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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Vorrichtungen und
Komponenten für
Melkgeräte, insbesondere
auf Komponenten solcher Vorrichtungen wie etwa Milchentnahmevorrichtungen
und Gummis. Insbesondere bezieht sie sich auf einen Gummi, der eine
verbesserte, flexible Hülse
zum Aufnehmen einer Zitze umfaßt
sowie wahlweise einen kurzen Milchschlauch, der vorzugsweise, aber
nicht notwendigerweise, im Gummi integriert ist und aus thermoplastischen
Elastomeren, wahlweise in Kombination mit anderen Materialien, hergestellt
ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Das
Maschinenmelken ist nun seit ungefähr einem Jahrhundert verfügbar. Die
Grundkonstruktion einer Melkvorrichtung, die auch noch heute in
Gebrauch ist, basiert auf einer Erfindung, die im Jahre 1902 von Gillies
patentiert wurde und umfaßt
einen Zitzenbecher mit einer Doppelkammer, der mit einem pulsierenden Vakuum
betrieben wird. Der Zitzenbecher umfaßt eine flexible Hülse aus
Gummi, die eine flexible Wand einer Kammer bildet, wobei das Zitzenbechergehäuse die
andere Wand bildet. Im Raum zwischen den beiden Wänden wird
ein pulsierendes Vakuum angelegt, wodurch sich die Hülse ausdehnt
und zusammenzieht, was zu einem Massageeffekt an einer Zitze führt, auf
die der Zitzenbecher aufgesetzt worden ist.
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Die
flexible Hülse
ist Teil eines sogenannten Zitzengummis (im US-Englischen „inflation"; vorliegend wird
in der Beschreibung und in den Ansprüchen durchgängig der Begriff „Gummi" verwendet).
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Eine
Melkvorrichtung als Ganzes umfaßt
eine Anzahl unterschiedlicher Komponenten, von denen viele derzeit
aus unterschiedlichen Gummiarten hergestellt werden, zum Beispiel
Schläuche,
Düsen,
Gummis usw..
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Ein
modernes Zitzenbechersystem ist zum Beispiel in der
US 6,176,200 (Petterson) offenbart.
Es umfaßt
einen röhrenförmigen Kopfabschnitt,
der eine Zitze aufnehmen kann, und einen Schaftabschnitt, der eine Innenwand
der pulsierenden Vakuumkammer bildet. Der Schaftabschnitt ist flexibel
und wird normalerweise aus einer Gummizusammensetzung hergestellt.
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Um
auf dem Markt akzeptiert zu werden, müssen Vorrichtungen wie Zitzenbecher
und Gummis, die Komponenten von Melkausrüstungen bilden, eine Anzahl
von Eigenschaften aufweisen. Hier können die folgenden Beispiele
genannt werden:
- Gute Melkleistungen wie zum Beispiel Melkgeschwindigkeit,
Milchausbeute, Festigkeit, Dichtigkeit.
- Gute Behandlung der Zitzen.
- Lange Lebenszeit der Vorrichtung und Funktionieren mit der gleichen
hohen Leistungsfähigkeit über die
gesamte Lebenszeit.
- Gleichförmige
Qualität
der Vorrichtungen.
- Chemische und physikalische Dauerhaftigkeit.
- Die Vorrichtungen sollten leicht zu reinigen sein.
- Die Vorrichtungen sollten leicht zu ersetzen sein.
- Die Vorrichtungen sollten umweltfreundlich sein, zum Beispiel
sollte eine Wiederverwertung des Materials möglich sein.
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Das
Produkt muß die
Bestimmungen im Hinblick auf Material, Waren und Produkten erfüllen, die
mit Nahrungsmitteln in Berührung
kommen.
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Derzeitig
erhältliche
Komponenten für
Melkausrüstungen
wie etwa Gummis und Schläuche
werden meistens aus Gummimaterialien hergestellt, die die obigen
Anforderungen nicht in vollständig
befriedidender Weise erfüllen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, verbesserte Vorrichtungen
und Komponenten vorzusehen, die in Melkausrüstungen verwendet werden können und
die alle oben genannten Anforderungen erfüllen. Das wird in Übereinstimmung
mit der Erfindung durch einen Zitzengummi für eine Melkvorrichtung erreicht, der
ein Material umfaßt,
das aus der Gruppe ausgewählt
ist, die i) thermoplastische Elastomere (TPE), wie sie in der ISO
18064 definiert sind, umfaßt
sowie ii) plastifiziertes PVC, iii) Vinyl-TPE, und das eine Anzahl
von ausgewählten
Eigenschaften aufweist.
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Dieser
neue Zitzengummi ist in Anspruch 1 definiert.
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Vorzugsweise
umfaßt
ein verbesserter Zitzengummi mindestens eine flexible Hülle zum
Aufnehmen einer Zitze, die eng anliegend auf/über einer Zitze positioniert
wird.
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Die
Vorrichtungen nach der Erfindung haben die folgenden Vorzüge:
Beim
Herstellungsprozeß ist
keine Konfektionierung oder Mischung von Materialien erforderlich.
TPE's sind wie thermosplastische
Stoffe schon bei der Lieferung gebrauchsfertig. Im Vergleich zu
vulkanisiertem Gummi sind TPE's
unempfindlich gegenüber
Lagerung. Die Verarbeitung umfaßt
weniger Schritte und ist einfacher. TPE's haben die einfache Verarbeitbarkeit
eines thermoplastischen Kunststoffes, was zu effizienterer Verarbeitung
und dadurch wesentlich geringeren Herstellungskosten führt. Kürzere Herstellungszyklen
führen
zu weniger Energieverbrauch und Arbeitskosten. Wiederverwertung
von Ausschußmaterial
ist möglich.
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Ausschuß aufgrund
von Wärmehärtung wird
normalerweise entsorgt. Wie bei thermoplastischen Stoffen können wiedervermahlene
Abfälle
der TPE-Verarbeitung
wiederverwertet werden, so daß man
dieselben Eigenschaften wie bei ungebrauchtem Material erhält. Bessere
Qualitätskontrolle
und kleinere Toleranzen der fabrizierten Teile. In den meisten Fällen ergibt
sich eine geringere Dichte. Es tritt keine Temperaturhärtung (Kristallisation)
auf wie bei einigen wärmehärtenden
Gummis. Da TPE's
wiederverwertbar sind, sind aus diesen Materialien hergestellte
Produkte umweltfreundlich, was ihre Wiederverwertbarkeit anbelangt.
Es ist einfacher, unterschiedliche Materialien in ein und derselben
einheitlichen Struktur zu verwenden, so daß unterschiedliche Teile aus
unterschiedlichen Materialien hergestellt werden können. Zum
Beispiel kann ein erster Abschnitt aus einem TPE eines Typs hergestellt
sein und weitere Abschnitte können
aus TPE's anderer
Typen hergestellt sein, die andere Merkmale aufweisen, so daß geschichtete
Strukturen unterschiedlicher Materialien hergestellt werden können.
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Ein
weiterer Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung ergibt sich
aus der folgenden detaillierten Beschreibung. Es ist jedoch klar,
daß die
detaillierte Beschreibung und die besonderen Beispiele nur zu Illustrationszwecken
dienen, obwohl sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
zeigen, da diverse Änderungen
und Modifikationen innerhalb des Rahmens der Erfindung für den Fachmann
auf der Grundlage dieser detaillierten Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen
auf der Hand liegen, die nur zu Illustrationszwecken dienen und
die folgende Erfindung in keiner Weise beschränken.
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1 zeigt
ein Beispiel einer Vorrichtung für
eine Melkvorrichtung nach dem Stand der Technik, nämlich einen
Zitzenbecher und einen Gummi; und
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2 zeigt
schematisch eine Ausführungsform
der Erfindung in der Form eines Zitzengummis.
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3 zeigt
Styrenpolymere, die sich für
die Verwendung in der Erfindung eignen.
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4 zeigt
die Zweiphasenstruktur von thermoplastischen Vulkanisaten (TPV).
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
Zusammenhang mit dieser Anmeldung bedeutet der Ausdruck „Gummi" oder „Zitzengummi" eine Vorrichtung,
die zusammen mit einer Melkvorrichtung oder einem Melksystem verwendet
werden kann, das im Molkereibetrieb zum Beispiel im Kontakt mit
Milch verwendet werden kann und daher die Bestimmungen in Bezug
auf die Materialien und Waren, die mit Nahrungsmittel in Berührung kommen,
erfüllen
muß.
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Ein
Gummi umfaßt
mindestens eine flexible Hülse
zum Aufnehmen einer Zitze, die eng anliegend auf/über einer
Zitze positioniert werden kann. Am proximalen Ende in Bezug auf
das die Zitze aufnehmende Ende kann ein kurzer Milchschlauch vorgesehen
sein, der mittig am Zitzenbecher befestigt wird. Es kann auch ein
Zufuhrschlauch für
eine pulsierendes Medium, als „Pulsierschlauch" bezeichnet, vorgesehen
sein. Es ist anzumerken, daß der
Gummi nach der Erfindung für
unterschiedliche Tiere verwendet werden kann, zum Beispiel Kühe, Büffel, Schafe
und Ziegen und andere Wiederkäuer.
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„Ein Zitzenbecher" bedeutet eine Vorrichtung,
umfassend ein Gehäuse, „Zitzenbechergehäuse", in dem ein Gummi,
wie er oben definiert wurde, befestigt wird. In Übereinstimmung mit der Erfindung
ist es insbesondere durch die überraschende
Flexibilität
bei der Anwendung der hier diskutierten Materialienklasse, die durch
die besonderen Materialeigenschaften definiert und beispielartig
durch thermoplastische Elastomere, thermoplastische Vulkanisate
und plastifiziertes PVC dargestellt wird, möglich, Vorrichtungen herzustellen,
die unterschiedliche mechanische und physio-chemische Eigenschaften
in unterschiedlichen Teilen oder Bereichen der Vorrichtung aufweisen,
wodurch ein Zuschnitt auf Merkmale für den jeweiligen Gebrauch ermöglicht wird.
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1 zeigt
beispielartig einen Zitzenbecher nach dem Stand der Technik. Er
ist mit einem Zitzengummi 1 versehen, der in einem Zitzenbechergehäuse 2 befestigt
ist. Der Zitzengummi 1 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch
in Bezug auf eine Längsachse 3 und
umfaßt
einen oberen schlauchförmigen
Kopfabschnitt 4 und einen schlauchförmigen flexiblen Hülsenabschnitt 5 zum
Aufnehmen einer Zitze, der sich abwärts vom Kopfabschnitt 4 erstreckt.
Der Kopfabschnitt 4 umfaßt ein erstes oberes Ende 6 und
ein zweites unteres Ende 7. Am oberen Ende 6 umfaßt der Kopfabschnitt 4 eine
Lippe 8, die sich radial einwärts erstreckt und eine im Wesentlichen
kreisförmige
mittlere Öffnung
definiert. Der röhrenförmige Kopfabschnitt 4 bildet
einen Durchgang durch den Kopf zum Innenraum des Zitzengummis zum
Aufnehmen einer Zitze in der Hülse 5.
Das untere Ende 7 umfaßt
eine ringförmige
Vertiefung 9, die in den oberen Endabschnitt des Zitzenbechergehäuses 2 eingreift.
Der untere Teil der Hülse 5 umfaßt eine
den Umfang umgebende Vertiefung 10, in die der untere Abschnitt
des Zitzenbechergehäuses 2 eingreift.
Die Vertiefungen 9 und 10 sind auf eine solche
Weise geformt, daß ein
geschlossener Raum 11 zwischen dem Zitzengummi und dem
Zitzenbechergehäuse 2 gebildet
wird, wobei der Raum 11 eine Pulskammer für den Zitzenbecher
bildet. In seinem unteren Teil ist der Zitzengummi 1 mit
Verlängerungsstücken 12 und 13 verbunden,
die eine Milchleitung bilden, die mit einem Sammelstück (nicht
offenbart) verbunden werden kann. Der Zitzengummi 1 wird
aus einem elastischen Material, zum Beispiel natürlichem oder synthetischem
Gummi, hergestellt.
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Die
Erfindung basiert auf der Entdeckung, daß thermoplastische Elastomere
(TPE) hinsichtlich der Materialanforderungen beeinflußt werden
können,
um Vorrichtungen und Komponenten für Melkvorrichtungen und -systeme
vorzusehen. Aus diesem Grund wird eine kurze Einleitung in die TPE-Technologie
gegeben.
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Thermoplastische Elastomere (TPE)
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Einführung
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Vor
der Entwicklung von TPE's
gab es allgemein gesprochen nur starre oder halbstarre Produkte,
die mit der neuen Technologie für
thermoplastische Stoffe hergestellt und verarbeitet werden konnten.
Die Herstellung von thermoplastischen Stoffen ist schneller bei
geringerem Energieverbrauch und sauberer und es ist leichter, Abfall
wiederzuwerten.
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Bei
elastomeren Materialien herrschte ein Mangel an Alternativen zu
wärmehärtendem
Gummi. Bei Anwendungen, die keiner extremen Temperatur ausgesetzt
sind, besteht kein fundamentaler Bedarf an temperaturbeständigen querverbundenen
Stoffen. Die Verwendung von wärmehärtenden
Gummis führt
die Nachteile der Querverbindung mit sich.
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Es
herrschte daher ein starker Anreiz, thermoplastische Materialien
zu entwickeln, die elastische Eigenschaften ohne dauerhafte Querverbindungen
aufweisen.
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Thermoplastische
Elastomere (TPE's)
sind Materialien, die die Verarbeitungseigenschaften eines thermoplastischen
Materials mit den elastomeren Eigenschaften eines Gummimaterials
kombinieren.
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Thermoplastische
Elastomere sind zweiphasige Systeme. Eine der Phasen ist ein hartes
Polymer, das die mechanische Beständigkeit bei den Gebrauchstemperaturen
liefert, aber flüssig
wird, wenn es über
die Schmelz- oder Glastemperatur (Tg) erhitzt
wird. Die andere Phase ist ein weiches gummiartiges Polymer.
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Im
Prinzip gibt es zwei Wege, die Eigenschaften zu erreichen; nämlich indem
das Material in Form von Block-Copolymeren oder Polymermischungen
verwendet wird.
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Block-Copolymere,
die der Definition thermoplastischer Elastomere unterliegen, bestehen
aus zwei Phasen, einer harten und einer weichen, die aus Segmenten
derselben Kette eines Moleküls
gebildet werden. Das härtere
Segment könnte
kristallin mit einer hohen Schmelztemperatur oder ein amorphes Material
mit einer hohen Glasübergangstemperatur
sein. Das weiche Segment ist immer amorph mit einer sehr niedrigen Glasübergangstemperatur.
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Beispiele: TPS (amorphe harte Phase),
TPU, TEES, TPA (semikristalline harte Phase).
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Abkürzungen
siehe unten.
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Aus
Polymermischungen hergestelltes TPE ist eine Mischung aus einem
harten Material, fast ausschließlich
semikristallin mit einer hohen Schmelztemperatur in einer kontinuierlichen
Phase, das mit einem weicheren mindestens hauptsächlich amorphen Material mit
einer sehr niedrigen Glasübergangstemperatur vermischt
wurde.
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Beispiele: TPU, TPV
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Nomenklatur
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Gemäß der ISO
18064 sind die Klassen und Abkürzungen
für TPE's (andere bekannte
Abkürzungen in
Klammern):
- TPE:
- Thermoplastische Elastomere
allgemein
- TPS:
- (SBC) Polystyren-/Elastomer-Block-Copolymere
- TPO:
- Polypropylen-/EP-Copolymermischungen
- TPV:
- Thermoplastische Vulkanisate
- TPU:
- Polyurethan-Block-Copolymere
- TEES(COPE):
- Polyester-Block-Copolymere
- TPA (COPA):
- Polyamid-Block-Copolymere
Allgemeine Eigenschaften von TPE-Materialien Tabelle
1. Vergleich allgemeiner Eigenschaften von TPE-Materialien |
| TPS | TPO | TPV | TPU | TEES | TPA |
Dichte (kg/dm3) | 0,9-1,1 | 0,89-1,0 | 0,9-1,0 | 1,1-1,3 | 1,1-1,3 | 1,0-1,2 |
Shore-Härte | 3A-60D | 60A-75D | 35A-50D | 60A-85D | 90A-72D | 60A-75D |
Untere
Temperaturgrenze °C | -70 | -60 | -60 | -70 | -65 | -40 |
Obere
Temperaturgrenze (kontinuierlich) °C | 120 | 120 | 135 | 120 | 125 | 170 |
Kompressionsbeständigkeit
bei 100°C | F | P | G | F/G | F | F/G |
Beständigkeit
gegenüber
Kohlenwasserstofffluiden | F/G | P | G/E | F/E | G/E | G/E |
Beständigkeit
gegen wäßrige Flüssigkeiten | G/E | G/E | G/E | F/G | P/G | F/G |
Preisverhältnisse | 1-3,6 | 1,5-2,5 | 2,5-3,0 | 2,0-4,0 | 4,0-6,0 | 4,0-9,0 |
P = schlecht
(„poor") F = ausreichend
(„fair") G = gut („good") E = ausgezeichnet
("excellent") |
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Styren-Block-Copolymere (TPS oder SBC)
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TPS-Materialien
umfassen drei wesentlich unterschiedliche Haupttypen:
- – Styren-Butadien-Styren-Block-Copolymere
(SPS)
- – Styren-Isoprene-Styren-Block-Copolymere
(SIS)
- – Styren-Ethylen-Butylen-Styren-Block-Copolymere
(SEES)
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SBS- und SIS-Polymere
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Styren
und Butadien (oder Isopren) sind inkompatibel und bilden ein Zweiphasensystem
mit zwei unterschiedlichen Tg's. Die steifere Styrenphase
wirkt wie physikalische Querverbindungspunkte zwischen der flexibleren
Butadien-(oder Isopren-)Phase, siehe 3.
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Thermoplastische Olefine TPO's
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Thermoplastische
Olefine sind Mischungen von Polypropylen (PP) und Ethylenpropylen-Copolymer (EPM)
oder Ethylen-Propylen-Dien-Polymer (EPDM). Der Begriff EP(D)M deckt
sowohl EPDM als auch EPM ab.
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PP-EP(D)M-Mischungen
werden durch intensives Vermischen von PP und EPDM und/oder EPM
hergestellt.
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Das
Polypropylen ist normalerweise ein isotaktisches Homopolymer oder
ein isostatisches PP mit einem geringen Ethylenanteil. Der Schmelzpunkt
dieser semikristallinen Polymere liegt im Bereich von 145 bis 165°C.
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Ein
TPO kann daher viele seiner mechanischen Eigenschaften bei hohen
Temperaturen aufrechterhalten. Ein EP(D)M mit einem Verhältnis von
Ethylen und Propylen von 50:50 ist fast vollständig amorph, obwohl sowohl
Polyethylen als auch Polypropylen semikristalline Polymere sind.
Eine Änderung
des Ethylengehaltes auf einen höheren
Anteil führt
zu einer gewissen Kristallinität.
Der Nettoeffekt einer geringen Menge von Ethylenkristallinität beeinflußt wesentlich
die Beständigkeit
des Gummis.
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Eigenschaften:
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Da
PP und EP(D)M in beliebigen Verhältnissen
gemischt werden können,
liegt theoretisch ein kontinuierliches Spektrum von leicht modifizierten
thermoplasti schem PP zum EP(D)M vor, das mit thermoplastischen Kunststoffen
verstärkt
wurde.
Tabelle
3. Vergleich von TPO-Klassen |
Eigenschaft/TPO | EP(D)M/PP
80/20 | EP(D)M/PP
67:33 | EP(D)M/PP
50/50 |
Reißfestigkeit
(MPa) | 6 | 9,5 | 12 |
| | | |
Shore
A Härte | 77 | 87 | 98 |
Bruchpunkt | <-60°C | <-60°C | <-60°C |
TPO-Stärken | Gebrauchstemperaturbereich
von -60-125°C,
niedriger Bruchpunkt, hohe Schlagfestigkeit, hohes Elastizitätsmodul.
Gute Beständigkeit
gegen organische polare Fluide. |
TPO-Schwächen | Geringe
Elastizität,
geringe Ausdehnung beim Bruch, hohe Druckverformung. Geringe Beständigkeit
gegen Kohlenwasserstoffe und halogene Kohlenwasserstoffe. Vor der
Verarbeitung Trocknung nötig. |
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Polymere auf Grundlage der
Metallocentechnologie
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In
den 90er Jahren wurden neue polyolefinische Kunstharze vorgestellt,
die auf der Metallocen-Katalysetechnologie basierten. Dabei handelt
es sich um Copolymere, die aus Ethylen und höheren Olefinen wie 1-Octen
bestehen. Die Metallocen-Technologie ermöglicht es, sehr genau die Verteilung
zum Beispiel von 1-Octen und Ethylen in der Polymerkette zu beeinflussen.
Liegt der 1-Octen-Anteil bei ungefähr 30% oder mehr, ist im Polymer
keine Kristallinität
vorhanden. Ist eine gewisse Kristallinität erwünscht, kann ein Polymer mit
einem geringeren 1-Octen-Gehalt hergestellt werden.
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Thermoplastische Vulkanisate (TPV)
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Thermoplastische
Vulkanisate (TPV) sind zweiphasige Systeme, die aus einer thermoplastischen
kontinuierlichen Phase und einem querverbundenen Gummi als diskontinuierlicher
Phase bestehen. Das dominierende System ist PP/EPDM, es gibt aber
auch PP/NBR-Systeme.
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Die
Gummiphase ist stärker
vulkanisiert als bei TPO's,
wo die gummiartige Phase nur teilweise oder nicht vulkanisiert ist.
Die Vulkanisierung der Gummiphase führt zu vielen Verbesserungen
der Eigenschaften.
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Thermoplastische Polyurethan-Elastomere
(TPU)
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TPU's sind Block-Copolymere
mit Urethanverkettungen. Sie werden synthetisiert durch Kondensation von
Di-Isocyanaten mit kurzkettigen Diolen und Polyester- und/oder Polyetherdiolen.
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Die
kurzkettigen Diole bilden zusammen mit den Di-Isocyanaten die kristalline
harte Phase des TPU. Die Kristalline wirken als physikalische Querverbindungspunkte,
und die Wärmebeständigkeit
von TPU's ist eng
mit dem Schmelzpunkt dieser Kristallite verbunden. Gewöhnlich werden
kurzkettige Diole wie 1,4-Butandiol und 1,6-Hexandiol verwendet.
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Das
weiche Segment wird aus Hydroxyl-terminierten Polyestern oder Hydroxyl-terminierten Polyethern
hergestellt.
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Das
weiche Segment des TPU bestimmt die elastischen und Niedrigtemperatureigenschaften.
Die Härte
und das Modul werden durch das Verhältnis von harten und weichen
Segmenten bestimmt.
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Thermoplastische Copolyester (TEES), (CODE)
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Thermoplastische
Copolyestermaterialien bestehen aus Block-Copolymeren und abwechselnd
harten und weichen Segmenten, die durch Ester- und Etherverkettungen
verbunden sind. Die weichen Segmente können Polyether, Polyester oder
Copolyester sein. Die prinzipiellen Unterschiede zwischen den weichen
Segmen ten sind die gleichen wie für TPO's. Das harte Segment ist fast ausschließlich Polybutylenterephtalat (PPT).
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Polyamid-Block-Copolymere (TPA, COPA)
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Block-Copolymere
mit harten und weichen Segmenten. Die harten Segmente sind Polyamide
und die weichen Segmente sind Polyolblöcke mit einer Polyetherkette
oder einer Polyesterkette.
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Der
Polyamidblock kann PA6, PA6/6, PA11, PA12, PA6/11 oder PA6/12 sein.
Dadurch werden der Schmelzpunkt bestimmt und die Dichte und chemische
Beständigkeit
beeinflußt.
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Der
Typ des weichen Segmentes beeinflußt Eigenschaften wie Elastizität, Reißfestigkeit,
hydrolytische Stabilität,
Abriebbeständigkeit,
Niedrigtemperaturflexibilität,
Härte und
mikrobische Beständigkeit
gegen nicht-polare Lösungsmittel.
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Polyetherketten
sind am gebräuchlichsten
und werden aufgrund ihrer Beständigkeit
bei niedrigen Temperaturen und ihrer hydrolytischen Stabilität bevorzugt.
Polyesterketten werden bevorzugt, wenn eine gute Beständigkeit
gegen Lösungsmittel
und eine gute Stabilität
bei hohen Temperaturen bevorzugt werden.
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Andere Materialien mit TPE-Eigenschaften
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Plastifiziertes PVC
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Es
gibt in der Tat ein Material, das als thermoplastischer Kunststoff
klassifiziert ist, aber tatsächlich dem
TPE ähnliche
Eigenschaften hat. Plastifiziertes Polyvinylchlorid (PVC) wird gewöhnlich als
ein amorphes thermoplastisches Material angesehen, das bei mehr
als 100°C
oberhalb seiner Glasübergangstemperatur verwendet
werden kann und immer noch akzeptable mechanische Eigenschaften
beibehält.
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Obwohl
in der Nomenklatur nicht als TPE angesehen, war plastifiziertes
PVC (= flexibles PVC oder pPVC) in der Tat das erste Material, das
elastomere Eigenschaften mit thermoplastischer Verarbeitung kombiniert.
Heute weiß man,
daß der
Grund darin liegt, daß die
Polyvinylchloridkette teilweise regelmäßige kristallartige Strukturen
mit zwei oder mehr Ketten liefert, die schmelzbare Querverbindungspunkte
liefern. Diese Strukturen haben einen weiten Bereich an Schmelztemperaturen
von unterhalb 0°C
bis zu fast 200°C.
Die obere Temperaturgrenze für
PVC mit einem Standardplastifizierer liegt bei ungefähr 60°C, mit einem
Spezialplastifizierer bei 105 bis 120°C.
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Vinyl-TPE's
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Herkömmlich plastifiziertes
PVC basiert auf Plastifizierern, die eine sehr gute Mischbarkeit
mit dem PVC aufweisen. Beim Mischen mit Elastomeren wie NBR oder
Acrylat-Elastomeren kann ein zweiphasiges System eher wie ein TPO
und TPV erreicht werden. Solche Materialien können insbesondere bessere Druckverformung
und bessere chemische Beständigkeit
als herkömmlich
plastifiziertes PVC aufweisen.
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Die
Zulieferer dieser Materialien nennen sie manchmal Vinyl-TPE's, obwohl es zweifelhaft
erscheint, daß diese
Materialien allgemein als ein Element der TPE-Familie angesehen
werden können.
Wie oben beschrieben, könnte
plastifiziertes PVC auch als ein TPE beschrieben werden.
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In Übereinstimmung
mit der Erfindung besteht ein Zitzengummi, wie er eingangs definiert
wurde, aus einem Material, das ein oder mehrere Materialien in Kombination
umfaßt,
die aus einer Gruppe von Materialien ausgewählt sind, die die oben diskutierten
umfaßt.
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Ein
Zitzenbecher ist eine Milchentzugsvorrichtung, d.h. eine Vorrichtung,
die einen Teil oder eine Komponente einer Melkvorrichtung darstellt,
die auf die Zitze eines Tieres wirkt oder mit anderen Teilen der
Melkvorrichtung zusammenarbeitet, so daß das Euter in kontrollierter
Weise Milch abgibt. Ein Zitzenbecher umfaßt einen Gummi, der wiederum
mindestens eine flexible Hülse
zum Aufnehmen einer Zitze umfaßt,
die eng anliegend auf/über
einer Zitze positioniert werden kann.
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In
einer besonderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist ein Zitzengummi vorgesehen, wobei
insbesondere der flexible Hülsenabschnitt
des Gummis zum Aufnehmen der Zitze aus einem solchen Material oder
einer derartigen Materialkombination hergestellt ist. Ein Gummi 20 nach
der Erfindung ist schematisch in 2 in einem
gleichfalls schematisch dargestellten Zitzenbechergehäuse 21 dargestellt.
Der Gummi umfaßt
einen Kopfabschnitt 22, einen flexiblen Hülsenabschnitt 24 zum
Aufnehmen einer Zitze 25 in im Wesentlichen eng anliegender
Weise. Mit „eng
anliegend" ist gemeint,
daß es
keine wesentliche Luftleckage zwischen der Zitze und der im Gebrauch
befindlichen Hülse,
d.h. während
des Melkens, gibt. Die Hülse
erstreckt sich vom Kopfabschnitt 22 zu einem Übergangsbereich 27,
wo ein kurzer Milchschlauch 26 mit der Hülse 24 verbunden
ist. Dieser Milchschlauch 26 kann in die Hülse integriert
sein oder, wie in der Vorrichtung nach dem Stand der Technik aus 1,
ein separates Element sein, das mit der Hülse verbunden werden kann.
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Der Übergangsbereich 27 ist
geeigneter Weise steifer ausgestaltet, so daß der Gummi starr an das Zitzenbechergehäuse 21 angesetzt
werden kann, damit keine Leckage auftritt. Es ist wichtig, daß die Hülse in einer
definierten Position im Gehäuse
befestigt wird. Das Vorsehen eines steiferen Abschnittes ist möglich, indem
eine Materialkombination in Übereinstimmung
mit der Erfindung verwendet wird, wie sie weiter unten diskutiert
wird.
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Weiterhin
wird das Zitzenbechergehäuse
mit der Zufuhr eines pulsierenden Mediums verbunden, so daß die Hülse des
Gummis ihre Funktion erfüllen
kann. Diese Zufuhr wird durch einen Pulsschlauch 28 gewährleistet,
der mit dem Zitzenbechergehäuse 21 an
einem Einlaßverbindungsstück 23 verbunden
wird, so daß der
Puls auf die Hülse 24 wirkt.
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Das
wichtigste Element eines Gummis ist die flexible Hülse 24 in
dem Sinne, daß es
sich bei ihr um das Element handelt, das abwechselnd zusammenfällt und
sich öffnet/ausdehnt,
verursacht durch das angelegte pulsierende Vakuum. Damit also der
Gummi seine technische Funktion erfüllen kann, muß mindestens die
flexible Hülse
bestimmte Kriterien im Hinblick auf ihre Materialeigenschaften erfüllen.
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Die
folgende Liste enthält
Beispiele von Eigenschaften, die ein Gummi aufweisen sollte, der
eine flexible auf TPE basierende Hülse umfaßt und mit der Zitze/dem Tier
und dem Gesamtmelksystem verbindbar ist.
- – Er muß dem Euter
eines Tieres mittels eines Vakuums Milch entnehmen können.
- – Er
sollte Milch innerhalb geschlossener Systeme transportieren können.
- – Er
sollte über
eine Schnittstelle mit dem Gesamtmelksystem verbindbar sein.
- – Die
Zitze sollte einer Massage ausgesetzt werden.
- – Die
flexible Hülse
sollte das Tier stimulieren.
- – Die
flexible Hülse
sollte die Bestimmungen im Hinblick auf Materialien und Waren erfüllen, die
mit Nahrungsmitteln in Kontakt kommen.
- – Die
flexible Hülse
sollte als Sperre wirken und nicht durch die Milch beeinflußt werden.
- – Die
flexible Hülse
sollte eine Spannung oder Kompression haben, die konstant oder variabel
ist.
- – Sie
sollte eine abdichtende Funktion haben.
- – Die
flexible Hülse
sollte automatisch oder manuell an die Zitze ansetzbar sein.
- – Die
Funktionalität
der flexiblen Hülse
sollte steuerbar sein.
- – Die
flexible Hülse
basiert auf einem Material, das gegen die Melkumgebung beständig ist.
- – Die
flexible Hülse
basiert auf einem Material, das verarbeitbar sein sollte.
- – Die
flexible Hülse
sollte am äußeren Gehäuse befestigt
werden können
und abdichten.
- – Die
flexible Hülse
sollte auf Zitzen aller Größen passen.
- – Vorzugsweise
sollte die flexible Hülse
ein oder mehrere Materialien oder Kombinationen davon enthalten.
- – Die
flexible Hülse
basiert auf einem Material, das aus TPE oder TPE in Verbindung mit
anderen Materialien besteht.
- – Es
sollte ein glatter Milchtransport möglich sein.
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Die
obigen Kriterien werden von einem Gummi erfüllt, der mindestens eine flexible
Hülse umfaßt, die aus
einem Material hergestellt ist, das ein TPE, wie es in der ISO 18064
definiert ist, umfaßt
oder ein plastifiziertes PVC oder ein Vinyl-TPE oder Kombinationen
daraus oder Kombinationen mit anderen geeigneten Materialien.
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Das
elastomere Material der Melkvorrichtung nach der Erfindung sollte
(mindestens) die folgenden Eigenschaften erfüllen:
- – Eine Härte zwischen
25 Shore A und 50 Shore D.
- – Ein
Elastizitätsmodul
zwischen 0,1 MPa und 50 MPa.
- – Eine
Reißfestigkeit
typischerweise oberhalb 0,5 MPa.
- – Eine
minimale Ausdehnung von 50% ohne Bruch.
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Wahlweise
sollte die Melkvorrichtung die folgende Eigenschaft aufweisen:
- Eine Gebrauchstemperatur typischerweise zwischen
-60°C und
200°C.
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Geeigneterweise
ist das Material beständig
gegen Säuren,
insbesondere gegen Ameisensäure,
Propionsäure,
Peressigsäure
und/oder H2O2. Das
Material ist vorzugsweise auch beständig gegen Alkali, insbesondere
gegen Ammoniak, NaOH und KOH. Geeignete Konzentrationen sind die
gewöhnlich
beim Waschen oder Reinigen der in Molkereiindustrie verwendeten.
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Das
Material sollte auch gegen Chlor, Ozon und UV Strahlung und thermische
Oxidation beständig sein.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
hat das Material eine Bruchfestigkeit zwischen 5 und 50 nN/m, vorzugsweise
15 bis 35 nN/m.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
hat das Material eine Reißfestigkeit
von 0,5-40 MPa,
vorzugsweise 5-25 MPa.
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Es
sollte in einer bevorzugten Ausführungsform
auch eine Ausdehnung zeigen, die größer ist als 200%, bevor ein
Bruch eintritt, vorzugsweise größer als
300%.
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Das
Material ist vorzugsweise ein thermoplastisches Vulkanisat (TPV),
umfassend zwei Phasen, die aus einer thermoplastischen kontinuierlichen
Phase und einem querverbundenen Gummi als diskontinuierlicher Phase
bestehen, wobei das thermoplastische Elastomer einen Gummi umfaßt, der
ausgewählt
ist aus Butadien-Gummi;
Silicon; EPDM; NBR, wahlweise veredelt mit Acrylaten oder Anhydriden.
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Andere
mögliche
Polymere sind Nitril-Gummi, Styren-Butadien-Gummi, Butyl-Gummi, Halobutyl-Gummi,
Ethylenpropylen-Gummi, Polyisopren, Polychloropren, Polybuten-Copolymer,
Chlor-sulfoniertes Polyethylen.
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Das
thermoplastische Elastomer umfaßt
vorzugsweise ein kristallines Polyolefin, ausgewählt aus Polyethylen (HDPE,
LDPE oder LCDPE), Polypropylen oder Mischungen davon, zum Beispiel
Copolymere. Aufgrund der exzellenten Verarbeitbarkeit der in Übereinstimmung
mit der Erfindung ausgewählten
Materialien ist es möglich,
Gummis auf eine große
Anzahl von unterschiedlichen Anwendungen oder Bedürfnissen
innerhalb des Gebiets des automatischen Melkens zuzuschneiden. Es
ist somit möglich,
Gummis in einem einfachen Formungsprozeß mit großer Genauigkeit im Hinblick
auf die Ausmaße
zu verarbeiten, während
unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Teilen des Produkts
kombiniert werden. Es ist zum Beispiel möglich, den Kopfabschnitt und
den Milchschlauch mit einer höheren
Steifigkeit auszustatten als die flexible Hülse.
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Im
Folgenden wird eine Anzahl von möglichen
Ausführungsformen
auf der Grundlage von Materialwahl und Materialkombinationen beschrieben.
Alle Variationen und Modifikationen sind auf alle Vorrichtungen innerhalb
der Definition der Vorrichtung nach der Erfindung anwendbar.
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Es
ist somit möglich,
eine Vorrichtung nach der Erfindung (zum Beispiel ein Gummi, möglicherweise einen
kurzen Milchschlauch und/oder einen kurzen Pulsschlauch umfassend)
herzustellen, indem verschiedene Variationen oder Modifikationen
im Hinblick auf die Materialkombinationen verwendet werden, um geeignete
Eigenschaften für
jede bestimmte Verwendung oder Anwendung der Vorrichtung nach der
Erfindung zu gewährleisten.
Unterschiedliche Teile einer Vorrichtung können auch mit unterschiedlichen
Eigenschaften ausgestattet werden, die an die Art der Umgebung angepaßt sind,
der ein bestimmter Teil oder Abschnitt der Vorrichtung ausgesetzt
ist.
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Insbesondere
sind bevorzugte TPE's
bei der Verwendung mit Gummis in Übereinstimmung mit der Erfindung,
die große
und unerwartete Vorzüge
gegenüber
dem Stand der Technik aufweisen, TPV's (thermoplastische Vulkanisate).
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Diese
Materialklasse hat ein geringeres Gewicht aufgrund der Dichte, die
um 20% niedriger ist als die von Gummis nach dem Stand der Technik.
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Die
Beständigkeit
gegen Materialermüdung
ist höher
als erwartet. Das bedeutet, daß ein
Gummi für eine
längere
Zeit verwendet werden kann, ohne daß er ausgetauscht werden muß. Das Risiko
hygienischer Probleme wird reduziert. In den Vorrichtungen nach
dem Stand der Technik würden
sehr viel eher Risse auftreten, wodurch sich Bakterien ansammeln
und dadurch eine Quelle der Verunreinigung geschaffen wird.
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TPV's weisen weniger „Einbruchs"-Probleme auf, d.h.
die Änderung
von Eigenschaften während
der ersten Stunden des Gebrauchs wird auf ein niedriges Maß gesenkt.
Als Beispiel sei angeführt,
daß das
Phänomen
der Hysterese sehr viel geringer ausgeprägt ist. Das bedeutet, daß das Pulsverhalten
sehr viel besser vorhersagbar ist.
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Unter
den möglichen
Variationen und Modifikationen, wie sie oben vorgeschlagen wurden,
besteht eine erste Alternative in der Verwendung einer Kombination
von zwei weichen Materialien. Eine solche Kombination wäre anwendbar
auf eine Vorrichtung, die unterschiedliche Typen von chemischen
Beständigkeiten aufweist.
Als Beispiel sei angeführt,
daß die
Innenseite der Vorrichtung der Milch ausgesetzt sein kann, was bestimmte
Eigenschaften erforderlich macht wie etwa Beständigkeit gegen Fett sowie gegen
Wasser und Waschmittel (hauptsächlich
der kurze Milchschlauch), und die Außenseite kann der Umgebung
in einem Kuhstall oder einer Scheune ausgesetzt sein oder sogar
einer Außenumgebung,
die andere Anforderungen an das Material stellt, zum Beispiel Beständigkeit
gegen Ammoniak, UV-Licht,
Ozon.
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Dieser
bestimmte Typ an Vorrichtung könnte
aus einem NBR-basierten TPV für
die Innenseite der Vorrichtung in Kombination mit einem EPDM-basierten
TPV für
die Außenseite
bestehen, wobei das letztere Ozon- und wetterbeständig ist.
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Eine
andere Modifikation dieses Typs von Kombinationen besteht in einer
Vorrichtung mit einer Sperrflächen
(Innen und/oder Außen)-Beschichtung
aus einem Kern- oder Hauptmaterial, wobei das letztere die mechanischen
Eigenschaften liefert. Die Sperreigenschaften könnten zum Beispiel Beständigkeit
gegen Fett und Reinigungsmittel auf den Innenflächen und Beständigkeit
gegen Wetter und die Umgebung der Scheune auf den Außenflächen der
Vorrichtung sein. Die Eigenschaften des Kern- oder Hauptmaterials
könnten
zum Beispiel hohe Elastizität
und niedrige Dämpfung
sein, um ein schnelles Melken zu erreichen, und/oder eine hohe Schrumpfbeständigkeit,
um auch über
eine lange Zeit keine wechselnden Melkeigenschaften zu haben. Die Dämpfung wird
durch den tan δ des
Materials quantifiziert, der ein Maß für die Nichtelastizität des Materials ist.
In diesem Fall sollte der tan δ < 0,20 sein.
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Ein
Beispiel für
eine geeignete Materialkombination wäre SBS, SEBS oder SIS im Hauptteil
und ein EPDM- oder NBR-basiertes TPV in der Oberflächenschicht
sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite der Vorrichtung.
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Eine
zweite Alternative ist eine Kombination aus einem weichen und einem
harten Material.
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Ein
Gummi, wie er heute ausgestaltet wird, hat unterschiedliche Teile,
die unterschiedliche Funktionen haben. Die Hülse arbeitet dynamisch, wohingegen
die Verbindung zum Sammelstück
statisch arbeitet und die Funktion einer Dichtung hat. In einer
Ausführungsform
wird entsprechend der Erfindung vorgeschlagen, daß der kurze
Milchschlauch und die Befestigung an der Mitte des Zitzenbechers
aus einem steifen/starren Material sein sollte. Dieses würde die
Befestigung in einem weiten Sinne durch ein schnelles Verkoppeln
einfacher machen, was mit einem starren Material leichter zu erreichen
ist als mit einem weichen gummiartigen Material. Die Hülse ist
andererseits aus einem weichen gummiartigen Material hergestellt,
um optimale Massage- und Melkeigenschaften zu erreichen.
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Beispiele
von Materialien, die sich für
die letztere Anwendung eignen, sind verschiedene Härtegrade von
EPDM- oder NBR-basiertem TPV. Es ist auch möglich, weiches EPDM-basiertes
TPV in Kombination mit TPU (Urethan-basiertes TPE), TPA (Amid-basiertes
TPE) oder TEES (Ester-basiertes TPE) zu verwenden.
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Für die Anwendung
des erfinderischen Konzeptes auf (Zitzen-)Gummis gibt es eine Anzahl
von spezifischen und unerwarteten Vorzügen durch die Verwendung von
TPV.
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Produktionsbezogene
Vorteile sind zum Beispiel: Die Produktionskosten sind attraktiver;
es ist leichter, enge Toleranzen in den produzierten Stücken einzuhalten, es
ist somit leichter, die Eigenschaften des Endproduktes vorherzusagen;
der Materialausschuß kann
reduziert werden; weniger Variationen im Herstellungsprozeß führen zu
einheitlicheren Produkteigenschaften von Posten zu Posten; die Verwendung
von Materialien nach der Erfindung macht ein Schweißen als
Produktionsmittel möglich.
Die am wenigsten erwartete Eigenschaft ist jedoch die hohe Beständigkeit
gegen Abnutzung.
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Zu
erwähnende
Vorteile im Hinblick auf die Umwelt sind: Wiederverwertung von Produktionsabfallmaterial
ist möglich
direkt während
der Produktion durch Granulieren des Abfalls; geringere Mengen an
möglicherweise
schädigenden
Zusatzstoffen, wodurch der Umgang für den Benutzer weniger gefährlich ist,
zum Beispiel sind keine Vulkanisiergase vorhanden.
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Geeigneterweise
werden die oben beschriebenen Vorrichtungen durch Spritzformen eines
oder mehrerer Materialien entsprechend den gewünschten Eigenschaften hergestellt.
Falls die Struktur komplizierter ist, können alternativ Spritzform- oder andere Formtechniken
bevorzugt werden. Vorrichtungen, die zwei oder mehrere Materialien
in Kombination enthalten, d.h. ein zusammengesetztes Material bilden,
können
auf verschiedene Weisen miteinander verbunden werden. Doppel-Einspritzen von zwei
(oder mehreren) Materialien nacheinander in ein und derselben Form
können
verwendet werden. Eine andere Option besteht darin, einen „Vorläufer" aus Material in
einer ersten Form herzustellen und dann diesen „Vorläufer" an eine zweite Form zu übergeben,
in die ein oder mehrere weitere Materialien eingespritzt werden.
Es ist auch möglich,
die unterschiedlichen Komponenten separat unter der Verwendung unterschiedlicher
Materialien spritzzuformen oder zu extrudieren und dann die Komponenten
miteinander zu verschweißen.
Bestimmte Komponenten oder Teile können einfach durch Zusammensetzen
des einen mit dem anderen verkoppelt werden.
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Für den Fachmann
liegt es jedoch auf der Hand, die Formprozesse im Detail so auszugestalten,
daß die
gewünschten
Strukturen erzielt werden, um die notwendi gen Ausgangsbedingungen
zu schaffen, und solche Verfahren werden deshalb hier nicht weiter
diskutiert.
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1
- PRIOR
ART
- STAND
DER TECHNIK
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3
- Hard/Soft
component segment
- Segment
mit harter/weicher Komponente