DE102016213821A1

DE102016213821A1 - Verfahren zum Anfertigen einer Beschichtung

Info

Publication number: DE102016213821A1
Application number: DE102016213821.9A
Authority: DE
Inventors: Warrick Allen; Ileana Nedelcu
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2017-02-02
Also published as: CN106423806A; CN106423806B; US10377917B2; US20170029661A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfertigen einer Beschichtung auf zumindest einem Teil einer tribologischen Fläche (127) eines ersten Maschinenbauelements (120), das dazu ausgelegt ist, während des Maschinenbetriebs, in gleitendem Kontakt mit einer tribologischen Fläche (115) eines zweiten Maschinenbauelements (110) zu sein, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Aufbringen einer Polymerformulierung auf zumindest einen Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements, um eine Beschichtung auszubilden, wobei die Polymerformulierung ein Isocyanat aufweist, das zwei oder mehr Isocyanatgruppen pro Molekül und ein Isocyanat-rekatives Polyol enthält, um Polyurethane auszubilden; und (b) Aussetzen zumindest eines Teils der in Schritt (a) erhaltenen Beschichtung einer Härtungsbehandlung, während der Polyurethane in der Beschichtung auf zumindest dem Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements ausgebildet werden. Zusätzlich betrifft die Erfindung (i) ein mit dem vorgestellten Verfahren erhaltendes Maschinenbauelement, und (ii) die Verwendung einer schützenden Beschichtung, wie mit dem vorgestellten Verfahren angefertigt, um eine Reibung zwischen dem ersten Maschinenbauelement und dem zweiten Maschinenbauelement, das in gleitendem Kontakt mit dem ersten Maschinenbauelement ist, zu reduzieren.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfertigen einer Beschichtung auf zumindest einem Teil einer tribologischen Fläche eines ersten Maschinenbauelements, das dazu ausgelegt ist, während des Maschinenbetriebs, in gleitendem Kontakt mit einer tribologischen Fläche eines zweiten Maschinenbauelements zu sein; ein Maschinenbauelement, das mit dem vorgestellten Verfahren erhältlich ist; und die Verwendung einer schützenden Beschichtung, wie mit dem vorgestellten Verfahren angefertigt, um eine Reibung zwischen dem ersten Maschinenbauelement und dem zweiten Maschinenbauelement, das in gleitendem Kontakt mit dem ersten Maschinenbauelement ist, zu reduzieren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei Anwendungen, bei denen ein gleitender Kontakt zwischen den tribologischen Flächen zweier Maschinenbauelemente auftritt, wie beispielsweise bei Gleitlageranordnungen und bei dynamischen Dichtungsanordnungen, werden zwangsläufig Reibung und Wärme erzeugt. Dieses kann zu einer Fraßkorrosion und zu Verschleiß und zu einem beschleunigten Ausfall eines Bauelements der Lageranordnung oder der Dichtungsanordnung führen. Eine Möglichkeit, Reibung zu reduzieren, ist es, die tribilogischen Flächen mit einem Öl oder Schmierfett zu schmieren, so dass ein Ölfilm zwischen ihnen entsteht. Ein Nachteil einer solchen Schmierung ist die Tatsache, dass der Ölfilm bei Inbetriebnahme nicht vorhanden ist, und dass die Bildung der Schmierschicht nur auftritt, wenn eine bestimmte Temperatur erreicht wurde.
Daher kann es zusätzlich zu oder anstatt der Verwendung eines Schmiermittels vorteilhaft sein, eine reibungsarme Beschichtung auf die tribologische Fläche eines Maschinenbauelements, die in gleitendem Kontakt mit einer anderen Fläche ist, aufzubringen. Ein Beispiel einer Laufbuchsenanordnung mit einer Anti-Reibschicht ist in der US 6139261 offenbart. Die Laufbuchsenanordnung lagert eine Verdrehwelle bezüglich eines Gehäuses und umfasst eine an dem Gehäuse angebrachte Buchse und eine an der Welle angebrachte Verschleißhülse. Eine radiale Innenfläche der Buchse wird mit einer PTFE-Beschichtung von 10–20 mm Dicke bereitgestellt.
Es ist zum Beispiel aus der EP 1106878 auch bekannt, reibungsarme Beschichtungen in dynamischen Dichtungsanwendungen zu verwenden. Es wird eine Dichtung für ein Wälzlager beschrieben, die ein elastomeres Dichtungselement mit einer Kontaktlippe aufweist, die gegen eine Gegenfläche eines Lagerinnenrings drückt. Eine Dichtfläche der Lippe ist mit einer PTFE-Beschichtung ausgestattet, die eine Dicke von weniger als 0,2 mm hat.
PTFE hat ausgezeichnete reibungsarme Eigenschaften, ist aber ein weiches Material und kann schwierig in einer haltbaren Weise verwendet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Maschinenbauelement bereitzustellen, das mittels einer zumindest einige der Nachteile, die mit den Lösungen aus dem Stand der Technik assoziiert sind, abschwächenden Beschichtung eine geringe Reibung zeigt, wenn es in einem gleitenden Kontakt mit einer Gegenfläche eines anderen Maschinenbauelements ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wurde jetzt herausgefunden, dass diese Aufgabe erzielt wird, wenn Verwendung von einer besonderen Beschichtung gemacht wird, die auf ein Maschinenbauelement, wie beispielsweise eine Dichtung, aufgebracht ist.
Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Anfertigen einer Beschichtung auf zumindest einem Teil einer tribologischen Fläche eines Maschinenbauelements, das dazu ausgelegt ist, während des Maschinenbetriebs, in gleitendem Kontakt mit einer tribologischen Fläche eines zweiten Maschinenbauelements zu sein, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Aufbringen einer Polymerformulierung auf zumindest einen Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements, um eine Beschichtung auszubilden, wobei die Polymerformulierung ein Isocyanat aufweist, das zwei oder mehr Isocyanatgruppen pro Molekül und ein Isocyanat-reaktives Polyol enthält, um Polyurethane auszubilden; und
(b) Aussetzen zumindest eines Teils der in Schritt (a) erhaltenen Beschichtung einer Härtungsbehandlung, während der Polyurethane in der Beschichtung auf zumindest dem Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements ausgebildet werden.

Zusätzlich betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Maschinenbauelement, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein erstes Maschinenbauelement, auf das eine Beschichtung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung einer Beschichtung, wie mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung angefertigt, um eine Reibung zwischen dem ersten Maschinenbauelement und dem zweiten Maschinenbauelement, das in gleitendem Kontakt mit dem ersten Maschinenbauelement ist, zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Maschine mit einem ersten Maschinenbauelement, auf welchem eine Beschichtung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist, und einem zweiten Bauelement, das in gleitendem Kontakt mit dem ersten Maschinenbauelement ist.
Die erfindungsgemäße Maschine ist geeigneter Weise eine abgekapselte Maschine, bei der das erste Maschinenbauelement und das zweite Maschinenbauelement nicht äußeren Bedingungen, wie beispielsweise Wetterbedingungen, ausgesetzt sind.
In einem Ausführungsbeispiel bilden das erste und das zweite Maschinenbauelement einen Teil einer dynamischen Dichtungsanordnung, die eine dynamische Dichtung mit einer Kontaktlippe aufweist, die gegen eine Gegenfläche drückt. Die Gegenfläche kann eine Fläche einer Welle oder eines fest an der Welle angebrachten Teils, wie beispielsweise eine Schleuderscheibe oder ein Lagerinnenring, sein, die/der sich bezüglich der Dichtung dreht. In einem weiteren Beispiel ist die Gegenfläche eine Fläche eines Zylindergehäuses oder eines Kolbens, das/der bezüglich der Dichtung linear verschiebbar ist. Die Beschichtung kann auf einer Kontaktfläche der Dichtlippe und/oder auf der Gegenfläche bereitgestellt sein.
Die dynamische Dichtung kann demzufolge verwendet werden, um Durchlässe zwischen Maschinenbauelementen abzudichten, die sich entweder linear oder in der Umfangsrichtung relativ zueinander bewegen. Die dynamische Dichtung kann zum Beispiel eine Lippendichtung eines Wälzlagers, eine Motordichtung (wie zum Beispiel eine Ventilspindeldichtung, eine Kurbelwellendichtung oder eine Wellendichtung), eine O-Ringdichtung, eine Lenkeinheitsdichtung, eine Stoßdämpferdichtung, eine Kolbendichtung, eine Radenddichtung, eine Antriebsstrangdichtung, eine pneumatische Dichtung, eine hydraulische Dichtung, eine ein fluidhandhabende Dichtung oder eine Wellendichtung für die Luft- und Raumfahrt sein.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel bilden das erste und das zweite Maschinenbauelement einen Teil einer Gleitlageranordnung. In einem Beispiel ist die Gleitlageranordnung eine radiale Anordnung mit einander gegenüberliegend ausgerichteten radialen Flächen in gleitendem Kontakt miteinander, um radiale Lasten aufzunehmen und zu übertragen. Eines des ersten und zweiten Bauelements ist ein inneres Bauelement, wie beispielsweise eine Welle, oder ein fest an der Welle angebrachtes Teil, wie beispielsweise eine Hülse, Buchse oder der Innenring eines Gleitlagers. Das andere des ersten und zweiten Bauelements ist ein äußeres Bauelement, wie beispielsweise ein Gehäuse oder ein fest an dem Gehäuse angebrachtes Teil, wie beispielsweise der Außenring eines Gleitlagers oder eine Hülse oder Buchse. Die Beschichtung kann auf einer radialen Außenfläche des inneren Bauelements und/oder auf einer radialen Innenfläche des äußeren Bauelements bereitgestellt sein. In einem weiteren Beispiel ist die Gleitlageranordnung eine Axiallageranordnung mit einander gegenüberliegend ausgerichteten axialen Flächen in gleitendem Kontakt miteinander, wobei die Beschichtung auf einer oder auf beiden axialen Flächen bereitgestellt ist.
Gemäß vorliegender Erfindung wird ein neuer Ansatz bereitgestellt, um die Auswirkungen von Verschleiß und Fraßkorrosion auf Maschinenbauelementen, wie beispielsweise Gleitlagern, Dichtungen und Buchsen, zu bekämpfen und der sich mit den oben diskutierten Nachteilen befasst. Die vorliegende Erfindung stellt insbesondere ein Maschinenbauelement zur Verwendung in Lager- und Dichtungsanwendungen bereit, wobei eine tribologische Fläche des Bauelements mit einer Beschichtung ausgestattet ist, in der Polyurethane ausgebildet wurden. Somit ist eine schützende Beschichtung bereits vor Inbetriebnahme des Lagers und der Dichtung vorhanden, was in einer verbesserten Dauerhaltbarkeit des Lagers und der Dichtung resultiert.
Die Erfindung wird nun detaillierter und mit Bezug auf die Beispiele und die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsteilansicht eines Beispiels einer Betätigungskolbendichtung, die mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung ausgestattet ist;
2 ist eine Querschnittsteilansicht eines Beispiels einer Gleitringdichtung, die mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung ausgestattet ist;
3 ist eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer Gleitlageranordnung, die mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung ausgestattet ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird eine Beschichtung auf zumindest einem Teil einer tribologischen Fläche eines ersten Maschinenbauelements bereitgestellt, das dazu ausgelegt ist, während des Maschinenbetriebs, in gleitendem Kontakt mit einer tribologischen Fläche eines zweiten Maschinenbauelements zu sein.
Das erste Maschinenbauelement kann aus einem Elastomermaterial stammen oder es kann aus einem Nicht-Elastomermaterial stammen.
Wenn das erste Maschinenbauelement aus einem Elastomermaterial stammt, ist das verwendete Elastomermaterial geeigneter Weise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: NBR (Nitril-Butadien-Kautschuk), SBR (Styrol-Butadien-Kautschuk), CR (Chloropren-Kautschuk), HNBR (Hydrierter Nitril-Butadien-Kautschuk), XNBR (Carboxylierter Nitril Butadien-Kautschuk), EPM (Ethylen-Propylen-Kautschuk), EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer), IIR (Polyisobutylen-Kautschuk), PUR (Polyurethan-Kautschuk), AEM (Ethylen-Acrylat-Kautschuk), ACM (Polyacrylat-Kautschuk), ABR (Acrylat-Butadien-Kautschuk), FKM (Fluorkohlenstoff-Kautschuk), FFKM (Perfluorkautschuk), SI (Silikon-Kautschuk), VMQ (Silikon-Kautschuk), Q (Silikon-Kautschuk), EVA (Ethylenvinylacetat) und TPE (thermoplastisches Elastomer). Vorzugsweise weist das Elastomermaterial FKM, NBR, ACM oder AEM auf. Noch mehr bevorzugt weist das Elastomermaterial NBR oder FKM auf. Am meisten bevorzugt weist das Elastomermaterial FKM auf.
Wenn das erste Maschinenbauelement aus einem Nicht-Elastomermaterial stammt, ist das verwendete Nicht-Elastomermaterial geeigneter Weise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: keramische Materialien, Chromstähle, rostfreie Stähle und kohlenstofflegierte Stähle. Beispiele von geeigneten keramischen Materialien umfassen Zirkonia und Aluminiumoxide, Siliziumcarbid, Bornitrid, und insbesondere Siliziumnitride. Beispiele für geeignete rostfreie Stähle umfassen martensitische Klassen, wie beispielsweise 410 und 410H, austenitische Klassen, wie beispielsweise 304 und 316, ferritische Klassen, wie beispielsweise 410S, Duplex-Klassen, wie beispielsweise 2205 und präzipitationsgehärtete Klassen, wie beispielsweise 17-4 PH. Beispiele für kohlenstofflegierte Stähle umfassen 1060 und A36. Vorzugsweise weist das Nicht-Elastomermaterial Stahl auf.
In Schritt (a) wird eine wässrige Polymerformulierung auf zumindest einen Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements aufgebracht, um eine Beschichtung auszubilden. Die wässrige Polymerformulierung kann auf die gesamte tribologische Fläche des ersten Bauelements aufgebracht werden. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass es auch möglich ist, die Polymerformulierung nur auf den Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements aufzubringen, wo die Beschichtung benötigt wird, anstatt dass das gesamte erste Maschinenbauelement mit einer Beschichtung bedeckt ist, was üblicherweise der Fall ist, wenn zum Beispiel von einer Dampfabscheidungstechnik Gebrauch gemacht wird.
Gemäß vorliegender Erfindung kann die Polymerformulierung in Schritt (a) entsprechend auf zumindest einen Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements mittels eines Tauchbeschichtungs-, Kontaktbeschichtungs-, Walzbeschichtungs- oder Sprühbeschichtungsverfahrens aufgebracht werden. Die Polymerformulierung wird vorzugweise auf zumindest einen Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements mittels eines Sprüh-, Dreh- oder eines Tauchbeschichtungsverfahrens oder einer Kombination von diesen, aufgebracht.
Entsprechend wird die wässrige Polymerformulierung auf zumindest einen Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements bei einer Temperatur im Bereich von 5–60 °C aufgebracht. Schritt (a) kann bei einem geringen Druck oder einem hohen Druck durchgeführt werden. Vorzugsweise wird die wässrige Polymerformulierung auf zumindest einen Teil der tribologische Fläche des ersten Maschinenbauelements bei einer Temperatur im Bereich von 10–40 °C aufgebracht.
Die Polymerformulierung umfasst ein Isocyanat, das zwei oder mehr Isocyanatgruppen pro Molekül und ein Isocyanat-reaktives Polyol umfasst, um Polyurethane auszubilden. Das Isocyanat-reaktive Polyol umfasst entsprechend ein Polyol, das ein oder mehr Isocyanat-reaktive Gruppen enthält. Das Polyol kann auch andere reaktive Gruppen enthalten. Geeignete Polyole, die erfindungsgemäß verwendet werden, umfassen 1,4-Cyclohexyldimethanol, Ethylenglykol, Propylenglykol, Diethylenglykol, Neopentylglykol, 1,4-Butandiol, 1,6-Hexandiol, Furandimethanol, Cyclohexandimethanol, Glycerol, Trimethylolpropan, Dimethylolpropionsäure (DMPA), Dimethylolbutanoie Säure (DMBA), Polypropylenglykole, Poly(propylenoxide/ethylenoxide) Copolymere, Polytetrahydrofuran, Polybutadien, hydriertes Polybutadien, Polysiloxan, Polyamid Polyester, Isocyanat-reaktive Polyoxyethylen Verbindungen, Polyester, Polyether, Polyetherester, Polycaprolacton, Polythioether, Polycarbonat, Polyethercarbonat, Polyacetal und Polyolefin Polyole. Verwendbare Polyether-Polyole umfassen Produkte, die durch die Polymerisation eines zyklischen Oxids, zum Beispiel Ethylenoxid, Propylenoxid oder Tetrahydrofuran erhalten werden oder die durch Zugabe eines oder mehrerer solcher Oxide zu polyfunktionalen Initiatoren, zum Beispiel Wasser, Methylenglykol, Ethylenglykol, Propylenglykol, Diethylenglykol, Cyclohexandimethanol, Glycerol, Trimethylopropan, Pentaerythritol oder Bisphenol A. Bevorzugte Polyether-Polyole umfassen Polyoxypropylendiole und Triole, Poly(oxyethylen-oxypropylen)-Diole und Triole, die durch die gleichzeitige oder sequentielle Zugabe von Ethylen- und Propylenoxiden zu geeigneten Initiatoren und Polytetramethylen-Etherglykole, die durch die Polymerisation von Tetrahydrofuran erhalten werden, bereitstellt werden.
Bevorzugte Polyole sind Acrylpolyole. Acrylpolyole sind Polyole, die durch die radikalische Copolymerisation von Acrylmonomeren (ternäre oder quaternäre Copolymere), wie beispielsweise Acrylsäuren und -ester oder Methacrylsäuren und -ester erhalten werden. Die Acrylpolyole können aus der Copolymerisation von konventionellen Acrylmonomeren erhalten werden, wie beispielsweise Ethylacrylate (EA) oder Butylacrylate (BA), Acrylsäure (AA), Methylmethacrylat (MMA), oder Styren (ST) mit hydroxylierten Acrylmonomeren, wie beispielweise 2-Hydroxyethylacrylate (HEA) oder 4-Hydroxybutylacrylate (HBA). Die bevorzugten erfindungsgemäß verwendeten Acrylpolyole umfassen hydroxyl-funktionale polyacrylische Dispersionen, wie beispielsweise Covestro’s A2695 und A2058.
In Schritt (a) kann eine Mischung aus zwei oder mehr Isocyanat-reaktiven Polyolen aufgebracht werden. Zum Beispiel kann eine Mischung von einem oder mehr Triolen und einem oder mehr Diolen verwendet werden. Das molekulare Durchschnittsgewicht des Isocyanat-reaktiven Polyols liegt entsprechend in dem Bereich von 500–6000 Daltons, vorzugsweise in dem Bereich von 500–3000 Daltons.
Das erfindungsgemäße verwendete Isocyanat enthält zwei oder mehr Isocyanatgruppen pro Molekül. Das Isocyanat weist daher ein Di-Isocyanat oder ein Polyisocyanat auf. Vorzugsweise weist das Isocyanat ein Polyisocyanat auf. Die Polyisocyanate können aliphatisch, cycloaliphatisch, araliphatisch, aromatisch und/oder Polyisocyanate sein, die durch das Einführen von Resten von Urethan, Allophanat, Harnstoff, Biuret, Carbodiimid, Uretonimin, Uretdion oder Isocyanurat modifiziert wurden. Beispiele geeigneter Polyisocyanate umfassen Ethylendiisocyanat, 1,6-Hexamethylendiisocyanat, Isophorondiisocyanat, Cyclohexan-1,4-Diisocyanat, 4,4′-Dicyclohexylmethandiisocyanat, p-Xylylendiisocyanat, α,α′-Tetramethylxylendiisocyanat, 1,4-Phenylendiisocyanat, 2,4-Toluendiisocyanat, 2,6-Toluendiisocyanat, 4,4′-Diphenylmethandiisocyanat, Polymethylen-Polyphenyl-Polyisocyanate, 2,4′-Diphenylmethandiisocyanat, 3(4)-Isocyanatomethyl-1-Methylcyclohexyl-Isocyanat, und 1,5-Naphthylendiisocyanat. Bevorzugte Polyisocyanate sind Isophorondiisocyanat, 4,4′-Dicyclohexylmethandiisocyanat, Toluenediisocyanat und 4,4′-Diphenylmethandiisocyanat.
Entsprechend kann eine Mischung aus zwei oder mehreren beliebigen oben erwähnten Polyisocyanaten verwendet werden. Es ist auch möglich, eine Mischung aus einem Isocyanat, das zwei oder mehrere Isocyanat-Gruppen pro Molekül enthält, und aus einem oder mehreren Isocyanaten, die eine Isocyanat-Gruppe pro Molekül enthält, zu verwenden.
Das Isocyanat, das zwei oder mehr Isocyanat-Gruppen pro Molekül enthält, ist entsprechend in der wässrigen Polymerdispersion in einer Menge in dem Bereich von 15–60 wt%, vorzugsweise in einer Menge in dem Bereich von 20–40 wt%, basierend auf den Gesamtgewicht der wässrigen Polymerdispersion, vorhanden.
Die Polymerformulierung enthält Wasser in einer Menge in dem Bereich von 10–60 wt%, vorzugsweise in dem Bereich von 15–30 wt%, basierend auf dem Gesamtgewicht der wässrigen Polymerformulierung.
Die Polymerformulierung kann eine wässrige Polymerdispersion sein (d.h. eine wasserbasierte Polymerformulierung) oder eine lösungsmittelbasierte Polymerformulierung. Vorzugsweise ist die Polymerformulierung eine wässrige Polymerdispersion.
Geeigneter Weise ist das Lösungsmittel ein polares organisches Lösungsmittel. Das polare Lösungsmittel kann ein polares aliphatisches Lösungsmittel oder ein polares aromatisches Lösungsmittel sein, wie beispielsweise ein Alkohol, ein Keton, Ester, Acetat, Glykolether, aprotisches Amid, aprotisches Sulfoxid, oder aprotisches Amin. Beispiele von verwendbaren Lösungsmitteln umfassen Methylethylketon, Methylisobutylketon, m-Amylacetat, Ethylenglykolbutylether-Acetat, Propylenglykolmonomethyletheracetat, Xylen, n-Methylpyrrolidon, oder Gemische aus aromatischen Kohlenwasserstoffen. Geeignete Alkohole umfassen Ethanol, Isopropanol, n-Butanol und n-Propanol. Geeignete Acetate umfassen Hexylacetat, Octylacetat und Glykoletheracetate, wie beispielsweise Propylenglykolmonomethyletheracetat. Geeignete Ketone umfassen Methylpropylketon, Methylisobutylketon, und Methylhexylketon. Glykolether und Glykoletheracetate sind besonders bevorzugt. Weiterhin kann das Lösungsmittel unpolare aromatische und/oder aliphatische Lösungsmittel umfassen.
Die wässrige Polymerdispersion kann zusätzlich zu dem Wasser ein Co-Lösungsmittel enthalten, das als ein Lösungsmittel sowohl in Bezug auf das Isocyanat-reaktive Polyol als auch auf das Isocyanat wirkt.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zum Anfertigen einer Beschichtung auf zumindest einem Teil einer tribologischen Fläche eines ersten Maschinenbauelements, das dazu ausgelegt ist, während des Maschinenbetriebs, in gleitendem Kontakt mit der tribologischen Fläche eines zweiten Maschinenbauelements zu sein, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Aufbringen einer wässrigen Polymerdispersion auf zumindest einen Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements, um eine Beschichtung auszubilden, wobei die wässrige Polymerdispersion ein Isocyanat, das zwei oder mehr Isocyanatgruppen pro Molekül und ein Isocyanat-reaktives Polyol enthält, um Polyurethane auszubilden, und ein Co-Lösungsmittel aufweist; und
(b) Aussetzen zumindest eines Teils der in Schritt (a) erhaltenen Beschichtung einer Härtungsbehandlung, während der Polyurethane in der Beschichtung auf zumindest dem Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements ausgebildet werden.

In einem Ausführungsbeispiel ist das Lösungsmittel ein polares organisches Lösungsmittel. Das polare Lösungsmittel kann ein polares aliphatisches Lösungsmittel oder ein polares aromatisches Lösungsmittel sein, wie beispielsweise ein Alkohol, ein Keton, Ester, Acetat, Glykolether, aprotisches Amid, aprotisches Sulfoxid, oder aprotisches Amin. Beispiele für brauchare Lösungsmittel umfassen Methylethylketon, Methylisobutylketon, m-Amylacetat, Ethylenglykolbutylether-Acetat, Propylenglykolmonomethyletheracetat, Xylen, n-Methylpyrrolidon, oder Gemische von aromatischen Kohlenwasserstoffen. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Lösungsmittel Wasser oder ein Gemisch aus Wasser mit kleinen Mengen wässriger Co-Lösungsmittel. Geeignete Alkohole umfassen Ethanol, Isopropanol, n-Butanol, und n-Propanol. Geeignete Acetate umfassen Hexylacetat, Octylacetat und Glykoletheracetate, wie beispielsweise Propylenglykolmonomethyletheracetat. Geeignete Ketone umfassen Methylpropylketon, Methylisobutylketon und Methylhexylketon. Glykolether, und Glykoletheracetate sind besonders bevorzugt. Weiterhin kann das Lösungsmittel unpolare aromatische und/oder aliphatische Lösungsmittel umfassen.
Das Co-Lösungsmittel ist entsprechend in der wässrigen Polymerdispersion in einer Menge von bis zu 40 wt%, vorzugsweise in einer Menge von weniger als 20 wt%, basierend auf dem Gesamtgewicht der wässrigen Polymerdispersion, vorhanden.
Vorzugsweise umfasst die Polymerformulierung zusätzlich Partikel eines Füllmaterials. Die vorliegende Erfindung betrifft demnach auch ein Verfahren zum Anfertigen einer Beschichtung auf zumindest einem Teil einer tribologischen Fläche eines ersten Maschinenbauelements, das dazu ausgelegt ist, während des Maschinenbetriebs, in einem gleitenden Kontakt mit einer tribologischen Fläche eines zweiten Maschinenbauelements zu sein, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Aufbringen einer Polymerformulierung auf zumindest einen Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements, um eine Beschichtung auszubilden, wobei die Polymerformulierung ein Isocyanat, das zwei oder mehr Isocyanatgruppen pro Molekül und ein Isocyanat-reaktives Polyol enthält, um Polyurethane auszubilden, und Partikel eines Füllmaterials aufweist; und
(b) Aussetzen zumindest eines Teils der in Schritt (a) erhaltenen Beschichtung einer Härtungsbehandlung, während der Polyurethane in der Beschichtung auf zumindest dem Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements ausgebildet werden.

Solche Partikel haben geeigneter Weise eine durchschnittliche Partikelgröße von weniger als 10 Mikrometer, vorzugsweise weniger als 50 Mikrometer, noch mehr bevorzugt von weniger als 100 nm, und am meisten bevorzugt in dem Bereich von 5–50 nm. Diese Partikel werden in der Matrix des gebildeten Polyurethans verteilt und verbessern die Verschleißfestigkeit der Beschichtung, die auf der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements ausgebildet ist.
Das Füllmaterial, aus dem die Partikel hergestellt sind, kann anorganisch oder organisch sein. Vorzugsweise ist das Füllmaterial ein anorganisches Füllmaterial. Beispiele von geeigneten anorganischen Nanopartikeln umfassen Metalloxide, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Zinkoxid, Eisenoxid, Titandioxid, Zinnoxid, Indiumoxid, Zirkoniumdioxid, Ceroxid und Mischungen davon. Andere geeignete Beispiele von Füllmaterialien umfassen Metallpulver, wie beispielsweis Kupferpulver und Nickelpulver, und Siliziumcarbide. Vorzugsweise ist das Füllmaterial ein Siliziumoxid. Beispiele geeigneter organischer Füllmaterialien umfassen zum Beispiel Kohlenstoffnanopartikel.
Die Polyurethane, die in Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildet werden, können Homopolymere aus Urethan oder Copolymere aus Urethan sein. Beispiele geeigneter Copolymere aus Urethan und einem Ether, Copolymere aus Urethan und einem Karbonat, und Copolymere aus Urethan und einem Acrylat. Vorzugsweise ist das Copolymer aus Urethan ein Copolymer aus Urethan und einem Acrylat.
Gemäß vorliegender Erfindung enthält die in Schritt (b) erhaltene Beschichtung entsprechend Polyurethane, die eine Gruppe mit geringer Oberflächenspannung enthalten, wobei die Gruppe ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einer mindestens 6 Kohlenstoffatome aufweisenden Fettsäurekette, Fluor enthaltenden Gruppen und Silizium enthaltenden Gruppen. Entsprechend hat die in Schritt (b) erhaltene Beschichtung eine Oberflächenspannung von weniger als 35 mJ/m².
Das Siliziumatom, das in der Silizium enthaltenden Gruppe vorhanden ist, kann in die Silizium enthaltende Gruppe mittels C-Si-Bindungseinheiten, C-O-Si-Bindungseinheiten oder Si-O-Si-Bindungseinheiten eingebaut sein. Die Fluor enthaltende Gruppe ist vorzugsweise ein Fluorkohlenstoff. Solch ein Fluorkohlenstoff enthält geeigneter Weise mindestens 4 Fluoratome.
Die Gruppe mit geringer Oberflächenspannung, die in den Polyurethanen vorhanden sind, stellt eine sehr attraktive reibungsarme Ausführung der Beschichtung auf der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements bereit.
Vorzugsweise enthalten die Polyurethane in der Beschichtung ein oder mehr Fluor enthaltende Gruppen und/oder ein oder mehr Silizium enthaltende Gruppen. Vorzugsweise enthalten die Polyurethane in der Beschichtung ein oder mehr Fluor enthaltende Gruppen und ein oder mehr Silizium enthaltende Gruppen.
Die Fluor enthaltenden Gruppen in den Polyurethanen können entsprechend von dem Isocyanat-reaktiven Polyol stammen. Entsprechend können die Isocyanat-reaktiven Polyole daher ein oder mehr Fluor enthaltende Gruppen und/oder ein oder mehr Silizium enthaltende Gruppen enthalten. Vorzugsweise enthalten die Isocyanat-reaktiven Polyole ein oder mehr Fluor enthaltende Gruppen und ein oder mehr Silizium enthaltende Gruppen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Fluor enthaltenden Gruppen in den Polyurethanen geeigneter Weise von dem Isocyanat stammen, das zwei oder mehr Isocyanatgruppen pro Molekül enthält. Entsprechend können daher die Isocyanate ein oder mehr Fluor enthaltende Gruppen und/oder ein oder mehr Silizium enthaltende Gruppen enthalten. Vorzugsweise enthalten die Isocyanate ein oder mehr Fluor enthaltende Gruppen und ein oder mehr Silizium enthaltende Gruppen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel stammen die in den Polyurethanen vorhandenen Fluor enthaltenden Gruppen von einer Verbindung, die in der Polymerformulierung vorhanden ist, und wobei die Verbindung ein oder mehr Fluor enthaltende Gruppen enthält.
Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Anfertigen einer Beschichtung auf zumindest einem Teil einer tribologischen Fläche eines ersten Maschinenbauelements, das dazu ausgelegt ist, während des Maschinenbetriebs, in gleitendem Kontakt mit einer tribologischen Fläche eines zweiten Maschinenbauelements zu sein, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Aufbringen einer Polymerformulierung auf zumindest einen Teil der tribologischen Fläche des ersten Bauelements, um eine Beschichtung auszubilden, wobei die Polymerformulierung ein Isocyanat, das zwei oder mehr Isocyanatgruppen pro Molekül und ein Isocyanat-reaktives Polyol enthält, um Polyurethane auszubilden, und eine Verbindung, die ein oder mehr Fluor enthaltende Gruppen enthält, aufweist; und
(b) Aussetzen zumindest eines Teils der in Schritt (a) erhaltenen Beschichtung einer Härtungsbehandlung, während der Polyurethane in der Beschichtung auf zumindest dem Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements ausgebildet werden.

Vorzugsweise stammen die in den Polyurethanen vorhandenen Silizium enthaltenden Gruppen von einer Verbindung, die in der wässrigen Polymerformulierung vorhanden ist, und wobei die Verbindung ein oder mehr Silizium enthaltende Gruppen enthält.
Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Anfertigen einer Beschichtung auf zumindest einem Teil einer tribologischen Fläche eines ersten Maschinenbauelements, das dazu ausgelegt ist, während des Maschinenbetriebs, in gleitendem Kontakt mit einer tribologischen Fläche eines zweiten Maschinenbauelements zu sein, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Aufbringen einer Polymerformulierung auf zumindest einen Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements, um eine Beschichtung auszubilden, wobei die Polymerformulierung ein Isocyanat, das zwei oder mehr Isocyanatgruppen pro Molekül und ein Isocyanat-reaktives Polyol enthält, um Polyurethane auszubilden, eine Verbindung, die ein oder mehr Silizium enthaltende Gruppen enthält, aufweist; und
(b) Aussetzen zumindest eines Teils der in Schritt (a) erhaltenen Beschichtung einer Härtungsbehandlung, während der Polyurethane in der Beschichtung auf zumindest dem Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements ausgebildet werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfertigen einer Beschichtung auf zumindest einem Teil einer tribologischen Fläche eines ersten Maschinenbauelements, das dazu ausgelegt ist, während des Maschinenbetriebs, in gleitendem Kontakt mit einer tribologischen Fläche eines zweiten Maschinenbauelements zu sein, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Aufbringen einer Polymerformulierung auf zumindest einen Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements, um eine Beschichtung auszubilden, wobei die Polymerformulierung ein Isocyanat, das zwei oder mehr Isocyanatgruppen pro Molekül und ein Isocyanat-reaktives Polyol enthält, um Polyurethane auszubilden, eine Verbindung, die ein oder mehr Fluor enthaltende Gruppen enthält, und eine Verbindung, die ein oder mehr Silizium enthaltende Gruppen enthält, aufweist; und
(b) Aussetzen zumindest eines Teils der in Schritt (a) erhaltenen Beschichtung einer Härtungsbehandlung, während der Polyurethane in der Beschichtung auf zumindest dem Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements ausgebildet werden.

Die Silizium enthaltende Verbindung, die vorzugsweise in der wässrigen Polymerformulierung vorhanden ist, ist geeigneter Weise eine Siloxanverbindung, vorzugsweise ein Polysiloxan. Beispiele geeigneter Silizium enthaltender Verbindung umfassen Trimethylhydroxypropylsilan, Heptamethylhydroxypropyltrisiloxan und Hydroxy-funktionale Silikonöle, wie Polydimethylsiloxan mit Kohlenstoffende. Das Polysiloxan kann ein acryliertes Polysiloxan sein. Geeignete Polysiloxane umfassen Tego Protect N5100 und Tego Glide 482 (beide erhältlich bei Evonik Industries AG); Byk-Silclean 3720 (erhältlich bei Byk Additives & Instruments); und APS-216 (erhältlich bei Adavanced Polymer Inc.).
Alternativ kann die Silizium enthaltende Verbindung ein Silikonöl, wie zum Beispiel ein Dimethylsilikonöl, sein.
Die Polymerformulierung kann zusätzlich einen Photoinitiator enthalten, der zu der Ausbildung der Polyurethane in der Beschichtung während der Härtungsbehandlung in Schritt (b) beiträgt, wenn die Härtungsbehandlung eine UV-Behandlung ist.
Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Anfertigen einer Beschichtung auf zumindest einem Teil einer tribologischen Fläche eines ersten Maschinenbauelements, das dazu ausgelegt ist, während des Maschinenbetriebs, in gleitendem Kontakt mit einer tribologischen Fläche eines zweiten Maschinenbauelements zu sein, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Aufbringen einer Polymerformulierung auf zumindest einen Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements, um eine Beschichtung auszubilden, wobei die Polymerformulierung ein Isocyanat, das zwei oder mehr Isocyanatgruppen pro Molekül und ein Isocyanat-reaktives Polyol enthält, um Polyurethane auszubilden, und einen Photoinitiator aufweist; und
(b) Aussetzen zumindest eines Teils der in Schritt (a) erhaltenen Beschichtung einer Härtungsbehandlung, während der Polyurethane in der Beschichtung auf zumindest dem Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements ausgebildet werden.

Isobutylbenzoinether ist ein geeignetes Beispiel eines häufig verwendeten freien radikalischen Photoinitiators. Ein Triarylsulfoniumhexafluoroantimonat-Salz ist ein geeignetes Beispiel eines häufig verwendeten kationischen Photoinitiators.
Typische erfindungsgemäße verwendete Photoinitiatoren können zum Beispiel entweder einen Typ-I-Photoinitiator oder einen Typ-II-Photoinitiator mit einem Synergisten umfassen. Beispiele der Typ-I-Photoinitiatoren umfassen α-Hydroxyalkylphenole, wie beispielsweise 1-Hydroxycyclohexylphenylethylketon, α -Aminoalkylphenone und Acylphosphinoxide (zum Beispiel ‘BAPO’ phenylbis(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphoroxid. Beispiele des Typ-II-Initiators umfassen Benzophenone, wie beispielsweise 4-Dimethylaminobenzophenon, Thioxanthone, wie beispielsweise 2-Isopropylthioxanthon, mit Synergisten, die zum Beispiel Ethyl-4-(dimethylamino)-benzoat (bekannt als EBD) umfassen.
Die UV-Behandlung verursacht, dass die Photoinitiatoren freie Radikale und kationische Partikel erzeugen, die die Bildung von Vernetzungsbindungen unter den Isocyanat-reaktiven Polyolen und dem Isocyanat initiieren, aber auch zum Beispiel von Siloxan, wenn es vorhanden ist. Entsprechend kann erfindungsgemäß eine Mischung verschiedener bekannter Photoinitiatoren verwendet werden.
Ein Photoinitiator wird geeigneter Weise in einer Menge in dem Bereich von 0.1–10 wt%, basierend auf dem Gesamtgewicht der wässrigen Polymerformulierung, vorhanden sein.
Ein Katalysator kann ebenfalls geeigneter Weise in der wässrigen erfindungsgemäßen zu verwendenden Polymerformulierung vorhanden sein. Der Katalysator kann eine Reaktion zwischen dem Isocyanat-reaktiven Polyol und dem Isocyanat katalysieren. Zusätzlich kann der Katalysator auch andere Reaktionen zwischen polymerisierbaren Komponenten, die in der wässrigen Polymerformulierung vorhanden sind, katalysieren.
Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Anfertigen einer Beschichtung auf zumindest einem Teil einer tribologischen Fläche eines ersten Maschinenbauelements, das dazu ausgelegt ist, während des Maschinenbetriebs, in gleitendem Kontakt mit einer tribologischen Fläche eines zweiten Maschinenbauelements zu sein, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Aufbringen einer Polymerformulierung auf zumindest einen Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements, um eine Beschichtung auszubilden, wobei die Polymerformulierung ein Isocyanat, das zwei oder mehr Isocyanatgruppen pro Molekül und ein Isocyanat-reaktives Polyol enthält, um Polyurethane auszubilden, und einen Katalysator aufweist; und
(b) Aussetzen zumindest eines Teils der in Schritt (a) erhaltenen Beschichtung einer Härtungsbehandlung, während der Polyurethane in der Beschichtung auf zumindest einen Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements ausgebildet werden.

Solche polymerisierbaren Komponenten können die Verbindung, die ein oder mehr Fluor enthaltende Gruppen und/oder ein oder mehr Silizium enthaltende Gruppen enthält, umfassen. Beispiele geeigneter Katalysatoren umfassen Katalysatoren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Zinnkatalysatoren, Säurekatalysatoren, Säurephosphaten, aromatischen Säuren, und Kombinationen davon. Spezifische Beispiele geeigneter Zinnkatalysatoren umfassen Dibutylzinndiacetat (DBTDA) und Dibutylzinndilaurat (DBTDL). Spezifische Beispiele geeigneter Säurekatalysatoren umfassen Sulfonsäuren, die Dodecylbenzensulfosäure (DDBSA), Dinonylnapthalensulfonsäure (DNNSA), Dinonylnapthaledisulfonsäure (DNNDSA); und p-Toluensulfonamin (PTSA) umfassen.
In Schritt (b) wird zumindest ein Teil der in Schritt (a) erhaltenen Beschichtung einer Härtungsbehandlung ausgesetzt, während der Polyurethane in der Beschichtung auf zumindest dem Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements gebildet werden. Das Härten kann unter Verwendung von Wärme oder UV-Licht ausgeführt werden.
Für den Fall, dass die Härtungsbehandlung in Schritt (b) eine thermische Behandlung ist, wird eine Temperatur in dem Bereich von 50–200 °C, vorzugsweise in dem Bereich von 80–150 °C eingesetzt. Die thermische Behandlung kann in Arten und Weisen durchgeführt werden, die dem Fachmann bekannt sind. Geeignete thermische Behandlungen umfassen die Verwendung einer Wärmequelle, die auf die Beschichtung gerichtet ist, um die Bildung der Polyurethane in der Beschichtung auf der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements herzustellen. Zum Beispiel können ein oder mehrere Wärmequellen in unmittelbarer Nähe zu einer Sprüh- oder einer anderen Beschichtungsvorrichtung angeordnet sein, durch welche die wässrige Polymerformulierung auf die tribologische Fläche aufgebracht wird.
Für den Fall, dass eine UV-Behandlung als Härtungsbehandlung verwendet wird, wird ein UV-Licht mit einer Wellenlänge in dem Bereich von 250–450 nm verwendet.
Die UV-Behandlung kann auf Arten und Weisen durchgeführt werden, die dem Fachmann bekannt sind. Geeignete UV-Behandlungen umfassen die Verwendung von UV-Lampen, die Lichtwellen der gewünschten Wellenlänge in die Beschichtung abstrahlen, um die Bildung der Polyurethane in der Beschichtung auf der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements auszubilden. Zum Beispiel können eine oder mehrere UV-Lampen in unmittelbarer Nähe einer Sprüh- oder einer anderen Beschichtungsvorrichtung angeordnet sein, durch welche die wässrige Polymerformulierung auf die tribologische Fläche aufgebracht wird.
Die Polymerformulierung kann geeigneter Weise ein oder mehr Additive, wie beispielsweise ein Fließmittel, ein Benetzungsmittel und ein Gleit- oder Benetzungsmittel enthalten.
Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Anfertigen einer Beschichtung auf zumindest einem Teils einer tribologischen Fläche eines ersten Maschinenbauelements, das dazu ausgelegt ist, während des Maschinenbetriebs, in gleitendem Kontakt mit einer tribologischen Fläche eines zweiten Maschinenbauelements zu sein, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Aufbringen einer Polymerformulierung auf zumindest einen Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements, um eine Beschichtung auszubilden, wobei die Polymerformulierung ein Isocyanat, das zwei oder mehr Isocyanatgruppen pro Molekül und ein Isocyanat-reaktives Polyol enthält, um Polyurethane auszubilden, und ein Fließmittel, ein Benetzungsmittel und/oder ein Gleit- oder Benetzungsmittel aufweist; und
(b) Aussetzen zumindest eines Teils der in Schritt (a) erhaltenen Beschichtung einer Härtungsbehandlung, während der Polyurethane in der Beschichtung auf zumindest dem Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements ausgebildet werden.

Ein Fließmittel dient dazu, eine gute Nivellierung der Beschichtung zu ermöglichen, deren Gleichförmigkeit zu erhöhen, und kann auch die Tendenz reduzieren, dass die Fläche zerkratzt. Beispiele geeigneter Fließmittel umfassen Polyethersiloxane Copolymere, Polysiloxane und Polyacrylate. Fließmittel können geeigneter Weise in der wässrigen Polymerformulierung in einer Menge in dem Bereich von 0.1–1 wt%, basierend auf dem Gesamtgewicht der wässrigen Polymerformulierung, vorhanden sein.
Ein Benetzungsmittel dient dazu, die Interaktion der Beschichtung auf dem Substrat durch Modifikation dessen Oberflächenspannung an dieser Grenzfläche zu verbessern, und dient dazu, die Adhäsion zu dem Substrat zu erhöhen. Manchmal können sie auch eine Verbesserung in den Fließeigenschaften bieten. Beispiele geeigneter Benetzungsmittel umfassen anionische Tenside, kationische Tenside, nicht-ionische Tenside und Polyethersiloxan Copopolymere. Benetzungsmittel können geeigneter Weise in der wässrigen Polymerformulierung in einer Menge in dem Bereich von 0.1–1wt%, basierend auf dem Gesamtgewicht der wässrigen Polymerformulierung, vorhanden sein.
Ein Gleitmittel, Rutschmittel oder Anti-Reibungsmittel dient dazu, die Reibung der Beschichtung auf einer anderen Fläche zu senken. Beispiele geeigneter Gleitmittel oder Anti-Reibungsmittel umfassen Siloxane, Polyethersiloxan Copolymere und organisch modifizierte Siloxane. Gleitmittel, Rutschmittel oder Anti-Reibungsmittel können geeigneter Weise in der wässrigen Polymerformulierung in einer Menge in dem Bereich von 0.1–12 wt%, basierend auf dem Gesamtgewicht der wässrigen Polymerformulierung, vorhanden sein.
Die Beschichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angefertigt wird, weist vorzugsweise eine Dicke in dem Bereich von 1–100 Mikrometer, vorzugsweise in dem Bereich von 5–30 Mikrometer, auf.
Ein Beispiel einer geeigneten Anwendung der erfindungsgemäßen angefertigten Beschichtung ist in 1 dargestellt, die eine Querschnittsteilansicht einer Betätigungskolbendichtung zeigt. In einem üblichen Automatikgetriebe werden Kolben, die unter einem Fluiddruck verschoben werden, verwendet, um Kupplungspakete zu betätigen, die wiederum bestimmte Gänge einlegen. Die Betätigungskolbendichtung wandelt einen hydraulischen Druck in eine lineare Bewegung um und ist in einem Zylinder eines Gehäuses eines Automatikgetriebes angeordnet.
Die Dichtung 1 weist im Prinzip einen U-förmigen ringförmigen Metallkörper 2 und eine innere Lippe 3 und eine sich gegen eine Innenfläche 15 des Gehäuses 14 abstützende äußere Lippe 4 auf. Ein äußerer umfänglicher Abschnitt des ringförmigen Metallkörpers umfasst einen Flansch 4, der in Kontakt mit einer Kupplungsscheibenanordnung 11 ist. Die Dichtungsanordnung umfasst weiterhin ein Ausgleichselement 8, das an dem Zylindergehäuse 14 angebracht ist, und das eine Dichtlippe 9 aufweist, die gegen eine radial ausgerichtete Innenfläche 7 des ringförmigen Metallkörpers 2 drückt. Eine Rückstellfeder 12 ist zwischen axial ausgerichteten Flächen des Ausgleichselements 8 und des ringförmigen Metallkörpers 2 angeordnet.
Wenn ein Hydraulikfluid in eine Hydraulikkammer 16 eingebracht wird, wirkt ein Druck auf die Betätigungskolbendichtung 1, die linear in Richtung des Ausgleichselements 8 und der Kupplungsscheibe 11 verschoben wird, um die Kupplungsscheibe zu betätigen. Wenn der Hydraulikdruck entfernt ist, verursacht die Wirkung der Rückstellfeder 12, dass die Betätigungskolbendichtung an ihre Ausgangsposition zurückzukehrt. Die Betätigungskolbendichtung erfährt demnach eine hin und hergehende Bewegung, wodurch ein gleitender Kontakt zwischen der Innenfläche 15 des Gehäuses 14 und den Kontaktflächen der inneren und äußeren Dichtlippen 3, 4 der Betätigungskolbendichtung 1, und zwischen der Kontaktfläche der Dichtlippe 9 des Ausgleichselements 8 und der radialen Innenfläche 7 des ringförmigen Metallkörpers 2 der Betätigungskolbendichtung auftritt. In dem dargestellten Beispiel sind die Kontaktflächen der inneren und äußeren Lippen 3, 4 der Betätigungskolbendichtung 1 und der radialen Innenfläche 7 des ringförmigen Metallkörpers mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung ausgestattet, um die Reibung und den Verschleiß der Dichtlippen 3, 4, 9 zu reduzieren.
Die innere und äußere Lippe 3, 4 stammen aus einem Elastomermaterial und eine Beschichtung, wie im Beispiel 1 beschrieben, wird an der Kontaktfläche jeder Lippe bereitgestellt. Die gleiche Beschichtung oder eine Beschichtung, wie in den Beispielen 3–7, 9 und 10 beschrieben, wird auf der radialen Innenfläche 7 des ringförmigen Metallkörpers bereitgestellt.
Alternativ oder zusätzlich kann die Innenfläche 15 des Gehäuses 14 und die Kontaktfläche der Dichtlippe 9 des Ausgleichselements mit der Beschichtung ausgestattet sein. Eine lange Lebensdauer der Betätigungskolbendichtung wird dadurch unterstützt.
Eine erfindungsgemäße angefertigte Beschichtung kann auch vorteilhafter Weise in sich drehenden Dichtungsanwendungen verwendet werden.
2 zeigt ein Beispiel einer Dichtung 100, die einen ersten Teil 110 mit einem elastomeren Element 112, das an ein Metallhülsenelement 118 angebunden ist, aufweist. Ein zweiter Teil 120 der Dichtung besteht aus einer Schleuderscheibe, die einen zylindrischen Abschnitt 122 und einen radialen Flanschabschnitt 125 aufweist. Das elastomere Element 112 weist eine axiale Dichtlippe 115 auf, die sich gegen eine axiale Innenfläche 127 des radialen Flanschabschnitts abstützt. Diese axiale Innenfläche wird als eine axiale Gegenfläche bezeichnet. Das elastomere Element 112 des ersten Teils weist auch eine radiale Dichtlippe 117 auf, die sich gegen eine radiale Gegenfläche auf dem zylindrischen Abschnitt 122 der Schleuderscheibe 120 abstützt.
Die in 2 gezeigte Dichtung ist für die Verwendung in einer Radlagereinheit geeignet, die für eine Innenringrotation ausgelegt ist. Üblicherweise ist das Metallhülsenelement 118 an einem stationären Außenring der Lagereinheit angebracht und die Schleuderscheibe 120 ist an einem rotierenden Innenring angebracht. Der Hauptzweck der Dichtung ist es, die Funktionalität der Lagereinheit zu schützen. Die Dichtung hält sowohl Schmiermittel in dem Lagerinnenraum zurück und verhindert auch das Eindringen von Verunreinigungen, wie beispielsweise Feuchtigkeit und Staub. Die axiale Dichtlippe 115 ist besonders zum Verhindern des Eintritts von Verunreinigungen wichtig, und ist daher im Allgemeinen in einem engen Kontakt mit der axialen Gegenfläche 127. Um sicherzustellen, dass der enge Kontakt aufrechterhalten wird, kann der erste Teil der Dichtung weiterhin eine Zugfeder 140 umfassen.
Wenn die Schleuderscheibe 120 rotiert, wird eine Reibung demzufolge aufgrund des gleitenden Kontakts zwischen der axialen Lippe 115 und der axialen Gegenfläche 127 erzeugt. Um die Reibung zu reduzieren und um einen Verschleiß der axialen Lippe 115 zu verhindern, ist zumindest die axiale Gegenfläche 127 mit einer Beschichtung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestattet. Entsprechend ist auch die radiale Gegenfläche mit der Beschichtung ausgestattet. Die Beschichtung, die in Beispiel 5 beschrieben ist, wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aufgebracht, aber es kann entsprechend jede der in den Beispielen beschriebenen Beschichtungen verwendet werden.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Beschichtung auf einer Kontaktfläche der axialen Lippe 115 und der radialen Lippe 117 bereitgestellt.
Zusätzlich zu den dichtenden Anwendungen kann die Beschichtung der Erfindung auch vorteilhafterweise verwendet werden, um die Reibung in Gleitlageranordnungen zu reduzieren. Ein Beispiel einer Gleitlageranordnung ist in 3 dargestellt.
Die Anordnung 30 umfasst eine Welle 32, die schwenkbar oder drehbar um eine Achse a sein kann. Die Welle wird relativ zu einem Gehäuse (nicht gezeigt) mittels einer Buchse 35 gelagert, die aus einem steifen Polymermaterial hergestellt ist. Bei Verwendung ist eine äußere Fläche der Welle in gleitendem Kontakt mit einer inneren Fläche der Buchse. Um die Reibung zu reduzieren, ist die innere Fläche der Buchse mit einer wie beispielsweise in irgendeinem der Beispiele beschriebenen Beschichtung ausgestattet. Die Beschichtung 37 wird als eine Schicht mit einer sichtbaren Dicke dargestellt, obwohl sie üblicherweise eine Dicke von ungefähr 30 Mikrometern aufweist.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die äußere Fläche der Welle oder einer an die Welle angebrachten Hülse mit der Beschichtung ausgestattet.
Vorteile der Erfindung werden aus den folgenden Beispielen offensichtlich werden.
Beispiele
Beispiel 1
5,8 g eines Polyisocyanats (Desmodur N3600, erhältlich bei Covestro AG) wurde sorgfältig durch Rühren mit 10,6 g (ml) eines Acrylpolyols (Bayhydrol A2695, erhältlich bei Covestro AG) gemischt. 1,3 ml einer Hydroxypolydimethylsiloxan-Dispersion (Tego Protect N5100, erhältlich bei Evonik Industries AG) wurde dann hinzugefügt und wieder sorgfältig für einige Minuten unter die anderen Komponenten gemischt. Einige Tropfen (ungefähr 0,2% w/w Formulierung) eines Benetzungsmittels (Tego Wet 270, erhältlich bei Evonik Industries AG) wurden ebenfalls hinzugefügt und für einige Minuten in die Formulierung gerührt. Zu dieser Mischung wurde 1 ml deionisiertes Wasser hinzugefügt und durch Rühren eingemischt, um die Viskosität zu reduzieren. Die Mischung wurde dann für ungefähr 22 Minuten stehen gelassen. Die wässrige Polymerdispersion, die so erhalten wurde, wurde dann als eine dünne Schicht auf einen flachen Elastomerring aus Fluorkohlenstoffkautschuk (FKM) mit einer Dicke von ungefähr 75 Mikrometer aufgebracht und zum allmählichen Trocknen bei Raumtemperatur über 24 Stunden zurückgelassen, gefolgt von einer Behandlung bei 120°C für 3 Stunden in einem Heißluftherd. Auf diese Weise wurde auf dem FKM-Elastomerring eine dünne lichtdurchlässige, flexible Beschichtung hergestellt.
Die dynamische Reibung des so erhaltenen Rings wurde dann unter Verwendung eines Tribometers [CETR UMT-3] bei 25 °C und bei einem Kontaktdruck von 0,2 MPa gegen eine geschmierte Stahlgegenfläche für eine Abfolge von zunehmenden Drehzahlen von 0,025m/s, 0,049m/s, 0,12m/s, 0,25 m/s, 0,49 m/s, 1,23 m/s, 2,47 m/s und 4,93 m/s für jeweils 30 Sekunden getestet. Ein vollständig synthetisches Motoröl wurde für das Experiment verwendet (Mobil Super 3000X1 5W30). Diese Abfolge wurde dann unter den gleichen Bedingungen in umgekehrter Reihenfolge zu 0,049 m/s durchlaufen. Vor dem Test auf verschiedene Geschwindigkeiten wurde die Probe für mehrere Minuten bei Umgebungsbedingungen und 0,2 MPa bei 0,12 m/s eingefahren. Das Experiment wurde wiederholt, indem die gleiche Probe bei 50 °C, 70 °C und 100 °C verwendet wurde.
Das Testen des Rings wurde zweimal wiederholt und die Reibung mit Daten, die zwischen einer Dauer von ungefähr 20 Sekunden von jeder Testgeschwindigkeit gemessenen wurden. Ein Durchschnitt des Koeffizienten der dynamischen Reibung zusammen mit dem Bereich zwischen den höchsten und niedrigsten Werten wurde aufgezeichnet.
Aus Vergleichsgründen wurde ein FKM-Elastomerring mit identischen Dimensionen ohne eine erfindungsgemäße Beschichtung und unter den gleichen Bedingungen und mit dem gleichen Öl getestet.
Beschichteter FKM-Elastomerring (gemäß der Erfindung)
Gemäß vorliegender Erfindung wurden folgende Ergebnisse erhalten.
Für aufsteigende Kontaktgeschwindigkeiten bei 25 °C zeigte der durchschnittliche dynamische Reibungskoeffizient des beschichteten Elastomers ein Minimum von 0,10 bei 0,25 m/s und ein Maximum von 0,22 bei 0,025 m/s bei aufsteigender Kontaktgeschwindigkeit. Eine abnehmende Kontaktgeschwindigkeit zeigte ein ähnliches Verhalten wie die aufsteigende Geschwindigkeit.
Für aufsteigende Kontaktgeschwindigkeiten bei 50 °C zeigte der durchschnittliche dynamische Reibungskoeffizient des beschichteten Elastomers ein Minimum von 0,14 bei 0,49 m/s und ein Maximum von 0,16 bei 0,049 m/s bei aufsteigender Kontaktgeschwindigkeit. Eine abnehmende Kontaktgeschwindigkeit zeigte ein ähnliches Verhalten wie die aufsteigende Geschwindigkeit.
Für aufsteigende Kontaktgeschwindigkeiten bei 70 °C zeigte der durchschnittliche dynamische Reibungskoeffizient des beschichteten Elastomers ein Minimum von 0,16 bei 0,49 m/s und ein Maximum von 0,17 bei 0,024 m/s bei aufsteigender Kontaktgeschwindigkeit. Eine abnehmende Kontaktgeschwindigkeit zeigte ein ähnliches Verhalten wie die aufsteigende Geschwindigkeit.
Für aufsteigende Kontaktgeschwindigkeiten bei 100 °C zeigte der durchschnittliche dynamische Reibungskoeffizient des beschichteten Elastomers ein Minimum von 0,16 bei 1,23 m/s und ein Maximum von 0,17 bei 0,049 m/s bei aufsteigender Kontaktgeschwindigkeit. Eine abnehmende Kontaktgeschwindigkeit zeigte ein ähnliches Verhalten wie die aufsteigende Geschwindigkeit.
Unbeschichteter FKM-Elastomerring (nicht gemäß der Erfindung)
Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten.
Für aufsteigende Kontaktgeschwindigkeiten bei 25 °C zeigte der durchschnittliche dynamische Reibungskoeffizient des unbeschichteten FKM-Elastomers ein Minimum von 0,32 bei 0,25 m/s und ein Maximum von 0,43 bei 0,025 m/s bei aufsteigender Kontaktgeschwindigkeit. Eine abnehmende Kontaktgeschwindigkeit zeigte ein ähnliches Verhalten wie die aufsteigende Geschwindigkeit.
Für aufsteigende Kontaktgeschwindigkeiten bei 50 °C zeigte der durchschnittliche dynamische Reibungskoeffizient des unbeschichteten FKM-Elastomers ein Minimum von 0,31 bei 4,93 m/s und ein Maximum von 0,40 bei 0,025 m/s bei aufsteigender Kontaktgeschwindigkeit. Eine abnehmende Kontaktgeschwindigkeit zeigte ein ähnliches Verhalten wie die aufsteigende Geschwindigkeit.
Für aufsteigende Kontaktgeschwindigkeiten bei 70 °C zeigte der durchschnittliche dynamische Reibungskoeffizient des unbeschichteten FKM-Elastomers ein Minimum von 0,30 bei 4,93 m/s und ein Maximum von 0,44 bei 0,025 m/s bei aufsteigender Kontaktgeschwindigkeit. Eine abnehmende Kontaktgeschwindigkeit zeigte ein ähnliches Verhalten wie die aufsteigende Geschwindigkeit.
Für aufsteigende Kontaktgeschwindigkeiten bei 100 °C zeigte der durchschnittliche dynamische Reibungskoeffizient des unbeschichteten FKM-Elastomers ein Minimum von 0,30 bei 4,93 m/s und ein Maximum von 0,42 zwischen 0,025–0,049 m/s bei aufsteigender Kontaktgeschwindigkeit. Eine abnehmende Kontaktgeschwindigkeit zeigte ein ähnliches Verhalten wie die aufsteigende Geschwindigkeit.
Beispiel 2
Die gleiche wie in Beispiel 1 verwendete wässrige Polymerdispersion wurde auf einen Elastomerring mit den gleichen Dimensionen aus Nitrilbutadienkautschuk (NBR) beschichtet. Der Ring wurde unter trockenen Schmierbedingungen getestet.
Die dynamische Reibung wurde unter trockenen Bedingungen unter Verwendung eines Tribometers [CETR UMT-3] bei 25°C gegen eine Stahlgegenfläche bei einem Kontaktdruck von 0.2 MPa für eine Abfolge von zunehmenden Drehgeschwindigkeiten von 0,16 mm/s, 0,25 mm/s, 0,49 mm/s, 0,86 mm/s, 1,6 mm/s, 2,5 mm/s, 4,9 mm/s, 8,6 mm/s, 16 mm/s, 25 mm/s, 49 mm/s und 99 mm/s gemessen. Die Temperatur wurde bei 25°C gehalten.
Aus Vergleichsgründen wurde ein NBR-Elastomerring identischer Dimensionen ohne eine Beschichtung und unter den gleichen Bedingungen getestet.
Beschichteter NBR-Elastomerring (gemäß der Erfindung)
Ein minimaler dynamischer Reibungskoeffizient von 0,10 wurde bei 0,86 mm/s mit einem Maximum von 0,16 bei 99 mm/s aufgezeichnet.
Unbeschichteter NBR-Elastomerring (nicht gemäß der Erfindung)
Ein minimaler dynamischer Reibungskoeffizient von 0,48 wurde bei 0,16 mm/s mit einem Maximum von 1,51 bei 99 mm/s aufgezeichnet.
Beispiel 3
10,6 g eines Acrylpolyols (Bayhydrol A2695, erhältlich bei Covestro AG) wurde zu 2 ml Azeton (99%) hinzugefügt und für mehrere Minuten durch Rühren zusammengemischt. 3 ml eines Nanosilica (Tego Nanopol C764, erhältlich bei Evonik Industries AG) wurde dann als eine 50 wt% Formulierung in ein Acetat hinzugefügt und sorgfältig gemischt. Einige Tropfen (ungefähr 0.2% w/w Formulierung) eines Benetzungsmittels (Tego Wet 270, erhältlich bei Evonik Industries AG) wurden zugefügt und in die Formulierung gerührt, nachdem dann eine Hydroxypolydimethylsiloxan-Dispersion 1,3 ml von Tego Protect N5100 (erhältlich bei Evonik Industries AG) hinzugefügt wurde und für einige Minuten sorgfältig in die anderen Komponenten gemischt wurde. 5,8 g eines Polyisocyanats (Desmodur N3600, erhältlich bei Covestro AG) wurden dann hinzugefügt und gemischt, nachdem letztendlich 1.0 ml deionisiertes Wasser hinzugefügt und in die Formulierung gemischt wurde. Die Mischung wurde dann für ungefähr 22 Minuten stehen gelassen, um zu ermöglichen, dass Luftblasen die so erhaltene wässrige Polymerdispersion verlassen.
Die wässrige Polymerdispersion wurde dann als eine dünne Schicht auf einen flachen Elastomerring aus Fluorkohlenstoffkautschuk (FKM) mit einer Dicke von ungefähr 75 Mikrometer aufgetragen und zum allmählichen Trocknen bei Raumtemperatur über 24 Stunden zurückgelassen, gefolgt von einer Behandlung bei 120°C für 3 Stunden in einem Heißluftherd. Auf diese Weise wurde eine dünne lichtdurchlässige, flexible Beschichtung auf dem Elastomerring aus FKM hergestellt.
Die dynamische Reibung wurde unter trockenen Bedingungen unter Verwendung eines Tribometers [CETR UMT-3] bei 25°C gegen eine Stahlgegenfläche mit einem Kontaktdruck von 0,2 MPa für eine Abfolge von zunehmenden Drehgeschwindigkeiten von 0,16 mm/s, 0,25 mm/s, 0,49 mm/s, 0,86 mm/s, 1,6 mm/s, 2,5 mm/s, 4,9 mm/s, 8,6 mm/s, 16 mm/s, 25 mm/s, 49 mm/s und 99 mm/s gemessen. Die Temperatur wurde bei 25°C gehalten.
Aus Vergleichsgründen wurde ein Elastomerring aus FKM identischer Dimensionen ohne eine Beschichtung und unter den gleichen Bedingungen getestet.
Beschichteter FKM-Elastomerring (gemäß der Erfindung)
Ein minimaler dynamischer Reibungskoeffizient von 0,09 wurde bei 0,16 mm/s mit einem Maximum von 0,18 bei 99 mm/s aufgezeichnet.
Unbeschichteter FKM-Elastomerring (nicht gemäß der Erfindung)
Ein minimaler dynamischer Reibungskoeffizient von 0,27 wurde bei 0,16 mm/s mit einem Maximum von 0,78 bei 99 mm/s aufgezeichnet.
Beispiel 4
5,8 g eines Polyisocyanats (Desmodur N3600, erhältlich bei Covestro AG) wurde mit 10,6 g eines Acrylpolyols (Bayhydrol A2695, erhältlich bei Covestro AG) gemischt und durch sorgfältiges Rühren gemischt. Zu dieser Mischung wurde 1 ml deionisiertes Wasser hinzugefügt und durch Rühren eingemischt, um die Viskosität zu reduzieren. Die Mischung wurde dann für ungefähr 22 Minuten stehen gelassen. Die so erhaltene wässrige Polymerdispersion wurde dann als eine dünne Schicht auf einen flachen Elastomerring aus Fluorkohlenstoffkautschuk (FKM) mit einer Dicke von ungefähr 75 Mikrometern aufgetragen und zum allmählichen Trocknen bei Raumtemperatur über 24 Stunden zurückgelassen, gefolgt von einer Behandlung bei 120°C für 3 Stunden in einem Heißluftherd. Auf diese Weise wurde eine robuste, gut anhaftende Beschichtung auf dem FKM-Elastomerring hergestellt.
Aus den Ergebnissen in den oberen Bespielen wird klar, dass die vorliegende Erfindung eine deutliche Verbesserung in Bezug auf Reibungsreduktion begründet, wenn sie mit einem konventionellen unbeschichteten Elastomerring verglichen wird.
Beispiel 5
10,6 g eines Acrylpolyols (Bayhydrol A2695, erhältlich bei Covestro AG) wurde zu 2 ml Azeton (99%) hinzugefügt und für einige Minuten durch Rühren zusammengemischt. 3,0 ml eines Nanosilica (Tego Nanopol C764, erhältlich bei Evonik Industries AG) wurde dann hinzugefügt und sorgfältig gemischt. 1,3 ml der Hydroxypolydimethylsiloxan-Formulierung Tego Protect N5100 (erhältlich bei Evonik Industries AG) wurde dann hinzugefügt und sorgfältig für einige Minuten in die anderen Komponenten gemischt. 5,8 g eines Polyisocyanats (Desmodur N3600, erhältlich bei Covestro AG) wurde dann hinzugefügt und gemischt, wonach zum Schluss 1.0 ml deionisiertes Wasser hinzugefügt wurde und sorgfältig in die Formulierung gemischt wurde. Die Mischung wurde dann für ungefähr 20 Minuten stehen gelassen, um zu ermöglichen, dass Luftblasen die so erhaltene wässrige Polymerdispersion verlassen.
Die wässrige Polymerdispersion wurde dann als eine dünne Schicht auf ein flaches Stahlsubstrat mit einer Dicke von ungefähr 75 Mikrometern aufgetragen und zum allmählichen Trocknen bei Raumtemperatur über 24 Stunden zurückgelassen, gefolgt von einer Behandlung bei 120°C für 3 Stunden in einem Heißluftherd. Auf diese Weise wurde eine dünne durchscheinende Beschichtung auf dem Stahl hergestellt.
Die dynamische Reibung wurde unter trockenen Bedingungen unter Verwendung eines Tribometers [CETR UMT-3] bei 25°C gegen einen flachen 6,6 Nylontestring mit einem Kontaktdruck von ungefähr 9 MPa für eine Abfolge von zunehmenden Drehgeschwindigkeiten von 0,16 mm/s, 0,25 mm/s, 0,49mm/s, 0,86 mm/s, 1,6 mm/s, 2,5 mm/s, 4,9 mm/s, 8,6 mm/s, 16 mm/s, 25 mm/s, 49 mm/s und 99 mm/s gemessen. Die Temperatur wurde bei 25°C gehalten.
Die beschichtete Stahloberfläche, wie oben angefertigt, wurde getestet und ein minimaler dynamischer Reibungskoeffizient von 0,09 wurde bei 8,6 mm/s mit einem Maximum von 0,11 bei 0,16 mm/s aufgezeichnet.
Beispiel 6
5,8 g eines Polyisocyanats (Desmodur N3600, erhältlich bei Covestro AG) wurde sorgfältig durch Rühren mit 10,6 g eines Acrylpolyols (Bayhydrol A2695, erhältlich bei Covestro AG) gemischt. 1,3 ml einer Hydroxypolydimethylsiloxan-Formulierung (Tego Protect N5100, erhältlich bei Evonik Industries AG) wurde dann hinzugefügt und wieder für einige Minuten sorgfältig in die anderen Komponenten gemischt. Zu dieser Mischung wurde 1 ml deionisiertes Wasser hinzugefügt und durch Rühren gemischt, um die Viskosität zu reduzieren. Die Mischung wurde dann für 20 Minuten stehen gelassen.
Die so erhaltene wässrige Polymerdispersion wurde dann als eine dünne Schicht auf ein flaches Stahlsubstrat mit einer Dicke von ungefähr 75 Mikrometern aufgetragen und zum allmählichen Trocknen bei Raumtemperatur über 24 Stunden zurückgelassen, gefolgt von einer Behandlung bei 120 °C für 3 Stunden in einem Heißluftherd. Auf diese Weise wurde eine dünne, durchscheinende Beschichtung auf dem Stahl hergestellt.
Die dynamische Reibung wurde unter trockenen Bedingungen unter Verwendung eines Tribometers [CETR UMT-3] bei 25°C gegen einen flachen 6,6 Nylontestring bei einem Kontaktdruck von ungefähr 9 MPa für eine Abfolge von zunehmenden Drehgeschwindigkeiten von 0,16 mm/s, 0,25 mm/s, 0,49 mm/s, 0,86 mm/s, 1,6 mm/s, 2,5 mm/s, 4,9 mm/s, 8,6 mm/s, 16 mm/s, 25 mm/s, 49 mm/s und 99 mm/s gemessen. Die Temperatur wurde bei 25 °C gehalten.
Die beschichtete Stahloberfläche, wie in diesem Beispiel angefertigt, wurde getestet, und eine minimaler dynamischer Reibungskoeffizient von 0,08 wurde bei 8,6 mm/s mit einem Maximum von 0,10 bei 99 mm/s aufgezeichnet.
Beispiel 7
5,8 g eines Polyisocyanats (Desmodur N3600, erhältlich bei Covestro AG) wurde sorgfältig durch Rühren mit 10,6 g eines Acrylpolyols (Bayhydrol A2695, erhältlich bei Covestro AG) gemischt. 1,3 ml einer Hydroxypolydimethylsiloxan-Formulierung (Tego Protect N5100, erhältlich bei Evonik Industries AG) wurde dann hinzugefügt und wieder für einige Minuten sorgfältig in die anderen Komponenten gemischt. Zu dieser Mischung wurde 1 ml deionisiertes Wasser hinzugefügt und durch Rühren gemischt, um die Viskosität zu reduzieren. Die Mischung wurde dann für 20 Minuten stehen gelassen.
Die so erhaltene wässrige Polymerdispersion wurde dann als eine dünne Schicht auf ein flaches Stahlsubstrat mit einer Dicke von ungefähr 75 Mikrometern aufgetragen und zum allmählichen Trocknen bei Raumtemperatur über 24 Stunden zurückgelassen, gefolgt von einer Behandlung bei 120 °C für 3 Stunden in einem Heißluftherd. Auf diese Weise wurde eine dünne, durchscheinende Beschichtung auf dem Stahl hergestellt.
Die Formulierung wurde ebenfalls in einer ähnlichen Weise auf einen flachen Stahltestring aufgetragen und mittels der gleichen Bedingungen polymerisiert.
Die dynamische Reibung der zwei Flächen wurde dann unter Verwendung eines Tribometers [CETR UMT-3] bei 25°C bei einem ungefähren Bereich des Kontaktdrucks von 0,9 MPa bis 9 MP mit einer gleichbleibenden Drehgeschwindigkeit von 99 mm/s getestet. Die Temperatur wurde bei 25°C gehalten.
Die beschichtete Stahloberfläche, wie in diesem Beispiel angefertigt, wurde getestet, und ein minimaler dynamischer Reibungskoeffizient von 0,05 wurde bei 9 MPa mit einem Maximum von 0,07 bei 0,9 MPa aufgezeichnet.
Beispiel 8
Eine dünne Beschichtung der Beschichtung aus der Polyurethanacrylatformulierung, wie im Beispiel 5 hergestellt, wurde auf einen Stahlring mit 5 cm Außendurchmesser und 3 cm Innendurchmesser hergestellt.
Eine Mini Tractions-Maschine (MTM2, PCS Instruments) wurde verwendet, um den Traktionsreibungskoeffizient der der Beschichtung aus der Polyurethanacrylatformulierung zu bestimmen, wobei eine Kugel-auf-Scheibe-Anordnung verwendet wurde. Eine unbeschichtete Stahlkugel wurde bei einem Kontaktdruck von 750 MPa, einem Gleit-Roll-Verhältnis von etwa 5 %, bei gehaltenen 90 °C unter ölschmierenden Bedingungen (Tribol 1510 verwendet) verwendet. Die Rollgeschwindigkeit wurde von 50 auf 700 mm/s erhöht.
Ein durchschnittlicher Traktionskoeffizient von weniger als 0,01 wurde über 100 bis 600 mm/s erreicht. Dieses wurde unter Verwendung einer neu bereiteten Beschichtung auf einem Ring wiederholt, was ähnliche Ergebnisse ergab.
Ein Referenztest eines unbeschichteten Stahlrings gegen die Kugel wurde aus Vergleichsgründen durchgeführt, unter Verwendung identischer Testbedingungen, und ergab einen Traktionsreibungskoeffizienten zwischen 0,03 bis 0,04 in dem gleichen Geschwindigkeitsbereich.
Beispiel 9
0,15 g des Typ-I-Photoinitiators 1-Hydroxycyclohexylphenylketon wurde zu 10,0 g einer UV härtbaren wässrigen Polyurethan-Dispersion (Bayhydrol UV XP2690, Covestro AG) hinzugefügt und gemischt, bis der Initiator vollständig in der Dispersion aufgelöst war. Die Mischung wurde dann auf einen NBR-Elastomerring (~5cm Durchmesser) aufgetragen und bei 50°C für mehrere Stunden getrocknet, um Wasser und Lösungsmittel aus der Formulierung zu entfernen. Der resultierende Film wurde dann einer UV-Strahlung ausgesetzt, unter Verwendung eines Einzeldurchlaufs unter einer eisendotierten Quecksilberlampe (F300 lamp with D-bulb, FusionUV Inc.) mit 4 Metern pro Minute, was eine stabile Beschichtung auf dem Ring, eine Dicke von ~50 Mikrometer, produzierte.
Die dynamische Reibung unter trockenen Bedingungen wurde unter Verwendung eines Tribometers [CETR UMT-3] bei 25 °C, 37 °C und 55 °C gegen eine Stahlgegenfläche bei einem Kontaktdruck von 0.2 MPa für eine Abfolge von zunehmenden Drehgeschwindigkeiten von 0,16 mm/s, 0,25 mm/s, 0,49 mm/s, 0,86 mm/s, 1,6 mm/s, 2,5 mm/s, 4,9 mm/s, 8,6 mm/s, 16 mm/s, 25 mm/s, 49 mm/s und 99 mm/s gemessen. Die Temperatur wurde bei 25°C gehalten.
Eine NBR-Referenzprobe identischer Dimensionen ohne eine Beschichtung und unter den gleichen Bedingungen wurde getestet.
Bei 25 °C wurde für das beschichtete NBR-Elastomer ein minimaler dynamischer Reibungskoeffizient von 0,24 bei 0,16 mm/s mit einem Maximum von 0,42 bei 99 mm/s aufgezeichnet.
Bei 37 °C wurde für das beschichtete NBR-Elastomer ein minimaler dynamischer Reibungskoeffizient von 0,22 bei 0,16 mm/s mit einem Maximum von 0,49 bei 99 mm/s aufgezeichnet.
Bei 55 °C wurde für das beschichtete NBR-Elastomer ein minimaler dynamischer Reibungskoeffizient von 0,19 bei 0,16 mm/s mit einem Maximum von 0,64 bei 99 mm/s aufgezeichnet.
Beispiel 10
6,33 g eines Polyisocyanats (Desmodur N3900, Covestro AG) wurde sorgfältig in 11,0 g von Acrylpolyol (Bayhydrol 2058, Covestro AG) gemischt, gefolgt von einer tropfenweisen Zugabe von 2,6 g einer perfluorierten wässrigen Polyurethan-Dispersion (P56, Solvay-Solexis S.p.A) unter konstantem Rühren. Das Mischen wurde für weitere 5 Minuten beibehalten und mit der Dispersion für zumindest 30 Minuten stehen gelassen.
Die Dispersion wurde dann als eine dünne Schicht auf ein kreisförmiges flaches Stahlsubstrat mit einer Dicke von ungefähr 75 Mikrometer aufgetragen, und zum allmählichen Trocknen bei Raumtemperatur über 24 Stunden zurückgelassen, gefolgt von einer Behandlung bei 120°C für 3 Stunden in einem Heißluftherd. Auf diese Weise wurde eine sehr glatte, durchscheinende Beschichtung auf dem Stahl hergestellt.
Die Probe wurde dann unter Verwendung eines „Stift-auf-Scheibe“-Tribometers (Microtest S.A.) getestet, wobei eine Stahlkugel mit einem Durchmesser von 12.7 mm, 1 N Last bei einer Kontaktgeschwindigkeit von 1m/Minute mit einer Testdauer von einer Stunde verwendet wurde. Es wurden Reibwerte zwischen ungefähr 0,23 und 0,30 erreicht, mit einer höheren Reibung, die am Ende des Tests beobachtet wurde.
Von den Ergebnissen in den obigen Beispielen 1–10 wird klar, dass die vorliegende Erfindung mechanische Bauelemente bereitstellt, die attraktive reibungsarme Ausführungen zeigen. Die Ergebnisse der Beispiele 1–7, 9 und 10 zeigen attraktive reibungsarme Ausführungen unter Gleitkontaktbedingungen, während die Ergebnisse des Beispiels 8 zeigen, dass ein nützlicher Effekt auch unter Rollkontaktbedingungen erreicht werden kann.
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

US 6139261 [0003]
EP 1106878 [0004]

Claims

Ein Verfahren zum Anfertigen einer Beschichtung auf zumindest einem Teil einer tribologischen Fläche eines ersten Maschinenbauelements, das dazu ausgelegt ist, während des Maschinenbetriebs, in gleitendem Kontakt mit einer tribologischen Fläche eines zweiten Maschinenbauelements zu sein, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Aufbringen einer Polymerformulierung auf zumindest einen Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements, um eine Beschichtung auszubilden, wobei die Polymerformulierung ein Isocyanat aufweist, das zwei oder mehr Isocyanatgruppen pro Molekül und ein Isocyanat-reaktives Polyol enthält, um Polyurethane auszubilden; und (b) Aussetzen zumindest eines Teils der in Schritt (a) erhaltenen Beschichtung einer Härtungsbehandlung, während der die Polyurethane in der Beschichtung auf zumindest dem Teil der tribologischen Fläche des ersten Maschinenbauelements ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die in Schritt (b) erhaltene Beschichtung Polyurethane enthält, die eine Gruppe mit geringen Oberflächenspannungen enthalten, die gewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: einer Fluor enthaltenden Gruppe und einer Silizium enthaltenden Gruppe.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die in Schritt (b) erhaltene Beschichtung Polyurethane enthält, die eine Fluor enthaltende Gruppe und/oder eine Silizium enthaltende Gruppe enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei das Polyol und/oder das Isocyanat eine Fluor enthaltende Gruppe und/oder eine Silizium enthaltende Gruppe enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die wässrige Polymerformulierung weiterhin eine Verbindung aufweist, die eine Fluor enthaltende Gruppe enthält und/oder eine Verbindung aufweist, die eine Silizium enthaltende Gruppe enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Härtungsbehandlung in Schritt (b) eine thermische Behandlung ist, die bei einer Temperatur in dem Bereich von 50–250 °C ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, wobei die erhaltene Beschichtung eine Dicke in dem Bereich von 1–50 Mikrometer aufweist.
Ein Maschinenbauelement, auf dem eine Beschichtung unter Verwendung eines wie in einem der Ansprüche 1–7 definierten Verfahrens ausgebildet ist.
Eine Maschine, die ein erstes Maschinenbauelement aufweist, auf dem eine Beschichtung unter Verwendung eines wie in einem der Ansprüche 1–7 definierten Verfahrens ausgebildet ist, und ein zweites Maschinenbauelement aufweist, das in gleitendem Kontakt mit dem ersten Maschinenbauelement ist.
Verwendung einer Beschichtung wie mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7 angefertigt, um eine Reibung zwischen dem ersten Maschinebauelement und dem zweiten Maschinenbauelement, das in einem gleitenden Kontakt mit dem ersten Maschinenbauelement ist, zu reduzieren.