DE60111822T2

DE60111822T2 - Statische dichtungen

Info

Publication number: DE60111822T2
Application number: DE60111822T
Authority: DE
Inventors: Robert John Littleborough HOYES; Stephen Woolfenden
Original assignee: Flexitallic Investments Inc
Current assignee: Flexitallic Investments Inc
Priority date: 2000-01-14
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2021-01-13
Also published as: DE60111822D1; KR100805787B1; GB0000712D0; EP1247033A1; WO2001051834A1; EP1247033B1; AU5790001A; US20030132579A1; US8876118B2; CA2396659A1; KR20020091081A; JP2003519765A; US7204492B2; JP5113310B2; BR0107635B1; US20050006858A1; BR0107635A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft spiralförmig gewickelte Dichtungen mit einer Dichtungsschicht mit verbesserten Eigenschaften Eigenschaften auf der Basis von chemisch expandiertem Vermiculit.
Expandierter Vermiculit ist als hitzebeständiges, elastisches, rückfederndes Material bekannt. Herkömmlich erhält man expandierten Vermiculit durch Expansion des mineralischen Vermiculits mit Hilfe von Gas. Auf diese Art gewonnenes Material wird hier als „gas-expandierter Vermiculit" bezeichnet. Das Gas kann thermisch erzeugt werden, in welchem Fall das Produkt als „thermisch expandierter Vermiculit" (TEV) bezeichnet wird. TEV kann durch Hochglühen von mineralsichem Vermiculit bei Temperaturen von 750–1000°C gewonnen werden. Bei dieser Temperatur verdampft das Wasser (ob in freier oder gebundener Form) im Erz äußerst rasch und ionenabstoßende Kräfte sprengen die Silicatschichten, welche das Rohmaterial bilden, auseinander und bewirken eine 10- bis 20-fache Expansion im rechten Winkel zu den Schichten. Die gebildeten Körnchen (Granulat) besitzen eine chemische Zusammensetzung, die, abgesehen vom Verlust des Wassers, praktisch identisch mit der des Rohmaterials ist. Gas-expandierter Vermiculit kann auch durch Behandlung des Roh-Vermiculits mit einer flüssigen Chemikalie, wie z.B. Wasserstoffperoxid, hergestellt werden, die zwischen die Silicatschichten eindringt und ein Gas wie z.B. Sauerstoff entwickelt, das die Expansion bewirkt.
Eine andere Form von expandiertem Vermiculits ist unter der Bezeichnung „chemisch expandierter Vermitculit" (CEV) bekannt und wird durch Behandlung des Erzes und Quellen desselben in Wasser hergestellt. Bei einem der möglichen Verfahren wird da Erz mit einer gesättigten Natriumchloridlösung zum Austausch von Magnesiumionen mit Natriumionen behandelt und danach mit n-Butyl-Ammoniumchlorid, um die Natriumionen mit n-C₄-H₉NH₃-Ionen zu ersetzen. Beim anschließenden Waschen mit Wasser erfolgt die Quellung. Das aufgequollene Material wird dann hohen Scherkräften ausgesetzt, wodurch eine wässrige Suspension mit sehr feinen Vermiculitteilchen (mit einem Durchmesser von unter 50 μm) zu erhalten.
Die Verwendung von expandiertem Vermiculit als Schicht für eine Flachdichtung, wie z.B. eine Auspuffdichtung für ein Kraftfahrzeug und andere Zwecke ist bekannt. So offenbart GB 2 193 953 B z.B. die Bildung von Flachdichtungen aus gas-expandierten Vermiculitteilchen. Da derartige Teilchen nicht besonders gut aneinander haften, werden sie mit feinen CEV-Teilchen gebunden. Die Verwendung von CEV als Bindemittel bedeutet, dass die Wärmebeständigkeit und Elastizität erhalten bleibt, wogegen die Verwendung anderer anorganischer Bindemittel zu einer nicht komprimierbaren Struktur führen könnte. Obwohl jedoch expandierter Vermiculit hervorragende wärmebeständige Eigenschaften und eine hohes Maß an Rückfederung aufweist, ist sein Widerstand gegen Wasseraufnahme gering. Hinzu kommt, dass derartige Produkte unter Verwendung von CEV mit einem hohen Wasserghalt mit niedrigem Feststoffgehalt hergestellt wurden, was aufgrund der Tendenz von CEV, Materialien zu enthalten, die eine Oberflächenhaut bilden, zu erhebliche Trocknungsproblemen bei der Produktion führt, weil die Haut ein weiteres Entweichen der Feuchtigkeit hindert.
Spiralförmig gewickelte Dichtungen sind bestens bekannt und werden mit Hilfe eines Trägerstreifes aus Metall geformt, herkömmlich aus Stahl und einem Dichtungsstreifen aus einem rückfedernden Material, herkömmlich aus expandiertem Graphit. Bei der Herstellung von herkömmlichen spiralförmig gewickelten Dichtungen wird der Trägerstreifen aus Band einem Dorn zugeführt. Der Trägerstreifen aus Stahl wird entweder mit sich selbst verschweißt, um einen geschlossenen Ring um den Dorn zu bilden, oder die Verschweißung erfolgt mit einem inneren Ring der Dichtung, der auf dem Dorn sitzt. Der Dorn wird dann in Drehbewegung versetzt, um so mehr von dem Trägerstreifen auf den Dorn zu wickeln um eine flächige Spirale zu bilden. Zur gleichen Zeit wird der Dichtungsstreifen zwischen die Windungen des Stahlstreifens gezogen, so dass ein spiralförmiger Dichtungsstreifen gebildet wird, der zwischen die Windungen des Trägerstreifens zu liegen kommt. Wenn die spiralförmige Dichtung fertiggestellt ist, wird der Trägerstreifen aus Stahl mit sich selbst verschweißt und bildet so einen geschlossenen Ring an der Außenseite der Dichtung und dieselbe wird vom Dorn abgenommen. Derartige Dichtungen finden z.B. als Dichtungen zwischen Flanschen am Ende von Rohren Verwendung. Der Trägerstreifen hält den Dichtungsstreifen fest und der Dichtungsstreifen bildet eine Dichtung zwischen den Flanschen und den Windungen des Trägerstreifens.
Aus obiger Beschreibung, wie spiralförmig gewickelte Dichtungen hergestellt werden, sollte klar hervorgehen, dass der Dichtungsstreifen genügend Festigkeit und Flexibilität besitzen sollte, um in die Spiralwindung gezogen und in eine Dichtung geformt werden zu können, ohne dabei zu reißen. Ein aus expandierter Graphitfolie gebildeter Dichtungsstreifen, obwohl relativ spröde, besitzt genügend Festigkeit.
In vielen Fällen ist es bei einer spiralförmig gewickelten Dichtung wünchenswert, ein hohes Maß an Wärmebeständigkeit zu besitzen. Bei einer herkömmlichen Dichtung ist die Wämebeständigkeit durch diejenige des expandierten Graphits begrenzt, die unter der gewünschten Wärmebeständigkeit liegt.
Eine weitere Aufgabe mindestens einer der bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine spiralförmig gewickelte Dichtung zur Verfügun zu stellen, bei welcher der Dichtungsstreifen erhöhte Wärmebeständigkeit aufweist.
W098/53022 offenbart die Möglichkeit einer spiralförmig gewickelten Dichtung mit einem Dichtungsstreifen aus einer CEV-Zusammensetzung mit einem Trägerstreifen zur Verhinderung des Reißens des elastischen Materials, das an sich als für zu spröde gehalten wird, um die Formung einer spiralförmig gewickelten Dichtung zu ermöglichen. Bei dieser Technik stieß man auf Schwierigkeiten der Schichtenablösung vom Trägerstreifen beim Spalten der elastischen Schicht. Aus diesem Grund wurde in einigen Fällen ein Kleber auf die elastische Schicht aufgegtragen, um ein Ablösen vom Trägerstreifen zu verhindern.
Leider bewirkt die Verwendung von Kleber eine Erhöhung der organischen Bestandteile in der elastischen Schicht und organische Bestandteile haben meist die Eigenschaft bei höheren Temperaturen zu verbrennen und Hohlräume zu hinterlassen, die einen Leck- oder Sickerweg durch das Material, Schrumpfung und Spannungsminderung verursachen.
Des weiteren erhöht die Vewendung eines Trägerstreifes die Verarbeitungskosten und die Komplexität. Da die Verwendung von Graphit in Verbindung mit Trägerstreifen keine Leckprobleme verusacht, wurden die Versuche die Trägerstreifentechnologie auf spröde Vermiculitwerkstoffe fortgesetzt, allerdings bis heute ohne wirkungsvolle Lösungen.
Eine weitere Aufgabe von mindestens einer der Ausgestaltungen dieser Erfindung besteht darin, eine spiralförmig gewickelte Dichtung mit einer Dichtungsschicht mit verbesserter Wasserfestigkeit herzustellen. Eine weitere derartige Aufgabe besteht darin, eine spiralförmig gewickelte Dichtung mit einer Dichtungsschicht mit geringerem Spannungsverlust und besserem Zeitstandverhalten herzustellen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine spiralförmig gewickelte Dichtung mit überraschenden Verbesserungen.
Die voliegende Erfindung umfasst eine spiralförmig gewickelte Dichtung bestehend aus einem Dichtungsstreifen, der so in eine Spirale und einen Trägerstreifen gewickelt ist, dass die Spirale des Dichtungsstreifens zwischen den Windungen des Trägerstreifens geformt wird. Der Dichtungstreifen besteht aus einem elastischen, rückfedernden Material, das einen Bestandteil von CEV in einem Anteil von mindestens 25% Masse/Masse des Dichtungsstreifens enthält, wobei der genannte CEV-Bestandteil mindestens teilweise aus trockenem CEV besteht, wobei der Dichtungsstreifen keinen Trägerstreifen zur Verhinderung des Reißens des Dichtungsstreifens bei der Formung der spiralförmig gewickelten Dichtung enthält.
Das elastische Material enthält außerdem vorzugshalber ein hydrolysebeständiges Polymer zur Verbesserung der Wasserbeständigkeit des genannten Dichtungsstreifens, wobei der Anteil des ewähnten Polymers 20% Masse/Masse des Dichtungsstreifens nicht überschreitet.
Erstaunlicherweise hat sich gezeigt, dass die Verwendung derartiger Anteile an CEV dem Dichtungsstreifen genügend Festigkeit verleiht, dass er sich ohne Trägerstreifen zu einer Spiral wickeln lässt, obwohl man bisher der Auffassung war, dass bei Verwendung von Vermiculit ohne Trägerstreifen der Dichtungsstreifen zum Wickeln zu spröde sein würde.
Nach Möglichkeit sollte das elastische Material ein blättchenförmiges Füllmaterial enthalten, möglichst einen gemalenen Füllstoff.
Beim spialfömigen Wickeln und nach Möglichkeit beim Entfernen von der Formplatte auf der die Dichtungsstreifen bzw. -schichten geformt werden, sollte der Dichtungsstreifen einen möglichst geringen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen.
Soweit möglich sollte der Feuchtigkeitsgehalt die Sprödigkeit des Streifens genügend reduzieren bzw. den Zusammenhalt des Streifens genügend stärken, um die erwähnte spiralfärmige Wicklung und die Abnahme von der Formplatte zu ermöglichen, ohne Schaden durch Auseinanderbrechen oder Reißen des Streifens zu erleiden.
Um Zweifel auszuschließen: Eine erfindungsgemäß spiralförmig gewickelte Dichtung kann eine herkömmliche Dichtung zwischen statischen Teilen bilden. Ein Beispiel hierzu wäre die Abdichtung von Ventilschäften.
Nach Möglichkeit sollte der Anteil von CEV mindestens 30% Masse/Masse des Dichtungsstreifens betragen, besser jedoch mindestens 35% Masse/Masse des Dichtungsstreifens betragen.
Typischerweise liegt der Anteil von CEV im Bereich 25–80% Masse/Masse des Dichtungsstreifens, typischer noch bei 30–75% Masse/Masse des Dichtungsstreifes und am allertypischsten bei 35–70% Masse/Masse des Dichtungsstreifens.
Der Anteil des genannten Polymers sollte möglichst weniger als 15% Masse/Masse des Dichtungsstreifens betragen, besser noch weniger als 10% Masse/Masse. Besonders vorteilhaft wäre ein Anteil von Polymer von weniger als 7,5% Masse/Masse und noch wünschenswerter ein Anteil im Bereich von 1,0 bis 7,5 & Masse/Masse des Dichtungsstreifens.
Nach Möglichkeit enthält der Anteil an chemisch expandieertem Vermiculit dieser Erfindung genügend trockenen CEV um eine nasse Weichstoffmasse mit reudziertem Wassergehalt als Dichtungsschicht zu erhalten, die getrocknet werden kann, bevor sich noch eine zu starke Haut gebildet hat.
Der Begriff hydrolysebeständiges Polymer beinhaltet jedes geeignete Elastomer wie elastische Polymere auf Silikon- und Kohlenstoffbasis. Zu geeigneten Polymeren für die erfindungsgemäße Verwendung gehören:
Nitril-Butadien-Kautschuks, Styrol-Butadien-Kautschuks, natürlicher Gummi, Butylkautschuk, Siloxane (insbesondere siliciumorganische Oxide wie Dialkylsiloxane) und Ethylen-Propylen-Dien-Monomer. Polymere auf Diene-Basis eignen sich deshalb, weil sie flexibel und hydrolysebeständig sind.
Der Trägerstreifen kann aus beliebigem, geeignetem Trägermaterial hergestellt werden, mit welchem die Dichtschicht zur spiralförmigen Dichtung gewickelt werden kann. Zu geeigneten Werkstoffen für Trägerstreifen gehören rostfreier Stahl und Speziallegierungen wie Inconel und Hastelloy, die beide die Form dünner Streifen haben können.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt dieser Erfindung besteht darin, dass der Feuchtigkeitsgehalt beim Wickeln des Dichtungsstreifens zwischen 3 und 20% Masse/Masse des elastischen Materials beträgt.
Nach Möglichkeit beträgt der Feuchtigkeitsgehalt des Dichtungssstreifes beim Wickeln zwischen 2 und 10% Masse/Masse des elastischen Materials des Dichtstreifens, besser 3 bis 5% Masse/Masse.
Der Dichtungsstreifen sollte vorzugsweise aus 80% elastischem, rückfederndem Material bestehen, besser noch aus 90% elastischem, rückfederndem Material und am besten hauptsächlich und ganz aus elastischem, rückfederndem Material.
Die vorliegende Erfindung enthält auch eine Methode zur Herstellung eines Dichtungsstreifens für eine spiralförmig gewickelte Dichtung entsprechend dem ersten oder zweiten Aspekt der Erfindung, bestehend aus folgenden Schritten:

(a) Auftrag eines nassen Dichtungsstreifenmaterials auf eine Formplatte zur Bildung einer Schicht;
(b) teilweise Trocknung der genannten nassen Dichtungsstreifenschicht auf der Formplatte;
(c) Abnahme der Schicht vom Formplatte und
(d) Zuschneiden der Schicht in Streifen, die sich zur Herstellung der spiralförmig gewickelten Dichtung eignen.

Nach Möglichkeit sollte der Feststoffgehalt des nassen Dichtungsstreifenmaterials vor dem Trocknen 20–70% Masse/Masse des Materials betragen.
Es ist gebenenfalls vorgesehen, Schritt (c) eventuell nach Schritt (d) auszuführen.
Vorzugsweise sollte die Formplatte Trocknungstemperaturen standhalten, denen die nasse Dichtungsstreifenschicht ausgesetzt wird. Die Formplatte kann aus rostfreiem Stahl, einem nicht reaktionsfähigen Polymer wie PTFE oder einem anderen geigneten Werkstoff hergestellt sein, an dem die Schicht nicht haften bleibt.
Der Feststoffanteil des genannten Dichtungsstreifens sollte möglichst im Bereich von 25 bis 60% Mass/Masse des nassen Material liegen, besser im Bereich von 30–55% Masse/Masse des nassen Materials und am besten im Bereich von 35–50% Masse/Masse des nassen Materials.
Nach Möglichkeit und entsprechend anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung wird das CEV mit einem geeigneten blättchenförmigen Füllstoff wie thermisch expandiertem Vermiculit (TEC) vermischt. Nach Möglichkeit ist der Füllstoff gemahlen. Er sollte vorzugsweise weniger als 75% Masse/Masse des Dichtungsstreifes, besser weniger als 70% Masse/Masse und am besten wenier als 65% Masse/Masse des Dichtungsstreifens enthalten. Nach Möglichkeit beträgt der Wassergehalt der teilweise getrockneten Schicht bei der Abnahme von der Formplatte 3–20% Masse/Masse, besser 5–15% und am besten 7–13%. Bei der Formplatte kann es sich um ein Fließband handeln, das kontinuierlich oder nicht kontinuierlich betrieben wird. In vielen Fällen beträgt der TEV-Bestandteil in der Schicht weniger als 55% Masse/Masse.
Ein weiterer Trocknungsschritt kann nach dem Abnehmen des Dichtungsschichtmaterials von der Formschicht erfolgen.
Eine nasse Dichtungsstreifen-Weichstoffmasse gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei Temperaturen zwischen 50 und 135°C getrocknet werden, besser bei Temperaturen zwischen 60 und 130°C und noch besser bei Temperaturen zwischen 80 und 125°C. Man kann das Material auch im Bereich von Raumtemperatur trocknen lassen, es wird jedoch angenommen, dass diese Art der Trocknung nicht leicht bei der Industrie Eingang findet.
Vorzugsweise wird das nasse Dichtungsstreifenmaterial auf eine Formplatte aufgetragen unter Verwendung einer aufstreichtechnischen Einrichtung wie einer Rakel. Eine weitere Möglichkeit des Auftragens ist Kalandrieren.
Nach Möglichkeit besitzt das nasse Dichtungsstreifenmaterial die Form einer streichbaren Paste, vorzugsweise einer dünnen Paste oder einer dicken Schlämme.
Vorzugsweise liegt das relative Verhältnis von nichttrocken gewonnenem CEV zum trockenen CEV im getrockneten Dichtungsstreifenteil zwischen 0,01:1 und 20:1, besser zwischen 0,05:1 und 10:1 und am besten zwischen 0,1:1 und 4:1.
Da es sich bei CEV im Vergleich zu gas-expandiertem Vermiculit (z.B. TEV) um ein relativ teures Material handelt, kann eine erfindungsgemäße spiralförmig gewickelte Dichtung in der elastischen Schicht auch Teilchen aus gas-expandiertem Vermiculit enthalten, d.h. der Streifen kann Teilchen aus gas-expandiertem Vermiculit enthalten, die mit CEV-Teilchen verbunden sind. Das verwendete Material kann gemahlen oder auf andere Weise auf eine Teilchengröße von weniger als 50 μm zerkleinert sein. Vorzugsweise beträgt jedoch die Teilchengröße eines erheblichen Anteils mehr als 50 μm, besser 50 bis 200 μm, noch besser 50–250 μm und am besten 50–200 μm. Andere mögliche Additive wären Talkum, Glimmer und nichtexpandierter Vermiculit.
Unter trockenem CEV ist CEV mit einem Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 20% Masse/Masse zu verstehen, besser weniger als 10% Masse/Masse und am besten weniger als 5% Masse/Masse.
Der CEV-Anteil im nassen Material besteht vorzugsweise aus einem Gemisch von getrocknetem CEV und CEV in Schlämmenform. Es ist jedoch erforderlich, genügend getrockneten CEV zu verwenden, um einen akzeptablen Feststoffgehalt zu erhalten. Ein hoher Feststoffgehalt im nassen Material trägt zur geringeren Hautbildung beim anschließenden Trocknungsprozess bei und erhält einen hohen Feststoffehalt im Sinne der Erfindung aufrecht.
Nach Möglichkeit wird der trockene CEV mittels einer geeigneten Trocknungstechnik hergestellt. Geeignete Trocknungstechniken sind u.a.:
Kuchentrocknung und Pulverisierung
Dünnschichttrocknung und Pulversierung
Heißluft-Trommeltrocknung
Sprühtrocknen
Gefriertrocknen
Stromtrocknen
Wirbelschichttrocknen teilweise getrockneter Festsotffe sowie
Vakuummethoden einschließlich Vakuumetagentrocknen.
Bei entsprechender Verwendung kann das hydrolysebeständige Polymer mit dem Vermiculit mit Hilfe eines Haftverbesserers verbunden werden.
Es hat sich gezeigt, dass entsprechend diesem bevorzugten Aspekt der Erfindung in einer spiralförmig gewickelten Dichtung die Schicht wasserbeständiger ist als ein Material, das nur Vermiculit und einen Haftverbesserer enthält oder ein Material, das nur Vermiculit und ein Polymer enthält.
Bei dem Haftverbesserer kann es sich um ein Silan, z.B. ein vinylfunktionelles Silan wie z.B. Triethoxy-Vinyl-Silan (CH₃CH₂O)₃SiCH=CH₂).
Es ist ebenfalls möglich, dass das elastische Material nicht expandierten (geschäumten) Vermiculit enthält, der beim Erwärmen der Dichtung, z.B. am Einbauort, TEV bilden und so die elastische Schicht quellen und damit die Dichtungseigenschaft verbessern kann.
Das elastische Material kann mit dem Trägerstreifen verklebt werden, doch kann es vorteilhaft sein, wenn es mechanisch befestigt wird. Vorteilhafter ist es jedoch, wenn kein Kleber benötigt wird.
Nach Möglichkeit besitzt der Trägerstreifen Enden, die nicht mit dem elastischen Material verbunden sind, damit diese Enden bei der Herstellung der Dichtung geschweißt werden können.
Die Erfindung allgemein betreffend zeigt sich, dass bei einer spiralförmig gewickelten Dichtung die Teilchen des blättchenförmigen Füllstoffes, sofern vorhanden, dazu neigen, sich in der Ebene des Streifens zu orientieren und sich wie eine Vielzahl kleiner Blattfedern verhalten, wodurch die Dichtwirkung erhöht wird.
Grundsätzlich kann bei der vorliegenden Erfindung der blättchenförmige Füllstoff aus folgender Werkstoffgruppe gewählt werden: Talkum, Molybdändisulfid, Hexagonal- Bornitird, Seifenstein, Pyrophyllit, gemahlener, thermisch expandierter Vermiculit, Glimmer, Fluorglimmer, Graphitpulver, Glasblättchen, Metallblättchen, Keramikblättchen oder Kaolinite. Ein besonders bevorzugtes Vermiculitmaterial ist eines mit einer Blättchengröße im Bereich von 50–300 μm, wie z.B. das von W. R. Grace & Co beziehbare FPSV. FPSV ist ein eingetragenes Warenzeichen der W. R. Grace & Co.
Im Allgemeinen besitzt ein blättchenförmiger Füllstoff eine durchschnittliche Blättchenbreite, die mindestens der dreifachen durchschnittlichen Dicke des Blättchens entpricht.
Die Dichtungsschicht kann 5–80%, z.B. 20–50% Masseanteil des blättchenförmigen Füllstoffes beinhalten, vorzugsweise sind 25–40% des blättchenförmigen Füllstoffes in der getrockneten Dichtungsschicht vorhanden.
Ein noch weiteres allgemeines Ziel der Erfindung besteht darin, eine spiralförmig gewickelte Dichtung mit einem aus expandiertem Vermiculit gefertigten Dichtungsstreifen herzustellen, der ein polymeres Bindemittel enthält und eine verbesserte Abdichtung bei Temperaturen ermöglicht, bei denen sich das Bindemittel zersetzt.
Wahlweise kann der Dichtungsstreifen erfindungsgemäß grundsätzlich auch einen blähfähigen Werkstoff enthalten, der so gewählt ist, dass er bei Temperaturen expanidiert, bei welchen der das hydrolysebeständige Polymer zerfällt.
Bei diesem erfindungsgemäßen, wahlweisen Merkmal expandiert der blähfähige Werkstoff in der spiralförmig gewickelten Dichtung bei Temperaturen, die bewirken, dass das Bindemittel zerfällt und füllt zumindest teilweise die vom Bindemittel zurückgelassenen Hohlräume und unterstützt damit die Dichtwirkung.
Bei dem blähfähigen Werkstoff handelt es sich vorzugsweise um einen nicht expandierten Vermiculit, weil er nach seiner Expansion gute wärmebeständige Eigenschaften aufweist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, teilweise expandierten Vermiculit zu verwenden, d.h. Vermiculit, der bei niedrigeren Temperaturen expandiert wurde als dies normalerweise erforderlich ist, um ihn voll zu expandieren. Der nicht oder nur teilweise expandierte Vermiculit kann auf die an sich bekannte Weisen behandelt werden, um die Temperatur abzusenken, bei welcher die Expansion stattfindet, was bedeutet, dass die Temperatur sogar bis auf 160°C abgesenkt werden kann. Weitere blähfähige Werkstoffe sind expandierfähiger Graphit, Wasserglas und Perlit.
Der Massenanteil an blähfähigem Werkstoff an der Schicht kann bis zu 50% betragen, vorzugsweise jedoch bis zu 20%.
Der bei dieser Anwendung und diesen Ansprüchen benutzte Begriff Masse/Masse bezeichnet das Verhältnis der Masse des Bestandteils geteilt durch die Gesamtmasse. So besagt obige Aussage, dass die Masse des CEV-Bestandteils des Dichtungsstreifens mindestens 25% der Gesamtmasse des Dichtungsstreifens ausmacht.
Um ein besseres Verständnis der Erfindung zu ermöglichen, sollen nun eine Reihe von Ausgestaltungen anhand von Beispielen beschrieben werden. Dabei beziehen wir uns auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen die 1 und 2 den Aufbau einer herkömmlichen spiralförmig gewickelten Dichtung darstellen.
Zunächst soll auf die 1 und 2 Bezug genommen werden. Bei 1 handelt es sich um eine Draufsicht auf etwa die Hälfte einer spiralförmig gewickelten Dichtung mit der Hälfte ihres zugehörigen Führungsrings. Bei 2 handelt es sich um einen Querschnitt entlang der Linie A-A von 1. Aus Gründen der besseren Darstellung sind die Abbildungen leicht vergrößert. Die dargestellte Dichtung besteht aus einer Vielzahl von Wicklungen eines im allgemeinen im Querschnitt V-förmigen Metallstreifens. Die innersten Wicklungen 12 und die äußersten Wicklungen 13 sind nicht mit Dichtungsmaterial bedeckt. Das innere unbedecket Ende 14 ist durch Punktschweißen an die darunterliegende Wicklung geheftet. Das äußere freie Ende 15 ist auf dieselbe Weise, ebenfalls durch Punktschweißen an die darunterliegende Wicklung geheftet. Die zahlreichen Wicklungen eines weichen Dichtungsstoffs 11 bilden erfindungsgemäß die Zwischenlage beim Wickeln der Metallwicklungen 10, wie in 2 am besten verdeutlicht. Der spiralförmige Gesamtaufbau entspricht also einem mit Wicklungen aus Metall umgebenen Laminat oder Sandwich.
Der radial betrachtete äußere Rand der Spirale ist nasenförmig bzw. V-förmig ausgebildet 17. Diese Form ermöglicht ein „Einrasten" in den äußern Führungsring 16, dessen Innenkante mit einer entsprechenden eingearbeiteten oder eingepressten Nut als Aufnahme 18 versehen ist.
Der Führungsring 16 dient zur Zentrierung der ganzen Dichtung im Lochkreis einer üblichen Flanschrohrverbindung (nicht dargestellt). Die Schrauben werden festgezogen und ziehen auf diese Weise die gegenüberliegenden Flansche zusammen, die Druck auf beide Dichtflächen des spriralförmig gewickelten Dichtungsrings ausüben. Der Dichtungsring wird durch die Verformung des V-förmigen Querschnitts immer mehr zusammengedrückt, bis die Rohrflansche auf den Dichtflächen des Führungsrings 16 sitzen. Die bei einer herkömmlichen Dichtung hierfür erforderliche Belastung ist sehr hoch, worauf an anderer Stelle dieser Schrift eingegangen wird.
Es folgt nun eine detaillierte Beschreibung illustrierender Beispiele, entsprechend den verschiedenen Aspeketn der Erfindung.
Prüfmethode
Einer der geeignetsten Tests zur Prüfung der Funktion der Dichtung ist eine von der Shell Petroleum Company entwickelte Prüfmethode, die zur Beurteilung der Beispiele herangezogen wurde.
Ablauf der von Shell benutzten Prüfung
Hierzu wird der Prüfling (in diesem Falle sprialförmig gewickelte Dichtungen der Klasse 300 und 0,102 m in Abmessung) einer Dichtheitsprüfung bei Umgebungstemperatur unterzogen und daran anschließend einer Dichtheitsprüfung bei hoher Temperatur (450°C). Die Prüfvorrichtung besteht aus zwei Flanschen mit erhabener Dichtfläche mit einer Oberflächenbeschaffenheit von Ra = 3,2–6,3 μm. An jeden Flansch ist ein kurzes Stück Rohr angeschweißt und beide Rohrenden sind am gegenüberliegenden Ende zum Flansch verschlossen, so dass jeweils eine geschlossene Kammer gebildet wird. Die Prüfanordnung ist so gestaltet, dass die Flansche horizontal verlaufen und der Prüfling dazwischen angeordnet ist. Im unteren Bereich ist ein elektrisches Heizelement untergebracht. Im oberen Bereich wird Stickstoff über Ventile zugeführt, die ein Abstellen der Gaszuführung ermöglichen.
Die Flanschspezifikation entspricht ASTM A 182 Gr. F11 oder F12.
Die Rohrspezifikation entspricht ASTM A 335 P11.
Die Flansche werden mit 8 Stiftschrauben des Typs ASTM A 193 Gr. B16 und Muttern des Typs ASTM A 194 Gr 4H zusammengeschraubt, die mit Hochtemperaturschmiermitttel (Molybdänsulfidfett oder ähnlichem) geschmiert wurden. Die Schrauben werden angezogen, nach Möglichkeit mit einem hydraulischen Verschraubungsgerät. Der zulässige Schraubenspannungsbereich beträgt 210–350 N/mm2 (die bei den Prüfungen angewandte Spannung beträgt 300 N/mm2). Sobald die Prüfanordnung unter Spannung steht, kann die Prüfung wie folgt ablaufen:

1. Kammer mit einem Druck von 51 bar beaufschlagen und Prüfungsanordnung von der Gasversorgung trennen. Nach einer Verweilzeit von 30 Minuten wird der Druck gemessen und nach einer weiteren Stunde nocheinmal.
2. Druck entspannen und Prüfanordnung auf 450°C erwärmen mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 100°C/h. Daran anschließend erneut mit einem Druck von 33 bar beaufschlagen. Temperatur der Prüfanordnung bei 450°C stabilisieren lassen und dann den Anfangsdruck messen und danach den Druck erneut nach einer Stunde. Prüfanordnung dann auf Umgebungstemperatur abkühlen lassen (auf keinen Fall über 50°C) und dann erneut aufheizen. Druck nach einer Stunde Verweilzeit bei 450°C aufzeichnen und dann Kühl- und Aufheizzyklus wiederholen. Am Ende der letzten Verweilzeit bei erhöhter Temperatur gemessenen Druck erneut aufzeichnen.

Der Prüfabluf ist in der Shell-Schrift „Requirements for Asbestos Substitutes for Jointing, Packing & Sealing" (Anforderungen an Asbestersatzwerktoffe für Verbindungen, Packungen und Dichtungen) (Dol, Robbe & Voogd; Ausgabe Mai 1992 c/o Shell International Petroleum Maatschappij B. V., Den Haag).
Zusammenfassung der Prüfergebnisse
Die Prüfungsergebnisse der aus dem elastischen Streifen hergestellten Dichtungen sind nachstehend zusammengefasst dargestellt. Bei sämtlichen Dichtungen handelt es sich um Spiraldichtungen gemäß ASM B 16.20 4'' Klasse 300 mit Innen- und Außenring unter Verwendung von rostfreiem Stahl der Güteklasse 316 als Trägerstreifen für die Spirale. Die bevorzugte Fertigungsweise benutzt einen Wickeldruck von im Allgemeinen 2,76 bar mit 4 Stahlinnen- und 5 Stahlaußenwicklungen. Polymerfreie Streifen wurden geprüft. Zur Verbesserung der Wasserbeständigkeiten wurden außerdem auch polymerhaltige Streifen mit 5% NBR-Bindemitttel (als Lösung) ebenfalls geprüft, entsprechend der Rezeptur der Methode A.

Aufbau und Zusammensetzung der Prüflinge 1–9 sind nachstehend aufgeführt. Tabelle 1 Zusammenfassung der Prüflinge 1–9

Prüfling 1	Polymerfreier Füllstoff; 3 innere und 4 äußere Wicklungen aus Stahl; gewickelt bei 2,76 bar.
Prüfling 2	Wiederholung der vorstehenden.
Prüfling 3	Polymerfreier Füllstoff; 4 innere und 5 äußere Wicklungen aus Stahl; mit einem Druck von 2,76 bar gewickelt.
Prüfling 4	Wiederholung des vorstehenden.
Prüfling 5	Wie Prüfling 3, jedoch mit 5% Nitril-Butadien-Kautschuk-Füllstoff (in Latexform)
Prüfling 6	Wie Prüfling 3, jedoch mit 5% Nitril-Butadien-Kautschuk-Füllstoff (in Lösungsform)
Prüfling 7	Wie Prüfling 6, mit einem Druck von 1,38 bar gewickelt.
Prüfling 8	Wie Prüfling 6 mit getrocknetem, jedoch nicht vernetztem Füllstoff
Prüfling 9	Wie Prüfling 6 mit Füllstoff auf Latexbasis (2 1/2%) auf 0,05 mm Stahl. (Getestet bei 13,8 bar und 450°C). Bei Tests mit 34,5 bar und 450°C ergab sich nach einer halben Stunde erster Verweilzeit bei 450°C ein nicht akzeptabler Druckabfall von 13,8 bar).

Tabelle 2 Tetergebnisse, Prüflinge 1–9
Die in Klammern angegebenen Werte geben den Druckverlust nach 3 thermischen Zyklen an.
Methode A
Die pastenförmige Masse wird wie folgt zubereitet (Mischer mit Z-Schaufel):

Grace Microlite HTS – Dispersion 18,07 kg

Grace Microlite PCEV – Pulver 9,49 kg

Grace FPSV – Pulver 6,58 kg

NBR-Lösung 6,10 kg

Silquest A151 Silan 0,19 kg

Anm.: Bei FPSV handelt es sich um feingemahlenes TEV.

a) Alles außer Silan- und Gummilösung zugeben. 5 Minuten lang mischen.
b) Silan zugeben und 5 Minuten lang msichen.
c) NBR-Lösung zugeben und 5 Minuten mischen und dann in sauberen Kunststoffbeutel schütten und in Kunststoffbehälter verschließen.

Variationen zur Methode A:
Paste auf Latexbasis, die außerdem 5% Trockenmasseanteil an NBR enthält in der Form von wasserbasiertem Latex (40% Feststoffe), so dass 2,5 kg Latex 6,1 kg Gummilösung entspricht (Prüfling 5).
Polymerfreie Paste, bei welcher das Polymer von obiger Rezeptur weggelassen wurde (Prüflinge 1–4).
2 1/2% Latexpaste, hergestellt durch Halbierung der Latexmenge in obiger Prüfling 5 (Prüfling 9).
Weitere Beispiele
Zwei weitere Prüflinge wurden, wie zuvor beschreiben, zubereitet. Dabei wurde eine lösemittelfreie Variante der auf Nitrillatex (Breon 1562 (NBR Latex –40% Feststoffe) basierten Paste verwendet. Die Mischung erfolgte gemäß dem gegebenen Zyklus, wobei die Gummilösung durch 1,02 kg Latex ersetzt wurde. Die Entferung des Lösemittels hat den Zweck, den sicheren Transport der Paste zu gewährleisten (insbesondere per Luftfracht).
Anwendung
Die Paste sollte in Form eines dicken Breis (Konsistenz von Buttercreme) aufgetragen werden. Die Zubereitung erfolgt durch Verdünnen der nachstehend beschriebenen Pastenrezepturen mit Wasser. Man nehme 2 Teile Paste (bis zu 2 kg), die dann in Klumpen handvoller Größe aufzuteilen und in einen sauberen Behälter zu geben sind. Dann 1 Teil Wasser (Masseanteil) darauf gießen und zu einer gleichmäßigen Beschaffenheit verrühren. Die bevorzugte Rezeptur für die Paste (ohne das zusätzliche Wasser) ist nachstehend beschrieben. Eine gleichmäßige Schicht Paste, die nach dem Trocknen etwa 0,6 mm Dicke besitzt, wird mit einer auf 2 mm eingestellten Rakel auf eine Formplatte mit einer Dicke von bis zu 0,1 mm aufgetragen. Paste bei Raumtemperatur trocknen lassen. Nach dem Trocknen Formplatte entfernen, wodurch ein Pastenfilm zurückbleibt. Die Pastenschicht wird dann bei 120°C weiter getrocknet. Der so erhaltene Film in Form eines 124 mm breiten und bis zu 5 m langen Streifens wird dann in Streifen geschnitten und aufgwickelt. Normalerweise durchläuft der Film zuvor noch Quetschwalzen, um ihn flexibler zu machen.
Alternativ kann die Paste auch mit Hilfe einer „doppelten" Rakel aufgetragen werden, so dass die erste Rakel eine grobe Schicht des Breis aufträgt und die zweite Rakel die Schicht glättet, ihre Dicke bestimmt und gleichzeitig Luftblasen entfernt.
Bei einer Methode wurde an die Möglichkeit gedacht, die Formplatte so anzutreiben, dass sie sich mit gleichmäßigem Tempo durch die Beschichtungsvorrichtung bewegt.
Bei dem verwendeten CEV handelte es sich um die Dispesion HTS von W. R. Grace, die etwa 15% Feststoffe enthält. Bei dem benutzten trockenen CEV handelte es sich um das „Microlite Powde" von W. R. Grace. Das FPSV wurde ebenfalls von W. R. Grace bezogen. Bei dem in diesen Beispielen benutzten Gummi handelte es sich (entweder??) um Nitrilgummi N36C80 von Zeon.

Claims

Eine spiralförmig gewickelte Dichtung, bestehend aus einem in eine Spirale gewickelten Dichtungsstreifen und einem so in eine Spirale gewickelten Trägestreifen, dass die Spirale des Dichtungsstreifens die Zwischenschicht zwischen den Wicklungen des Trägerstreifens bildet. Der Dichtungsstreifen besteht aus einem elastischen, rückfedernden Material, das einen Anteil an chemisch expandiertem Vermiculit (CEV) enthält, der mindestens 25% Masse/Masse des Dichtungsstreifens enthält. Der genannte CEV-Anteil wurde zumindest teilweise aus trockenem CEV gewonnen und it darin gekennzeichnet, dass der Dichtungssteifen keinen Trägerstreifen zur Verhinderung eines Abbrechens des Dichtungsstreifens bei der Herstellung der sprialförmig gewickelten Dichtung enthält.
Eine spiralförmig gewickelte Dichtung nach Anspruch 1, bei welcher das elastische Mateial auch ein hydrolysebeständiges Polymer zur Verbesserung der Wasserbeständigkeit des genannten Dichtungsstreifens enthält, wobei der Anteil des genannten Polymers 20% Masse/Masse des Dichtungsstreifens nicht überschreitet.
Eine spiralförmig gewickelte Dichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welcher das elatische, rückfedernde Material einen blättchenförmigen Füllstoff enthält.
Eine spiralförmig gewickelte Dichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, bei welcher der Dichtungsstreifen beim spiralförmigen Wickeln einen geringen Feuchtigkeitsgehalt aufweist.
Eine spiralförmig gewickelte Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Dichtungsstreifen beim Entfernen von der Formplatte, auf welcher die Dichtungsstreifen oder Schichten geformt werden, einen geringen Feuchtigkeitsgehalt aufweist.
Eine spiralförmig gewickelte Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Anteil an CEV mindestens 30% Masse/Masse des Dichtungsstreifens beträgt.
Eine spiralförmig gewickelte Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Anteil an CEV in den Bereich von 25–80% Masse/Masse des Dichtungsstreifens fällt.
Eine spiralförmig gewickelte Dichtung nach einem der Ansprüche 2–7, bei welcher der Anteil an dem genannten Polymer weniger als 15% Masse/Masse des Dichtungsstreifens beträgt.
Eine spiralförmig gewickelte Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der erfindungsgemäße chemisch expandierte Vermitcultanteil genügend trockenen CEV für eine nasse Weichstoffdichtmasse mit einem reduzierten Wassergehalt enthält, der getrocknet werden kann, bevor eine beträchtliche Hautbildung einsetzt.
Eine spiralförmig gewickelte Dichtung, bestehend aus einem so in eine Spirale gewickelten Dichtungsstreifen und einem so in eine Spirale gewickelten Trägerstreifen, dass die Spirale des Dichtungsstreifens als Zwischenschicht zwischen den Wicklungen des Trägestreifens geformt wird und bei welcher der Dichtungsstreifen aus elastischem, rückfederndem Mateial besteht und das elastische, rückfedernde Material einen Anteil von mindestnes 25% Masse/Masse an chemisch expandiertem Vermiculit (CEV) des Dichtungsstreifens enthält und der genannte chemisch expandiete Vermiculit(CEV)-Anteil mindestens teilweise aus trockenem CEV gewonnen wurde und darin gekennzeichnet ist, dass der Dichtungsstreifen einen Feuchtigkeitsgehalt von zwischen 3 und 20% Masse/Masse des elastischen Dichtungsstreifenmterials beim Wickeln in die genannte Dichtung aufweist und dass der Dichtungsstreifen keinen Trägerstreifen zur Verhinderung des Abbrechens bei der Bildung der sprialgewickelten Dichtung enthält.
Eine spiralförmig gewickelte Dichtung nach einem der Ansprüche 1–9, bei welcher der Feuchtigkeitsgehalt des Dichtungsstreifens beim Wickeln zwischen 2 und 10% Masse/Masse des elastischen Materials des Dichtungssteifens aufweist.
Eine spiralförmig gewickelte Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Dichtungsstreifen mindestens 80% elastisches Material enthält.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsstreifens für eine sprialförmig gewickelte Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und aus folgenden Schritten bestehend: a) Auftrag eines nassen Dichtungsstreifenmaterials auf eine Formplatte zur Bildung einer Schicht; b) teilweise Trocknung der genannten Dichtungsstreifenschicht auf der Formplatte, gekennzeichet, durch das c) Entfernen der Schicht von der Formplatte und ein d) In-Streifen-Schneiden der Schicht, so dass sich die Streifen zur Herstellung einer spiralförmig gewickelten Dichtung eignen.
Ein Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem der Feststoffgehalt im nassen Dichtstreifenmaterial vor dem Prozessschritt des Trocknens 20 bis 70% Masse/Masse des Materials beträgt.
Ein Verfahren nach den Ansprüchen 13 oder 14, bei welchem Schritt (c) nach Schritt (d) erfolgt.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei welchem das Dichtungsstreifenmaterial chemisch expandierten Vermiculit (CEV) enthält.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei welchem der Feststoffgehalt der genannten Dichtungsstreifenschicht zwischen 25 und 60% Masse/Masse des nassen Materials beträgt.
Eine Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, oder ein Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, bei welcher/welchem der CEV mit einemem geeigneten blättchenförmigen Füllstoff wie thermisch expandiertem Vermitculit (TEV) vermischt ist.
Eine Dichtung oder ein Verfahren nach Anspruch 18 bei welcher/welchem der Füllstoffanteil weniger als 75% Masse/Masse des Dichtunsstreifens beträgt.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, oder eine Dichtung nach Anspruch 5, bei welchem/welcher der Wassergehalt der teilweise getrockneten Schicht beim Entfernen von der Formplatte 3–20% Masse/Masse beträgt.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17 oder 20, bei welchem ein weiterer Prozessschritt des Trocknens nach Entfernung des Dichtungsschichtmaterials von der Formschicht stattfinden kann.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17 oder 20–21, bei welchem die nasse Weichstoffmasse bei Temperaturen zwischen 50 und 135°C getrocknet wird.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17 oder 20–22, bei welchem das nasse Dichtungsstreifenmaterial mit Hilfe einer geeigneten Streichtechnik, wie z.B. einer Rakel, auf die Formplatte aufgetragen wird.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17 oder 20–23, bei welchem das nasse Dichtungsstreifenmaterial die Form einer streichfähigen Paste besitzt.
Eine Dichtung nach einem der Ansprüche 1–12 bzw. 18 oder 19, die sowohl auf nicht trockenem Wege gewonnenen CEV als auch trockenen CEV enthält, wobei das relative Verhältnis von auf nicht trockenem Wege gewonnenem CEV zu trockenem CEV in der getrockneten Dichtungsstreifenkomponenet zwischen 0,01:1 und 20:1 beträgt.
Eine Dichtung nach einem der Ansprüche 1–12 bzw. 18, 19 oder 25, bei welcher die Teilchengröße zumindestens eines erheblichen Anteils wie z.B. 90%, des CEV mehr als 50 μm beträgt.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 13–17 oder 20–24, bei welchem der CEV-Anteil im Nassmaterial ein Gemisch aus getrocknetem CEV und CEV in Breiform enthält.
Eine Dichtung nach einem der Ansprüche 1–12 bzw. 18, 19, 25 oder 26, bei welcher das elastische, rückfedernde Material mechanisch mit dem Trägerstreifen verbunden ist.
Eine Dichtung nach einem der Ansprüche 1–12, 18, 19, 25, 26, oder 28 welche als blättchenförmigen Füllstoff Vermiculit mit einem erheblichen Anteil von z.B. mindestens 90% eine Blättchengröße im Bereich von 50–300 μm enthält.
Eine Dichtung nach einem der Ansprüche 1–12 bzw. 18, 19, 25, 26, 28 oder 29, bei welcher die Dichtungsschicht 5–80% blättchenförmigen Füllstoff im getrockneten Dichtungsstreifen enthält.