestandteile werden durch Rühren mit einem Stabmixer vermischt. Um eine optimale Verteilung und Größe der Füllstoffe zu erreichen, wird die Mischung in einem Walzenstuhl abgewalzt.
Die Mischung wird in einen Dip-coater gefüllt und in dieser Anlage ein Vliesstoff mit 50 g/m2 Flächengewicht, bestehend überwiegend aus Aramid-Fasern, mit Polyester-Bindefasern, imprägniert und 2 min in einem Durchlauf-Trockenofen bei 150°C getrocknet. Das so erhaltene Vliesstoff-Prepreg wird dann beidseitig auf ein entfettetes und gebürstetes Stahlblech (1 mm dick) mit Hilfe eines be­ heizten Rollaminators aufgebracht und verdichtet, bei einem Prozeßdruck von 7 kp/cm2 und einer Temperatur von 190°C. Die Durchlaufgeschwindigkeit durch den Rollaminator beträgt 1,4 m/min.
Anschließend wird das metallverstärkte Dichtungsmaterial in einem Ofen bei 130°C 14 Stunden lang vollständig ausgehärtet. Aus diesem Material wird dann mit einem Vollschnittwerkzeug die Flachdichtung gestanzt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung einer imprägnierten Flachdichtung aus einem faserartigen Prepreg, bei dem man ein in sich verfestigtes Faserflächenge­ bilde mit vorvernetzbaren Lösungen, Dispersionen oder Suspensionen einer reaktiven Polymermischung tränkt, anschließend deren Vorvernetzung durch Trocknung bei erhöhter Temperatur einleitet und zuletzt die Polymeren in der oder den entstandenen Prepreg-Dichtungsbahn(en) unter Druck und er­ höhter Temperatur, ggf. zusammen mit einer metallischen Verstärkung, endvernetzt, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens einen mit Bin­ demittel verfestigten, aus asbestfreien Fasern organischen oder anorgani­ schen Ursprungs bestehenden Vliesstoff als Bahn mit der vorvernetzbaren Polymerenmischung tränkt, die getränkte(n) Faservliesstoffbahn(en) danach durch zwei Abquetschwalzen laufen läßt, anschließend in einem Trocken­ ofen die Lösungs-, Dispersions- oder Suspensionsmittel bis zur Trocknung und Vorvernetzung der Polymerenmischung entfernt, sodann die entstandenen Vliesstoff-Prepreg-Bahnen in gewünschter Anzahl unter Druck und einer Wärmeeinwirkung, die ausreicht, um die Endvernetzung der Polymeren zu bewirken, miteinander zum Dichtungsmaterial laminiert und verklebt, woran sich das Ausstanzen der fertigen Dichtung anschließt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Lami­ nieren der Vliesstoff-Prepreg-Bahnen aufeinander in einem beheizten Roll- Laminator oder in einer beheizten Doppelbandpresse durchführt und an­ schließend die Endvernetzung und Aushärtung in einem Trockenofen vor­ nimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man zwischen zwei Vliesstoff-Prepreg-Bahnen eine Kunststoff- oder Metallfolie laminiert.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Laminieren jeweils die Vliesstoff-Prepregs und die Kunststoff- oder Metallfo­ lie getrennt voneinander zu ihrer bestimmungsgemäßen Endform vorkontu­ riert.
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