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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff mit schmierenden Eigenschaften auf der Basis von polymeren Matrizes und Schmiermitteln, die eine aktivierte Oberfläche aufweisen. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung dieser Verbundwerkstoffe und deren Verwendung zur Beschichtung von Gleitlagern, Wellen, Gelenklagern, Pressverbindungen, Abstandsblechen, Bolzen, Muffen, Reibdichtungen, selbst-klebende Isolierungen und Folien, Sitzschienen, Türschließmechanismen, Gewebematten aus Stahl, Keramik oder Kunststoff, oder als Verschleißschutz für Faserverbundwerkstoffe.
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Verbundwerkstoffe mit schmierenden Eigenschaften oder Gleiteigenschaften, sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. In der Regel bestehen diese Verbundwerkstoffe aus einer polymeren Matrix und einem darin eingebetteten Schmiermittel. Die schmierenden Eigenschaften sollen im Falle einer Beschichtung von unterschiedlichen Trägermaterialien für deren erforderliche Gleit- oder Schmierfähigkeit, insbesondere auch bei Trockenlauf, d.h. ohne zusätzliche flüssige Schmiermittel, sorgen.
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Die
DE 195 45 425 A1 beschreibt einen Zweischicht-Gleitlagerwerkstoff, der eine schmierstoffhaltige Kunststoffgleitschicht aufweist. Die polymere Matrix umfasst hierbei ein Polyamid, das mit einem Anteil von 3 - 40 Vol-% mit Polytetrafluorethylen (PTFE) und weiteren Additiven versetzt ist. Auch die
DE 42 17 319 A1 offenbart ein Gleitlager, bei dem die Gleitschicht aus PTFE besteht, die in ein warm aushärtendes Epoxidharz eingebettet ist; in der internationalen Patentanmeldung
WO 03/048594 A1 umfasst die Gleitschicht neben PTFE-Fasern noch Polyethersulfon-Fasern mit Zwirnstruktur, die mit einem Epoxidharz versehen sind. Das
U.S. Patent Nr. 5,325,732 A beschreibt ebenfalls selbst-schmierende Verbundwerkstoffe, die aus einem Polymer wie einem Epoxidharz und einem Schmiermittel wie PTFE bestehen können. Ein Schichtwerkstoff zur Herstellung von Gleitlagerelementen, der aus einem Epoxidharz und einem Gemisch aus PTFE und einer textilen Struktur besteht, ist in der
DE 26 54 644 A1 beschrieben. Das
US Patent Nr. 4,867,889 A beschreibt selbst-schmierende Gleitlager, die PTFE und ein weiteres faseriges Material, das an ein polymeres Material wie ein Epoxidharz gebunden werden kann und ferner mindestens 5 Gewichts-% Kohlenstoff-Pulver umfasst.
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Die
DE 21 04 605 A beschreibt Gleitlager, in denen die Lagerflächenschicht ein festes Schmiermittel aus Polytetrafluorethylen sowie Fasern aus einem aromatischen Polysulfon oder Graphit enthalten. Das
U.S. Patent Nr. 6,180,574 B1 offenbart dagegen Gleitlager und Beschichtungen, bei denen die Beschichtung aus einem festen Schmiermittel besteht, das in einem Acrylat verteilt ist. Auch das
U.S. Patent Nr. 3,996,143 A beschreibt Beschichtungsmaterialien aus Acrylaten, festen Schmierstoffen wie PTFE und Füllstoffen.
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Die
DE 27 54 644 A1 bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Herstellen metallischer Zerstäubungspulver mit einer gegen einen Metallstrom geneigten Wasserstrahldüsen aufweisenden gasdichten Zerstäubungskammer mit einer Auslassöffnung.Die
US 4 080 233 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines kugelförmigen Lagers mit eine Auskleidung mit einer reibungsarmen Schicht, die eine Harzmatrix enthält, in der eine Dispersion von selbstschmierenden Partikeln enthalten ist. Die
GB 1 306 407 A bezieht sich auf ein Lager mit einem reibungsarmen Auskleidung und einem Verfahren zu dessen Herstellung. Die
JP 4264196 A stellt ein thermoplastisches Gleitmaterial bereit, das in der Lage ist, die mechanische Festigkeit und die Abriebfestigkeit zu verbessern, ohne die physikalischen Eigenschaften eines Basismaterials signifikant zu verschlechtern. In der
US 4 744 857 A werden geätzte Fluorpolymerfasern und ein Verfahren zum Ätzen von Fluorpolymerfasern, die dann entweder zusammen oder mit anderen Materialien zum Bilden von Verbundwerkstoffen geklebt werden können, offenbart.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen Verbundwerkstoff mit schmierenden Eigenschaften bereit zu stellen, der kostengünstig hergestellt werden kann und hohe (1000 Stunden Ablagerung in 70 °C Skydrol ® Hydraulikflüssigkeit und 2 Wochen Wasserablagerung (T=23 °C)) chemische und korrosive Beständigkeit aufweist.
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Eine weitere Aufgabe besteht darin, dass der Verbundwerkstoff leicht aufzutragen und mechanisch zu bearbeiten ist und damit die Kontaktflächen bestens geometrisch angepasst werden können.
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Eine weitere Aufgabe besteht darin, dass der Verbundwerkstoff verbesserte Schmiereigenschaften besonders unter Druckbelastung (bis 100 MPa) oder bei niedrigen Temperaturen (< - 40 °C) bzw. hohen Temperaturen (> 150 °C) aufweist.
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Noch eine weitere Aufgabe besteht darin, dass der Verbundwerkstoff geometrische Fehlanpassungen und Toleranzabweichungen der kontaktierenden Fläche im Betrieb bestens ausgleicht.
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Eine weitere Aufgabe besteht darin, dass der Verbundwerkstoff sich besonders für die Reparatur von Verschleißstellen eignet, insbesondere vor Ort, da keine Hilfsstoffe benötigt werden.
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Eine weitere Aufgabe besteht darin, dass der Verbundwerkstoff dämpfungsmindernd bis > 100 MPa bei Schockbeanspruchung ist.
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Diese und weitere Aufgaben wurden nach der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass ein Schmiermittel mit aktivierter Oberfläche in eine polymere Matrix eingebettet wird. Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff mit schmierenden Eigenschaften, umfassend eine polymere Matrix und ein Schmiermittel, wobei die polymere Matrix ein Epoxidharz umfasst und das Schmiermittel aktivierte PTFE-Fasern mit einer Länge von 0,075 bis 0,2 mm umfasst, deren Oberfläche durch Ätzverfahren aktiviert ist, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes mit schmierenden Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, dass eine polymere Matrix mit mindestens einem Schmiermittel vermischt wird, wobei die polymere Matrix ein Epoxidharz umfasst und das Schmiermittel aktivierte PTFE-Fasern mit einer Länge von 0,075 bis 0,2 mm umfasst, deren Oberfläche durch Ätzverfahren aktiviert ist, und die Mischung ausgehärtet wird, und eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs mit schmierenden Eigenschaften zur Beschichtung von Gleitlagern, Wellen, Gelenklagern, Pressverbindungen, Abstandsblechen, Bolzen, Muffen, Reibdichtungen, selbst-klebende Isolierungen und Folien, Sitzschienen, Türschließmechanismen, Gewebematten aus Stahl, Keramik oder Kunststoff, Verschleißschutz für CFRP Bestandteile. Hierbei kann der Verbundwerkstoff ferner weitere Additive wie Füllstoffe umfassen. Dieser Verbundwerkstoff mit schmierenden Eigenschaften kann in gewünschter Stärke und Konzentration auf Oberflächen reibungsbelasteter Bauteile, insbesondere bei Anwendungen in der Luftfahrtindustrie aufgetragen werden. Besonders bevorzugt kann dieser Verbundwerkstoff als Beschichtung auf starre und flexible Trägern (Substraten) aufgebracht oder als freistehende Komponente (z.B. Buchse) hergestellt und verwendet werden.
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Im Unterschied zum Stand der Technik umfasst der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff mit schmierenden Eigenschaften eine polymere Matrix, welche ein Epoxidharz umfasst, vorzugsweise aus einem Epoxidharz, und einem darin eingebetteten Schmiermittel, wobei das Schmiermittel aktivierte PTFE-Fasern mit einer Länge von 0,075 bis 0,2 mm umfasst, deren Oberfläche durch Ätzverfahren aktiviert ist.
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Durch die Verwendung von Schmiermitteln mit aktivierter Oberfläche weist der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff eine Reihe von verbesserten Eigenschaften auf. Zunächst ist festzuhalten, dass der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff hervorragende Gleiteigenschaften, insbesondere auch ohne zusätzliche Flüssigschmiermittel aufweist. Diese hervorragenden Gleiteigenschaften spiegeln sich auch in einer verlängerten Haltbarkeit wieder, wobei die von dem Material bewirkte Schmierung auch mit zunehmendem Verschleiß der Gleitschicht konstant bleibt und so die Zeitdauer bis zum Austausch bzw. bis zur Reparatur entsprechend beschichteter Bestandteile verlängert wird. Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff weist außerdem hervorragende Eigenschaften unter Abnutzungsbedingungen, wie z.B. einer Hin- und Herbewegung, die unter anderem durch Vibrationen entstehen kann, auf. Dieser Verbundwerkstoff ist außerdem hochdruckbelastbar, beständig gegen hohe und niedrige Temperaturen, verschleißfest und wartungsfrei und zusätzlich leicht reparierbar und maschinell bearbeitbar. Ferner weist der Verbundwerkstoff eine Beständigkeit gegen Wasser, Korrosion, hydraulische Flüssigkeiten wie Skydrol®, Kerosin und Frostschutzmittel auf. Des weiteren kann der neue Verbundwerkstoff auch, gegebenenfalls in einer höheren Dicke auf Gleitlager, Bolzen, Muffen, Türschließmechanismen, Stahlplatten, selbst-klebende Isolierungen, Sitzverstell-Auflagen, Zylinder-Kolben-Komplexen, Reibdichtungen, Getrieben etc. oder zu beschichtende Bestandteile davon aufgetragen werden, was dazu führt, dass deren Gewicht bei gleicher Stärke reduziert werden kann. Der Verbundwerkstoff kann aber auch als Massengut hergestellt und bereitgestellt werden.
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In einer Ausführungsform wird der neue Verbundwerkstoff dabei vorzugsweise nur auf einen Bestandteil des Bauteils, der in einer relativen Bewegung zu einem anderen steht, aufgetragen. Des Weiteren kann der neue Verbundwerkstoff im Wesentlichen ohne Beeinträchtigung der Gleiteigenschaften bearbeitet werden, d.h. die Gleiteigenschaften werden durch eine mechanische Bearbeitung im Wesentlichen nicht nachteilig beeinträchtigt. Diese mechanische Bearbeitbarkeit des Verbundwerkstoffs ermöglicht eine individuelle Anpassung an mit der Gleitschicht beschichtete Trägermaterialien, so dass beispielsweise durch eine nachträgliche Bearbeitung jede beliebige bzw. erforderliche Stärke und/oder jedes beliebige bzw. erforderliche Laufspiel eingestellt werden kann. Dieser Verbundwerkstoff weist dabei einen geringen Reibungskoeffizienten auf und ist beständig gegen Wasser, Korrosion, hydraulische Flüssigkeiten wie Skydrol®, Kerosin und Frostschutzmittel.
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Beschrieben als Polymere für die polymere Matrix sind solche Polymere, die im Wesentlichen bei einer Belastung durch Druck oder höhere und niedrigere Temperaturen, wie sie in industriellen Anwendungen auftreten, nicht schmelzen, sich verformen oder auflösen. Die Matrix kann nach ihren Polymereigenschaften ausgewählt werden, um Eigenschaften wie Plastizität, Flexibilität, Stärke, Elastizität, Verformbarkeit, hohe oder niedrige Dichte, Temperaturwiderstand bei hohen oder niedrigen Temperaturen oder Haftfähigkeit zu verändern. Organische Polymere sind für eine Matrix verwendbar, die duroplastische Eigenschaften und quervernetzte Strukturen aufweisen. Dazu gehören phenolische oder Phenol-Formaldehyd- (PF)-Polymerharze, Melamin-Formaldehyd-(MF) Harze, Harnstoff-Formaldehydharze, Allylester wie z.B. Diallylphthalat (DAP) oder Diallylisophthalat (DAIP), Polyimidharze, Polyamidharze und Epoxidharze. Beispiele von polymeren Matrizen, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, umfassen Glas/Epoxid, und beschrieben ist als Matrix Glas/Polyester u.ä. Des Weiteren kann jedes organische Polymer, das eine ausreichende einheitliche Mischung mit dem erfindungsgemäßen Schmiermittel bildet, für die erfindungsgemäße Erfindung verwendet werden.
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Beschrieben ist als polymere Matrix eines der weit-verbreiteten duroplastischen Harze, die üblicherweise für solche Zwecke verwendet werden. Die Matrix umfasst ein Epoxidharz, z.B. ein Polyetherharz, das durch die Polymerisierung von Bisphenol A und Epichlorhydrin gebildet wird, das eine hohe Beanspruchbarkeit und geringe Schrumpfung während des Aushärtens aufweist. Als Epoxidharze kommen außerdem alle Epoxidharze in Betracht, die die nachstehend beschriebenen Epoxid-Äquivalentgewichte (bestimmt nach ISO 3001) aufweisen, bevorzugt sind zwei Komponenten Epoxidharz-Matrizen mit geeigneten Härtern.
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Die Epoxid-Matrix umfasst in einer Ausführungsform mindestens ein niedermolekulares Epoxidharz mit einem Epoxid-Äquivalentgewicht (EEW) von bis zu 500 g/mol auf, vorzugsweise 100 - 400 g/mol, noch bevorzugter 100 - 300 g/mol, am meisten bevorzugt ist ein Epoxidharz mit einem EEW von 125 - 225 g/mol. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Epoxid-Matrix eine Mischung aus entsprechenden Epoxidharzen. Das Epoxidharz kann des weiteren gegebenenfalls mit mindestens einem Reaktivverdünner modifiziert sein. Bevorzugte Ausführungsformen umfassen dabei bi- und trifunktionale Reaktivverdünner. Weitere Ausführungsformen umfassen keine Reaktivverdünner.
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Die Epoxid-Matrix kann in dem Verbundwerkstoff mit schmierenden Eigenschaften in einer Menge von 30 - 98 Gew-%, bevorzugt sind 40 - 95 Gew-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs vorliegen.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet ein Epoxidharz mit einem EEW von 100 - 500 g/mol, vorzugsweise 125 - 300 g/mol und ganz besonders bevorzugt 155 - 170 g/mol. Ferner kann diese Ausführungsform mit einem trifunktionalen Reaktivverdünner modifiziert sein. Eine weitere Ausführungsform verwendet ein Epoxidharz mit einem EEW von 100 - 450 g/mol, vorzugsweise 150 - 300 g/mol und ganz besonders bevorzugt 185 - 200 g/mol. Des Weiteren kann diese Ausführungsform mit einem bifunktionalen Reaktivverdünner modifiziert sein. Eine weitere Ausführungsform verwendet ein Epoxidharz mit einem EEW von 100 - 400 g/mol, vorzugsweise 150 - 250 g/mol und ganz besonders bevorzugt 180 - 195 g/mol. Des Weiteren ist diese Ausführungsform nicht mit einem Reaktivverdünner modifiziert.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst CHS-EPOXY 619 der Firma Spolchemie® (Tschechische Republik) als Epoxid-Matrix. Dieses Epoxidharz stellt ein niedermolekulares Epoxidharz dar, das mit einem trifunktionalen Reaktivverdünner modifiziert ist. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann CHS-EPOXY 531 der Firma Spolchemie® (Tschechische Republik) als Epoxid-Matrix verwendet werden. Diese Epoxid-Matrix stellt ein niedermolekulares Epoxidharz dar, das mit einem bifunktionalen Reaktivverdünner modifiziert ist. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann CHS-EPOXY 520 der Firma Spolchemie® (Tschechische Republik) als Epoxid-Matrix verwendet werden. Diese Epoxid-Matrix stellt ein niedermolekulares Epoxidharz dar, das nicht mit einem Reaktivverdünner modifiziert ist.
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Des Weiteren umfasst die Epoxid-Matrix einen Härter, wie z.B. aliphatische Amine, Polyaminoamine, Mannichbasen, etc., vorzugsweise auf Polyalkylenaminen und Epoxidharzen basierte Härter. Beispielhafte Härter umfassen TELALIT-Härter wie z.B. TELALIT 1203 oder TELALIT 0600 der Firma Spolchemie® (Tschechische Republik). Bevorzugte Ausführungformen umfassen ein Epoxidharz und einen Härter in einem Verhältnis von 100:20 bis 100:80 (Epoxidharz:Härter). In weiteren Ausführungsformen wird ein Epoxidharz und ein Härter in einem Verhältnis von 100:50 bis 100:60 (Epoxidharz:Härter) oder 100:33 bis 100:40 (Epoxidharz:Härter) verwendet.
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Als Schmiermittel ist mindestens eine Substanz ausgewählt aus der Gruppe umfassend Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluorethylenpropylen-Copolymer (FEP), Perfluoralkoxy-Polymere (PFA), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylfluorid (PVF), Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE) oder Polytrifluorchlorethylen (E-CTFE) beschrieben. Das Schmiermittel umfasst aktivierte PTFE-Fasern mit einer Länge von 0,075 bis 0,2 mm, deren Oberfläche durch Ätzverfahren aktiviert ist
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Das Schmiermittel ist vorzugsweise faserförmig.
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PTFE-Fasern und -Pulver ist beispielsweise kommerziell erhältlich von E.I. DuPont de Nemours and Company oder Toray Fluorofibers America unter dem Handelsnamen Teflon®. PTFE ist in verschiedenen Formen wie Pulver oder Fasern erhältlich. Teflon-Flockfasern sind in verschiedenen Längen von z.B. 0,1 bis ca. 6,35 mm mittlerer Länge erhältlich.
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Das Schmiermittel sollte in einer ausreichenden Menge hinzugegeben werden, um die gewünschte Schmierfähigkeit der Beschichtung zu erzielen. In einigen Ausführungsformen sollte der Mengenanteil des Schmiermittels mindestens 3 Gewichts-% betragen, noch bevorzugter mindestens 5 Gewichts-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundwerkstoffs. Das Schmiermittel sollte außerdem in Mengen hinzugegeben werden, so dass eine Entmischung der Epoxid-Matrix und dem Schmiermittel vermieden wird, um eine gleichmäßige im wesentlichen einheitliche Viskosität des Materials zu erhalten. Bevorzugterweise umfasst das Schmiermittel weniger als 75 Gewichts-%, noch bevorzugter weniger als 60 Gewichts-% und am meisten bevorzugt weniger als 20 Gewichts-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Materials.
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Bestimmte Ausführungsformen umfassen daher 3 - 75 Gewichts-% und noch bevorzugter 5 - 20 Gewichts-% des Schmiermittels, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundwerkstoffs.
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Erfindungsgemäß weisen die Schmiermittel eine aktivierte Oberfläche auf, wodurch härtere und festere Verbundwerkstoffe erreicht werden können. Die Verbundwerkstoffe weisen außerdem eine verbesserte Stabilität und Kompatibilität des Füllstoffs in bzw. mit der polymeren Matrix auf, wodurch die Qualitätssicherung verbessert werden kann. Dies wird durch Verfahren erreicht, bei denen die Oberfläche der PTFE-Fasern angeätzt wird, um eine verbesserte Haftung zu anderen Materialien wie der polymeren Matrix zu erreichen. So beschreibt das
U.S. Patent Nr. 4,744,857 ein Ätzverfahren, bei dem FluorpolymerFasern wie Poytetrafluorethylen durch Eintauchen der Fasern in eine Natrium-Naphthalen-Ätzlösung angeätzt werden. Ein anderes Ätzverfahren, bei dem Natrium in flüssigem Ammoniak verwendet wird, ist im
U.S. Patent Nr. 2,789,063 beschrieben. Durch diese Verfahren kann eine Oberflächenaktivierung von bis zu 98% erreicht und je nach Bedarf variiert werden, um unterschiedliche Oberflächenaktivierungen zu erhalten, wie sie in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendbar sind.
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Besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen ein Epoxidharz und 5 - 60 Gewichts-% PTFE-Fasern mit aktivierter Oberfläche, bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundwerkstoffes. Andere Ausführungsformen umfassen dagegen ein Epoxidharz, 5 - 20 Gewichts-%-PTFE-Fasern mit aktivierter Oberfläche und 10 - 20 Gewichts-% eines Füllstoffes, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundwerkstoffes. Andere Ausführungsformen umfassen gegebenenfalls einen zweiten Füllstoff zu 10 - 20 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundwerkstoffs.
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Die Fasern umfassen eine Länge von 0,075 - 0,2 mm.
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Allgemein kann bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen eine polymere Matrix mit dem mindestens einen Schmiermittel, das eine aktivierte Oberfläche aufweist und gegebenenfalls weiteren Füllstoffen vermischt werden. Diese Mischung kann gegebenenfalls auf ein Trägermaterial aufgetragen und zum Verbundwerkstoff ausgehärtet werden.
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Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen kann zunächst eine der Matrix-Komponenten, z.B. ein Epoxidharz oder ein Härter, mit dem mindestens einen Schmiermittel, das eine aktivierte Oberfläche aufweist und gegebenenfalls weiteren Füllstoffen vermischt werden. Anschließend wird dieses Gemisch gegebenenfalls mit der zweiten Matrix-Komponente vermischt. Diese Mischung kann gegebenenfalls auf ein Trägermaterial aufgetragen und zum Verbundwerkstoff ausgehärtet werden.
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Als weiteren Bestandteil kann der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff mit schmierenden Eigenschaften einen oder mehrere Füllstoffe umfassen.
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Die Hauptaufgabe der Füllstoffe in schmierenden Verbundwerkstoffen ist üblicherweise die Reduzierung des Abriebs bei dynamischen Anwendungen im Kontakt mit einem Gegenlaufpartner. Da solche Verbundwerkstoffe üblicherweise einen höheren Reibungskoeffizienten aufweisen als PTFE alleine, also ohne Matrix, kann es gegebenenfalls erwünscht sein, ein zusätzliches internes Schmiermittel oder andere funktionale Füllstoffe zuzusetzen.
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Als Füllstoffe kommen grundsätzlich alle vernetzten oder unvernetzten, organischen oder metallorganischen Polymere, anorganischen Verbindungen, Salze oder Keramikmaterialien oder organisch modifizierte Keramikmaterialien oder Gemische dieser Stoffe in Betracht, vorzugsweise solche, die bei der Nachbearbeitung der Formteile kein Aufschmelzen und/oder keine Zersetzung zeigen.
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Unter diesen sind in einigen Ausführungsformen die organischen Polymere und anorganischen Verbindungen bevorzugt. Hierbei kann es sich um natürliche oder synthetische Polymere und/oder anorganische Verbindungen handeln.
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Beispiele für geeignete anorganische Verbindungen sind Metalloxide, Metallcarbide und Metallsulfide, wie beispielsweise Wolframdisulfid, Molybdändisulfid, vorzugsweise in Pulverform, Graphit, Kohle, Bronze, Stahlpulver, Aluminiumoxid, Calciumfluorid, Calciumcarbonat, Calciumphosphat, Borax und Glimmer oder Gemische hiervon. Von diesen werden insbesondere die Sulfide in einigen Ausführungsformen als Füllstoffe in der vorliegenden Erfindung bevorzugt verwendet.
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Geeignete organische Polymere umfassen mindestens einen Stoff ausgewählt aus der Gruppe umfassend Polyamid (PA), Polyphenylsulfid (PPS), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyoxymethyl-Copolymer (POM), Polyimid (PI), Polyphenylensulfid (PPS), Polyamidimid (PAI), Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfon (PPSO2), aromatischer Polyester und Aramid oder Gemische hiervon.
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Die Füllstoffe des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes mit schmierenden Eigenschaften können in bestimmten Ausführungsformen in einer Menge von 0 - 50 Gew-%, bevorzugt 10 - 40 Gew-% vorliegen, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs.
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Im Allgemeinen weisen die organischen Füllstoffe eine Partikelgröße von <200 µm auf, bevorzugt ist ein Partikelgröße von <150 µm, noch bevorzugter ist eine Partikelgröße von <75 µm. Die in der vorliegenden Erfindung verwendbaren anorganischen Füllstoffe können dagegen eine Partikelgröße von >0.1 µm, bevorzugt eine Partikelgröße von >0.25 µm, noch bevorzugter eine Partikelgröße von >0.4 µm aufweisen.
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Besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen ein Epoxidharz, 5 - 20 Gewichts-% PTFE-Fasern mit aktivierter Oberfläche und 10 - 20 Gewichts-% PPS-Puder als Füllstoff. Dagegen umfassen andere Ausführungsformen, neben einem Epoxidharz und 5 - 20 Gewichts-% PTFE-Fasern mit aktivierter Oberfläche, 10 - 20 Gewichts-% PA-Puder oder 10 - 20 Gewichts-% PTFE-Puder als Füllstoff. Andere Ausführungsformen können, neben einem Epoxidharz und 10 - 20 Gewichts-% PTFE-Fasern mit aktivierter Oberfläche, wiederum 10 - 20 Gewichts-% WS2-Puder umfassen. In einigen Ausführungsformen können die Verbundwerkstoffe einen zweiten Füllstoff umfassen. Beispielsweise ein Verbundwerkstoff, der ein Epoxidharz, 5 - 20 Gewichts-% PTFE-Fasern mit aktivierter Oberfläche und als Füllstoffe 10 - 20 Gewichts-% WS2-Puder und 10 - 20 Gewichts-% PA-Puder oder PPS-Puder umfasst. Gewichts-% sind jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundwerkstoffes.
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Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff kann zur Beschichtung von Formteilen aus Metall, Glas, temperaturbeständigen Kunststoffen oder synthetischen und natürlichen mineralischen Werkstoffen oder Verbundmaterialien hieraus verwendet werden. Sie kommen daher für die Beschichtung von Bauteilen, die Reibung und Verschleiß ausgesetzt sind, im Innen- und Außenbereich von Möbeln, Türen, Fensterrahmen, industriellen Bauteilen für den privaten und industriellen Gebrauch, inklusive Container und Bauteile für die Herstellung von Transportvorrichtungen jeglicher Art, inklusive Kraftfahrzeuge und Flugzeuge in Betracht.
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Besonders bevorzugt sind Anwendungen im Bereich der Luftfahrttechnik, z.B. als Verschleißschutz für CFRP (carbon fiber reinforced plastics) Bestandteile, Türschließmechanismen, Bolzen-Muffen-Vorrichtungen, Sitzschienen oder Isolierungen auf Tragflächen und andere Bestandteile, die einer Reibung ausgesetzt sind. Vor allem aber können sie zur Beschichtung von Formteilen verwendet werden, die nach ihrer Beschichtung mechanisch formgebend nachbearbeitet werden, beispielsweise durch Fräsen, Schleifen und/oder Bohren. Ganz besondere Vorteile entfaltet der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff bei Beschichtungen, insbesondere lokaler Beschichtung, von reib- und verschleißbeanspruchten Komponenten, wie zum Beispiel Gleitlagern, Wellen, Gelenklagern, Muffen, Pressverbindungen, Bolzen, Abstandsblechen, Reibdichtungen („rubbing strips“), Getrieben, Gleitführungen, Zylinder-Kolben-Komplexen, selbst-klebenden Isolierungen oder Folien, Sitzschienen, Verschleißschutz für CFRP (carbon fiber reinforced plastics) Komponenten (z.B. Streben), Türschließmechanismen (z.B. Scharniere), Gewebematten aus Stahl, Keramik oder Kunststoff. Trägermaterialien umfassen Metall-Legierungen, Stahl, Aluminium- und Titan-Legierungen, polymere Materialien, Keramik und Glas.
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Bei Ausführungen mit metallischen Trägermaterialien kann das Metallsubstrat vor der Beschichtung mit dem Verbundwerkstoff durch eine chemische Oberflächenaktivierung, z.B. durch Phosphatieren oder Anodisieren oder mechanisch, z.B. durch Sand- oder Nassstrahlen oder Schleifen aufgeraut werden, um die Haftung des Verbundwerkstoffes zu verbessern.
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Die Beschichtung mit dem Verbundwerkstoff mit schmierenden Eigenschaften kann in jeder Form aufgetragen werden, die sicherstellt, dass der Verbundwerkstoff die Oberfläche des Trägermaterials in der gewünschten Weise beschichtet. Z.B. kann die Beschichtung durch Sprühen oder durch eine Bürste oder Walze, durch Formen oder Giessen auf die Oberfläche aufgebracht werden. Eine andere Möglichkeit ist, dass das zu beschichtende Trägermaterial in den Verbundwerkstoff mit schmierenden Eigenschaften eingetaucht wird.
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Das Aushärten des Verbundwerkstoffs auf dem zu beschichtenden Trägermaterial kann je nach Anwendungszweck bei Raumtemperatur oder erhöhten Temperaturen erfolgen, für eine ausreichende Zeitdauer, je nach Material z.B. von 20 - 36 h, beispielsweise 24 h, gegebenenfalls gefolgt von einer Wärmebehandlung, z.B. bei etwa 110 - 190 °C für 2 - 10 h. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt das Aushärten des Verbundwerkstoffs auf dem Trägermaterial bei Raumtemperatur für eine Zeitdauer von 24 h, gefolgt von einer Wärmebehandlung bei 120 °C für 5 h. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Aushärten des Verbundwerkstoffs auf dem Trägermaterial bei Raumtemperatur für eine Zeitdauer von 24 h erfolgen, gefolgt von einer Wärmebehandlung bei 180 °C für 3 - 4 h. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Aushärten des Verbundwerkstoffs auf dem Trägermaterial bei Raumtemperatur für eine Zeitdauer von 24 h erfolgen, gefolgt von einer Wärmebehandlung bei 140 °C für 4 h. Anschließend kann das Material wie oben beschrieben maschinell geformt und in die gewünschte Stärke gebracht werden. Die Beschichtung kann schließlich eine Stärke von etwa 0,05 - 2,0 mm, noch bevorzugter 0,05 - 1,5 mm und ganz besonders bevorzugt eine Stärke von 0,1 - 0,3 mm aufweisen.
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Im Folgenden sind einige Beispiele vorteilhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Materials aufgeführt, dabei sind % als Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundwerkstoffs angegeben:
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Beispiel 1
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Die Epoxid-Matrix CHS-EPOXY 619 (EEW 155 - 170 g/mol) wird mit 10 Gewichts-% PTFE-Fasern mit aktivierter Oberfläche und 10 Gewichts-% WS2-Puder und 10 Gewichts-% PPS-Puder als Füllstoffe vermischt und das Gemisch zum Entfernen von eingeschlossener Luft evakuiert. Anschließend wird zu dem Gemisch der Härter TELALIT 1203 in einem Verhältnis von 100:60 (Epoxidharz: Härter) hinzugegeben und der Verbundwerkstoff auf ein Trägermaterial aufgetragen.
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Beispiel 2
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Die Epoxid-Matrix CHS-EPOXY 619 (EEW 155 - 170 g/mol) wird mit 10 Gewichts-% PTFE-Fasern mit aktivierter Oberfläche vermischt und das Gemisch zum Entfernen von eingeschlossener Luft evakuiert. Anschließend wird zu dem Gemisch der Härter TELALIT 1203 in einem Verhältnis von 100:60 (Epoxidharz: Härter) hinzugegeben und der Verbundwerkstoff auf ein Trägermaterial aufgetragen.
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Beispiel 3
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Reibungskoeffizienten des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs werden anhand des Beispiels 1 gezeigt. Ball-On-Disk Gleitprüfungen wurden bei Raumtemperatur und einer schrittweisen Erhöhung der Belastung von 1 N auf 2 N, 5 N und 10 N mit jeweils 266 Umdrehungen und einer Gleitgeschwindigkeit von 1 cm/s durchgeführt, so dass 4 x 266 Zyklen = 1064 Zyklen mit einer Gesamttestdauer von 40 min erzielt wurden. Unter den gleichen Bedingungen wurde außerdem ein Vergleichsmaterial getestet, das kommerziell erhältlich ist. In der nachfolgenden Tabelle I sind die entsprechenden Reibungskoeffizienten für die Gleitprüfungen mit unterschiedlichen Belastungen dargestellt.
Tabelle I:
| | Reibungskoeffizient µ für den Verbundwerkstoff aus Beispiel 1 | Reibungskoeffizient µ für ein Vergleichsmaterial |
| 1 N | 0.075 | 0.068 |
| 2 N | 0.073 | 0.070 |
| 5 N | 0.073 | 0.074 |
| 10 N | 0.076 | 0.077 |
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es ist beispielsweise möglich, eine andere polymere Matrix, andere Schmiermittel oder Füllstoffe oder verschiedene Kombinationen daraus zu verwenden.
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Beispiel 4
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Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff aus Beispiel 2 wurde Pin-On-Plate Gleitprüfungen mit Hin- und Herbewegungen bei 50 °C, einer Frequenz von 1 Hz und Oberflächendrücken von 5, 10, 15, 25 und 30 MPa auf rostfreiem Stahl unterzogen. Die Gesamttestdauer betrug jeweils ca. 1,2 h. Niedrige Reibungskoeffizienten von µ = 0,05 wurden dabei unter Oberflächendrücken von 5 MPa erhalten.
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In den nachstehenden Figuren sind einige beispielhafte Anwendungen dargestellt. Es zeigt:
- 1 a) - d) eine Buchse mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung;
- 2. einen Faserverbundwerkstoff mit einem erfindungsgemäßen Verschleißschutz; und
- 3 einen Bolzen, der mit einem erfindungsgemäßen Verschleißschutz beschichtet ist.
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In 1a und 1b sind die Abmessungen einer Buchse 10 dargestellt, die beispielsweise im Flugzeug oder Hubschrauber eingesetzt wird. Bei der Ausführungsform gemäß 1a ist die Buchse sowohl innen als auch an der Stirnseite des Flansches 11 mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung (Liner) 1 beschichtet. Das entsprechende fertige Bauteil ist in 1c dargestellt. Bei der Ausführungsform gemäß 1b ist lediglich das Inner der Buchse 10 mit dem Liner 1 versehen; das fertige Bauteil ist entsprechend in 1d dargestellt.
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2 zeigt einen Faserverbundwerkstoff (z.B. eine CFRP- Komponente) 20 sowie dessen Beschichtung 1, die in der rechten Hälfte der Abbildung für unterschiedliche Dicken (0,3 mm, 0,5 mm und 1 mm) dargestellt ist. Die Beschichtung 1 ist sehr gut bearbeitbar und kann an den jeweiligen Anwendungszweck angepasst werden.
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In 3 ist ein weiteres Beispiel dargestellt, das einen Bolzen 30 mit einer Buchse 31 zeigt, wobei der Bolzen 30 mit einem Verschleißschutz 1 gemäß der Erfindung versehen ist.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die im Zusammenhang mit 1 - 3 beschriebenen Anwendungsbeispiele beschränkt.
