DE102007042819A1

DE102007042819A1 - Walzenbezug und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102007042819A1
Application number: DE200710042819
Authority: DE
Inventors: Michael Wokurek; Martin Breineder
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2009-03-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Walzenmantels oder Walzenbezugs (1) einer Walze aus einem NDI-basierten Polyurethan-Kunststoff. Dabei soll eine möglichst rasche Überwindung der Grünfestigkeitsschwäche zur Vermeidung von Spannungsrissen dadurch erreicht werden, dass der dem Polyurethan zugesetzte Härter die Topfzeit auf 5 bis 60 s verkürzt. Die Erfindung betrifft auch eine NDI-Polyurethan zur Herstellung eines Walzenmantels oder Walzenbezugs (1) einer Walze gebildet durch Mischung eines NDI-Präpolymers mit einem Härter, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, wobei wesentlich ist, dass der Härter aus 60 bis 99 Gewichts-% 1,4-Butandiol, maximal 40 Gewichts-% Diamin sowie höchstens 1 Gewichts-% eines Katalysators besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Walzenmantels oder Walzenbezugs einer Walze aus einem NDI basierten Polyurethan-Kunststoff.
Die Erfindung betrifft ebenso ein NDI-Polyurethan zur Herstellung eines Walzenmantels oder Walzenbezugs einer Walze gebildet durch Mischung eines NDI-Präpolymers mit einem Härter.
Polyurethan Elastomere die durch eine ein- oder mehrstufige Reaktion von NDI (Naphtylen-1,5-diisocyanat) mit Mischungen von Polyolen, Diolen und Diaminen entstehen sind seit mehreren Jahrzehnten bekannt.
NDI-Polyurethan Elastomere zeichnen sich durch hohe Reiß- und Weiterreißfestigkeit, hohe Abriebbeständigkeit, und hohe Elastizität aus.
Jedoch kommt es beim Erhärten zu starkem Schrumpf und schlechter Grünfestigkeit.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher den Schrumpf zu vermindern und die Grünfestigkeit zu verbessern, um so die Einsatzmöglichkeiten des Kunststoffs zu erweitern.
Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe dadurch gelöst, dass der dem Polyurethan Präpolymer zugesetzte Härter die Topfzeit auf 5 bis 60 s verkürzt.
Durch die verminderte Topfzeit kommt es zu einer raschen Überwindung der Grünfestigkeitsschwäche, was die Gefahr von Spannungsrissen während des Aushärtens des Kunststoffs erheblich vermindert.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Topfzeit auf 8 bis 20 s verkürzt wird.
Durch die geeignete Wahl des Härters kann die Reaktionsgeschwindigkeit und der Viksoitätsanstieg im Zuge der Vernetzungsreaktion zwischen dem NDI-basierten Prä polymer und dem Härter so gesteuert werden, dass die Herstellung des Walzenmantels oder des Walzenbezug mittels Rotationsguss möglich wird.
Dies wird noch dadurch unterstützt, dass durch die beschleunigte Vernetzungsreaktion ein schnelles Durchschreiten des Zeitraums der topfigen Materialkonsistenz, bei der das Material fest, aber ohne wesentliche mechanische Festigkeit und Elastizität ist, erfolgt.
Dabei wird der Kunststoff auf einem zylindrischen, drehbar gelagerten Gießkörper mit einer parallel zur Achse des Gießkörpers verfahrbaren Gießdüse aufgetragen, wobei die Temperatur des aufgetragenen Kunststoffs zwischen 90 und 150°C liegen sollte.
Um die Spannungsrißneigung des aufgebrachten Kunststoffes während des Aushärtens zu verringern, sollte dieser einen Katalysator enthalten, der vorzugsweise aus der Gruppe der PU Polymeriastionskatalystoren gewählt wird. Zu dieser Gruppe gehören verschiedenste metallorganische Verbindungen und Salze von Zn, Co, Bi, Hg, Cd, K u. v. a. m. wie z. B.:
Dibutylzinndilaurat, Zinnoctoat, Dioctylzinndiacetat, Dibutylzinnmercaptid, Dibutylzinnoxid, Dimethylzinnmercaptid, Dioctylzinnmercaptid, Dimethylzinncarboxylat, ... Weiters alle tertiären Amine wie z. B.:
Bis-(2-dimethylaminoethyl)-ether, Alkylmorpholine, 1,4-Diazabicyclooctan, N,N-Alkylbenzylamine, 1,2-Dimethylimidazol, N,N-Dimethylcyclohexylamin, N,N,N',N'-Tetramethylethylendiamin.
Vor allem beim Gießen großer hohlzylindrischer Bauteile, wie Pressmänteln oder Walzenbezügen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Umfangsgeschwindigkeit des Gießkörpers zwischen 15 und 80 m/min liegt und die Gießdüse mit einer Geschwindigkeit zwischen 5 und 10 mm/Umdrehung axial verfahren wird.
Um eine gute Durchmischung der Komponenten zu erreichen, sollte die Mischung mit dem Härter in einer Mischkammer nach dem Rotor/Stator Prinzip erfolgen.
Es ist vorteilhaft dass Rotor und Stator konstruktiv so ausgeführt sind, dass folgende Bedingungen erfüllt sind:
Die durch die konstruktive Ausführung resultierende Spaltbreitenverteilung zwischen Rotor und Stator sollte im Bereich von 1–5 mm liegen und möglichst eng sein, um eine möglichst gleichmäßige Scherbelastung der Reaktionsmischung zu erreichen und dadurch eine Verstopfung der Mischkammer in Bereichen mit geringer Schergeschwindigkeit zu verhindern.
Das Totvolumen der Mischkammer sollte möglichst gering sein. Besonders bewährt haben sich Mischkammern mit einem Totvolumen von 5 bis 50 ml zur Durchmischung eines Materialvolumensstromes von 0,5 bis 10 l/min.
Die daraus resultierenden kurzen Verweilzeiten erfordern eine sehr effektive Durchmischung die einerseits durch hohe Rotordrehzahlen im Bereich von 1000–5000 U/min und andererseits durch strömungsteilende Elemente an Rotor und Stator, die ein geradliniges Durchfließen der Mischkammer verhindern, erreicht wird.
Hinsichtlich des NDI-Polyurethan ist erfindungswesentlich, dass der Härter aus 60 bis 99 Gewichts-% 1,4-Butandiol, maximal 40 Gewichts-% Diamin sowie höchstens 1 Gewichts-% eines Katalysators besteht.
Über eine derartige Härterzusammensetzung lässt sich die gewünschte Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit und der Vikositätsanstieg im Zuge der Vernetzungsreaktion besonders gut erreichen.
Dabei ist es von Vorteil, wenn der Härter zumindest 1 Gewichts-% Diamin und/oder wenigstens 0,01 Gewichts-% eines Katalysators enthält.
Das Diamin in der Härtermischung sollte vorteilhaft aus folgender Gruppe gewählt werden:
Diethyltoluoldiamin, Dimethylthiotoluoldiamin, Hexamethylendiamin, Tetramethylendiamin, Ethylendiamin, o-Phenylendiamin, m-Phenylendiamin, p-Phenylendiamin, 1,4-Diaminocyclohexan, 1,2-Diaminocyclohexan, 4,4'-Diaminodiphenylmethan, Isophorondiamin, 4,4'-Diaminodicyclohexylmethan, 4,4'-Methylene-bis-(3-chloro-anilin), 4,4'-Methylene-bis-(3-chloro-2,6-diethylanilin), Trime-thylenglycoldi-p-aminobenzoate, 1,2-Bis-(2-aminophenylthio)ethan, 4,4'-Diamino-3,3'-dimethyl-dicyclohexylmethan.
Das NDI-Präpolymer wird vorteilhaft unmittelbar vor dem Gießprozeß durch eine chemische Reaktion von Naphtylen-1,5-diisocyanat mit einem Polyol hergestellt. Dabei wird so verfahren dass das Polyol in einem Reaktionskessel vorgelegt und je nach Type auf eine auf eine Startemperatur von etwa 100–150°C gebracht wird. Anschließend wird rasch und unter ständigem Rühren das feste NDI eingemischt. Während und nach dem Abklingen der dabei eintretenden chemischen Reaktion wird das Präpolymer durch anlegen eines Vaccuums schrittweise entgast. Das so hergestellte Präpolymer muss innerhalb eines Zeitraumes von 0,5–2 Stunden wie beschrieben weiterverarbeitet werden.
Das Polyol wird vorteilhaft aus folgender Gruppe gewählt:
Polypropylenglycol, Polytetramethylenglycol, Polyesterpolyole, Polycarbonatpolyole, Polybutadienpolyole, Polycaprolactonpolyole.
Bevorzugt eignen sich lineare Diole mit einer mittleren Molmasse im Bereich von 650–3000.
In manchen Fällen ist es zum Zwecke der Viscositätseinstellung vorteilhaft einen Teil des Polyols nicht im zuge der Präpolymerherstellung sondern im Zuge der Vernetzungsreaktion als Zumischung zur Härterkomponente beizugeben.
Alternativ können die neuerdings verfügbaren fertigen NDI-Präpolymere der Fa. BAYER wie z. B.: Vulkollan 15 S37 verwendet werden.
Die Stöchiometrie der Mischung, also das molare Verhältnis zwischen dem Isocyanatgehalt und dem Gehalt an reaktivem Wasserstoff sollte zwischen 0,80 und 1,20 liegen, um ein optimal ausgewogenes Materialeigenschaftsspektrum zu erhalten.
Ein derartig hergestellter Walzenmantel oder Walzenbezug ist sehr verschleißfest, hochbelastbar und langlebig und eignet sich wegen der hohen Anforderungen insbesondere zur Anwendung bei Walzen in Maschinen zur Herstellung und/oder Veredlung einer Papier-, Karton-, Tissue- oder einer anderen Faserstoffbahn.
Vorzugsweise findet der erfindungsgemäße Walzenmantel in einer weichen Walze eines Kalanders Verwendung.
Die Härte des NDI-Polyurethans im Walzenbezug liegt vorzugsweise zwischen 80 Shore A und 75 Shore D.
Des Weiteren beträgt der Verlustfaktor des NDI-Polyurethans im Walzenbezug vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,03. Durch die niedrige Dämpfung ist der Walzenbezug im Bezug auf die maximal mögliche Belastungspaarung Druck/Lastfrequenz optimiert.
Vorzugsweise liegt der Elastizitätsmodul des NDI-Polyurethans im Walzenbezug zwischen 100 und 3000 N/mm² liegt.
Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der beigefügten Zeichnung zeigt die Figur einen schematischen Querschnitt durch eine Gießvorrichtung.
Dabei wird auf einen drehbar gelagerten Gießkörper 2 in Form eines zylindrischen Walzengrundkörpers im Rotationsgussverfahren ein Kunststoff zur Bildung eines Walzenbezugs 1 aufgetragen.
Dies erfolgt über eine geeignet ausgebildete Gießdüse 3, die den flüssigen Kunststoff mit einer Temperatur zwischen 130 und 140°C von einer Mischkammer 4 erhält.
Die dynamische Mischkammer 4 arbeitet nach dem Rotor/Stator Prinzip.
Während des Auftragens rotiert der Gießkörper 2 mit einer, vorzugsweise konstanten Umfangsgeschwindigkeit, die zwischen 15 und 80 m/min liegt. Die parallel zur Rotationsachse 5 des Gießkörpers 2 verfahrbare Gießdüse 3 wird mit einer Geschwindigkeit zwischen 2 und 15, normalerweise zwischen 5 und 10 mm/Umdrehung bewegt, so dass ein gleichmäßig starker Bezug auf den Gießkörper 2 aufgetragen wird.
Der Ausstoß der Gießdüse 3 liegt zwischen 500 und 10000 g/min.
Zur Herstellung eines möglichst widerstandsfähigen Walzenbezugs 1 wird der Kunststoff von NDI-Polyurethan gebildet, welches durch Mischung eines NDI-Präpolymers mit einem Härter in der Mischkammer 4 entsteht.
Dabei soll der Härter die Topfzeit auf Werte zwischen 8 und 12 s verkürzen. Diese beschleunigte Vernetzung ermöglicht erst die Anwendung des Rotationsgussverfahrens.
Erreicht wird dies hier durch einen Härter, der aus 96 Gewichts-% 1,4-Butandiol, 4,95 Gewichts-% p-Phenylendiamin und 0,05 Gewichts-% Dioctylzinnmercaptid besteht.
Der Anteil an Diamin bestimmt durch seine extrem schnelle Reaktionsgeschwindigkeit das Fließverhalten der Kunststoffmischung zum Zeitpunkt des Austritts aus der Gießdüse 3 und in den ersten 2–5 Sekunden danach. Dieses Fließverhalten ist für eine erfolgreiche Prozessführung entscheidend. Zu geringe Viscosität hat abhängig von Drehzahl und Durchmesser des rotierenden Gießkörpers 2 ein rasches Abrinnen bzw. Abschleudern des aufgebrauchten Materials zur Folge und limitiert somit die erzielbare Schichtstärke. Zu hohe Viskosität verhindert ein gleichmäßiges Verfließen des Kunststoffes, was zu einer unerwünschten groben Oberflächenstruktur (Rippen) und Lufteinschlüssen führt.
Der Katalysator bewirkt in weiterer Folge ein rasches Nachziehen der Butandiol-Isocyanat Vernetzungsreaktion. Er ist damit verantwortlich für ein sehr rasches Durchschreiten des Zeitraums der topfigen Materialkonsistenz (cheesy state/schlechte Grünfestigkeit) während dessen das Werkstück extrem anfällig für das Auftreten von fatalen Spannungsrissen ist.
Die kombinierte Anwendung beider Härterbestandteile ermöglicht es sowohl das für den Rotationsgußsprozeß erforderliche Fließverhalten der Kunststoffmischung einzustellen, als auch ein spannungsrißfreies Endprodukt zu gewährleisten.
Die Stöchiomietrie der Mischung beträgt 85% (Isocyanatüberschuß).
Besonders vorteilhaft ist dies bei der Herstellung von Walzen zur Verwendung in Maschinen zur Herstellung und/oder Veredlung einer Papier-, Karton-, Tissue- oder einer anderen Faserstoffbahn. Derartige Walzen sind einer sehr hohen Belastung ausgesetzt und haben Längen von bis zu 10 m und Durchmesser von bis zu 2 m.
Das Verfahren wie auch der Kunststoff eignen sich ebenso für die Herstellung von flexiblen Walzenmänteln. Diese sind meist durch, in den Kunststoff eingebettete Fasern, Fäden o. ä verstärkt und werden vor allem bei der Entwässerung oder Glättung der Faserstoffbahn eingesetzt.
Die Walzenmäntel werden dabei in analoger Weise durch das Auftragen des Kunststoffs auf einen zylindrischen Gießkörper 2 hergestellt, wobei der fertige Walzenmantel allerdings vom Gießkörper 2 abgezogen oder der Gießkörper 2 aus dem gegossenen Walzenmantel entfernt wird.
Derartig hergestellte Walzenbezüge 1 oder Walzenmäntel zeichnen sich durch eine Erhöhung der Dauerbelastbarkeit hinsichtlich Linienlast und Maschinengeschwindigkeit sowie die Verlängerung möglicher Schleifintervalle zur Bearbeitung der Manteloberfläche aus.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Walzenmantels oder Walzenbezugs (1) einer Walze aus einem NDI basierten Polyurethan-Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Polyurethan Präpolymer zugesetzte Härter die Topfzeit auf 5 bis 60 s verkürzt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Topfzeit auf 8 bis 12 s verkürzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung mittels Rotationsguss erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff auf einem zylindrischen, drehbar gelagerten Gießkörper (2) mit einer parallel zur Achse (5) des Gießkörpers (2) verfahrbaren Gießdüse (3) aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des aufgetragenen Kunststoffs zwischen 90 und 150°C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Härter einen Katalysator enthält, der vorzugsweise aus der Gruppe der PU Polymeriastionskatalystoren stammt und insbesondere von metallorganischen Verbindungen, Salzen oder tertiären Aminen gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsgeschwindigkeit des Gießkörpers (2) zwischen 15 und 80 m/min liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießdüse (3) mit einer Geschwindigkeit zwischen 2 und 15, insbesondere zwischen 5 und 10, mm/Umdrehung axial verfahren wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung mit dem Härter in einer Mischkammer (4) nach dem Rotor/Stator Prinzip erfolgt.
NDI-Polyurethan zur Herstellung eines Walzenmantels oder Walzenbezugs (1) einer Walze gebildet durch Mischung eines NDI-Präpolymers mit einem Härter, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Härter aus 60 bis 99 Gewichts-% 1,4-Butandiol, maximal 40 Gewichts-% Diamin sowie höchstens 1 Gewichts-% eines Katalysators besteht.
NDI-Polyurethan nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das NDI-Präpolymer aus zumindest einem Polyol aus der folgenden Gruppe hergestellt wird: Polypropylenglycol, Polytetramethylenglycol, Polyesterpolyole, Polycarbonatpolyole, Polybutadienpolyole, Polycaprolactonpolyole, Polyesterdiole, Polycaprolactondiole, Polycarbonatdiole.
NDI-Polyurethan nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Härter zumindest 1 Gewichts-% Diamin enthält.
NDI-Polyurehtan nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Härter wenigstens 0,01 Gewichts-% eines Katalysators enthält.
NDI-Polyurethan nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Diamin aus folgender Gruppe stammt: Diethyltoluoldiamin, Dimethylthi-otoluoldiamin, Hexamethylendiamin, Tetramethylendiamin, Ethylendiamin, o-Pheny-Iendiamin, m-Phenylendiamin, p-Phenylendiamin, 1,4-Diaminocyclohexan, 1,2-Diaminocyclohexan, 4,4'-Diaminodiphenylmethan, Isophorondiamin, 4,4'-Diaminodicyclohexylmethan, 4,4'-Methylene-bis-(3-chloro-anilin), 4,4'-Methylene-bis-(3-chloro-2,6-diethyl-anilin), Trimethylenglycoldi-p-aminobenzoate, 1,2-Bis-(2-aminophenylthio)ethan, 4,4'-Diamino-3,3'-dimethyl-dicyclohexylmethan.
NDI-Polyurethan nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator aus der Gruppe der PU Polymeriastionskatalystoren stammt und vorzugsweise von metallorganischen Verbindungen, Salzen oder tertiären Aminen gebildet wird.
NDI-Polyurethan nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis zwischen Präpolymer und dem Härter 80 bis 120% Stöchiometrie entspricht.
NDI-Polyurethan nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte zwischen 80 Shore A und 75 Shore D liegt.
Walze mit einem Walzenkern und einem die Mantelfläche des Walzenkerns zumindest abschnittweise umgebenden Walzenbezug, wobei der Walzenbezug ein NDI-Polyurethan nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst.
Walze nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte des NDI-Polyurethans im Walzenbezug zwischen 80 Shore A und 75 Shore D liegt.
Walze nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlustfaktor des NDI-Polyurethans im Walzenbezug zwischen 0,01 und 0,03 liegt.
Walze nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul des NDI-Polyurethans im Walzenbezug zwischen 100 und 3000 N/mm² liegt.
Anwendung der Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Maschine zur Herstellung und/oder Veredlung einer Papier-, Karton-, Tissue- oder einer anderen Faserstoffbahn.
Anwendung der Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche als weiche Walze in einem Kalander.