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Dokumentenidentifikation DE102005031989A1 18.01.2007
Titel Verbundrohr für die Hausinstallation
Anmelder Becker Plastics GmbH, 45711 Datteln, DE
Vertreter Honke und Kollegen, 45127 Essen
DE-Anmeldedatum 08.07.2005
DE-Aktenzeichen 102005031989
Offenlegungstag 18.01.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.01.2007
IPC-Hauptklasse F16L 9/14(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse E03C 1/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   C23C 14/20(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B32B 1/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B29D 23/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verbundrohr (1), insbesondere für Hausinstallationen, mit einem innen liegenden Polymerrohr (2), einer Metallschicht (5), einer die Metallschicht (5) mit dem Polymerrohr (2) verbindende erste Haftvermittlerschicht (4) und eine zweite Haftvermittlerschicht (6), welche die Metallschicht (5) mit einer außen liegenden Polymerschicht (7) verbindet. Die Oberfläche des Polymerrohres (2), an die die erste Haftvermittlerschicht (4) angrenzt, weist eine in einem Dünnschichtverfahren aufgebrachte Oberflächenbeschichtung (3) auf.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verbundrohr, insbesondere für die Hausinstallation, mit einem innen liegenden Polymerrohr, einer Metallschicht, einer die Metallschicht mit dem Polymerrohr verbindenden ersten Haftvermittlerschicht und einer zweiten Haftvermittlerschicht, welche die Metallschicht mit einer außen liegenden Polymerschicht verbindet. Typische Einsatzgebiete derartiger Verbundrohre sind beispielsweise Sanitärinstallationen, Fußbodenheizungen, Radiatorenheizungen, Wandheizungen, Klimaböden, Kühlsysteme und Trinkwasserleitungssysteme.

Ein Verbundrohr mit den beschriebenen Merkmalen ist aus DE 43 04 717 A1 bekannt. Das innen liegende Polymerrohr ist gegen die Diffusion von Gas und Dampf im Wesentlichen ungesichert. Mit einem Haftvermittler ist das innen liegende Polymerrohr fest mit einem dünnwandigen Kupferrohr verbunden, welches als gas- und dampfdichte Barriere dient. Zum Schutz des Kupferrohres vor äußeren Einflüssen, ist eine außen liegende Polymerschicht durch einen Haftvermittler mit dem Kupferrohr verbunden. Verglichen mit herkömmlichen Kupferrohren für die Hausinstallation wird die notwendige Menge an Kupfer deutlich reduziert.

Wie in der Druckschrift DE 101 46 406 C1 beschrieben wird, besteht bei einem Verbundrohr, welches eine metallische, rohrförmige Zwischenschicht aufweist, die Gefahr, dass das in dem Verbundrohr geförderte Medium durch die Wandung des innen liegenden Polymerrohres hindurch diffundiert und an der Metallschicht kondensiert. Die Kondensation ist insbesondere dann besonders stark, wenn über der Wandung des innen liegenden Polymerrohres ein großer Temperaturgradient mit einer zur Rohraußenseite abnehmenden Temperatur vorliegt. Entsprechende Bedingungen liegen beispielsweise bei der Verwendung eines Verbundrohres ohne zusätzliche Dämmung in einem Heizungs- oder Warmwassersystem vor.

Durch die Kondensation von Flüssigkeit zwischen dem innen liegenden Polymerrohr und der Metallschicht können sich Flüssigkeitsblasen bilden, die zu einer Deformation der Metallschicht oder des innen liegenden Polymerrohres führen.

Zur Kontrolle der Kondensation wird in DE 101 46 406 C1 ein Verbundrohr mit den Merkmalen des Oberbegriffes beschrieben, welches zwischen der Metallschicht und der daran innen liegend anschließenden Haftvermittlerschicht Ausweichzonen in Form von Rillen zur Ansammlung von Flüssigkeit aufweist, wodurch die Gefahr der Blasenbildung reduziert werden soll. Die in den Ausweichzonen kondensierte Flüssigkeit kann jedoch zu einer Erhöhung der Korrosion führen, wodurch die Metallschicht geschwächt oder sogar zerstört wird.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Schwächung des Verbundrohres und die Blasenbildung durch an der Metallschicht kondensierende Flüssigkeit zu minimieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Oberfläche des Polymerrohres eine an die Haftvermittlerschicht angrenzende, in einem Dünnschichtverfahren aufgebrachte Oberflächenbeschichtung aufweist. Die mit der Oberfläche des Polymerrohres fest verbundene Oberflächenbeschichtung verhindert in dem Bereich zwischen Polymerrohr und Metallschicht die Ansammlung von kondensiertem Wasser und die dadurch bedingte Bildung von Blasen.

Vorzugsweise ist das Material der Oberflächenbeschichtung teilweise in das Material des Polymerrohres eingedrungen, und es liegt kein diskreter Übergang von dem Material des Polymerrohres zur Oberflächenbeschichtung vor, wodurch die Oberflächenbeschichtung dauerhaft auf dem Polymerrohr verankert ist. Es entsteht so ein kontinuierlicher Übergangsbereich in dem mit der Abnahme des Anteiles des Materials des Polymerrohres der Anteil des Materiales der Oberflächenbeschichtung zunimmt. Die Dicke der Oberflächenbeschichtung liegt typischerweise zwischen 10 nm und wenigen Mikrometern, wobei bei einem kontinuierlichen Schichtübergang die Schichtdicke der Oberflächenbeschichtung auf die Position bezogen wird, an der das Material der Oberflächenbeschichtung und das des Polymerrohres in gleichen Volumenkonzentrationen vorliegen.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung bildet die Oberflächenbeschichtung eine Barriereschicht, welche die Gas- und Dampfdurchlässigkeit durch die Wandung des innen liegenden Polymerrohres reduziert. Durch die große Verbundfestigkeit von Oberflächenbeschichtung und Polymerrohr können sich keine Blasen unter der Oberflächenbeschichtung bilden. Durch die Barrierenfunktion der Oberflächenbeschichtung wird auch die Gefahr einer Blasenbildung zwischen Haftvermittlerschicht und Oberflächenbeschichtung und Haftvermittlerschicht und Metallschicht minimiert.

Die Oberflächenbeschichtung kann beispielsweise durch eine mikroskopische Veränderung der Oberflächenstruktur des Polymerrohres zu einer Erhöhung der Haftkraft der Haftvermittlerschicht auf dem innen liegenden Polymerrohr führen, wodurch die Gefahr einer Delamination zusätzlich reduziert wird.

Die Oberflächenbeschichtung besteht vorzugsweise im Wesentlichen aus SiOx, Metall, einer Metalllegierung, einem Metalloxid oder amorphem Kohlenstoff. Zusätzlich zu diesen wesentlichen Bestandteilen kann die Oberflächenbeschichtung auch weitere funktionelle Bestandteile oder Verschmutzungen aufweisen. So hat beispielsweise amorpher Kohlenstoff, der in einem Plasmaverfahren abgeschieden ist, typischerweise eine unregelmäßige, netzartige Struktur, wobei freie Verbindungen der einzelnen Kohlenstoffatome, die nicht Bestandteil der netzartigen Struktur sind, abhängig von der Prozessführung beispielsweise mit Wasserstoff abgeschlossen sind. Oberflächenbeschichtungen, die im Wesentlichen aus SiOx bestehen, weisen häufig eine ausgesprochen gute Barriereeigenschaft auf, wobei durch eine geringe Schichtdicke und eine gute Verankerung mit dem Polymerrohr eine hohe Flexibilität der Oberflächenbeschichtung erreicht werden kann. Weitere im Rahmen der Erfindung geeignete Oberflächenbeschichtungen bestehen im Wesentlichen aus einem Metall oder einer Metalllegierung, einschließlich von Metall-Oxid und Metall-Stickstoff Verbindungen.

Neben Polymeren wie beispielsweise Polybutylen, Polyamid und Polypropylen ist besonders Polyethylen (PE), vorzugsweise ein physikalisch und/oder chemisch vernetztes Polyethylen (PE-X), als Material des innen liegenden Polymerrohres geeignet. Die Metallschicht besteht in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung aus Aluminium oder rostfreiem Stahl, wobei die Dicke dieser Schicht typischerweise zwischen 100 &mgr;m und 1500 &mgr;m liegt. Die Metallschicht ist durch die zweite Haftvermittlerschicht mit der außen liegenden Polymerschicht verbunden, die die Metallschicht mechanisch schützt und eine Schädigung der Metallschicht durch Oxidation oder Korrosion verhindern soll. Als Material der ersten und zweiten Haftvermittlerschicht sind besonders anhydrid-modifizierte Polyolefine, Reaktionsklebstoffe (Epoxide), acrylat-modifizierte Kunststoffe und thermoplastische Klebstoffe auf Basis von Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren (EVAC) geeignet.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren nach Anspruch 10 zur Herstellung des beschriebenen Verbundrohres. Erfindungsgemäß wird auf die Oberfläche eines Polymerrohres in einer Beschichtungsvorrichtung in einem Dünnschichtverfahren eine Oberflächenbeschichtung aufgebracht. Danach werden in weiteren Verfahrensschritten auf die mit der Oberflächenbeschichtung versehene Oberfläche des Polymerrohres eine erste Haftvermittlerschicht aufgebracht, auf die erste Haftvermittlerschicht eine Metallschicht aufgebracht, eine zweite Haftvermittlerschicht auf die Metallschicht und nachfolgend eine außen liegende Polymerschicht auf die zweite Haftvermittlerschicht aufgebracht. Die einzelnen Verfahrensschritte werden vorzugsweise direkt in einer Verfahrensfolge aneinander anschließend durchgeführt, wobei das Dünnschichtverfahren zur Oberflächenbeschichtung als Inlineprozess in die Verfahrensfolge integriert ist. Das beschriebene Verfahren kann mit vorgefertigten Polymerrohren als Ausgangsmaterial durchgeführt werden oder alternativ direkt an die Extrusion der Polymerrohre anschließen.

Die Oberflächenbeschichtung kann unter Vakuum oder bei Atmosphärendruck aus der Gasphase abgeschieden werden. Das Material bzw. Bestandteile der Oberflächenbeschichtung können dabei in einem Verdampfungs- oder Zerstäubungsprozess, beispielsweise durch Magnetron-Sputtern, Flammbeschichtung, eine Elektronenstrahl-Verdampfungsanlage oder einen thermischen Verdampfungsofen, bereitgestellt werden. Zusätzlich oder alternativ kann in der Beschichtungsvorrichtung auch ein Plasmaprozess zur Oberflächenbeschichtung angewandt werden. Zur Durchführung der Oberflächenbeschichtung wird der Beschichtungsvorrichtung ein Prozessgas zugeführt, wobei dem Prozessgas bei der Beschichtung unterschiedliche Funktionen zukommen können. Das Prozessgas kann beispielsweise als Trägermedium von verdampften oder zerstäubten Materialien dienen. Des Weiteren kann das Prozessgas die Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Plasmas gewährleisten, wobei bei einem Plasmaprozess sowohl die Bestandteile der Gasphase als auch der Oberfläche des Polymerrohres modifiziert und fragmentiert werden können.

Für die Durchführung eines Plasmaprozesses können verschiedene Plasmaquellen, beispielsweise Bogenentladungen, Plasmafackeln, mikrowellenerzeugte Plasmen, Barriereentladungen, kapazitiv oder induktiv erzeugte Radiofrequenzentladungen, eingesetzt werden. Durch ein Plasmaverfahren ist es möglich, neutrale oder ionisierte Atome, Moleküle oder Molekülfragmente mit einer erhöhten kinetischen Energie auf die Oberfläche aufzubringen, wodurch diese einerseits in das Material eindringen können und andererseits die oberflächliche Bindungsstruktur der Polymere verändern können. Plasmaverfahren zeichnen sich besonders dadurch aus, dass die Abscheidung von Oberflächenbeschichtung ohne eine ohne thermische Belastung, abhängig von der genauen Prozessführung, bei oder leicht oberhalb der Umgebungs- und Materialtemperatur durchgeführt werden kann.

Im Rahmen der Erfindung liegt auch die Durchführung eines mehrstufigen Dünnschichtverfahrens. So ist es beispielsweise möglich, in einem ersten Schritt beispielsweise durch eine Flamme oder ein Plasma mit einem Überschuss an Sauerstoff die Oberfläche des Polymerrohres zu reinigen und/oder teilweise abzutragen.

Die Metallschicht wird vorzugsweise aus einer Folie gebildet, die um die erste Haftvermittlerschicht gebogen und anschließend zu einem geschlossenen Rohr verschweißt wird. Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Verbundrohres, und

2 ein Verfahrensschema zu dessen Herstellung.

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Verbundrohr 1 für die Hausinstallation dargestellt. Das innen liegende Polymerrohr 2 aus vernetztem Polyethylen (PE-X) weist eine in einem Dünnschichtverfahren aufgebrachte Oberflächenbeschichtung 3 auf, wobei das Material der Oberflächenbeschichtung 3 teilweise in das Material des Polymerrohres 2 eingedrungen ist und kein diskreter Übergang von dem Material des Polymerrohres 2 zur Oberflächenbeschichtung 3 vorliegt. Im Gegensatz zu einem unbeschichteten Polymerrohr 2 aus Polyethylen weist das mit der Oberflächenbeschichtung 3 versehene Polymehrrohr 2 eine sehr glatte Oberfläche, die im Wesentlichen aus SiOx, einem Metall, einer Metalllegierung, einem Metalloxid oder aus amorphem Kohlenstoff besteht, eine sehr glatte und gleichmäßige Oberfläche auf, weshalb die Haftfähigkeit der angrenzenden ersten Haftvermittlerschicht 4 auf dem innen liegenden Polymerrohr 2 erhöht ist. Das Polymerrohr 2 ist durch die erste Haftvermittlerschicht 4 mit einer Metallschicht 5 aus Aluminium verbunden, die eine Dicke zwischen 100 &mgr;m und 1500 &mgr;m aufweist. Die Metallschicht 5 ist mit einer zweiten Haftvermittlerschicht 6 mit einer außen liegenden Polymerschicht 7 verbunden, die aus Polyethylen besteht. Als Material für die Haftvermittlerschichten 4, 6 eigenen sich beispielsweise anhydrit-modifizierte Polyolefine, Reaktionsklebstoffe (Epoxide), acrylat-modifizierte Kunststoffe und thermoplastische Klebstoffe auf Basis von Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren (EVAC).

Bei dem in 2 dargestellten Verfahren wird ein Polymerrohr 2 aus Polyethylen in einem Extruder 8 gefertigt und mittels einer nicht dargestellten Elektronenstrahlanlage elektronenstrahlvernetzt (PE-Xc). Anschließend wird das Polymerrohr 2 einer Beschichtungsvorrichtung 10 zugeführt, in der in einem Dünnschichtverfahren eine Oberflächenbeschichtung 3 aufgebracht wird. In der Beschichtungsvorrichtung 10, die bei Atmosphärendruck arbeitet, wird ein Bestandteil der Oberflächenbeschichtung 3 durch einen Verdampfungsprozess oder Zerstäubungsprozess aus dem Material eines Festkörpers oder einer organischen Flüssigkeit gewonnen. Zusätzlich wird der Beschichtungsvorrichtung 10 ein Prozessgas 11 zugeführt. In der Beschichtungsvorrichtung 10 wird ein Plasmaprozess durchgeführt, bei dem das Prozessgas 11fragmentiert wird und sich mit dem verdampften bzw. zerstäubten Material vermischt. Die Oberflächenbeschichtung 3 wird aus diesem Plasmaprozess abgeschieden, wobei Bestandteile des Plasmas mit hoher kinetischer Energie auf die Oberfläche des Polymerrohres 2 treffen und teilweise in das Material des Polymerrohres 2 eindringen können.

Nach dem Auftragen einer ersten Haftvermittlerschicht 4 wird eine 100 &mgr;m bis 1500 &mgr;m dicke Metallfolie 12 U-förmig um das mit der ersten Haftvermittlerschicht 4 versehene Polymerrohr 2 gebogen und zu einem zylindrischen Mantel weiter umgeformt. Darauf folgend wird die Metallfolie 12 mit einer Schweißvorrichtung 14 zu einem um den Umfang geschlossenen Metallrohr verschweißt. Anschließend wird eine zweite Haftvermittlerschicht 6 auf die Metallschicht 5 aufgetragen, bevor abschließend eine außen liegende Polymerschicht 7 aus Polyethylen als Mantel aufgebracht wird.


Anspruch[de]
Verbundrohr (1), insbesondere für die Hausinstallation, mit einem innen liegenden Polymerrohr (2), einer Metallschicht (5), einer die Metallschicht (5) mit dem Polymerrohr (2) verbindenden ersten Haftvermittlerschicht (4) und einer zweiten Haftvermittlerschicht (6), welche die Metallschicht (5) mit einer außen liegenden Polymerschicht (7) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Polymerrohres (2) eine an die erste Haftvermittlerschicht (4) angrenzende, in einem Dünnschichtverfahren aufgebrachte Oberflächenbeschichtung (3) aufweist. Verbundrohr (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerrohr (2) aus Polyethylen (PE), vorzugsweise einem vernetzten Polyethylen (PE-X), besteht. Verbundrohr (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (5) aus Aluminium oder rostfreiem Stahl besteht. Verbundrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Oberflächenbeschichtung (3) teilweise in das Material des Polymerrohres (2) eingedrungen ist und kein diskreter Übergang von dem Material des Polymerrohres (2) zur Oberflächenbeschichtung (3) vorliegt. Verbundrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung (3) eine Barriereschicht bildet, wodurch die Durchlässigkeit für korrosive Medien, Gas und Dampf durch die Wandung des innen liegenden Polymerrohres (2) reduziert ist. Verbundrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftfähigkeit der ersten Haftvermittlerschicht (4) auf dem innen liegenden Polymerrohr (2) durch die Oberflächenbeschichtung (3) erhöht ist. Verbundrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung (3) im Wesentlichen aus SiOx besteht. Verbundrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung (3) im Wesentlichen aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem Metalloxid besteht. Verbundrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung (3) im Wesentlichen aus amorphem Kohlenstoff besteht. Verfahren zur Herstellung eines Verbundrohres (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei

auf die Oberfläche eines Polymerrohres (2) in einer Beschichtungsvorrichtung (10) in einem Dünnschichtverfahren eine Oberflächenbeschichtung (3) aufgebracht wird,

auf die mit der Oberflächenbeschichtung (3) versehene Oberfläche des Polymerrohres (2) eine erste Haftvermittlerschicht (4) aufgebracht wird,

auf die erste Haftvermittlerschicht (4) eine Metallschicht (5) aufgebracht wird,

eine zweite Haftvermittlerschicht (6) auf die Metallschicht (5) und nachfolgend eine außen liegende Polymerschicht (7) auf die zweite Haftvermittlerschicht (6) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (5) als Folie um die erste Haftvermittlerschicht (4) gebogen und zu einem Metallrohr verbunden wird. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung (3) durch ein Gasphasenabscheidungsverfahren, einschließlich von Plasmaprozessen, erzeugt wird. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung (3) unter Anwendung eines Plasmaprozesses erzeugt wird. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung (3) durch einen Verdampfungsprozess oder Zerstäubungsprozess, vorzugsweise in Kombination mit einem Plasmaprozess erzeugt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Oberflächenbeschichtung (3) der Beschichtungsvorrichtung (10) ein Prozessgas (11) zugeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung (3), zumindest teilweise, aus den Bestandteilen und Fragmenten des der Beschichtungsvorrichtung (10) zugeführten Prozessgase (11) gebildet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der Oberflächenbeschichtung (3) die Oberflächentextur des Polymerrohres (2) bei dem Dünnschichtverfahren verändert wird.






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