DE19548760C1 - Antriebsriemen mit Zugeinlagen und/oder Ummantelungsgewebe aus beschichteten Fäden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebsriemen, insbesondere Flachriemen, Keilriemen, Keilrippenriemen oder Zahnriemen, mit Zugträgereinlagen und/oder einem Ummantelungsgewebe, wobei die Zugträgereinlagen und/oder das Ummantelungsgewebe aus verzwirnten und/oder geflochtenen organischen oder anorganischen beschichteten Fäden bestehen.

Bisher sind aus der Schrift DE-PS 16 00 311 Zugeinlagen für Zugmittel bekannt, deren Fäden aus der Gasphase metallisiert worden sind. Aus den so behandelten Fäden können Zugeinlagen hergestellt werden, die eine verringerte innere Reibung zwischen den Einzelfäden aufweisen. Außerdem dient bei der Herstellung des Riemens der Metallüberzug als Wärmeüberträger bei der Einbettung in das schmelzbare Elastomer. Ein Nachteil des in des in dieser Patentschrift beschriebenen Verfahrens liegt in dem hohen Energieaufwand. Das Metall muß aus dem festen Zustand in die Gasphase überführt werden, damit eine Abscheidung auf dem Faden stattfinden kann. Die Beschichtung mit anderen Werkstoffen durch dieses Verfahren ist demzufolge nicht angebracht. Außerdem ermöglicht dieses Verfahren der Riemenherstellung nur eine Einbettung in schmelzbare Elastomere, die bekannterweise nur eine geringe dynamische Beanspruchung erlauben.

In der Zeitschrift "Vakuum in der Praxis" (1992), Nr. 1, Seite 24 werden Materialien aus Kunststoff, Stahl, Keramik beschrieben, die mittels Plasmapolymerisation beschichtet worden sind. Die so behandelten Materialien weisen eine Erhöhung des Korrosionsschutzes, der Kratzfestigkeit und des UV-Schutzes auf. Des weiteren ist in dieser Schrift eine Plasinabehandlung mit nicht polymerisierbaren Monomeren beschrieben, die zur Oberflächenveränderung von Fasern dient. Durch eine reine Plasmabehandlung kann eine Beeinflussung, z. B. der Polarität oder der Oberflächenspannung der Faser erreicht werden, ohne daß eine Schicht abgeschieden wird. Solch plasmabehandelte Fasern (Polyethylenfasern) sollen Anwendung auch für Faserverbundwerkstoffe finden. Der Nachteil von nur plasmabehandelten Fasern besteht darin, daß durch eine reine Oberflächenbehandlung der Faser oft noch keine ausreichende Haftung zur Matrix (Elastomerkörper) erzielt wird. Des weiteren wird die Reibung zwischen den Filamenten durch eine bloße Oberflächenbehandlung nicht verringert und es kann letztlich zur Zerstörung des gesamten Antriebsriemens führen. Ein großer Nachteil von plasmabehandelten Fasern ist auch darin zu sehen, daß die Oberfläche der Fasern nicht ausreichend in der Art modifiziert werden kann, daß der notwendige Schutz gegen eindringende Medien (Wasser, Luft, chemische Substanzen) erreicht wird. Die reine Plasmabehandlung kann sogar dazu führen, daß die Oberfläche der Faser soweit verändert wurde, daß Schädigungen an der Faser auftreten, die die dynamische Belastbarkeit (z. B. Reißkraft) z. B. eines Antriebsriemens herabsetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Zugträgereinlagen (Zwirne, Corde, Gewebe) und/oder Ummantelungsgewebe für Antriebsriemen herzustellen, die eine verfahrenstechnisch günstiger hergestellte Beschichtung bis in die Filamentzwischenräume aufweist und somit eine Erhöhung der mechanischen und chemischen Beständigkeit der Antriebsriemen ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Fäden plasmabeschichtet sind.

Bei einer Plasmabeschichtung wird durch das Auftreffen der ersten beschleunigten Teilchen des Beschichtungsmaterials die Oberfläche des Fadens bis hin in die Filamentzwischenräume modifiziert. Im Gegensatz zu einer Metallisierung aus der Gasphase, bei der es aufgrund der geringen Geschwindigkeit der Teilchen zu keiner Veränderung der Oberflächenstruktur des Fadens kommen kann, ist dies bei der Plasmabeschichtung möglich. Durch nachfolgende Teilchen werden eventuelle Unebenheiten oder gar Zerstörungen der Fadenoberfläche durch die zuerst aufgetroffenen Teilchen aufgehoben. Somit entstehen bis in die Filamentzwischenräume fest haftende Schichten, die die chemische (kein Eindringen von korrosiven Medien möglich) und mechanische Beständigkeit (Reibung der Filamente untereinander wird verringert, was sich positiv auf die Reißfestigkeit auswirkt) von Antriebsriemen positiv beeinflussen. Somit wird die Beanspruchbarkeit von Antriebsriemen bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer gesteigert.

Im Unterschied zur Metallisierung aus der Gasphase oder einer reinen Plasmabehandlung wird nach einer Plasmabeschichtung eine Schicht erhalten, deren Bindung zwischen Plasmaschicht und Zugträgermaterial auf der Ausbildung von veränderlichen Mischphasen beruht, die aufgrund einer kontinuierlichen Änderung der chemischen Zusammensetzung in dieser Grenzfläche entstanden sind. Diese kontinuierlichen Mischphasen verursachen die hohe Haftung zwischen der aufgebrachten Schicht und dem Zugträger.

Durch die Plasmabeschichtung ergeben sich auch verfahrenstechnische Vorteile beim Beschichtungsprozeß der Zugeinlagen bezüglich anderen Beschichtungsverfahren (z. B. Metallisierung aus Gasphase). Es werden nämlich bei der erfindungsgemäßen Beschichtung von Fäden der Zugeinlagen und des Ummantelungsgewebe für Antriebsriemen weitaus geringere Energiemengen nötig als bei bisherigen Beschichtungsverfahren und es fallen auch keine schädlichen, feinverteilten Metallstäube an, wie es bei der Metallisierung aus der Gasphase der Fall ist.

Auch wurde ein weiterer Nachteil der Metallisierung überwunden, nämlich daß metallisierte Zugeinlagen für Antriebsriemen nur in schmelzbare Elastomere eingebettet werden können, damit eine ausreichende Haftung zwischen Zugeinlage und Elastomer erzielt wird. Durch die erfindungsgemäße Aufbringung der Zugeinlagenbeschichtung können diese sowohl in mit Schwefel vulkanisierbaren Kautschuk als auch in mit anderen Vernetzungsmitteln vulkanisierbaren Elastomeren eingebettet werden. Das ist auch besonders wichtig, da die mechanische Belastbarkeit von Antriebsriemen sowohl von den verwendeten Zugeinlagen als auch von dem eingesetzten Gummimaterial abhängt. So ist z. B. das in der Schrift DE-PS 16 00 311 (Metallisierung aus der Gasphase) erwähnte schmelzbare Elastomer aufgrund seiner Struktur und daraus resultierender geringer Kettenbeweglichkeit für eine höhere dynamische Beanspruchung des Antriebsriemens weniger geeignet.

Durch Plasmabeschichtung können Schichten aufgebracht werden, die z. B. auf Metallen basieren. So sind Schichten aus Metallen (deren Legierungen beinhaltend), Metalloxiden, Metallnitriden oder Metallcarbiden möglich. Bevorzugte Metalle sind Zirkonium, Titanium und Aluminium und deren Verbindungen. Prinzipiell sind aber auch andere Metalle möglich, die sich zur Plasmabeschichtung eignen. Durch Variation des Trägergases (z. B. Argon, Stickstoff, Sauerstoff) und des Metalls lassen sich die verschiedenartigsten Schichten herstellen.

Es ist auch von Vorteil, wenn Kohlenstoff als Plasmaschicht in der Art aufgebracht wird, daß eine diamantartige Struktur auf dem beschichteten Faden entsteht. Solche beschichteten Fäden besitzen eine besonders hohe Härte, was sich insbesondere auf die mechanischen Eigenschaften (z. B. Verschleißfestigkeit) der Antriebsriemen auswirkt.

Es ist aber auch möglich, organische Polymere mittels Plasmabeschichtung auf die Fäden aufzubringen. Das jeweilige Polymer wird mit beschleunigten Elektronen beschossen und somit in Fragmente zerlegt, die auf dem Faden auftreffen. Prinzipiell können nach diesem Verfahren fast alle organischen Polymere auf Fäden der Zugträgereinlagen bzw. Ummantelungsgewebe aufgebracht werden, (z. B. PTFE, Polyamid, Polyurethan, Polyethylen, Polypropylen).

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn die Fäden plasmapolymerbeschichtet sind.

Bei einer Plasmapolymerisation werden polymerisationsfähige Monomergase in ein Quarzglasrohr eingebracht und zum Beispiel durch hohe elektrische Spannung angeregt. Das Monomergas wird in Moleküle, Fragmente, Radikale, Ionen oder Elektronen zerlegt. Diese angeregten Teilchen sind in der Lage, die Oberflächenschichten des Fadens des Zugträgermaterials bzw. des Ummantelungsgewebes chemisch zu modifizieren und auf diesem zu polymerisieren. Mit der Oberfläche der Zugeinlage bildet sich dann letztendlich eine fest haftende Polymerschicht aus. Nähere Angaben zu dem Verfahren der Plasmapolymerisation sind in der Schrift "Vakuum in Praxis" (1992), Nr. 1, Seite 22-24 zu finden.

Während des Plasmapolymerbeschichtungsprozesses treffen die ersten polymerisierfähigen Fragmente des Monomergases auf die Oberfläche der zu beschichtenden Zugträgereinlage, so daß die Oberfläche, ähnlich wie bei einer Plasmabehandlung, modifiziert wird. Eine Schädigung der Fasern der Zugeinlage und des Ummantelungsgewebes kann aber nicht auftreten, da durch nachfolgende polymerisierfähige Teilchen eventuell auftretende Schadstellen durch "Auspolymerisation" beseitigt werden. Gleichzeitig entsteht eine tiefe und feste Verankerung zwischen Polymerschicht und Zugeinlage, die sich positiv auf die Haftung zwischen ihnen auswirkt. Es können auf diese Weise Antriebsriemen hergestellt werden, die einer höheren mechanischen und chemischen Beanspruchung standhalten im Vergleich zu Antriebsriemen, deren Zugeinlagen z. B. aus der Gasphase metallisiert worden sind. Solch eine Metallisierung ist nur eine Ablage des Metalls auf der Zugeinlagenoberfläche und kann aufgrund der chemischen Struktur mit der Zugeinlage keine feste Haftung eingehen.

Es wird also ausgehend von einem im allgemeinen gasförmigen Monomer auf die Fäden der Zugeinlagen eine Beschichtung aufgebracht (vorher wird deren Oberfläche "aufgerauht"), die gleichzeitig auf den Fäden polymerisiert. Durch die Kombination dieser drei Vorgänge wird verfahrenstechnisch günstig eine Schicht erzielt, die tief und fest haftend, aufgrund im allgemeinen ähnlicher chemischer Strukturen der Polymerschicht und des Zugeinlagenmaterials, auf den Fäden der Zugeinlage aufgebracht ist.

Als Plasmabeschichtung bzw. Plasmapolymerschicht für Zugeinlagen und Ummantelungsgewebe von Antriebsriemen eignen sich besonders solche Polymere, die einen geringen Reibbeiwert besitzen und abriebbeständig sind, um eine mechanisch stabile Schicht in den Filamentzwischenräumen zu erzielen. Des weiteren sollen die Plasmabeschichtungen bzw. Plasmapolymerbeschichtungen eine gute Haftung aufgrund ausgeprägter Mischphasenbildung zur Elastomermatrix, z. B. Chloroprenkautschuk, aufweisen. Besonders günstig ist, insbesondere für die Plasmapolymerisation, Polyethylen. Prinzipiell sind aber auch Plasmapolymerschichten möglich, z. B. andere Kunststoffe oder anorganische Verbindungen, wenn diese sich vorteilhaft auf die Beständigkeit von Antriebsriemen auswirken.

Es ist auch vorteilhaft, einen Faden mehrmalig mittels Plasma zu beschichten. Dabei werden verschiedene Schichten aufgebracht, wie z. B. Kombinationen der bereits genannten Beschichtungsmaterialien. Bei der Variante den Faden mehrfach zu beschichten, ist es auch möglich anorganische (metallische) Schichten mit organischen Schichten zu kombinieren. Damit können die Eigenschaften des Zugträgermaterials/Ummantelungsgewebes optimal eingestellt werden.

Um eine zusätzliche Verbesserung der Haftung zwischen den Fäden der Zugeinlage und der Plasmaschicht zu erzielen, ist es vorteilhaft, die Fäden z. B. mit einem Dip (Behandlung mit einem Adhäsions­ system) vorzubehandeln. Als Dip-Lösung kann z. B. Resorcin- Formaldehyd-Lösung (RFL) verwendet werden, aber auch andere Dip-Lösungen aus dem Stand der Technik sind verwendbar.

Wenn der Dip-Prozeß vor dem Verzwirnen und/oder Verflechten durchgeführt wird, hat das den Vorteil, daß jeder einzelne Faden der Zugeinlage oder des Ummantelungsgewebes vollständig benetzt und die Haftung der ersten Plasmalage an der Oberfläche jedes einzelnen Fadens besonders unterstützt wird. Für Glasfäden ist insbesondere diese Variante geeignet, da der Dip als Schutzschicht wirkt, damit die Glasfilamente beim Verzwirnen und/oder Verflechten nicht aneinander scheuern und somit nicht geschädigt werden können.

Für einen Dip-Prozeß nach dem Verzwirnen und/oder Verflechten der Fäden der Zugeinlagen spricht dessen Wirtschaftlichkeit. Die komplette Zugeinlage wird dem Dip-Prozeß unterzogen, was zeitsparender und kostensenkend ist und in vielen Fällen den Ansprüchen einer ausreichenden Haftung zwischen Zugeinlage, Ummantelungsgewebe und Plasmaschicht genügt.

Es ist auch möglich, vor und nach dem Verzwirnen und/oder Verflechten der Fäden die Dip-Lösung aufzubringen, wenn Anforderungen an eine sehr hohe Haftung zwischen Zugeinlage/Ummantelungsgewebe und Plasmaschicht gestellt werden.

Für Antriebsriemen, die eine geringe Dehnung (hoher Elastizitätsmodul) aufweisen sollen (Zahnriemen), werden häufig Zugeinlagen aus Glasfasern verwendet. Bisher war es aber besonders beim Einsatz von Glaszugträgereinlagen, die nur mit RFL gedipt waren, nachteilig, daß in den RFL-Dip Wasser eingedrungen ist, und diese Dip-Schicht angefangen hat aufzuquellen. Das hatte zur Folge, daß sich die RFL-Schicht ablöste und die Zugeinlagen aus Glasfasern freigelegt wurden. Dadurch wurden die Glasfilamente geschädigt, was letztendlich zur Zerstörung des gesamten Antriebsriemen führte.

Durch die erfindungsgemäße Plasmaschicht auf der Glaszugeinlage kann das Eindringen von Wasser in eine Dip-Schicht (die z. B. vor dem Verzwirnen und/oder Verflechten aufgebracht wurde) verhindert werden. Durch die Plasmaschicht wird die Diffusion von Luft- und Feuchtigkeitsteilchen vermindert.

Prinzipiell ist es möglich, auch andere aus dem Stand der Technik bekannte Zugeinlagenmaterialien und Ummantelungsgewebe mit einer Plasmaschicht zu überziehen. Besonders vorteilhaft ist z. B. auch Polyamid, das im allgemeinen als Gewebe (auch als Ummantelungsgewebe in Zahnriemen) wegen seines niedrigen Reibbeiwertes verwendet wird. Weiterhin sind aber auch plasmabeschichtete Zugträger aus Polyester, Reyon, Ethylenvinylacetat (EVA) oder Aramid denkbar. Insbesondere wird bei Polyamid und Aramid durch die Plasmabeschichtung eine deutliche Haftungserhöhung zur elastomeren Matrix erzielt. Bei Aramid wurde aufgrund seiner Struktur bisher noch nicht einmal mit einem RFL-Dip eine ausreichende Haftung mit dem Elastomer erreicht. Mit der Plasmabeschichtung auf Aramid wird es möglich, problemlos Aramid als Zugträgereinlagen einzusetzen und damit auch die Vorteile dieses Zugträgermaterials, nämlich die hohe Reißfestigkeit und eine sehr gute chemische Beständigkeit, voll auszuschöpfen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung erläutert:

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Keilriemen.

Der Keilriemen 1 besteht aus Ummantelungsgewebe 2, einem elastomeren Grundkörper 3 (hydrierter Nitrilkautschuk, H-NBR), in den Zugeinlagen 4 eingebettet sind. Die Zugeinlagen 4 sind aus plasmabeschichteten verzwirnten Aramidfäden 5 gefertigt.

Die Fig. 2 stellt den Querschnitt eines plasmabeschichteten Aramidfadens einer Zugeinlage dar.

Dieser verzwirnte Aramidfaden 5 weist eine PTFE-Schicht 6 auf, die in der Art aufgebracht wurde, daß bereits polymerisiertes PTFE mit einem Plasma (Beschuß mit beschleunigten Elektronen) behandelt wurde, das PTFE somit in Fragmente zerfällt und sich auf dem Aramidfaden absetzt. Die zuerst auftreffenden Fragmente bewirken ein "Aufrauhen" der Aramidoberfläche, was die Grundlage für eine feste Verankerung der PTFE-Schicht 6 bildet. Die aufgebrachte PTFE-Schicht 6 wirkt wie ein Schmiermittel auf dem Aramidfaden bis in die Filamentzwischenräume hinein, was in der Eigenschaft des PTFE begründet liegt. Diese Schmiermittelwirkung verhindert eine Reibung der einzelnen Filamente aneinander.

Durch weitere Plasmabehandlung des nun mit PTFE 6 beschichteten Aramidfadens 5 wird ein erstes "Aufrauhen" der PTFE-Oberfläche bewirkt. Das hat sich als günstig erwiesen, da PTFE chemisch sehr inert ist und somit diese Plasmabehandlung haftungsunterstützend für eine weitere Plasmabeschichtung ist. Als nächstes wird Polyamid 7 mittels Plasmabeschichtung aufgebracht. Dabei wird ähnlich verfahren wie bei der PTFE-Be­ schichtung. Durch den weiteren "Aufrauheffekt" unterstützt, kommt es zu einer ausgezeichneten Haftung zwischen den beiden Schichten (6, 7).

Die Polyamidschicht 7 des Aramidfadens 5 wiederum hat aufgrund seiner Eigenschaften eine gute Haftung zum elastomeren Grundkörper 3 aus H-NBR.

Somit werden Zugträgermaterialien erzeugt, die obwohl die Fäden bzw. die Filamente mit einer gleitenden und inerten Beschichtung versehen sind, eine gute Haftung zum elastomeren Grundkörper aufweisen.

Durch die erfindungsgemäße Lehre wird gezeigt, daß durch eine direkte Plasmabeschichtung (auch in Verbindung mit einer Plasmabehandlung) von Zugeinlagen und Ummantelungsgewebe für Antriebsriemen eine verfahrenstechnisch günstig hergestellte abriebbeständige Beschichtung (auch mehrschichtig) bis in die Rangstufe der Filamente herunter erzeugt wird und damit eine Erhöhung der mechanischen und chemischen Beanspruchbarkeit von Antriebsriemen erzielt wird.

Claims (12)

1. Antriebsriemen aus elastomerem Werkstoff, insbesondere Flachriemen, Keilriemen, Keilrippenriemen oder Zahnriemen, mit Zugträgereinlagen und/oder einem Ummantelungsgewebe, wobei die Zugträgereinlagen und/oder das Ummantelungsgewebe aus verzwirnten und/oder geflochtenen organischen oder anorganischen beschichteten Fäden bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden plasmabeschichtet sind.

2. Antriebsriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaschicht aus Metall oder Metalloxiden oder Metallnitriden oder Metallcarbiden ist.

3. Antriebsriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaschicht aus diamantartigem Kohlenstoff ist.

4. Antriebsriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaschicht aus Polyamid ist.

5. Antriebsriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaschicht aus Polyethylen oder Polytetrafluorethylen ist.

6. Antriebsriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden plasmapolymerbeschichtet sind.

7. Antriebsriemen nach Anspruch 1 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Plasmaschichten auf den Fäden aufgebracht sind.

8. Antriebsriemen nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden aus Glas sind.

9. Antriebsriemen nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden aus Aramid sind.

10. Antriebsriemen nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden aus Polyamid oder Polyester oder Ethylenvinylacetat sind.

11. Antriebsriemen nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dip-Prozeß vor dem Verzwirnen und/oder Verflechten erfolgt.

12. Antriebsriemen nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Dip-Prozeß nach dem Verzwirnen und/oder Verflechten erfolgt.