DE102013223679A1 - Verfahren zur Herstellung eines Gleitbelags - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitbelags aus einem aus einer chemisch mit einem Polyfluorkohlenwasserstoff verbundenen Kunststoffmatrix hergestellten Garn und einer aushärtbaren Harzmatrix mit zumindest folgenden Verfahrensschritten: der Polyfluorkohlenwasserstoff wird mittels hochenergetischer Bestrahlung unter Ausbildung von reaktiven funktionellen Gruppen aktiviert, der aktivierte Polyfluorkohlenwasserstoff wird in einer Reaktivextrusion mit der Kunststoffkomponente chemisch zu einem granulatförmigen Substrat umgesetzt, aus dem Substrat werden mittels eines Spinnverfahrens Filamente erzeugt, mehrere Filamente werden zu einem Garn versponnen, aus dem Garn und der Harzmatrix wird ein harzgetränkter Textilkörper hergestellt und zu einem Halbzeug ausgehärtet, aus dem Halbzeug wird durch endformende Nachbearbeitung der Gleitbelag hergestellt.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitbelags aus einem aus einer chemisch mit einem Polyfluorkohlenwasserstoff verbundenen Kunststoffmatrix hergestellten Garn und einer aushärtbaren Harzmatrix.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Gattungsgemäße Gleitbeläge werden beispielsweise in Drehlager, Axiallager, Gelenklager und dergleichen eingesetzt. Hierbei dient der Gleitbelag der Verminderung von Reibung von zwei gegeneinander bewegten Teilen wie Lagerteilen. Hierzu verfügen Gleitbeläge über eine tribologisch aktive, reibungsvermindernde Komponente beispielsweise in Form von Polyfluorkohlenwasserstoffen, beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE). Da derartige Polyfluorkohlenwasserstoffe in der Regel mechanisch wenig beständig sind, werden diese in Matrices wie Harze und andere Kohlenwasserstoffe eingebettet.
  • Um die Immobilisierung von Polyfluorkohlenwasserstoffen wie Perfluoralkylsubstanzen in einer Kunststoffmatrix aus Polyamiden weiter zu verbessern, wird in der WO 99/61527 A1 vorgeschlagen, die Perfluoralkylsubstanzen mittels Gammastrahlen unter Bildung von funktionellen Gruppen wie beispielsweise Carbonsäureresten mit den Polyamiden chemisch zu verbinden, in dort bezeichneter Weise zu pfropfen. Aus dieser Herstellung resultieren vergleichsweise amorphe Pulver von Substraten, welche mit Harzen zu einem Gleitbelag umgesetzt werden.
  • Aus der DE 10 2008 031 824 A1 ist ein Gleitlager bekannt, bei dem Polyamidreste gepfropfter Polyfluorkohlenwasserstoffe mittels Kondensation miteinander polymerisiert werden. Das hierdurch gebildete Substrat wird mit einem Harz vermengt und ausgehärtet. Zusätzlich kann eine chemische Verbindung zwischen organischen Harzresten und Polyamidresten vorgesehen sein. Zur Verbesserung der Gleiteigenschaften mit einer guten Anbindung an ein Metallträgerteil, ist vorgesehen, den Polyfluorkohlenwasserstoff an der Gleitoberfläche des Gleitbelags anzureichern. Hierbei ist eine Festigkeit des Gleitlagers nach wie vor durch die amorphen Eigenschaften des Substrats begrenzt.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist daher, ein vorteilhaft weitergebildetes Verfahren zur Herstellung eines Gleitbelags vorzuschlagen, mit dem eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Gleitbelags erzielt werden kann.
  • Allgemeine Beschreibung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Verfahrens gemäß Anspruch 1 gelöst. Die von dem Anspruch 1 abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens wieder.
  • Das vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung eines Gleitbelags aus einem aus einer chemisch mit einem Polyfluorkohlenwasserstoff verbundenen Kunststoffmatrix hergestellten Garn und einer aushärtbaren Harzmatrix ist gekennzeichnet durch zumindest folgende Verfahrensschritte:
    • – der Polyfluorkohlenwasserstoff wird mittels hochenergetischer Bestrahlung unter Ausbildung von reaktiven funktionellen Gruppen aktiviert,
    • – der aktivierte Polyfluorkohlenwasserstoff wird in einer Reaktivextrusion mit der Kunststoffkomponente chemisch zu einem granulatförmigen Substrat umgesetzt,
    • – aus dem Substrat werden mittels eines Spinnverfahrens Filamente erzeugt,
    • – mehrere Filamente werden zu einem Garn versponnen,
    • – aus dem Garn und der Harzmatrix wird ein harzgetränkter Textilkörper hergestellt und zu einem Halbzeug ausgehärtet,
    • – aus dem Halbzeug wird durch endformende Nachbearbeitung der Gleitbelag hergestellt.
  • Nach der Reaktivextrusion kann das granulatförmige Substrat feingemahlen werden. Anteile der Kunststoffmatrix können miteinander polymerisiert werden. Die Polymerisation kann während einer Erhitzung während oder nach einem Verspinnen des Substrats erfolgen. Als Kunststoffmatrix können Polyamide (PA), Polyimide (PI), Kopolymere wie Polyamidimide (PAI) aus diesen oder deren Mischungen verwendet werden. Als Lösungsmittel kann ein flüssiges Pyrrolidin verwendet werden. Einzel- oder Mehrfachfilamente können mittels eines Nassspinnverfahrens oder mittels eines Matrixspinnverfahrens hergestellt werden. Das Substrat kann mit einer Trägerkomponente zu Filamenten wie Bikomponentenfasern versponnen werden. Hierbei kann nach deren Herstellung die Bikomponentenfaser auf Temperaturen über einen Schmelzpunkt des Polyfluorkohlenwasserstoffs erhitzt und dabei die Trägerkomponente thermisch zersetzt werden. Aus den Filamenten, beispielsweise unterschiedlichen Filamenten, wird ein Garn hergestellt. Aus dem Garn wird ein Textilkörper hergestellt. Dieser Textilkörper kann ein aus dem Garn beziehungsweise einem Endlosfaden des Garns gewickelter Wickelkörper, ein Gewebe, eine gelegtes Nest, ein Vlies, eine Gewölle, ein Presskörper des Garns oder dergleichen sein. Aus derartigen Vorstufen kann nach weiterer textiler Bearbeitung der endgültige Textilkörper hergestellt werden, indem beispielsweise ein aus dem Garn hergestelltes Gewebe in eine dreidimensionale Form angeordnet wird.
  • Mit anderen Worten wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass chemisch ein an eine Polyamid- oder Polyamidimid-Matrix gekoppelter Polyfluorkohlenwasserstoff wie PTFE zu einem Garn verarbeitet wird, das anschließend mittels Press- und/oder Wickeltechnologie zu dem Gleitbelag verarbeitet wird. Auch kann das Garn zu einem Gewebe verwoben werden, welches in Folge einlagig als Gleitgewebe verwendet oder auch mehrlagig gewickelt werden kann. Das Gewebe kann dabei ausschließlich aus dem Garn gebildet sein. Alternativ können Fasern anderer Garntypen mit dem Garn verarbeitet werden.
  • Auf Grund der Verwendung des vorgeschlagenen Garns können sowohl gegenüber amorph verarbeitetem Substrat als auch gegenüber herkömmlichen PTFE-Fasern deutlich höhere Festigkeiten erreicht werden, die Alterungsbeständigkeit, die thermische Stabilität und die Verschleißfestigkeit bei Beanspruchung auf Abrieb können deutlich gesteigert werden. Zusammenfassend entsteht eine hochfeste und verschleißbeständige Gleitschicht des Gleitbelags. Das Garn bildet in Verbindung mit einer Einbettung in eine Matrix aus an sich bekanntem Harz, beispielsweise Epoxidharz, Silikonharz oder dergleichen als Textilkörper, beispielsweise Wickelkörper, einen massiven Gleitbelag wie beispielsweise Gleitlagerring beziehungsweise eine Gleitlagerbuchse. Aufgrund der Eigenschaften dieses Verbundwerkstoffes kann gegebenenfalls auf einen Einsatz einer Rückenschicht wie Stützschicht verzichtet werden.
  • Die Herstellung der vorgeschlagenen Gleitbeläge erfolgt beispielsweise mittels Presstechnologie, vor allem aber mittels Wickeltechnologie. Als Gleitbeläge sind Gleitlagerbuchsen, Axialscheiben, Gelenklager-Komponenten, Gleitplatten und dergleichen zu verstehen. Das Verfahren eignet sich insbesondere für Gleitbeläge in Gleitlagern mit einem Innendurchmesser wie Bohrung von 20 mm bis zu Außendurchmessern von beispielsweise bis zu 1.700 mm. Die Anwendungsbereiche erstrecken sich auf klassische Anwendungen in der Industrie, im Kraftfahrzeug-, Schiff- und Kraftwerksbau und beziehen sich auf das breite Feld der Industrie, bei denen beispielsweise schwenkende und oszillierende Bewegungen mit Schwenkwinkeln von kleiner 360°C, Pressungen zwischen 5 MPa und 300 MPa sowie kleinen Relativgeschwindigkeiten der gegeneinander bewegten Lagerteile auftreten können. Beispielsweise können Anwendungen in Bauwerken (Abstützung von Glas-Stahl-Konstruktionen), Zugbrücken, Schleusentoren und Unter-Wasser-Anwendungen (Ruderlager, Schiffsantriebe, Meeresenergiegewinnung, Wellenkraftwerke, Schleusentore und dergleichen) vorgesehen sein.
  • Die Herstellung des dem Garn zugrundeliegenden, aktivierten Polyfluorkohlenwasserstoffs erfolgt am Beispiel des PTFE mittels hochenergetischer Bestrahlung von beispielsweise handelsüblichem PTFE mit Gammastrahlung, Röntgenstrahlung, Elektronenstrahlung und dergleichen. Dabei erfolgt eine Bildung funktionaler und reaktiver Gruppen. Weiterhin werden relativ lange PTFE-Molekülketten zerkleinert. Die Aktivierung erfolgt in Gegenwart von Sauerstoff beziehungsweise Luft. Dabei werden reaktive Kohlenstoffdifluoridgruppen (CF2-Verbindungen) aufgespaltet und es bilden sich sauerstoffhaltige radikalische funktionelle Gruppen. Diese reagieren mit Wasser, beispielsweise aus der Luftfeuchte und bilden Carbonsäuregruppen (-COOH). Die COOH-Gruppen bilden mit Amid-Gruppen und anderen funktionellen Gruppen Kondensationsreaktionen und können daher mit anderen Polymeren eine chemische Verkettung bilden. Das aktivierte und reaktive PTFE kann daher mit Polyamiden, Polyamidimiden und dergleichen beispielsweise in einer Reaktivextrusion chemisch reagieren. Eine Reaktivextrusion unter Scherung des aktivierten PTFE ist im Allgemeinen nötig, um sterische Hinderungen der Carbonsäuregruppen aufzuheben und daher eine chemische Reaktion mit der Kunststoffmatrix (PA, PAI und dergleichen) zu ermöglichen. Das aktivierte PTFE und die Kunststoffmatrix werden bei Temperaturen größer 300°C miteinander vermischt und extrudiert. Der Bindungsgrad zwischen PTFE und der Kunststoffmatrix wird durch die Betriebsbedingungen derart eingestellt, dass eine chemische Kopplung zumindest an wenigen Stellen erfolgt, um beispielsweise ein PTFE-Korn oder vergleichbare Ansammlungen von PTFE-Polymeren zu größeren Verbänden in der Kunststoffmatrix zu fixieren und die Morphologie des entstehenden Substrats zu sichern.
  • Das als Granulat entstehende Substrat wird nach der Extrusion bevorzugt feingemahlen. Dabei kann eine Überführung in Kleinstpartikelgrößen erfolgen. Anschließend kann eine Dispergierung in Lösemittel, beispielsweise N-Methyl-Pyrrolidon (NMP), N-Ethyl-Pyrolidon (NEP) oder dergleichen sowie deren Mischungen. Bevorzugt nach diesem Schritt kann eine Polymerisation wie Autopolymerisation der Kunststoffmatrix erfolgen.
  • Die Herstellung von Filamenten für das vorgeschlagene Garn aus diesem Substrat erfolgt beispielsweise mittels Schmelzspinnen, Nassspinnen einer Dispersion des Substrats und Matrix-Spinnen.
  • Unter Schmelzspinnen ist die Herstellung von Filamenten aus dem aufgeschmolzenen Substrat zu verstehen. Anschließend wird die Schmelze durch eine oder mehrere Düsen gepresst und auf einen Wickler aufgespult.
  • Unter Nassspinnen ist die Herstellung von Filamenten aus Lösungen oder Dispersionen des Substrats zu verstehen, wobei dieses in ein Fällbad mit einem weiteren Lösungsmittel (gemisch) eingedüst wird. Dabei fällt das Polymer aus, und eines oder mehrere Filamente können nach mehreren weiteren Verarbeitungsschritten als Garn aufgewickelt werden. Das Nassspinnverfahren kommt bei Substraten zum Einsatz, die entweder nicht schmelzbar sind, sehr temperaturempfindlich sind, oder überhaupt nur in speziellen Lösungsmittelsystemen verarbeitet werden können.
  • Unter dem Matrixspinnen ist ein Verfahren zu verstehen, bei dem sich das Substrat aufgrund einer gegebenenfalls hohen Schmelzviskosität nicht für das Schmelzspinnverfahren und aufgrund seiner Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln nicht für das Nassspinnverfahren eignet. Beim Matrixspinnen wird eine wässrige Dispersion des Substrats mit einer Viskosespinnmasse oder dergleichen beispielsweise in Verhältnissen von 3:1 bis 24:1 – bezogen auf die Massen von Substrat und Viskose – vermischt und durch Spinndüsen in ein saures Spinnbad gepresst (ausgesponnen). Streng genommen werden in diesem Schritt keine Filamente aus Substrat sondern Viskosegarne in einem Nassspinnverfahren hergestellt. Die Viskose dient hierbei als Matrix für das in dem Viskosegarn eingebettete Substrat (Bikomponentenfilament). Allerdings besitzen diese Viskosefilamente nur eine geringe Zugfestigkeit und auch nicht die gewünschten chemischen Eigenschaften des reinen Substrats. Daher wird zum einen in einem weiteren Verarbeitungsschritt durch Erhitzen dieser Filamente auf Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes des Substrats, beispielsweise des PTFE-Anteils, das Substrat, beispielsweise das in diesem enthaltene PTFE gesintert, zum anderen zersetzt sich dabei die Matrix aus Viskose, wodurch ein Substratgarn – das eigentliche Garn – mit einem geringen Anteil an Abbauprodukten der Viskose entsteht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 99/61527 A1 [0003]
    • DE 102008031824 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Gleitbelags aus einem aus einer chemisch mit einem Polyfluorkohlenwasserstoff verbundenen Kunststoffmatrix hergestellten Garn und einer aushärtbaren Harzmatrix, gekennzeichnet durch zumindest folgende Verfahrensschritte: – der Polyfluorkohlenwasserstoff wird mittels hochenergetischer Bestrahlung unter Ausbildung von reaktiven funktionellen Gruppen aktiviert, – der aktivierte Polyfluorkohlenwasserstoff wird in einer Reaktivextrusion mit der Kunststoffkomponente chemisch zu einem granulatförmigen Substrat umgesetzt, – aus dem Substrat werden mittels eines Spinnverfahrens Filamente erzeugt, – mehrere Filamente werden zu einem Garn versponnen, – aus dem Garn und der Harzmatrix wird ein harzgetränkter Textilkörper hergestellt und zu einem Halbzeug ausgehärtet, – aus dem Halbzeug wird durch endformende Nachbearbeitung der Gleitbelag hergestellt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das granulatförmige Substrat nach der Reaktivextrusion feingemahlen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Anteile der Kunststoffmatrix miteinander polymerisiert werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation während einer Erhitzung während oder nach einem Verspinnen des Substrats erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoffmatrix Polyamide- und/oder Polyamidimide verwendet werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel ein flüssiges Pyrrolidin verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamente mittels eines Nassspinnverfahrens hergestellt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamente mittels eines Matrixspinnverfahrens hergestellt werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Textilkörper aus einem Endlosfaden des Garns gewickelt, gewoben, gelegt und/oder gepresst wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Textilkörper in mehreren nacheinander folgenden, aufeinander aufbauenden textilen Formgebungsstufen hergestellt wird.
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