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Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung, die einen ersten Bereich eines Maschinenteils gegen einen zweiten Bereich des Maschinenteils abdichtet, wobei die Dichtungsanordnung mindestens ein Dichtungselement aufweist, das das Maschinenteil oder ein mit diesem verbundenes Bauteil berührt oder das an dem Maschinenteil oder an dem mit diesem verbundenen Bauteil unter Bildung eines Spalts verläuft.
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Dichtungsanordnungen dieser Art sind hinlänglich bekannt. Sie werden sowohl als reibende (z. B. Radialwellendichtringe) als auch als nicht-reibende Dichtungen (Labyrinthdichtungen) verwendet, wodurch eine Abdichtung eines Bereichs eines Bauteils, z. B. einer Welle, sichergestellt werden kann. Die Abdichtung erfolgt dabei zumeist zwischen der Umgebung (erster Bereich) und dem Inneren einer Vorrichtung (zweiter Bereich).
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Trotz entsprechender Aufwendungen kann nicht immer verhindert werden, dass Feuchtigkeit und Schmutz in den abzudichtenden Bereich eintritt. Durch einen solchen Wassereintritt resultieren eine Korrosionsgefahr bzw. eine Kontamination des Schmierstoffs (Öl oder Fett), was Betriebsstörungen bzw. sogar Betriebsausfälle nach sich ziehen kann. In der Regel kann ein verbesserter Schutz gegen das Eintreten von Feuchtigkeit nur erreicht werden, indem konstruktive Veränderungen an der Dichtungsanordnung vorgenommen werden, beispielsweise durch die Anordnung einer höheren Zahl von Dichtelementen bzw. Dichtlippen. Gerade wenn nicht-reibende Dichtungen (insbesondere Labyrinth-Dichtungen) zum Einsatz kommen, ist die Dichtwirkung nicht immer zufriedenstellend.
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Die
DE 10 2007 022 791 A1 offenbart zur Verbesserung der Dichtwirkung bei einem Injektionsgerät eine hydrophobe Beschichtung. Hydrophobe und omniphobe Beschichtungen als solche werden auch in der
WO 2010/022 107 A2 beschrieben. Ähnliche Lösungen zeigen auch die
DE 198 60 003 A1 , die
DE 29 49 839 C2 und die
US 2008/0 311 337 A1 . Ferner thematisiert auch der Beitrag von A. Tuteja et al. „Robust omniphobic surfaces” in Proceedings of the National Academy of Science PNAS, Vol. 105, 25. November 2008, Nr. 47, Seite 18200 bis 18205, omniphobe Beschichtungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine verbesserter Schutz gegen das Eindringen von Feuchtigkeit, insbesondere von Wasser, gegeben ist, ohne das Dichtungsdesign verändern zu müssen.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement und/oder das Maschinenteil und/oder das mit dem Maschinenteil verbundene Bauteil im Bereich des Dichtungselements in einem dem ersten Bereich zugewandten Abschnitt mit einem Material versehen oder beschichtet ist, das eine omniphobe Eigenschaft aufweist, und dass ein dem zweiten Bereich zugewandter Abschnitt mit einem Material versehen oder beschichtet ist, das eine (super))hydrophobe Eigenschaft aufweist.
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Der Übergang vom ersten Bereich zum zweiten Bereich kann dabei durch eine (sekundäre) Dichtlippe gebildet werden (im Falle einer berührenden Dichtung). Die Dichtlippe kann radial und/oder axial an dem als Welle ausgebildeten Maschinenteil oder an dem mit diesem verbundenen Bauteil anlaufen.
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Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich zwei Abschnitte in dem Dichtungselement ausgebildet sind, die jeweilige Spalte bilden, wobei zwischen den beiden Abschnitten ein Aufnahmeraum ausgebildet ist, wobei die die Spalte bildenden Abschnitte mit dem Material versehen oder beschichtet ist, das eine omniphobe Eigenschaft aufweist, und wobei die Oberfläche des Aufnahmeraums mit einem Material versehen oder beschichtet sein, das eine (super)hydrophobe Eigenschaft aufweist.
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Das Material mit omniphober Eigenschaft ist bevorzugt ein Silan, bevorzugt ein Trichlorosilan, besonders bevorzugt ein Oktadecyl-Trichlorosilan (OTS) oder ein Perfluorooctyl-Trichlorosilan (PFOTS). Das Silan kann dabei auf ein mit einem Sauerstoffplasma aktiviertes Elastomersubstrat aufgebracht sein.
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Die Dichtungsanordnung umfasst gemäß einer Weiterbildung eine Staubschutzlippe, die aus Elastomermaterial oder aus Vliesmaterial besteht, wobei die Oberfläche der Staubschutzlippe zumindest teilweise mit einem Material beschichtet ist, das eine omniphobe und/oder hydrophobe Eigenschaft aufweist. Diese als sekundäre Dichtlippe fungierende Dichtung kann insbesondere aus einem offenporigen Vlieswerkstoff bestehen, deren Fasern mit (super)hydrophobem oder (super)omniphobem Material beschichtet sind. Die Poren im Vlies können eine labyrinthartige Spaltdichtung bilden.
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Das Material mit (super)hydrophober Eigenschaft kann Nanofilamente, bevorzugt Silikonnanofilamente, besonders bevorzugt polymethylsilsesquioxane Nanofilamente, aufweisen.
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Mit der vorgeschlagenen Ausgestaltung kann erreicht werden, dass mit omniphoben/super-omniphoben und/oder hydrophoben/super-hydrophoben Beschichtungen effektive, berührungslose und auch berührende Dichtungen mit hoher Dichtwirkung zur Verfügung gestellt werden. Der Vorteil liegt in der verminderten oder entfallenden Reibung der Dichtkante an der Dichtungsgegenfläche (im Falle einer nicht berührenden Dichtung), wodurch ein erheblich reduzierter Energieaufwand und Verschleiß der Dichtung ermöglicht wird. Demgemäß wird der Gefahr vorgebeugt, dass beispielsweise in Wälzlagern Schmierstoffe durch Fremdpartikel und Feuchtigkeit kontaminiert werden und/oder Oberflächen durch Wassereintritt korrodieren.
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Die hier beschriebene Erfindung zeichnet sich also durch eine (super)hydrophobe und (super)oliophobe Beschichtung aus, die – wenn sie beide Eigenschaften (hydrophob und oliophob) aufweist – hier als omniphobe Beschichtungen bezeichnet wird. In der Anwendung bedeutet dies, dass die beschichteten Oberflächen also superhydrophobe und/oder superoliophobe Eigenschaften besitzen. Auch die Erzeugung von Oberflächen mit Hinterschneidungen direkt an der Substratoberfläche, die oben genannte superhydrophobe/superoliophobe/omniphobe Eigenschaften besitzen, ist möglich.
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Charakterisiert wird eine solche Oberfläche je nach Beschichtungsart/Oberflächenstruktur durch große Kontaktwinkel zwischen Wasser und/oder Öl und der Kontaktfläche/Gegenfläche des Maschinenbauteils. Bei Wasser bilden sich beispielsweise Kontaktwinkel größer 150° aus. Eine Benetzung des beschichteten Bereichs der Oberflächen durch Wasser und/oder Öl findet praktisch nicht statt.
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Als Beschichtungsmaterialen, die auf die Oberflächen aufgebracht werden, können Nanofilamente, wie beispielsweise Silikonnanofilamente (polymethylsilsesquioxane Nanofilamente) auch in Verbindung mit Fluoralkyl-Gruppen und/oder Silizium-Oxyden dienen.
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Durch entsprechende Formgebung und Strukturierung des zu beschichtenden Substrats (d. h. hier der Dichtung) kann bei gleichbleibender Dichtwirkung der Anpressdruck der Dichtung auf die Gegenfläche des Maschinenbauteils reduziert bzw. eine kontaktlose Dichtung realisiert werden. Denkbar waren hier Kavitäten und Bereiche, in denen superoliophobe/omniphobe Beschichtungen aufgetragen sind und die mit superhydrophoben Bereichen kombiniert werden.
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Durch die Reduktion des Anpressdrucks, was im Extremfall zu einer berührungslosen Dichtung führt, kann die Verlustleistung (Reibung) der Dichtung stark reduziert werden. Energetische Einsparungen sind damit bei mindestens gleichbleibender Dichtwirkung möglich und ein evtl. ungewünschter Wärmeeintrag kann vermieden werden. Durch die omniphoben Beschichtungen ist außerdem eine verbesserte Dichtwirkung zu erwarten und Wartungsintervalle und damit die Wirtschaftlichkeit erhöhen sich. Des weiteren verringert sich der Verschleiß, so dass die Gebrauchsdauer höher ist. In Summe werden die Nachteile der Lösungen nach Stand der Technik weitgehend behoben.
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Die Dichtungsanordnung kann gemäß einer Ausführungsform mindestens eine Dichtlippe umfassen. Dabei kann es sich insbesondere um eine Radialwellendichtung handeln. Die mindestens eine Dichtlippe kann an ihrer Gegenfläche radial oder axial anlaufen. Die Dichtlippe kann dabei an einer Anlaufscheibe anlaufen, die mit dem Maschinenteil verbunden ist.
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Die Dichtungsanordnung kann auch eine Labyrinthdichtung sein. Die Auslegung der Spalthöhe erfolgt in Abhängigkeit des (Wasser)Kontaktwinkels des Materials so, dass der (Wasser)Tropfen größer als die Spalthöhe ist, um den Eintritt in diesem Falle zuverlässig zu vermeiden. Die dem engsten Spalt vorgelagerten Labyrinthbereiche sind so zu wählen, dass eindringende Wassertropfen über das Potential der Oberflächenspannungen dazu neigen, sich zu größeren Tropfen zu sammeln.
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Das mit der Dichtlippe oder der Labyrinthdichtung zusammenwirkende Maschinenteil oder das mit dem Maschinenteil verbundene Bauteil kann eine Welle oder ein Anlaufring sein.
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Das vorgeschlagene Konzept eignet sich sowohl für Dichtungen, die mit berührenden Dichtelementen arbeiten, als auch für solche, die berührungsfrei abdichten.
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Der dauerhafte superhydrophobe Effekt sorgt über die Oberflächenspannung des Wassers auf ebenen Flächen für das Ausbilden von kugelförmigen Wassertropfen, die bei Neigung rückstandsfrei abrollen (abperlen) können. Bei gekrümmten Flächen, wie beispielsweise im Falle von Wellen, kann das Wasser bei entsprechenden Mengen ringförmige Strukturen (torusförmige Gebilde) bilden. Die dichtende Wirkung kann durch eine vorteilhafte Geometrie unterstützt werden, so dass die abzusondernden Wassertropfen in die gewünschte Richtung gefördert werden. Das gesammelte Wasser übernimmt die Aufgabe einer Sperrflüssigkeit.
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Vorteilhaft ist es, dass die abweisende Eigenschaft unabhängig vom Oberflächenabrieb der Kontaktflächen an Dichtung und Gegenlauffläche aufrechterhalten wird, d. h. verschleißunabhängig ist.
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Das erfindungsgemäß zum Einsatz kommende (super)omniphobe Material wird auch als (super)amphiphobisch bezeichnet. Es hat im Sinne der vorliegenden Erfindung die Eigenschaft, dass es sowohl hydrophob/super-hydrophob (also wasserabweisend) als auch oliophob/super-oliophob (also ölabweisend) ist. Die Herstellung derartiger Materialien ist nicht Gegenstand dieser Erfindung. Vielmehr wird ausdrücklich auf den Beitrag von J. Zimmermann et al. „Patterned superfunctional surfaces based on a silicone nanofilament coating” in The Royal Society of Chemistry, 2008, Heft 4, Seiten 450 bis 452, verwiesen und Bezug genommen, wo Details zu diesem Material beschrieben sind.
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Der Ausgangspunkt der fraglichen Beschichtung ist eine Schicht aus Silikon-Nanofilamenten, die auf ein Substrat aufgetragen wird. Grundsätzlich ist eine Silikon-Schicht hydrophob (mit einem Wasserkontaktwinkel von ca. 110°) und oliophil (Kontaktwinkel mit Hexadekan ca. 40°). Wegen ihrer hohen Oberflächenrauheit kann eine präparierte Silikon-Nanofilament-Beschichtung superhydrophob (Wasserkontaktwinkel ca. 165°) und superoliophil (Kontaktwinkel mit Hexadekan ca. 2°) sein. Diese Eigenschaften können mit den Maßnahmen, die in dem genannten Beitrag von J. Zimmermann et al. beschrieben sind, zur Verfügung gestellt, aber auch modifiziert werden. Der Auftrag erfolgt einfach und schonend für den Grundwerkstoff.
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Hierbei ist insbesondere der Einsatz von Oktadecyl-Trichlorosilan (OTS) oder Perfluorooctyl-Trichlorosilan (PFOTS) als Beschichtungsmaterial zu nennen. Eine Beschichtung mit einem Silikon-Nanofilament ohne weitere Modifikation ist stark hydrophob (superhydrophob) und oliophil. Die Plasmabehandlung der Oberfläche erzeugt eine Benetzbarkeit sowohl für Wasser als auch für Öl (superamphiphilische Eigenschaft). Die Refunktionalisierung mit Oktadecyl-Trichlorosilan (OTS) stellt die ursprüngliche Hydrophobie des Silikon-Nanofilaments wieder her, wobei allerdings die Oliophilie erhöht wird. Wenn Perfluorooctyl-Trichlorosilan (PFOTS) in der Refunktionalisierung verwendet wird, wird die Beschichtung abweisend sowohl für polare als auch für nicht-polare Flüssigkeiten (d. h. die superamphiphobische Eigenschaft, d. h. Omniphobie, wird erzeugt).
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Zu den hier bevorzugt eingesetzten Stoffen OTS und PFOTS sei folgendes bemerkt: Die Silane sind eine Stoffgruppe chemischer Verbindungen, die aus einem Silicium-Grundgerüst und Wasserstoff bestehen. Sie können einen verzweigten (iso- und neo-Silane) oder unverzweigten (n-Silane) Aufbau haben.
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Die hier interessierenden Derivate der Silane entstehen formal durch Substitution der Wasserstoffatome durch Halogene, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff bzw. diese Elemente enthaltene Gruppen. Zu nennen sind hier die Chlorsilane Monochlorsilan (SiH3Cl), Dichlorsilan (SiH2Cl2), Trichlorsilan (SiHCl3) und Tetrachlorsilan (SiCl4).
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Weiterhin sei auf den Beitrag von A. Tuteja et al. „Robust omniphobic surfaces” in PNAS, 25. November 2008, Vol. 105, Nr. 47, Seite 18200 bis 18205, hingewiesen, auf den ausdrücklich Bezug genommen wird und in dem gleichermaßen Detailinformationen zur Herstellung einer omniphoben Oberfläche enthalten sind. Hier wird insbesondere der Einsatz von fluorierten polyedrischen oligomeren Silsesquioxanen (fluorodecyl POSS) hingewiesen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 den Radialschnitt durch eine Dichtungsanordnung in Form einer Radialwellendichtung,
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2 die Einzelheit „Z” gemäß 1,
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3 den Radialschnitt durch eine Dichtungsanordnung in Form einer Labyrinthdichtung gemäß einer ersten Ausführungsform und
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4 den Radialschnitt durch eine Dichtungsanordnung in Form einer Labyrinthdichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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In 1 ist eine Dichtungsanordnung 1 zu sehen, die einen ersten Bereich (Luftseite oder Umgebung) U eines Maschinenteils 2 in Form einer Welle von einem zweiten Bereich (Ölseite oder Inneres) I abdichtet. Hierfür weist die Dichtungsanordnung 1 ein Dichtungselement 3 auf, das – als Radialwellendichtung ausgebildet – eine Dichtlippe 9 hat, die reibend an der Welle 2 anliegt.
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Die Radialwellendichtung 3 weist – dem ersten Bereich U zugewandt – noch eine Staubschutzlippe 16 auf.
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Die genaue Ausgestaltung des Dichtungselements 3 bzw. der Dichtlippe 9 geht aus der vergrößerten Darstellung gemäß 2 hervor. Hier ist zu sehen, dass von der Kontaktstelle der Dichtlippe 9 auf der Wellenoberfläche aus sich ein Abschnitt 5 in Richtung des ersten Bereichs U erstreckt. Von der Kontaktstelle der Dichtlippe 9 aus erstreckt sich ein Abschnitt 7 in Richtung des zweiten Bereichs I. Der Abschnitt 5 des Dichtungselements 3 bzw. der Dichtlippe 9 ist mit einem Material 6 beschichtet, das omniphobe Eigenschaften aufweist. Indes ist der Abschnitt 7 des Dichtungselements 3 bzw. der Dichtlippe 9 unbeschichtet oder mit einem Material 8 beschichtet, das (super)hydrophobe Eigenschaften aufweist. Infolge dessen kann vom Bereich U kommendes Wasser bzw. sonstige Verunreinigungen durch die Abweisewirkung des (super)omniphoben Materials nicht die Kontaktstelle der Dichtlippe 9 an der Welle 2 überwinden. Gleichzeitig sammelt sich im (insbesondere unbeschichteten) Bereich 7 Öl 17, das den Dichtkontakt schmiert. Durch die Beschichtung 6 mit omniphober Eigenschaft wird der Öl-Meniskus an der Dichtlippe 9 in den zweiten Bereich I zurückgedrückt. Die Dichtwirkung der Dichtungsanordnung 1 ist somit verbessert.
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Die Staubschutzlippe 16 kann an der dem ersten Bereich U zugewandten Seite auch beschichtet werden, wobei eine super-hydrophobe und/oder (super)omniphobe Beschichtung 8 hier das Eindringen von Wasser verhindert bzw. erschwert. Die Staubschutzlippe kann ein offenporiges Vlies sein, deren Fasern eine (super)hydrophobe Beschichtung aufweisen. Die Poren bilden so zur Welle eine labyrinthartige Spaltdichtung.
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In 3 ist eine Lösung zu sehen, bei der die Abdichtung mittels einer Dichtungsanordnung 1 mit einem Dichtelement 3 in Form einer Labyrinthdichtung hergestellt wird. Demgemäß befindet sich ein Spalt 4 zwischen dem ersten Bereich U und dem zweiten Bereich I, der für die Abdichtung sorgt. Wie in 3 zu sehen ist, besteht dieser Spalt 4 aus zwei Teilspalten 12 und 13, die in jeweiligen Abschnitten 10 und 11 ausgebildet sind. Zwischen den beiden Abschnitten 10 und 11 befindet sich ein Aufnahmeraum 14, der torusförmig bzw. ringförmig um die Welle 2 umläuft; er kann auch zumindest teilweise in die Welle 2 eingearbeitet sein oder sich nur in der Welle 2 befinden. Während die Begrenzungen der Spalte 12 und 13 im Abschnitt 10 und 11 durch Material mit omniphober Eigenschaft 6 versehen, d. h. beschichtet sind, gilt für die Oberfläche des Aufnahmeraums 14, dass dieser mit Material mit (super)hydrophober Eigenschaft 8 beschichtet ist. Die Oberfläche des Aufnahmeraums 14 kann auch unbeschichtet sein.
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Das hat zur Folge, dass Öl aus den Spalten 12 und 13 verdrängt wird (wegen der hier gegebenen omniphoben Eigenschaft der Wandungen) und sich im Aufnahmeraum 14 sammeln kann (da hier keine Ölabweisung vorliegt, lediglich Hydrophobie). In der Konsequenz kann sich im idealisierten Fall ein ring- bzw. torusförmiger Ölring 15 ausbilden, der den Aufnahmeraum 14 füllt und analog zu einer Sperrflüssigkeit eine Dichtwirkung entfaltet.
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In 4 ist eine alternative Ausführungsform dieses Konzepts zu sehen. Hier erstreckt sich der Spalt 4 teils horizontal und teils vertikal. Zwischen den Spalten 12 und 13 (der obere Spalt 12 verläuft vertikal, der untere Spalt 13 mäanderförmig) ist wiederum ein Aufnahmeraum 14 ausgebildet. Auch hier sind die Spaltbegrenzungen der Spalte 12 und 13 mit Material mit omniphober Eigenschaft 6 beschichtet, während die Wandungen des Aufnahmeraums 14 mit Material mit (super)hydrophober Eigenschaft 8 beschichtet oder unbeschichtet sind. Demgemäß kann sich auch hier wieder ein ring- bzw. torusförmiger Ölring 15 ansammeln.
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Die Erfindung setzt zur Erzeugung des (super)hydrophoben Effekts in dem Material 8 bevorzugt Nanofilamente ein. Zu diesen sei folgendes angemerkt: Zum Erzeugen eines superhydrophoben Effekts werden bevorzugt Silikonnanofilamente eingesetzt. Diese haben einen Durchmesser von ca. 5 nm und eine Länge von einigen Mikrometern. Sie werden aus Silanen hergestellt, s. oben. Die chemische Struktur von Silikonnanofilamenten entspricht der der Silikone. Unter bestimmten Bedingungen entstehen auf Oberflächen während der Synthese keine massiven Silikon-Festkörper, sondern kleine Filamente, die nur wenige Nanometer dick und nur einige zehn Nanometer lang sind.
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Silikonnanofilamente haben vielfältige, teilweise extreme Eigenschaften, die sich durch nachträgliche chemische Modifikation, s. oben, in das extreme Gegenteil verkehren lassen. So sind mit Silikonnanofilamenten beschichtete Oberflächen extrem wasserabweisend (superhydrophob), was vorliegend genutzt wird. Wassertropfen liegen dann als nahezu runde Kügelchen auf der Oberfläche, eine Benetzung findet praktisch nicht statt. Beschrieben wird diese Eigenschaft – wie erläutert – durch den Kontaktwinkel, der im Fall von Silikonnanofilamentschichten bei annähernd bis zu 170° liegt. Steht die Oberfläche auch nur in einem kleinen Winkel, z. B. 2° schräg, rollen die Perlen sofort von der Oberfläche ab.
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Die vorgeschlagene Ausgestaltung kann an beliebigen Dichtungsanordnungen eingesetzt werden. Dies gilt beispielsweise für Dichtscheiben (einfache Blechdeckscheiben), die im axialen Endbereich eines Wälz- oder Gleitlagers eingesetzt sind, mit einem der Lageringe mitdrehen und am anderen Lagerring reibend anliegen oder zu diesem einen Spalt einhalten, also reibungslos abdichten. Genauso kann die Erfindung bei allen Radialwellendichtungen eingesetzt werden, die mit klassischen Dichtlippen oder solchen aus PTFE arbeiten. Genauso kann die Idee auch bei Schutzelementen in Form von Vlieselementen genutzt werden. Das gilt genauso, wenn Radialwellendichtringe mit axial wirkenden Schutzlippen eingesetzt werden, die separate Anlaufringe einsetzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dichtungsanordnung
- 2
- Maschinenteil
- 3
- Dichtungselement
- 4
- Spalt
- 5
- Abschnitt
- 6
- Material mit omniphober Eigenschaft
- 7
- Abschnitt
- 8
- Material mit (super)hydrophober Eigenschaft
- 9
- Dichtlippe
- 10
- Abschnitt
- 11
- Abschnitt
- 12
- Spalt
- 13
- Spalt
- 14
- Aufnahmeraum
- 15
- Ölring
- 16
- Staubschutzlippe
- 17
- Öl
- U
- erster Bereich (Umgebung)
- I
- zweiter Bereich (Inneres)
