DE10000132A1 - Process for the surface treatment of elastomers - Google Patents
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Abstract
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.The invention relates to a method for surface treatment of a Workpiece made of an elastomeric material with a, on the surface of the Workpiece acting energy flow.
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. Elastomeric materials consist of macromolecules that literally interact with each other are entangled and networked or connected to each other in only a few places. Out For this reason, such materials are exceptionally elastic. That's the way it is possible elastomers reversible by a multiple of their original length pull apart. This rubber behavior does not change when heated to a certain extent.
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.Such materials are due to their peculiar elastic behavior in used in a variety of different applications. So find elastomers as membrane-shaped workpieces use in systems, for example Hydraulic systems in which they serve as force or pressure transmitting units, which also have a separating function, e.g. the separation between one liquid and a gaseous working medium.
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.A well-known area of application are so-called hydraulic pressure accumulators Systems in which the elastomeric membrane is subjected to strong strains that due to the different pressure conditions in the membrane separate pressure storage areas, on the one hand gas and on the other hand Hydraulic oil are provided. The separation membrane should go beyond that be as gastight as possible so that there is a gas pressure loss on the gas side of the Pressure accumulator is to be excluded as far as possible. To one, over the life Such pressure accumulator should achieve permanent freedom from maintenance Ensure that the gas does not pass through the membrane into the hydraulic oil diffuses and thus the pressure accumulator loses its effectiveness.
Herkömmliche Elastomermembrane sind jedoch nur unzureichend gasdicht, sodass Wege zu finden sind, die die Gaspermeation durch Elastomermembranen hindurch reduzieren oder gänzlich unterbinden.However, conventional elastomeric membranes are only insufficiently gas-tight, so that There are ways to find gas permeation through elastomeric membranes reduce or completely prevent.
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.It is known that the permeation of gases through polymers is reduced can be achieved by, for example, the degree of crosslinking of the macromolecules Electron or ion radiation increases and at the same time the free volume inside of the polymer network can be reduced.
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.For the use of elastomers in applications that require a certain degree of elasticity Elastomers require such. B. in the aforementioned pressure accumulators, the higher modulus of elasticity also proves due to the higher degree of crosslinking in the thin surface-treated layer of the elastomer, however, as problematic. When the membrane is stretched it results due to the higher Elastic modulus a significantly higher tension in the treated Surface layer than in the underlying material. This leads to tearing this highly cross-linked layer and makes it the desired one Permeation reduction almost ineffective.
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.So far, no satisfactory solutions regarding the reduction or Preventing the permeation of gases through elastomeric membranes been found. Rather, you bow to the need for gas pressure Check membrane storage at certain time intervals and if necessary readjust. Especially in the field of automobile construction, one covers the entire Lifetime constant gas pressure is the main criterion for use of membrane accumulators.
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.The object of the invention is a method for surface treatment of a Workpiece made of an elastomeric material with a, on the surface of the Workpiece acting energy flow, such that a Elastomer workpiece is obtained in which the gas permeation is greatly reduced or is almost completely prevented. Especially in the case of mechanically high stressed elastomeric components, as is the case with storage membranes, a significant reduction in permeation should be achieved.
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.The object of the invention is achieved in claim 1 specified. Further features that further develop the invention are the subject of Subclaims and the entire description including the Take the drawing. Furthermore, claims for advantageous use of the method and directed to an elastomer workpiece itself.
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.The method for surface treatment of a workpiece is in accordance with the invention made of an elastomeric material with a, on the surface of the workpiece acting energy flow, further developed such that the energy flow on the Workpiece acts while the workpiece is in the stretched state.
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.The invention addresses the problem that arises when an energy flow, preferably an ion beam, is applied to a workpiece made of an elastomeric material, preferably in the form of a membrane. As already from the contributions of AA Miller, "Polysilixanes" in "The Radiation Chemistry of Macromolecules" Volume 2 , p. 179, Editor: M. Dole, Academic Press 1973 and GGA Böhm, "The Radiation Chemistry of Elastomers" in "The Radiation Chemistry of Macromolecules "Volume 2 , p. 196, Editor: M. Dole, Academic Press 1973 , it is known that the interaction of ions with an elastomer surface can increase the degree of crosslinking in a thin surface layer, the free volume of the polymer network is reduced at the same time. With the increase in the degree of crosslinking, however, the modulus of elasticity also increases, which results in higher mechanical stresses when the membrane is stretched in the thin, more crosslinked surface layer than is the case in the rest of the elastomer. As a result, stress cracks occur on the surface of the elastomeric workpiece, which in turn would increase gas permeation.
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.The invention is able to increase this permeation by crack formation to prevent the elastomeric workpiece from being in a stretched condition an energy flow is applied, which increases the degree of networking contributes at least to the surface layer of the workpiece. Preferably sets the elastomeric workpiece in its stretched state Surface plasma so that it has high-energy ions on its surface is applied. Energy flows are also of a different nature, such as high-energy electromagnetic radiation, for the aforementioned Surface layer treatment conceivable. During the surface treatment should the elastomeric workpiece is stretched as much as possible, preferably in same way in which it was used during its later technical use is stretched to the maximum.
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.The energy flow acting on the workpiece in the form of a plasma treatment causes in addition to the already mentioned increase in the degree of networking complete relaxation of the thin surface layer of the workpiece. The The reason for this is that when irradiating polymers usually two Processes run, a so-called chain splitting and a so-called Chain networking. Both processes run simultaneously and are dynamic Balance to each other. By chain splitting, the macromolecules can relax the elastomer. The remaining radicals can then in recombine a state of lower free enthalpy. The greatly reduced Permeation of the elastomer is based on two effects. First leads rubber-elastic polymers an increased degree of crosslinking to lower the Permeation. In addition, they reduce permeation when relaxing resulting in the thin plasma-treated surface layer Compressive stresses from, especially under pressure, the free volume of the polymer Network is reduced and the mobility of the individual molecular chains decreases. The microcracking described above can also largely are excluded, leading to a supposed increase in permeation would lead.
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. With the help of the method according to the invention it is possible to be mechanically high stressed elastomer components in an inexpensive Surface treatment processes to be paid so that they have a very have low gas permeation. In this way, membrane accumulators can be realized, which guarantee a maintenance-free long lifetime.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigt:The invention is hereinafter described without limitation of the general The inventive concept based on an embodiment with reference to the Drawing described as an example. It shows:
Fig. 1 Schematisierte Querschnitt durch eine gedehnte Elastomermembran während der Oberflächenbehandlung Fig. 1 Schematic cross section through an expanded elastomer membrane during the surface treatment
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.The elastomer membrane is used for plasma treatment to the maximum in the later Operation stretching stretched. Stretching can occur with planar membranes through clamping and mechanical deflection and with bladder membranes Fill the membrane with a certain gas partial pressure. The Surface treatment of the membrane can, for example, with argon or Nitrogen ions are carried out. In principle, other ions are also conceivable.
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.In Fig. 1 the cross section of an expanded membrane 1 is shown, which is preferably made of fluororubber (FPM) or acrylonitrile-butadiene rubber (NBR). The elastomer membrane 1 typically has a thickness of 2 to 3 mm and a diameter of approximately 60 mm. The membrane 1 is gas-tightly attached to a housing 2 by means of fastening clamps 3 , in which an internal pressure P 1 of approx. 5 bar is produced by supplying nitrogen. Due to the large internal pressure P 1 compared to the normal external pressure P 0 , the elastomeric membrane 1 bulges outwards, as a result of which it assumes the stretched state shown in FIG. 1. In this stretched state, the elastomer surface of the membrane 1 is exposed to an argon plasma with an output of approximately 0.4 W / cm 2 and an irradiation time of approximately 1 minute.
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. During the surface treatment, the processes described above occur within the layer of the elastomer membrane 1 near the surface, as a result of which its gas permeation property is considerably reduced. The method according to the invention represents an inexpensive possibility for the production of elastomer workpieces which withstand strong mechanical stresses and at the same time guarantee high gas resistance.
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Elastomermembran
Elastomeric membrane
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Gehäuse
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |