-
Die Erfindung betrifft einen Artikel aus einem verschleißanfälligen Werkstoff, der
- – nach einer ersten Werkstoffvariante ausschließlich aus einem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften besteht oder
- – nach einer zweiten Werkstoffvariante ein Verbundwerkstoff ist, gebildet aus einem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften im Verbund mit einem textilen Werkstoff und/oder einem thermoplastischen Kunststoff und/oder einem anorganischen Werkstoff.
-
Je nach dem Anwendungsbereich eines derartigen Artikels kann der Werkstoffverschleiß durch Abrieb, Ermüdung, Motorenöle, Chemikalien, Gase, Wärme, Hitze, Strahlung und bei Artikeln mit Förderfunktion, beispielsweise bei Förderschläuchen und Fördergurten, durch das Fördermaterial erfolgen.
-
In der Elastomertechnik hat dabei die zweite Werkstoffvariante eine besondere Bedeutung erlangt, wobei wiederum ein Verbundwerkstoff aus einem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften im Verbund mit einem textilen Werkstoff eine herausragende Position einnimmt. Einen derartigen Verbundwerkstoff bildet beispielsweise der Luftfederbalg, bestehend aus einer Innenschicht und Außenschicht aus jeweils einem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften sowie aus einer eingebetteten Festigkeitsträgerschicht aus einem textilen Werkstoff. Der Luftfederbalg und seine Verschleißanfälligkeit werden im Folgenden näher beschrieben.
-
Der Luftfederbalg gilt im Allgemeinen als wartungsfreies Bauteil, obwohl dieser permanent betrieblichen Belastungen und Einflüssen aus der Umwelt ausgesetzt ist. Durch den mechanischen Verschleiß, nämlich durch Abrasion, Adhäsion am Kolben, Ermüdung durch wechselnde Spannungen und Verformungen, wird die Oberfläche des Luftfederbalges rissig, insbesondere in der stark belasteten Rollfalte. Umweltfaktoren, wie beispielsweise aggressive Medien und Strahlung, verstärken die Rissbildung und das Risswachstum. Die zunächst sehr kleinen, äußerlichen Risse wachsen sowohl entlang der Oberfläche als auch in die Tiefe der Balgwand und erreichen schließlich die äußere Gewebelage. Zwar ist die Luftfeder dann immer noch dicht und daher betriebstauglich, jedoch besteht die Gefahr, dass eindringende Medien und Fremdkörper die Balgwand schädigen.
-
Um einer schnellen Alterung entgegenzuwirken, werden der Mischung für das Außenpolymer geeignete Chemikalien (z. B. Weichmacher, UV-Schutz) hinzugefügt. Auf der Oberfläche der Balgwand bildet sich eine dünne Schutzschicht. Wird diese abgetragen, beispielsweise durch Hochdruckreinigung, diffundieren die Schutzmittel aus der Balgwand an die Oberfläche, bis der „eingebaute” Vorrat erschöpft ist.
-
In der Offenlegungsschrift
WO 2008/141857 A1 wird eine Schutzschicht für Oberflächen von elastomeren Elementen, insbesondere für die Balgwand eines Luftfederbalges, beschrieben. Die Schutzschicht ist dabei aus einem Fluorkautschuk mit eingebetteten Mikropartikeln gebildet, wobei die Mikropartikel gegen elektromagnetische Strahlungen, insbesondere Wärmestrahlen, eine hohe Reflxionsfähigkeit aufweisen. Diese Mikropartikel, die auch als Reflexionspartikel bezeichnet werden, bestehen insbesondere aus Aluminium, das im Fluorkautschuk eingemischt ist. Außerdem wirkt eine derartige Schutzschicht zusätzlich gegen Abrieb.
-
Mit der Schutzschichtkonzeption gemäß
WO 2008/141857 A1 sind jedoch folgende Nachteile verbunden:
- – Die Schutzschicht trägt auf. So ist es möglich, dass beim Ein- und Ausfedern eines Luftfederbalges Materialpartikel der Funktionshaut auf der Oberfläche des Abrollkolbens verbleiben, was die Federfunktion beeinträchtigt.
- – Bei dynamisch belasteten Artikeln wird die Schutzschicht beschädigt, beispielsweise bei Luftfederbälgen durch wiederholte Abrollvorgänge.
- – Der Fluorkautschuk benötigt einen Vermittler für die Haftung zum elastischen Grundkörper des Artikels. Hinzu kommt, dass Fluorkautschuk Strahlungsenergie dissipiert und somit das Rückstrahlvermögen von der diffus reflektierenden Oberfläche der Schutzschicht senkt. Außerdem ist Fluorkautschuk teuer.
- – Es wird eine relativ hohe Menge an reflektierenden Mikropartikeln benötigt.
-
In der Offenlegungsschrift
DE 10 2009 044 533 A1 wird beispielsweise für schlauchförmige Körper, insbesondere für einen Luftfederbalg, eine diesbezügliche Weiterentwicklung beschrieben. Dabei umfasst die Schutzschicht einen polymeren Basiswerkstoff, in dem Mikropartikel mit Reflexionsfähigkeit eingemischt sind, wobei der polymere Basiswerkstoff ein Polymerisat ist, das zumindest aus einem ersten Reaktionspartner in Form eines Isocyanats mit wenigstens zwei NCO-Gruppen und einem zweiten Reaktionspartner in Form von Wasser gebildet ist.
-
Im Rahmen einer neueren Entwicklung gemäß
DE 10 2010 037 842.9 bildet insbesondere ein auf die Artikeloberfläche, insbesondere wiederum auf die eines Luftfederbalges, aufgetragenes Pflegemittel die Schutzschicht in Form eines dünnen, flexiblen Films mit abriebfesten, medienbeständigen sowie schmutz- und wasserabweisenden Eigenschaften. Das Pflegemittel ist beispielsweise ein Gemisch aus einem Harz, einem Wachs und einer Flüssigkeit, wobei die Filmbildung unter Verdunsten der Flüssigkeit erfolgt.
-
Ein weiterer bedeutender Artikel unter Einsatz eines Verbundwerkstoffes mit vielfältigen Werkstoffteilen bildet der Antriebsriemen, der nun im Folgenden näher vorgestellt wird.
-
Antriebsriemen werden zur Erhöhung der Abriebsbeständigkeit sowie zusätzlich zur Geräuschreduzierung insbesondere im Bereich der Kraftübertragungszone mit einer Beschichtung als Schutzschicht versehen. Der diesbezügliche Stand der Technik ist:
- – Eingesetzt wird eine Flockauflage ( DE 100 16 351 A1 ), insbesondere in Form eines Baumwoll- oder Aramidflocks, oder eine dünne mit Fasern (z. B. Aramidfasern) gefüllte elastische Polymerschicht, beispielsweise nach der Offenlegungsschrift DE 38 23 157 A1 , wobei die Anhaftung der Flockauflage zumeist mittels einer Streichlösung erfolgt.
- – Verwendet wird eine Textilauflage in Form eines Gewebes oder Gestricks, beispielsweise nach der Patentschrift US 3 981 206 .
- – Verwendet wird auch eine Textilauflage in Form eines Gewirkes. Diesbezüglich wird insbesondere auf die Offenlegungsschrift DE 10 2006 007 509 A1 verwiesen. Die Kettwirkware besteht dabei aus einem ersten Garn, insbesondere aus einem Polyamid oder einem Polyester, und aus einem zweiten Garn, insbesondere aus einem Polyurethan.
- – Nach einer neueren Entwicklung gemäß DE 10 2008 012 044 A1 werden anstelle der Textilauflagen oder in Kombination mit diesen eine Folie (z. B. PTFE-Folie) oder ein Folienverbund (z. B. PA-PTFE-Folienverbund) eingesetzt, insbesondere unter dem zusätzlichen Aspekt der ölbeständigen Ausrüstung eines Antriebsriemens.
- – Die Schutzschicht ist eine Reaktionsmasse, wobei ein Isocyanat mit wenigstens zwei NCO-Gruppen, insbesondere ein Diisocyanat (z. B. HDI), mit Wasser und/oder einem Diol und/oder einem Polyol zu einem Polymerisat ausreagiert. Diesbezüglich wird insbesondere auf die neuere Entwicklung gemäß EP 2 101 079 A2 verwiesen.
-
Bisheriger Entwicklungsschwerpunkt bei Antriebsriemen war die Bereitstellung einer abriebsbeständigen wie auch zusätzlich ölbeständigen Schutzschicht, und zwar bei gleichzeitiger Geräuschreduzierung.
-
In ATZ online (www.atzonline.de) werden selbstheilende Substanzen vorgestellt, die in winzigen Kapseln enthalten sind. Bei einer Beschädigung reißen diese Kapseln auf, wobei die selbstheilende Substanz freigesetzt wird. Insbesondere wird in ATZ online ein neues Polymer mit Selbstheilungseigenschaften beschrieben. Das polymere Material ist stabil und repariert sich immer wieder selbst. Das Polymer ist über Trithiocarbamat-Einheiten quervernetzt. Dabei handelt es sich um Kohlenstoffatome, die drei Schwefelatome tragen. Je zwei davon binden mit ihrem zweiten Bindungsarm ein weiteres Kohlenstoffatomatom. Diese Gruppen haben nun eine besondere Eigenschaft, indem sie sich unter UV-Bestrahlung umstrukturieren können. Hinsichtlich Details des Chemismus wird auf die oben erwähnte Literatur verwiesen.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, unter Einbezug der Kapseltechnologie nach ATZ online einen gattungsgemäßen Artikel bereitzustellen, dessen Lebensdauer erhöht wird und zusätzlich die Möglichkeit realisiert wird, den Artikelverschleiß, beispielsweise den Beginn des Risswachstums, rechtzeitig zu erkennen. Auch die Erhöhung der Sicherheit gegen den spontanen Artikelausfall soll erreicht werden. Darüber hinaus soll das Werkstoffkonzept einer Vielzahl von Artikelanwendungen zugänglich sein.
-
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass in dem Werkstoff ein System von Kapseln eingearbeitet ist, umfassend:
- – eine erste Gruppe von Kapseln, enthaltend eine Substanz oder ein Substanzgemisch mit pflegenden Eigenschaften;
- – eine zweite Gruppe von Kapseln, enthaltend eine Substanz oder ein Substanzgemisch mit selbstheilenden Eigenschaften und
- – eine dritte Gruppe von Kapseln, enthaltend eine Substanz oder ein Substanzgemisch, die/das einen bevorstehenden Ausfall meldet;
wobei nach dem Aufbrechen der Kapseln der ersten, zweiten und dritten Gruppe die jeweilige Substanzwirkung eintritt.
-
Ein derartiger Artikel wird auch als reaktiver Artikel bezeichnet.
-
Im Folgenden werden nun die drei Gruppen von Kapseln anhand von beispielhaften Wirkstoffen näher erläutert:
-
– Erste Gruppe von Kapseln
-
Die erste Gruppe von Kapseln enthält eine Substanz oder ein Substanzgemisch in Form eines Pflegemittels. Dies kann ein Harz, beispielsweise ein Silikon-Harz, und/oder ein Wachs, beispielsweise ein Polyamid-Wachs, sein. Dem Pflegemittel kann zudem ein den Schutzeffekt verstärkendes Additiv beigemischt sein. Das Additiv besteht beispielsweise aus Partikeln aus Titandioxid und/oder Zinkoxid und/oder einem Metall und/oder einem Kunststoff.
-
Das Pflegemittel wirkt reinigend, weil es Schmutzpartikel aufschwemmt und an die Oberfläche spült. Insbesondere ein Wachs wirkt zudem als Schmierstoff. Es verringert die Reibung, die Abrasion und Adhäsion. Das Pflegemittel wirkt ferner schmutz- und wasserabweisend.
-
Partikel aus Titanoxid, Zinkoxid und Aluminium reflektieren UV-Strahlen. Manche Kunststoffe, beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), tragen zur Medienbeständigkeit, insbesondere Ölbeständigkeit, bei.
-
Im Zusammenhang mit der pflegenden Wirkung kommen insbesondere auch handelsübliche Alterungsschutzmittel zum Einsatz.
-
Die Kapseln brechen insbesondere unter Belastung des Artikels auf und setzen das Pflegemittel frei.
-
– Kapseln der zweiten Gruppe
-
Ein häufig auftretendes. Problem ist die Rissbildung bei polymeren Werkstoffen mit elastischen Eigenschaften.
-
Die Kapseln der zweiten Gruppe werden in diesem Zusammenhang in ihrer Größe und Wandstärke so gewählt, dass sie aufbrechen und ihren Inhalt freisetzen, wenn das sie umgebende Polymer zu reißen beginnt und dabei die Hüllen der Kapseln zerstört, wobei insbesondere folgende Beispiele herangezogen werden:
- – Ein Teil der Kapseln der zweiten Gruppe enthält eine erste Komponente, beispielsweise ein Diisocyanat, ein anderer Teil der Kapseln eine zweite Komponente, beispielsweise ein Diol. Geraten diese beiden Komponenten in Kontakt miteinander, reagieren sie und schäumen auf. Der gebildete Polyurethanschaum verbindet sich mit dem Polymer und füllt die beginnenden Risse aus.
- – Alle Kapseln der zweiten Gruppe enthalten die gleiche Substanz, die unter Lufteinfluss abbindet und den Riss schließt. Das gilt sowohl für die Außenluft als auch für die Luft, die durch den Artikel diffundiert. Da die Luft Feuchtigkeit enthält, könnte beispielsweise ein freigesetztes Diisocyanat mit dem Wasser zu einem Polyharnstoff reagieren und aufschäumen, verbunden ebenfalls mit einer Rissfüllung.
- – Die Kapseln der. zweiten Gruppe können auch ein Polymer enthalten, das in ATZ online vorgestellt wird. Dieses Konzept ist jedoch nur in einem Artikelbereich einsetzbar, wo auch die UV-Strahlen wirken können, beispielsweise bei der Außenschicht eines schlauchförmigen Körpers.
-
Bei Verbundwerkstoffen kann es zudem vorkommen, dass die Haftwirkung zwischen. zwei Schichten, beispielsweise an der Kontaktstelle von Polymerschicht und Textilschicht, mit der Zeit nachlässt. Auch hier erfüllt beispielsweise das oben erwähnte Zwei-Komponenten-Kapselsystem nach dem Ausreagieren zu einem Klebstoff seine selbstheilende Wirkung.
-
Diese Kapseln der zweiten Gruppe werden auch als Reparaturkapseln bezeichnet.
-
– Kapseln der dritten Gruppe
-
Diesbezüglich kommen insbesondere folgende Konzepte zum Einsatz:
- – Die im sichtbaren Außenbereich eines Artikels angeordneten Kapseln der dritten Gruppe setzen nach dem Aufbrechen eine von außen sichtbare Indikator-Substanz, beispielsweise eine farbige oder fluoreszierende Substanz, frei.
- – Um Innenrisse zu erkennen, werden im nicht sichtbaren Innenbereich eines Artikels Kapseln der dritten Gruppe eingebettet, die eine leicht nachweisbare gasförmige Substanz, beispielsweise Lachgas, freisetzen. Ein Gas-Sensor innerhalb des Artikelsystems meldet, wenn die Konzentration des Indikator-Gases einen eingestellten Grenzwert überschreitet.
-
Diese Ausfallmeldefunktion wird anhand eines Luftfederbalges als schwerpunktmäßiger Einsatzbereich im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung noch näher erläutert.
-
In Verbindung mit dem neuen Werkstoffkonzept sind zweckmäßigerweise folgende Maßnahmen anzuwenden:
- – Die Kapseln der ersten und/oder der zweiten und/oder der dritten Gruppe liegen als Mikro-Hohlkugeln oder Nano-Hohlkugeln vor. Insbesondere arbeitet man bei allen drei Gruppen im Mikrobereich bzw. Nanobereich.
- – Nach der zweiten Werkstoffvariante sind die Kapseln der ersten und/oder der zweiten und/oder der dritten Gruppe in dem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften eingearbeitet.
- – Nach der zweiten Werkstoffvariante sind die Kapseln der ersten und/oder der zweiten und/oder der dritten Gruppe in dem textilen Werkstoff eingearbeitet.
- – Nach der zweiten Werkstoffvariante sind die Kapseln der ersten Gruppe und/oder der zweiten Gruppe und/oder der dritten Gruppe in dem thermoplastischen Kunststoff eingearbeitet.
- – Nach der zweiten Werkstoffvariante weist der Verbundwerkstoff eine Haftschicht oder ein System von Haftschichten auf. Eine Haftschicht kann dabei aus einem Haftzement, einer Haftlösung oder einer Haftmischung gebildet sein. Von besonderer Bedeutung sind Haftmischungen auf Polymerbasis.
Die Haftschicht ist frei von Kapseln. Nach einer Alternative sind in der Haftschicht insbesondere Kapseln der zweiten Gruppe eingearbeitet, wobei nach dem Aufbrechen der Kapseln die freigesetzte Substanz oder das freigesetzte Substanzgemisch eine selbstheilende Haftwirkung entfaltet. Dies kann beispielsweise mit einem Ein-Komponenten-Klebstoff oder einem Zwei-Komponenten-Klebstoff realisiert werden.
-
Bei der Herstellung eines Artikels aus einem mehrschichtigen Verbundwerkstoffes hat man nun je nach Artikelanwendung die Möglichkeit, die Kapseln der ersten, zweiten und dritten Gruppe innerhalb einer einzigen Schicht, beispielsweise in der Polymerschicht, einzuarbeiten. Zumeist erfolgt jedoch eine Kapselverteilung auf verschiedene Schichten, was anhand eines Luftfederbalges in Verbindung mit der Figurenbeschreibung noch näher erläutert wird.
-
Das neue Werkstoffkonzept kommt insbesondere für folgende Artikel zur Anwendung:
-
– Schlauchförmige Körper
-
Schlauchförmige Körper umfassen die Produktgruppe Förderschläuche aller Art, Luftfederbälge (Kreuzlagenbälge, Axialbälge) und Kompensatoren in verschieden Ausführungen (z. B. Torsionskompensator, Lateralkompensator). Das Aufbaukonzept ist dabei überall gleich, nämlich umfassend eine Außenschicht (Mantel) und eine Innenschicht (Seele) aus jeweils einem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften sowie insbesondere einen eingebetteten ein- oder mehrlagigen Festigkeitsträger aus einem textilen Werkstoff. Bei manchen Schläuchen, beispielsweise bei Chemikalienschläuchen, kann ergänzend noch eine Spirale aus einem Metall, insbesondere aus Stahl, eingebettet sein. Zusätzlich kann noch wenigstens eine Zwischenschicht aus einem polymeren Werkstoff mit ebenfalls elastischen Eigenschaften, beispielsweise zwischen zwei Festigkeitsträgerlagen, vorhanden sein. Bei Förderschläuchen kann die Innenschicht noch einen medienbeständigen Inliner, beispielsweise in Form einer PTFE-Folie, aufweisen, beispielsweise wiederum bei Chemikalienschläuchen. Auch eine zusätzliche Barriereschicht mit geringer Permeationsrate, insbesondere in Form von Folien, beispielsweise als Polyamidfolie, kann vorhanden sein, wobei hier insbesondere Klimaschläuche zu nennen sind. Insbesondere bei Großförderschläuchen kann zusätzlich die Außenschicht mit einer abriebfesten Beschichtung, beispielsweise in Form einer UHMWPE-Folie, versehen sein.
-
Je nach dem Schichtenaufbau und Einsatzzweck eines schlauchförmigen Körpers gibt es dabei verschiedene Möglichkeiten, das Kapselsystem einzuarbeiten.
-
Das neue Werkstoffkonzept kommt dabei insbesondere bei einem Luftfederbalg zur Anwendung.
-
– Antriebsriemen
-
Antriebsriemen, die mit einem eingebetteten Festigkeitsträger mit in Längsrichtung verlaufenden parallel angeordneten Zugträgern versehen sind, kommen in verschiedenen Ausführungsformen vor, und zwar als Flachriemen, Keilriemen, Keilrippenriemen, Zahnriemen und Verbundseile, die jeweils einen Unterbau mit einer Kraftübertragungszone und eine Decklage als Riemenrücken aufweisen. Der wesentliche Unterschied liegt dabei in der Konstruktion der Kraftübertragungszone, bedingt durch unterschiedliche Oberflächengeometrien, beispielsweise durch eine zahnförmige Profilierung bei Zahnriemen. Die zusätzliche Beschichtung als Schutzschicht kommt insbesondere bei der Kraftübertragungszone, gegebenenfalls zusätzlich auch bei der Decklage zur Anwendung. Dieses Beschichtungskonzept kann zudem zusätzlich bei der Kantenversiegelung zum Einsatz gelangen.
-
Bei Antriebsriemen werden insbesondere der Unterbau sowie eine hierauf aufgebrachte Textilauflage, die gegebenenfalls noch mit einem Kunststoff versiegelt ist, mit dem Kapselsystem ausgestattet.
-
– Fördergurte
-
Fördergurte bestehen wenigstens aus einer tragseitigen und laufseitigen Deckplatte sowie aus einem eingebetteten Zugträger aus Stahlseilen und/oder Aramidseilen. Auch Zugträger aus einem textilen Werkstoff, insbesondere in Form eines ein- oder mehrlagigen Gewebes, kommen zum Einsatz.
-
Bei Großförderanlagen ist es von Vorteil, wenn das Kapselsystem in der tragseitigen und laufseitigen Deckplatte sowie bei Stahlseil- oder Aramidseil-Fördergurten zusätzlich in der Haftschicht bzw. bei Textil-Fördergurten zusätzlich innerhalb des textilen Festigkeitsträgers einzuarbeiten.
-
– Mehrschichtige Stoffbahnen
-
Mehrschichtige Stoffbahnen bestehen wenigstens aus einer Polymerschicht, Festigkeitsträgerschicht und einer Barriereschicht mit geringer Permeationsrate, insbesondere in Form von Folien, beispielsweise als Polyamid-Folie. Sie kommen zur Bildung von flexiblen Behältern, Planen, Schutzanzügen, Zelten, Rettungsinseln, Membranen, Faltenbälgen und dergleichen zur Anwendung.
-
Bei mehrschichtigen Stoffbahnen ist es zweckmäßig, das Kapselsystem in dem gesamten Schichtenaufbau zu integrieren, insbesondere bei Schutzanzügen.
-
– Dämpfungselement eines Lagers, einer Buchse oder einer Schichtfeder
-
Das Dämpfungselement umfasst einen polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften und kommt zumeist im Rahmen eines Metall-Polymer-Verbundes zum Einsatz, und zwar in Form eines Lagers mit einem Lageroberteil und Lagerunterteil, einer Buchse mit Kern und Hülse oder einer Schichtfeder.
-
Bei diesen Artikeln sind die Kapseln der ersten und der dritten Gruppe in dem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften eingearbeitet. Die Kapseln der zweiten Gruppe können in dem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften und/oder in einer Haftschicht eingearbeitet sein.
-
– Dichtungen
-
Dichtungen in Form eines Extrudates oder Formartikels bestehen zumeist ausschließlich aus einem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften.
-
Da Dichtungen zumeist nur aus einem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften bestehen, ist hier das gesamte Kapselsystem in dem polymeren Werkstoff eingearbeitet. Von besonderer Bedeutung ist die diesbezügliche Ausstattung von Dichtungen im Tunnelbau, wo eine hohe Lebensdauer an derartige Dichtungen sowie ein Meldesystem gefordert werden.
-
Bei der Bildung des polymeren Werkstoffes mit elastischen Eigenschaften kommen insbesondere (teil)vulkanisierbare Polymermischungen zum Einsatz, wobei folgende beiden Werkstofftypen zu nennen sind:
-
– Elastomere
-
Die Polymermischung ist eine vulkanisierbare thermoplastfreie Kautschukmischung, enthaltend:
- a) wenigstens eine Kautschukkomponente sowie
- b) Mischungsingredienzien.
-
Als Kautschukkomponenten sind insbesondere zu nennen:
Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPM)
Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM)
Nitrilkautschuk (NBR)
(teil)hydrierter Nitrilkautschuk (HNBR)
Fluor-Kautschuk (FKM)
Chloropren-Kautschuk (CR)
Naturkautschuk (NR)
Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR)
Isopren-Kautschuk (IR)
Butylkautschuk (IIR)
Brombutylkautschuk (BIIR)
Chlorbutylkautschuk (CIIR)
Bromiertes Copolymer aus Isobutylen und Paramethylstyrol (BIMS)
Butadien-Kautschuk (BR)
Chloriertes Polyethylen (CM)
Chlorsulfoniertes Polyethylen (CSM)
Polyepichlorhydrin (ECO)
Terpolymere des ECO mit Ethylenoxid und ungesättigten Monomeren (ETER)
Ethylen-Vinylacetat-Kautschuk (EVA)
Acrylat-Kautschuk (ACM)
Ethylen-Acrylat-Kautschuk (AEM)
Silikonkautschuk (MQ, VMQ, PVMQ, FVMQ;
DE 10 2006 058 470 A1 )
Fluorierter Methylsilikonkautschuk (MFQ)
Perfluorinierter Propylen-Kautschuk (FFPM)
Perfluorcarbon-Kautschuk (FFKM)
Polurethan (PU)
-
Die vorgenannten Kautschuktypen können unverschnitten sein. Auch der Einsatz eines Verschnittes, insbesondere in Verbindung mit einem der vorgenannten Kautschuktypen, beispielsweise ein NR/BR-Verschnitt oder ein BR/SBR-Verschnitt, ist möglich.
-
Welcher Kautschuktyp bevorzugt wird, hängt von der Artikelart ab, was im Folgenden näher ausgeführt wird.
- – Besonders Vielfältig ist der Einsatz von verschiedenen Kautschuktypen bei schlauchförmigen Körpern, wobei hier insbesondere folgende Kautschukkomponenten zu nennen sind: ACM, AEM, BIMS, CM, CR, IIR, BIIR, CIIR, ECO, EPM, EPDM, ETER, EVA, FKM, HNBR, VMQ oder FVMQ.
- – Bei Antriebsriemen kommen insbesondere Kautschukmischungen auf der Basis von EPM und/oder EPDM (bei Keil- und Keilrippenriemen) sowie NBR, speziell jedoch HNBR (bei Zahnriemen) zur Anwendung.
- – Die Kautschukbasis bei Fördergurten ist NR, BR, CR, SBR, NBR, IIR, EPM oder EPDM sowie die Verschnitte SBR/NR, SBR/BR oder NR/BR. Von besonderer Bedeutung, war bislang CR, das sich durch eine hohe Flamm-, Witterungs- und Alterungsbeständigkeit auszeichnet, insbesondere für Fördergurte im Einsatz im Untertagebergbau. Heute kommt der Werkstoffbasis SBR/NR zunehmend eine herausragende Bedeutung zu.
- – Bei mehrschichtigen Stoffbahnen hat Silikonkautschuk wegen seiner Hitze- und Flammbeständigkeit zunehmend Interesse gefunden.
- – Bei Dämpfungselemente sind die Kautschuktypen BR, NBR, HNBR, IIR, EPM, EPDM oder Silikonkautschuk von Bedeutung.
- – Dichtungen bestehen aus einer Kautschukmischung auf der Basis NR sowie insbesondere EPDM.
-
Die üblichen Mischungsingredienzien umfassen wenigstens einen Vernetzer oder ein Vernetzersystem (Vernetzungsmittel und Beschleuniger). Zusätzliche Mischungsingredienzien sind zumeist noch ein Füllstoff und/oder ein Verarbeitungshilfsmittel und/oder ein Weichmacher und/oder ein Alterungsschutzmittel sowie gegebenenfalls weitere Zusatzstoffe (z. B. Farbpigmente, Verstärkungsfasern). Diesbezüglich wird auf den allgemeinen Stand der Kautschukmischungstechnologie verwiesen.
-
– Thermoplastische Elastomere
-
Die Polymermischung ist eine teilvulkanisierbare Polymermischung, enthaltend:
- a) wenigstens eine Thermoplastkomponente;
- b) wenigstens eine Kautschukkomponente, die zumindest teilvernetzbar ist sowie
- c) Mischungsingredienzien.
-
Die bevorzugten Thermoplastkomponenten sind ein:
Polyolefin, insbesondere Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP)
Polystyrol
Polyamid (PA), beispielsweise PA6 oder PA6.6
Polyester, beispielsweise PET, PEN oder PBT
-
Als Kautschukkomponenten sind hier insbesondere EPM, EPDM, SBR, CR, NR, NBR, FKM, ACM oder AEM zu nennen, die insbesondere mit keiner weiteren Kautschukkomponente verschnitten sind.
-
Hinsichtlich der üblichen Mischungsingredienzien wird auf die Mischungstechnologie zu der Variante A, insbesondere auf die Lehre gemäß der Offenlegungsschrift
DE 10004 632 A1 verwiesen.
-
Von besonderer Bedeutung sind die Elastomere.
-
Im Hinblick auf Artikel auf der Basis von Verbundwerkstoffen wird nun noch auf folgende Werkstofftypen näher eingegangen:
-
– Textile Werkstoffe
-
Die textilen Werkstoffe sind insbesondere:
Polyamid (PA), beispielsweise PA6 oder PA6.6
Polyester, beispielsweise PET, PEN oder PBT
Aramid, beispielsweise p-Aramid oder m-Aramid
Polyvinylacetal (PVA)
Polyvinylalkohol (PVAL)
Baumwolle (CO)
Modal (CMD)
Rayon (CV)
Polyoxadiazol (POD)
Polybenzoxazol (PBO)
Polyphenylensulfid (PPS)
Polyetheretherketon (PEEK)
-
Diese vorgenannten Werkstoffe kommen dabei als Einzelwerkstoffe oder als Hybridwerkstoffe, beispielsweise gebildet aus PA/PPS, vor.
-
Sie können fadenförmig ausgebildet sein, vorzugsweise in einer Cordkonstruktion, insbesondere wiederum in einer Kreuzlagenanordnung. Auch textile Flächengebilde, beispielsweise in Form eines Gewebes, Gewirkes oder Gestrickes, kommen zum Einsatz.
-
Diese textilen Werkstoffe bilden den Festigkeitsträger bzw. Zugträger von schlauchförmigen Körper, Antriebstriemen, Fördergurten und mehrschichtigen Stoffbahnen.
-
– Thermoplastische Kunststoffe
-
Außer den bereits erwähnten Werkstofftypen im Zusammenhang mit den Thermoplastkomponenten bei der Herstellung von Thermoplastischen Elastomeren sind hier insbesondere noch die Fluorkunststoffe zu nennen, insbesondere wiederum folgende Typen:
Polytetrafluorethylen (PTFE)
Modifiziertes Polytetrafluorethylen (TFM)
Fluorethylenpolymer (FEP)
Perfluoralkylvinylether-Tetraethylen-Copolymer (PFA)
Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer (ETFE)
Polyvinylfluorid (PVF)
Polyvinylidenfluorid (PVDF)
-
Von herausragender Bedeutung ist dabei PTFE.
-
Die thermoplastischen Kunststoffe kommen in einem Verbundwerkstoff insbesondere als dünne Schichten vor, insbesondere wiederum in Form von Folien.
-
– Anorganische Werkstoffe
-
Anorganische Werkstoffe sind insbesondere Metalle, beispielsweise Stahl, und kommen als Festigkeitsträger bzw. Zugträger in Hydraulikschläuchen, Antriebsriemen und Fördergurten vor. Von besonderer Bedeutung ist dieser Werkstofftyp auch bei Metall-Elastomer-Lagern.
-
Auch anorganische Werkstoffe, wie beispielsweise Glas und Basalt finden in der Elastomertechnik ihre Anwendung, und zwar insbesondere als Verstärkungsfasern.
-
Bei der Herstellung von schlauchförmigen Körpern kommen je nach der Dimension Dornwerkzeuge oder Extrusionswerkszeuge zum Einsatz. Bei Antriebsriemen oder anderen Formartikeln sind Formwerkzeuge (Unter- und Oberform). von Bedeutung. Bei bahnförmigen Gebilden, beispielsweise bei mehrschichtigen Stoffbahnen, kommt der Kalander zum Einsatz. Bei der Herstellung von strangförmigen Dichtungen kommen zudem Extrusionswerkzeuge zur Anwendung. Die elastischen Eigenschaften des Artikels werden schließlich durch die Vulkanisation erzeugt.
-
Im Zusammenhang mit der Herstellung eines gattungsgemäßen Artikels kommen insbesondere folgende zwei Verfahrensvarianten zur Anwendung:
- – Bei der Herstellung des Artikelrohlings werden die Kapseln der ersten und/oder der zweiten und/oder der dritten Gruppe als Puder aufgetragen.
- – Ebenfalls bei der Herstellung des Artikelrohlings werden die Kapseln der ersten und/oder der zweiten und/oder der dritten Gruppe in Form einer Streichlösung aufgetragen.
-
Die beiden oben erwähnten Verfahrensvarianten kommen insbesondere bei der Herstellung eines Luftfederbalges zur Anwendung. Hinsichtlich dessen Herstellung wird insbesondere auf folgende Verfahrensschritte verwiesen:
- – Zum Auftragen der Kapseln können sie in eine Streichlösung, die gegebenenfalls auch als Dispersion vorliegt, eingemischt werden, mit der beispielsweise die Cordlagen des textilen Festigkeitsträgers bestrichen werden. Alternativ können sie im Anschluss an einen Skimm-Prozess oder an einen Kalanderprozess als Puder aufgetragen und fixiert werden. Diese Verfahrenstechnik wird insbesondere beim Einarbeiten der Kapseln der ersten und zweiten Gruppe angewandt.
- – Die Kapseln lassen sich sowohl durch das Einstreichen mit Hilfe einer Lösung bzw. Dispersion oder durch Puders auf die Oberfläche auftragen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Kapseln in ein Trennmittel zu mischen, mit dem die Form vor der Vulkanisation von innen ausgespritzt wird. Diese Verfahrenstechnik wird insbesondere beim Einarbeiten der Kapseln der dritten Gruppe angewandt.
-
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Luftfeder-Anordnung;
-
2 den Schichtenaufbau eines Luftfederbalges mit einer aus einem Pflegemittel gebildeten Schutzschicht nach der Entwicklung gemäß
DE 10 2010 037 842.9 ;
-
3 eine Kapsel mit Kapselhülle und Inhalt;
-
4 den Einbau eines Systems von Kapseln der ersten, zweiten und dritten Gruppe in einem Luftfederbalg.
-
1 zeigt eine Luftfeder-Anordnung 1, umfassend einen Luftfederbalg 2 sowie die beiden Anschlussbauteile Deckel 3 und Abrollkolben 4, und zwar unter Ausbildung einer volumenelastischen Luftkammer 5.
-
2 zeigt nun den Schichtenaufbau eines fertig gestellten Luftfederbalges
2. Der Luftfederbalg besteht dabei aus einer Innenschicht
6 und Außenschicht
7 als elastischer Grundkörper, beispielsweise aus einer vulkanisierten Kautschukmischung auf der Basis von EPDM, einer zwischen der Innenschicht
6 und Außenschicht
7 eingebetteten Festigkeitsträgerschicht
8, beispielsweise in Form eines Polyamid-Gewebes, sowie aus einer Schutzschicht
9, die mit der Außenschicht
8 in direkter Verbindung steht. Die Schutzschicht
9 in Formeines dünnen und flexiblen (biegeelastischen) Films ist aus einem Pflegemittel gemäß
DE 10 2010 037 842.9 gebildet.
-
Anstelle der pflegenden Schutzschicht 9 nach 2 oder auch in Ergänzung hierzu kommt nun das Kapselsystem zum Einsatz.
-
3 zeigt eine Kapsel 10. Innerhalb der Kapselhülle 11 befindet sich der Inhalt, umfassend die beiden Phasen I und II. Die Phase I wiederum umfasst eine Flüssigkeit, in der die wirksame Substanz bzw. das Substanzgemischt eingearbeitet ist, wobei sich eine Lösung oder eine Dispersion (Suspension) bildet. Die Phase II umfasst einen Gasraum, beispielsweise Lufteinschlüsse.
-
Besteht die wirksame Substanz bzw. das Substanzgemisch aus einem Gas, so bildet der gesamte Inhalt einen Gasraum.
-
4 zeigt einen Luftfederbalg 12 mit einer Innenschicht 13, einer Außenschicht 14 und einer Festigkeitsträgerschicht 15, die wiederum aus einer ersten Cordlage 16 mit Kontakt zur Innenschicht 13 und aus einer zweiten Cordlage 17 mit Kontakt zur Außenschicht 14 besteht. Die Innenschicht 13 und die Außenschicht 14 sind aus einem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften gebildet, beispielsweise wiederum auf der Basis von EPDM.
-
In dem Luftfederbalg 12 ist nun das Kapselsystem eingearbeitet, wobei im Folgenden beispielsweise folgende Kapselkonstellationen näher erläutert werden:
- – Die Kapsel 18 innerhalb der Außenschicht 14 enthält ein Pflegemittel. Dies kann ein Harz, beispielsweise ein Silikon-Harz, und/oder ein Wachs, beispielsweise ein Polyamid-Wachs, sein. Dem Pflegemittel kann zudem ein den Schutzeffekt verstärkendes Additiv beigemischt sein, beispielsweise PTFE, zur Erhöhung der Ölbeständigkeit.
Das Pflegemittel kann auch ein Alterungsschutzmittel sein.
- – Die Kapsel 18 innerhalb der Außenschicht 14 kann auch ein selbstheilendes Mittel enthalten, beispielsweise das in ATZ online beschriebene Polymer, das unter Einfluss von UV-Bestrahlung, die auf die Außenschicht 14 wirkt, seine selbstheilende Wirkung bei Rissbildung der Außenschicht 14 entfaltet.
- – Die beiden Kapseln 19 innerhalb der ersten Cordlage 16 sind zunächst getrennt mit zwei Reaktionskomponenten A und B versehen. Die Komponente A ist beispielsweise ein Diisocyanat und die Komponente B ein Diol. Geraten die beiden Komponenten unter Bruch dieser Kapseln in Kontakt miteinander, reagieren sie und schäumen auf. Das dabei gebildete Polyurethan füllt dabei eventuell entstandene Risse innerhalb der Innenschicht 13 aus. Außerdem trägt dieses Zwei-Komponenten-Klbstoffsystem zu einer selbstheilenden Haftwirkung zwischen der ersten Cordlage 16 und der Innenschicht 13 bei, falls die Haftwirkung durch die dynamischen Kräfte, die auf einen Luftfederbalg im Rahmen des Einfederns und Ausfederns wirken, mit der Zeit nachlässt.
- – Die Kapsel 20 innerhalb der Außenschicht 14, also im sichtbaren Außenbereich des Luftfederbalges 12, enthält eine Indikator-Substanz, beispielsweise eine farbige oder fluoreszierende Substanz. Nach dem Aufbrechen der Kapsel 20 wird diese Substanz freigesetzt, verbunden mit einer sichtbaren Meldefunktion. Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn die Schädigungen der Balgwand bereits die äußere Cordlage 17 erreicht haben.
- – Um Innenrisse zu erkennen, werden im nicht sichtbaren Innenbereich des Luftfederbalges 12, also innerhalb dessen Innenschicht 13, Kapseln 21 eingebettet, die eine leicht nachweisbare gasförmige Substanz, beispielsweise Lachgas, freisetzen. Ein Gas-Sensor innerhalb der Luftfeder-Anordnung 1 (1) oder in deren Luftleitung meldet, wenn die Konzentration des Indikator-Gases einen eingestellten Grenzwert überschreitet.
-
Der Luftfederbalg 12 gemäß 4 mit dem eingearbeiteten Kapselsystem wird auch als reaktiver Luftfederbalg bezeichnet.
-
Das hier anhand eines Luftfederbalges dargelegte Kapselsystem kann auch bei den anderen Artikeln der vorgenannten Art eingearbeitet werden, wobei die Position der Kapseln der ersten, zweiten und dritten Gruppe von dem Artikelaufbau abhängt.
-
Mit diesem neuen Werkstoffkonzept unter Einsatz des hier ausführlich dargelegten Kapselsystems sind zusammenfassend folgende Vorteile zu nennen:
- – Verbesserung des vorbeugenden Schutzes gegen Rissbildungen;
- – frühzeitige Reaktion auf kleine Defekte, insbesondere zu Beginn eines Risswachstums;
- – Erhöhung der Lebensdauer durch Pflege und Selbstheilung;
- – Erhöhung der Sicherheit gegen den spontanen Ausfall eines Artikels durch rechtzeitigen Austausch des Artikels bei Fehlermeldung.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Luftfeder-Anordnung
- 2
- Luftfederbalg
- 3
- Deckel
- 4
- Abrollkolben
- 5
- volumenelastische Luftkammer
- 6
- Innenschicht eines Luftfederbalges
- 7
- Außenschicht eines Luftfederbalges
- 8
- Festigkeitsträgerschicht eines Luftfederbalges
- 9
- aus einem Pflegemittel gebildete Schutzschicht in Form eines dünnen Films
- 10
- Kapsel mit einem Inhalt aus zwei Phasen I und II
- 11
- Kapselhülle
- 12
- Luftfederbalg
- 13
- Innenschicht eines Luftfederbalges
- 14
- Außenschicht eines Luftfederbalges
- 15
- Festigkeitsträgerschicht eines Luftfederbalges
- 16
- erste Cordlage der Festigkeitsträgerschicht
- 17
- zweite Cordlage der Festigkeitsträgerschicht
- 18
- Kapsel
- 19
- Kapsel mit einer reaktiven Komponente A
Kapsel mit einer reaktiven Komponente B
- 20
- Kapsel
- 21
- Kapsel
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2008/141857 A1 [0006, 0007]
- DE 102009044533 A1 [0008]
- DE 102010037842 [0009, 0071, 0075]
- DE 10016351 A1 [0011]
- DE 3823157 A1 [0011]
- US 3981206 [0011]
- DE 102006007509 A1 [0011]
- DE 102008012044 A1 [0011]
- EP 2101079 A2 [0011]
- DE 102006058470 A1 [0047]
- DE 10004632 A1 [0054]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
