DE10224965A1

DE10224965A1 - Verschleissfeste Beschichtung mit hoher Antihaftwirkung

Info

Publication number: DE10224965A1
Application number: DE2002124965
Authority: DE
Inventors: Franco Pezzetti; Giandomenico Vita
Original assignee: Praxair Surface Technologies SpA
Current assignee: Praxair Surface Technologies SpA
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2003-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine verschleißfeste Antihaftbeschichtung, die durch Versiegelung einer, beispielsweise durch thermisches Spritzen aufgebrachten, vor Verschleiß schützenden Stützmatrix aus Oxidkeramik oder Hartmetall mit Polyfluorosiloxanpolymeren entsteht. Beschichtungen dieser Art werden auf Druckmaschinenkomponenten ausgeführt, um insbesondere dauerhaft Farbablage zu unterbinden, da diese die Funktion bis hin zum völligen Prozeßzusammenbruch stört. Diese Beschichtung hat hervorragende Antihafteigenschaften, bei langer Lebensdauer, und sehr hoher chemischer Beständigkeit gegen die druckereitypischen Lösemittel. Die Versiegelung aus Polyfluorosiloxanpolymeren ermöglicht das Sintern oder die Vernetzung in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zu der maximalen Temperatur von 200 DEG C. Die Versiegelung kann auch nach einer Schleif- und Polierbehandlung der Verschleißschutzschicht erfolgen, oder wenn nötig, auch in der Druckmaschine nachträglich.

Description

Die Erfindung betrifft eine verschleißhemmende, Antihaftbeschichtung, insbesondere von Druckmaschinenkomponenten, z. B. Leit- und Zugwalzen, Trichterspitzen, Ableitzungen, Wendezylinder und Gegendruckplatten von Schön- und Wiederdruckmaschinen etc. Hauptsächlich durch Farbablage während des Betriebs werden diese Maschinenbauteile in Ihrer Funktion bis hin zum völligen Prozesszusammenbruch gestört. Produktionsunterbrechungen in Verbindung mit unerträglichem Makulaturanfall sind die Folgen. Die Verfügbarkeit der Druckmaschinen könnte also mit verschleißfesten und gleichzeitig antiadhesiv wirkenden Beschichtungen signifikant verbessert werden. Farbablage verursacht nicht nur eine Dimensionsänderung der Bauteile, sondern zusätzlich ein Verschmieren des frischbedruckten Papiers. Letzteres ist besonders bei der Bogenwendung in Schön- und Wiederdruckmaschinen sehr nachteilig und führt sehr rasch zu unakzeptabler Qualität. Durch zunehmende Papiergeschwindigkeiten wurde sowohl die Verschleißproblematik als auch die Farbablage verschärft in Rollenmaschinen wie in Bogenmaschinen. Diesem Entwicklungstrend konnten die üblichen galvanisch aufgebrachten Chromschichten mit ihren Eigenschaftsprofilen nicht folgen.

Der aus diesem Entwicklungstrend entstandenen Problematik wurde bereits in DE 29 14 255 A1 versucht entgegenzutreten, und zwar durch spezielle Zylinderbeschichtungen, bestehend aus verschleißfesten Metallen oder Metalloxiden, und einem darin verankerten Siegelstoff gegen Farbablage. DE 29 14 255 A1 benennt als Siegelstoffe Teflon und Kopierlack.

Während Teflon als Siegelwerkstoff durch seine hohen Verarbeitungstemperaturen nicht unproblematisch ist, gilt die Verschleißfestigkeit und Chemikalienbeständigkeit von Kopierlack als völlig unzureichend. Die Sintertemperatur für Teflon kann durchaus 400°C erreichen und ist damit hoch genug, um bei Schweißkonstruktionen Maßverzug zu verursachen. Die überwiegende Mehrzahl aller Druckmaschinenwalzen sind Schweißkonstruktionen. Die in DE 198 50 968 beschriebenen Siegler vom Typ Polyorganosiloxane sind mit 100°C bis 170°C Aushärtetemperatur für manche Druckmaschinenkomponenten noch so hoch, dass Verzug auftreten kann. Der größte Nachteil liegt jedoch in der mangelnden Beständigkeit gegenüber den naphten- und aromatenhaltigen Reinigungsmitteln, die typischerweise in Druckereien verwendet werden, insbesondere im Ausland.

Antiadhesive, farbabweisende Eigenschaften sind beim sogenannten Wasserlos-Offset (TORAY-Prozess) auf den nichtfarbführenden Flächen notwendig, um den üblichen Feuchtmittelfilm beim konventionellen Nassoffset zu ersetzen. Erreicht wird dies durch einen dünnen Siliconfilm. Silicone sind gekennzeichnet durch eine umfangreiche Gruppe von synthetischen polymeren Verbindungen, in denen Siliciumatome über Sauerstoffatome ketten- und/oder netzartig verknüpft sind und die restlichen Valenzen des Siliciums durch Kohlenwasserstoffreste (meist Methylgruppen) abgesättigt sind. Silicone in der beschriebenen Anwendung beim Wasserlosoffset sind meistens den Polyorganosiloxanen zuzurechnen. Polyorganosiloxane weisen hervorragende Antihaftung gegen verschiedene Kleb- und Haftstoffe wie z. B. Druckfarbe auf, aber sie zeigen erhebliche Unbeständigkeit gegenüber Lösemitteln auf Kohlenwasserstoffbasis bzw. starken Säuren. Fluoropolymere, wie z. B. PTFE, FEP, PFA, ETFE, ECTFE, ETFE und PVDF, (oft einfach als "Teflon" in der Literatur bezeichnet) weisen eine wesentlich bessere chemische Beständigkeit auf, aber ihre Oberflächenenergie ist schon zu hoch, um die nötigen Antiadhesiveigenschaften zu gewährleisten, wie sie auf Druckmaschinenkomponenten wie z. B. Gegendruckplatten oder Wendezylindern zu fordern sind. Außerdem verlangen diese Polymere eine Sintertemperatur, die zwischen 230°C und 400°C liegen muss und deshalb maßlichen Verzug beim Beschichtungsprozess auslösen kann. Typische handelsübliche Fluoroelastomere, mit Markennamen wie: DAI-EL®, FLUOREL®, TECNOFLON®, VITON®, sind durch relativ große Oberflächenenergien gekennzeichnet. Deshalb sind sie nur sehr beschränkt nutzbar, wenn ausgeprägte Antiadhesiveigenschaften z. B. für Druckfarbe erforderlich sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, für antiadhesive, verschleißfeste Beschichtungen, insbesondere von Druckmaschinenkomponenten, eine Versiegelung zu finden, die zu dauerhaft verschleißfesten, farbabweisenden Oberflächeneigenschaften führt, und die zusätzlich über eine hohe Beständigkeit gegenüber Reinigungsmitteln, wie sie in Druckereien verwendet werden, verfügt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Beschichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst, nämlich dadurch, dass die zu schützende Druckmaschinenkomponente mit einer verschleißhemmenden Schicht beschichtet wird, vorzugsweise aus Oxidkeramik wie z. B. Al₂O₃, Cr₂O₃, TiO₂, SiO₂, oder ZrO₂ bzw. Mischungen daraus, oder aus verschleißarmen Hartmetallen wie z. B. WC/Co, Cr₃C₂/NiCr, NiCrBSi, WC/Ni, Molybdän etc., vorzugsweise durch thermische Spritzverfahren wie atmosphärisches Plasmaspritzen und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, und mit einer Versiegelung in Form eines Sieglers aus der Gruppe der Familie der Polyfluorosiloxane.

Der Begriff Polyfluorosiloxane kennzeichnet eine umfangreiche Gruppe von synthetischen polymeren Verbindungen, in denen Siliciumatome über Sauerstoffatome ketten- und/oder netzartig verknüpft sind und die restlichen Valenzen des Siliciums durch verschiedene Fluorkohlenwasserstoffreste abgesättigt sind. Die Anwesenheit von Fluoratomen in den Seitenketten, statt Wasserstoffatomen, erlaubt eine viel höhere Elektronegativität der gesamten polymeren Kette im Vergleich mit normalen Polyorganosiloxanen, und dazu eine viel höhere Verbindungskraft zwischen den Siliciumatomen und den Sauerstoffatomen. Das bedeutet eine entsprechende bessere thermische und chemische Beständigkeit der gesamten polymeren Kette und auch eine geringere Löslichkeit in praktisch allen Lösemitteln.

Als typische Beispiele für Polyfluorosiloxanpolymere sind zu nennen:

1. Polymethyltrifluoropropylsiloxane (PMTFPS)
2. Polymethylnonafluorohexylsiloxane (PMNFHS)
3. Polyheptadecafluorodecylmethylsiloxane (PHDFDM)
4. Alle Polymere, die der allgemeinen Formel zuzurechnen sind:

wobei:
R₁ = Kohlenwasserstoffreste mit C-Atomanzahl von 1 bis 10 sind und R_f sein kann:

Polyfluorosiloxanpolymerbasierte Beschichtungen sind schon in einigen Bereichen der Technik bekannt, vor allem in den sogenannten "Pressure-sensitive Adhesives" (PSA) Anwendungen, in den "Magnetic recording media", wo die Beschichtung als Schmiermittel wirkt, und auch in einigen sehr spezifischen Anwendungen, wie z. B. Kontaktlinsen.
Die Vorteile, dieser Polyfluorosiloxanpolymere als Beschichtungen für Druckmaschinenkomponenten im Vergleich zu Polyorganosiloxanen und Fluorpolymeren sind folgende:

- Sehr niedrige Oberflächenenergie
(Die Antihafteigenschaft gegenüber beliebigen Medien und Stoffen ist ummittelbar abhängig von der Oberflächenenergie.
In der folgenden Tafel sind Oberflächenenergien für einige Polymere beschrieben:
- Hohe Beständigkeit gegen Säuren und Lösemittel
- Dauerhafte Temperaturbeständigkeit bis 200°C
- Niedrige Sinter- und Vernetztemperaturen, von Raumtemperatur bis maximal 200°C

Insbesondere die allgemeine Chemikalienbeständigkeit, aber auch die Abriebfestigkeit der Polyorganosiloxane wird von den Polyfluorosiloxanpolymeren weit übertroffen.
Je nach Druckmaschinenkomponente sind Oberflächengüten erforderlich, die einen Schleif- und Poliervorgang nach dem Beschichten erforderlich machen. In diesen Fällen ist es vorteilhaft, die Schleifbearbeitung unmittelbar nach dem Beschichten durchzuführen, um erst danach die Versiegelung mit einem Siegler aus der Gruppe der Polyfluorosiloxanpolymere vorzunehmen. Wenn nötig kann die Versiegelung auch in der Druckmaschine nachträglich erfolgen.
Durch die niedrigen Aushärtetemperaturen der Siegler vom Typ Polyfluorosiloxanpolymere ist auch eine Nachversiegelung in der Druckmaschine möglich, ohne die betreffende Komponente ausbauen zu müssen. Auch ist zur Aushärtung sicherheitstechnisch kritisch einzuschätzendes UV-Licht nicht nötig, so wie es in DE-OS 101 15 876 beschrieben ist.
Die vor Verschleiß schützende Beschichtung hat zweckmäßig eine Dicke von 0,03 bis 1,5 mm, vorzugsweise etwa 0,1 mm.
Die Beschichtung, Versiegelung und Aushärtung können auch auf Druckmaschinenkomponenten erfolgen, die besonders temperaturempfindlich sind. Die hohe Abriebfestigkeit der Beschichtung und Versiegelung ist geeignet um auf allen Druckmaschinenkomponenten zum Einsatz zu kommen, die hohe Differenzgeschwindigkeiten zur Papierbahn oder zum Papierbogen ertragen müssen, wie z. B. Bogenführungen, Wendestangen, Ableitzungen, Zugringe, Webbaumwalzen (beim An- und Abfahren der Rollenmaschine) etc.
Die für den Siegler als Stützmatrix fungierende und vor Verschleiß schützende Oxidkeramik oder Hartmetallschicht muss nicht durch thermisches Spritzen aufgebracht sein. Auch Beschichtungsprozesse wie, Galvanik, PVD (Physical Vapour Deposition), Sintern, CVD (Chemical Vapour Deposition), Heißisostatpressen, Sprengplattieren, Auflöten, Auftragschweißen, Reaktivverfahren oder Klebetechniken sind geeignet, um die nötige Stützmatrixschicht für den Siegler auf der Druckmaschinenkomponente aufzubringen. Die Oberflächenrauhigkeit der vor Verschleiß schützenden Schicht muß entsprechend den Funktionsanforderungen an die Druckmaschinenkomponente eingestellt werden, die hauptsächlich zwischen 1,0 µm < R_z < 150 µm, insbesondere bei R_z = 15 bis 60 µm liegt.

Claims

1. Verschleißfeste, farbabweisende Beschichtung insbesondere von Druck maschinenkomponenten, die aus einer vor Verschleiß schützenden Stütz matrix in Form von Metalloxiden oder verschleißarmen Hartmetallen besteh und mit einem Siegelstoff behandelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Siegelstoff ein Polyfluorosiloxanpolymer-Siegler aus der Polymethyltrifluoropropylsiloxane (PMTFPS), Polymethylnonafluorohexylsiloxane (PMNFHS), Polyheptadecafluorodecylmethylsiloxan (PHDFDM) und Polymere der allgemeinen Formel:

umfassenden Gruppe ist,
wobei:
R₁ = Kohlenwasserstoffreste mit C-atomanzahl von 1 bis 10 sind und R_f sein kann:

2. Verschleißfeste, farbabweisende Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vor Verschleiß schützende Oxidkeramikschicht aus den Stoffen Al₂O₃, ZrO₂, SiO₂, Y₂O₃TiO₂, Cr₂O₃, CeO, MgO und CaO oder aus Mischungen dieser Oxidkeramiken besteht.

3. Verschleißhemmende, farbabweisende Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vor Verschleiß schützende Hartmetallschicht aus Cr₃C₂/Ni, WC/Ni, TiC/Ni, NiCrBSi, Molybdän oder WC/Co oder auch aus Mischungen dieser Hartmetalle besteht.

4. Verschleißfeste, farbabweisende Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vor Verschleiß schützende Beschichtung eine Dicke von 0,03 bis 1,5 mm, vorzugsweise etwa 0,1 mm, aufweist.

5. Druckmaschinenkomponente mit einer verschleißhemmenden, farbabweisenden Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

6. Verfahren zur Beschichtung, insbesondere von Druckmaschinenkomponenten, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine vor Verschleiß schützende Schicht aus Oxidkeramik oder Hartmetall aufgebracht wird und in einem zweiten Schritt eine Versiegelung durch Aushärtung erfolgt mit stark farbabweisenden Eigenschaften unter Verwendung eines Sieglers vom Typ der Polyfluorosiloxanpolymere.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beschichten erst ein Schleif- und/oder Poliervorgang der Schichtoberfläche erfolgt und erst anschließend die Versiegelung mit einem Siegler vom Typ der Polyfluorosiloxanpolymere inklusive Aushärtung folgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtung der Versiegelung bei Temperaturen von 20°C bis 200°C erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8 zur Beschichtung von Druckmaschinenkomponenten, dadurch gekennzeichnet, dass die Versiegelung ohne Ausbau der Komponente in der Druckmaschine erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung, Versiegelung und Aushärtung auf einer Druckmaschinenkomponente erfolgt, die nicht aus Stahl, sondern Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium, faserverstärktem Kunststoff, Magnesium, oder Titan, besteht.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vor Verschleiß schützende Oxidkeramik oder Hartmetallschicht durch thermisches Spritzen wie atmosphärisches Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen aufgebracht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vor Verschleiß schützende Oxidkeramik oder Hartmetallschicht durch Beschichtungsprozesse wie Galvanik, CVD (Chemical Vapour Deposition), Sintern, Heißisostatpressen, PVD (Physical Vapour Deposition), Sprengplattieren, Auftragschweißen, Auflöten, Reaktivverfahren oder Klebetechniken aufgebracht wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenrauhigkeit der vor Verschleiß schützenden Schicht funktionsgerecht eingestellt wird, die zwischen 1,0 µm < R_z < 150 µm, vorzugsweise R_z = 15-60 µm, liegt.