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DE2549571A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbinden von formkoerpern aus polytetrafluoraethylen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum verbinden von formkoerpern aus polytetrafluoraethylen

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DE2549571A1
DE2549571A1 DE19752549571 DE2549571A DE2549571A1 DE 2549571 A1 DE2549571 A1 DE 2549571A1 DE 19752549571 DE19752549571 DE 19752549571 DE 2549571 A DE2549571 A DE 2549571A DE 2549571 A1 DE2549571 A1 DE 2549571A1
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polytetrafluoroethylene
pressure
heated
chamber
temperature
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Application number
DE19752549571
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English (en)
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DE2549571B2 (de
DE2549571C3 (de
Inventor
Guenter Freitag
Alfred Dr Ing Krahl
Gerhard Dipl Ing Ullmann
Guenter Wenzel
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Sigri GmbH
Original Assignee
SIGRI ELEKTROGRAPHIT GmbH
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Publication date
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Priority to FR7633414A priority patent/FR2330519A1/fr
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Description

SIGRI ELEKTROGRAPHIT GMBH Meitingen, den i «'ν· '."
75/6
Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Formkörpern aus Polytetrafluoräthylen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von Formkörpern aus Polytetraf luoräthylen im Stumpfstoß, nach welchem die aneinandergepreßten Stoßflächen erwärmt werden.
Aus Polytetrafluoräthylen (PTFE) bestehende und "vorwiegend PTFE enthaltende Formteile werden wegen ihrer hervorragenden thermischen und chemischen Stabilität in zunehmendem Maße·als korrosionsbeständige Auskleidung, z.B. für Chemieapparate, wie Wärmeaustauscher, Kolonnen und Behälter, verwendet. Dabei ist es - besonders für Apparate mit größerem Innendurchmesser - notwendig, Formteile, z.B. Platten oder Folien, gas- und flüssigkeitsdicht miteinander zu verbinden, da die Herstellung von PTFE-Rohren größeren Durchmessers durch Ram- oder Pastenextrusion nicht möglich ist« Weitere Beschränkungen entstehen dadurch, daß für jeden Durchmesser ein eigenes Pressen^ mundstück erforderlich ist und das Verhältnis Wanddicke/Durchmesser nur beschränkt variiert werden kann.
Wegen der schlechten Benetzbarkeit des Polytetrafluoräthylens und der vergleichsweise geringen thermischen und chemischen Beständigkeit von Klebstoffen ist es
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bisher auch nicht gelungen, geklebte Verbindungen in einer etwa für Chemieapparate notwendigen Qualität, insbesondere mit einer hohen thermischen und chemischen Beständigkeit, herzustellen. Auch nach vorherigem Ätzen der zu verbindenden PTFE-Flächen reicht die Qualität der Verbindung für den genannten Verwendungszweck nicht aus. Die zum Verbinden von herkömmlichen thermoplastischen Kunststoffen gebräuchlichen Schweißverfahren, nach denen aneinandergepreßte Teile über den Schmelz- bzw. Erweichungspunkt des Kunststoffes erhitzt werden, sind für Polytetrafluoräthylen nicht brauchbar. Nach diesem Verfahren sind jedoch zwischen dünnen PTFE-Folien Verbindungen mit Überlappstoß hergestellt worden, die sich für Behälterauskleidungen wegen der Materialverdickung an der Überlappung weniger gut eignen. Besonders bei Verwendung von dickeren Folien oder Platten ist die Abdichtung derartiger Nähte,beispielsweise an Flanschbördeln, schwierig und aufwendig. Derartige Überlappungen werden nach der französischen Offenlegungsschrift 2 163 420 durch ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen PTFE-Teilen im Stumpfstoß vermieden,nach dem die V-förmige Nahtfuge zwischen zwei auf einer Unterlage fixierten PTFE-Platten mit einem PTFE-Pulver gefüllt und dieses durch stempeiförmig ausgebildete, a.\-ir den Stoß gepreßte Heizelemente erhitzt wird. Eine ausreichende und reproduzierbare Schweißgüte, die u.a. in komplizierter Weise von der Pulverqualität und -körnung sowie von der Packungsdichte abhängt, ist nach diesem Verfahren nur bei sorgfältiger, unter normalen Betriebsbedingungen kaum möglicher Beachtung sämtlicher Einflußgrößen zu erreichen. Nach-
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teilig für die Schweißgüte ist schließlich die durch die Anordnung der Unterlage unterhalb der Schweißnaht bedingte unsymmetrische Temperaturverteilung im Schweißgute
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der bekannten Verbindungsverfahren für Formkörper aus PTFE zu vermeiden und ein für Formkörper beliebiger Dicke und Größe geeignetes Verfahren zum Herstellen einer Verbindung im Stumpfstoß mit hoher Schweißgüte zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung betrifft die Schaffung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verbindungsverfahrens.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, nach welchem die Stoßflächen der zu verbindenden Polytetrafluoräthylenkörper mittig in einer durch Heizelemente und dem kalten Teil der durch Spannbacken gehaltenen Körper begrenzten Kammer angeordnet und auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Polytetrafluoräthylens erhitzt werden und innerhalb der Kammer ein Druck erzeugt wird.
Zur Erzeugung einer hochwertigen Verbindung im Stumpfstoß ist es erforderlich, die Stoßflächen unter Druckspannungen auf eine Temperatur oberhalb des Kristallitschmelzpunktes zu erhitzen und Temperatur und Druck eine bestimmte Zeit auf die Stoßflächen einwirken zu lassen. Thermoplastische Kunststoffe neigen unter diesen Bedingungen, insbesondere bei der Anwendung von höheren Temperaturen und/oder Drücken zum Ausfließen oder Austropfen des aufgeschmolzenen Anteils aus der Schweißnaht. Das Ausfließen wird überraschender-
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weise nach der Erfindung durch eine einfache Kammerung der unter Druckspannungen stehenden Schmelzzone vermieden, wobei die kalten Abschnitte der durch Spannbacken gehaltenen PTFE-Körper und die die Stoßflächen erhitzenden Heizelemente als Kammerwände wirken« Die einfache Kammerung ermöglicht es ebenfalls, den Anpreßdruck über die notwendige Schweißzeit aufrechtzuerhalten und vermeidet ein Ausknicken oder Ausbeulen der zwischen den Spannbacken frei überstehenden PTFE-Abschnitte.
Der Druck in der Kammer wird vorzugsweise durch das sich ausdehnende und an der Kammerbegrenzung abstützende PTFE erzeugt. Zur Einstellung wechselnder Drücke oder zur Regelung des Drucks während des Schweißvorgangs ist es nach der Erfindung von Vorteil, wenigstens ein mechanisch abgestütztes Heizelement gegen eine Kraft zu verschieben oder mindestens eine Spannbacke in einer zur Stoßfläche im wesentlichen senkrechten Richtung gegen eine Kraft zu bewegen, wobei beide Maßnahmen gleichzeitig oder nacheinander ausgeführt werden können«
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführung werden die Stoßflächen auf eine Temperatur zwischen 340 und 4300C erhitzt. Unterhalb dieses Temperaturbereichs sind die erforderlichen Schweißzeiten verhältnismäßig lang, während oberhalb des Bereichs zwar sehr kurze Schweißzeiten erzielt werden können, andererseits aber die Gefahr einer partiellen Zersetzung des erhitzten Polytetrafluoräthylens wächst. Anpreßdruck und Schweiß-
2 zeit betragen nach der Erfindung vorzugsweise 30 bis 150 N/cm bzw«, 10 bis 120 min., wobei die Parameter Temperatur, Druck und Zeit bis zu einem gewissen Grade gleichartig
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wirken und ein niedriger Wert des einen Parameters durch Erhöhung der anderen Parameter in diesem Substitutionsbereich ausgeglichen werden kann. Eine Verkürzung der Schweißzeit und die Senkung der Schweißtemperatur und des Drucks kann nach der Erfindung durch Einlegen von Folien aus einem fluorhaltigen Thermoplasten in den Spalt zwischen den Stoßflächen erreicht werden, z.B. durch Folien aus Tetrafluoräthylen-Hexafluorpropylen-(FEP) oder Tetrafluoräthylen-Perfluoralkyl-Perfluorvinyläther (PFA)-Copolymerisaten. Schweißzeit und Schweißdruck betragen unter diesen Bedingungen bevorzugt 1 bis 10 min. bzw.
1 bis 50 N/cm «, Die chemische und thermische Beständigkeit der Verbindung wird durch derartige Zwischenlagen nicht wesentlich beeinträchtigt, insbesondere bei der Verwendung von PFA als Zwischenlage. Das Verfahren eignet sich zum Verbinden von PTFE-Körpern der verschiedensten Formen und Maße, wobei die Verbindung im Stumpfstoß besonders einfach zwischen Körpern mit einer Dicke von ebwa 0,5 - 10 mm hergestellt werden kann.
Eine Vorrichtung zum Verschweißen von PTFE-Körpern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht aus Spannbacken, zwischen denen die zu verbindenden Körper gehalten sind, zum Erhitzen der Stoßflächen in dem Raum zwischen den Spannbacken angeordneten Heizelementen und einer aus den Heizelementen und den nichterhitzten PTFE-Abschnitten gebildeten, die Volumenausdehnung der erhitzten PTFE-Zone beiderseits der Stoßfläche hemmenden Kammer. Infolge der Hemmung oder Blockierung der thermischen Ausdehnung entstehen in den Stoßflächen Druckspannungen in einer für die
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Herstellung von Verbindungen im Stumpfstoß geeigneten Größenordnung, die über die zum Herstellen der Verbindung erforderlichen Zeit erhalten bleiben« Durch Aufbringen einer zusätzlichen auf die Stoßflächen wirkenden Kraft kann der Druck in der Schweißzone konstant gehalten oder nach einem vorgegebenen Programm geändert werden. Druckänderungen werden nach der Erfindung durch verschiebbare, mit einer vorgegebenen Kraft beaufschlagte Heizelemente und/oder durch in einer Führung senkrecht zu den Stoßflächen verschiebbare, belastete Spannbacken ermöglicht. Die Heizelemente sind zweckmäßig als Heizbänder ausgebildet oder als mit Heizmitteln gefüllte Hohlkörper.
Durch die Erfindung gelingt es in einfacher Weise, Formkörper aus PTFE unterschiedlichster geometrischer Formen, wie Platten, Stäbe, Folien, Hohlzylinder, Hohlkegel und dergleichen im Stumpfstoß stoffschlüssig zu verbinden. Der Verlauf der Stoßflächen und die Gestaltung der Schweißnaht sind für das Verfahren weitgehend unkritisch. Die Stoßflächen können in einem beliebigen Winkel die Körperoberfläche schneiden, konkav oder konvex ausgebildet sein oder beliebige Profile aufweisen. Die Schweißnähte können in ihrer Längserstreckung geradlinig oder gekrümmt gestaltet sein und es ist ebenso möglich, die Stoßflächen auf der gesamten Länge der Schweißnaht oder in einigen Abschnitten miteinander zu verzahnen. Vorteile der erfindungsgemäß hergestellten Verbindungen sind der außerordentlich günstige als Schweißfaktor bezeichnete Quotient aus der bei Raumtemperatur ermittelten Reißfestigkeit der Verbindung und der Reißfestigkeit des massiven Ausgangsmaterials, die Dichtigkeit der Schweiß-
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- ψ -Λ)
nähte und ihre Beständigkeit gegen korrodierend wirkende Stoffe. Der Schweißfaktor der Verbindung beträgt angenähert 1. Für geschweißte Hohlkörper ist es von Wichtigkeit, daß die geringe Permeabilität des Ausgangsmaterials durch die Schweißnähte nicht nennenswert vergrößert wird« Weitere Vorteile des Verfahrens sind die hevorragende Reproduzierbarkeit, eine gleichmäßige Nahtgüte und schließlich die einfache Handhabbarkeit.
Die Erfindung wird im folgenden durch schematische Figuren und Beispiele erläutert:
Es sind im einzelnen dargestellt in
Figo 1 - ein Schnitt durch eine Schweißvorrichtung
mit starrer Einspannung,
Figo 2 — ein Schnitt durch eine Schweißvorrichtung
mit einem verschiebbaren Heizelement,
Figo 3 - ein Schnitt durch eine Schweißvorrichtung
mit verschiebbaren Spannbacken,
Figo 4 — ein Schnitt durch eine Schweißvorrichtung
mit verschiebbarem Heizelement und verschiebbaren Spannbacken.
In Fige 1 sind 1 und 2 zwei sich im Verbindungsstoß 3 berührende plattenförmige zwischen den Spannbackenpaaren 7 und 8 eingespannte PTFE-Körper» Zwischen den
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Spannbackenpaaren sind symmetrisch zum Stoß 3 oberhalb und unterhalb der PTFE-Körper 1 und 2 je ein Heizelement 4 und 5 angeordnet, die gegen die Joche 9 durch die Zwischenstücke 6 thermisch und elektrisch isoliert sind. Der Abstand der beiden Heizelemente ist so gewählt, daß sich das beim Erhitzen auf die Schweißtemperatur ausdehnende PTFE an beiden Heizelementen anlegt, wobei der sich im Stoß 3 aufbauende Druck durch die Joche 9 und die kalten Abschnitte der PTFE-Körper zwischen den Heizbändern und den Spannbacken aufgenommen wird» Durch die Pfeile A sind die auf die Backen wirkenden Spannkräfte zeichnerisch dargestellt.
In Fige 2 ist das Heizelement 5 mit dem isolierenden Zwischenstück 6 beweglich gelagert und die Kraft B drückt die Heizelemente auf den Verbindungsstoß 3» Die durch Federn, hydraulisch oder durch Gewichte und dergleichen erzeugte Kraft B kann beispielsweise bereits während der Aufwärmung des PTFE·s an den Stoßflächen angelegt werden, sie ist regelbar, so daß für jede Temperatur der durch Versuche ermittelte beste Druck aufgebracht werden kann.
In der Ausführung nach Fige 3 sind die Spannbacken in Richtung auf den Verbindungsstoß 3 beweglich und werden beim Abkühlen der Schweißverbindung durch Konstruktionsspannungen in Richtung auf den Verbindungsstoß gezogen.
Die Vorrichtung nach Fig. 4 mit verschiebbaren Heizelementen und Spannbacken ermöglicht schließlich eine vollständige Anpassung des Drucks im erwärmten
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Abschnitt beiderseits des VerbindungsStoßes auf eine für jede Temperatur optimale Größe.
Die Punktionsweise der Vorrichtungen wird nachfolgend anhand von Beispielen erläutert:
Beispiel 1
Die zur Auskleidung eines Trichters mit Öffnungsdurchmessern von 500 mm und 1400 mm und einer Höhe von 1000 mm vorgesehenen PTFE-Schälfolien mit einer Dicke von 4 mm wurden zugeschnitten und die Kanten plangehobelte Die Schälfolie wurde dann derartig in eine Vorrichtung nach Fig. 4 eingespannt, daß die sich berührenden Stoßflächen parallel zu den Backen verliefen und etwa gleich weit von jedem Backenpaar entfernt waren, deren gegenseitiger Abstand ca» 19 mm beträgt. Eine insgesamt etwa 15 mm breite Zone beiderseits des Verbindungsstoßes wurde dann durch die anliegenden Heizelemente auf eine Temperatur von etwa
400°C aufgeheizt und durch Verschieben der Spannbacken
2
ein Druck von ca« 60 N/cm an die Stoßflächen angelegt. Druck und Temperatur wurden 45 min. aufrechterhalten und die Schweißnaht anschließend unter Druck auf Raumtemperatur abgekühlt. Die im Kurzreißversuch bestimmte Festigkeit und D h.iung betrugen im Vergleich zu nichtverschweißtem PTFE-
Bruchfestigkeit > 0,85
Bruchdehnung > 0,95
Beispiel 2
Zur Auskleidung eines Hohlzylinders mit einer Länge von 1000 mm und einem Durchmesser von "1400 mm wurde
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.'"709820/0421
-w-
PTPE-Schälfolie mit einer Dicke von 5 mm verwendet. Die Folien wurden in eine Vorrichtung nach Fig. 3 eingespannt, wobei der Verbindungsstoß mittig und parallel zu den Spannbacken verlief. Zwischen den beiden Stoßflächen war eine Folie aus PFA und zwischen den PTFE-Teilen und den anliegenden Heizelementen je eine Folie aus Asbestpapier eingelegt. Die Schweißzone wurde nunmehr in einer Breite von ca. 15 mm
auf eine Temperatur von ca. 3500C erhitzt und der
2
sich aufbauende Druck von ca. 10 N/cm über eine
Zeit von 5 min. aufrechterhalten. Die Prüfung der Schweißnaht ergab folgende Werte(bezogen auf nichtverschweißtes PTFE):
Bruchfestigkeit > 0,90
Bruchdehnung > 0,95
14 Patentansprüche
4 Figuren
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1.) Verfahren zum Verbinden von Formkörpern aus PoIytetrafluorathylen im Stumpfstoß, nach welchem die Stoßflächen aneinandergepreßt und erwärmt werden, dadurch gekennzeichnet , daß die Stoßflächen der zu verbindenden Polytetrafluoräthylenkörper mittig in einer durch Heizelemente und dem kalten Teil der durch Spannbacken gehaltene Körper begrenzten Kammer angeordnet werden, daß die Stoßflächen auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Polytetrafluoräthylens erhitzt werden und innerhalb der Kammer ein Druck erzeugt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Druck innerhalb der Kammer durch das sich ausdehnende und an der Kammerbegrenzung abstützende Polytetrafluorathylen erzeugt wirdo
    3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der in der Kammer erzeugte Druck durch Verschieben wenigstens dines mechanisch belasteten Heizelements geregelt wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 oder 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß während der Aufheizphase und/oder während der Haltephase und/oder während der Abkühlphase durch Verschieben mindestens
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    ft
    einer Spannbacke in wenigstens einer zur Stoßfläche im wesentlichen senkrechten Richtung ein zusätzlicher Druck auf den Stumpfstoß ausgeübt wird.
    ο Verfahren nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Stoßflächen auf eine Temperatur zwischen 340 und 4300C erhitzt werden.
    6β Verfahren nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Stoßflächen mit Drücken zwischen 30 und 150 N/cm gegeneinander gepreßt werden«
    7ο Verfahren nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Temperatur und Druck im Schweißstoß bis 10 bis 120 min. aufrechterhalten werden.
    8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch g e k e η η zeichnet , daß in den Spalt zwischen den Stoßflächen Folien aus einem fluorhaltigen Thermoplasten eingelegt werden.
    9β Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 und 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Stoßflächen mit
    Drücken von 1 bis 50 N/cm gegeneinander gepreßt werden.
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    ο Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 und 8 und 9, dadurch gekennzeichnet , daß Temperatur und Druck im Schweißstoß 1 bis 10 min. aufrechterhalten werden.
    11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß Formkörper aus Polytetrafluoräthylen mit einer Dicke von 0,5 - 10 mm verbunden werden.
    12ο Vorrichtung zum Verschweißen von Formkörpern aus Polytetrafluoräthylen im Stumpfstoß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die zu verbindenden Polytetrafluoräthylen-Körper zwischen Spannbackenpaaren gehalten sind, zum Erhitzen der Stoßflächen in dem Raum zwischen den Spannbacken Heizelemente angeordnet sind und die Heizelemente sowie die nichterhitzten Polytetrafluoräthylenabschnitte die Begrenzung einer die Volumenausdehnung des erhitzten Polytetrafluoräthylenabschnxtts hemmenden Kammer bilden.
    13« Vorrichtung nach Anspruch 12, dacurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein Heizelement beweglich und mit einer vorgegebenen Kraft beaufschlagbar ist.
    14β Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 12 und 13, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine mit einer Kraft beaufschlagte Spannbacke in einer Führung senkrecht zu den Stoßflächen verschiebbar ist»
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