DE1569057C3 - Gleitmaterial - Google Patents

Description

Die Verwendung von Füllmaterial zwecks Änderung der physikalischen Eigenschaften von Kunststoffen ist bekannt. So können z. B. anorganische Füllmittel, wie Graphit oder Molybdänsulfid, Polyamiden zugefügt werden, um die Kristallinität des Polyamides zu erhöhen und das Polyamid mit einem darin enthaltenen Schmiermittel zu versehen. Dadurch wird die Beständigkeit des Polyamides gegen Abrieb und Abnutzung wesentlich verbessert. Auch klein geschnittene Fasern, wie Glas, können als Füllmittel für verschiedene Kunststoffe verwendet werden, wenn Verbesserungen der Festigkeit des Kunststoffes, wie Zugfestigkeit oder Druckfestigkeit, gewünscht werden.
- Es ist auch bereits bekannt, einem synthetischen Grundharz zur Verbesserung von dessen mechanischen Eigenschaften Polytetrafluoräthylen einzuverleiben. Insbesondere bei der Verwendung von derartigen Mischungen für Kunststoffgleitmaterialien werden in verschiedener Hinsicht nicht zufriedenstellende Ergebnisse erhalten. Derartige Materialien besitzen beispielsweise nicht die Eigenschaft, daß bei einem Heißlaufen des Lagers ein flüssiger Film aus dem zugesetzten Füllmittel gebildet und auf diese Weise die auftretende Reibung bedeutend verringert wird. Ferner läßt die Verschließfestigkeit zu wünschen übrig.

Der Zusatz von Polyolefinen zu anderen Kunststoffen führt zu beträchtlichen Komplikationen, denn es ist bekannt, daß es außerordentlich schwierig ist, brauchbare Mischungen aus polaren und unpolaren Kunststoffen herzustellen. Bei normalem Mischen wird das zugesetzte Polyolefin unter dem Einfluß der auftretenden Scherkräfte (den Laminarströmungen folgend) derart deformiert, daß es weder in Form von diskreten, d. h. kompakten, nicht zu Schlieren auseinandergezogenen Teilchen verbleibt, noch eine innige, also schichtenfreie Mischung ergibt. Das Gefüge der erhaltenen Mischung ist demzufolge unregelmäßig und enthält Schuppen, Fischaugen und/oder Schlieren. Solche Mischungen sind praktisch unbrauchbar, da sie unter dem Einfluß von Verformungskräften delaminieren bzw. aufsplittern.

Man hat deshalb versucht, die Mischungen aus einem synthetischen Grundharz und eingebrachtem Polyolefin dadurch zu verbessern, daß man eine möglichst vollkommen homogene Mischung beider Materialien herstellte, um zu Produkten zu kommen, die infolge besserer Durchdringung der beiden Komponenten brauchbare Eigenschaften aufweisen. Zu diesem Zweck wurden Knetstrangpressen und andere Mischvorrichtungen mit hoher Scherkraft verwendet, um die beiden Kunststoffe zusammenzuschmelzen und zu homogenisieren. Obgleich Polyäthylen mit den meisten geschmolzenen Harzen keine echte Lösung bildet, emulgieren die Mischvorrichtungen mit hoher Scherkraft die Komponenten oder mischen sie anderweitig gründlich, so daß die diskreten Polyäthylenteilchen zerstört werden. Diese Homogenisierung kann so intensiv sein, daß die Polyolefinteilchen eine fast monomolekulare Größe erreichen und nur mit Hilfe einer Elektronenmikroskops sichtbar sind. Der Einfachheit halber wird in der

ίο vorliegenden Beschreibung diese Art Schmelzmischens als »Homogenisierung« und deren Ergebnis als »homogene Struktur« bezeichnet, obgleich diese Bezeichnungen selbstverständlich relativ und nicht absolut sind. Wenn man bei diesen Verfahren eine vollkommene, ideale Vermischung der Polyolefine mit dem synthetischen Grundharz nicht erzielen konnte, so mußte dieses als unerwünschter Effekt angesehen werden. Diese vollkommen oder nahezu homogenen Mischungen des synthetischen Grundharzes mit PoIyolefin waren für Erzeugnisse vorgesehen, deren Glanz oder Gasdiffusionsfestigkeit verbessert werden sollten. Ihre Verwendung für Gleitmaterialien führt nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen, da die dafür notwendige Verschleißfestigkeit nicht gegeben ist.

Erfindungsgegenstand ist ein Gleitmaterial aus einer kontinuierlichen Phase eines üblichen synthetischen Kunststoffs mit diskret darin eingebetteten Teilchen eines anderen Kunststoffs, die etwa in ihrer ursprünglichen Form und Größe erhalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Kunststoff aus Polyolefin besteht.

Es wurde dabei gefunden, daß es möglich ist, unter Verwendung von Polyolefinen als Füllmittel in Kunststoffmaterialien eine Verbesserung der Gleitlagergesamteigenschaften des Produktes, insbesondere der Verschleißfestigkeit, Reibwerte und Notlaufeigenschaften zu erreichen, während gleichzeitig die wesentlichen Festigkeitseigenschaften des ungefüllten Materials weitgehend bewahrt bleiben, wenn die zugesetzten Polyolefinteilchen ihren diskreten Charakter bzw. ihre Ganzheit bewahren.

Dieses wird erreicht, indem man die Ganzheit der Polyolefinteilchen während des Mischvorgangs bewahrt, so daß das fertige Produkt eine Vielzahl identifizierbarer, diskreter Polyolefinteilchen enthält. Vorzugsweise werden dabei Polyäthylen- oder Polypropylenteilchen verwendet.

Dies erfordert erstens, daß keine Homogenisierung stattfindet, und zweitens, daß eine übermäßige Agglomerierung der Polyäthylenteilchen selbst vermieden wird, so daß die Polyäthylenteilchen weder in großen Massen zusammengeschmolzen werden, noch in Schichten in die Kunststoffmatrix geschmiert werden. Ganz allgemein kann gesagt werden, daß die durchschnittliche Teilchengröße der Polyäthylenteilchen nach Zugabe zur und Vermischung mit der Kunststoffmatrix vorzugsweise nicht weniger als etwa 0,01 mm betragen soll und daß Agglomerate oder Teilchen bis zu 2 oder 3 mm wirksam sind. Die optimale Größe der Polyäthylenteilchen hängt von der Endverwendung des Kunststoffmaterials ab. Soll z. B. der Kunststoff als Lager für einen verhältnismäßig kleinen, glatten Schaft verwendet werden, so kann angenommen werden, daß die optimale Teilchengröße des Polyäthylenmaterials geringer ist als für ein verhältnismäßig großes Lager für einen relativ rauhen Schaft.

Da Polyäthylen einen verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt hat, der allgemein erheblich unterhalb

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Da ein Abbau des Molekulargewichts und eine Das erfindungsgemäße Material kann hergestellt

Verringerung der Schmelzviskosität des Polyäthylens werden durch Einverleibung der Polyolefinteilchen in

bei erhöhten Temperaturen erfolgt, soll das Mischen Lösungen oder Dispersionen anderer synthetischer

unterbrochen werden, bevor die Schmelzviskosität des Materialien und durch anschließendes Trocknen zum

Polyäthylens sich zu sehr der Viskosität des Grund- 5 festen Zustand. In der Praxis erfolgt das Mischen

materials nähert. jedoch gewöhnlich während des Schmelzens des syn-

Allgemein kann angegeben werden, daß das Mole- thetischen Grundmaterials. Die Zugabe kann erfolgen, kulargewicht des Polyäthylens um so höher sein indem man entweder die Polyolefinteilchen kalt mit sollte, je strengere Bedingungen bezüglich Scherkraft dem Granulat oder Pulver des anderen synthetischen und Temperatur beim Mischen vorkommen. Wird io Materials mischt und die Mischung dann in eine z. B. in einem Extrem bei Strangpreß- und Spritz- erhitzte Behandlungsmaschine gibt, oder die PoIygußverfahren die Mischung sowohl hohen Scher- olefinteilchen können unmittelbar in das schon gekräften als auch hohen Temperaturen unterworfen, so schmolzene Grundmaterial gegeben werden. Es muß sind zur Vermeidung einer Homogenisierung relativ jedoch berücksichtigt werden, daß sich die- Polyolefine hochmolekulare Polyäthylene erforderlich. Anderer- 15 thermisch zu zersetzen beginnen, wenn die für Maseits machen es anionische Polymerisationsverfahren schinenelemente verwendeten synthetischen Grundfür Lactame bei niedriger Temperatur möglich, poly- materialien, wie Polyamid oder Polyacetal, ihren äthylengefüllte Polylactame ohne jede Scherkräfte bei Schmelzpunkt erreichen. Die Einbettung bei der Her-Temperaturen um oder manchmal sogar unterhalb des stellung der Granulate für Fertigprodukte oder die Schmelzpunktes des Polyäthylens zu gießen. In diesem 20 Behandlung der Granulate während der Herstellung Fall brauchen nur Polyäthylene mit niedrigen bis des Endproduktes muß so erfolgen, daß die Tempemittleren Molekulargewichten verwendet zu werden. ratur, bei welcher die thermische Zersetzung der PoIy-Zwischen diesen beiden Extremen liegen andere Be- olefine erfolgt, nur die kürzest mögliche Zeit aufrechthandlungsverfahren, wie z. B. das Verpressen und erhalten wird. Es ist weniger wichtig, ob eine hohe Sintern, wo die Temperaturen mäßiger sind als beim 25 Temperatur besteht, wenn die Schmelze bewegungslos StrangpressenundwodieScherkräfteunbedeutendsind. oder fast bewegungslos ist, wie z.B. während der

Polyäthylene mit einer Teilchengröße zwischen 0,01 Kühlphase des Kerns eines schweren, stranggepreßten

bis 0,8 mm, die eine unregelmäßige Form haben, so Stabes. Dabei sind die Polyolefine thermisch abgebaut

daß sich eine Vielzahl von Ankerpunkten zur festen und haben daher eine niedrigere Schmelzviskosität,

Einbettung der Teilchen in die Kunststoffmatrix 30 aber da die geschmolzene Masse ruht, erfolgt kein

bieten, werden bevorzugt. merkliches Mischen zwischen den Polyolefinteilchen

Das bevorzugte Grundmaterial wird von .Kunst- und dem einbettenden synthetischen Material,
stoffen mit hoher Festigkeit ausgewählt, die bei der Bei der Herstellung von Fertigteilen kann dieses Herstellung verschiedener Bestandteile für Maschinen, Zeitintervall überschritten werden, wenn sich die gewie Lager, Getriebe, Zahnräder, geeignet sind. Sehr 35 schmolzene Masse im Ruhezustand oder fast im Ruhezweckmäßig ist für das Grundmaterial die Verwendung zustand befindet und anschließend verfestigt,
von einem vorzugsweise filmhildenden Polyamid oder
Polyacetal. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung

von Polyhexamethylenadipamid, Polyhexamethylen- Beispiel 1
sebacamid, Polycaprolactam oder des Polymerisats 40
von Aminoundecansäure.

Das Gewichtsverhältnis des Füllmittels zum Grund- 100 Gewichtsteile Polyamid-6-granulat (Polycapromaterial ist nicht entscheidend, obwohl gewöhnlich lactam) mit einem Molekulargewicht von 70 000 Verhältnisse von etwa 2: 3 bis 1:1 nicht überschritten wurden in einem Trommelmischer unter Zugabe eines werden sollten. Vorzugsweise enthält das Gleitmaterial 45 Haftmittels, beispielsweise Paraffinöl, mit 18 Gewichtsetwa 80 bis 97 Gewichtsprozent an synthetischem teilen Polyäthylenpulver (Molekulargewicht 1 200 000 Grundharz und etwa 20 bis 3 Gewichtsprozent an und Teilchengröße zwischen 0,03 bis 0,5 mm) gemischt Polyolefin. und diese Mischung dann weiter in einer Granulat-Einbesonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Gleit- strangpresse behandelt. Die ausgestoßene Schmelze materials liegt darin, daß das Polyäthylen als einge- 50 hatte eine Temperatur von 240° C; die die Strangpresse schlossenes festes Schmiermittel dient, wodurch neue verlassenden Stränge hatten einen Durchmesser von Schmiermittelteilchen an der Oberfläche freigesetzt 2 bis 3 mm und wurden in kleine Stücke von 3 bis werden, wenn das Grundmaterial abgerieben oder 5 mm Länge geschnitten. Dieses Granulat wurde dann abgenutzt wird. Außerdem neigen die Polyäthylen- getrocknet und mittels einer Schneckenspritzgußteilchen dazu, die Poren und andere Unregelmäßig- 55 maschine bei 250°C zu kleinen Testwürfeln geformt, keiten der Oberflächen von Metallwellen oder -lagern In derselben Vorrichtung und unter identischen zu füllen. Indem sie einen Film auf der Welle bilden, Arbeitsbedingungen wurden einige Testwürfel aus verringern sie Abnutzung und Abrieb sowohl bei der reinem Polyamid-6-granulat ohne Zugabe von PolyWelle als auch beim Lager erheblich. äthylen gemacht.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Poly- 60 Sowohl die Mischung als auch das ungefüllte Polyolefine bei niedrigeren Temperaturen schmelzen als amid wurden in dünne Scheiben geschnitten und unter das Grundmaterial. Sollte sich daher ein Lager wäh- dem Mikroskop untersucht. Es zeigte sich, daß das rend des Arbeitens erhitzen, so erreicht die Temperatur Polyäthylen sich nicht mit dem Polyamidgrundzuerst den Schmelzpunkt des Polyolefins, und die material mischte, sondern seine unebene und unregel-Teilchen an der Oberfläche schmelzen unter Bildung 65 mäßige Form bewahrt hatte und in Form einzelner eines flüssigen, schmierenden Filmes, der wiederum Teilchen im Polyamid eingebettet war.
die Reibung verringert und eine weitere Umwandlung Acht Testwürfel jedes Materials wurden zu kleinen mechanischer Energie in Wärme vermindert. Lagern verarbeitet und getestet:

Polyamid ohne
Polyäthylen ..
Polyamid mit
Polyäthylen ..

Reibungskoeffizient

Temperaturänderung an der Meßstelle

bei einem Lagerdruck von
15 Kp/cm*13S Kp/cm⁸|15 Kp/cm'|35 Kp/cm'

0,05
0,04

0,17
0,06

20⁰C
13°C

57° C
28⁰C

Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, daß die Polyäthylenmischung bei höheren Lagerdrücken besonders wirksam ist.

Als weiteres Testergebnis konnte festgestellt werden, daß mit Lagern aus Polyamid mit Polyäthylenzusätzen kein knarrendes oder quietschendes Geräusch auftritt, selbst bei kritischen Geschwindigkeiten, was im Gegensatz steht zu Lagern aus reinem Polyamid, wo dieses Phänomen (verursacht durch den »Stick-Slip-Effekt«) häufig festgestellt werden kann. Der Grund für diese Verbesserung liegt in der Tatsache, daß der Reibungskoeffizient in Bewegung auf einen Wert in der Nähe des Reibungskoeffizienten im Ruhezustand gebracht wird.

Beispiel 2

Oberhalb der Aufnahmeöffnung einer Strangpresse wurden zwei Vibrationszuführungsvorrichtungen angebracht. Sie waren so eingestellt, daß die eine 5 Gewichtsteile Polyäthylenpulver einer Teilchengröße von 0,04 bis 0,2 mm mit einem Molekulargewicht von 1000 000 und die andere 100 Gewichtsteile PoIyacetalgranulat zuführte. Die Temperatur der Schmelze im Pressenkopf betrug 200⁰C. An den Pressenkopf war eine Strangpreßdüse für runde Stäbe von 40 mm Durchmesser angebracht. Das Polyäthylen und das Polyacetalharz erreichten die Schnecke zur gleichen Zeit, sie schmolzen auf dem Weg zum Strangpreßkopf, und das Polyäthylen wurde vom weniger viskosen Polyacetal eingehüllt. Diese Mischung wurde dann unter Druck aus der Schnecke durch die Strangpreßdüse gestoßen und zu einem Stab geformt. Abschnitte

ίο dieses Stabes wurden in einer Abriebmaschine getestet. In dieser Testvorrichtung wurden die Stababschnitte mit ihrer radialen Oberfläche gegen die zylindrische Oberfläche einer Stahlscheibe von 100 mm Durchmesser und 15 mm Breite gedrückt. Die 15 mm breite

X5 Spur, die die Scheibe in den Frontalteil des Stababschnittes von 40 mm Durchmesser schnitt, war ein Maß für den Abrieb. Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Stahlscheibe betrug 35 m pro Minute, der Anpreßdruck 4 kp. In diesem Test zeigte sich, daß das Acetal-

ao harz mit dem Polyäthylenzusatz nach 50 Stunden eine 20 °/₀ kleinere Abriebspur und nach 330 Stunden eine 38 % kleinere Abriebspur hatte als das reine Acetalharz.

Patentansprüche:

1. Gleitmaterial aus einer kontinuierlichen Phase eines üblichen synthetischen Kunststoffs mit diskret darin eingebetteten Teilchen eines anderen Kunststoffs, die etwa in ihrer ursprünglichen Form und Größe erhalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Kunststoff aus Polyolefin bestellt.

2. Gleitmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als diskret darin eingebettete Teilchen solche von unregelmäßiger Form mit einer Teilchengröße von 0,01 bis 3 mm enthält.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Gleitmaterial aus einer kontinuierlichen Phase eines üblichen synthetischen Kunststoffs mit diskret darin eingebetteten Teilchen eines anderen Kunststoffs, die etwa in ihrer ursprünglichen Form und Größe erhalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Kunststoff aus Polyolefin besteht.

2. Gleitmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als diskret darin eingebettete Teilchen solche von unregelmäßiger Form mit einer Teilchengröße von 0,01 bis 3 mm enthält.