DE102011052000B3 - Use of gel-coat comprising multicomponent laminating, infusion or wrapping epoxy-based resin system and nanoscale hydrophilic metal oxide particles, e.g. as friction- and wear protective layer in fiber reinforced plastic composite cylinders - Google Patents

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Abstract

Use of a gel-coat comprising a multicomponent laminating-, infusion- or wrapping epoxy-based resin system and nanoscale hydrophilic metal oxide particles made of silicon dioxide, aluminum oxide, titanium dioxide, or a combination of hydrophilic silicon dioxide, aluminum oxide or titanium dioxide and hydrophobic silicon dioxide, as friction- and wear protective layer in fiber reinforced plastic composite cylinders (1) for providing a low-friction, wear-resistant and ductile cylinder surface, is claimed. An independent claim is also included for the fiber reinforced plastic composite cylinder comprising the low-friction, wear-resistant and ductile cylinder surface exhibiting the above gel-coat.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Funktionsschicht auf Basis organisch-keramischer Polymernanokomposite als innere Zylinderlauffläche und Diffusionsbarriere für tribologisch und mechanisch belastete Faserkunststoffverbund-Zylinder. Der leichtbaugerechte Zylinder ist dadurch gekennzeichnet, dass sich ein abgedichteter Kolben axial entlang der Zylinderlauffläche bewegt und mindestens der zylindrische Bereich aus einem Faserkunststoffverbund (FKV) besteht, auf dessen innerer Oberfläche die Funktionsschicht als Gel-Coat appliziert ist. Anwendung findet die Funktionsschicht als reibungsarme, verschleißfeste, duktile und diffusionsdichte Zylinderlauffläche etwa in Hydraulik- und Pneumatikzylindern, Kolbenspeichern, Gasdruck- und Stoßdämpfern, Gasdruckfedern und Kolbenpumpen in FKV-Bauweise oder FKV-Metall-Mischbauweise.The invention relates to the use of a functional layer based on organic-ceramic polymer nanocomposites as an inner cylinder surface and diffusion barrier for tribologically and mechanically loaded fiber-plastic composite cylinders. The lightweight design cylinder is characterized in that a sealed piston moves axially along the cylinder surface and at least the cylindrical portion of a fiber plastic composite (FKV) consists, on the inner surface of the functional layer is applied as a gel coat. The functional layer is used as a low-friction, wear-resistant, ductile and diffusion-tight cylinder surface, for example in hydraulic and pneumatic cylinders, piston accumulators, gas pressure and shock absorbers, gas springs and piston pumps in FKV construction or FKV-metal mixed construction.

Aufgrund der hohen erreichbaren spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten sind endlosfaserverstärkte FKV-Strukturen für Leichtbauanwendungen geradezu prädestiniert. Anders als bei Zylindern aus Metall verfügen solche aus Faserkunststoffverbund allerdings über eine geringere Härte, Verschleiß- und Diffusionsbeständigkeit. Daher benötigen diese neben der lasttragenden FKV-Zylinderstruktur eine zusätzliche harte, dichte, verschleißfeste Komponente als innere Zylinderlauffläche. Nach dem Stand der Technik werden hierfür dünn gewalzte Innenliner aus Stahl eingesetzt. Diese sind nicht nur kostenintensiv, sondern schränken zudem die geometrische Form stark ein, fördern Undichtigkeiten an den Übergängen von Zylinderlauffläche zu anderen Funktionsflächen und weisen sehr hohe Spannungen infolge des unterschiedlichen Spannungs-Dehnungs-Verhaltens von FKV-Struktur und Stahl-Innenliner auf. Zur Vermeidung von Delamination oder Versagen des Innenliners ist in solchen Fällen eine zusätzliche Versteifung der FKV-Struktur erforderlich, was sowohl zu höheren Material- und Prozesskosten als auch zur Erhöhung der Bauteilmasse führt.Due to the high achievable specific rigidities and strengths, continuous fiber-reinforced FRP structures are virtually predestined for lightweight construction applications. However, unlike metal cylinders, those made of fiber-reinforced plastics have lower hardness, wear and diffusion resistance. Therefore, in addition to the load-bearing FKV cylinder structure, these require an additional hard, tight, wear-resistant component as the inner cylinder surface. According to the state of the art, thinly rolled steel inner liners are used for this purpose. These are not only costly, but also severely limit the geometric shape, promote leaks at the transitions from cylinder surface to other functional surfaces and have very high stresses due to the different stress-strain behavior of FRP structure and steel inner liner. In order to avoid delamination or failure of the inner liner, additional stiffening of the FRP structure is required in such cases, which leads to higher material and process costs as well as to increased component mass.

Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken werden verschleißfeste, duktile, mediendichte als auch wirtschaftlich applizierbare Funktionsschichten auf der inneren FKV-Oberfläche des Zylinders benötigt. Großes Potential bieten hierbei organisch-keramische Oberflächenschichten auf Basis von Polymernanokomposites. Durch das Einbringen harter anorganischer Partikel in polymere Matrizes lassen sich Härte und Steifigkeit und somit die Verschleißbeständigkeit des duromeren Polymers deutlich steigern. Bedingt durch die kleine Partikelgröße im Nanometerbereich kann die Duktilität des Polymers in Abhängigkeit von Partikelwerkstoff, Konzentration und Qualität des Dispergierprozesses erhalten bzw. u. U. noch zusätzlich gesteigert werden. Daher stellt das erfindungsgemäß verwendete Gel-Coat im Vergleich zum konventionellen Stahl-Innenliner für innendruckbelastete Zylinder eine mechanisch angepasste Alternative dar. Die Erfindung zielt auf die Einbringung fein disperser, nanoskaliger Metalloxidpartikel in ein duromeres Harzsystem mit guter Affinität zur Polymermatrix der FKV-Zylinderstruktur ab. Dies ermöglicht die Einstellung der erforderlichen Härte, Verschleißfestigkeit und Strukturviskosität des Harzsystems für den Einsatz als verschleißbeständiges, aber auch duktiles Gel-Coat als tribologisch und mechanisch belastete Zylinderlauffläche bei FKV-Zylinderstrukturen.To counteract these disadvantages, wear-resistant, ductile, media-tight as well as economically applicable functional layers on the inner FKV surface of the cylinder are required. Great potential is offered by organic-ceramic surface layers based on polymer nanocomposites. By incorporating hard inorganic particles into polymeric matrices, the hardness and stiffness and thus the wear resistance of the duromeric polymer can be significantly increased. Due to the small particle size in the nanometer range, the ductility of the polymer depending on particle material, concentration and quality of the dispersion process can be obtained or u. U. additionally be increased. Therefore, the gel-coat used according to the invention in comparison to the conventional steel inner liner for internal pressure loaded cylinder represents a mechanically adapted alternative. The invention aims at introducing finely dispersed nanoscale metal oxide particles into a thermosetting resin system with good affinity to the polymer matrix of the FKV cylinder structure. This allows the setting of the required hardness, wear resistance and intrinsic viscosity of the resin system for use as a wear-resistant, but also ductile gel coat as tribologically and mechanically loaded cylinder surface in FKV cylinder structures.

Faserkunststoffverbund-Strukturen mit organisch-keramischen Nanokomposite-Gel-Coats zu versehen, um gezielte Eigenschaften an der Oberfläche der FKV-Struktur einzustellen, ist aus dem Stand der Technik bekannt.To provide fiber-reinforced plastic composite structures with organic-ceramic nanocomposite gel coats in order to adjust specific properties on the surface of the FRP structure is known from the prior art.

So ist aus der EP 1 866 363 B1 ein Gel-Coat für Swimmingpools bekannt, bei der anorganische Pigmente, insbesondere Spinell mit einem ungesättigten Polyesterharz und einem Füllstoff bestehend aus Kaolinit, Korund, Aluminiumoxidtrihydrat und/oder Böhmid zur Anwendung kommen. Durch eine derartige Beschichtung kann ein Verbleichen unter Einwirkung von Chlorwasser verhindert sowie eine haptisch ansprechende Oberflächenqualität erzielt werden. Die Bereitstellung einer außerordentlichen Verschleißbeständigkeit und guter Gleitreibungseigenschaften liegen nicht im Fokus dieser Beschichtung für Faserkunststoffverbunde.So is out of the EP 1 866 363 B1 a swimming pool gel-coating, in which inorganic pigments, in particular spinel with an unsaturated polyester resin and a filler consisting of kaolinite, corundum, alumina trihydrate and / or boehmite are used. By means of such a coating, bleaching under the action of chlorine water can be prevented and a haptically appealing surface quality can be achieved. The provision of extraordinary wear resistance and good sliding friction properties are not the focus of this coating for fiber-reinforced plastics composites.

Gemäß WO 2009/109193 wird an Verbundmaterialien eine organisch-keramische Polymerbeschichtung zur Erzielung des Lotusblüteneffekts aufgebracht, welche aus einem mit Partikeln angereicherten Gel-Coat besteht. Als Verstärkungsstoff kommen partikuläre Oxidkeramiken, bevorzugt Siliziumdioxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Titandioxid (TiO2) und Zirkonoxid (ZrO2), zum Einsatz. Durch nachträgliches Schleifen der Gel-Coat-Oberfläche entstehen bedingt durch die enthaltenen Partikel nanoskalige Erhöhungen auf der Oberfläche, die den gewünschten Lotusblüteneffekt bewirken. Derartige Beschichtungen auf Faserverbundmaterialien zielen jedoch nicht auf die Verbesserung der tribologischen Eigenschaften ab.According to WO 2009/109193 For example, an organic ceramic polymer coating is applied to composite materials to achieve the lotus blossom effect, which consists of a particle-enriched gel coat. The reinforcing material used are particulate oxide ceramics, preferably silicon dioxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), titanium dioxide (TiO 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ). Subsequent sanding of the gel-coat surface produces nanoscale elevations on the surface due to the particles contained, which cause the desired lotus flower effect. However, such coatings on fiber composite materials are not aimed at improving the tribological properties.

Es sind weitere Verschleißschutzschichten bekannt, von denen nachfolgend ausgewählte kurz vorgestellt werden.Further wear protection layers are known, of which the following are briefly presented.

In der Druckschrift DE 10 2009 043 435 A1 wird ein Gleitlack zur Beschichtung eines Metallbauteils vorgeschlagen, wobei einem Basislack als Matrix mindestens ein Schmierstoff und ein Verschleißschutzstoff zugefügt werden.In the publication DE 10 2009 043 435 A1 a lubricating varnish for coating a metal component is proposed, wherein a base varnish as a matrix at least one lubricant and a wear protection material are added.

In der DE 198 57 316 A1 werden pulverlackierte Substrate vorgestellt, die auf eine mit einem Pulverlack beschichteten Oberfläche aufgebracht werden können, und dort eine kratz- und abriebfeste Deckschicht bilden. In the DE 198 57 316 A1 Powder-coated substrates are presented, which can be applied to a surface coated with a powder coating, where they form a scratch- and abrasion-resistant cover layer.

Das Dokument DE 198 11 790 A1 stellt transparente Lackbindemittel vor, die Nanoteilchen enthalten und eine verbesserte Verkratzungsbeständigkeit ermöglichen. Zudem wird eine Verwendung in Klarlackanwendungen vorgeschlagen.The document DE 198 11 790 A1 introduces transparent lacquer binders that contain nanoparticles and allow improved scratch resistance. In addition, a use in clearcoat applications is proposed.

Ein weiteres Mittel zur Herstellung von verschleißschützenden Oberflächen auf nichtverschleißfesten, ungehärteten Materialien wird in der DE 195 14 432 A1 aufgezeigt.Another means of producing wear-resistant surfaces on non-wear-resistant, uncured materials is disclosed in U.S. Pat DE 195 14 432 A1 demonstrated.

Die Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative Verwendung für Gel-Coats aus einem mehrkomponentigen Laminier-, Infusions- oder Wickel-Harzsystem auf Epoxid-Basis und nanoskaligen hydrophilen Metalloxidpartikeln aus SiO2, Al2O3, TiO2 oder einer Kombination aus hydrophilem SiO2, Al2O3 bzw. TiO2 und hydrophobem SiO2 vorzuschlagen.The object of the present invention is an alternative use for gel coats of a multi-component lamination, infusion or winding resin system based on epoxy and nanoscale hydrophilic metal oxide particles of SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 or a combination of hydrophilic SiO 2 , Al 2 O 3 or TiO 2 and hydrophobic SiO 2 to propose.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung einer Beschichtung mit den Merkmalen gemäß dem Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.According to the invention the object is achieved by the use of a coating having the features according to claim 1. Advantageous embodiments are the subject of dependent claims.

Der polymere Bestandteil des Gel-Coats für Zylinderlaufflächen von Faserkunststoffverbund-Zylindern ist vorzugsweise ein hochvernetzendes und chemisch beständiges duromeres Harzsystem mit guter chemischer Affinität zum Matrixharzsystem der zu beschichtenden FKV-Zylinderstruktur. Besonders bevorzugt wird sowohl für das Gel-Coat als auch für die Matrix der FKV-Struktur dasselbe Harzsystem eingesetzt. Dadurch kann eine bestmögliche chemische Adhäsion des Gel-Coats an die Faserverbundstruktur mit maximaler Haftfestigkeit sichergestellt werden. Als Matrixharz wird besonders bevorzugt ein Epoxid-Harzsystem verwendet. Hier eignen sich insbesondere Laminier-, Infusions- sowie Wickel-Harzsysteme bestehend aus den Einzelkomponenten Harz, Härter und u. U. Beschleuniger.The polymeric component of the gel coats for cylinder liners of fiber-plastic composite cylinders is preferably a highly cross-linking and chemically stable thermosetting resin system having good chemical affinity for the matrix resin system of the FKV cylinder structure to be coated. Particularly preferably, the same resin system is used both for the gel coat and for the matrix of the FKV structure. This ensures the best possible chemical adhesion of the gel coat to the fiber composite structure with maximum adhesive strength. As the matrix resin, an epoxy resin system is particularly preferably used. In particular lamination, infusion and winding resin systems consisting of the individual components resin, hardener and u. U. accelerator.

Als partikuläre Verstärkungsstoffe des duromeren Harzsystems, die Matrixkomponente des Gel-Coats, finden pyrogene Metalloxide vorzugsweise in Form von hydrophilem Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumoxid (SiO2) sowie Titandioxid (TiO2) Anwendung. Besonders bevorzugt werden hydrophile Al2O3-Partikel eingesetzt. Die hydrophilen Partikel können allein oder in Kombination mit hydrophoben SiO2-Partikeln eingebracht werden, wobei die im Dispergierprozess vereinzelten Partikel aus hydrophilem SiO2, Al2O3 bzw. TiO2 die Aufgabe der Verschleißfestigkeitserhöhung übernehmen. Die Partikel aus hydrophobem SiO2 dienen der Einstellung der verarbeitungsrelevanten Strukturviskosität des Gel-Coats.As particulate reinforcing agents of the thermosetting resin system, the matrix component of the gel coats, pyrogenic metal oxides are preferably used in the form of hydrophilic aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ) and titanium dioxide (TiO 2 ). Particular preference is given to using hydrophilic Al 2 O 3 particles. The hydrophilic particles can be introduced alone or in combination with hydrophobic SiO 2 particles, wherein the particles of hydrophilic SiO 2 , Al 2 O 3 or TiO 2 separated in the dispersing process take on the task of increasing the wear resistance. The particles of hydrophobic SiO 2 serve to adjust the processing-relevant intrinsic viscosity of the gel coats.

Die einzelnen Partikel, bzw. Primärpartikel, weisen bevorzugt eine Größe von 10 nm bis 100 nm, bevorzugt 12 nm bis 80 nm und besonders bevorzugt von 15 nm bis 50 nm auf. Deren spezifische Oberfläche (BET) liegt bevorzugt in einem Bereich von 40 m2/g bis 200 m2/g und. besonders bevorzugt zwischen 50 m2/g und 160 m2/g. Diese Nanopartikel werden allein oder in Kombination zu Konzentrationen von bevorzugt 0,25 vol% bis 12 vol% und besonders bevorzugt von 0,5 vol% bis 8 vol% bezogen auf das Gesamtvolumen der Suspension in die Harz- oder Härterkomponente des Gel-Coat-Harzsystems eingebracht. Bei einer direkt anschließenden Applikation des Gel-Coats lassen sich die Partikel auch in das fertige Harz-Härter-Gemisch einbringen. Vorteilhaft haben sich Gel-Coats mit einer derartigen Zusammensetzung als besonders verschleißhemmend herausgestellt und bewirken zugleich eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften bei Einhaltung der für den Verarbeitungsprozess notwendigen rheologischen Charakteristika.The individual particles, or primary particles, preferably have a size of 10 nm to 100 nm, preferably 12 nm to 80 nm and particularly preferably from 15 nm to 50 nm. Their specific surface area (BET) is preferably in a range from 40 m 2 / g to 200 m 2 / g and. more preferably between 50 m 2 / g and 160 m 2 / g. These nanoparticles are used alone or in combination at concentrations of preferably from 0.25% by volume to 12% by volume and more preferably from 0.5% by volume to 8% by volume, based on the total volume of the suspension in the resin or hardener component of the gel coat. Resin system introduced. In a direct subsequent application of the gel coat, the particles can also be incorporated into the finished resin-hardener mixture. Advantageously, gel coats with such a composition have proven to be particularly resistant to wear and at the same time bring about an improvement in the mechanical properties while maintaining the rheological characteristics required for the processing process.

Die Dispergierung der in Nanopulverform vorliegenden Metalloxide mit der flüssigen Harzkomponente erfolgt bevorzugt mit Hilfe eines zweistufigen Prozesses, bestehend aus Vordispergierung mit Dissolver und anschließender Echtzerkleinerung in einer Rührwerkskugelmühle oder wahlweise mit Hilfe der Ultraschall-Dispergiertechnik. Ziel ist es, die Partikel möglichst fein dispers in die flüssige Harz- und/oder Härterkomponente einzubringen, so dass diese bestmöglich vereinzelt als Primärpartikel vorliegen.The dispersion of the metal oxides present in nanopowder form with the liquid resin component preferably takes place with the aid of a two-stage process consisting of predispersion with dissolver and subsequent real comminution in a stirred ball mill or optionally with the aid of the ultrasonic dispersion technique. The aim is to introduce the particles as finely dispersed as possible in the liquid resin and / or hardener component, so that they are best isolated as primary particles.

Bei der besonders bevorzugten Dispergierung mittels Dissolvertechnik wird die flüssige Harz und/oder Härterkomponente (Dispersionmittel) und die partikulären Metalloxide (Dispergens) in der o. g. Konzentration im Mischbehälter zusammengeführt und anschließend unter Entgasung mittels rotierender Zahnscheibe vordispergiert. Die Echtzerkleinerung der Partikelagglomerate in dem duromeren Polymer erfolgt im Anschluss vorzugsweise mit Hilfe einer Rührwerkskugelmühle, mit der unter Zugabe von Mahlperlen Scher- und Druckbeanspruchungszustände zur Zerkleinerung der Partikelstrukturen geschaffen werden. Durch diese Dispergiermethode können die Partikelagglomerate weitestgehend in Primärpartikel überführt werden und die auf der Nanometergrößenskala (< 100 nm) vorliegenden partikulären Verstärkungsstoffe ihr volles Leistungspotenzial ausschöpfen.In the particularly preferred dispersion by means of dissolvent technology, the liquid resin and / or hardener component (dispersant) and the particulate metal oxides (dispersant) in the o. Concentrated concentration in the mixing vessel and then predispersed under degassing by means of a rotating toothed disc. The real comminution of the particle agglomerates in the thermoset polymer is then carried out preferably with the aid of a stirred ball mill, with the addition of grinding beads shear and compressive stress conditions for comminution of the particle structures are created. By means of this dispersion method, the particle agglomerates can be largely converted into primary particles and the particulate reinforcing materials present on the nanometer size scale (<100 nm) exploit their full performance potential.

Somit liegen die Nanopartikel nach dem Zerkleinerungs- und Mischprozess feindispers und weitestgehend als Primärpartikel vereinzelt in der flüssigen Phase bestehend aus Harz- und/oder Härterkomponente, üblicherweise jedoch in der niedrigviskoseren Härterkomponente des Gel-Coat-Harzsystems, vor.Thus, after the comminution and mixing process, the nanoparticles are finely dispersed and largely isolated as primary particles in the liquid phase consisting of resin and / or Hardener component, but usually in the low-viscosity hardener component of the gel-coat resin system, before.

Nach beendetem Dispergierprozess werden die Mahlperlen von dem fein dispersen Harzsystem-Nanopartikel-Ansatz separiert und die Suspension bis zu deren Verwendung trocken, dunkel und unter Luftabschluss gelagert. Bei Bedarf wird die Suspension mit den restlichen Harzkomponenten vermischt und kann anschließend auf den Wickelkern zur Herstellung der FKV-Zylinderstruktur appliziert werden.After completion of the dispersion process, the grinding beads are separated from the finely dispersed resin system nanoparticle batch and the suspension is stored until dry, dark and air-tight. If necessary, the suspension is mixed with the remaining resin components and can then be applied to the winding core for the production of the FKV cylinder structure.

Die Herstellung einer derartigen organisch-keramischen Lauffläche innerhalb von FKV-Zylindern erfolgt somit in zwei wesentlichen Prozessschritten. In einem ersten Schritt wird die Dispergierung des Harzsystem-Nanopartikel-Gemisches und anschließend in einem zweiten die Applikation des Gel-Coats zur Herstellung der Lauffläche durchgeführt.The production of such organic-ceramic tread within FKV cylinders thus takes place in two essential process steps. In a first step, the dispersion of the resin system nanoparticle mixture and then in a second application of the gel coats for the preparation of the tread is performed.

Das Aufbringen des Gel-Coats kann mittels Pinsel erfolgen, besonders bevorzugt jedoch durch Verwendung einer Lack-Sprühpistole mit der wesentlich dünnere und in sich homogenere Schichten appliziert werden können. Weiterhin bevorzugt kommt ein Rakelblech zur Applikation des Gel-Coats zum Einsatz.The application of the gel coat can be done by means of a brush, but particularly preferably by using a paint spray gun with the much thinner and more homogeneous layers can be applied. Further preferred is a doctor blade for the application of the gel coat used.

Dabei ist es möglich die Gel-Coat-Schicht nachträglich auf dem Bauteil zu applizieren, bevorzugt wird jedoch das Gel-Coat vor dem eigentlichen Laminataufbau auf dem Formwerkzeug, z. B. dem Wickelkern, aufgetragen. Vorteilhaft können dadurch bessere Oberflächeneigenschaften erreicht werden.It is possible to subsequently apply the gel coat layer on the component, but preferably the gel coat before the actual laminate buildup on the mold, z. B. the winding core applied. Advantageously, thereby better surface properties can be achieved.

Neben der hervorragenden Abriebfestigkeit und dem Schutz der Lauffläche vor aggressiven Medien wird eine qualitativ hochwertige Oberfläche erzeugt, die wie bei Gel-Coats üblich, maßgebend von der formgebenden Werkzeugoberfläche bestimmt wird.In addition to the excellent abrasion resistance and the protection of the tread from aggressive media, a high-quality surface is produced which, as is usual with gel coats, is decisively determined by the shaping tool surface.

An der inneren Oberfläche des vorrangig gewickelten FKV-Zylinderrohres bietet der nanopartikelmodifizierte Gel-Coat eine gut haftende, glatte Zylinderlauffläche mit hervorragenden Reib- und Verschleißeigenschaften bei hydraulischen Kolbenhüben sowie eine Diffusionsbarriere gegen Hydraulikflüssigkeiten.On the inner surface of the predominantly wound FKV cylinder tube, the nanoparticle-modified gel coat offers a good adhering, smooth cylinder surface with excellent friction and wear characteristics in hydraulic piston strokes and a diffusion barrier against hydraulic fluids.

Die Verwendung des Gel-Coats zur Herstellung einer reibungsarmen und verschleißbeständigen Zylinderlauffläche von FKV-Zylindern lässt sich dabei in folgende Schritte untergliedern:

  • a) Bereitstellung des Harzsystems mit Harz- und Härterkomponente, sowie der oxidkeramischen Nanopartikel,
  • b) Einmischen des partikulären Verstärkungsstoffes in das Dispersionsmittel bestehend aus Harz und/oder Härter,
  • c) Aufbrechen unerwünschter Partikelstrukturen (Agglomerate und Aggregate) mittels Dispergiertechnik mit dem Ziel der weitestgehenden Vereinzelung und Überführung in Primärpartikel,
  • d) Mischen der Harz- und Härterkomponenten nach dem vom Hersteller angegebenen stöchiometrischen Verhältnis und
  • e) Gel-Coat Applikation auf der formgebenden Wickelkemoberfläche zur Herstellung der FKV-Zylinderstruktur.
The use of the gel coats to produce a low-friction and wear-resistant cylinder surface of FRP cylinders can be subdivided into the following steps:
  • a) provision of the resin system with resin and hardener component, as well as the oxide ceramic nanoparticles,
  • b) mixing the particulate reinforcing agent into the dispersing agent consisting of resin and / or hardener,
  • c) breaking up of unwanted particle structures (agglomerates and aggregates) by means of dispersion technology with the aim of the greatest possible separation and conversion into primary particles,
  • d) mixing the resin and hardener components according to the manufacturer's stoichiometric ratio and
  • e) Gel-coat application on the forming winding core surface for the production of the FKV cylinder structure.

Die Schritte b) und d) können teilweise oder vollständig kombiniert werden.The steps b) and d) can be partially or completely combined.

Nachfolgend wird die Applikation des erfindungsgemäß verwendeten Gel-Coats als reibungsarme und verschleißfeste Zylinderlauffläche für tribologisch und mechanisch belastete FKV-Zylinder anhand von Abbildungen näher erläutert. Dabei zeigen:The application of the gel coats used according to the invention as friction-resistant and wear-resistant cylinder running surface for tribologically and mechanically loaded FKV cylinders will be explained in more detail below with reference to figures. Showing:

1 eine FKV-Zylinderstruktur mit dem erfindungsgemäß verwendeten Gel-Coat, 1 a FKV cylinder structure with the gel coat used according to the invention,

2 eine schematische Darstellung der Applikation des Gel-Coats auf den zylindrischen Kern mittels Sprühtechnik, und 2 a schematic representation of the application of the gel coat on the cylindrical core by means of spraying, and

3 schematische Darstellung der Applikation des Gel-Coats mittels Rakeltechnik. 3 schematic representation of the application of the gel coat by doctor blade technique.

1 zeigt schematisch den erfindungsgemäß verwendeten Gel-Coat als Zylinderlauffläche 2 in einem Faserkunststoffverbund-Zylinder 1. Der FKV-Zylinder 1 besteht aus einem Faserband, einem sogenannten Roving, welches wiederum aus einer Vielzahl von Verstärkungseinzelfasern 3 besteht. Diese sind in die Matrix des Faserkunststoffverbunds 4 eingebettet. 1 schematically shows the gel coat used according to the invention as a cylinder surface 2 in a fiber-plastic composite cylinder 1 , The FKV cylinder 1 consists of a sliver, a so-called roving, which in turn consists of a plurality of reinforcing single fibers 3 consists. These are in the matrix of the fiber-reinforced plastic composite 4 embedded.

Durch die Verwendung chemisch äquivalenter Matrizes sowohl für den FKV als auch für den Gel-Coat kann eine hervorragende stoffschlüssige Verbindung zwischen beiden Komponenten erzielt werden. Die Oberflächenqualität des Gel-Coats wird maßgebend von der formgebenden Werkzeugoberfläche bestimmt und erreicht bei entsprechender Oberflächenbehandlung des Wickelkerns die erforderlichen Rauheitswerte für kolbenhub-beanspruchte Zylinder.By using chemically equivalent matrices for both the FKV and the gel coat, an excellent cohesive bond between the two components can be achieved. The surface quality of the gel coats is decisively determined by the shaping tool surface and, with appropriate surface treatment of the winding core, achieves the required roughness values for piston stroke-loaded cylinders.

Die Herstellung der endlosfaserverstärkten zylindrischen Komponente des FKV-Zylinders 1 erfolgt bevorzugt im Filamentnasswickelverfahren oder im Trockenwickelverfahren mit anschließender Harzimprägnierung im RTM-Prozess.The production of the endless fiber reinforced cylindrical component of the FKV cylinder 1 is preferably carried out in the filament wet winding process or in the dry-winding process with subsequent resin impregnation in the RTM process.

Das Wickeln erfolgt auf einem formgebenden Wickelkern 6, der typischerweise als polierter Stahlkern ausgeführt ist. Die Applikation des erfindungsgemäß verwendeten Gel-Coats ist bevorzugt ein dem Wickelverfahren unmittelbar vorgeschalteter Prozess und erfolgt wahlweise im Streich- oder Sprühverfahren. Bedingt durch die bessere Schichtdickenhomogenität, Reproduzierbarkeit und Automatisierbarkeit eignen sich vorrangig das Druckluftsprühen oder druckluftlose Sprühen (2).The winding takes place on a shaping winding core 6 which is typically designed as a polished steel core. The application of the gel coats used in accordance with the invention is preferably a process directly preceding the winding process and is carried out optionally by brushing or spraying. Due to the better layer thickness homogeneity, reproducibility and automatability, compressed air spraying or compressed airless spraying ( 2 ).

Die Vermischung der Harz- 11 und Härterkomponente 10, die in diesem Ausführungsbeispiel die fein dispersen Nanopartikel enthält, erfolgt über die Zuführleitungen 13 im Mischkopf 9 der Mehrkomponenten-Sprühpistole 8. Die Vermischung der Komponenten kann wahlweise auch manuell oder maschinell vor der Befüllung der Sprühpistole 8 erfolgen.The mixing of the resin 11 and hardener component 10 , which contains the finely dispersed nanoparticles in this embodiment, via the supply lines 13 in the mixing head 9 the multi-component spray gun 8th , The mixing of the components can optionally also manually or mechanically before filling the spray gun 8th respectively.

Eine weitere besonders geeignete Methode der Applikation des Gel-Coats auf den Wickelkern stellt das Aufbringen des nanopartikelmodifizierten Harzsystems mittels Rakeltechnik dar (3). Dabei wird ein Rakelblech 12 parallel zur Zylinderachse des Wickelkerns 6 mit definiertem Abstand zur Kernoberfläche positioniert. Das Rakelblech ist keilförmig ausgerichtet, sodass sich hier ein Reservoir des nanopartikelmodifizierten Harzgemischs 5 bildet und auf dem rotierenden Kern ein dünner Harzfilm appliziert wird. Durch die Abstandsregelung des Rakelblechs zum Kern lässt sich die Nassschichtdicke des Films und somit des späteren Gel-Coats steuern.Another particularly suitable method of applying the gel coat to the winding core is the application of the nanoparticle-modified resin system by means of doctor blade technology ( 3 ). This is a squeegee 12 parallel to the cylinder axis of the winding core 6 positioned at a defined distance to the core surface. The squeegee plate is wedge-shaped, so that here is a reservoir of the nanoparticle-modified resin mixture 5 forms and on the rotating core, a thin resin film is applied. By controlling the distance of the doctor blade to the core, the wet film thickness of the film and thus of the subsequent gel coat can be controlled.

Bei der Gel-Coat-Applikation wird das partikelmodifizierte Harzsystem sowohl bei der Sprüh- als auch bei der Rakeltechnik auf den sich in Rotationsrichtung 7 bewegenden und mit Trennmittel versehenen Wickelkern 6 aufgebracht. Durch eine sich anschließende beginnende Vernetzung erfolgt das Angelieren des sich auf dem gleichmäßig rotierenden Wickelkern befindlichen Gel-Coats. In Abhängigkeit des verwendeten Harzsystems kann die Vernetzung bereits bei Raumtemperatur oder bei erhöhten Temperaturen gestartet oder beispielsweise durch UV-Licht initiiert werden.In the gel-coat application, the particle-modified resin system is in the direction of rotation in both the spray and the squeegee technique 7 moving and provided with release agent winding core 6 applied. By a subsequent incipient networking is the fishing of the located on the uniform rotating core winding gel coats. Depending on the resin system used, the crosslinking can be started already at room temperature or at elevated temperatures or initiated, for example, by UV light.

Um eine optimale stoffschlüssige Anbindung zwischen Gel-Coat 2 und Laminat zu gewährleisten, erfolgt unmittelbar im Anschluss der Wickelprozess über dem sich auf dem Wickelkern 6 befindlichen teilvernetzten nanopartikelmodifizierten Gel-Coat 2.To achieve an optimal cohesive connection between gel coat 2 and to ensure laminate, takes place immediately after the winding process on which on the winding core 6 partially crosslinked nanoparticle-modified gel coat 2 ,

Nach beendeter Aushärtung der FKV-Struktur und des Gel-Coats 2 wird der Wickelkern 6 aus dem FKV-Zylinder 1 entformt. Das Gel-Coat 2 ist nun fest mit der inneren Oberfläche des FKV-Zylinders 1 verbunden und als tribologisch und mechanisch hochbelastbare Zylinderlauffläche 2 des FKV-Zylinders 1 einsatzbereit.After curing of the FKV structure and the gel coat 2 becomes the winding core 6 from the FKV cylinder 1 removed from the mold. The gel coat 2 is now stuck to the inner surface of the FKV cylinder 1 connected and as a tribologically and mechanically heavy-duty cylinder surface 2 of the FKV cylinder 1 ready for use.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Faserkunststoffverbund-ZylinderFiber-reinforced plastic cylinder
22
Gel-Coat als ZylinderlaufflächeGel coat as cylinder surface
33
Einzelne VerstärkungsfaserSingle reinforcing fiber
44
Matrix des FaserkunststoffverbundsMatrix of the fiber-reinforced plastic composite
55
Nanopartikelmodifiziertes HarzgemischNanoparticle-modified resin mixture
66
Wickelkernwinding core
77
Rotationsrichtungdirection of rotation
88th
SprühpistoleSpray gun
99
Mischkopf mit DüseMixing head with nozzle
1010
Behälter mit Härter und NanopartikelnContainer with hardener and nanoparticles
1111
Behälter mit HarzContainer with resin
1212
Rakelblechsqueegee sheet
1313
Zuführleitungensupply lines

Claims (12)

Verwendung eines Gel-Coats aus einem mehrkomponentigen Laminier-, Infusions- oder Wickel-Harzsystem auf Epoxid-Basis und nanoskaligen hydrophilen Metalloxidpartikeln aus SiO2, Al2O3, TiO2 oder einer Kombination aus hydrophilem SiO2, Al2O3 bzw. TiO2 und hydrophobem SiO2 als Reib- und Verschleißschutzschicht in Faserkunststoffverbund-Zylindern (FKV-Zylinder) zur Bereitstellung einer reibungsminimierten, verschleißfesten und duktilen Zylinderlauffläche.Use of a gel coat of a multi-component lamination, infusion or winding resin system based on epoxy and nanoscale hydrophilic metal oxide particles of SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 or a combination of hydrophilic SiO 2 , Al 2 O 3 or TiO 2 and hydrophobic SiO 2 as a friction and wear protection layer in fiber-reinforced plastic composite cylinders (FKV cylinder) to provide a friction-minimized, wear-resistant and ductile cylinder surface. Verwendung eines Gel-Coats nach Anspruch 1 als Lauffläche in kolbenhub-belasteten Zylindern, wie in Hydraulik- und Pneumatikzylindern, Kolbenspeichern, Gasdruck- und Stoßdämpfern, Gasdruckfedern und Kolbenpumpen sowie als Reib- und Verschleißschutzschicht in Gleit- und Wälzlagern.Use of a gel coat according to claim 1 as a running surface in piston stroke loaded cylinders, such as in hydraulic and pneumatic cylinders, piston accumulators, gas pressure and shock absorbers, gas springs and piston pumps and as a friction and wear protection layer in plain and roller bearings. Verwendung eines Gel-Coats nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel feindispers und weitestgehend vereinzelt in die Harz- und/oder Härterkomponente, üblicherweise jedoch in die niedrigviskosere Härterkomponente des Harzsystems eingebracht werden.Use of a gel coat according to claim 1, characterized in that the particles are finely dispersed and largely isolated in the resin and / or hardener component, but usually introduced into the low-viscosity hardener component of the resin system. Verwendung eines Gel-Coat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einmischen und Aufbrechen der Partikelagglomerate bevorzugt mittels Ultraschalltechnik und besonders bevorzugt in einem zweistufigen Prozess, der sich aus Vordispergierung in einem Dissolver und Echtzerkleinerung in einer Kugelmühle zusammensetzt, erfolgt.Use of a gel coat according to any one of the preceding claims, characterized in that the mixing and breaking of the particle agglomerates preferably by means of ultrasonic technology and more preferably in a two-stage process, which consists of predispersion in a dissolver and real comminution in a ball mill, takes place. Verwendung eines Gel-Coats nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Harzsystem zur Herstellung des Gel-Coats identisch mit dem Matrix-Harzsystem der zu beschichtenden FKV-Struktur ist. Use of a gel coat according to one of the preceding claims, characterized in that the resin system for producing the gel coat is identical to the matrix resin system of the FKV structure to be coated. Verwendung eines Gel-Coats nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebrachten Nanopartikel eine Größe von 10 nm bis 100 nm, bevorzugt von 12 nm bis 80 nm und besonders bevorzugt eine Größe von 15 nm bis 50 nm aufweisen.Use of a gel coat according to any one of the preceding claims, characterized in that the introduced nanoparticles have a size of 10 nm to 100 nm, preferably from 12 nm to 80 nm and particularly preferably a size of 15 nm to 50 nm. Verwendung eines Gel-Coats nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die enthaltenen Nanopartikel bevorzugt eine spezifische Oberfläche (BET) von 40 m2/g bis 200 m2/g und besonders bevorzugt von 50 m2/g bis 160 m2/g aufweisen.Use of a gel coat according to one of the preceding claims, characterized in that the nanoparticles contained preferably have a specific surface area (BET) of 40 m 2 / g to 200 m 2 / g and particularly preferably from 50 m 2 / g to 160 m 2 / g have. Verwendung eines Gel-Coats nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die enthaltenen Nanopartikel einen Anteil von bevorzugt 0,25 vol% bis 12 vol% und besonders bevorzugt von 0,5 vol% bis 8 vol% bezogen auf das Gesamtvolumen der Beschichtung aufweisen.Use of a gel coat according to one of the preceding claims, characterized in that the nanoparticles contained a proportion of preferably 0.25 vol% to 12 vol% and particularly preferably from 0.5 vol% to 8 vol% based on the total volume of the coating exhibit. Verwendung eines Gel-Coats nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel-Coat bevorzugt durch sprühen oder mittels Rakel aufgebracht ist.Use of a gel coat according to one of the preceding claims, characterized in that the gel coat is preferably applied by spraying or by means of a doctor. Verwendung eines Gel-Coats nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Gel-Coat auf das Formwerkzeug der FKV-Struktur aufgebracht wird.Use of a gel coat according to one of the preceding claims, characterized in that the gel coat is applied to the mold of the FKV structure. Verwendung eines Gel-Coats nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Komponente der FKV-Struktur im Filamentnasswickel-Verfahren oder im kombinierten Trockenwickelverfahren mit anschließender Harzinjektion im RTM-Verfahren hergestellt wird.Use of a gel coat according to one of the preceding claims, characterized in that the cylindrical component of the FKV structure is produced in the filament wet winding process or in the combined dry winding process with subsequent resin injection in the RTM process. Faserkunststoffverbund-Zylinder mit einer reibungsminimierten, verschleißfesten und duktilen Zylinderlauffläche aufweisend ein Gel-Coat nach einem der vorangehenden Ansprüche.A fiber-plastic composite cylinder with a friction-minimized, wear-resistant and ductile cylinder surface comprising a gel coat according to one of the preceding claims.
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