Biegsamer, undurchlässiger, nicht ehiknickender Schlauch
Im Patent Nr. 340579 wird ein biegsamer, nicht knickender oder kollabierender Schlauch für den Ersatz von Blutgefässen beschrieben, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass er aus einem mit Ameisensäure versteiften, zu einem Balg aufgestauchten, in dieser Lage warsuverformten und anschliessend entspannten röhrenförmigen Kunstfasergewirk besteht.
Ferner bildet Gegenstand des genannten Hauptpatentes ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schlauches, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man ein röhrenförmiges Kunstfasergewirk durch Behandeln mit konzentrierter wässeriger Ameisensäure versteift, nach dem Auswaschen der Ameisensäure zu einem Balg aufstaucht, in dieser Lage warm verformt und anschliessend entspannt.
Es hat sich nun gezeigt, dass sich ein derartiger Schlauch auch für andere Zwecke verwenden lässt, insbesondere dann, wenn er durch eine zusätzliche Behandlung undurchlässig gemacht wurde.
Gegenstand der Erfindung ist demgemäss ein biegsamer, undurchlässiger, bei Biegung nicht knickender oder kollabierender Schlauch, bestehend aus einem mit einem Überzug versehenen, mit Ameisensäure versteiften Kunstfasergewirk, welches eine Anzahl regelmässiger, thermofixierter und anschliessend entspannter ringförmiger Wülste aufweist.
Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schlauches, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man ein röhrenförmiges Kunstfasergewirk durch Behandeln mit konzentrierter wässriger Ameisensäure versteift, nach dem Auswaschen der Ameisensäure thermofixiert und durch Behandeln mit heissem Wasser entspannt, anschlie ssend trocknet und mit einem Überzug versieht.
Zum Überziehen verwendet man vorzugsweise einen natürlichen oder synthetischen Kautschuklatex oder Lösungen von Kunstharzen, insbesondere von Polyäthylen, Polyvinylchlorid oder Copolymer-Harzen, welche man durch Eintauchen oder Besprühen aufbringt und dann trocknen lässt.
Derart überzogene Schläuche eignen sich für die verschiedensten Anwendungszwecke, wo immer luftundurchlässige, biegsame Röhren benötigt werden, z. B. als Röhren in einem Nagelzuführungsapparat, als Spritzpistolenschläuche, als Staubsaugerschläuche, als Autokühlerschläuche, als Schläuche für Taucherausrüstungen und Atmungsgeräte sowie für Luftfedern.
In der anliegenden Zeichnung sind verschiedene Herstellungsstadien des erfindungsgemäss hergestellten Schlauches dargestellt.
Fig. 1 zeigt als erste Stufe das röhrenförmige Gewirk.
Fig. 2 zeigt das balgförmig aufgestauchte Rohr, welches in dieser Lage warm verformt wird.
Fig. 3 zeigt das durchlässige Rohr vor dem Über- ziehen mit einem Kautschuklatex oder Harz.
Die Durchführung des Verfahrens wird hier mit besonderer Bezugnahme auf Polyhexamethylen-adipamid-Fasern beschrieben, welche in der Beschreibung und in den Ansprüchen als Nylonfasern bezeichnet werden. Es sind aber auch andere Fasern als Nylonfasern verwendbar.
Das Versteifen des Kunstfasergewirks mittels Ameisensäure erfolgt vorzugsweise durch Eintauchen desselben während 15-25 Sekunden in eine 72-75- volumprozentige wässerige Ameisensäurelösung bei Zimmertemperatur. Die Warmverformung kann bei Nylon beispielsweise durch Erhitzen während 30 Minuten auf 1300 C erfolgen und die Entspannung durch Behandeln mit Wasser von 90-1000C während 5 Minuten.
Ein röhrenförmiges Kunstfaser-, beispielsweise Nylongewirk, das sich als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemässe Verfahren eignen soll, muss so gewirkt sein, dass es seine Biegsamkeit auch nach der im erfindungsgemässen Verfahren vorgesehenen Versteifung und Aufstauchung beibehält. Grundsätzlich genügt jedes gänzlich aus Nylon bestehende Gewirk, welches bei der Behandlung nach dem erfindungsgemässen Verfahren eine bleibende und regelmässige Balgform annimmt, völlig flexibel bleibt und verschmilzt. Es wurde gefunden, dass für Schläuche mit einem Durchmesser von etwa 4,5-11 mm ein kontinuierliches, aus Nylongarn von 210 Denier mit 13,5 Maschen pro Zentimeter (Struktur zwei rechte und eine linke Masche) bestehendes Gewirk geeignet ist.
Ein derartiges Gewirk kann beispielsweise in einer Strickmaschine mit 48 Spulenträgern und zwei Enden pro Träger erzeugt werden. Wenn sich der Schlauchdurchmesser in den oben angegebenen Grenzen von 4,5-11 mm bewegt, wird einfach eine entsprechend grössere oder kleinere Anzahl von Spulenträgern verwendet. Für Schläuche mit einem Durchmesser von weniger als 4,5 mm verwendet man vorzugsweise ein leichteres Garn mit einer geringeren Anzahl Denier und eine grössere Maschenzahl pro Zentimeter. Für Schläuche mit Durchmessern über 11 mm ist ein schwererers Garn mit einer grösseren Anzahl Denier und eine kleinere MaschenzahllZentimeter zu empfehlen.
Bei Verwendung von Fäden mit einer geringen Anzahl Denier für die Bildung von Schläuchen mit kleinem Durchmesser werden die Schlauchwände na türlich dünner, was bei der Konzentration der Ameisensäurelösung und bei der Dauer ihrer Einwirkung berücksichtigt werden muss. Das gleiche gilt in umgekehrtem Sinn bei der Verwendung von Fäden mit hoher Denierzahl, welche dickere Schlauchwände ergeben; hier ist eine Verlängerung der Behandlungszeit oder eine Erhöhung der Badtemperatur angezeigt.
Die nötigen Modifikationen werden am besten anhand eines kleinen Vorversuches ermittelt.
Das so erzeugte röhrenförmige Nylongewirk wird nun einer Versteifungsbehandlung durch Einwirkung einer wässerigen Lösung von Ameisensäure unterzogen. Diese Behandlung wird gemäss Fig. 1 durchgeführt, indem das Nylongewirk 2 über einen Rundstab 3 aus irgendeinem inerten Material, wie Glas oder Porzellan, gezogen wird. Der Durchmesser dieses Rundstabes sollte ganz wenig kleiner sein als der ursprüngliche Durchmesser des röhrenförmigen Gewirkes. Nach dem Überstülpen über den Rundstab wird das Gewirk satt ausgezogen. Die beiden Enden des Gewirkes werden mit den Bindfäden 4 und 5, welche aus irgendeinem gegenüber der Ameisensäurebehandlung indifferenten Material, wie Baumwolle, bestehen, auf dem Rundstab festgebunden.
Eines der Enden wird dann auf dem Rundstab um etwa 5-6'/o, bezogen auf die Länge des zu behandelnden Gewirkes, zurückgeschoben. Die dabei entstehende Falte wird durch mehrmaliges Auf- und Ab streichen mit den Fingern gleichmässig über das Röhrenstück verteilt.
Das auf diese Weise aufgetragene Gewirkstück wird in eine wässerige Ameisensäurelösung mit einer Konzentration von 72-75 Volumprozent eingetaucht. Es wurde gefunden, dass diese Konzentrationsgrenzen ziemlich kritisch sind. Bei einer über 75 Volumprozent liegenden Konzentration entsteht ein für den gewünschten Zweck viel zu hartes und unbiegsames Nylonrohr, während anderseits bei einer Konzentration unter 72 Volumprozent eine ungenügende Verschmelzung der Fäden eintritt. Am günstigsten ist eine Konzentration von 73,4 Volumprozent, wie sie entsteht beim Vermischen von 125 Teilen 98bis 1000/oiger Ameisensäure mit 45 Teilen Wasser.
Das Eintauchen des auf dem Rundstab befindlichen Gewirkes kann in einem langen, engen Behälter, beispielsweise einem Probierglas, erfolgen und soll bei Zimmertemperatur 15-25 Sekunden, vorzugsweise 20 Sekunden, dauern. Eine genaue Kontrolle der Eintauchzeit und der Badtemperatur ist unerlässlich. Aus diesem Grunde soll auch frisch zubereitete Ameisensäurelösung mindestens eine halbe Stunde stehengelassen werden, bis sie die Umgebungstemperatur angenommen hat, bevor man sie für die Behandlung des Nylongewirkes verwendet. Die Badtemperatur kann auch höher sein als Zimmertemperatur, doch muss dann die Verweilzeit entsprechend herabgesetzt werden, damit der gleiche Versteifungsgrad erzielt wird. Bei Anwendung höherer Temperaturen wird die optimale Verweilzeit am besten anhand eines Vorversuches festgestellt.
Es wurde gefunden, dass in ein und demselben Ameisensäurebad am besten nicht mehr als zwei Behandlungen durchgeführt werden; das Bad soll dann ausgeschüttet und durch ein neues ersetzt werden. Wollte man ein grösseres Gefäss verwenden, beispielsweise ein 5-Liter-Becherglas, so könnte man in ein und demselben Bad auch mehr als zwei Behandlungen vornehmen, wobei dann für genügende Rührung zu sorgen wäre. Die Verwendung eines Gefässes mit kleinem Durchmesser unter Erneuerung des Bades nach je zwei Behandlungen wird aber vorgezogen.
Sobald das versteifte Nylongewirk aus dem Ameisensäurebad entnommen wird, muss es gründlich gewaschen werden zur Entfernung aller Spuren von Ameisensäure. Es hat sich gezeigt, dass dieser Zweck durch Spülen im fliessenden Hahnenwasser während mindestens einer halben Stunde genügend erreicht wird.
Nach dem Auswaschen wird das Gewirk, immer noch auf dem Rundstab, getrocknet, beispielsweise mit Hilfe eines saugkräftigen Tuches. Hierauf verleiht man dem versteiften Nylongewirk durch mechanisches Aufstauchen Balgform. Das kann dadurch erfolgen, dass man das eine Ende des Rohres 2, welches immer noch durch die ursprünglichen Befestigungsfäden 4 und 5 festgehalten wird, entlang dem glatten Rundstab 3 zurückschiebt, bis die Auffaltung vollzogen ist.
In dieser Phase zeigt sich die Bedeutung der ursprünglich durch Zurückschieben des einen Endes um 5-6/o der Gesamtlänge erzielten Lockerung.
Wenn diese zu gering war, so ist nun das Gewirk so stark an den Rundstab angepresst, dass es nicht möglich ist, es leicht zusammenzufalten, während bei zu starker Auflockerung die beim Zusammenfalten entstehenden Wülste nicht ebenmässig werden. Damit eine gleichmässige Balgbildung erfolgt, muss das Zusammenschieben leicht und gleichförmig erfolgen.
Dies geschieht durch Stossen mit den Fingern, während das entgegengesetzte Ende des Rundstabes auf einer Fläche aufgesetzt ist, oder auch mit Hilfe irgendwelcher mechanischer Vorrichtungen, beispielsweise einem Handpressgerät mit einer glatten Oberfläche, in welcher sich ein Loch von der Grösse des Rundstabes befindet, oder irgendeinem noch weiter mechanisierten Gerät dieser Art.
Nach der Balgbildung wird das versteifte Gewirk thermofixiert, indem man es - immer noch auf dem Rundstab - in einem Konvektionsofen während 30 Minuten auf etwa 1300 C erhitzt. Unter entsprechender Erniedrigung bzw. Erhöhung der Behandlungszeit können auch höhere bzw. tiefere Temperaturen im Bereiche von 110-150"C angewendet werden.
Nach erfolgter Warmverformung werden die Bindfäden, mit denen das Gewirk auf dem Rundstab festgebunden war, zerschnitten und das balgförmige Schlauchstück vom Rundstab abgezogen. Dieses zeigt einen harten Griff. Es ist in bezug auf die ursprüngliche Länge auf etwa 22-25 O/o verkürzt.
Es wird nun durch Behandeln in einem Wasserbad von etwa 901000 C während etwa 5 Minuten entspannt. Durch diese Entspannungsbehandlung werden alle durch das Zusammenfalten erzeugten unerwünschten Spannungen verteilt und, oder zerstreut, wobei die Balgform bestehen bleibt. Nach der Entspannungszeit entnimmt man das Schlauchstück dem Wasserbad und trocknet es bei Zimmertemperatur oder in einem Konvektionsofen bei nicht über 1300 C während 10 Minuten. Nach der Entspannung weist das Schlauchstück eine Länge von etwa 4P-470/o der ursprünglichen Länge auf.
Nach dem Trocknen wird das biegsame, balgförmige Nylonrohr entweder in eine Emulsion von natürlichem oder synthetischem Kautschuklatex getaucht oder mit einer derartigen Emulsion besprüht, um das Rohr gänzlich zu überziehen und undurchlässig und luftdicht zu machen. Man geht gleich vor, wenn der aufzubringende Überzug ein mit dem Material, aus welchem das Rohr besteht, verträgliches natürliches oder synthetisches Harz ist, beispielsweise Polyäthylen oder ein Polymer oder Mischpolymer von Vinylchlorid.
Der Grund für die vorzüglichen physikalischen Eigenschaften des erfindungsgemässen Schlauches konnte bis heute noch nicht völlig abgeklärt werden.
Ohne dass wir uns auf eine bestimmte Theorie festlegen möchten, nehmen wir an, dass die günstigen Eigenschaften durch die Behandlungsmethode bedingt sind. Es scheint, dass dem ursprünglichen röhrenförmigen Nylongewirk der erwünschte Grad von Steifheit und Zähigkeit durch die Behandlung mit Ameisensäure verliehen wird. Es wurde festgestellt, dass im Verlaufe dieser Behandlung eine beginnende Auflösung der Nylonfasern eintritt. Man kann deshalb annehmen, dass die Oberflächen der Nylonfäden, aus denen das Gewirk besteht, genügend angelöst werden, dass sie beim Herausnehmen aus dem Behandlungsbad miteinander zu einer mehr oder weniger einheitlichen Struktur verschmelzen, wodurch Steifheit und Deformationsfestigkeit erhöht werden.
Es wird auch angenommen, dass die wichtigen Eigenschaften des Widerstandes gegen Knickung, Kollabieren und Strukturbildung des inneren Teiles durch die dem Schlauch verliehene Balgform bedingt wird. Wenn irgendeinem röhrenförmigen Körper diese Form verliehen wird, so wird er dadurch biegsamer und stärker. Die Annahme wird gestützt durch die Tatsache, dass der erfindungsgemässe Schlauch eine praktisch unbeschränkte Anzahl Flexionen von bis zu 1800 erträgt, ohne dass eine Neigung zum Kollabieren eintritt. Die letztere Eigenschaft dürfte wesentlich mitbedingt sein durch die Entspannungsbehandlung im heissen Wasserbad.
Durch diese Behandlung wird eine Verteilung von Spannungen, welche infolge der Balgbildung entstanden sein können, bewirkt, so dass man einen spannungsmässig ausgeglichenen Schlauch erhält, welcher nach beliebig starker Beanspruchung seine ursprüngliche Form wieder einnimmt.
Beispiel 1
Aus Nylongarn von 210 Denier wurde ein röhrenförmiges Gebilde mit 13 MaschenlZentimeter (Struktur zwei rechte und eine linke Masche) gestrickt.
Es wurde dazu eine Strickmaschine mit 48 Spulenträgern und zwei Fäden pro Spulenträger verwendet, wodurch man einen kontinuierlichen Schlauch von etwa 8 mm Durchmesser erhielt. Von diesem Schlauch wurde ein Stück von 216 mm Länge abgeschnitten.
Dieses wurde über einen Glasstab von 230 mm Länge und 6,35 mm Durchmesser gestülpt. Jedes Ende des Schlauchstückes wurde mit einem Baumwollbindfaden auf dem Glasstab festgebunden. Das Gewebe wurde dicht an den Glasstab angeschlossen, und dann wurde das eine Ende um 13 mm zurückgeschoben und die dabei erzielte Auflockerung durch zwei- oder dreimaliges Dariiberstreichen mit dem Finger auf die ganze Länge des Schlauches verteilt.
Schon vorher war eine Lösung aus 125 Volumteilen 980/obiger Ameisensäure und 45 Volumteilen destilliertem Wasser hergestellt worden. Diese Lösung wurde gut gemischt und vor der Verwendung eine halbe Stunde stehengelassen. Ein Probierglas von 23 cm Höhe wurde mit dieser Lösung gefüllt und der ganze Glasstab mit dem Nylongewirk während genau 20 Sekunden bei Zimmertemperatur (24 bis 290 C) eingetaucht. Hierauf wurde der Stab mit dem Gewirk unverzüglich während 30 Minuten im fliessenden Wasser gewaschen, worauf man mit Fliesspapier abtrocknete. Man stellte das eine Ende des Glasstabes auf eine feste Unterlage und schob vom andern Ende her den Nylonschlauch mit Daumen und Fingern zu sammen, so dass sich eine Anzahl Wülste bildeten.
Der balgförmig zusammengeschobene Schlauch wurde auf dem Glasstab während 30 Minuten bei 130"C in einen Konvektionsofen gegeben. Nach dem Abkühlen wurden die Bindfäden, mit denen der Schlauch auf dem Glas stab festgebunden war, zerschnitten und der Schlauch vom Stab entfernt, Der Schlauch war etwa 50 mm lang und hatte einen harten Griff. Er wurde während 5 Minuten bei 90O C in ein Bad von destilliertem Wasser gelegt. Hierauf wurde er auf einem Stück Fliesspapier während 10 Minuten bei 1300 C in den Konvektionsofen gelegt. Er wies dann eine Länge von etwa 100 mm auf. Hierauf wurde der Schlauch bei 85o C in eine Lösung von Polyäthylen in Athylbutyrat getaucht und nach dem Herausnehmen zur Verdampfung des Lösungsmittels erhitzt.
Das Produkt war sehr flexibel und konnte auf seine Länge von 100 mm-um 3600 gebogen werden, ohne dass es einknickte oder seitlich abgeflacht wurde, und es widerstand einem Ausfaserungsversuch an den Enden mit einer Stahlnadel.
Beispiel 2
Es wurde ein endloser Schlauch aus Nylongarn von 100 Denier (Struktur zwei rechte und eine linke Masche) gestrickt. Der so gebildete Schlauch hatte einen Durchmesser von 8 mm. Von diesem Schlauch wurde ein Stück von 21,6 cm Länge abgeschnitten und auf einen Glasstab von 0,64 mm Durchmesser gestülpt. Der Schlauch wurde in gleicher Weise behandelt, wie es in Beispiel 1 beschrieben wurde. Nach dem Trocknen war der Schlauch etwa 11,4 cm lang, konnte ohne zu knicken um 3600 gebogen werden und faserte an den Abschnittstellen nicht aus. Diese leichtere Konstruktion war noch besser biegsam als diejenige aus dem schwereren Garn gemäss Beispiel 1.
Der entspannte und getrocknete Schlauch wurde hierauf in eine Lösung eines Vinylchlorid-Acrylnitril Mischpolymers 60 : 40 0/o in Aceton getaucht und erhitzt zur Entfernung des Lösungsmittels, so dass der Schlauch einen Überzug erhielt und dicht wurde.
Beispiel 3
Es wurde ein endloser Schlauch aus Nylongarn von 840 Denier (Struktur zwei rechte und eine linke Masche) gestrickt. Der so gebildete Schlauch hatte einen Durchmesser von 17,5 mm. Von diesem Schlauch wurde ein Stück von 25,4 cm Länge abgeschnitten und auf einen Glasstab von 17 mm Durchmesser gestülpt. Der Schlauch wurde in gleicher Weise behandelt, wie es in Beispiel 1 beschrieben wurde. Nach dem Trocknen war der Schlauch etwa 13 cm lang, äusserst biegsam (er konnte, ohne einzuknicken, auf seine Länge um 3600 gebogen werden) und faserte an den Enden nicht aus. Der entspannte und getrocknete Schlauch wurde hierauf in eine Emulsion eines synthetischen Kautschuklatex von Butadien-Akrylnitril 67 : 33 lo getaucht und getrocknet. Der Latex bildete auf dem Schlauch einen Über- zug und machte ihn undurchlässig.
Ausser den hier beschriebenen Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung liegen noch weitere im beanspruchten Bereiche. Zum Beispiel können anstatt Nylon andere Polyamidfasern verwendet werden, wie Polytetramethylen-adipamid, Polyhexamethylen-sebac- amid und Polycaprolactan. Auch Polyakrylnitrilfasern können in gleicher Weise verwendet werden zur Herstellung von gewirkten, versteiften und balgartig verformten Schläuchen, unter Beobachtung der nötigen Modifikationen des Verfahrens.