DE69817483T2

DE69817483T2 - Sauerstoffbarrierestruktur für einen flexiblen Schlauch

Info

Publication number: DE69817483T2
Application number: DE1998617483
Authority: DE
Inventors: Kent H. Ozark Little; John A. Springfield Barnes
Original assignee: Parker Hannifin Corp
Current assignee: Parker Hannifin Corp
Priority date: 1997-07-29
Filing date: 1998-07-23
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2018-07-24
Also published as: EP0895013A2; EP0895013B1; ATE248312T1; EP0895013A3; CA2244321A1; CA2244321C; US6074717A; DE69817483D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet der elastischen Schläuche, und insbesondere elastische Schläuche, die für die Zirkulation von Fluiden in Strahlungsheizungen in Wohn- und Geschäftshäusern verwendet werden. Typische Schläuche des Stands der Technik für derartige Anwendungen sind beispielsweise in dem US-Patent Nr. 4,779,673 von Chiles u. a. und in dem US-Patent Nr. 5,488,975 von Chiles u. a. offenbart.
Oft leiten derartige Schläuche Wasser oder andere Heizungsfluide an Wärmetauscher, die sich in Böden, Decken, Dächern und Beton- oder Asphaltplatten befinden. Die Schläuche können in den zu heizenden Oberflächen eingebettet sein, und es ist wünschenswert, dass sie zur leichteren Installation elastisch sind. Ein erhebliches Problem bei derartigen Schläuchen liegt darin, dass sie dem Ein- und Aussickern von Gasen ausgesetzt sind. Sauerstoff ist besonders problematisch, da er leicht aus der Umgebung aufgenommen wird. Wenn Sauerstoff erst einmal in ein derartiges Heizungssystem eingedrungen ist, bringt dies eine Verschlech terung der Schläuche und eine Korrosion des Pumpsystems mit sich.
Das genannte Patent 5,488,975 von Chiles offenbart einen elastischen Schlauch für ein Heizungssystem mit einer Sauerstoffisolationsschicht in Form eines dünnen Kunststofffilms, z. B. aus Ethylenvinyl-Alkohol. Alternativ schlägt dieses Patent die Verwendung einer Aluminium-Isolationsschicht vor. Beide Isolierungen weisen Probleme auf. Sauerstoff kann alle bekannten Kunststofffilme durchdringen, zumindest zu einem geringen Grad. Aluminium ist im Wesentlichen sauerstoffundurchlässig, bindet sich aber nicht gut mit anderen Werkstoffen. Folglich neigen Schläuche des Stands der Technik mit Aluminium-Isolationsschichten unter Belastung zum Aufblättern.
Eine Reihe von anderen Patenten des Stands der Technik offenbart elastische Schläuche, die metallische Schichten der ein oder anderen Art einschließen. Derartige Offenbarungen finden sich beispielsweise im US-Patent Nr. 4,559,973 von Hane u. a., im US-Patent Nr. 4,758,455 von Campbell u. a., im US-Patent Nr. 5,182,147 von Davis, im US-Patent Nr. 5,271,977 von Yoshikawa u. a., und im US-Patent Nr. 5,398,729 von Spurgett. Keine dieser Druckschriften des Stands der Technik lehrt einen elastisch Schlauch mit einer Aluminiumisolation, die mit ausreichender Haftung darin gebunden ist, um das Aufblättern in der Umgebung eines Heizungssystems über einen langen Zeitraum zu vermeiden. In der Regel werden derartige Schläuche für den Transport von Brennstoff und Dampf verwendet und werden hergestellt, indem der Metallstreifen an beiden Seiten mit einem Kleber beschichtet wird, der beispielsweise ein Kleber aus einem Copolymer aus Ethylen und einem Monomer mit einer reaktiven Carboxylgruppe sein kann, wie es bei Campbell u. a. beschrieben ist.
Es ist daher ersichtlich, dass ein elastischer Schlauch nötig ist, der eine Aluminium-Isolationsschicht aufweist und der in der Umgebung eines Heizungssystems widerstandsfähig gegen Aufblättern ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Erfindung stellt einen elastischen Schlauch mit einer Aluminium-Isolationsschicht bereit, die zwischen zwei vulkanisierten Verbundschläuchen aus einem elastischen Polymer liegt. Diese Verbundschläuche werden durch Wärme und Druck während der Montage der Schläuche fest an die Aluminium-Isolationsschicht gebunden. Die Anordnung ist beständig gegen Aufblättern und ist im Wesentlichen sauerstoffundurchlässig.
Die Verbundschläuche weisen mindestens etwa 20 Gew.-% Ethylen-Propylen-Dien-Polymethylen und zwischen 2 bis 9 Gew.-% Polybutadien-Maleinsäureanhydrid-Adduktharz auf. Die Formel enthält auch etwa 2 bis 8 Gew.-% an aktivem Peroxid als kritischem Aushärtmittel. Das Aushärten mit Peroxid wird auf herkömmliche Weise bei einer Temperatur von etwa 163°C (325°F) durchgeführt. Das Aushärten liefert unerwartet eine starke Bindung zwischen dem Aluminium und den Verbundschläuchen. Nur durch Aushärten mit Peroxid konnten derartige Ergebnisse erzielt werden. Es können geeignete herkömmliche schwarze und nicht-schwarze Füller-Bestandteile und paraffine oder naphthenische Weichmacher dem Gemisch nach Wunsch zugegeben werden.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten elastischen Schlauch für Anwendungen in Heizungssystemen bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen elastischen Schlauch mit einer fest haftenden Sauerstoff-Isolationsschicht bereitzustellen.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den anliegenden Zeichnungen und den angefügten Ansprüchen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine Perspektivansicht der Erfindung in ihrer einfachsten Form, die nur eine zwischen zwei Verbundschläuchen liegende Aluminium-Isolationsschicht aufweist; und
2 eine Draufsicht einer aufgeschnittenen Ansicht eines Schlauchs für ein Heizungssystem in erfindungsgemäßer Ausführung.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
In 1 ist ein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneter einfacher elastischer Schlauch dargestellt, der erfindungsgemäß hergestellt ist. Schlauch 10 weist eine Aluminium-Isolationsschicht 14 auf, die zwischen einem innen angeordneten ersten Verbundschlauch 12 und einem außen angeordneten zweiten Verbundschlauch 16 liegt. Die Verbundschläuche 12, 16 sind aus einer Kunststoffmasse gebildet, die anliegend an die Isolationsschicht 14 in Position vulkanisiert wird.
Die Kunststoffmasse setzt sich aus einem Gemisch aus mindestens 20 Gew.-% Ethylen-Propylen-Dien-Polymethylen (EPDM) und aus etwa 2 bis 9 Gew.-% Polybutadien-Maleinsäureanhydrid-Adduktharz zusammen. Diese Mengen basieren auf einer Haftprüfung von Strukturen, die sich aus Gemischen mit mindestens 29 Gew.-% EPDM, mindestens 4 Gew.-% und höchstens 7,3 Gew-% Polybutadien-Maleinsäureanhydrid-Adduktharz und mindestens 1,3 Gew-% und höchstens 3,9 Gew.-% Peroxid zusammensetzen.
Das Gemisch sollte etwa 7 bis 35 Gew.-% paraffinisches Öl, naphthenischen Kohlenwasserstoff oder einen anderen geeigneten Weichmacher aufweisen, und vorzugsweise auch ein Copolymer aus Polyolefin-Elastomer in einer Menge von weniger als etwa 7 Gew.%, sowie chlorsulfoniertes Polyethylen in einer Menge von weniger als 4 Gew.-%. Diese Mengen wurden durch Haftprüfungen an Strukturen verifiziert, die sich aus Gemischen aus mindestens 13 Gew.-% und höchstens 18 Gew.-% paraffinischem Öl, höchstens 4 Gew.-% eines Copolymers aus Polyolefin-Elastomer, und mindestens 2 Gew.-% chlorsulfoniertem Polyethylen zusammensetzen. Schließlich sollten, wie gut bekannt ist, 1 bis 2 Gew.-% Zinkoxid und bis zu 1,5 Gew.-% Stearinsäure für eine zufriedenstellende Vulkanisierung hinzugefügt werden.
Nach Wunsch können dem Gemisch Füllwerkstoffe hinzugefügt werden, um bekannte Eigenschaften von Kunststoffrohren zu erhalten, in der Regel in einem Bereich von 17 bis 80 Gew.-%. Eine zufriedenstellende Haftung wurde für Rohre demonstriert, die sich aus Gemischen mit einem Füllstoffgehalt von mindestens 36 % und höchstens 43% zusammensetzen.
Tabelle 1 stellt die bevorzugte Zusammensetzung für eine Verbindung dar, die in Verbundschläuche wie z. B. die Schläuche 12, 16 umgewandelt werden kann. Die bevorzugte Zusammensetzung enthält eine Kombination aus Hexa-EPDM mit niedrigem Dienwert und Hexa-EPDM mit normalem Dienwert. Diese Bestandteile werden mit Polyolefin-Ethylen-Octan-Copolymer und chlorsulfoniertem Polyethylen kombiniert, die kollektiv als "Gummi" bezeichnet werden. Die Gesamtzusammensetzung weist 100 Teile Gummi auf. Die Tabelle stellt die spezifische Gravitation jedes Bestandteils, den Gewichtsanteil und auch die Anzahl der Teile pro 100 Teilen Gummi (PHR) dar.
TABELLE I
Die oben genannten Bestandteile werden bei einer Temperatur im Bereich von etwa 99°C (210°F) bis 121°C (250°F) vermischt, was hoch genug ist, um plastisches Fließen zu ermöglichen, aber zu niedrig zum Aushärten ist. Die entstandene Kunststoffmasse wird extrudiert, so dass ein erster Verbundschlauch wie Schlauch 12 entsteht. Anschließend wird Schlauch 12 mit einer Schicht Aluminiumfolie umwickelt, die zwischen etwa 0,00127 und 0.00762 cm (0,0005 und 0,003 Zoll) dick sein kann. Dies kann durch spiralförmiges Wickeln oder durch gespanntes radiales Aufrollen erreicht werden. So entsteht die Isolationsschicht 14, die noch nicht an Schlauch 12 gebunden ist.
Nachdem Schlauch 12 extrudiert und mit Aluminiumfolie umwickelt wurde, wird ein zweiter Verbundschlauch 16 um die Isolationsschicht 14 herum und in direktem Oberflächenkontakt mit dieser gebildet. Schlauch 16 wird aus einer oben beschriebenen Kunststoffmasse hergestellt, und kann durch ein Extrusionsverfahren mit nur einem Schritt hergestellt werden. Alternativ kann Schlauch 16 durch Extrudieren der Kunststoffmasse in eine Folie oder einen Streifen und anschließendes Wickeln der Folie oder des Streifens um die Isolationsschicht 14 hergestellt werden. So entsteht die Anordnung 10 aus 1. Die Anordnung 10 wird anschließend in einem Autoklaven etwa 35 min. bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen etwa 160°C (320°F) und 166°C (330°F) ausgehärtet. Dies führt zu einer überraschend guten Bindung zwischen den elastischen Schläuchen 12 und 16 und der dazwischen liegenden Isolationsschicht 14. Es wurde bestätigt, dass die Haftung mit der Verwendung von Peroxid beim Aushärten in Zusammenhang steht.
Eine Reihe von Prüfungen ergab, dass gute Bindungen nicht erzielt werden können, wenn Schwefel als Härter verwendet wird.
Während festgestellt wurde, dass erfindungsgemäße Strukturen in einigen Fällen Aufblätterungsbelastungen von ganzen 17,67 kg/cm (68 p. p. i) standhalten, blätterten sich ähnliche Strukturen, die unter Verwendung von Schwefel gehärtet wurden, im Allgemeinen bei Belastungen von unter 0,17 kg/cm (1 p. p. i) auf. Typische Prüfungsergebnisse für Strukturen, die unter Verwendung von Peroxid gehärtet wurden, sind in Tabelle III dargestellt. Tabelle II ist eine Übersicht der in Tabelle III aufgelisteten Bestandteile.
TABELLE II
TABELLE III
2 stellt einen erfindungsgemäß hergestellten elastischen Schlauch 20 für ein Heizungssystem dar. Der Schlauch weist einen innen angeordneten ersten Verbundschlauch 22, eine außen an den ersten Verbundschlauch 22 gebundene Aluminium-Isolationsschicht 24, und einen zweiten Verbundschlauch 26, der außen an die Aluminium-Isolationsschicht 24 gebunden ist, auf. Die Schläuche 22, 26 und die Isolationsschicht 24 entsprechen den Schläuchen 12, 16 und der Isolationsschicht 14 in 1 und werden auf ähnliche Weise hergestellt. Schlauch 20 weist auch eine Verstärkungsschicht 28 auf, die außen an den Verbundschlauch 26 gebunden ist, und eine Deckschicht 30, die fest außen an der Verstärkungsschicht 28 befestigt ist.
Die Verstärkungsschicht 28 und die Deckschicht 30 können einen herkömmlichen Aufbau aufweisen. So kann die Verstärkungsschicht 28 aus Reyon, Polyester, Polyvinylacetat, Draht, Aramid oder einem anderen geeigneten Werkstoff hergestellt sein. Die Deckschicht 30 kann aus einem der vielen elastischen Thermoplast-Verbindungen, wie z. B. Naturkautschuk, Styrol-Butadien, Polychlorpropen, Acrylnitril-Butadien, chlorsulfoniertem Mono mer, gechlortem Polyethylen, Ethylen-Propylen-Monomer oder Ethylen-Propylen-Dien-Polymethylen hergestellt sein.
Während die hier beschriebenen Ausbildungen der Vorrichtung und das Herstellungsverfahren dazu bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung darstellen, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf diese genauen Ausbildungen der Vorrichtung oder des Verfahrens beschränkt ist, und dass Veränderungen hierzu gemacht werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den anliegenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Schlauch, der ein erstes Rohr (12, 22) und ein zweites um das erste herum angeordnetes Rohr (16, 26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumfolie (14, 24) außen um das erste Rohr (12, 22) gebunden ist und das zweite Rohr (16, 26) außen um die Aluminiumfolie (14, 24) gebunden ist, wobei das erste Rohr und das zweite Rohr jeweils mindestens 20 Gew.-% Ethylen-Propylen-Dien-Polymethylen und zwischen 2 und 9 Gew.-% Polybutadien-Maleinsäureanhydrid-Adduktharz enthalten, wobei das erste Rohr (12, 22) und das zweite Rohr (16, 26) durch thermisches Aushärten unter Vorhandensein von Peroxid in einer Menge von 0,6 Gew.% bis 2,8 Gew.-% des Rohrwerkstoffs an die Aluminiumfolie gebunden wurden.
Schlauch nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch eine Verstärkungsschicht (28), die außen um das zweite Rohr (26) herum gebunden ist, und eine Deckschicht (30), die außen um die Verstärkungsschicht (28) herum gebunden ist.
Schlauch nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohr (12, 22) und das zweite Rohr (16, 26) jeweils etwa 7 bis 35 Gewichts-% paraffinisches Öl enthalten.
Schlauch nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohr (12, 22) und das zweite Rohr (16, 26) jeweils ein Copolymer aus Polyolefin-Elastomer in einer Menge unter 7 Gew.-% enthalten.
Schlauch nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohr (12, 22) und das zweite Rohr (16, 26) jeweils chlor geschwefeltes Polyethylen in einer Menge von unter 4 Gew.-% enthalten.
Schlauch nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohr (12, 22) und das zweite Rohr (16, 26) jeweils etwa 1 bis 2 Gew.-% Zinkoxid enthalten.
Schlauch nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohr (12, 22) und das zweite Rohr (16, 26) jeweils Stearinsäure in einer Menge von unter 1,5 Gew.-% enthalten.
Schlauch nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohr (12, 22) und das zweite Rohr (16, 26) jeweils etwa 17 bis 80 Gew.-% Füllwerkstoff enthalten.
Thermisch aushärtbarer Schlauch, der durch Aushärten mit einer Aluminiumoberfläche verbunden werden kann, und der mindestens etwa 20 Gew.-% Ethylen-Propylen-Dien-Polymethylene, etwa 2 bis 9 Gew.-% Polybutadien-Maleinsäureanhydrid-Adduktharz und etwa 0,6 bis 2,8 Gew.-% Peroxid enthält, und vorzugsweise etwa 7 bis 35 Gew.-% paraffinisches Öl, ein Copolymer aus Polyoelfin-Elastomer in einer Menge von unter 7 Gew.-%, chlorsulfoniertem Polyethylen in einer Menge von unter 4 Gew.-%, etwa 1 bis 2 Gew.-% Zinkoxid, Stearinsäure in einer Menge von unter 1,5 Gew.% und etwa 17 bis 80 Gew.-% Füllmaterial enthält.
Verfahren zur Herstellung eines elastischen Schlauches, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: (1) Vorbereiten eines Gemischs, das mindestens zu 20 Gew.-% aus Ethylen-Propylen-Dien-Polymethylen, etwa zu 2 bis 9 Gew.-% aus Polybutedien-Maleinsäureangydrid-Adduktharz, etwa zu 0,6 bis 2,8 Gew.-% aus Peroxid, etwa zu 7 bis 35 Gew.-% aus paraffinischem Öl, aus einem Copolymer aus Polyolefin-Elastomer in einer Menge von unter 7 Gew.-%, aus chlorsulfoniertem Polyethylen in einer Menge von unter 4 Gew.-%, etwa zu 1 bis 2 Gew.-% aus Zinkoxid, aus Stearinsäure in einer Menge von unter 1,5 Gew.-% und zu etwa 17 bis 80 Gew.-% aus Füllmaterial besteht; (2) Schaffen einer Kunststoffmasse durch Mischen des Gemischs bei einer Temperatur, die hoch genug ist, dass der Kunststoff fließt, die aber unter der Aushärttemperatur liegt; (3) Bilden eines ersten Rohres (12, 22) aus der Kunststoffmasse; (4) Umwickeln des ersten Rohres (12, 22) mit einer Schicht Aluminiumfolie (14, 24), wobei Oberflächenkontakt entsteht; (5) Bilden eines zweiten Rohres (16, 26) aus der Kunststoffmasse, wobei das zweite Rohr außen um die Schicht Aluminiumfolie (14, 24) und in Oberflächenkontakt mit dieser gebildet wird; (6) thermisches Aushärten des ersten Rohres (12, 22) und des zweiten Rohres (16, 26), während der Oberflächenkontakt der Rohre zu der Schicht Aluminiumfolie (14, 24) erhalten bleibt.