Einsatz von PTFE als Membranwerkstoff

Mehr Sicherheit bei Membranen

Abb. 1 PTFE-Membranen sind universell Chemikalien beständig
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Bei der Auslegung von Membranen sind die Druckverhältnisse und der vorgesehene Hub ausschlaggebend für die Geometrie. Der Membranwerkstoff wird durch das zu fördernde Medium bestimmt. Bei schwierigen Medien bieten sich PTFE-Membranen an. Wenn der Prozess eine erhöhte Ausfallsicherheit erfordert, können Elring-PTFE-Sandwichmembranen mit Bruchsignalisierung verwendet werden.

Dipl.-Ing. (BA) Armin Müller

Der Werkstoff PTFE ist beständig gegen Chemikalien, temperaturbelastbar von -260 bis +300 °C, antiadhäsiv gegenüber umgebenden Medien, lebensmittelzugelassen und physiologisch neutral. Bei zahlreichen Einsatzfällen in der Pharma- und Lebensmittelindustrie sowie in der chemischen Industrie und Lackiertechnik wird deshalb PTFE als Membranwerkstoff in Dosier- und Förderpumpen eingesetzt. Die PTFE-Membranen sind überwiegend als Formmembranen, das bedeutet Sicken- oder Tellermembranen, ausgeführt, um größere Hübe zu ermöglichen. Die für die Anwendung ausschlaggebenden Kriterien wie Biegewechselfestigkeit und Druckstandfestigkeit des Werkstoffes gehen direkt in die Lebensdauer der Membran ein. Diese Kennwerte sind bei verschiedenen PTFE-Qualitäten sehr unterschiedlich, ebenso wie das für bestimmte Anwendungen wichtige Permeationsverhalten. Um die Forderung nach einer möglichst hohen Standzeit zu erfüllen, wird meist ein zusatzbehandeltes PTFE verwendet. Damit kann eine höhere Biegewechselfestigkeit und somit eine längere Lebensdauer der Membran erreicht werden. Auch die Art des Antriebs einer Membran beeinflusst die Gestaltung und die Werkstoffauswahl. Hydraulisch angetriebene Membranen stellen geringere Anforderungen an die Festigkeit des Membranwerkstoffes, da hier die Druckverteilung gleichmäßig über die gesamte Wirkfläche ist. Bei mechanisch angetriebenen Membranen gibt es hingegen oft partiell höhere Belastungen, insbesondere an Stellen, wo die Membran an Metallteilen des Gehäuses oder des Antriebs anliegt. Um frühzeitigen Bruch zu vermeiden, ist es wichtig, solche Stellen durch günstige Formgebung zu entschärfen. So sollten zum Beispiel alle die PTFE-Membran berührenden Teile keine scharfen Kanten aufweisen.
Biegewechselfestigkeit erhöhen
Durch Zusatzbehandlung kann die Biegewechselfestigkeit von PTFE um ein Vielfaches erhöht werden. Das PTFE wird dazu thermisch nachbehandelt und mit definierter Geschwindigkeit abgekühlt, wodurch sich der Anteil der kristallinen Struktur reduziert, während sich der amorphe Anteil erhöht. Das hat zur Folge, dass die Flexibilität gegenüber Biegebeanspruchung deutlich höher wird. Das Permeationsverhalten hingegen verschlechtert sich, was jedoch bei vielen Anwendungen eher von sekundärer Bedeutung ist.
Äußerlich zu erkennen ist das thermisch zusatzbehandelte Material daran, dass es optisch durchscheinend wirkt gegenüber dem milchig-trüben Aussehen des unbehandelten PTFE.
Verbundmembranen
Bei sehr hoher mechanischer Beanspruchung empfiehlt sich der Einsatz von Elring-PTFE-Elastomermembranen. Die durch die Verformung auftretenden Kräfte werden vom Elastomer ( z. B. NBR, EPDM, FKM) aufgenommen, während die fest mit dem Elastomer verbundene PTFE-Auflage den Schutz vor aggressiven Medien übernimmt. Um eine feste Verbindung zu erzielen, muss das PTFE entsprechend vorbereitet werden. Durch Einvulkanisieren eines Stützgewebes in die Elastomerschicht lässt sich die Bruchfestigkeit einer solchen Verbundmembran steigern, das Einvulkanisieren eines metallischen Stütztellers mit Anschlussgewinde für den Membranantrieb reduziert die Anzahl der Bauteile und somit mögliche Ursachen für einen frühzeitigen Ausfall.
Sandwichmembranen
In Einsatzfällen, bei denen der Prozess eine erhöhte Ausfallsicherheit erfordert, können PTFE-Mehrlagen-Membranen mit Bruchsignalisierung von Elring verwendet werden. Die zwischen zwei Membranen liegende mittlere Membran hat durchlässige Bereiche, durch die bei Bruch der medienberührenden Membran die Leckage in einen Sammelraum gelangt und dort über einen Sensor erfasst werden kann. Die hintere Membran schützt die Anlage zuverlässig, so dass der Prozess ungehindert weiter laufen kann, bis ein geeigneter Zeitpunkt für die Wartung der Membran gefunden ist. Die Sandwichmembran wird im Pumpengehäuse am Außendurchmesser über ein labyrinthähnliches Dichtsystem eingespannt und abgedichtet. Über den Adapter im Zentrum wird die Membran mechanisch angetrieben und ebenfalls abgedichtet. Der Sensor zur Signalerfassung sitzt im Pumpengehäuse erhält über einen Sammelraum Kontakt zum bei Membranbruch zu erfassenden Medium.
E cav 238
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