EP3083076B1 - Verfahren zur hydrophobierung und/oder oleophobierung eines werkstoffs sowie hydrophobiertes und/oder oleophobiertes bauteil - Google Patents

Verfahren zur hydrophobierung und/oder oleophobierung eines werkstoffs sowie hydrophobiertes und/oder oleophobiertes bauteil Download PDF

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EP3083076B1
EP3083076B1 EP15707284.4A EP15707284A EP3083076B1 EP 3083076 B1 EP3083076 B1 EP 3083076B1 EP 15707284 A EP15707284 A EP 15707284A EP 3083076 B1 EP3083076 B1 EP 3083076B1
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hydrophobizing
agent
oleophobicizing
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Volkswagen AG
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    • B05D2401/00—Form of the coating product, e.g. solution, water dispersion, powders or the like
    • B05D2401/90—Form of the coating product, e.g. solution, water dispersion, powders or the like at least one component of the composition being in supercritical state or close to supercritical state

Definitions

  • the invention relates to a method for hydrophobizing and / or oleophobicizing a material and a component of an electric machine comprising or consisting of an oleophobicized material.
  • Components often consist of, at least in some areas, polymer-coated materials. These polymers are used, for example, as casting compounds for electrical machines, printed circuit boards or electrical assemblies, but also for bonding and, for example in the form of protective lacquers, as a coating. Many material groups of the components involved often show signs of corrosion or swelling when in contact with oily and / or aqueous solutions. An example of this is the so-called copper corrosion, which often occurs when electrical and / or electronic components come into contact with the media necessary for the functioning. In the area of bonding, on the other hand, problems arise in particular when moisture penetrates between the contact areas of the polymer and the component and there leads to corrosion, decomposition and swelling, which in turn can lead to destruction of the adhesive bond and the component. Such problems are particularly relevant in the field of electrical machines.
  • Electrical machines for example electrical drive motors for motor vehicles, starters, generators or starter generators, convert electrical energy into mechanical energy (motors) or mechanical energy into electrical energy (generators). This electromechanical conversion is based on electromagnetic induction.
  • Such electrical machines include a fixed stator (stator), which, according to a common design, comprises a stator core (laminated core) with corresponding wire windings and switching rings arranged thereon, and a movable component which, in the most common type of construction, is designed as a rotor (rotor) which is rotatable is mounted in or around the annular stator and has a plurality of permanent magnets.
  • a current flow is generated in the stator winding due to the moving magnetic field of the rotor (generator) or due to the through the magnetic field generated by the stator causes the mechanical movement / rotation of the rotor (motor).
  • Reverse types of construction in which the rotor comprises a winding and the stator magnets are also known.
  • Parts of the stator and / or rotor having the winding and the switching ring are embedded in a casting compound for the purpose of their electrical insulation and their mechanical protection and protection against chemical influences.
  • the potting compound is used in particular for embedding the switching ring (also referred to as a connection ring or contact bridge), which electrically connects the individual windings to one another.
  • Potting compounds are typically based on a silicone rubber. To increase their thermal conductivity, these silicone elastomers often contain an addition of high filler fractions, for example in the form of quartz particles.
  • Such materials meet most of the technical requirements for casting compounds, in particular they have a very low electrical conductivity, high temperature and thermal shock resistance, high thermal conductivity, high oxidation stability, good substrate adhesion as well as easy curing and a high processing tolerance.
  • the high affinity of the silicones for hydrocarbons is problematic. They show the tendency to include engine and gear oils and thereby swell them. The mechanical properties are impaired by the swelling. For example, the strength and hardness of the material decrease, the temperature resistance decreases and the potting compound may become detached and embrittled if necessary.
  • penetrating media In the area of magnetic bonding on the rotor or stator, penetrating media can also lead to problems.
  • silicone resin systems are used as the adhesive for the magnets, some of which are filled with glass balls, which function as spacers and thus ultimately allow the thickness of the adhesive film to be adjusted.
  • Magnetic bonding should basically meet the same technical requirements as the sealing compound (see above) and also have a good adhesive effect for the magnets or laminated cores.
  • the silicone resin system used should not be affected by the penetration of moisture or oils and the adhesive strength should be reduced.
  • DE 31 33 734 C2 describes an electrical insulation for a winding head of a stator or rotor of an electrical machine, which at the same time protects against moisture.
  • the coating contains a silicone rubber as the base material, which contains rod-shaped copolymers based on styrene-butyl acrylate instead of a mineral filler.
  • WO 98/54 397 A1 discloses a method for hydrophobizing or oleophobicizing a material. The surface of the material is brought into contact with a surface treatment agent.
  • WO 2007/126 327 A1 describes a method for hydrophobizing or lipophobizing a material.
  • supercritical CO 2 is used as a carrier material for polymer or co-polymer, which can hydrophobize or lipophobize the surface of the material.
  • the material is placed in a reactor together with the polymer.
  • US 2002/192 380 A1 describes the treatment of a ceramic material with a fluorinated silane to treat its surface.
  • the fluorinated silane is dissolved in compressed CO 2 and then sprayed onto the surface.
  • the water-repellent effect of fluorine-containing compounds is known from many technical fields.
  • textiles are coated with PFTE or fluorocarbon chains are covalently attached to the fibers in order to create hydrophobic and at the same time oleophobic surfaces.
  • hydrophobic coatings based on silicones and fluorocarbons to the textiles.
  • gas-phase fluorination is also used, which requires a complex combination of plasma treatment, air supply, grafting of fluorocarbon monomers and then further plasma treatment in a CF 4 atmosphere ( US 2011 / 045200A1 ).
  • US 5,416,373 describes a winding of a stator or rotor of an electrical machine, in which the winding is coated with an electrically insulating film or with a mica tape. In the exposed winding head area, a fluorine-containing coating is also applied to protect the winding against moisture.
  • the invention has for its object to provide a method for hydrophobicizing and / or oleophobicizing components, which solves or at least alleviates the problems of the prior art.
  • the durability and durability of the hydrophobization and / or oleophobization should be significantly increased.
  • the process sequence can be repeated with the same or a different hydrophobicizing and / or oleophobicizing agent.
  • hydrophobing and / or oleophobicizing agents by brushing, spraying or dipping, only a protective layer in the nanometer range can be applied to the materials to be insulated. If the surface is damaged or if it has foreign phases, for example due to filler particles, oil can penetrate into these areas, damage the material and also drive forward the destruction of the insulation layer.
  • the method according to the invention achieves a deep impregnation of the treated material. This can be achieved by using a compressed gas as a carrier for a water repellent and / or oil repellent.
  • the method according to the invention can achieve both a deep impregnation of a few nanometers and a surface impregnation of a material.
  • a compressed gas as a carrier, a wide range of soluble hydrophobizing and / or oleophobicizing agents can be used. It is completely irrelevant whether these can be handled even in the gaseous state.
  • no toxic or flammable solvent has to be used for the actual solvent, namely the compressed gas, which is advantageous from an ecological as well as an economic point of view compared to previous processes, in particular if the solvent is reused, that is to say recycled.
  • the compressed gas is generally loaded under pressure and can be carried out in a pressure chamber, for example an autoclave.
  • loading is understood to mean a process in which sorption leads to an accumulation of a substance, in particular the hydrophobizing and / or oleophobicizing agent, in a phase of the material or at a phase boundary.
  • the substance to be loaded is a compressed gas, which is compressed due to an increased pressure compared to normal air pressure.
  • the amount of 1 mol of a compressed gas takes up a smaller volume than 22.4 l compared to the uncompressed, ideal gas state under standard conditions.
  • a hydrophobizing and / or oleophobicizing agent is to be understood in the present invention as an agent which increases the oleophobic, ie the oil-repellent character of a substance, in particular the surface thereof, that is to say itself has a higher oleophobicity than the material.
  • the oleophobicity can be measured, for example, by (in particular static) measurement of the contact angle of a drop of oil on a flat surface of the material, the contact angle increasing correspondingly with increasing oleophobicity. Analogous relationships apply to hydrophobizing agents and hydrophobicity, with the water-repellent character being measured here using a drop of water.
  • hydrophobicizing and / or oleophobicizing agents also and preferably include those which also have a hydrophobicizing action due to their oleophobic properties.
  • the hydrophobicization and / or oleophobicization of a material is carried out by bringing the material into contact with the loaded gas.
  • These materials are part of a component.
  • Components are to be understood as materials that are processed in production processes and are incorporated into or represent the end products. This includes both semi-finished products, such as individual components, semi-finished products, such as stators and rotors in one production stage, but also finished products, such as electric machines. Furthermore, components made of metals and non-metals as well as organic and inorganic materials and their composite materials are to be included.
  • the material can also be brought into contact with the loaded gas in a pressure chamber which is expediently adjacent to the pressure chamber in which the compressed gas has been loaded with the hydrophobizing and / or oleophobicizing agent.
  • the opening of a lock would then cause the loaded gas to spread and fill in the chamber in which the component is located. It is it is preferred that the gas is not decompressed, but that the gas is still compressed, so that the compressed gas saturates the surface and the region of the material near the surface. After a predetermined dwell time, the gas can be separated from the material and removed from the chamber. This results in a separation between gas and water repellent and / or oil repellent.
  • the hydrophobizing and / or oleophobicizing agent remains on and / or in the material.
  • the gas on the other hand, can be fed back into the process and reused.
  • the material can be subjected to subsequent treatments, for example a temperature step to react the reactive hydrophobing and / or oleophobicizing
  • the component is one or more parts of an electric machine.
  • Electrical machines in particular rotors, stators, coils, their slot insulation, crimp connections, high-voltage and coil connections as well as switching rings are often exposed to motor and / or gear oils.
  • they often consist of materials, such as copper, tin and other metals, which, under the influence of such oils, tend to corrode and thus destroy.
  • these components are to be protected by hydrophobization and / or oleophobization, the durability of which is in a meaningful relationship to the useful life, for example the running time of the electric machine or the parts of an electric machine.
  • components For the purpose of electrical insulation and / or encapsulation, components, at least in some areas, have a surface comprising a polymer.
  • the material to be hydrophobized and / or oleophobicizing is a polymer.
  • Polymers are chemical compounds, especially hydrocarbon compounds, of chains or branched molecules, which in turn consist of identical or similar units, the so-called repeating units. Silicones are particularly preferred for the isolation of components. These can advantageously be suitable both for sealing and for gluing.
  • the frequent use of silicone for example as a potting compound in electrical machines, results in particular from the combination of high elasticity combined with low electrical conductivity, high thermal shock resistance, high thermal conductivity and high oxidation stability with good substrate adhesion. Such properties are found primarily in silicones and epoxy resins, especially tough-modified epoxy resins.
  • polymers in particular silicones, advantageously show a high level of penetrability for the compressed gas. This ensures that the loaded gas not only wets the surface of the polymer when it comes into contact with the component, but rather penetrates the polymer. Preferably, the loaded compressed gas also penetrates into the region of the polymer material near the surface. Thus, in the event of damage to the polymer, the component is rendered hydrophobic and / or oleophobic in this area.
  • the compressed gas is preferably in the form of a supercritical fluid.
  • a substance is a supercritical fluid if the pressure and temperature are above the critical point of the substance. The substance is then in a state in which the differences between liquid and gaseous cease to exist.
  • Supercritical fluids therefore have significantly different properties than gases or liquids. In most cases, the diffusibility is similar to that of the gas, with the solvency being closer to that of the liquid.
  • the solvent properties in turn depend heavily on the density, which can be influenced over a relatively wide range. A higher density increases the solubility of most substances. Thanks to their high diffusibility, supercritical fluids are extremely agile substances. This allows them to penetrate other substances.
  • the compressed gas used in the method according to the invention is present in such a compressed state that it is present as a supercritical fluid, it not only has a high diffusibility, which enables it to penetrate the material or the polymer. Rather, the dissolving power of the gas, in particular with regard to hydrophobizing and / or oleophobicizing agents, is very greatly increased in comparison to the gaseous state. If the compressed gas, which is present as a supercritical fluid, is loaded with the hydrophobicizing and / or oleophobicizing agent, a very high concentration of hydrophobicizing and / or oleophobicizing agent can be achieved.
  • the surface of the material or the area close to the surface within the material can be treated with the hydrophobizing and / or in a relatively short time.
  • Oleophobic agents are saturated.
  • the use of a supercritical fluid as a carrier can lead to a particularly uniform, gapless and / or deep hydrophobization or oleophobicization of the material.
  • the gas, particularly the supercritical fluid is particularly preferably carbon dioxide.
  • Carbon dioxide is a non-toxic substance that is gaseous at room temperature. The weak polarity makes it an ideal solvent for most water repellents and oil repellents, especially in the supercritical state.
  • the critical one The point of carbon dioxide is 31 ° C and 73.8 bar. Therefore, carbon dioxide is easy to handle in production plants with moderate effort and thus offers a good carrier for the process according to the invention.
  • Oxygen, in particular critical oxygen is also preferred as a carrier. However, the location of the critical point (50.4 bar and - 118.4 ° C) makes handling in production more difficult.
  • the solution behavior in oxygen is limited to non-polar solvents and thus does not cover the entire range of preferred hydrophobizing and / or oleophobicizing agents in materials science.
  • the hydrophobizing and / or oleophobicizing agent comprises fluorocarbon compounds.
  • Fluorocarbon compounds are partially or perfluorinated hydrocarbon compounds.
  • the fluorocarbon compound is preferably a fluoroalkylsiloxane. These are trifunctional organic compounds, more precisely oligosiloxanes functionalized by fluoroalkyl groups and optionally aminoalkyl groups.
  • the particular advantage over other fluorocarbon compounds is that, in addition to the hydrophobic and oleophobic properties of the compound, with the formation of Si-O bonds and subsequent crosslinking, chemical reactions with the surface of the material, in particular a polymer, can occur, which results in a particularly good connection between surface and hydrophobing or oleophobicizing agent.
  • the use of tridecafluorooctyltrietoxysiloxane as fluoroalkylsiloxane has proven to be particularly advantageous.
  • This compound is particularly well suited for production, since on the one hand it shows very good adhesion, hydrophobization and oleophobization properties and, moreover, it is also non-toxic and can therefore be processed with little effort.
  • the fluorocarbon compounds have polar and / or ionic functional groups. These increase the oleophobic character of the fluorocarbon compounds.
  • the fluorocarbon compound is then preferably a fluorosurfactant, in particular an ionic fluorosurfactant.
  • Fluorosurfactants on the one hand comprise short to medium-length partially or perfluorinated carbon chains, which have a hydrophobic character.
  • fluorosurfactants have a polar, in particular an ionic, group in a preferably terminal position, which gives the compound the desired oleophobic character.
  • Preferred chain lengths of the hydrophobic partially or perfluorinated carbon chain are in the range from 2 to 40 carbon atoms, in particular from 4 to 30 carbon atoms, preferably from 5 to 15 carbon atoms.
  • the hydrophobization or oleophobicization takes place over a period of one minute to 10 hours. Within this period, an equilibrium of the concentration of the gas inside and outside of the material is established, and thus an equilibrium concentration of the hydrophobicizing agent or oleophobicizing agent inside and outside the material.
  • This equilibrium concentration of hydrophobizing or oleophobicizing agent simultaneously represents the maximum concentration of the hydrophobizing or oleophobicizing agent within the material under the given external physical conditions.
  • the concentration of hydrophobicizing and / or oleophobicizing agent on the surface and within the material is proportional to the concentration of the hydrophobicizing or oleophobicizing agent within the carrier, ie the gas or the supercritical fluid.
  • concentration of the hydrophobizing or oleophobicizing agent within the carrier in turn depends on the solvency of the carrier.
  • the solvent properties of the carrier in turn behave in proportion to the density of the carrier, particularly in the supercritical state. Since the carrier should preferably be at least almost saturated with hydrophobicizing or oleophobicizing agents, the hydrophobicizing or oleophobicizing preferably takes place under a pressure of at least 55 bar and / or at a temperature of at least 25 ° C.
  • the gas is removed by reducing the pressure.
  • pressure is preferably first reduced to ambient pressure, in particular the greatest possible pressure gradient being realized. An abrupt relaxation is therefore preferred.
  • the gas Due to the spontaneous expansion of the gas, the gas is separated from the hydrophobicizing or oleophobicizing agent.
  • the carrier escapes from the material due to the transition from the supercritical to the gaseous state.
  • the hydrophobizing or oleophobicizing agent remains on the material or in the material.
  • the now gaseous, preferably from Hydrophobizing or oleophobicizing agents can be returned to the first chamber, by means of suitable apparatus, in which the carrier was previously loaded with hydrophobizing or oleophobicizing agents, and thus recycled.
  • the process described can be carried out particularly ecologically and economically.
  • Another aspect of the present invention relates to a component of an electrical machine, comprising a material or consisting of such a material, wherein a hydrophobizing and / or oleophobicizing agent in a region of the material close to the surface to a depth of at least 1 mm, in particular at least 2 mm, preferably at least 2.5 mm, in which material is detectable.
  • the hydro- and / or oleophobicizing agent preferably has a mass fraction of at least 1% by weight, based on the total mass of material and hydro- or oleophobicizing agent, in the depths mentioned.
  • the component according to the invention can be hydro and / or oleophobic, for example, using the method described above.
  • hydrophobizing and / or oleophobicizing agents such as by brushing, spraying or dipping
  • only a surface protective layer in the nanometer range can be achieved on the component. If the surface of the material is damaged or if it has foreign phases, the material and thus the component may be destroyed by oil-related corrosion. If, on the other hand, deep oleophobization takes place in the area of the material close to the surface, hydrophobicization and / or oleophobization of the material can be ensured despite superficial damage to the material.
  • a hydrophobization and / or oleophobization in the near-surface area within the material thus increases the durability of the hydrophobization and / or oleophobization, in particular when the component is exposed to harmful external influences as a result of use.
  • the hydrophobization and / or oleophobization is not linked to the durability of any intermediate layers, such as polymers.
  • Figure 1 shows the inventive method for hydrophobing and / or oleophobicizing a material 15 in four steps.
  • a compressed gas 22, here supercritical carbon dioxide, is loaded with a hydrophobicizing and / or oleophobicizing agent 21.
  • the chamber 30 should be a pressure chamber which is adapted to the pressure and temperature conditions necessary to generate a supercritical gas.
  • the hydrophobizing and / or oleophobicizing agent 21 preferably comprises a fluorocarbon compound, which in the present example has polar and / or ionic groups.
  • the fluorocarbon compound is preferably a fluoroalkylsiloxane as sold by Evonik under the brand names Dynasylan® F8261, Dynasylan®F8263, Dynasylan®F8815, Dynasylan® Sivo and Dynasylan®Sivo Clear and Dynasylan®Sivo Clear EC.
  • an ionic fluorosurfactant as a hydrophobizing and / or oleophobicizing agent 21 is preferred, in particular a partially fluorinated C2 to C40 alkyl phosphoric acid ester.
  • This preferably contains a binder and / or wetting agent based on acrylate.
  • a corresponding product is available under the brand name Capstone® FS-63 (DuPont).
  • Capstone® FS-81 can be used.
  • Capstone FS 22 can be used.
  • Capstone FS 61 can be used.
  • Capstone FS 63 can be used.
  • Capstone FS 81 can be used.
  • Zonyl® FSP can be used.
  • the gas 20 which is now loaded is introduced into a second chamber 35 via a line connection (not shown here) ( Figure 1b ).
  • the conditions inside the second chamber 35 after the inlet of the loaded gas 22 are preferably the same as in the first chamber 30.
  • the component 10 can also be introduced into the chamber 35 via a lock, not shown, after the gas has been introduced become.
  • Component 10 is, for example, a stator of an electric machine.
  • Component 10 has a material 15 on its surface.
  • the material 15 can be a layer of a polymer, here a casting compound. It is irrelevant whether the layer is applied over the entire surface or only in a certain area of the surface.
  • the material 15 is in particular a silicone, preferably a methylpolysiloxane rubber, for example a vinylmethylpolysiloxane rubber (VMQ) or a phenylvinylmethylpolysiloxane rubber (PVMQ).
  • a silicone preferably a methylpolysiloxane rubber, for example a vinylmethylpolysiloxane rubber (VMQ) or a phenylvinylmethylpolysiloxane rubber (PVMQ).
  • VMQ vinylmethylpolysiloxane rubber
  • PVMQ phenylvinylmethylpolysiloxane rubber
  • silicone elastomer sold under the brand RAKU-SIL® 10-S 13/9 (from Rampf Giessharze GmbH & Co. KG) can be used. It is preferred to use addition-crosslinking silicone rubbers.
  • the polymer depends on the component to be completely cast in, typically in a thickness of several millimeters, for example 5
  • the loaded gas 20 is distributed evenly in the chamber 35 due to normal physical processes and the given degrees of freedom. It also deposits on the surface of the component 10, in particular on the material / polymer 15 ( Figure 1c ). Because of the high diffusibility of compressed gases, the loaded gas 20 penetrates into the region of the material 15 near the surface. The inclusion or penetration of the loaded gas 20 is also favored by the conditions prevailing in the interior of the chamber 35, such as pressure and temperature. Both parameters are increased in relation to the normal conditions (25 ° C and 1 bar). Since both parameters are directly related to the diffusibility of the loaded gas 20 and thus to the depth of penetration, the conditions within the chamber 35 favor that the loaded gas 20 is concentrated as high as possible in the material 15.
  • the loaded gas 20 is concentrated as uniformly as possible on the surface of the material 15.
  • These parameters are preferably influenced by the exposure time, that is to say the common residence time of the loaded gas 20 and material 15 in the chamber 35 under increased pressure. Ideal exposure times are between one minute and 10 hours, but preferably between 1 and 7 hours. Within this time, the material 15 saturates with the loaded gas 20.
  • the compressed gas 20 is then separated from the material 15 ( Figure 1d ). This can preferably be done by reducing the pressure, whereby the compressed gas 20 is expanded and changes into a gaseous state. So it loses its excellent carrier properties and the hydrophobizing and / or oleophobicizing agent 21 is no longer dissolved in the gas 22. While the gas 22 escapes from the material 15 and is guided out of the chamber 35 via a path (not shown), the inert hydrophobicizing and / or oleophobicizing agent 21 remains in and on the material 15. Excess hydrophobicizing and / or oleophobicizing agent 21, i.e. such Which has not penetrated into the material 15 and is also not condensed on the surface is also conducted out of the chamber 35.
  • Both the gas 22 and excess hydrophobizing and / or oleophobicizing agent 21 are not contaminated in the process according to the invention, so that they can be reintroduced into the first chamber 30, optionally concentrated and reused. This recycling of the raw materials enables economical and at the same time ecological hydrophobization and / or oleophobicization of materials.
  • a hydrophobicizing and / or oleophobicizing agent (21) is dissolved in supercritical carbon dioxide (compressed gas 22) at a pressure of 75 bar and a temperature of 35 ° C. in a high-pressure reactor (chamber 30).
  • the carbon dioxide (compressed gas 22) which is now present as a supercritical gas, is saturated with hydrophobicizing and / or oleophobicizing agent, the resulting loaded gas (20) is passed into a second chamber (35).
  • a stator (component 10) of an electric machine was previously introduced into this second chamber.
  • the pressure and temperature are the same as in the first chamber.
  • the loaded gas Since the loaded gas is in the supercritical state, it has special transport and carrier properties with regard to the hydrophobicizing and / or oleophobicizing agent. It penetrates deeply into the material 15, in particular into the potting compound, impregnating resin and slot insulation of the stator, and carries along the hydrophobicizing and / or oleophobicizing agent. After about two to three hours, the equilibrium has been reached and thus the equilibrium concentration of hydrophobizing and / or oleophobicizing agent in and on the stator has been reached. The pressure in the second chamber is then suddenly reduced by opening a valve in a third chamber, as a result of which the carbon dioxide changes from the supercritical state to the gaseous state.
  • the carbon dioxide suddenly becomes its special carrier and Loses transport properties and the carbon dioxide escapes from the hydrophobicized or oleophobicized components of the stator, leaving behind the hydrophobicizing and / or oleophobicizing agent.
  • the hydrophobicizing and / or oleophobicizing agent remaining outside the stator and the expanded carbon dioxide are pumped back from the second and third chambers into the first chamber of the high-pressure reactor, where they are again converted into the supercritical state by adding additional hydrophobicizing and / or oleophobicizing agents by increasing the pressure .
  • the hydrophobicized and / or oleophobicized stator is discharged from the second chamber and a new material to be hydrophobized or oleophobicized is introduced into the chamber. The process can start again.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hydrophobierung und/oder Oleophobierung eines Werkstoffs sowie ein Bauteil einer Elektromaschine umfassend oder bestehend aus einem oleophobierten Werkstoff.
  • Bauteile bestehen häufig aus, zumindest in Teilbereichen, mit Polymeren überzogenen Werkstoffen. Diese Polymere werden beispielsweise als Vergussmassen für elektrische Maschinen, Leiterplatten oder elektrische Baugruppen, aber auch zur Verklebung und, beispielsweise in Form von Schutzlacken, als Beschichtung verwendet. Viele Materialgruppen der beteiligten Bauteile zeigen häufig Korrosions- beziehungsweise Aufquellerscheinungen beim Kontakt mit öligen und/oder wässrigen Lösungen. Ein Beispiel hierfür ist die sogenannte Kupferkorrosion, die häufig einsetzt, wenn elektrische und/oder elektronische Bauteile mit für die Funktionsweise notwendigen Medien in Verbindung kommen. Im Bereich der Verklebung treten hingegen insbesondere Probleme auf, wenn Feuchtigkeit zwischen die Kontaktbereiche von Polymer und Bauteil eindringt und dort zu Korrosion, Zersetzung und zum Aufquellen führt, was wiederum zu Zerstörung der Klebeverbindung und des Bauteils führen kann. Besonderes relevant sind derartige Probleme im Bereich elektrischer Maschinen.
  • Elektrische Maschinen (elektromechanische Wandler), beispielsweise elektrische Antriebsmotoren für Kraftfahrzeuge, Starter, Generatoren oder Starter-Generatoren, wandeln elektrische Energie in mechanische Energie (Motoren) beziehungsweise mechanische Energie in elektrische Energie (Generatoren) um. Diese elektromechanische Umwandlung beruht auf elektromagnetischer Induktion. Derartige elektrische Maschinen umfassen einen feststehenden Stator (Ständer), der nach einer häufigen Bauart einen Statorkern (Blechpaket) mit entsprechenden Drahtwicklungen und darauf angeordneten Schaltringen umfasst, sowie eine bewegliche Komponente, die bei dem häufigsten Bautyp als Rotor (Läufer) ausgebildet ist, welcher drehbar in oder um den ringförmig ausgebildeten Stator gelagert ist und eine Vielzahl an Permanentmagneten aufweist. Dabei wird aufgrund des bewegten Magnetfeldes des Rotors ein Stromfluss in der Statorwicklung erzeugt (Generator) beziehungsweise aufgrund des durch den Stator erzeugten Magnetfeldes die mechanische Bewegung/Rotation des Rotors bewirkt (Motor). Umgekehrte Bautypen, bei denen der Rotor eine Wicklung und der Stator Magnete umfasst, sind ebenfalls bekannt.
  • Teile des, die Wicklung und den Schaltring aufweisenden Stators und/oder Rotors sind zum Zwecke ihrer elektrischen Isolation und ihres mechanischen Schutzes und des Schutzes gegenüber chemischen Einflüssen in einer Vergussmasse eingebettet. Die Vergussmasse wird insbesondere zur Einbettung des Schaltrings (auch als Verschaltungsring oder Kontaktbrücke bezeichnet) verwendet, welcher die Einzelwicklungen elektrisch miteinander verschaltet. Typischerweise basieren Vergussmassen auf einem Silikonkautschuk. Zur Erhöhung ihrer Wärmeleitfähigkeit enthalten diese Silikonelastomere häufig einen Zusatz hoher Füllstoffanteile, beispielsweise in Form von Quarzpartikeln. Derartige Materialien erfüllen die meisten der technischen Anforderungen an Vergussmassen, insbesondere weisen sie eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit auf, eine hohe Temperatur- und Temperaturwechselbeständigkeit, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Oxidationsstabilität, eine gute Untergrundhaftung sowie eine einfache Aushärtung und eine hohe Verarbeitungstoleranz. Problematisch ist jedoch die hohe Affinität der Silikone gegenüber Kohlenwasserstoffen. So zeigen sie die Neigung, Motoren- und Getriebeöle zu inkludieren und dadurch aufzuquellen. Durch die Quellung werden die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt. Beispielsweise nimmt die Festigkeit und Materialhärte ab, die Temperaturbeständigkeit sinkt und eine Ablösung und ggf. Versprödung der Vergussmasse kann die Folge sein. Insbesondere bei ölgekühlten Elektromotoren, die bauartbedingt mit Getriebeölen in Kontakt kommen, ist somit die Reduzierung oder Verhinderung der Ölaufnahme und -quellung des Silikonmaterials wünschenswert.
  • Im Bereich der Magnetverklebung an Rotor oder Stator können eindringende Medien ebenfalls zu Problemen führen. Als Klebstoff für die Magnete kommen insbesondere Silikonharzsysteme zum Einsatz, die zum Teil mit Glaskugeln gefüllt werden, welche die Funktion von Abstandshaltern aufweisen und somit letztlich die Einstellung der Dicke des Kleberfilms ermöglichen. Die Magnetverklebung sollte grundsätzlich den gleichen technischen Anforderungen wie die Vergussmasse entsprechen (s.o.) und zusätzlich eine gute Klebewirkung für die Magnete bzw. Blechpakete aufweisen. Insbesondere sollte auch hier das verwendete Silikonharzsystem nicht durch Eindringen von Feuchtigkeit oder Ölen beeinträchtigt und die Haftfestigkeit herabgesetzt werden.
  • DE 31 33 734 C2 beschreibt eine elektrische Isolierung für einen Wickelkopf eines Stators oder Rotors einer elektrischen Maschine, die gleichzeitig vor Feuchtigkeit schützt. Die Beschichtung enthält einen Silikonkautschuk als Basismaterial, der anstelle eines mineralischen Füllmaterials stäbchenförmige Copolymere auf Basis von Styrol-Butylacrylat enthält.
  • WO 98/ 54 397 A1 offenbart ein Verfahren zur Hydrophobierung bzw. Oleophobierung eines Werkstoffs. Dabei wird die Oberfläche des Werkstoffs mit einem Mittel zur Oberflächenbehandlung in Kontakt gebracht.
  • In WO 2007/ 126 327 A1 ist ein Verfahren zum Hydrophobisieren oder Lipophobisieren eines Werkstoffs beschrieben. Dabei wird superkritisches CO2 als Trägermaterial für Polymer oder Co-Polymer verwendet, welches die Oberfläche des Werkstoffs zu hydrophobisieren oder zu lipophobisieren vermag. Hierzu wird der Werkstoff gemeinsam mit dem Polymer in einen Reaktor verbracht.
  • US 2002/ 192 380 A1 beschreibt die Behandlung eines keramischen Werkstoffs mit einem fluorierten Silan zur Behandlung dessen Oberfläche. Das fluorierte Silan wird dazu in komprimiertem CO2 gelöst und anschließend auf die Oberfläche aufgesprüht.
  • Daneben ist die wasserabweisende Wirkung von fluorhaltigen Verbindungen aus vielen technischen Bereichen bekannt. Beispielsweise werden Textilien mit PFTE beschichtet oder Fluorcarbonketten kovalent an die Fasern angebunden, um hydrophobe und gleichzeitig oleophobe Oberflächen zu erzeugen. Ebenfalls ist aus der Textilindustrie bekannt, hydrophobe Beschichtungen auf Basis von Silikonen und Fluorcarbonen auf die Textilien aufzubringen. Bei Synthetikfasern aus Polyolefinen oder Polyestern wird darüber hinaus auch die Gasphasenfluorierung angewendet, die eine aufwändige Kombination von Plasmabehandlung, Luftzufuhr, Pfropfen von Fluorcarbon-Monomeren und anschließend eine weitere Plasmabehandlung in CF4-Atmosphäre erfordert ( US 2011/045200A1 ).
  • US 5,416,373 beschreibt eine Wicklung eines Stators oder Rotors einer elektrischen Maschine, bei der die Wicklung mit einem elektrisch isolierenden Film oder mit einem Glimmmerband beschichtet ist. Im freiliegenden Wickelkopfbereich ist zusätzlich eine fluorhaltige Beschichtung aufgebracht, um die Wicklung gegen Feuchtigkeit zu schützen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Hydrophobierung und/oder Oleophobierung von Bauteilen bereitzustellen, welches die Probleme des Standes der Technik löst oder zumindest mildert. Dabei soll insbesondere die Haltbarkeit und Beständigkeit der Hydrophobierung und/oder Oleophobierung deutlich erhöht werden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Bauteil einer Elektromaschine, umfassend einen mit dem Verfahren oleophobierten Werkstoff. Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Hydrophobierung und/oder Oleophobierung eines Werkstoffs, umfassend
    1. a. das Beladen eines komprimierten Gases mit einem Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel,
    2. b. Inkontaktbringen des Werkstoffs mit dem komprimierten und beladenen Gas und
    3. c. Entfernen des Gases von dem Werkstoff,
    wobei das Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel eine Fluorcarbonverbindung umfasst und der Werkstoff ein Polymer umfasst.
  • Die Verfahrensabfolge kann bedarfsweise mit dem gleichen oder einem anderen Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel wiederholt werden. Bei konventionellem Aufbringen von Hydrophobierung und/oder Oleophobierungsmitteln durch Aufstreichen, Aufsprühen oder Eintauchen kann auf den zu isolierenden Werkstoffen lediglich eine Schutzschicht im Nanometerbereich aufgetragen werden. Wird die Oberfläche beschädigt oder weist diese Fremdphasen, zum Beispiel durch Füllstoffpartikel auf, kann Öl in diese Stellen eindringen, den Werkstoff schädigen und ferner die Zerstörung der Isolationsschicht vorantreiben. Das erfindungsgemäße Verfahren hingegen erreicht eine Tiefenimprägnierung des behandelten Werkstoffs. Diese kann dadurch erreicht werden, dass ein komprimiertes Gas als Trägerstoff für ein Hydrophobierung- und/oder Oleophobierungsmittel genutzt wird. Das beladene Gas dringt mitsamt des Hydrophobierung- und/oder Oleophobierungsmittels tief in die zu isolierenden Werkstoffe ein. Bei einem anschließenden Entfernen des Gases verbleibt das Hydrophobierung- und/oder Oleophobierungsmittel im und auf dem Werkstoff. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann demnach sowohl eine Tiefenimprägnierung von einigen Nanometern als auch eine Oberflächenimprägnierung eines Werkstoffs erzielt werden. Durch die Verwendung eines komprimierten Gases als Trägerstoff kann ein breites Spektrum an löslichen Hydrophobierung- und/oder Oleophobierungsmitteln genutzt werden. Dabei ist es völlig unerheblich, ob diese selbst im gasförmigen Zustand handhabbar sind. Zudem muss für das eigentliche Lösungsmittel, nämlich das komprimierte Gas, kein giftiges oder brennbares Lösungsmittel verwendet werden, was sowohl aus ökologischer als auch ökonomischer Sicht Vorteile gegenüber bisherigen Verfahren darstellt, insbesondere wenn das Lösungsmittel wiederverwendet, also recycelt wird.
  • Das Beladen des komprimierten Gases findet grundsätzlich unter Druck statt und kann in einer Druckkammer, beispielsweise einem Autoklaven, vorgenommen werden. Unter Beladen wird in vorliegender Erfindung ein Vorgang verstanden, bei dem es durch Sorption zu einer Anreicherung eines Stoffs, insbesondere des Hydrophobierung- und/oder Oleophobierungsmittels, in einer Phase des Werkstoffs oder an einer Phasengrenze kommt. Bei dem zu beladenen Stoff handelt es sich um ein komprimiertes Gas, welches aufgrund eines gegenüber normalem Luftdruck erhöhten Drucks verdichtet vorliegt. Die Stoffmenge von 1 mol eines komprimierten Gases nimmt gegenüber dem unverdichteten, idealen Gaszustand unter Normbedingungen ein kleineres Volumen als 22,4 l ein. Unter einem Hydrophobierung- und/oder Oleophobierungsmittel ist in vorliegender Erfindung ein Mittel zu verstehen, welches den oleophoben, also den ölabweisenden Charakter eines Stoffs, insbesondere dessen Oberfläche erhöht, also selbst eine höhere Oleophobizität als der Werkstoff aufweist. Die Oleophobizität ist beispielsweise durch (insbesondere statische) Messung des Kontaktwinkels eines Tropfens Öls auf einer planen Oberfläche des Materials messbar, wobei mit zunehmender Oleophobizität der Kontaktwinkel entsprechend steigt. Für Hydrophobierungsmittel und Hydrophobie gelten analoge Zusammenhänge, wobei hier der wasserabweisende Charakter unter Verwendung eines Tropfens Wasser gemessen wird.
  • Im Sinne der Erfindung schließen Hydrophobierung- und/oder Oleophobierungsmittel auch und bevorzugt solche ein, die über ihre oleophobierende auch eine hydrophobierende Wirkung zeigen.
  • Das Hydrophobieren und/oder Oleophobieren eines Werkstoffs erfolgt erfindungsgemäß durch Inkontaktbringen des Werkstoffs mit dem beladenen Gas. Diese Werkstoffe sind Teil eines Bauteils. Unter Bauteilen sollen Materialien verstanden werden, die in Produktionsprozessen verarbeitet werden und in die Endprodukte eingehen oder diese darstellen. Hier sind davon sowohl Halbzeuge, wie einzelne Bauteile, Halbfertigprodukte, wie Statoren und Rotoren in einer Fertigungsstufe, aber auch Fertigprodukte, wie E-Maschinen umfasst. Ferner sollen sowohl Bauteile aus Metallen und Nichtmetallen als auch aus organischen und anorganischen Materialien sowie deren Verbundwerkstoffe umfasst sein.
  • Das Inkontaktbringen des Werkstoffs mit dem beladenen Gas kann ebenfalls in einer Druckkammer geschehen, welche zweckmäßigerweise zu der Druckkammer benachbart ist, in welcher das komprimierte Gas mit dem Hydrophobierung- und/oder Oleophobierungsmittel beladen wurde. Das Öffnen einer Schleuse würde dann dazu führen, dass sich das beladene Gas in der Kammer, in dem sich das Bauteil befindet, ausbreitet und diese füllt. Dabei ist bevorzugt, dass es nicht zu einer Dekompression des Gases kommt, sondern das Gas weiterhin komprimiert vorliegt, so dass das komprimierte Gas die Oberfläche und den oberflächennahen Bereich des Werkstoffs sättigt. Nach einer vorbestimmten Verweilzeit kann das Gas vom Werkstoff getrennt und aus der Kammer entfernt werden. Dabei kommt es zu einer Trennung zwischen Gas und Hydrophobierung- und/oder Oleophobierungsmittel. Das Hydrophobierung- und/oder Oleophobierungsmittel verbleibt am und/oder im Werkstoff. Das Gas hingegen kann dem Prozess wieder zugeführt und wiederverwendet werden. Der Werkstoff kann nachfolgenden Behandlungen, z.B. einem Temperaturschritt zum Ausreagieren des reaktiven Hydrophobierung- und/oder Oleophobierungsmittels mit dem Werkstoff, unterworfen werden.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Bauteil um ein oder mehrere Teile einer Elektromaschine. Elektromaschinen, insbesondere Rotoren, Statoren, Spulen, deren Nutisolationen, Crimpverbindungen, Hochspannungs- und Spulenanschlüsse sowie Schaltringe, sind häufig Motoren- und/oder Getriebeölen ausgesetzt. Sie bestehen jedoch häufig aus Materialien, wie Kupfer, Zinn und anderen Metallen, welche unter dem Einfluss von derartigen Ölen zu Korrosion und damit Zerstörung neigen. Somit sind insbesondere diese Bauteile durch eine Hydrophobierung und/oder Oleophobierung zu schützen, deren Haltbarkeit in einem sinnvollen Verhältnis zur Nutzzeit, beispielsweise Laufzeit der Elektromaschine beziehungsweise der Teile einer Elektromaschine, steht.
  • Zum Zwecke von elektrischer Isolation und/oder Verkapselung weisen Bauteile, zumindest in Teilbereichen, eine ein Polymer umfassende Oberfläche auf. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem zu hydrophobierendem und/oder oleophobierendem Werkstoff um ein Polymer. Polymere sind dabei chemische Verbindungen, insbesondere Kohlenwasserstoffverbindungen, aus Ketten oder verzweigten Molekülen, die wiederum aus gleichen oder gleichartigen Einheiten, den so genannten Wiederholeinheiten, bestehen. Besonders bevorzugt zur Isolation von Bauteilen sind Silikone. Diese können vorteilhafterweise sowohl zum Abdichten als auch zur Verklebung geeignet sein. Die häufige Verwendung von Silikon, wie beispielsweise als Vergussmasse bei Elektromaschinen, rührt insbesondere aus der Kombination von hoher Elastizität bei gleichzeitiger geringer elektrischer Leitfähigkeit, hoher Temperaturwechselbeständigkeit, hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Oxidationsstabilität bei gleichzeitig guter Untergrundhaftung her. Solche Eigenschaften finden sich vor allem bei Silikonen und Epoxidharzen, vor allem zähmodifizierten Epoxidharzen.
  • Bezogen auf das erfindungsgemäße Verfahren zeigen Polymere, insbesondere Silikone, vorteilhafterweise eine hohe Durchdringbarkeit für das komprimierte Gas. Somit wird gewährleistet, dass das beladene Gas beim Inkontaktbringen mit dem Bauteil nicht nur die Oberfläche des Polymers benetzt, sondern vielmehr das Polymer durchdringt Bevorzugt dringt das beladene komprimierte Gas ebenfalls in den oberflächennahen Bereich des polymeren Werkstoffs ein. Somit ist auch im Falle einer Beschädigung des Polymers eine Hydrophobierung und/oder Oleophobierung des Bauteils in diesem Bereich sichergestellt.
  • Vorzugsweise liegt das komprimierte Gas als superkritisches Fluid vor. Ein Stoff liegt dann als superkritisches Fluid vor, wenn Druck und Temperatur über dem kritischen Punkt des Stoffs liegen. Der Stoff befindet sich dann in einem Zustand, in dem die Unterschiede zwischen flüssig und gasförmig aufhören zu existieren. Superkritische Fluide haben daher deutlich andere Eigenschaften, als Gase oder Flüssigkeiten. Zumeist ähnelt die Diffusibilität der des Gases, wobei das Lösungsvermögen eher dem der Flüssigkeit nahe kommt. Die Lösungsmitteleigenschaften hängen wiederum stark von der Dichte ab, die sich in einem relativ weiten Bereich beeinflussen lässt. Eine höhere Dichte erhöht dabei die Löslichkeit der meisten Stoffe. Überkritische Fluide sind dank ihrer hohen Diffusibilität überaus agile Substanzen. Dadurch können sie in andere Stoffe eindringen. Liegt das im erfindungsgemäßen Verfahren genutzte komprimierte Gas derart komprimiert vor, dass es als superkritisches Fluid vorliegt, verfügt es nicht nur über eine hohe -Diffusibilität, welche es befähigt, den Werkstoff beziehungsweise das Polymer zu durchdringen. Vielmehr ist das Lösungsvermögen des Gases, insbesondere in Bezug auf Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel, im Vergleich zum gasförmigen Zustand sehr stark erhöht. Wird das als superkritische Fluid vorliegende komprimierte Gas mit dem Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel beladen, kann eine sehr hohe Konzentration an Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel erzielt werden. Kommt das beladene Fluid dann mit dem Werkstoff in Kontakt, kann die Oberfläche des Werkstoffs beziehungsweise der oberflächennahe Bereich innerhalb des Werkstoffs in verhältnismäßig kurzer Zeit mit dem Hydrophobierungs- und/oder. Oleophobierungsmittel gesättigt werden. Somit kann die Verwendung eines superkritischen Fluids als Trägerstoff zu einer besonders gleichmäßigen, lückenlosen und/oder tiefen Hydrophobierung bzw. Oleophobierung des Werkstoffs führen.
  • Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Gas, insbesondere bei dem superkritischen Fluid, um Kohlendioxid. Kohlendioxid ist ein bei Raumtemperatur gasförmig vorliegender ungiftiger Stoff. Durch die schwache Polarität ist es, insbesondere im superkritischen Zustand ein ideales Lösungsmittel für die meisten Hydrophobierungs- und Oleophobierungsmittel. Der kritische Punkt von Kohlendioxid liegt bei 31 °C und 73,8 bar. Daher ist Kohlendioxid in Produktionsbetrieben unter mäßigem Aufwand leicht handhabbar und bietet somit für das erfindungsgemäße Verfahren einen guten Trägerstoff. Ebenfalls als Trägerstoff bevorzugt ist Sauerstoff, insbesondere kritischer Sauerstoff. Die Lage des kritischen Punktes (50,4 bar und - 118,4 °C) gestaltet jedoch die Handhabung in der Produktion schwieriger. Zudem ist das Lösungsverhalten bei Sauerstoff auf unpolare Lösungsmittel beschränkt und deckt somit nicht den gesamten Bereich der bevorzugten Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel in der Werkstoffkunde ab.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel Fluorcarbonverbindungen umfasst. Fluorcarbonverbindungen sind teil- oder perfluorierte Kohlenwasserstoffverbindungen. Bevorzugt handelt es sich bei der Fluorcarbonverbindung um ein Fluoralkylsiloxan. Hierbei handelt es sich um trifunktionelle organische Verbindungen, genauer um durch Fluoralkylgruppen und gegebenenfalls Aminoalkylgruppen funktionalisierte Oligosiloxane. Der besondere Vorteil gegenüber anderen Fluorcarbonverbindungen liegt darin, dass es zusätzlich zu den hydrophoben und oleophoben Eigenschaften der Verbindung unter Ausbildung von Si-O-Bindungen und nachfolgender Quervernetzung zu chemischen Reaktionen mit der Oberfläche des Werkstoffs, insbesondere eines Polymers, kommen kann, wodurch sich eine besonders gute Verbindung zwischen Oberfläche und Hydrophobierungs- bzw. Oleophobierungsmittel herausbildet. Besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Tridecafluoroctyltrietoxysiloxan als Fluoralkylsiloxan erwiesen. Diese Verbindung ist insbesondere für die Produktion sehr gut geeignet, da sie zum einen sehr gute Haftungs-, Hydrophobierungs- und Oleophobierungseigenschaften zeigt und zudem aber auch ungiftig und damit mit wenig Aufwand verarbeitbar ist.
  • Alternativ weisen die Fluorcarbonverbindungen polare und/oder ionische funktionelle Gruppen auf. Diese erhöhen den oleophoben Charakter der Fluorcarbonverbindungen. Vorzugsweise handelt es sich bei der Fluorcarbonverbindung dann um ein Fluortensid, insbesondere ein ionisches Fluortensid. Fluortenside umfassen einerseits kurze bis mittellange teil- oder perfluorierte Kohlenstoffketten, welche einen hydrophoben Charakter aufweisen. Andererseits weisen Fluortenside eine polare, insbesondere eine ionische Gruppe, in vorzugsweise terminaler Position auf, welche der Verbindung den gewünschten oleophoben Charakter verleiht. Bevorzugte Kettenlängen der hydrophoben teil- oder perfluorierten Kohlenstoffkette liegen im Bereich von 2 bis 40 Kohlenstoffatomen, insbesondere von 4 bis 30 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise von 5 bis 15 Kohlenstoffatomen.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung findet das Hydrophobieren bzw. Oleophobieren, also das Inkontaktbringen des Werkstoffs mit dem komprimierten Gas über einen Zeitraum von einer Minute bis zu 10 Stunden statt. Innerhalb dieses Zeitraums kommt es zur Einstellung eines Gleichgewichtes der Konzentration des Gases innerhalb des Werkstoffs und außerhalb des Werkstoffs und damit zu einer Gleichgewichtskonzentration des Hydrophobierungs- bzw. Oleophobierungsmittels innerhalb und außerhalb des Werkstoffs. Diese Gleichgewichtskonzentration an Hydrophobierungs- bzw. Oleophobierungsmittel stellt gleichzeitig die maximal zu erreichende Konzentration des Hydrophobierungs- bzw. Oleophobierungsmittels innerhalb des Werkstoffs unter den gegebenen äußeren physikalischen Bedingungen dar. Um die Oberfläche des Werkstoffs beziehungsweise den innerhalb des Werkstoffs mit Hydrophobierungs- bzw. Oleophobierungsmittel beladenem Gas nahezu zu sättigen, werden Zeiträume von 1 bis 7 Stunden, insbesondere von 2 bis 3 Stunden besonders bevorzugt. Die Sättigungskurve zeigt typischer Weise einen hyperbelähnlichen Verlauf. Um eine möglichst kurze Produktionszeit bei möglichst großer Sättigung zu realisieren, stellten sich Expositionszeiten von zwei bis drei Stunden als vorteilhaft heraus.
  • Die Konzentration von Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel an der Oberfläche und innerhalb des Werkstoffs ist proportional zur Konzentration des Hydrophobierungs- bzw. Oleophobierungsmittels innerhalb des Trägerstoffs, also des Gases, beziehungsweise des superkritischen Fluids. Die Konzentration des Hydrophobierungs- bzw. Oleophobierungsmittels innerhalb des Trägerstoffs hängt wiederum vom Lösungsvermögen des Trägerstoffs ab. Die Lösungsmitteleigenschaften des Trägerstoffs wiederum verhalten sich insbesondere im superkritischen Zustand proportional zur Dichte des Trägerstoffs. Da der Trägerstoff bevorzugt zumindest nahezu mit Hydrophobierungs- bzw. Oleophobierungsmittel gesättigt vorliegen sollte, findet das Hydrophobieren bzw. Oleophobieren bevorzugt unter einem Druck von mindestens 55 bar und/oder bei einer Temperatur von mindestens 25 °C statt.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Entfernen des Gases durch Druckverminderung ausgelöst. Nach Sättigung des Werkstoffs mit dem beladenen Gas erfolgt vorzugsweise zunächst eine Druckverminderung auf Umgebungsdruck, wobei insbesondere ein möglichst großer Druckgradient realisiert wird. Bevorzugt erfolgt somit ein schlagartiges Entspannen. Durch das spontane Entspannen des Gases erfolgt eine Separation des Gases von dem Hydrophobierungs- bzw. Oleophobierungsmittel. Durch den Übergang vom superkritischen in den gasförmigen Zustand entweicht der Trägerstoff aus dem Werkstoff. Das Hydrophobierungs- bzw. Oleophobierungsmittel hingegen verbleibt auf dem Werkstoff beziehungsweise im Werkstoff. Der nunmehr gasförmig vorliegende, vorzugsweise von Hydrophobierungs- bzw. Oleophobierungsmittel befreite Trägerstoff kann durch geeignete Apparaturen in die erste Kammer, in der vormals die Beladung des Trägerstoffs mit Hydrophobierungs- bzw. Oleophobierungsmittel stattfand, zurückgeleitet und somit recycelt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Hydrophobierungs- bzw. Oleophobierungsverfahren kann das beschriebene Verfahren besonders ökologisch und ökonomisch durchgeführt werden.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil einer Elektromaschine, umfassend einen Werkstoff oder bestehend aus einem solchen, wobei ein Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel in einem oberflächennahen Bereich des Werkstoffs bis zu einer Tiefe von zumindest 1 mm, insbesondere zumindest 2mm, vorzugsweise zumindest 2,5 mm, in dem Werkstoff nachweisbar ist. Dabei weist das Hydro- und/oder Oleophobierungsmittel in den genannten Tiefen vorzugsweise einen Massenanteil von wenigstens 1 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse aus Werkstoff und Hydro- bzw. Oleophobierungsmittel auf. Das erfindungsgemäße Bauteil ist beispielsweise mit dem oben beschriebenen Verfahren hydro und/oder oleophobierbar. Bei konventionellem Aufbringen von Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel, wie beispielsweise durch Aufstreichen, Aufsprühen oder Eintauchen, kann lediglich eine oberflächliche Schutzschicht im Nanometerbereich auf dem Bauteil erzielt werden. Wird die Oberfläche des Werkstoffs beschädigt oder weist diese Fremdphasen auf, kann es zur Zerstörung des Werkstoffs und somit des Bauteils durch ölbedingte Korrosion kommen. Findet hingegen im oberflächennahen Bereich des Werkstoffs eine Tiefenoleophobierung statt, so kann trotz oberflächlicher Beschädigung des Werkstoffs eine Hydrophobierung und/oder Oleophobierung des Werkstoffs sichergestellt werden. Eine Hydrophobierung und/oder Oleophobierung im oberflächennahe Bereich innerhalb des Werkstoffs erhöht somit die Haltbarkeit der Hydrophobierung und/oder Oleophobierung, insbesondere dann, wenn das Bauteil infolge von Benutzung schädigenden äußeren Einflüssen ausgesetzt ist. Darüber hinaus ist die Hydrophobierung und/oder Oleophobierung nicht an die Haltbarkeit von eventuellen Zwischenschichten, wie beispielsweise Polymeren gebunden.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Nachfolgend soll die Erfindung anhand der in Figur 1 gezeigten schematischen Darstellung und einem konkreten Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Das Verfahren wird in bevorzugter Weise in zwei miteinander verbundenen Kammern 30 und 35 durchgeführt und ist grundsätzlich in vier Verfahrensschritte gliederbar. Figur 1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren zur Hydrophobierung und/oder Oleophobierung eines Werkstoffs 15 in vier Schritten.
  • Zu Beginn wird, wie in der Figur 1a gezeigt, in einer ersten Kammer 30 ein komprimiertes Gas 22, hier superkritisches Kohlendioxid mit einem Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel 21 beladen. Bei der Kammer 30 sollte es sich um eine Druckkammer handeln, die an die notwendigen Druck- und Temperaturverhältnisse zum Erzeugen eines superkritischen Gases angepasst ist.
  • Das Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel 21 umfasst bevorzugt eine Fluorcarbonverbindung, welche im vorliegenden Beispiel polare und/oder ionische Gruppen aufweist. Vorzugsweise handelt es sich bei der Fluorcarbonverbindung um ein Fluoralkylsiloxan wie von der Firma Evonik unter den Markennamen Dynasylan® F8261, Dynasylan®F8263, Dynasylan®F8815, Dynasylan® Sivo und Dynasylan®Sivo Clear sowie Dynasylan®Sivo Clear EC vertrieben wird. Alternativ ist auch die Verwendung eines ionischen Fluortensids als Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel 21 bevorzugt, insbesondere eines teilfluorierten C2- bis C40-Phosphorsäurealkylester. Vorzugsweise wird als ein solcher Vertreter ein Reaktionsprodukt aus 1H, 1H, 2H, 2H, Perfluor-1-oktanol und Phosphorpentoxid oder einem Salz von diesem Produkt, insbesondere ein Ammoniumsalz verwendet. Dieses enthält vorzugsweise ein Bindemittel und/oder Netzmittel auf Acrylatbasis. Ein entsprechendes Produkt ist unter der Markenbezeichnung Capstone® FS-63 (Fa. DuPont) erhältlich. Alternativ können die Produkte Capstone® FS-81, Capstone FS 22, Capstone FS 61, Capstone FS 63, Capstone FS 81, Capstone FS 3100, oder Zonyl® FSP (alle von DuPont), verwendet werden.
  • Ist das komprimierte Gas 22 mit Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel 21 gesättigt, wird das nunmehr beladene Gas 20 über eine hier nicht dargestellte Leitungsverbindung in eine zweite Kammer 35 eingeleitet (Figur 1b). Bevorzugterweise gleichen die Bedingungen innerhalb der zweiten Kammer 35 nach Einlass des beladenen Gases 22 denen in der ersten Kammer 30. In der zweiten Kammer 35 befindet sich beim Eintreffen des beladenen Gases 20 bereits ein Bauteil 10, welches einen zu hydro- und/oder oleophobierenden Werkstoff 15 umfasst. Alternativ kann das Bauteil 10 auch nach dem Einleiten des Gases über eine nicht dargestellte Schleuse in die Kammer 35 eingebracht werden. Bei dem Bauteil 10 handelt es sich zum Beispiel um einen Stator einer Elektromaschine.
  • Bauteil 10 weist an seiner Oberfläche einen Werkstoff 15 auf. Der Werkstoff 15 kann eine Schicht eines Polymers, hier eine Vergussmasse sein. Dabei ist unerheblich, ob die Schicht vollflächig oder nur in einem bestimmten Bereich der Oberfläche aufgebracht ist.
  • Der Werkstoff 15 ist insbesondere ein Silikon, bevorzugt ein Methylpolysiloxan-Kautschuk, beispielsweise ein Vinylmethyl-Polysiloxan-Kautschuk (VMQ) oder ein Phenylvinylmethyl-Polysiloxan-Kautschuk (PVMQ). Beispielsweise kann hier das unter der Marke RAKU-SIL® 10-S 13/9 (Fa. Rampf Giessharze GmbH & Co. KG) vertriebene Silikonelastomer verwendet werden. Es werden bevorzugt additionsvernetzende Silikon-Kautschuke verwendet. Das Polymer ist abhängig von dem komplett einzugießenden Bauteil, typischerweise in einer Dicke von mehreren Millimetern, beispielsweise 5 mm, aufgetragen.
  • Das beladene Gas 20 verteilt sich aufgrund normaler physikalischer Prozesse und der gegebenen Freiheitsgrade gleichmäßig in der Kammer 35. Dabei lagert es sich ebenfalls auf der Oberfläche des Bauteils 10, insbesondere auf dem Werkstoff/Polymer 15 ab (Figur 1c). Aufgrund der hohen Diffusibilität komprimierter Gase dringt das beladene Gas 20 in den oberflächennahen Bereich des Werkstoffs 15 ein. Ebenfalls begünstigt wird das Einbeziehungsweise Durchdringen des beladenen Gases 20 durch die im Inneren der Kammer 35 herrschenden Bedingungen, wie Druck und Temperatur. Beide Parameter sind in Bezug auf die normalen Bedingungen (25°C und 1 bar) erhöht. Da beide Parameter wiederum in direktem Zusammenhang mit der Diffusibilität des beladenen Gases 20 und damit mit der Eindringtiefe stehen, begünstigen die Bedingungen innerhalb der Kammer 35, dass sich beladenes Gas 20 so hoch wie möglich im Werkstoff 15 konzentriert. Neben einer möglichst hohen Eindringtiefe ist es vorteilhaft, dass das beladene Gas 20 möglichst gleichmäßig an der Oberfläche des Werkstoffs 15 konzentriert ist. Diese Parameter werden bevorzugt durch die Expositionszeit, also die gemeinsame Verweilzeit von beladenem Gas 20 und Werkstoff 15 in der Kammer 35 unter erhöhtem Druck, beeinflusst. Ideale Expositionszeiten liegen zwischen einer Minute und 10 Stunden, bevorzugt aber zwischen 1 und 7 Stunden. Innerhalb dieser Zeit tritt eine Sättigung des Werkstoffs 15 mit beladenem Gas 20 ein.
  • Anschließend wird das komprimierte Gas 20 vom Werkstoff 15 getrennt (Figur 1d). Dies kann vorzugsweise durch Druckerverminderung geschehen, wobei das komprimierte Gas 20 entspannt wird und in einen gasförmigen Zustand übergeht. Damit verliert es seine hervorragenden Trägereigenschaften und das Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel 21 liegt nicht länger im Gas 22 gelöst vor. Während das Gas 22 aus dem Werkstoff 15 entweicht und über einen nicht dargestellten Weg aus der Kammer 35 geleitet wird, verbleibt das trägere Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel 21 im und auf dem Werkstoff 15. Überschüssiges Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel 21, also solches, welches nicht in den Werkstoff 15 eingedrungen ist und auch nicht kondensiert auf der Oberfläche vorliegt wird ebenfalls aus der Kammer 35 geleitet.
  • Sowohl das Gas 22, als auch überschüssiges Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel 21 werden im erfindungsgemäßen Verfahren nicht verunreinigt, so dass sie wieder in die erste Kammer 30 eingeleitet, gegebenenfalls aufkonzentriert und wiederverwendet werden können. Dieses Recycling der Ausgangsstoffe ermöglicht eine ökonomische und zugleich ökologische Hydrophobierung und/oder Oleophobierung von Werkstoffen.
  • Die einzelnen Schritte werden nachfolgend an einem konkreten Ausführungsbeispiel nochmals erläutert.
  • In einer möglichen Ausführungsform wird in einem Hochdruckreaktor (Kammer 30) ein Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel (21) in superkritischem Kohlendioxid (komprimiertes Gas 22) bei einem Druck von 75 bar und einer Temperatur von 35 °C in Lösung gebracht. Wenn das nunmehr als superkritisches Gas vorliegende Kohlendioxid (komprimiertes Gas 22) mit Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel gesättigt ist, wird das entstandene beladene Gas (20) in eine zweite Kammer (35) geleitet. In dieser zweiten Kammer wurde zuvor ein Stator (Bauteil 10) einer Elektromaschine eingeschleust. Hier herrschen in Bezug auf Druck und Temperatur die gleichen Bedingungen wie in der ersten Kammer. Da sich das beladene Gas im superkritischen Zustand befindet verfügt es über besondere Transport- und Trägereigenschaften in Bezug auf das Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel. Es dringt tief in den Werkstoff 15, insbesondere in Vergussmasse, Imprägnierharz und Nutisolationen des Stators ein und schleppt das Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel mit. Nach etwa zwei bis drei Stunden ist die Einstellung des Gleichgewichts und damit auch die Gleichgewichtskonzentration an Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel im und am Stator erreicht. Anschließend wird der Druck in der zweiten Kammer schlagartig, durch Öffnen eines Ventils in eine dritte Kammer, reduziert, wodurch das Kohlendioxid vom superkritischen Zustand in den gasartigen Zustand übergeht. Dies hat zur Folge, dass das Kohlendioxid schlagartig seine besonderen Träger- und Transporteigenschaften verliert und das Kohlendioxid unter Zurücklassung des Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittels aus den hydrophobierten bzw. oleophobierten Bauteilen des Stators entweicht. Das außerhalb des Stators zurückbleibende Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel sowie das expandierte Kohlendioxid werden aus der zweiten und dritten Kammer in die erste Kammer des Hochdruckreaktors zurück gepumpt und dort unter Hinzufügung von weiterem Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel durch Druckerhöhung erneut in den superkritischen Zustand überführt. Gleichzeitig wird der hydrophobierte und/oder oleophobierte Stator aus der zweiten Kammer ausgeschleust und ein neuer zu hydrophobierender bzw. oleophobierender Werkstoff in die Kammer eingeschleust. Der Prozess kann von neuem beginnen.
  • Weitere Versuche, welche mit Kohlendioxid durchgeführt worden sind, zeigten, dass auch schon auf 50 bar komprimiertes Kohlendioxid bei Raumtemperatur und einer Sättigungsdauer von 14 Stunden ausreichende Transporteigenschaften für das Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel Dynasylan F8815 zeigt, so dass Werkstoffe mit Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel hinreichend "durchtränkt" werden konnten. Die Bruchflächen der behandelten Silikonenplättchen wurden hierzu mit EDX auf Fluor untersucht. In ca. 1 mm Tiefe konnte eine Fluorkonzentration von 3,98 Gew.-% gegenüber 32,8 Gew.-% auf der Oberfläche nachgewiesen werden. Beim klassischen Tauchen waren nur 0,36-0,95 Gew.-% Fluor in 1 mm Tiefe nachweisbar. Auch wenn die Massen absolut nicht ganz wegen fehlendem Wasserstoffs beim EDX stimmen- so ist der Unterschied doch deutlich sichtbar.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Bauteil
    15
    Werkstoff
    20
    beladenes Gas
    21
    Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel
    22
    komprimiertes Gas
    30
    erste Kammer
    35
    zweite Kammer

Claims (7)

  1. Verfahren zur Hydrophobierung und/oder Oleophobierung eines Werkstoffs (15), der Teil einer Elektromaschine ist, umfassend:
    a. Beladen eines komprimierten Gases (22) mit einem Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel (21),
    b. Inkontaktbringen des Werkstoffs (15) mit dem komprimierten und beladenen Gas (20) und
    c. Entfernen des Gases (22) von dem Werkstoff (15),
    wobei das Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel (21) eine Fluorcarbonverbindung umfasst und der Werkstoff (15) ein Polymer umfasst oder aus einem solchen besteht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das komprimierte Gas (22) als superkritisches Fluid vorliegt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (22) Kohlendioxid ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Inkontaktbringen des Werkstoffs (15) mit dem beladenen Gas über einen Zeitraum von 1 Minute bis 10 Stunden stattfindet.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Inkontaktbringen des Werkstoffs (15) mit dem beladenen Gas unter einem Druck von mindestens 55 bar und/oder bei einer Temperatur von mindestens 25 °C stattfindet.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des Gases (22) durch Druckverminderung ausgelöst wird.
  7. Bauteil (10) eines elektrischen Antriebsmotors für Kraftfahrzeuge, eines Starters, eines Generators oder Starter-Generators, wobei das Bauteil einen Werkstoff (15) umfasst oder aus einem solchen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hydrophobierungs- und/oder Oleophobierungsmittel (21) umfassend eine Fluorcarbonverbindung in einem oberflächennahen Bereich des Werkstoffs (15) bis zu einer Tiefe von zumindest 1 mm in dem Werkstoff (15) nachweisbar ist, wobei der Werkstoff (15) ein Polymer umfasst oder aus einem solchen besteht.
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