DE69014877T2 - Beschichtung metallischer oberflächen. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft allgemein die Beschichtung metallischer Oberflächen, die im Gebrauch in Berührung mit einem sich bewegenden Körper aus festem, flüssigem oder gasförmigem Material stehen, zur Reduzierung von Reibungsverlusten Die Erfindung wurde vornehmlich jedoch nicht ausschließlich im Blick darauf entwickelt, die Funktionstauglichkeit von flüssigkeitsfördernden Metallflächen zu verbessern.
• Bei Flüssigkeits-Fördersystemen ist es wichtig, daß die die Flüssigkeit berührenden Flächen, beispielsweise die Innenwände von Rohren und Leitungen, die Innenflächen von Pumpengehäusen und die Oberflächen von Pumpenrädern, so glatt wie möglich sind, damit die Bremsung durch Reibung reduziert wird.
• Soweit flüssigkeitsberührende Flächen aus Metall hergestellt sind, werden diese Flächen allgemein bei der ursprünglichen Herstellung so glatt wie möglich gemacht. Es gibt jedoch eine anerkannte Klassifikation von Norm-Rauhigkeits faktoren, die zur Berechnung von Reibungsverlusten verwendet werden, wenn Strömungsmittel-handhabende Ausrüstungsgegenstände konstruiert werden. Wenn also ein Pumpsystem konstruiert wird, müssen diese Reibungsverluste berücksichtigt werden, um den sich ergebenen Druckverlust zu kompensieren.
• Außerdem werden im Laufe der Zeit und des Gebrauchs auch glatte Flächen durch eine Vielzahl von Erosions-Korrosionsfaktoren aufgerauht. Dazu gehören: Aufprallkorrosion, wo die Turbulenz in der Flüssigkeit so ist, daß sie die Oberfläche des Ausrüstungsgegenstandes bombardiert und dadurch das Wegfressen des schützenden Oxidfilmes beschleunigt; Kavitation, die sich dann einstellt, wenn die Turbulenz in einer Flüssigkeit zur Bildung von Hohlräumen führt und bei deren Implosion Schockwellen erzeugt werden, welche wiederum den schützenden Oxidfilm des Metalles entfernen; Abrasion, welche durch direkte mechanische Einwirkung von in der Flüssigkeit mitgeführten Feststoffen, beispielsweise von Sand oder Schlamm, erzeugt wird; sowie Korrosion, die durch chemischen oder elektrochemischen Angriff durch die Bestandteile der geförderten Flüssigkeiten entsteht.
• Die weiteren, die Oberfläche aufrauhenden Effekte, welche durch diese Erosions-Korrosions-Faktoren entstehen, vergrößern die Bremswirkung der Reibung, welche auf den sich bewegenden Flüssigkeitskörper ausgeübt wird. Dies reduziert den Betriebswirkungsgrad des Flüssigkeits-Fördersystemes, was bedeutet, daß die Energiekosten der Pumpen, welche die Flüssigkeit durch das System fördern, erheblich höher als diejenigen sind, die sich bei einem neu installierten System ergeben.
• Die Oberflächen-Aufrauhung in einem flüssigkeitsfördernden System läßt sich durch periodische Wartung, beispielsweise durch Polieren der Flächen eines Radflügels oder Pumpengehäuses, beseitigen. Dies ist jedoch offensichtlich mit einem erheblichen Zeitaufwand verbunden und geht mit erheblicher Stillstandszeit des fraglichen Ausrüstungsgegenstandes einher. Dies erfordert außerdem, selbstverständlich, eine periodische Inspektion und eine weitere Wartung während der gesamten Lebensdauer des Ausrüstungsgegenstandes. Wenn dann die Funktionsfähigkeit auf einen so niedrigen Wert abgesunken ist, daß eine Wartung oder Reparatur nicht mehr in Frage kommt, muß der Ausrüstungsgegenstand ersetzt werden.
• Viele Flüssigkeiten haben eine starke Affinität zu Metalloberflächen, wie etwa dadurch deutlich wird, wie bereitwillig eine saubere Stahloberfläche von Wasser benetzt wird.
• In einem derartigen Falle ist der Berührungswinkel zwischen dem Wasser und dem Stahl klein, verglichen mit dem Berührungswinkel zwischen Wasser und einer sauberen Schicht aus einem hydrophoben Material, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, wo der Berührungswinkel groß ist. Dieser Verhaltensunterschied beruht darauf, daß die anziehenden Kräfte zwischen den Molekülen von Wasser und Stahl größer als die Kohäsionskräfte zwischen den Wassermolekülen sind. Umgekehrt sind die anziehenden Kräfte zwischen den Molekülen von Wasser und Polytetrafluoräthylen geringer als die Kohäsionskräfte zwischen Wassermolekülen; als Folge sucht auf Polytetrafluoräthylen aufgebrachtes Wasser aufgrund der hohen Oberflächenspannung an der Fest/Flüssig-Grenzfläche Kügelchen zu bilden.
• Die klassische Theorie der Strömungsmittelmechanik sagt aus, daß beim Strömen einer Flüssigkeit über eine Oberfläche die Flüssigkeitsmoleküle, die unmittelbar in Berührung mit dieser Fläche sind, stationär sind. Wenn die nächste Schicht von Flüssigkeitsmolekülen sich über die erste Schicht bewegt, wird deren Geschwindigkeit aufgrund einer viskosen Scherung reduziert. Dieser Vorgang wiederholt sich von Schicht zu Schicht, was zur Ausbildung eines Geschwindigkeitsgradienten unter rechtem Winkel zur Oberfläche führt. Die Dicke der Flüssigkeit, deren Geschwindigkeit auf diese Weise beeinflußt wird, ist als "Grenzschicht" bekannt. Um so größer die Entfernung ist, über welche sich die Flüssigkeit über die Oberfläche bewegt, um so dicker wird die Grenzschicht.
• Im Falle von Wasser, welches ein Rohr durchströmt, wächst die Grenzschicht progressiv, während das Wasser sich das Rohr hinunter bewegt, bis sie schließlich den Rohrumfang vollständig ausfüllt. Sofern keine Turbulenz auftritt, fließen die aufeinanderfolgenden Schichten von Wassermolekülen weiter in geordneter Weise parallel zu den Rohrwänden. Die Strömung wird dann als "vollständig entwickelte laminare Strömung" bezeichnet. Wenn einmal dieser stationäre Zustand erreicht ist, wird auch der Druckabfall pro Längeneinheit des Rohres konstant.
• Wenn die Geschwindigkeit der Flüssigkeit im Rohr wächst, wird ein Punkt erreicht, bei welchem die Strömung aus einer laminaren in eine turbulente umschlägt. Dieser Punkt kann aus der sogenannten Reynoldschen Zahl errechnet werden, welche das Verhältnis von Trägheitskräften und viskosen Kräften, die im Rohr vorliegen, repräsentiert. Die Reynoldsche Zahl kann somit mathematisch durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:
• Re = vd/η
• Hierin sind:
• Re = Reynoldsche Zahl
• = Strömungsmitteldichte
• v = Stromungsmittelgeschwindigkeit
• d = Rohrdurchmesser
• η = dynamische Viskosität
• Aus Versuchsergebnissen ist bekannt, daß die Strömung laminar ist, wenn die Reynoldsche Zahl kleiner als 2000 ist. Bei einer Reynoldschen Zahl von 2000 wird die Strömung kritisch und zwischen diesem Wert und einer Reynoldschen Zahl von 4000 wird ein Übergangszustand erreicht, in welchem die Strömung vom laminaren in den turbulenten Zustand oder umgekehrt umschlägt. Oberhalb einer Reynoldschen Zahl von 4000 ist die Strömung turbulent.
• Aus der Definition der Reynoldschen Zahl folgt somit für ein bestimmtes Strömungsmittel, welches ein Rohr mit konstantem Durchmesser hinunter gepumpt wird, daß der Punkt, an dem die Turbulenz einsetzt, von der Geschwindigkeit des gepumpten Strömungsmittels abhängt. In einer turbulenten Strömung benehmen sich die diskreten Strömungsmittelmoleküle als getrennte Einheiten, welche Wirbel und Querströme erzeugen, die zu zusätzlichen Energieverlusten führen.
• Mit der Ausbildung der turbulenten Grenzschicht wird die laminare Grenzschicht reduziert. Auch wenn die Hauptströmung eine sehr hohe Reynoldsche Zahl aufweist, gibt es weiterhin eine Schicht in der Nähe der Rohrwand, wo die Strömung laminar ist. Diese Schicht ist als "laminare Subschicht" bekannt. Im Falle relativ glatter Flächen kann die Dicke dieser Schicht ausreichen, Oberflächen-Vorsprünge zu überdecken. Man spricht dann davon, daß die Oberfläche "hydraulisch glatt" ist. Wenn die Oberfläche jedoch rauh ist, kann die Subschicht durch Vorsprünge so aufgebrochen werden, daß diese Hindernisse darstellen, was zu einer "Form-Bremswirkung" führt. Diese ist nahezu unabhängig von der Viskosität und führt zu noch weiteren Energieverlusten.
• Betrachtet man somit Reibungs-Energieverluste in einem Rohr oder einem anderen Teil einer Strömungsmittel-handhabenden Einrichtung, läßt sich schließen, daß diese Reibungsverluste im allgemeinen bei einer turbulenten Strömung größer als bei einer laminaren Strömung sind und mit zunehmender Oberflächenrauhigkeit der Einrichtung anwachsen. Zudem kann eine turbulente Strömung zu den oben erörterten nachteiligen Erosions-Korrosionseffekten führen. Reibungsverluste können zwar anfänglich reduziert werden, indem die Strömungsmittelhandhabende Einrichtung mit hoch polierten Metallflächen hergestellt wird. Es ist jedoch zu erkennen, daß der Nutzen hiervon dieser Maßnahme aufgrund der geschilderten Effekte relativ kurzlebig sein kann.
• Es ist außerdem zu erkennen, daß in idealer Weise hergestellte Gegenstände, die zur Verwendung in Strömungsmittel-handhabenden Systemen bestimmt sind, glatte Flächen aufweisen und gegenüber den typischen Erosions-Effekten resistent sein sollten. Außerdem wird angenommen, daß es möglich ist, einen "Schlupf" an der Grenzfläche zu bewirken, indem eine Metallfläche mit einer Zusammensetzung beschichtet wird, welche eine niedrige Elektronenaffinität für Wassermoleküle aufweist, das heißt, mit einem hydrophoben Material. Auf dieser Weise soll das Einsetzen einer turbulenten Strömung verzögert und die Hautreibung reduziert werden.
• Bekanntermaßen besteht ein möglicher Weg zur Überwindung der Probleme der Degradation von Metallflächen in Strömungsmittel-handhabenden Einrichtungen darin, speziell ausgebildete Harzzusammensetzungen aufzubringen, welche die Reibung an der Grenzfläche zwischen der beschichteten Oberfläche und der benachbarten Schicht eines sich bewegenden Flüssigkeitskörpers reduzieren sollen. Einige dieser Beschichtungen wurden von Harzzusammensetzungen abgeleitet, welche Glasflocken enthalten. Versuche an Pumpen, bei denen einige Flächen, beispielsweise Radflügel, mit einem derartigen Material beschichet waren, haben jedoch gezeigt, daß dies den Wirkungsgrad der Pumpe nur wenig oder überhaupt nicht verbessert. Zudem wurde gezeigt, daß Glasflocken enthaltende Beschichtungen unter der abrasiven Wirkung verhältnismäßig rasch wegerodiert werden, wenn Flüssigkeiten mit mitgeführten Feststoffen gehandelt werden. Wo zudem Turbulenz auftritt, führen die schlechten energieabsorbierenden Eigenschaften derartiger Beschichtungen zu ernster Kaviationserosion.
• Von einem weiteren bekannten Beschichtungstyp wird behauptet, daß er eine Bisphenol-A-Epoxidharz verwendet, welches mit einem aromatischen Amin-Addukt ausgehärtet ist.
• Die Absicht bei der Bildung der Zusammensetzung dieses weiteren Beschichtungstypes ist die, eine beschichtete Oberfläche zu schaffen, welche bei Berührung mit Wasser Wasserkügelchen bildet, die einen großwinkligen Kontakt mit der Harzfläche aufweisen, derart, daß im wesentlichen keine Benetzung eintritt.
• Durch an Pumpen, die mit diesem weiteren Material beschichtet wurden, ausgeführte Versuche wurde jedoch gezeigt, daß zwar der Spitzenwirkungsgrad der Pumpe vergrößert werden kann, dies jedoch häufig bei einer erheblich niedrigeren Strömungsgeschwindigkeit auftritt, daß also die Eigenschaften der Pumpe erheblich verändert werden können. Der Hauptgrund dafür liegt darin, daß derartige Beschichtungen tpyischerweise in sehr dicken Schichten (1,5 mm) aufgebracht werden, was überall außer in außerordentlich großen Strömungsmittel-handhabenden Systemen eine erhebliche Veränderung der inneren Abmessungen gegenüber den ursprünglichen Konstruktionsabmessungen bedeutet. Als Ergebnis hiervon wurde gefunden, daß die positiven Wirkungen derartiger Beschichtungen auf einen sehr kleinen Bereich von Pumpenkonstruktionen beschränkt sind, insbesondere diejenigen mit großen Hydraulik-Kanälen. Die vorgeschlagene Harz-Zusammensetzung ist außerdem weitgehend "ungefüllt" und hat nur kleine Anteile von Füllmaterial. Pigment, beispielsweise Titandioxid, kann zwar zugegeben, jedoch nur in einem Volumenanteil von weniger als 2%, vorzugsweise etwas unter 0,5%. Im wesentlichen ungefüllt, ist diese Beschichtung jedoch etwas "weich" und weist somit keine guten Abrasionswiderstands-Eigenschaften auf, wenn sie der Wirkung von Flüssigkeiten mit mitgeführten Feststoffen ausgesetzt ist. Es mag somit einige Vorteile bei bestimmten Geschwindigkeiten oder Oberflächenbedingungen von mit diesem Material behandelten Komponenten geben; diese Vorteile bleiben jedoch nur über nennenswerte Zeiträume hinweg erhalten, wenn der Betrieb mit Wasser erfolgt, welches keinen nennenswerten mitgeführten Feststoffgehalt aufweist, beispielsweise mit normalem Trinkwasser. Die Beschichtungen sind jedoch zur Verwendung bei Wasser mit mitgeführten Feststoffen, beispielsweise bei Kühlwasser oder Abwasser, die häufig abrasive Sand- und Griesteilchen mit sich führen, ungeeignet.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, eine Beschichtung von Metallflächen mit einer Zusammensetzung zu schaffen, welche sowohl die Reibungsberührung reduziert als auch die Beständigkeit gegenüber Erosion- Korrosion verbessert, ohne nennenswert die Abmessungen der beschichteten Komponenten der Einrichtung zu verändern.
• Die Lösung für das Problem, Abrasionswiderstand zu schaffen, würde normalerweise im Einbauen geeigneter harter Füllstoffe in eine Harzbasis bestehen. Nach Kenntnis der Anmelder wurde jedoch die Menge derartiger Füllstoffe, die zur Erzielung eines nennenswerten Effektes erforderlich ist, die Kavitationsbeständigkeit der Beschichtung ungünstig beeinflussen, wenn diese einer Berührung mit einer turbulenten Flüssigkeit ausgesetzt wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß durch Kombination relativ kleiner Mengen abrasionsbeständiger Füllstoffe und eines schmierenden Füllstoffes hohe Werte im Abrasionswiderstand erreicht werden können, ohne die Kavitationsbeständigkeit in nennenswerter Weise zu verschlechtern. Da außerdem Wassermoleküle für den schmierenden Füllstoff eine niedrige Affinität aufweisen, zeigt in Berührung mit der Beschichtung stehendes Wasser im Vergleich zu einer unbeschichteten Metallfläche eine deutlich reduzierte Tendenz, die Oberfläche zu benetzen. Dieser Effekt kann durch Zugabe eines Silikon-Gleitadditivs weiter verstärkt werden, welches auch zur Erzielung einer perfekt glatten Fläche beiträgt. Dies ist, wie oben angedeutet, zur Verringerung von Energieverlusten erwünscht.
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Wasserleitung mit einer metallischen Oberfläche geschaffen, über welche im Gebrauch eine Strömungsmittelströmung geleitet wird und die eine Beschichtung aufweist, welche eine ausgehärtete, lösungsmittelfreie Zusammensetzung umfaßt, die ihrerseits umfaßt
• ein polymerisierbares Harz aus der Gruppe, welche umfaßt Epoxidharz, Isozyanatharz, Polyesterharz und Vinylesterharz;
• einen Härter;
• einen abrasionsbeständigen Füllstoff aus der Gruppe, welche umfaßt Siliciumkarbid, Aluminiumoxid, gebranntes Bauxit, Ferrophosphor, Zirkonoxid;
• einen schmierenden hydrophoben Füllstoff aus der Gruppe, welche aus Polytetrafluoräthylen, Polyäthylenwachs und Mischungen hieraus besteht; und
• ein thixotropes Mittel.
• Die Zusammensetzung wird vorzugsweise dadurch erhalten, daß die beiden Komponenten eines Zweikomponentensystemes vermischt werden, woei die erste Komponente das flüssige polymerisierbare Harz und die zweite Komponente den Härter bzw. Vernetzungs-Initiator für das Harz enthält.
• Wenn als bevorzugte Zusammensetzung ein Epoxidharz/ Härtersystem eingesetzt wird, wird dieses vorteilhafterweise so gewählt, daß es keine Neigung zum Ausblühen während der Verfestigung aufgrund einer bevorzugten Reaktion des Härters mit dem Kohlendioxid in der Atmosphäre zeigt. Diese konkurrierende Reaktion kann zu einem erheblichen Aufbau einer schmierigen Schicht an der Beschichtungsoberfläche führen. In dieser werden Staub oder andere Stoffteilchen eingefangen, was zur Aufrauhung der Oberfläche führt.
• Es wird außerdem bevorzugt, daß das verfestigte Epoxidharzsystem etwas flexibel ist, so daß es leichter Energie, die aus dem Aufprall oder einem Kavitationsangriff entsteht, absorbieren und dissipieren kann. Beispiele dafür, wie eine derartige Flexibilität in das verfestigte polymere Harz-Rückgrat eingebracht werden kann, können etwa aus der Gruppe gewählt werden, welche aus Elastomermodifizierten Epoxidharzen, reaktiven Verdünnungsmitteln, Weichmachern, auf Urethan basierenden Modifikationsmitteln, Elastomer-modifizierten Aminhärtern, Urethan-modifizierten Aminhärtern, Polyamid-Härtern, Polyamidoamin-Härtern, Polyoxyalkylenamin-Härtern und Merkaptan-Härtern besteht.
• Wegen der Notwendigkeit, ein glattes Oberflächen-Finish zu erzielen, ist es auch wichtig, daß die Viskosität des Harzsystemes nicht übermäßig hoch ist, so daß die Auftrageigenschaften nicht beeinträchtigt werden und ein Entweichen von Luft stattfinden kann, ohne daß dies zu Pinholes (kleinen Löchern) an der Oberfläche führt.
• In entsprechender Weise ist es auch wichtig, daß Harz system vor der Verfestigung eine verhälnismäßig lange Bearbeitungszeit besitzt, damit die formulierte Zusammensetzung aufgetragen werden kann, bevor ihre Viskosität nennenswert anwächst; letzteres tritt auf, wenn die Verfestigung einzusetzen beginnt.
• Ein bevorzugtes Harzsystem, welches in der Zusammensetzung verwendet werden kann, umfaßt einen Bisphenol-A/Bisphenol-F-Diglyzidylether und einen adduktierten Polyoxyalkylenamin-Härter.
• Beispiele für geeignete abrasionsbeständige Füllmaterialien, welche in die Zusammensetzung zur Herbeiführung einer Abrasionsbeständigkeit eingebaut werden können, sind Siliciumkarbid, Aluminiumoxid, gebranntes Bauxit, Ferrophosphor und Zirkonoxid. Ein bevorzugtes Material ist Siliciumkarbid mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 19 Mikron und einer maximalen Teilchengröße von 35 Mikron (400 mesh). Die Teilchengröße ist wichtig, da das Vorliegen einer erheblichen Menge übergroßer Teilchen zu einem beschichteten Gegenstand führt, der ein rauhes Oberflächen-Finish zeigt.
• Der abrasionsbeständige Füllstoff kann in einer Menge von bis zu 25 Volumenprozent vorliegen; der bevorzugte Bereich ist jedoch zwischen 2,81 und 11,05 Volumenprozent.
• Der schmierende Füllstoff hat den Effekt, sowohl die Abrasionsbeständigkeit zu verbessern als auch der Beschichtung eine schlüpfrige, hydrophobe Oberfläche zu verleihen. Das heißt, die Anziehungskräfte zwischen Wasser und Beschichtung werden reduziert.
• Ein Beispiel für einen schmierenden Füllstoff, der diese Wirkung hat, ist Polytetrafluoräthylen (PTFE); jedoch auch ein Material wie Polyäthylenwachs hat einen beträchtlichen Effekt. Ein bevorzugtes kostengünstiges Schmiermittel ist eine Mischung aus PTFE und Polyäthylenwachs, welches in Mengen von bis zu 20 Volumenprozent vorliegt. Über dieser Menge führt das Material zu einer Verdickung der Zusammensetzung, was die Auftrageigenschaften nachteilig beeinflußt. Eine bevorzugte Menge an schmierendem Füllstoff ist 10,58 Volumenprozent.
• Ein Silikon-Gleitadditiv kann in die Zusammensetzung eingebaut werden, um die günstigen Reibungseigenschaften der Beschichtung weiter zu verbessern und die Ausbildung eines glatten Oberflächen-Finish zu fördern. Dieses Additiv sollte vorzugsweise in einer Menge von nicht mehr als 2 Volumenprozent vorhanden sein. Eine besonders bevorzugte Menge ist 0,53 Volumenprozent.
• Um die Beschichtung undurchsichtig zu machen, sollte das Füllstoffmaterial auch einen opazifizierenden Füllstoff, vorzugsweise in Form von einem oder mehreren Pigmenten wie beispielsweise Titandioxid, enthalten. Dieser kann in einem Gesamtanteil von mindestens 2 Volumenprozent vorliegen.
• Um sicherzustellen, daß die Beschichtung auf einer vertikalen Oberfläche mit einer minimalen Dicke von 250 Mikron aufgebracht werden kann, ohne herabzulaufen, wird die Rheologie des Materials durch Verwendung eines geeigneten thixotropen Mittels gesteuert. Ein Beispiel für ein besonders wirksames thixotropes Mittel ist hydrophobes abgedampftes Silicamaterial. Es ist wichtig, daß die Zugabemenge derartiger Materialien sorgfältig kontrolliert wird, da eine zu große Menge dazu führen kann, daß die Beschichtung nicht ausreichend dünn aufgebracht werden kann; eine zu kleine Menge dagegen führt zu einer nicht ausreichenden Beständigkeit gegen Herablaufen. Im Falle des oben erwähnten Materials ist eine besonders bevorzugte Menge 0,28 Volumenprozent.
• Wünschenswerterweise ist die Art der Zusammensetzung so, daß sie in jeder herkömmlichen Weise als relativ dünne jedoch gleichförmige Schicht auf eine metallische Oberfläche aufgebracht werden kann, typischerweise mit einer Gesamtdicke von 500 bis 600 Mikron.
• Um so weit wie möglisch sicherzustellen, daß sich keine Pinholes durch die Beschichtung hindurch erstrecken, wird die Gesamtbeschichtung vorzugsweise aus zwei Schichten aufgebaut. Die erste dieser Schichten kann dabei eine bestimmte Farbe aufweisen, während die andere eine weitere bestimmte Farbe zeigt. Sorgt man für einen guten Farbunterschied der Schichten, wird das Risiko klein gehalten, daß beim Aufbringen der zweiten Schicht unabsichtlich ein Gebiet ausgelassen wird.
• Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf einer metallischen Oberfläche geschaffen, welches eine Harz-Beschichtungszusammensetzung nach dem oben erwähnten ersten Aspekt der Erfindung verwendet. Das Verfahren kann außerdem die Aufbringung einer Harz Beschichtungszusammensetzung beinhalten, wie sie nach einem oder mehreren der oben erwähnten bevorzugten Aspekte der Harz-Beschichtungszusammensetzungen vorgesehen sind.
• Die Erfindung schafft weiterhin ein verfahren zu Herstellung einer Beschichtung auf einer metallischen Oberfläche, welche eine sich bewegenden Materialkörper fördern soll, durch Aufbringung einer Beschichtungszusammensetzung in einer oder mehreren Schichten mit einer Dicke bzw. Gesamtdicke von nicht mehr als 750 Mikron, wobei die Beschichtungszusammensetzung ein flüssiges polymerisier bares Harz, einen Härter oder einen Vernetzungs-Initiator für das Harz, ein abrasionsbeständiges Füllmaterial und ein schmierendes Füllmaterial umfaßt, um so eine Erosions-Korrosions-Beständigkeit der beschichteten metallischen Oberfläche zu erreichen, gleichzeitig die Oberflächenreibung zu verringern und hierdurch die Material-Handlingeigenschaften der Beschichtung zu verbessern.
• Die Erfindung schafft weiterhin ein Verfahren zur Aufbringung einer Harz-Beschichtungszusammensetzung auf eine metallische Oberfläche durch Aufbringen einer oder mehrerer Beschichtungsschichten mit einer Dicke von nicht mehr als 750 Mikron, bei welchem die Beschichtungszusammensetzung ein Epoxidharz, einen adduktierten aliphatischen Polyamin-Härter, ein abrasionsbeständiges Füllstoffmaterial, welches in einem Anteil von bis zu 25 Volumenprozent vorliegt, und einen schmierenden Füllstoff, welcher in einem Anteil von bis zu 20 Volumenprozent vorliegt, umfaßt, um so der beschichteten metallischen Oberfläche eine Erosions-Korrosions- Beständigkeit zu verleihen und gleichzeitig die Oberflächenreibung zu reduzieren.
• Ein bevorzugtes Füllstoffmaterial ist Siliciumkarbid, welches in eimen Bereich zwischen 0,5 und bis zu 25 Volumenprozent vorliegt. Überraschenderweise haben Versuche gezeigt, daß selbst mit relativ niedrigen prozentualen Anteilen des Füllstoffmaterials zusammen mit einer Mischung aus PTFE/Polyäthylenwachs als schmierendem Additiv vorteilhafte Wirkungen erhalten werden. Man glaubt, daß dies zumindest teilweise auf das Vorliegen des schmierenden Additives zurückzuführen ist. Beispiele für Harz-Beschichtungszusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung werden nunmehr genau beschrieben. Es versteht sich, daß die speziellen genannten Materialien und ihre Porportionen nur illustrativen Zwecken dienen und sich innerhalb des allgemeinen Schutzumfanges der Erfindung bewegen, wie er in den oben erläuterten Aspekten der Erfindung definiert ist.
Beispiel 1
• Eine Epoxidharz-Beschichtungszusammensetzung wurde aus 100 Volumenteilen (pbv) eines flüssigen Bisphenol-A/Bisphenol-F-Diglyzidylethers und 53,7 (pbv) eines modifizierten adduktierten Polyoxyalkylamin-Harzhärters hergestellt. Um die Reibung der Zusammensetzung gegenüber Flüssigkeiten zu reduzieren und die Erosions-Korrosions-Beständigkeit der gehärteten Beschichtung auf einer metallischen Oberfläche zu verbessern, wurde ein geeignetes Schmiermittel in Form einer Mischung aus PTFE/Polyäthylenwachs mit 21,5 pbv zugegeben. Um die Abrasionsbeständigkeit der mit der Zusammensetzung überzogenen metallischen Oberflächen weiter zu verbessern, wurde ein abrasiansbeständiges Füllmaterial in einem Volumenanteil der Gesamtzusammensetzung von mindestens 0,5% zugegeben. Dieses bringt zusammen mit dem thixotropen Mittel und opazifizierenden und färbenden Pigmenten den gesamten Füllstoffgehalt mit Ausnahme des Schmiermittels auf ein Minimum von 2,71 Volumenprozent. Außerdem kann ein Silikon- Gleitadditiv zugegeben werden.
Beispiel 2
• In welcher Weise der Abrasionswiderstand von Variationen der Art des abrasionsbeständigen Füllstoffes abhängt, wurde durch Einbau einer Anzahl derartiger Füllstoffmaterialien in die in Beispiel 1 beschriebene Grundzusammensetzung ermittelt. Eine Menge von 60 Gewichtsteilen abrasionsbeständigen Füllstoffes und 100 Gewichtsteilen Bisphenol-A/Bisphenol-F-Diglycidylether wurde gewählt. Zu Kontrollzwecken wurde außerdem eine Zusammensetzung eingeschlossen, bei welcher kein abrasionsbeständiger Füllstoff zugegeben wurde. Die sich ergebenenden Zusammensetzungen waren wie folgt:
• A) Kontrollzusammensetzung ohne abrasionsbeständigen Füllstoff
• B) mit Zirkonoxid
• C) mit Ferrophosphor
• D) mit Silikoncarbid der Teilchengröße 400 mesh
• E) mit gebranntem Bauxit.
• Die Abrasionsbeständigkeit der oben genannten Zusammensetzungen wurde unter Verwendung einer Abrasionseinrichtung vom Typ "Teledyne Taber" ausgewertet. Quadratische Stahlgußtafeln mit einer Kantelänge von 4 Zoll, in welche mittig ein Loch mit einem Durchmesser von einem Achtel Zoll eingebohrt waren, wurden sandgestrahlt und mit jeder der frisch angesetzten Beschichtungszusammensetzungen beschichtet. Diese Materialien wurden in ähnlicher Weise auch auf flache glatte Plättchen aus Polypropylen aufgebracht und beschichtete Flächen der entsprechenden Tafeln in das nasse Material gelegt, wobei darauf geachtet wurde, daß keine Luft eingeschlossen wurde. Nach vollständiger Erhärtung wurden die Tafeln von den Polypropylenplättchen gelöst und überschüssiges Material entfernt. Die Taber-Abrasionsmessungen wurden unter nassen Bedingungen ausgeführt, wobei kalibirierte Räder H10 und eine Belastung von einem kg verwendet wurden. Nach dem Einschleifen einer Spur in die Oberfläche der Tafeln wurden die Oberflächen der Räder nachgearbeitet, bevor 10 Sätze von jeweils 100 Zyklen durchgeführt wurden; die Räder wurden dabei nach jedem Lauf an der Oberfläche bearbeitet. Gewichtsmessungen wurden vor und nach jedem Lauf vorgenommen, so daß der Gesamtgewichtsverlust errechnet werden konnte. Aus diesem wurde der Volumenverlust bestimmt. Die Ergebnisse, die für die fünf oben beschriebenen Beschichtungszusammensetzungen erhalten wurden, sind wie folgt Volumenverlust pro 1000 Zyklen (cm³)
• Die günstigen Auswirkungen, welche die Verwendung eines abrasionsbeständigen Füllstoffes in der Zusammensetzung bewirken, sind somit deutlich und die besonders günstigen Auswirkungen, die mit der Verwendung von Siliciumcarbid verbunden sind, sind ebenfalls klar ersichtlich.
Beispiel 3
• Bei diesem Beispiel wurde die Abrasionsbeständigkeit der Zusammensetzung A gegen diejenige ähnlicher Zusammensetzungen verglichen, die variierende Anteile von Siliciumkarbid der Teilchengröße 400 mesh enthielten. Diese waren wie folgt:
• A) Kontrollzusammensetzung ohne Siliciumkarbid
• F) mit 0,28 Volumenprozent Siliciumkarbid
• G) mit 0,57 Volumenprozent Siliciumkarbid
• H) mit 1,42 Volumenprozent Siliciumkarbid
• J) mit 2,81 Volumenprozent Siliciumkarbid
• K) mit 5,46 Volumenprozent Siliciumkarbid
• L) mit 11,05 Volumenprozent Siliciumkarbid
• M) mit 16,98 Volumenprozent Siliciumkarbid.
• Der Taber-Abrasionstest wurde unter den beim Beispiel 2 beschriebenen Bedingungen durchgeführt und führte zu folgenden Ergebnissen: Volumenverlust pro 1000 Zyklen (cm³)
• Es ist somit zu erkennen, daß die bevorzugte Menge an Siliciumkarbid im Bereich zwischen 2,81 und 11,05 Volumenprozent liegt.
Beispiel 4
• Der Effekt, den PTFE/Polyäthylenwachs auf die Abrasionsbeständigkeit der Zusammensetzungen hat, wurde dadurch demonstriert, daß das System L genommen und entweder der schmierende Füllstoff (System N) entfernt oder auf 43 Volumenteile auf 100 Volumenteile Bisphenol-A/Bisphenol-F- Diglycidylether (System P) angehoben wurde. Der Taber-Abrasionstest, der unter den beim Beispiel 2 beschriebenen Bedingungen durchgeführt wurde, führte zu den folgenden Ergebnissen:
Volumenverlust pro 1000 Zyklen (cm³)
• Es es ist somit zu erkennen, daß die Abrasionsbeständigkeit beim Weglassen des schmierenden Füllstoffes deutlich abfällt, während die Abrasionsbeständigkeit im wesentlichen unverändert bleibt, wenn die Menge an schmierendem Füllstoff verdoppelt wird. Die bevorzugte Menge an schmierendem Füllstoff liegt bei 10,58 Volumenteilen der gesamten Beschichtungszusammensetzung.
Beispiel 5
• In diesem Beispiel wurde die Kavitationsbeständigkeit einiger der oben beschriebenen Beschichtungszusammensetzungen gegen diejenige eines typischen, metallgefüllten Epoxidbeschichtungssystemes verglichen. Die Kavitationsbeständigkeit wurde unter Verwendung eines Ultraschallgerätes entsprechend einer Adaption der Norm ASTM G32-72 gemessen. Stahlguß-Testknöpfe wurden sandgestrahlt und mit den zu testenden Materialien in einer Dicke von 500 Mikron beschichtet. Dabei wurde ein ähnliches Verfahren eingesetzt, wie in Beispiel 2 beschrieben, wobei jedoch zur genauen Kontrolle der Filmdicke an den Rändern der Proben Beilagen verwendet wurden. Die präparierten Testproben wurden nach vollständiger Aushärtung in einer Entfernung von 0,085 Zoll von der Spitze einer Ultaschallsonde entfernt angeordnet, die mit einer Frequenz von 20 kHz und einer Amplitude von 50 Mikron, in Wasser von 15ºC eingetaucht, schwang. Die Proben wurden während aufeinanderfolgender Intervalle von 10 Minuten Dauer getestet, wobei der Gewichtsverlust gemessen und der Volumenverlust errechnet wurde. Die Ergebnisse für den Volumenverlust pro Stunde wurden somit an den folgenden Zusammensetzungen bestimmt: Kavitationsverlust pro Stunde (cm³) metallgefülltes Epoxid-Beschichtungssystem
• Es ist somit zu erkennen, daß der Einbau von Silicium- Karbid in die Beschichtungszusammensetzung in nennenswerten Mengen einen nur sehr kleinen nachteiligen Effekt auf die Kavitationsbeständigkeit hat; dieser nachteilige Effekt ist bei einem typischen metallgefüllten Epoxid-Beschichtungssystem erheblich größer.
Beispiel 6
• Dieses Beispiel iilustriert den Effekt des Austausches des Epoxid/Polyamin-Harzsystemes in der Zusammensetzung L gegen eine Anzahl alternativer Polymerbinder. Dabei handelt es sich um:
• R Polyurethan, basierend auf aromatischem Polyisozyanat und Polyesterpolyol.
• S Polyurethan/Polyharnstoff basierend auf aliphatischem Polyisocyanat, aromatischem polyamin und aliphatischem Polyol.
• T Polyesterharz basierend auf Phthal/Malein-Anhydrid und aliphatischem Gylkol vernetzt mit Benzoyl-Peroxid.
• U Vinylester vernetzt mit Methyläthylketon-Peroxid.
• Der Vergleich der nassen Abrasionsbeständigkeit nach Taber, wie in Beispiel 2 näher erläutert, und der Kavitationsbeständigkeit, wie in Beispiel 5 näher erläutert, ergab folgendes: Abrasions-Volumenverlust pro 1000 Zyklen (cm³) Kavitations-Volumen-Verlust pro Stunde (cm³)
• Es ist somit zu erkennen, daß von anderen Polymersystemen ähnlich gute Resultate erhältich sind, wenn diese nach den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung formuliert sind; ganz besonders hervorragende Resultate werden bei der Zusammensetzung R erhalten.
Beispiel 7
• Die Fähigkeit der erfindungsgemäßen Harz-Beschichtungszusammensetzungen, Reibungsverluste in Strömungsmittelhandhabenden Systemen zu reduzieren, wurde durch unabhängige Versuche illustriert, die vom National Engineering Laboratory an einer einstufigen, endseitig saugenden Zentrifugalpumpe mit 10-Zoll-Ansaug- und Auslaßstutzen durchgeführt wurden. Die Förderung dieser Pumpe bei einer Drehzahl von 1300 upm wurde in unbeschichtetem Zustand mit 875 Kubikmeter Wasser pro Stunde bei einer Förderhöhe von 26,5 m und einem Spitzenwirkungsgrad von 83,5% bestimmt (der Wirkungsgrad ist definiert als das Verhältnis der Wasserausgangsleistung zur mechanischen Leistung an der Welle). Die in dem beigefügten Diagramm 1 dargestellten Ergebnisse zeigen, daß nach dem Beschichten des Gehäuses und des Pumpenrades der Pumpe mit der Zusammensetzung L eine durchschnittliche Erhöhung des Spitzenwirkungsgrades von 5% erhalten wurde, wobei der größte Gewinn an Wirkungsgrad bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten 6% betrug. Bezeichnenderweise gab es eine minimale Veränderung in den Förderhöhen/Strömungseigenschaften, wobei die Leistung mit Spitzenwirkungsgrad derjenigen der unbeschichteten Pumpe vergleichbar war.
• Die oben beschriebenen Beispiele für die Verbesserung des Wirkungsgrades beschichteter Metallflächen betrafen solche, welche Flüssigkeiten und insbesondere Wasser oder wässerige Lösungen fördern sollten. Es versteht sich jedoch, daß eine erfindungsgemäße Zusammensetzung mit Vorteil auch auf metallische Oberflächen aufgebracht werden kann, welche Gase und auch feste Stoffe (insbesondere fein zerteiltes Material), welches zumindest teilweise fluidisiert ist, fördern sollen.

Claims (1)

1. Wasserleitung mit einer metallischen Oberfläche, über

welche im Gebrauch eine Strömungsmittelströmung geleitet wird und die eine Beschichtung aufweist, welche eine ausgehärtete, lösungsmittelfreie Zusammensetzung umfaßt, die ihrerseits umfaßt:

ein polymerisierbares Harz aus der Gruppe, welche umfaßt: Epoxidharz, Isozyanatharz, Polyesterharz und Vinylesterharz;

einen Härter;

einen abrasionsbeständigen Füllstoff aus der Gruppe, welche umfaßt Siliciumkarbid, Aluminiumoxid, gebranntes Bauxit, Ferrophosphor, Zirkonoxid;

einen schmierenden hydrophoben Füllstoff aus der Gruppe, welche aus Polytetrafluoräthylen, Polyäthylenwachs und Mischungen hieraus besteht; und

ein thixotropes Mittel.

2. Leitung nach Anspruch 1, bei welcher der Härter ein adduktierter Aminhärter ist.

3. Leitung nach Anspruch 2, bei welcher der Härter Polyoxyalkylenamin ist.

4. Leitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der abrasionsbeständige Füllstoff Siliziumkarbid in einer Menge von 2,81 bis 11,05 Volumenprozent der lösungsmittelfreien Beschichtungskomponente mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 19 Mikron und einer maximalen Teilchengröße von 35 Mikron umfaßt.

5. Leitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das thixotrope Mittel abgedampftes Silicamaterial umfaßt.

6. Leitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Beschichtung eine maximale Dicke von 750 Mikron aufweist.

8. Leitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Leitung ein Rohr umfaßt.

9. Leitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Leitung eine Pumpe umfaßt.

10. Verfahren zur Verbesserung der Flüssigkeits-Handhabungseigenschaften einer metallischen Oberfläche,

über welche im Gebrauch eine Strömungsmittelströmung geleitet wird, mit den folgenden Schritten:

(a) eine lösungsmittelfreie Beschichtungszusammensetzung wird auf die metallische Oberfläche aufgebracht, wobei die Zusammensetzung umfaßt:

ein polymerisierbares Harz aus der Gruppe, welche umfaßt: Epoxidharz, Isozyanatharz, Polyesterharz und Vinylesterharz;

einen Härter;

einen abrasionsbeständigen Füllstoff aus der Gruppe, welche besteht aus: Siliciumkarbid, Aluminiumoxid, gebranntem Bauxit, Ferrophosphor, Zirkonoxid und Mischungen hieraus;

einen schmierenden hydrophoben Füllstoff aus der Gruppe, welche umfaßt: Polytetrafluoräthylen, Polyäthylenwachs und Mischungen hieraus; und

ein thixotropes Mittel; und

(b) Aushärten der Zusammensetzung auf der metallischen Oberfläche.