DE69511380T2

DE69511380T2 - Verbundfaden zur herstellung geflochtener dichtung und verfahren zur herstellung des genannten verbundfadens

Info

Publication number: DE69511380T2
Application number: DE69511380T
Authority: DE
Inventors: Marcello Cattaneo Adorno
Original assignee: Manegro Administracao e Participacoes Ltda
Current assignee: Manegro Administracao e Participacoes Ltda
Priority date: 1994-02-04
Filing date: 1995-02-03
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2015-02-04
Also published as: BR9400435A; TW378236B; ES2103244T1; US5802828A; JPH09508444A; AU1751095A; DE69511380D1; WO1995021280A1; EP0741807B1; EP0741807A1; ATE183254T1; ES2103244T3; CA2181558A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft geflochtene Dichtungen, die zum Abdichten von Pumpen- oder Ventliwellen eingesetzt werden, die ihrerseits auf vielfältige Weise in industriellen Einrichtungen und Einsatzgebieten Verwendung finden.
Bei der Herstellung derartiger Dichtungen sind in jüngster Zeit die herkömmlichen Asbestgarne durch viele Arten synthetischer Garne bzw. Fäden ersetzt worden.
Die Garne bzw. Fäden, die sich für derartige Einsatzzwecke eignen, müssen die folgenden Eigenschaften aufweisen:
- Gute mechanische Festigkeit, so daß sie beim Flechten gut verarbeitet werden können und ebenfalls beständig gegenüber Fluiddruck und möglichem Abrieb in der Stoffbuchse sind;
- Beständigkeit gegenüber den hohen Temperaturen, die normalerweise in Prozeßgasen und -fluiden herrschen, sowie gegenüber denjenigen, die durch Reibung der sich drehenden Pumpen- oder Ventilwelle entstehen; und
- Gute chemische Beständigkeit.
Viele Hochleistungsdichtungen werden heute aus Garnen auf Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE) hergestellt. Diese Garne können durch Einsatz eines Matrixspinnverfahrens hergestellt werden, oder indem eine Schale ("peeling") bzw. eine dünne Materialschicht von einem runden, gesinterten PTFE-Barren geschnitten wird, dessen Oberfläche zuvor "geritzt" wurde, um gleichmäßige Gewindegänge bzw. Stege darauf herzustellen.
Dieses Verfahren ist in US 4,025,598 beschrieben, das Sasshofer et al. erteilt und der Chemifaser Lenzing Aktiengesellschaft (Österreich) abgetreten wurde.
Ein weiteres Verfahren zum Herstellen von PTFE-Fäden ist in US 3,953,566 beschrieben, das Gore erteilt wurde und eine Teilfortsetzung von US 3,962,153 ist. Die mit dem Verfahren dieser Patente hergestellten Garne sind normalerweise als "gestreckte PTFE- Garne" (expanded PTFE yarns) bekannt, und die bei diesen Verfahren entstehenden Erzeugnisse können auch mit Graphit kombiniert werden, wodurch die reibungsmindernden Eigenschaften von PTFE verstärkt werden und die Wärmeleitfähigkeit verbessert wird.
Das Graphit kann dem Garn entweder während der Herstellung des PTFE-Gemisches, vor dem Schritt des Extrudierens oder durch Beschichten des halbfertigen Garn zugesetzt werden, wie dies in US 4,256,806 beschrieben ist, das Snyder erteilt wurde.
DE-A-23 26 826 offenbart ein Garn, bei dem Fäden aus verschiedenen Materialien, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen und aromatischem Polyamid, miteinander kombiniert werden und so ein Verbundgarn hergestellt wird. Die verschiedenen Fäden werden vorzugsweise ohne Drillung miteinander verbunden. Keiner der Fäden bildet eine Abdeckung bzw. eine äußere Schicht der anderen. Das so hergestellte Verbundgarn selbst kann mit einer Dispersion von Teilchen aus Polytetrafluorethylen beschichtet werden. Einerseits erzeugt eine Dispersion von Teilchen keine Beschichtung mit einheitlicher Dicke um das Verbundgarn herum, so daß veränderliche mechanische und chemische Eigenschaften entlang des Garns entstehen. Andererseits weist es keine gute mechanische Beständigkeit auf, da kein strukturiertes Material wie die Fäden, die das Verbundgarn bilden, entsteht.
Desgleichen offenbart EP-A-0 282 284 ein Garn, das aus Fasern aus Polyphenylsulfid und Polytetrafluorethylen besteht. Dieses Verbundgarn wird des weiteren mit einem dispergierten organischen Material, beispielsweise Polytetrafluorethylen oder Graphit, und/oder einem anorganischen Material imprägniert. Auch dabei entsteht eine Beschichtung mit uneinheitlichen Eigenschaften und relativ geringer mechanischer Beständigkeit.
PTFE-Garne, die mit Graphit imprägniert oder beschichtet sind, sind reinen PTFE-Garnen weit überlegen, da sie bei der Herstellung von Dichtungen für Wellen eingesetzt werden können, die sich im Unterschied zu den Geschwindigkeiten im Bereich von 12 mm/s bei den aus reinem PTFE bestehenden Dichtungen mit Wellenoberflächengeschwindigkeiten von ungefähr 25 mls drehen.
PTFE-Dichtungen werden nicht für den Einsatz auf Gebieten empfohlen, auf denen hohe Drücke in der Stoffbuchse herrschen, da bekannt ist, daß die PTFE-Dichtungen, speziell die aus gestreckten Garnen bestehenden, bei dem Einsatz auf diesem Gebiet die Eigenschaft aufweisen, durch den Zwischenraum zwischen der Welle und dem Pumpengehäuse und/oder der Buchse hindurch zu "extrudieren".
In diesem Fall sind in den Flechtmaschinen Garne aus Aramidfaser eingesetzt worden, die für ihre starke mechanische Festigkeit und Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen bekannt sind. Die chemischen, dichtenden und reibungsverringernden Eigenschaften der Aramidfasern werden noch verbessert, wenn sie mit PTFE-Dispersion imprägniert werden.
Damit ist herkömmlicherweise beim Imprägnieren oder Beschichten dieser Garne mit PTFE-Dispersion ein Gewichtsanteil von 20% bis 100% an PTFE in bezug auf das Gewicht der Garne erreicht worden. Mit diesem Verfahren sind die beabsichtigten Aufgaben teilweise erfüllt worden, es besteht jedoch noch Raum für Verbesserungen, da der PTFE-Film, der während des Imprägnierverfahrens auf den Garnen hergestellt wird, nicht ausreicht, um die Aramidfasergarne vollständig einzuschließen und zu schützen.
Des weiteren ist die chemische Beständigkeit des Aramidgarns erheblich geringer als die des PTFE, und seine Wärmeleitfähigkeit ist nicht so gut wie beispielsweise die des mit Graphit imprägnierten PTFE.
Angesichts dessen haben die Hersteller geflochtener Dichtungen einen weiteren Versuch unternommen, die Anforderungen an mechanische Festigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und geringe Reibung über die Kombination von PTFE/Graphit- und Aramidgarnen in der gleichen Dichtung vollständig zu erfüllen, wobei die Aramidgarne gewöhnlich an den Ecken und Kanten der geflochtenen Dichtung angeordnet werden, um die mechanische Festigkeit zu verbessern, und das PTFE/Graphit in der Mitte und an den Seiten, um so die Reibung der Welle zu verringern und die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern.
Dieser Versuch nach dem Stand der Technik hat zu annehmbarem Erfolg bei der Lösung des Problems geführt, das die unerwünschte "Extrusion" des PTFE darstellt, wobei eine gute Wärmeleitfähigkeit und geringe Reibung beibehalten wurden. Andererseits haben viele Benutzer der Dichtungen, die mit diesem Verfahren hergestellt wurden, über Probleme bezüglich des ungleichmäßigen Verschleißes der Welle berichtet, die durch die "harten" Ecken der Dichtung verursacht werden, die von den Aramidgarnen gebildet werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben aufgeführten Probleme des Standes der Technik zu lösen, so daß es zu keiner Beschädigung der Welle der Pumpe, des Ventils oder dergleichen kommt, bei der die geflochtenen Dichtungen eingesetzt werden.
Diese Aufgabe ist mit der vorliegenden Erfindung durch die Schaffung eines Verbundgarns gemäß Anspruch 1 erfüllt worden.
Die Erfindung schafft des weiteren eine geflochtene Dichtung, die mit den Verbundgarnen hergestellt wird, sowie ein Verfahren zum Herstellen des Verbundgarns für die Erzeugung der geflochtenen Dichtung.
Das Verbundgarn gemäß der vorliegenden Erfindung besteht vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, aus einem gestreckten PTFE, das mit Graphit imprägniert oder beschichtet ist, und der Kern besteht aus Aramidfäden.
Die Erfindung wird im folgenden ausführlicher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Perspektivansicht einer geflochtenen Dichtung gemäß den jüngsten Versuchen nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht der Schritte bei der Herstellung des Verbundgarns zur Erzeugung geflochtener Dichtungen gemäß dem Verfahren der Erfindung;
Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht des Verbundgarns gemäß der Erfindung; und
Fig. 4 ist eine Perspektivansicht einer geflochtenen Dichtung, die mit dem Verbundgarn gemäß der Erfindung hergestellt wird.
Fig. 1 der Zeichnungen zeigt eine geflochtene Dichtung gemäß den Lehren des Standes der Technik, wobei die dunklen Garne A gestreckte PTFE-Garne sind, die mit Graphit imprägniert sind, und die hellen Garne B Aramidgarne sind. Wie zu sehen ist, sind diese Dichtungen nach dem Stand der Technik so geflochten, daß die Aramidgarne B die Ränder der Dichtung bilden, um ihnen mechanische Festigkeit zu verleihen, während die PTFE/Graphit-Garne das Innere und die Seiten der Dichtung bilden, so daß geringe Reibung und gute Wärmeübertragungseigenschaften entstehen.
Diese Anordnung führt, wie oben erläutert, zu ungleichmäßigem Verschleiß der Wellen bzw. beweglicher Teile, die mit der Dichtung in Kontakt kommen, wobei dies auf die "harten Ecken" zurückzuführen ist, die durch das Aramid gebildet werden.
In Fig. 2 sind die grundlegenden Schritte bei der Herstellung des Verbundgarns zur Erzeugung geflochtener Dichtungen gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung schematisch dargestellt.
Das Verfahren zum Herstellen eines Verbundgarns gemäß der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2 der beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei zu sehen ist, daß zwei Rollen gestreckter PTFE-Einzelgarne 1 abgewickelt und mit einem Kernfaden aus Aramidgarn 2 kombiniert werden, wenn sie ein erstes Paar Füh rungswalzen 3 durchlaufen. Das Verbundgarn wird anschließend durch ein Paar Druckwalzen 4 geleitet, um jegliche Luft zu entfernen, die zwischen den Einzelgarnen 1 eingeschlossen ist, und den Aramidfaden 2 vollständig zwischen den Garnen 1 einzuschließen. Das so hergestellte Verbundgarn 5 wird dann einer Düse 6 zugeführt, in der das Verbundgarn 5 umgeschlagen wird, wobei das Verbundgarn 5 anschließend durch ein zweites Paar Druckwalzen 7 geleitet wird.
Das bevorzugte Gewicht des Kernfadens 2, der beim Verfahren der Erfindung eingesetzt wird, liegt im Bereich von 75 bis 500 Tex (1200 Tex = 1,2 g/m Gam), wobei das bevorzugte kombinierte Gewicht der zwei PTFE-Einzelgarne 1 im Bereich von 500 bis 3500 Tex liegt, d. h., wenn ein PTFE-Einzelgarn 1 eingesetzt wird, sollte es zwischen 500 und 3500 Tex wiegen, und wenn zwei Einzelgarne 1 eingesetzt werden, sollte ihr Gewicht jeweils zwischen 2500 und 1750 Tex liegen. Auf diese Weise beträgt das Gewicht des gemäß der Erfindung hergestellten Verbundgarns vorzugsweise 575 bis 4000 Tex.
Des weiteren kann das Einzelgarn bzw. die Einzelgarne 1, die als äußere Schicht des Verbundgarns 5 eingesetzt werden, aus PTFE-Harz bestehen, und zwar in reiner Form oder in Kombination mit anderen Füllstoffen, wie beispielsweise Graphit, Glimmer oder jedem beliebigen anderen organischen oder anorganischen Füllstoft.
Diese Garne werden mit einem Verfahren hergestellt, das normalerweise als "Pastenextrusionsverfahren" (paste extrusion process) bezeichnet wird, und bei dem ein vorgeformter Barren aus PTFE vermischt mit einem geeigneten Anteil an flüssigem Schmiermittel extrudiert wird, das als Extrudierhilfe dient. Das Extrudat wird dann durch eine Kalandrierwalze geleitet, wo es gepreßt wird, bis es die Form eines Garns der gewünschten Dicke annimmt. Das Garn wiederum wird dann getrocknet, um die Extrudierhilfe zu entfernen, und anschließend gestreckt und gesintert.
Für die Zwecke der Erfindung ist ein bevorzugtes Garn das gemäß den Lehren von US 3,962,153 hergestellte.
Die Innenfläche der PTFE-Einzelgarne 1 kann, wenn gewünscht entweder mit Klebstoff oder mit einer Dichtungsverbindung beschichtet werden, die selbst auf einer PTFE-Dis persion beruhen kann, und mit der die Haftung zwischen den zwei Einzelgarnschichten 1 weiter verbessert wird, wenn sie Druck ausgesetzt sind.
Die Druckwalzen 4 und 7 können darüber hinaus, wenn gewünscht, auf eine Temperatur im Bereich von 120ºC bis 270ºC und vorzugsweise 200ºC bis 270ºC erhitzt werden.
Fig. 3 zeigt ein Verbundgarn 5, das gemäß der Erfindung hergestellt wurde, wobei der Aramidfaden 2, wie zu sehen ist, zwischen den zwei gestreckten PTFE-Einzelgarnen 1 laminiert ist, die bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung mit Graphit imprägniert sind.
Das Verbundgarn 5 gemäß der bevorzugten Ausführung der Erfindung weist niedrige Reibung, gute Wärmeleitfähigkeit und gute chemische Beständigkeit, d. h. alle Eigenschaften des PTFE, auf, das mit der sich drehenden Welle (nicht dargestellt) in Kontakt kommt, wobei gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften des Kernmaterial beibehalten werden, in diesem Fall die des Aramidfadens 2, das nicht direkt mit der abzudichtenden Welle in Kontakt kommt, so daß es zu keinerlei Beschädigung derselben kommt.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine geflochtene Dichtung 8, die mit einem Verbundgarn 5 gemäß den Lehren der Erfindung hergestellt wurde, wobei hier zu sehen ist, daß die gesamte Außenfläche der Dichtung aus den Verbundgarnen 5 besteht, die ihrerseits, wie oben erläutert, aus gestreckten PTFE-Einzelgarnen 1, die mit Graphit imprägniert sind, bestehen, und zwar einschließlich ihrer Ränder, da die Aramidfäden 2, die der geflochtenen Dichtung 8 mechanische Festigkeit verleihen, in den Verbundgarnen 5 eingeschlossen sind.
Obwohl eine bevorzugte Ausführung der Erfindung beschrieben und dargestellt wurde, die aus zwei gestreckten und mit Graphit imprägnierten PTFE-Garnen besteht und die einen aus Aramid bestehenden Kernfaden hat, versteht sich, daß das Grundkonzept der Erfindung, d. h. die Herstellung eines Verbundgarns und einer daraus bestehenden Dichtung, auf viele verschiedene Weisen ausgeführt werden kann, und zwar so, daß das Garn die geringe Reibung, gute Wärmeleitfähigkeit und die chemische Beständigkeit an seiner Außenfläche aufweist, und die mechanische Festigkeit oder andere Ei genschaften durch einen Kern erzeugt werden, der aus einem anderem Material besteht.
Dementsprechend umfaßt die erfindungsgemäße Idee, die geschützt werden soll, Verbundgarne aus gestrecktem oder auch nicht getrecktem PTFE, die durch Laminierung von zwei oder mehr PTFE-Einzelgarnen mit einem oder mehreren Kernfäden hergestellt werden, die beispielsweise aus Glas, Kohlenstoff, Graphit, Acryl oder anderen Materialien bestehen, die zum Herstellen der Dichtung geflochten werden können, wobei dies Graphitgarne und Metalldrähte einschließt und die Auswahl der Materialien von der Umgebung abhängt, in der die Dichtung eingesetzt werden soll, sowie von den technischen Anforderungen, die bei jedem einzelnen Einsatzzweck vorliegen.

Claims

1. Verbundgarn (5) zum Herstellen geflochtener Dichtungen (8), das eine äußere Schicht aus einem ersten Material (1) und einen Kern aus einem Faden eines zweiten Materials (2) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht ein laminiertes Garn ist.

2. Verbundgarn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem ersten Material (1) um Polytetrafluorethylen (PTFE) handelt.

3. Verbundgarn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material (2), das den Kern bildet, eine größere mechanische Festigkeit hat als das erste Material (1).

4. Verbundgarn nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem PTFE um ein gestrecktes PTFE handelt.

5. Verbundgarn nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gestreckte PTFE mit Graphit imprägniert oder beschichtet ist.

6. Verbundgarn nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem zweiten Material (2) um Aramid handelt.

7. Verbundgarn nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht hergestellt wird, indem wenigstens zwei Verbundgarne aus dem ersten Material (1) mit dem dazwischen befindlichen zweiten Material (2) laminiert werden.

8. Verbundgarn nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Einzelgarne mit einem Klebstoff an der Fläche versehen ist, die mit dem zweiten Material (2) in Kontakt kommt.

9. Geflochtene Dichtung (8), dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Vielzahl von Verbundgarnen (5) besteht, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 8 definiert sind.

10. Verfahren zum Herstellen eines Verbundgarns wie es in einem der Ansprüche 1 bis 8 definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

a) Laminieren wenigstens eines Einzelgarns aus einem ersten Material (1) mit wenigstens einem Faden aus einem zweiten Material (2);

b) Pressen des in Schritt a) hergestellten Laminats;

c) Umschlagen des wenigstens einen Einzelgarns aus einem ersten Material auf den Faden aus einem zweiten Material, so daß das wenigstens eine Einzelgarn aus einem ersten Material eine äußere Schicht bildet und der Faden aus einem zweiten Material einen Kern des Verbundgarns bildet; und

d) Pressen des in Schritt c) hergestellten abschließenden Laminats.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt a) unter Verwendung von zwei der Einzelgarne ausgeführt wird, d. h. eines auf jeder Seite des Fadens aus dem zweiten Material.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Preßschritte mit beheizten Preßwalzen bei einer Temperatur im Bereich von 120ºC bis 270ºC ausgeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Bereich von 200ºC bis 270ºC liegt.