DE69020554T2 - Verschleissfeste mehrschichtige gegenstände. - Google Patents

Verschleissfeste mehrschichtige gegenstände.

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DE69020554T2
DE69020554T2 DE69020554T DE69020554T DE69020554T2 DE 69020554 T2 DE69020554 T2 DE 69020554T2 DE 69020554 T DE69020554 T DE 69020554T DE 69020554 T DE69020554 T DE 69020554T DE 69020554 T2 DE69020554 T2 DE 69020554T2
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Description

  • Diese Erfindung betrifft verschleißfeste, mehrschichtige Gegenstände, wie Lager und Rotorblätter für Pumpen und Kompressoren.
  • Gut bekannte Gegenstände dieser Art werden durch Erhitzen einer Anordnung van übereinander gelagerten Stoffschichten gefertigt, welche aus Asbestgarn gefertigt und mit einem wärmehärtenden Harz imprägniert sind.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Vermeidung der Verwendung von Asbest.
  • Es ist bereits bekannt (siehe beispielsweise GB-A 2 121 844) verschleißfeste, mehrschichtige bzw. laminierte Gegenstände unter Verwendung von wärmebeständigen Aramidfasern anstelle von harzimprägnierten Asbeststoffen herzustellen, wobei hier Fasern aus Poly(aromatischem Amid) oder Glasfasern zu nennen sind, welche mit einem organischen Bindemittel in flexibles, blättriges Material durch ein Papierherstellungsverfahren überführt werden, wobei das Blatt dann mit Barz imprägniert wird Um jedoch Gegenstände zu erhalten, welche zu einem dauernden Betrieb über 175 ºC und insbesondere bei Temperaturen bis zu 200 ºC geeignet sind, mußte ein Anteil von Aramidfasern verwendet werden, welcher das Produkt zu teuer machte. wenn eine Glasfaser anstelle einer Aramidfaser verwendet wird, ist der Gegenstand extrem scheuernd. Es ist auch aus der WO-A 87/07656 bekannt, daß Garne, welche einen anorganischen Kern und eine Lißenschicht aus Aramidfasern enthalten, bei der Herstellung von feuerbeständigen Geweben verwendbar sind.
  • Geinäß der vorliegenden Erfindung wird ein verschleißfester mehrschiclitiger Gegenstand in der Form eines Lagermaterials oder eines Rotorblattes, welcher durch Erhitzen einer Anordnung von übereinander gelagerten Schichten aus Geweben, welche mit einem wärmehärtenden Harz impragniert sind, erhaltlich ist, zur Verfügung gestellt, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß das Gewebe aus einem nicht-asbesthaltigen Garn umfassend einen Kern aus Glasfaser mit einer Oberfläche aus Aramidfaser und einer Faser, welche so porös wie Viskose ist, besteht, wobei die Aramidfaser nicht mehr als 40 Gew.-% des Garns bildet.
  • Gewebe, welche aus derartigem nicht-asbesthaltigen Garn gefertigt sind, sind kommerziell als thermische Isolationsund Verpackungsmaterialien erhältlich, wobei die enthaltene, relativ poröse Faser Viskose ist. Die Funktion der Viskosefaser bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung ist es, die Imprägnierung mit dem wärmehärtbaren Harz des Gewebes aus einem Kern aus Glasfaser/Oberfläche aus Aramidfaser zu unterstützen. Das Gewebe ist vorzugsweise gewebt, jedoch kann es auch aus einem gewirkten Aufbau bestehen.
  • Die eingesetzte Aramidfaser kann vollständig in der para- Form vorliegen, wie jene, welche unter der Marke "KEVLAR" verkauft wird, wobei jedoch bis zur Hälfte des Aramids, falls gewünscht, in der meta-Form, wie Poly(m-phenylen-isophthalamid) vorliegen kann.
  • Eine bevorzugte Zusarnmensetzung des Garns ist:
  • Glasfaser: 50 - 75, vorzugsweise 50 - 70 %
  • Aramidfaser: 5 - 35, vorzugsweise 15 - 35 %
  • Viskosefaser: 5 - 25, vorzugsweise 10 - 25 %
  • wobei diese Verhältnisse in Gewichtsprozent des Garns angegeben sind. Es ist weiters bevorzugt, daß das Gewebe ein Gewicht pro Flächeneinheit im Bereich vo 550 bis 900 g/m² aufweisen sollte.
  • Ein Reibungsveränderer, wie Graphit, Polytetrafluorethylen oder Molybdändisulfid in Mengen von 2 bis 20 % in bezug auf das Trockengewicht des wärmehärtenden Harzes kann, falls gewünscht, enthalten sein, um die Verschleißfestigkeit des Produktes zu verbessern.
  • Geeignete, wärmehärtende Harze sind phenolische Harze, wie Phenol-Formaldehydharze, welche von Phenol selbst oder einem Kohlenwasserstoff-substituierten Phenol abgeleitet sind.
  • Für bestimmte Anwendungen, wie Kompressorblätter für sehr hohe Beanspruchungen, kann den neuen, oben beschriebenen, verschleißfesten Gegenständen eine ausreichende Steifigkeit fehlen.
  • Um dies zu vermeiden, können Kohlefasern in das Laminat eingebracht werden. Dies kann durch Verschachteln der Gewebeschichten mit Schichten eines Kohlefaserharz-Prepreg-beschichteten Materials vor der Lamination in einen Gegenstand durchgeführt werden. Die Kohlefaser kann in Form eines gewebten Stoffes oder eines nicht gewebten Filzes vorliegen, wobei jedoch das erstere bevorzugt ist. Das Harz ist vorzugsweise dasselbe wie das Harz, welches zum Imprägnieren des Gewebes verwendet wird, wobei ein phenolisches Harz besonders bevorzugt ist. Der Kohlefasergehalt kann im Bereich von 5 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 25 Gew.-%, liegen.
  • Das phenolische Harz kann 2 bis 10 Gew.-% eines Epoxyharzmaterials zusammen mit einem Härter für das letztere enthalten, um das Anhaften an den Kohlefasern zu begünstigen. Ein Epoxyharzgehalt von etwa 5 Gew.-% ist besonders bevorzugt.
  • Die Kohlefasern können auch in das Gewebe als gemeinsamer Bestandteil desselben vermischt sein. Beispielsweise kann ein Kohlefaserschuß bei der Herstellung des Gewebes verwendet werden. Unter bestimmten ständen kann das letztere für das Einbringen unmittelbar vor dem Laminieren bevorzugt sein, da es in einer gleichmäßigeren Verteilung der Kohlefaserverstärkung resultiert.
  • Die Erfindung wird nun anhand des folgenden Beispieles weiter erläutert.
    • BEISPIEL 1
  • Ein Leinwand-artiger Stoff einer Nenndicke von 2 mm, einem Gewicht pro Einheitsfläche von 620 g/m² und einem Aufbau von 80 Kettfäden pro dm und 36 Schußfäden pro dm der Art, welche zum Schutz gegen verspritzendes, geschmolzenes Metall verkauft wird, wurde mit einer Lösung (50 Gew.-% Feststoffgehalt) in gemischtem Ethanol/Methanol/Wasser (86 Gew.-% Ethanol, 4 Gew.-% Methanol) eines konventionellen Phenol-Formaldehydresols imprägniert, welches durch British Petroleum cnemicals Limited unter der Marke "CELLOBOND" verkauft wird. Der Stoff selbst wurde aus einem Garn mit Glaskern (E-Glasfaser) gewoben, wobei Aramidfaser und Viskose rund um den Glaskern gewickelt waren. Die Gesamtzusammensetzung war: Glas 54 %, Aramid 34 %, Viskose 12 %.
  • Die überschüssige Harzlösung wurde aus dem imprägnierten Stoff durch Hindurchführen desselben zwischen Walzen abgepreßt und das Blatt bzw. der Bogen wurde dann auf 135 ºC für 20 min erhitzt, um in der verbliebenen Harzlösung vorhandenes Lösungsmittel zu entfernen, um das Harz teilweise zu härten.
    • BLATTFÖRMIGES LAMINAT
  • Aus dem wie oben beschrieben erhaltenen Material wurden 8 Stücke mit den Abmessungen von 300 x 300 mm geschnitten. Die 8 Stücke wurden übereinander gelegt (mit dem Schuß von benachbarten Stücken im rechten Winkel). Die Anordnung wurde dann bei 150 ºC in einer Dampfpresse (Druck 7,7 MPa, Zeit 45 min) gehärtet und dann bei 150 ºC in Luft nachgehärtet.
  • Das so gebildete Laminat ist leicht verarbeitbar, um Purnpenoder Rotorkompressorblätter zu bilden. Seine Eigenschaften werden später in dieser Beschreibung angegeben.
    • ROHRFÖRMIGES LAMINAT
  • Der teilweise gehärtete Stoff wurde auf einen erhitzten Dorn (100 ºC) mit einem Durchmesser von 20 mm gewickelt und das gebildete, rohrförmige Lamanat wurde druckgeformt und dann in einem Ofen bei 150 ºC gehärtet, um das Harz vollständig zu härten.
  • Das rohrförmige Laminat wird leicht in die Form von Hülsen umgewandelt. Die Eigenschaften des Rohres und der daraus hergestellten Hülsen werden später in dieser Beschreibung angegeben. EIGENSCHAFTEN DER BLÄTTER Physikalische Eigenschaft Material gemäß der Erfindung bekanntes Asbest-Laminat Biegesteifigkeit bei Raumtemperatur nach vier Tagen Altern Druckfestigkeit Zugfestigkeit Kerbschlagfestigkeit Dichte Schubfestigkeit Bindungsfestigkeit Wasserabsorption bei mm Dicke 600 linearer Koeffizient der thermischen Ausdehnung pro ºC Biegemodul
  • Diese physikalischen Eigenschaften, insbesondere die Biegefestigkeit und thermische Ausdehnung zeigen, daß das Material besonders geeignet für die Verwendung in Rotorblättern, beispielsweise in einem Rotationskompressor, ist.
  • Das Material gemäß der Erfindung zeigt in Öl eine Dimensionsstabilität, welche ähnlich jener des Asbest- Laminats ist. Beide Materialien schrumpfen in der Länge um 0,05 %, wenn sie in 125 ºC heißes Öl 24 Std. eingeweicht werden.
  • Vergleichende Verschleißtests wurden unter Verwendung einer Ausstattung dnrchgeführt, welche von dem National Centre of Tribology entwickelt wurde und von chloride Ferostatics hergestellt wurde. Diesen liegt die Testprobe in Form eines Stiftes vor, welcher unter einer feststehenden Belastung gegen eine rotierende Gegenflächenhülse gehalten wird, welche auf einer Welle montiert ist. Gleitende Bedingungen werden simuliert, indem Testproben verwendet werden, welche zuerst für 72 Std. in Öl eingeweicht wurden. Der Verschleiß der Proben wurde durch Messen der Breite der resultierenden, kratzenden Zerstörung bzw. der Kerben bestimmt. Das Material gemäß der Erfindung und das Asbest-Laminat wurden unter identischen Bedingungen getestet und ergaben beide Kerben von 3 mm Breite. (Ein Laminat, welches aus einem Stoff aus 100 % Glasfaser imprägniert mit Phenolharz bestand, gab eine Kerbe von 11 mm). EIGENSCHAFTEN DES ROHRES Physikalische Eigenschaft Material gemäß der Erfindung bekanntes Asbest-Laminat Dichte Druckfestigkeit axialer Koeffizient der linearen Ausdehnung pro ºC
  • Die folgenden Untersuchungen der Reibung und des Verschleißes wurden trocken ohne äußere Schmierung durchgeführt.
    • VERSCHLEISS-KERBENBILDUNG
  • Die Probe in Form eines Streifens wird gegen eine rotierende Welle aus EN32 einsatzgehärtetem Stahl unter einer festen Belastung für 100 Std. kontinuierlich gehalten und es wird die Breite der resultierenden kerbenförmigen Zerstörung gemessen. Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten: Material Verschleiß-Kerbenbildung (mm) Gemäß der Erfindung Asbest-Laminat welches zusätzlich Graphit (Gew.-% enthält)
    • REIBUNGS-GESCHWINDIGKEITSTEST
  • Dieser verwendet ein hin- und hergehendes Gestell, in welchem eine aufgenommene Probe horizontal gegen eine Flußstahlgegenfläche gleitet. Sowohl die Belastung als auch die hin- und hergehende Geschwindigkeit können variiert werden. Die Reibungskraft wird unter Verwendung eines Druckmeßdosensensor gemessen. Die in der Folge angegebenen Resultate vergleichen das Reibungsverhalten des Materials gemäß der Erfindung mit jenem von einem Asbest-Laminat unter einer Belastung von 5 kg. REIBUNGSKOEFFIZIENT Geschwindigkeit (cm per min) Material gemäß der Erfindung bekanntes Asbest-Laminat
    • DRUCK-GESCHWINDIGKEITSTEST (PV)
  • In diesem werden eingebaute, bearbeitete Hülsen gegen eine Welle mit variierenden Geschwindigkeiten über einen bestimmten Bereich von Drücken laufen gelassen. Ein spezieller Test würde bei konstanter Geschwindigkeit mit einer Belastung, welche zunehmend vergrößert wird, durchgefünrt werden. Bei jeder Belastung wird die Temperatur der Hülse überwacht. Sobald diese Temperatur einen maximalen Wert erreicht hat, wird die Belastung vergrößert und so weiter, bis die Hülse mechanisch versagt. Ein Grenz-PV-Wert kann berechnet werden. Hülsen werden aus dem Material der Erfindung und aus dem Asbest-Laminat hergestellt und getestet; die Ergebnisse sind unten gezeigt. GRENZ-PV-WERT (kg/cm² x m/min) Geschwindigkeit (Meter pro min) Material gemäß der Erfindung bekanntes Asbest-Laminat
  • Die Reibungs- und Verschleißtestergebnisse, welche oben angegeben wurden, zeigen, daß das Material gemäß der Erfindung als ein Hochternperatur-Lagermaterial geeignet ist, welches für den Ersatz von Lagern, welche gegenwärtig aus Asbestgarn gefertigt werden, geeignet ist.
    • BEISPIEL 2
  • Um den Effekt des Einschlusses von Kohlefasern zu erläutern, wurde das Verfahren, welches zuvor in bezug auf Beispiel 1 beschrieben wurde, wiederholt, mit dem zusätzlichen Schritt einer Zwischenlagerung zwischen jeder Schicht des Stapels von Stücken von einer Lage eines quadratisch verwobenen Kohlefasergewebes mit einem Gewicht von 836 g/m², welches aus 20.000 Reißspinnkabeln aus 100 % PAN-basierenden Kohlefasern gewebt wurde. Dieses Gewebe wurde zuvor mit einer analogen phenolischen Harzlösung imprägniert, wobei sie jedoch in diesem Fall etwa 5 Gew.-% eines Epoxyharzes enthielt, welches Diglycidylether von Bisphenol A, und eine geringere Menge eines Aminhärters enthält. Dieser wurde einer ersten, teilweisen Härtungsbehandlung vor der Verwendung unterworfen. Eine analoge Lage wurde auf jede Seite des Stapels aufgebracht und das Gesamte wurde, wie zuvor beschrieben, druckgehärtet. Der Kohlefasergehalt des Produktes betrug etwa 16 Gew.-%.
  • Beim Testen des modifizierten Laminates dieses Beispiels wurden die physikalischen Eigenschaften in einigen Punkten gegenüber jenen von Beispiel 1 wie folgt verbessert gefunden:
  • Raumtemperatur-Biegefestigkeit 175 MPa
  • Biegefestigkeit bei 200 ºC nach 4 Tagen Altern bei 200 ºC 140 MPa
  • Biegemodul 15 GPa
  • Bindungsfestigkeit 5 KN
  • linearer Koeffizient der thermischen Ausdehnung pro ºC 11,34 x 10&supmin;&sup6;
    • BEISPIEL 3
  • Dem Verfahren des ersten Beispiels wurde gefolgt, wobei jedoch diesmal ein Stoff verwendet wurde, in welchem das Schußgarn ebenfalls eine Kohlefaserkomponente enthält. Stücke wurden von dem Stoff abgeschnitten und in ein Laminat verarbeitet, welches dann druckgehärtet wurde. Das Produkt hatte signifikant bessere Eigenschaften als jenes von Beispiel 1 und in diesem Fall war die Kohlefaserkomponente gleichförmiger über das gesamte Produkt verteilt.
    • BEISPIEL 4
  • Das Beispiel 2 von oben wurde unter Verwendung von Lagen von nicht-verwobenen Kohlefasergeweben anstelle des gewebten Stoffes wiederholt, wobei die Vorbehandlung mit einem Harz wie zuvor verblieb. Das Produkt hatte bessere Eigenschaften als Beispiel 1, war jedoch nicht so gut wie Beispiel 2.
  • Die verbesserten physikalischen Eigenschaften, insbesondere die Biegefestigkeit und die thermische Ausdehnung zeigen, daß das mit Kohlefasern modifizierte Material besonders für die Verwendung als Rotorblätter, insbesondere für die Verwendung in Hochleistungsanwendungen, wie in bestimmten Arten von Rotationskompressoren, geeignet ist.

Claims (12)

1. Verschleißfester mehrschichtiger Gegenstand in der Form eines Lagermaterials oder eines Rotorblattes, welcher durch Erhitzen einer Anordnung von übereinander gelagerten Schichten aus Geweben, welche mit einem wärmehärtenden Harz imprägniert sind, erhältlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe aus einem nicht-asbesthaltigen Garn umfassend einen Kern aus Glasfaser mit einer Oberfläche aus Aramidfaser und einer Faser, welche so porös wie Viskose ist, besteht, wobei die Aramidfaser nicht mehr als 40 Gew.-% des Garns bildet.
2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Garn 50 - 70 Gew.-% Glasfaser, 15-35 Gew.-% Aramidfaser und 10-25 Gew.-% Viskosefaser umfaßt.
3. Material nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz ein Phenolharz ist.
4. Verwendung des Materials nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als ein Rotorblatt.
5. Verwendung des Materials nach einem der Ansprüche l bis 3 als ein Lager.
6. Verschleißfestes Lagermaterial nach Anspruch 1, weiters gekennzeichnet durch den Einschluß von Kohlefasern in einer Menge von 5 bis 30 Gew.-% des Lagermaterials.
7. Material nach Anspruch 6, worin die Kohlefasern durch Verschachteln der übereinander gelagerten Gewebeschichten mit Schichten aus Kohlefasern in der Form von mit Harzmaterial imprägniertem Stoff oder nicht-gewebten Stoffen eingebracht sind.
8. Material nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern durch Vermischen in das Gewebe als intergrierter Bestandteil desselben eingebracht sind.
9. Material nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern durch Vermischen derselben in wenigstens einige der Garne, welche für die Herstellung dem Gewebes verwendet werden, eingebracht sind.
10. Material nach Anspruch 7, worin das Harzmaterial das selbe wie das zum Imprägnieren des Gewebes verwendete ist.
11. Material nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz von 2 bis 10 Gew.-% und vorzugsweise etwa 5 Gew.-% eines Epoxyharzes gemeinsam mit einem Härter dafür enthält.
12. Verwenduung das Materials nach einem der Ansprüche 7 bis 11 als ein Rotorblatt.
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