4.3 Anwendungsspezifische Beschichtungen für Faserseile im Maschinenbau

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1 Anwendungsspezifische Beschichtungen für Faserseile im Maschinenbau Seite Anwendungsspezifische Beschichtungen für Faserseile im Maschinenbau Referent: Dipl.-Ing. Jens Mammitzsch, Dipl.-Ing. (FH) Manuela Kunz, Dipl.-Ing. Markus Michael, Prof. Dr.-Ing. Klaus Nendel, Technische Universität Chemnitz, Institut für Allgemeinen Maschinenbau und Kunststofftechnik 1 Anforderungen an Seile im Maschinenbau Im Maschinenbau werden Seile als Lastaufnahme- oder Zugmittel verwendet. Sie unterliegen im industriellen Einsatz unterschiedlichsten statischen und dynamischen Belastungen, angefangen bei Zugbelastungen bis hin zu Biegebelastungen sowie Kombinationen aus diesen. Das Belastungskollektiv (z. B. Frequenz, Kraftmittelwert, Kraftmaximal- und Kraftminimalwerte) hat ebenso wie die Umgebungseinflüsse (aggressive Medien, Klima, usw.) einen entscheidenden Einfluss auf das Verschleißverhalten und die Lebensdauer des eingesetzten Seiles. Faserseile aus Kunstfasern bieten gegenüber Drahtseilen den Vorteil einer sehr geringen Dichte (etwa 1/7 der Dichte von Stahl), wodurch höhere Reißlängen und damit größere Förderhöhen erreicht werden. Des Weiteren sind sie weniger anfällig gegen Chemikalien und Umwelteinflüsse, flexibler und besser handhabbar. Um Faserseile im Maschinenbau vielfältiger einsetzen zu können, ist eine Anpassung an die im Einsatzfall vorliegenden Gegebenheiten (Umgebungsmedien/Klima, Belastungskollektiv, Möglichkeiten zur Wartung/ Diagnose) und an die durch den Anwender vorgegebenen Anforderungen (Wiederholgenauigkeit/ Positioniergenauigkeit, Handhabung, Befestigung/Endverbindung, Einsatzlänge usw.) vorzunehmen. Aktuell werden Faserseile vor allem im Seefahrt- und Yachting-Bereich, aber auch beim Mooring und in Offshore-Anwendungen eingesetzt, da einige Seilwerkstoffe eine niedrigere Dichte als Wasser haben und damit schwimmfähig sind. 2 Eigenschaften der Faserwerkstoffe Die Herstellung von Faserseilen kann aus einer Vielzahl technischer Kunststoffe erfolgen. Nachfolgend sind einige Kunststoffe aufgeführt, die sich zur Herstellung von Faserseilen mit mittlerer und höherer Festigkeit eignen. Die Festigkeiten der Fasern liegen dabei im Bereich der Festigkeit von Stahl oder darüber, wogegen die Dichten im Bereich von etwa 1/7 bis 1/8 der Dichte von Stahl liegen. Die Auswahl des Fasermaterials ist immer ein Kompromiss aus Anforderungen an die Festigkeit und ökonomischen Gesichtspunkten. Tabelle 1 zeigt die wichtigsten Eigenschaften einiger üblicher Faserwerkstoffe.

2 Seite 200 Anwendungsspezifische Beschichtungen für Faserseile im Maschinenbau Tabelle 1: Eigenschaften ausgewählter Faserwerkstoffe [g/cm³] [GPa] [MPa] [ C] [%] [%] PA 6.6 1, PET 1, <1 Vectran 1, ,3 <1 PE (hochfest) PP (hochfest) 0, , ,84-0, PPTA 1, Zersetzung bei 500 C Technora 1, Zersetzung bei 500 C 3 Vorbereitung der Seile 3, ,6 2 Werkstoff Dichte E-Modul Zugfestigkeit Schmelztemperatur Bruchdehnung Wasseraufnahme Die Seile müssen zum Beschichten entsprechend vorbereitet werden. Auf Fasern/Litzen/Garnen, die im Handel erhältlich sind, ist vom Hersteller eine Verarbeitungsschlichte aufgetragen, die das Handling während der Weiterverarbeitung erleichtert, die Faser vor mechanischen Schädigungen schützt und den Verschleiß an Werkzeugen und Führungen verringert. [6] Diese Schlichten bestehen meist aus Silikonölen oder enthalten diese zu einigen Volumenanteilen. Viele Silikone haben jedoch eine stark anti-adhäsive Wirkung, sodass die Haftung des Beschichtungswerkstoffes lokal oder vollständig behindert wird. [7], [8] Die Reinigung der Seile ist mit verschiedenen Methoden möglich. Beim Arbeiten mit Lösungsmitteln ist immer darauf zu achten, dass die Lösungsmittel die Seile nicht angreifen. Beim Arbeiten mit Ultraschallbädern (Wasser, evtl. Reinigungsmittel oder enzymhaltige Hilfsstoffe) ist die Temperatur zu kontrollieren, um thermische Schäden auszuschließen. Außerdem ist eine gründliche Nachreinigung und Trocknung nötig, um zu verhindern, dass Wasser und/oder Reste des Reinigungsmittels im Seil verbleiben und dort die Festigkeit verringern und/oder die Anhaftung des Beschichtungswerkstoffes verhindern. Bei flächigen textilen Gebilden haben sich auch Niederdruckplasmen und Corona zur Beseitigung der Schlichte durchgesetzt. Beim Seil als 3-dimensionale Struktur ist eine Verwendung von Corona nicht möglich, da der Gegenpol zum Erzeugen des starken elektrischen Feldes im Inneren des Seiles angebracht werden müsste. 4 Beschichtungsverfahren Die Textiltechnik bietet eine große Anzahl an Möglichkeiten zum Beschichten von textilen Flächengebilden, von denen einige auch zum Beschichten von Seilen geeignet sind. Die Auswahl des Verfahrens orientiert sich daran, welche Funktion die Beschichtung haben soll und welche Werkstoffe zum Einsatz kommen.

3 Anwendungsspezifische Beschichtungen für Faserseile im Maschinenbau Seite Beschichtung im Tauchverfahren Das Seil wird über profilierte Walzen durch das Becken mit der Beschichtungsflotte geführt. Beim Verlassen des Tauchbeckens wird überschüssiges Material zwischen zwei Walzen abgequetscht oder mit einer Rakel abgestreift (vgl. Abb. 1). Anschließend wird das beschichtete Seil durch einen Trockner und eine Kühlstrecke geleitet. [6] Das Beschichtungspolymer kann in Form von Lösungen, Dispersionen oder auch als Schmelze vorliegen. Bei der Verwendung von Lösungen und Dispersionen ist darauf zu achten, dass das Lösungs-/Dispergiermittel die Fasern nicht angreift und nach dem Beschichten im Trockner vollständig ausgetrocknet werden kann, da z.b. Wasser von einigen Fasern aufgenommen werden kann und dort die Festigkeit negativ beeinflusst. Der Trockner darf dabei nicht zu viel Energie in das Seil eintragen, da sonst das Seil thermisch geschädigt werden kann. Beim Beschichten aus der Schmelze muss die maximal zulässige Einsatztemperatur des Seilmaterials beachtet werden, da das Seil während des Beschichtungsvorgangs gespannt ist und es bei zu hohen Temperaturen zu Strukturveränderungen im Seilwerkstoff kommen kann. Für die Beschichtung im Tauchbecken ist es wichtig, die Viskosität des Beschichtungsmediums einstellen zu können, je nachdem, ob der Werkstoff bis ins Seil eindringen oder das Seil nur äußerlich ummanteln soll. Das Tauchverfahren kann auf Fasern, Garne, Litzen und Seile angewendet werden. Damit kann jede Fertigungsstufe auf dem Weg zum fertigen Seil getrennt behandelt werden. Als Werkstoffe kommen alle Thermoplaste, thermoplastische Elastomere, alle in Lösungsmittel löslichen Kunststoffe und alle in Wasser dispergierbaren Kunststoffsysteme in Frage. Abb. 1: Schema einer Tauchbeschichtung Quelle: Textilveredlung - Beschichten Arbeitgeberkreis Gesamttextil, 2005

4 Seite 202 Anwendungsspezifische Beschichtungen für Faserseile im Maschinenbau 4.2 Thermisches Spritzen Beim thermischen Spritzen wird der Beschichtungswerkstoff pulverförmig angeliefert, in einem Brenner aufgeschmolzen und mit einem Trägergas auf die Seiloberfläche aufgetragen (vgl. Abb. 2). Durch das Abkühlen auf der Seiloberfläche kommt es zur Überlagerung mehrerer Haftungsmechanismen (Adhäsion, mechanische Verklammerung, evtl. chemische Reaktionen). [9], [10] Geeignete Verfahren zur Verarbeitung von Kunststoffen sind das Pulverflammspritzen und das atmosphärische Plasmaspritzen. Als Werkstoffe können alle Thermoplaste, thermoplastische Elastomere und reaktive HotMelt-Kunststoffe verwendet werden. Es kann nur eine Ummantelung auf dem Seil hergestellt werden. Eine Behandlung von Fasern und Garnen ist aufgrund der kleinen Durchmesser unwirtschaftlich, das Beschichten dickerer Litzen möglich. Die Parameter beim thermischen Spritzen müssen an den Seilwerkstoff angepasst werden, um thermische Schädigungen und daraus resultierende Festigkeitsverluste zu vermeiden. Abb. 2: Schema eines Brenners zum Pulverflammspritzen Quelle: DIN EN Extrusion Der Beschichtungswerkstoff wird im Extruder aufgeschmolzen und plastifiziert [11] und über ein spezielles Werkzeug zur Ummantelung (Querspritzkopf, vgl. Abb. 3) auf das Seil aufgetragen. Anschließend wird das Seil gekühlt. Das Beschichten per Extrusion eignet sich lediglich zum Ummanteln von fertigen Seilen. Es können Thermoplaste, thermoplastische Elastomere und reaktive HotMelt- Kunststoffe verarbeitet werden. Der Beschichtungswerkstoff muss unter Berücksichtigung des Seilwerkstoffs ausgewählt werden. Seine Schmelztemperatur sollte so sein, dass sie unterhalb der maximal zulässigen Einsatztemperatur des Seilwerkstoffs liegt.

5 Anwendungsspezifische Beschichtungen für Faserseile im Maschinenbau Seite 203 Abb. 3: Querspritzkopf zur Extrusion von Ummantelungen Quelle: EXTRUDEX Kunststoffmaschinen 5 Beschichtungswerkstoffe Man verwendet preiswerte Massenkunststoffe oder technische Kunststoffe, um die Oberflächen der Seile an spezielle Einsatzbedingungen anzupassen, je nachdem, welche Anforderungen zu erfüllen sind. 5.1 Polyolefine (Polyethylen, Polypropylen) Polyolefine sind thermoplastische Kunststoffe mit recht niedrigen Schmelzpunkten und Einsatztemperaturen zwischen 80 C und etwa 110 C. Sie zählen zu den preiswerteren Massenkunststoffen und sind sehr gut beständig gegen Säuren, Laugen und Basen. Polyolefine haben gute Gleiteigenschaften, die durch Wachse und Additive weiter verbessert werden können. Die Festigkeit und Elastizität sind durch Weichmacher und Füllstoffe in gewissen Grenzen regulierbar. Polyolefine können als Schmelze, Lösung (nur wenige Lösungsmittel, hochgiftig!) und wässrige Dispersion zum Beschichten im Tauchbadverfahren verwendet werden. Auch zum thermischen Spritzen und Auftrag als Extrusionsummantelung sind sie geeignet. [1], [2] 5.2 Polyurethane Polyurethane haben (je nach Rezeptur) gute Treibfähigkeitseigenschaften auf Stahl. Sie sind bei Temperaturen zwischen -40 C und 125 C problemlos einsetzbar. Die Verarbeitung im Extruder oder mittels thermischen Spritzens ist bei thermoplastischen Polyurethanen möglich. Einige Polyurethane sind in Wasser dispergierbar, andere sind in Lösungsmitteln lösbar, wodurch diese auch eine Beschichtung im Tauchbad ermöglichen. PURs sind als Lacke einsetzbar. Sowohl als Lack als auch als Dispersion sind die Viskositäten in einem breiten Spektrum variierbar. Die Festigkeit und die Elastizität können über die Zusammensetzung, Kettenlänge der Ausgangsstoffe und Vernetzungsreaktionen (Vernetzungsart, Vernetzungsdichte, usw.) gezielt eingestellt werden. [12]

6 Seite 204 Anwendungsspezifische Beschichtungen für Faserseile im Maschinenbau 5.3 Polysiloxane (Silikone) Silikone sind durch konsequent hydrophobes Verhalten gekennzeichnet. Einige sind sehr stark anti-adhäsiv, was zu Haftungsproblemen führen kann. Silikone sind absolut ungiftig und können in Form von Lacken oder Ölen, einige in Form von Wasserdispersionen verwendet werden. Die Einsatztemperaturen liegen zwischen 150 C und 200 C. Die Viskosität von Silikonen ist stark von deren Kettenlänge abhängig. Silikonlacke müssen bei Temperaturen um 200 C nachvernetzt und eingebrannt werden. [7], [8] 6 Haftung der Beschichtung Damit die Beschichtung die gewünschten Eigenschaftsveränderungen an der Seiloberfläche auch über einen längeren Einsatzzeitraum gewährleisten kann, ist eine optimale Haftung wichtig. Problematisch dabei wirken vor allem die Seilmaterialien selbst. Polyolefine sind unpolare Polymere, weshalb es schwierig ist, an ihren Oberflächen andere Kunststoffe anzulagern. Es ist eine entsprechende Vorbehandlung nötig. Dafür haben sich verschiedene Verfahren durchgesetzt. Die Polyolefine werden mit stark sauren Lösungen geätzt, in reaktiven Plasmen oder in stark fluorhaltigen Atmosphären oder Lösungen vorbehandelt. [6] Dabei ist das Ziel, an einigen Stellen der Molekülketten funktionelle Gruppen anzulagern, wodurch sich eine gewisse Polarität der Moleküle ergibt, welche die Adhäsion anderer Polymere begünstigt. Bei Aramiden und dem aromatischen Polyester Vectran wird eine Anhaftung der Beschichtungswerkstoffe oft durch eine sterische Hinderung verursacht. Durch die hohe Ausrichtung der Moleküle entlang der Faserachse und den hohen Anteil an aromatischen Molekülgruppen können sich Beschichtungswerkstoffe oft nicht an die Moleküle anlagern. Hier ist der Einsatz eines Haftungsvermittlers nötig. 7 Ausblick 7.1 Plasma- Beschichtung Die Plasmatechnik (vor allem Niederdruckplasmen) gewinnt immer mehr an Bedeutung als Verfahren zur Herstellung hochbelastbarer Beschichtungen mit unterschiedlichsten Eigenschaften. Es gibt eine Vielzahl von verarbeitbaren Werkstoffen, da die Energieverhältnisse durch die Zusammensetzung des Plasma- Gases einstellbar sind. Es sind Antihaft- oder kratzfeste Beschichtungen auf kratzempfindlichen Kunststoffen ebenso möglich, wie die Beschichtung von Kabelummantelungen oder das Aufbringen von SiOx-Systemen auf Kunststoffen. Durch geschickte Anordnung der Brenner kann quasi jede Geometrie beschichtet werden. [13], [14] Die Plasmatechnik ist deshalb so interessant, weil man mit dem Plasma die Seile reinigen und durch Reihenanordnung der Plasma-Brenner anschließend gleich beschichten kann. 7.2 Gießen Beschichtungen, die durch Gießen in geschlossener Form erzeugt werden, dienen nicht als Schutz oder zum Modifizieren der Eigenschaften der Seiloberfläche, sondern zum Fixieren der Lage mehrerer, parallel liegender Seile zueinander. An

7 Anwendungsspezifische Beschichtungen für Faserseile im Maschinenbau Seite 205 Stellen, wo der Bauraum für Seile mit großen Seildurchmessern und die zugehörigen Seiltriebe fehlt, können durch Parallelanordnung der Seile mit anschließendem Vergießen (teil)textile Tragmittel eingesetzt und damit die Vorteile von Kunstfaserseilen nutzbar gemacht werden. Auch vor dem Gießen sind ähnliche Reinigungsmaßnahmen wie bei der Beschichtung durchzuführen. Wichtig ist, dass der Gießwerkstoff (bzw. bei reaktiven Systemen die Rohstoffe) eine ausreichend niedrige Viskosität besitzen, damit sie in das Seilinnere eindringen können, da sonst keine ausreichende Dimensionsstabilität gewährleistet ist. Weiterhin muss der Gießwerkstoff eine ausreichende elastische Dehnung aufweisen, da er sonst vor dem Seil versagt und seine fixierende Wirkung verliert. Als Werkstoffe eignen sich z. B. 2-Komponenten-Gießpolyurethane. Literatur [1] Saechtling, Hansjürgen: Kunststofftaschenbuch, 25. Ausgabe, München, Carl Hanser Verlag, 1992 [2] Carlowitz, Bodo: Kunststofftabellen, 4. Auflage, München, Carl Hanser Verlag, 1995 [3] Product data sheet Dyneema, DSM Dyneema, 2007 [4] Fette, R.B.; Sovinsky, M.F.: Vectran Fiber Time-Dependent Behavior and Additional Static Loading Properties, NASA, 2004 [5] Properties of Technora, Teijin Aramids [6] Gesamttextil e.v.: Textilveredlung - Beschichten, Eschborn, 2005 [7] Tomanek, Andreas: Silikone und Technik, München, Carl Hanser Verlag, 1990 [8] Reuther, Hellmut: Silikone - Ihre Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten, 2. Auflage, Dresden, Verlag Theodor Steinkopf, 1969 [9] Deutsches Institut für Normung e.v.: DIN EN 657: Thermisches Spritzen - Begriffe, Einteilung; Berlin, Beuth Verlag, 2005 [10] Lugscheider, Erwin: Handbuch der thermischen Spritztechnik, Düsseldorf, DVS Media Verlag, 2002 [11] VDI-Gesellschaft Kunststofftechnik: Spritzgießen und Extrudieren von Elastomeren, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1996 [12] Uhlig, Konrad: Polyurethan Taschenbuch, 3. Auflage, München, Carl Hanser Verlag, 2006 [13] Moosheimer, Ulrich: Plasmavorbehandlung und Beschichtung von Kunststofffolien (Diss.), Universität Regensburg, 1997 [14] D Agostino, R, Favia, P., Oehr, C., Wertheimer, M.R.: Plasma Processes and Polymers, Weinheim, WILEY-VCH Verlag, 2005