DE4018114A1

DE4018114A1 - Verfahren zum tempern von werkstuecken aus duroplastischem kunststoff

Info

Publication number: DE4018114A1
Application number: DE4018114A
Authority: DE
Inventors: Franco Sanitate
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1990-06-06
Filing date: 1990-06-06
Publication date: 1991-12-12
Also published as: DE4018114C2; US5158732A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Tempern von Werkstücken aus einem duroplastischen Kunststoff, insbesondere ein Verfahren zum Tempern von Kolben oder anderen Teilen einer Kraftfahrzeug bremsanlage aus einem Duroplast.

Die Erfindung setzt sich das Ziel, das Wärmestandverhalten (also die Hitze-Widerstandsfähigkeit) der genannten Werkstücke zu ver bessern.

Es ist bekannt, bei Kraftfahrzeugbremsen Kunststoffteile, insbe sondere Kunststoffkolben zu verwenden. Dies hat insbesondere den Vorteil, daß aufgrund der schlechten Wärmeleitung durch den Kunststoff die beim Bremsen in den Bremsbelägen erzeugte Hitze in verringertem Maß zur Bremsflüssigkeit übertragen wird. Ein Aufheizen der Bremsflüssigkeit ist bei Bremsanlagen höchst uner wünscht, weil die bei einer Erhitzung auftretende Blasenbildung in der Bremsflüssigkeit die Bremswirkung erheblich beeinträchti gen kann.

Werden Werkstücke aus einem Duroplast auf die sogenannte Glas- Übergangstemperatur erhitzt, so kann dies, insbesondere bei einer sehr schnellen Erhitzung, zu einem explosionsartigen Freisetzen von Gasen im Kunststoff führen mit der Folge einer Beeinträchtigung der Stabilität des Materials, insbesondere durch Rissbildung od. dergl..

Zur Verbesserung des Wärmestandverhaltens der vorstehend genann ten Werkstücke aus duroplastischem Kunststoff sieht die Erfin dung vor, daß das Werkstück nach dem Pressen oder Formen gemäß einem vorgegebenen zeitabhängigen Temperaturanstieg über mehrere Stunden erhitzt wird, wobei nach einer anfänglichen Erhitzungs phase ein Abstand zur jeweiligen Glasübergangstemperatur von 5 bis 40°C eingehalten wird.

Bei der sogenannten Glasübergangstemperatur gehen hochpolymere Stoffe in einen glasartig-starren Zustand über. Diese Glasüber gangstemperatur (auch Glastransformationstemperatur genannt) ist bei einem Tempern eines Formkörpers aus einem duroplastischen Material eine Funktion der jeweiligen Temperatur, d. h. mit zu nehmender Temperatur erfolgen beim Tempern von duroplastischen Materialien Änderungen im Werkstoff, aufgrund derer die Glas übergangstemperatur ansteigt.

Die Erfindung sieht also ein Tempern des Werkstückes mit über mehrere Stunden ansteigender Temperatur vor, wobei zunächst in einer relativ kurzen Phase von weniger als 2 Stunden mit relativ steilem Temperaturgradienten eine Erhitzung des Werkstückes auf eine Temperatur erfolgt, die einen vorgegebenen Abstand unter halb der Glasübergangstemperatur liegt. Beispielsweise kann der Abstand 5 bis 40°C betragen, vorzugsweise 10 bis 30°C, insbeson dere etwa 20°C. Nach dieser anfänglichen Erhitzungsphase wird das Werkstück entweder in Stufen oder kontinuierlich über mehr als 10 Stunden erhitzt, wobei ein vorgegebener Abstand zur je weiligen Glastranformationstemperatur eingehalten wird. Im Laufe dieser Temperung kann der Abstand zur Glastranformationstempera tur zunehmend größer werden.

Die DE 39 05 412 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verbessern des Wärmestandverhaltens von Formkörpern aus thermoplastischen Werk stoffen, bei dem der Formkörper nach der thermoplastischen Ver arbeitung für einige Stunden einer thermischen Nachbehandlung unterzogen wird. Auf duroplastische Werkstoffe geht diese Druck schrift nicht ein.

Auch die DE 37 29 082 A1 beschreibt eine thermische Behandlung von thermoplastischen Werkstoffen, wobei man zu dem Ergebnis kommt, daß die Wärmestandfestigkeit mit der Dauer der Temperung ansteigt. Dabei sollen Stufentemperungen (oder auch Temperungen mit ansteigendem Temperaturgradienten) nicht so wirksam bezüg lich der Wärmestandfestigkeit sein wie eine Temperung bei der höchsten Temperaturstufe über die gesamte Temperzeit.

Die DE 38 11 810 A1 beschreibt eine Nachheizung von Werkstücken aus Durplasten im Sekundenbereich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß mit einem erfindungsgemäßen Temperaturprogramm für die Temperung zum einen sehr hohe Glastranformationstemperaturen des Materials erreicht werden können und zum anderen das Wärme standverhalten erheblich verbessert werden kann. Mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren können Glasübergangstemperaturen von über 300°C erreicht werden, und zwar sowohl für einstufige Harze als auch für zweistufige Harze. Für beide vorstehend genannten Duro plast-Arten sieht die Erfindung unterschiedliche Temperatur/- Zeit-Abhängigkeiten beim Tempern vor.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 die Temperatur/Zeit-Abhängigkeit beim Tempern eines Kolbens für eine Kraftfahrzeugbremse aus einem ein stufigen Harz und

Fig. 2 die Temperatur/Zeit-Abhängigkeit beim Tempern eines Kolbens für eine Kraftfahrzeugbremse aus einem zwei stufigen Harz.

In den Fig. ist auf der Ordinate jeweils die Temperatur in °C und auf der Abszisse die Zeit in Stunden aufgetragen.

Die Temperkurven sind in ihrem temperatur- und zeitabhängigen Verlauf durch die Buchstaben A bis K gekennzeichnet. Bei beiden Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 und 2 ist jeweils eine gestufte Erhöhung der Temperatur beim Tempern vorgesehen. Statt der gestuften Temperaturerhöhung kann auch eine kontinuierliche Erhöhung der Temperatur erfolgen, wobei die Temperkurve etwa dem Verlauf der in den Fig. durchgezogenen Linie entsprechen würde, aber abgeglättet wäre.

Kunststoffkolben für Kraftfahrzeugbremsen bestehen insbesondere aus ein- oder zweistufigen Harzen.

Bei einem einstufigen Harz, z. B. Phenol-Formaldehyd-Harz, ent steht bei Erhitzung unter Abgabe von Wasser ein Duroplast.

Bei einem zweistufigen Harz, z. B. Phenolharz als Grundstoff, entsteht durch Zusammenbringen mit Hexamethylentetramin (als Vernetzer) bei einer Temperatur von etwa 130°C eine stabile Mas se.

Bei weiterem Erhitzen über 130°C entweicht Ammoniak NH₃ und es entsteht ein Duroplast.

Werden diese Duroplaste auf die genannte Glasübergangstemperatur erhitzt, so entstehen in dem Harz Gase. Die anfängliche Glas übergangstemperatur beträgt bei einem einstufigen Duroplast etwa 200°C und bei einem zweistufigen Duroplast etwa 175°C.

Erfolgt das Tempern gemäß den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Tem perkurven, so gelingt es, unter Vermeidung von explosionsartigen Freisetzungen von Gas die Poren aufzuweiten und das Gas ohne Schaden entweichen zu lassen.

Gemäß Fig. 1 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel zum Tem pern eines Formkörpers aus duroplastischem Material auf der Ba sis eines einstufigen Harzes vorgesehen, daß das Werkstück nach dem Pressen in mehreren Stufen unterschiedlicher Temperatur aus gehärtet und ausgegast wird. Nach der anfänglichen Erhitzungspha se bis zum Punkt A, die entsprechend im Bereich von 1 h ±50% liegt, hat die Temper-Temperatur jeweils einen Abstand von min destens 20°C von der Glastransformationstemperatur (gestrichelte Linie). Anschließend entspricht der Temperatur-Anstiegsgradient etwa 20°C auf 2 bis 4 h. Am Anfang, d. h. im Anschluß an die Erhitzungsphase bis zum Punkt A, ist der Temperaturgradient flacher als im nachfolgenden Verlauf der Temperung. Bei einer gestuften Temperkurve gemäß Fig. 1 ist entsprechend die Verweil dauer bei der Temperatur von 180°C länger als bei der Temperatur von 200°C (zwischen den Punkten C und D der Fig. 1). Auf diese Weise wird der Temperaturgradient im Verlaufe der Temperung über viele Stunden zunehmend steiler, bis nach ca. 13 h der Punkt G erreicht ist, bei dem eine wiederum relativ lange Ausheizung bei sich nicht wesentlich ändernder Temperatur (240°C) durchgeführt wird, um eine sicheres Ausgasen des nun nur noch geringen Rest- Gasdruckes zu erreichen. Hierdurch wird auch die Kompressibili tät, die durch in den Poren entstehenden Gasdruck vergrößert wird, deutlich verringert.

Fig. 2 zeigt eine Temperkurve für einen Bremskolben aus einem Duroplast auf Basis eines zweistufigen Harzes. Hier hat sich eine Temperung über eine längere Zeitspanne als günstig erwie sen. In beiden Fällen erfolgt die Abkühlung nach 17 bzw. 26 h auf Raumtemperatur jeweils in einer Zeitspanne von etwa 1 h.

Im einzelnen ergibt sich aus Fig. 1 für das Tempern eines Kol bens aus einem einstufigen Harz folgendes:

- Erwärmen auf 180°C innerhalb 1 Stunde
Verweilen bei 180°C während 4 Stunden
- Erwärmen auf 200°C während 1 Stunde
Verweilen bei 200°C während 3 Stunden
- Erwärmen auf 220°C während 1 Stunde
Verweilen bei 220°C während 2 Stunden
- Erwärmen auf 240°C während 1 Stunde
Verweilen bei 240°C während 4 Stunden
Abkühlen auf Raumtemperatur während 1 Stunde

Gemäß Fig. 2 ergibt sich für das Tempern eines Kolbens aus einem zweistufigem Harz folgendes:

- Erwärmen auf 155°C während 1 Stunde
Verweilen bei 155°C während 2 Stunden
- Erwärmen auf 175°C während 2 Stunden
Verweilen bei 175°C während 2 Stunden
- Erwärmen auf 200°C während 2 Stunden
Verweilen bei 200°C während 2 Stunden
- Erwärmen auf 220°C während 2 Stunden
Verweilen bei 220°C während 2 Stunden
- Erwärmen auf 240°C während 3 Stunden
Verweilen bei 230°C während 8 Stunden
Abkühlen auf Raumtemperatur während 1 Stunde

Die jeweilgen Temperaturanstiege von Stufe zu Stufe betragen etwa 20°. Die Temperatur des Materials liegt aber immer etwa 20°C unterhalb der Glastranformationstemperatur.

Bevorzugt wird im mittleren Verlauf der Temperkurve die Verweil dauer in den einzelnen Stufen mit zunehmender Zeit kürzer (oder entsprechend bei einer kontinuierlichen Erhitzung der Tempera turgradient steiler). Dies wird dadurch erklärt, daß mit zuneh mender Polymerisation der Gasanfall geringer wird. Nur gegen Schluß des Tempervorganges wird eine wiederum längere Verweil dauer auf der letzten Stufe (bei einstufigem Harz bei 240°C) vorgesehen, um ein sicheres Ausgasen bei geringem Gasdruck zu erreichen.

Nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellte Kunst stoffkolben halten einer Temperaturbelastung von bis zu 400°C über 10 min ohne Beschädigung stand.

Der sich aus einem Vergleich der Fig. 1 und 2 ergebende Unter schied hinsichtlich des optimalen Verlaufs der Temperkurven zwischen einstufigen und zweistufigen Harzen liegt vermutlich darin, daß der Diffusionswiderstand für die bei zweistufigem Harz freiwerdenden Ammoniakmoleküle NH₃ durch die Makromoleküle des Duroplasts größer ist als der Diffusionswiderstand für Was sermoleküle bei einstufigem Harz.

Claims

1. Verfahren zum Tempern von Werkstücken aus einem duropla stischen Kunststoff, insbesondere einem Kolben für eine Kraft fahrzeugbremse, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück nach dem Pressen oder Formen gemäß einem vorgegebenen zeitabhängigen Temperaturanstieg über mehrere Stunden erhitzt wird, wobei nach einer anfänglichen Erhitzungsphase ein Abstand zur jeweiligen Glasübergangstemperatur von 5 bis 40°C eingehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstand zur jeweiligen Glasübergangstemperatur von 10 bis 30°C, vorzugsweise etwa 20°C eingehalten ist.