DE19858825C2 - Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitfähigen Laufbelages eines Rades oder einer Rolle und elektrisch leitfähiger Laufbelag eines Rades oder einer Rolle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitfähi­ gen Laufbelages eines Rades oder einer Rolle und auf einen elektrisch leitfähigen Laufbelag eines Rades oder einer Rolle.

Die genannten Räder oder Rollen kommen beispielsweise in der Regal- und Flurför­ dertechnik, der Personenbeförderungstechnik und der Gebäudetechnik zum Einsatz. Die elektrisch leitfähige Ausführung des Lautbelages dient der Vermeidung bzw. Ableitung elektrostatischer Aufladungen, die durch das Abrollen von Rädern oder Rollen aus Kunststoff oder durch die Tätigkeit einer mittels der Räder oder Rollen bewegbaren Vorrichtung oder Maschine erzeugt werden können. Hierfür kann der elektrisch leitfähige Laufbelag auf einem elektrisch leitenden Metallkern sitzen, der wiederum elektrisch leitend mit einem Metallchassis verbunden sein kann. Speziell beim Einsatz in explosionsgefährdeter Umgebung ist die Verwendung von Rädern oder Rollen mit elektrisch leitfähigem Laufbelag vorgeschrieben und notwendig.

Gemäß den veröffentlichten europäischen Normentwürfen "Räder und Rollen - . . ." Schlußentwürfe prEN 12 528 bis 12 533 vom Mai 1998 gilt als Abnahmekriterium für elektrisch leitfähige Räder oder Rollen, daß der elektrische Widerstand des Prüflings R ≦ 10⁴ Ω sein muß. Für antistatische Räder oder Rollen gilt als Abnahmekriterium, daß für den elektrischen Widerstand des Prüflings gilt: 10⁵ ≦ R ≦ 10⁷ Ω. Dabei hat die Prüfung des elektrischen Widerstandes nach der ebenfalls in Vorbereitung befindli­ chen europäischen Norm "Räder und Rollen - Prüfverfahren und -geräte" (vgl. Schluß-Entwurf prEN 12527 vom Mai 1998) zu erfolgen. Im Rahmen dieser Anmel­ dung sind mit dem Begriff "elektrisch leitfähiger Laufbelag" sowohl elektrisch leit­ fähige als auch antistatische Räder oder Rollen im Sinne der Normentwürfe angespro­ chen, da die Erfindung für beide Bereiche der Herabsetzung des elektrischen Wider­ standes nutzbar ist. Vorzugsweise bezieht sich die Erfindung jedoch auf den Bereich elektrisch leitfähiger Räder oder Rollen gemäß den Normentwürfen.

Aus anderen Normen, wie z. B.
DIN EN 1755 - Flurförderzeuge, Einsatz in explosionsfähiger Atmosphäre
DIN 51 953 - Prüfung der Ableitfähigkeit für elektrostatische Ladungen für Bodenbeläge in explosionsgefährdeten Räumen
DIN ISO 2878 - Elastomere, antistatische und leitende Erzeugnisse, Bestim­ mung des elektrischen Widerstandes.
wdk 110, Blatt 3 - Ableitwiderstand von Reifen-Gütewerte
ist bekannt, daß der elektrische Widerstand des Prüflings R < 10⁶ bzw. R < 10⁸ Ω sein muß, um die Normen zu erfüllen.

Es sind bereits elektrisch leitfähige Gummiräder bekannt, die Rußpartikel einvulkani­ siert haben. Bei diesen Rädern ist nachteilig, daß sie einen schwarzen Abrieb haben. Außerdem ist Ruß für eine Verarbeitung bei Laufbelägen aus einigen Kunststoffen ungeeignet.

Es gibt jedoch auch schon elektrisch leitfähige Räder aus dem Kunststoff Polyurethan, die eine auf einem Metallkern sitzende Messingringbürste haben, die mit dem Me­ tallkern verbunden ist und am Umfang des Rades den Fußboden berührt. Bei diesen elektrisch leitfähigen Laufbelägen ist die Haltbarkeit begrenzt, weil die Borsten der Messingbürste infolge der ständigen dynamischen Verformung beim Abrollen des Rades im Laufe der Zeit abbrechen, was die Leitfähigkeit beeinträchtigt.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Her­ stellen eines elektrisch leitfähigen Laufbelages eines Rades oder einer Rolle und einen elektrisch leitfähigen Laufbelag eines Rades oder einer Rolle zu schaffen, der günsti­ gere Benutzungseigenschaften hat.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch einen Laufbelag mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden ein Basismaterial für den Laufbelag oder Bestandteile desselben Basismaterials, Carbonpartikeln und Polyorganosiloxane miteinander gemischt, in eine Form für den Laufbelag gegossen und - vorzugsweise unter Temperatureinwirkung - in der Form erhärtet. Der erfindungsgemäße Laufbelag weist eine erstarrte Mischung aus einem Basismaterial oder Bestandteilen desselben, Carbonpartikeln und Polyorganosiloxanen auf. Bei dem Basismaterial handelt es sich um ein Polyurethan-Elastomer. Ein Prepolymer des Polyurethan-Elastomers oder Bestandteile desselben werden mit den Carbonpartikeln, den Polyorganosiloxanen und einem Vernetzer vermischt. Der Vernetzer kann vorzugsweise zuletzt eingemischt werden, damit vorher genügend Zeit für das gleichmäßige Einmischen der Carbon­ partikel bleibt, die sehr fein sein können. Nach dem Einmischen des Vernetzers muß hingegen die Mischung wegen der beginnenden Vernetzung unverzüglich in die Form für den Laufbelag gegossen werden. Für eine gleichmäßige Einmischung der Carbon­ partikel kann ferner das Basismaterial oder können dessen Bestandteile den Carbon­ partikeln zugegeben und damit vermischt werden. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, die Carbonpartikel dem Basismaterial oder Bestandteilen desselben zuzu­ geben und diese damit zu vermischen.

Bei den Carbonpartikeln handelt es sich um Carbonfasern. Diese können verschiedene Längen haben, vorzugsweise maximal etwa 0,5 mm. Eine typische Länge der Carbon­ fasern beträgt etwa 0,35 mm. Eine optimale Verbesserung der Leitfähigkeit ohne eine nennenswerte nachteilige Beeinflussung der Verarbeitbarkeit der Mischung bzw. der Eigenschaften des Laufbelages wird erreicht, wenn die Carbonpartikel einen Anteil von 1,5 bis 4,0 Gew.-% der gesamten Mischung haben. Überraschenderweise wurde beobachtet, daß in diesem Konzentrationsbereich der Carbonpartikel der elektrische Widerstand des Laufbelages stark abnimmt, wogegen er bei geringeren oder größeren Konzentrationen nahezu unverändert hoch bzw. gering ist.

Die Polyorganosiloxane sind vorteilhafterweise Silikonöle, welche in geeigneter Form von der Firma Bayer AG, Leverkusen unter dem Markennamen "Baysilon" angeboten werden. Als besonders vorteilhaft hat sich der Einsatz von "Baysilon OF/OH 502" erwiesen, das bislang bei der Herstellung von großflächigen Artikeln im Formguß, wie zum Beispiel Platten, zum Einsatz kommt, um während der Verfestigungsphase an der Artikeloberfläche dünnwandige Strukturen, die in der Regel auf die äußere Schicht begrenzt sind, weitestgehend zu vermeiden. Die Verarbeitbarkeit der Mi­ schung ohne Beeinträchtigung der Eigenschaften des Laufbelages wird optimal durch einen Gewichtsanteil von etwa 0,5 bis 1,0 an der gesamten Mischung gefördert.

Die Anforderungen der eingangs erwähnten Normentwürfe bzw. Normen werden durch die Erfindung abgedeckt. Die Zusammensetzung/Einstellung der elektrisch leit­ fähigen Laufbeläge kann auf die jeweiligen Erfordernisse abgestimmt werden.

Herausragende Vorteile der Erfindung sind:

• - Sehr gute elektrische Leitfähigkeit.
• - Bei fachgerechter Anwendung keine elektrostatische Aufladung des Laufbelags und des Gerätes, unter dem die Laufbeläge montiert sind.
• - Die Laufbeläge hinterlassen keine Spuren oder Abdrücke auf empfindlichen Böden.
• - Durch die relativ geringen Zusatzbestandteile werden andere dynamische und sta­ tische Eigenschaften des Laufbelags nur unwesentlich beeinflußt.
• - Andere Vorrichtungen zur elektrischen Ableitung an Geräten (wie z. B. Kupfer­ drähte, die immer den Boden berühren) können bei Verwendung des Lautbelags dieser Erfindung entfallen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert:
Als elastomeres PUR-Basismaterial kommt beispielsweise der Werkstoff "Vulkollan" der Bayer AG, Leverkusen zum Einsatz. Dieser besitzt die charakteristischen Eigen­ schaften natürlichen bzw. synthetischen Kautschuks wie elastische Verformbarkeit, hohe Bruchdehnung und Zerreißfestigkeit, Rückprallelastizität und Schwingungs­ dämpfung. Darüber hinaus besitzt "Vulkollan" besonders hohe Abrieb- und Weiter­ reißwiderstände, Elastizitätsmodule, Verschleißwiderstände, Lebensdauer und Belast­ barkeit, Druckverformungsverhalten, Dimensionsstabilität und dynamische Belastbar­ keit und andere vorteilhafte Eigenschaften.

Zunächst wird das Polyol dieses PUR-Heißgießsystemes in einem temperierten Be­ hälter unter Rühren auf eine Temperatur von etwa 130°C gebracht, wobei durch An­ legen eines Vakuums eine Entgasung erfolgt. Danach erfolgt in einem Reaktionsgefäß die Einmischung eines speziellen Isocyanates (Desmodur 15) in einem bestimmten Mischungsverhältnis. Die Reaktion findet dann in einem Zeitraum von etwa 10 bis 15 Minuten unter intensivem Rühren statt. Hierdurch entsteht das Prepolymer.

Anschließend werden Carbonpartikel als Carbonfasern mit einer Länge von ca. 0,35 mm und Polysiloxane als Silikonöl (Baysilone 502) jeweils in einem bestimmten Mengenverhältnis über eine gewisse Zeit in das Prepolymer eingemischt. Zur gleichmäßigen Verteilung der feinen Carbonfasern über die gesamte Mischzeit kön­ nen diese aber auch vor den Bestandteilen des PUR-Heißgießsystems in den Misch- und Reaktionsbehälter eingegeben werden.

Wenn die gleichmäßige Verteilung der Carbonfasern und des Silikonöls erreicht ist, wird ein Vernetzer (1,4 Butandiol) untergemischt. Binnen weniger Minuten nach Einmischen des Vernetzers wird das fließfähige Material in eine Form für den Lauf­ belag gegossen, in der es erstarrt. Anschließend erfolgt noch eine thermische Nachbe­ handlung.

Im anliegenden Diagramm ist die Änderung des elektrischen Widerstandes über der Konzentration der Karbonfasern in der Mischung des Laufbelages dargestellt. Dabei ist der elektrische Widerstand gemäß eingangs erwähntem Normentwurf gemessen worden. Gemäß Diagramm ist der elektrische Widerstand bei einer Konzentration der Carbonfasern unter 1,5 Gew.-% nahezu unendlich. Mit zunehmender Konzentration im Bereich von 1,5 bis 4,0 Gew.-% fällt er stark ab bis auf einen Wert nahezu bei Null. Oberhalb 4,0 Gew.-% bleibt der elektrische Widerstand des Laufbelages auf nahezu konstant niedrigem Niveau.

Oberhalb der Widerstandskurve ist in das Diagramm ein Deutungsversuch für diesen empirischen Befund eingezeichnet. Bei Konzentrationen unter 1,5% bilden die Car­ bonfasern innerhalb des Laufbelages voneinander getrennte "Inseln", die die Außen­ fläche (oben) und die Innenfläche (unten) des Laufbelages nicht elektrisch leitend miteinander verbinden.

Im Konzentrationsbereich zwischen 1,5 und 4,0 Gew.-% entstehen durch zufällige Verbindungen zwischen benachbarten Carbonfasern mehr und mehr elektrisch lei­ tende Verbindungen zwischen der Außenfläche und der Innenfläche des Laufbelages. Dies ist am Beispiel einer elektrisch leitenden Verbindung in Form eines unregelmä­ ßig verlaufenden Fadens gezeigt.

Im Konzentrationsbereich über 4,0 Gew.-% kommen immer mehr leitfähige Verbin­ dungen hinzu, was jedoch dem elektrischen Widerstand, der bereits durch die ersten leitfähigen Verbindungen stark reduziert ist, kaum noch weiter mindert.

Claims (10)

1. Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitfähigen Laufbelages eines Rades oder einer Rolle, bei dem ein Prepolymer eines Polyurethan-Elastomeres oder Bestandteile des Prepolymers, Carbonfasern, Polyorganosiloxane und ein Ver­ netzer miteinander gemischt und in eine Form für den Laufbelag gegossen werden und die Mischung in der Form für den Laufbelag unter chemischer Reaktion erhärtet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Vernetzer zuletzt eingemischt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Polyurethan-Elastomer oder Bestandteile desselben den Carbonfasern zugegeben und damit vermischt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Carbonfasern dem Polyurethan-Elastomer oder Bestandteilen desselben zugegeben und damit ver­ mischt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Carbonfasern eine Länge von bis zu etwa 1 mm haben.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Carbonfasern eine Länge von maximal etwa 0,5 mm haben.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Carbonfasern einen Gewichtsanteil von 1,5 bis 4,0% an der gesamten Mischung haben.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Polyorganosiloxane ein Silikonöl sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Polyorganosiloxane einen Gewichtsanteil von etwa 0,5 bis 1% an der gesamten Mischung haben.

10. Elektrisch leitfähiger Laufbelag eines Rades oder einer Rolle, erhältlich mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.