DE10000132A1 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Elastomeren - Google Patents
Verfahren zur Oberflächenbehandlung von ElastomerenInfo
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Abstract
Beschrieben wird ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Werkstückes aus einem elastomeren Werkstoff mit einem, auf die Oberfläche des Werkstückes einwirkenden Energiestrom. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Energiestrom auf das Werkstück einwirkt, während das Werkstück gedehnt wird.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines
Werkstückes aus einem elastomeren Werkstoff mit einem, auf die Oberfläche des
Werkstückes einwirkenden Energiestrom.
Elastomere Werkstoffe bestehen aus Makromolekülen, die regelrecht miteinander
verknäult und an nur wenigen Stellen miteinander vernetzt bzw. verbunden sind. Aus
diesem Grunde sind derartige Werkstoffe außergewöhnlich elastisch. So ist es
möglich Elastomere um ein Vielfaches ihrer Ausgangslänge reversibel
auseinanderzuziehen. Dieses Gummiverhalten ändert sich auch nicht bei Erwärmung
bis zu einem gewissen Grade.
Derartige Werkstoffe werden aufgrund ihres eigentümlich elastischen Verhaltens in
einer Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt. So finden Elastomere
als membranartig ausgeformte Werkstücke Einsatz in Systemen, beispielsweise
Hydrauliksystemen, in denen sie als kraft- bzw. druckübertragende Einheiten dienen,
die zugleich eine Trennfunktion inne haben, bspw. die Trennung zwischen einem
flüssigen und einem gasförmigen Arbeitsmedium.
Ein bekanntes Einsatzgebiet sind sogenannte Druckspeicher von hydraulischen
Anlagen, in denen die Elastomermembran starken Dehnungen unterworfen ist, die
durch die unterschiedlichen Druckverhältnisse in den, von der Membran
abgetrennten Druckspeicherbereichen, in denen einerseits Gas und andererseits
Hydrauliköl vorgesehen sind, herrühren. Die Trennmembran sollte darüber hinaus
möglichst gasdicht sein, sodass ein Gasdruckverlust auf der Gasseite des
Druckspeichers möglichst auszuschließen ist. Um eine, über die Lebensdauer
derartiger Druckspeicher andauernde Wartungsfreiheit zu erreichen, sollte
gewährleistet sein, dass das Gas nicht durch die Membrane in das Hydraulik-Öl
diffundiert und somit der Druckspeicher an Wirkung einbüßt.
Herkömmliche Elastomermembrane sind jedoch nur unzureichend gasdicht, sodass
Wege zu finden sind, die die Gaspermeation durch Elastomermembranen hindurch
reduzieren oder gänzlich unterbinden.
Es ist bekannt, dass die Permeation von Gasen durch Polymere hindurch reduziert
werden kann, indem der Vernetzungsgrad der Makromoleküle beispielsweise durch
Elektronen- oder Ionenbestrahlung erhöht und zugleich das freie Volumen innerhalb
des Polymernetzwerkes reduziert werden kann.
Für den Einsatz der Elastomere in Anwendungen, die eine gewisse Dehnbarkeit des
Elastomers verlangen, wie z. B. in den vorstehend genannten Druckspeichern,
erweist sich der durch den höheren Vernetzungsgrad auch höhere Elastizitätsmodul
in der dünnen oberflächenbehandelten Schicht des Elastomers jedoch als
problematisch. Bei Dehnung der Membran resultiert aufgrund des höheren
Elastizitätsmoduls eine deutlich höhere Spannung in der behandelten
Oberflächenschicht als im darunterliegenden Material. Dies führt zum Einreißen
dieser hochvernetzten Schicht und macht diese bezüglich der gewünschten
Permeationsverringerung nahezu wirkungslos.
Bis dato sind noch keine befriedigenden Lösungen bezüglich der Verringerung bzw.
Unterbindung der Permeation von Gasen durch Elastomer-Membranen hindurch
gefunden worden. Vielmehr beugt man sich der Notwendigkeit den Gasdruck der
Membranspeicher in bestimmten Zeitintervallen zu kontrollieren und gegebenenfalls
nachzuregeln. Besonders im Bereich des Automobilbaus stellt ein über die gesamte
Lebensdauer anhaltender konstanter Gasdruck das Hauptkriterium für den Einsatz
von Membranspeichern dar.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines
Werkstückes aus einem elastomeren Werkstoff mit einem, auf die Oberfläche des
Werkstückes einwirkenden Energiestrom, derart weiterzubilden, dass ein
Elastomerwerkstück erhalten wird bei dem die Gas-Permeation stark verringert, bzw.
nahezu vollständig unterbunden ist. Besonders im Falle mechanisch hoch
beanspruchter elastomerer Bauteile, wie es bei Speichermembranen der Fall ist,
sollte eine deutliche Erniedrigung der Permeation erreicht werden.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1
angegeben. Weitere, die Erfindung weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der
Unteransprüche sowie der gesamten Beschreibung unter Einbeziehung der
Zeichnung zu entnehmen. Ferner sind Ansprüche auf eine vorteilhafte Verwendung
des Verfahrens sowie auf ein Elastomerwerkstück selbst gerichtet.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Werkstückes
aus einem elastomeren Werkstoff mit einem, auf die Oberfläche des Werkstückes
einwirkenden Energiestrom, derart weitergebildet, dass der Energiestrom auf das
Werkstück einwirkt, während das Werkstück sich im gedehnten Zustand befindet.
Die Erfindung setzt an dem Problem an, das sich ergibt, wenn man ein, aus einem
elastomeren Werkstoff gefertigtes Werkstück, vorzugsweise in Gestalt einer
Membran, mit einem Energiestrom, vorzugsweise einem Ionenstrahl an seiner
Oberfläche beaufschlagt. Wie bereits aus den Beiträgen von
A. A. Miller, "Polysilixanes" in "The Radiation Chemistry of Macromolecules" Volume
2, S. 179, Editor: M. Dole, Academic Press 1973 sowie
G. G. A. Böhm, "The Radiation Chemistry of Elastomers" in "The Radiation
Chemistry of Macromolecules" Volume 2, S. 196, Editor: M. Dole, Academic Press
1973, hervorgeht ist es bekannt, dass durch die Wechselwirkung von Ionen mit einer
Elastomeroberfläche der Vernetzungsgrad in einer dünnen Oberflächenschicht
erhöht werden kann, wobei das freie Volumen des polymeren Netzwerkes zugleich
verringert wird. Mit der Erhöhung des Vernetzungsgrades erhöht sich jedoch auch
das Elastizitätsmodul, wodurch bei Dehnung der Membran in der dünnen, stärker
vernetzten Oberflächenschicht höhere mechanische Spannungen resultieren, als es
im übrigen Elastomer der Fall ist. Demzufolge treten Spannungsrisse an der
Oberfläche des elastomeren Werkstückes auf, durch die wiederum die
Gaspermeation erhöht würde.
Die Erfindung vermag eben diese Permeationserhöhung durch Rissbildung dadurch
zu verhindern, dass das elastomere Werkstück in einem gedehnten Zustand mit
einem Energiestrom beaufschlagt wird, der zur Erhöhung des Vernetzungsgrades
zumindest in der Oberflächenschicht des Werkstückes beiträgt. Vorzugsweise setzt
man das elastomere Werkstück in seinem gedehnten Zustand einem
Oberflächenplasma aus, so dass es mit energiereichen Ionen an seiner Oberfläche
beaufschlagt wird. Auch sind Energieströme anderer Natur, wie beispielsweise
hochenergetische elektromagnetische Strahlung, für die vorbezeichnete
Oberflächenschichtbehandlung denkbar. Während der Oberflächenbehandlung sollte
das elastomere Werkstück möglichst maximal gedehnt werden, vorzugsweise in
gleicher Weise in der es auch während seinem späteren technischen Einsatz
maximal gedehnt wird.
Der in Form einer Plasmabehandlung auf das Werkstück einwirkende Energiestrom
bewirkt neben der bereits genannten Erhöhung des Vernetzungsgrades auch eine
vollständige Entspannung der dünnen Oberflächenschicht des Werkstückes. Der
Grund hierfür ist, dass bei der Bestrahlung von Polymeren in der Regel zwei
Prozesse ablaufen, eine sogenannte Kettenspaltung und eine sogenannte
Kettenvernetzung. Beide Prozesse laufen zeitgleich ab und stehen in dynamischem
Gleichgewicht zueinander. Durch Kettenspaltung können sich die Makromoleküle
des Elastomers entspannen. Die verbleibenden Radikale können anschließend in
einem Zustand geringerer, freier Enthalpie rekombinieren. Die stark verringerte
Permeation des Elastomers beruht auf zwei Effekten. Zunächst führt bei
gummielastischen Polymeren ein erhöhter Vernetzungsgrad zur Erniedrigung der
Permeation. Zusätzlich Permeations-verringernd wirken sich die beim Entspannen in
der dünnen plasmabehandelten Oberflächenschicht resultierenden
Druckspannungen aus, zumal unter Druck sich das freie Volumen des polymeren
Netzwerkes reduziert und die Beweglichkeit der einzelnen Molekülketten abnimmt.
Auch kann die vorstehend beschriebene Mikrorissbildung weitgehend
ausgeschlossen werden, die zu einer vermeintlichen Erhöhung der Permeation
führen würde.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, mechanisch hoch
beanspruchte Elastomerbauteile in einem kostengünstigen
Oberflächenbehandlungsverfahren derart zu vergüten, so dass sie über eine sehr
geringe Gaspermeation verfügen. Auf diese Weise können Membranspeicher
realisiert werden, die eine wartungsfreie lange Lebenszeit gewährleisten.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die
Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 Schematisierte Querschnitt durch eine gedehnte Elastomermembran
während der Oberflächenbehandlung
Die Elastomer-Membran wird zur Plasmabehandlung auf die maximale im späteren
Betrieb auftretende Dehnung gedehnt. Das Dehnen kann bei planaren Membranen
durch Einspannen und mechanischer Auslenkung und bei Blasenmembranen durch
Befüllen der Membran mit einem bestimmten Gas-Partialdruck geschehen. Die
Oberflächenbehandlung der Membran kann beispielsweise mit Argon- oder
Stickstoff-Ionen durchgeführt werden. Auch andere Ionen sind prinzipiell denkbar.
In Fig. 1 ist der Querschnitt einer gedehnten Membran 1 dargestellt, die
vorzugsweise aus Fluorkautschuk (FPM) oder Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR)
gefertigt ist. Die Elastomer-Membran 1 weist typischerweise eine Dicke von 2 bis 3 mm
und einen Durchmesser von etwa 60 mm auf. Die Membran 1 ist mittels
Befestigungsschellen 3 gasfest an einem Gehäuse 2 befestigt, in dem mittels
Stickstoffzufuhr ein Innendruck P1 von ca. 5 bar hergestellt wird. Durch den großen
Innendruck P1, verglichen zu dem normalen Außendruck P0 wölbt sich die Elastomer-
Membran 1 nach außen, wodurch sie den in der Fig. 1 dargestellten, gedehnten
Zustand annimmt. In diesem gedehnten Zustand wird die Elastomer-Oberfläche der
Membran 1 einem Argon-Plasma mit einer Leistung von ca. 0,4 W/cm2 und einer
Bestrahlungsdauer von etwa 1 Minute ausgesetzt.
Während der Oberflächenbehandlung ereignen sich die vorstehend beschriebenen
Prozesse innerhalb der oberflächennahen Schicht der Elastomer-Membran 1,
wodurch ihre Gaspermeationseigenschaft erheblich reduziert wird. Das
erfindungsgemäße Verfahren stellt eine kostengünstige Möglichkeit zur Herstellung
von Elastomer-Werkstücken dar, die starken mechanischen Beanspruchungen
widerstehen und zugleich eine hohe Gasfestigkeit garantieren.
1
Elastomermembran
2
Gehäuse
3
Befestigungsschelle
Claims (13)
1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Werkstückes aus einem
elastomeren Werkstoff mit einem, auf die Oberfläche des Werkstückes einwirkenden
Energiestrom,
dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrom auf das Werkstück einwirkt,
während das Werkstück gedehnt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück als flächige Membran ausgebildet ist,
die wenigstens auf einer ihrer beiden Membranseiten mit dem Energiestrom
beaufschlagt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrom ein Ionenstrahl oder
elektromagnetische Strahlung ist, der bzw. die auf die Oberfläche des gedehnten
Werkstückes gerichtet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrom mit Hilfe eines Plasmas erzeugt
wird, in dem Ionen gebildet werden, die z. T. auf die Oberfläche des gedehnten
Werkstückes auftreffen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück über ein Formteil gelegt und über
dessen Außenkontur gedehnt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück wenigstens einseitig einen Hohlraum
abschließt, in dem ein Überdruck erzeugt wird, durch den das Werkstück gedehnt
wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass als elastomerer Werkstoff Fluorkautschuk (FPM)
oder Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR) verwendet wird.
8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur gezielten
Erhöhung des Vernetzungsgrades von Makromolekülen innerhalb des Werkstückes
zumindest innerhalb eines oberflächennahen Schichtbereiches des Werkstückes.
9. Verwendung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung des Vernetzungsgrades zur gezielten
Verringerung der Permeation von Gasen durch den elastomeren Werkstoff führt.
10. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück als dehnbares Elastomer in
Druckspeichern oder Hydrauliksystemen einsetzbar ist.
11. Werkstück aus einem elastomeren Werkstoff mit einer oberflächennahen
Schicht, in der Makromoleküle einen höheren Vernetzungsgrad aufweisen und in der
höhere Druckspannungen vorherrschen als in, weiter von der Oberfläche des
Werkstückes entfernt gelegenen Schichtbereichen.
12. Werkstück nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück als Membran ausgebildet ist.
13. Werkstück nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die Druckspannungen in der oberflächennahen
Schicht eine Reduzierung des freien Volumens des elastomeren Netzwerkes
innerhalb des elastomeren Werkstoffes bewirken.
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