DE4324832C2 - Verfahren zur Herstellung geschäumter Siliconkautschukkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung geschäumter Siliconkautschukkörper nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Lager nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.

Federkörper aus elastischem Werkstoff werden in der Technik vielfältig eingesetzt. Primär aufgrund der guten Federkenndaten werden zu diesem Zweck vorwiegend gummielastische Werkstoffe auf der Basis von Naturkautschuk (NR), Nitrilkautschuk (NBR) oder Butylkautschuk (IIR) eingesetzt.

Für den Einsatz solcher Elastomerfedern im Bereich hoher Umge­ bungstemperaturen, so beispielsweise zur Motorlagerung und Aggregatelagerung im Kraftfahrzeugbau, weisen solche Federkör­ per jedoch den Nachteil einer nur begrenzten Dauerbeständigkeit bei höheren Temperaturen auf.

Bekannt ist weiterhin, daß elastomere Werkstoffe auf der Basis von Siliconkautschuk (SIR) gegenüber den vorstehend bekannten Kautschuktypen eine deutlich verbesserte Dauerbeständigkeit auch bei hohen und sehr hohen Temperaturen bei gleichzeitig sehr guter Tieftemperaturflexibilität aufweisen. Dennoch ist Si­ liconkautschuk bislang bevorzugt nur für elektrische Isola­ tionen und Dichtungen aller Art eingesetzt worden, da massive Siliconkautschukkörper nur mäßige Federkenndaten aufweisen und Lochgummifederkörper auf Siliconkautschukbasis zwar annehmbar verbesserte Federkenndaten, jedoch keine ausreichende mechani­ sche Festigkeit aufweisen.

Aus der europäischen Offenlegungsschrift EP 0 528 223 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung elastischer Si­ liconschaumstoffe mit homogener Porengröße und Porenverteilung bekannt. Bei dem Verfahren zur Herstellung dieser Schaumstoffe wird Luft unter Überdruck in ein Dreikomponenten-Silicon kautschuk-Vorprodukt physikalisch in maximal erreichbarer und möglichst homogener Mikrodispersion eingearbeitet. Dieser Mischvorgang erfolgt in einer Druckkammer. Nach Abschluß des Mischvorganges wird die homogene Dispersion entspannt und in ein Formwerkzeug überführt. Bei der anschließend einsetzenden Vernetzungsreaktion entsteht in der Massematrix der als Treib­ mittel dienende Wasserstoff, der in der in der Matrix fein ver­ teilten Luft als Trägermittel aufgenommen wird.

Problematisch bei diesen bekannten Verfahren zur Herstellung eines elastischen Siliconschaumstoffs ist das Erfordernis, die als Träger- und Verdünnungsmittel für das im Reaktionssystem als Treibmittel freigesetzte Wasserstoffgas eingearbeitete Luft zuvor homogen und feindispers durch mechanische Mischvorgänge in die Siliconkautschuk-Reaktionsmasse einbringen zu müssen. Dadurch sind der Zähigkeit der verarbeitbaren Siliconkautschuk­ mischungen enge Grenzen gesetzt. Qualitativ hochwertige und hochvernetzte, also besonders widerstandsfähige Silicon­ kautschuk-Schaumstoffe, die sich als Feder- und Lagermaterial eignen, lassen sich auf diesem Wege nicht herstellen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Federkör­ pern und Dämpfern mit insbesondere verbesserter Dauerbeständig­ keit auch bei erhöhter Temperatur zu schaffen, die den Kennda­ ten von Werkstoffen auf der Basis von Naturkautschuk, Nitril­ kautschuk oder Butylkautschuk zumindest nicht nachstehen und bei Ausbildung mit ausschließlich geschlossenen Poren eine pro­ duktionstechnisch zuverlässig reproduzierbare homogene und enge Porengrößenverteilung und eine homogene Verteilung der Poren in der Kautschukmatrix ermöglicht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Her­ stellung geschlossenzellig geschäumter Siliconkautschukkörper, das die Merkmale des im Patentanspruch 1 genannten Verfahrens aufweist, sowie durch ein Lager mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.

Der Erfindung liegt also der wesentliche Gedanke zugrunde, den zähflüssigen und hochviskosen Siliconölen, die den wesentlichen Bestandteil der Siliconkautschukmischungen bilden, aus denen durch Vernetzen der Siliconkautschuk hergestellt wird, physika­ lisch Luft oder ein anderes gegenüber der Silicon­ kautschukmischung inertes Gas einzumischen und das so erhaltene sowohl hinsichtlich der Gasblasengröße als auch der Gas­ blasenverteilung in der zähflüssigen Matrix hochgradig inhomo­ gene Zweiphasengemisch unter Vakuum zu vernetzen. Dabei wird überraschenderweise ein Siliconkautschukkörper erhalten, der bei hochgradig homogener Porengrößenverteilung, d. h. kaum streuender Porengrößenverteilung, gleichzeitig eine hochgradig homogene Verteilung der Poren in der Silikonkautschukmatrix aufweist.

Unerwartet und überraschend ist dabei weiterhin, daß auf diese Weise hergestellte geschäumte Siliconkautschukkörper sowohl un­ ter statischer als auch unter dynamischer Last, insbesondere auch Dauerbelastung, Federkenndaten aufweisen, die die ent­ sprechenden Federkenndaten von geometrisch identischen Loch­ gummi-Probekörpern aus elastomeren Werkstoffen auf der Basis von NR, NBR und ITR deutlich übertreffen.

Die so hergestellten Formkörper aus geschäumtem Silicon­ kautschuk erweisen sich daher als ideale hochtemperaturbeständige gummielastische Federkörper zur Herstellung von Lagern, und zwar sowohl von Radiallagern als auch von Axiallagern für den Einsatz bei hoher Umgebungstemperatur, speziell zu Lagerungszwecken im Motorraum von Kraftfahrzeugen.

Gegenstand der Erfindung ist dementsprechend weiterhin ein Mo­ torlager mit einem gummielastischen Federkörper aus geschlos­ senzellig geschäumtem Siliconkautschuk.

Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung zu Ver­ suchszwecken und im Labormaßstab können beispielsweise die bei­ den Komponenten eines handelsüblichen flüssigen Silicon­ kautschuks in einem offenen Gefäß unter Rühren mit einem Knet­ rührer mit einer Drehzahl im Bereich von ungefähr 100 bis 200 min^-1 miteinander vermischt werden. Erhitzt man dann das Gefäß unter Vakuum auf die erforderliche Vernetzungstemperatur der Siliconkautschukmischung, so wird ein vernetzter geschäumter Siliconkautschukkörper erhalten, dessen Volumen auf der Basis seiner äußeren Abmessungen um 300% bis 500% größer ist als das Volumen der ursprünglichen LSR-Mischung.

Die Durchführung des Verfahrens der Erfindung in der tatsäch­ lichen Produktion erfolgt vorzugsweise so, daß die beiden Kom­ ponenten einer handelsüblichen LSR-Mischung zunächst in übli­ cher Weise in einen Förderer, insbesondere einen statischen Förderer mit feststehender Mischschnecke, gegeben werden. Nach einer kurzen Vormischstrecke wird das erhaltene Gemisch im För­ derer mit Druckluft beaufschlagt. Das so im Förderer erhaltene Luft-LSR-Gemisch wird dann unmittelbar anschließend unter hohem Druck in das Formnest eines Formwerkzeugs geschleudert, wobei die eingeschleuderte Mischung das Formnest höchstens zu 25 bis 35 Vol.-% füllt. Nach dem Einschleudern der Formmasse wird das Formnest sofort vakuumdicht verschlossen und mit Vakuum beauf­ schlagt. Unter ständiger Vakuumbeaufschlagung erfolgt dann die Vernetzung des Siliconkautschuks im Temperaturbereich von ins­ besondere 180 bis 220°C, in der Regel in Gegenwart eines Pla­ tinkatalysators.

Als Förderer werden vorzugsweise Mischer, vor allem statische Mischer mit feststehender Mischschnecke, aber auch Extruder, Vormischer und/oder Kolbenpressen eingesetzt. Das Eindrücken der Luft kann dabei sowohl gleichzeitig mit dem Aufgeben und am Ort der Aufgabe der beiden einzelnen LSR-Komponenten in den Förderer erfolgen als auch nach einer Vormischung der beiden LSR-Komponenten, die vorzugsweise im Förderer oder Mischer selbst erfolgt. Wesentlich ist dabei lediglich, daß die LSR-Mi­ schung eine ausreichende Menge Luft aufnimmt, um ein ausrei­ chend gut geschäumtes Siliconkautschukteil zu erhalten.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Beispiels und eines Vergleichsbeispiels näher erläutert:

Vergleichsbeispiel

Die beiden Komponenten einer handelsüblichen flüssigen Sili­ conkautschukmischung werden langsam und vorsichtig miteinander vermischt. Dabei wird soweit als möglich vermieden, Luft in das Gemisch einzuziehen.

Die so hergestellte LSR-Mischung wird anschließend in eine nach oben offene zylindrische Form eingefüllt. Dabei wird wiederum vermieden, Luft in die Mischung einzuziehen.

Die zylindrische Form mit der so hergestellten und eingefüllten LSR-Mischung wird dann in einem Vakuumtrockenschrank bei 190°C in Gegenwart eines Platinkatalysators vernetzt. Während der Vernetzung quillt die Mischung um 12 Vol.-%.

Der nach Abschluß der Vernetzung erhaltene grobe Körper ist ein glasklarer Siliconkautschukzylinder, der eingeschlossene Luft­ blasen mit geschlossenzelliger Struktur erkennen läßt. Diese eingeschlossenen Luftblasen weisen eine breite Durchmes­ serverteilung auf, die von Durchmessern gerade noch mit bloßem Auge erkennbare Größe bis zu Durchmessern von einigen Millime­ tern reicht. Dabei zeigen die in der Siliconkautschukmatrix eingeschlossenen Luftblasen unabhängig vom Durchmesser eine stark inhomogene Verteilung über das Prüfkörpervolumen.

Die an diesem Probekörper aufgenommenen Federkennlinien sind schlecht reproduzierbar und entsprechen zumindest im wesentli­ chen Federkennlinien, die an gleichen Federkörpern aufgenommen wurden, die unter sonst gleichen Bedingungen unter Normaldruck vernetzt wurden.

Ausführungsbeispiel

Der vorstehend beschriebene Vergleichsversuch wird mit der Ab­ änderung wiederholt, daß die beiden zähflüssigen LSR-Komponen­ ten unter kräftigem Rühren in einem offenen Gefäß miteinander vermischt werden. Das Rühren erfolgt mit einem Knetrührerpaar bei einer Drehzahl von 150 min^-1. Bei diesem Mischen wird in erkennbarer Weise ein großer Anteil Luft in die Zäh-Viskosemi­ schung eingemischt. Die eingeschlossenen Luftblasen weisen eine breite Durchmesserverteilung auf. Auch ist ihre Verteilung in der zäh-viskosen Matrix homogen.

Das auf diese Weise hergestellte Gemisch aus der Silicon­ kautschukmischung und Luft wird unmittelbar im Anschluß an das Rühren in einem Vakuumtrockenschrank bei 190°C vernetzt. Dabei wird die Vakuumbeaufschlagung des Trockenschrankes bis zum vollständigen Abschluß der Vernetzung aufrechterhalten.

Nach dem Abkühlen und Ausformen wird nach diesem Verfahren ein Probekörper erhalten, dessen Volumen ungefähr das 3,5-fache des Volumens der Ausgangsmischung beträgt. Der vernetzte Pro­ bekörper ist ein glasklarer geschäumter Siliconkautschukkörper. Er weist eine sehr schmale Zellendurchmesserverteilung auf, d. h. er enthält Zellen, die alle praktisch den gleichen Durchmes­ ser haben. Diese Zellen sind vollkommen homogen über das ge­ samte Matrixvolumen des Probekörpers verteilt. Die an diesem Probekörper unter verschiedenen Einwirkrichtungen aufgenommenen Federkennlinien zeigen ein vollständig isotropes Federverhalten des geschlossenzellig geschäumten Siliconkautschukprüflings.

Bei ständigem Temperaturwechsel im Bereich zwischen Raumtempe­ ratur und 60°C zeigt der geschlossenzellig geschäumte Sili­ conkautschukkörper ein Setzen von <1%.

Zum Vergleich zeigt ein unter identischen Bedingungen geprüfter Naturkautschuk-Federkörper ein Setzen im Bereich zwischen 5% und 8%.

Der geschäumte Siliconkautschukprüfling zeigt unter statischer Last bei einer konstant geregelten Temperatur von 100°C nach sechs Wochen einen Druckverformungsrest von in jedem Fall <20%. Der unter identischen Bedingungen an einem identisch di­ mensionierten Naturkautschukprüfling gemessene Druckverfor­ mungsrest beträgt 70%.

Der nach dem vorstehenden Beispiel hergestellte geschäumte Si­ liconkautschuk-Federblock wird an seinen beiden einander ge­ genüberliegenden Stirnseiten mit je einer 2 mm dicken Blech­ platte verklebt. Jede der Blechplatten trägt zentral einen an­ geschweißten Schraubbolzen.

Das so aufgebaute Motorlager wird in ein Testfahrzeug eingebaut und eine Woche lang unter den unterschiedlichsten Fahrbe­ dingungen geprüft. Die Auswertung der so registrierten Feder­ kennlinien zeigt, daß der geschäumte Siliconkautschuk-Feder­ körper ein Federverhalten aufweist, das von Vergleichskennli­ nien kaum verschieden ist, die an einem identisch dimensio­ nierten Naturkautschuk- Lochgummi-Federblock aufgenommen worden sind.

Der nach dem Ausführungsbeispiel hergestellte geschlossenzellig geschäumte Siliconkautschuk-Federblock weist also unter stati­ schen und insbesondere auch unter dynamischen praxisbezogenen Verhältnissen ein Federverhalten auf, das dem entsprechender Lochgummifederblöcke auf Naturkautschuk entspricht, gegenüber diesen Naturkautschuk-Federblöcken aber bei wesentlich besserer Temperaturbeständigkeit ein überraschenderweise zusätzlich ver­ bessertes Dauerstandvermögen, speziell ein überlegen besseres Setzverhalten sowie einen wesentlich geringeren Druck­ verformungsrest.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung homogen geschlossenzellig ge­ schäumter Siliconkautschukkörper unter Verwendung einer unvernetzten zähflüssigen Silikonkautschukmischung, dadurch gekennzeichnet, daß die Silikonkautschukmischung mit Luft oder einem an­ deren gegenüber der Silikonkautschukmischung inertem Gas zur Porenbildung vermischt und anschließend zur Herstel­ lung des Silikonkautschukkörpers zum Vernetzen in ein Formwerkzeugnest eingefüllt wird, das dabei nur teilweise mit dem Gas-Silikonkautschuk-Gemisch gefüllt und unmit­ telbar anschließend an das Füllen und zumindest bis zum Beginn des Vernetzens der Silikonkautschukmischung mit Unterdruck beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einarbeiten der Luft in die Siliconkautschukmi­ schung unmittelbar in dem Förderer erfolgt, der die Mi­ schung in das Formnest einbringt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Förderer ein statischer Mischer eingesetzt wird, in den Druckluft eingedrückt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Luft vermischte Formmasse mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit in das Formnest eingeschleudert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Formmasse in Gegenwart eines Katalysators, insbe­ sondere Platinkatalysators, in einem Temperaturbereich von 180 bis 220°C vernetzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Formnest bis zu maximal einem Drittel seines Vo­ lumens mit dem Gas-Siliconkautschuk-Gemisch gefüllt wird.

7. Lager für Kraftfahrzeuge, insbesondere Motorlager für Kraftfahrzeuge, mit einem Federkörper aus gummielasti­ schem Werkstoff, gekennzeichnet durch einen Federkörper aus geschäumtem Siliconkautschuk.

8. Lager nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Ausbildung als radial belastbares oder axial belast­ bares Ringkernlager mit einem zumindest im wesentlichen zylindrischen geschäumten Siliconkautschukblock, der eine durchgehende zentrale Bohrung aufweist.