DE102008019495B4 - A method of improving the oxidation resistance of a porous carbonaceous substrate, a method of making an infiltrating material, and an oxidation resistant substrate - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit eines porösen, kohlenstoffhaltigen Substrats, umfassend:
a) Bereitstellen eines porösen, kohlenstoffhaltigen Substrats,
b) Herstellung eines Infiltrationsmaterials auf Basis von Sol/Gel-Technologie,
wobei zur Herstellung des Infiltrationsmaterials folgende Komponente A eingesetzt wird:
(A) mindestens eine siliziumorganische Verbindung der allgemeinen Formel (I):
die Substituenten Xa n hydrolysierbar sind und gleich oder verschieden sind und ausgewählt werden aus Halogenen, Hydroxy und organischen Resten mit 1-22 C-Atomen, wobei die organischen Reste ausgewählt werden aus der Gruppe umfassend Alkoxy, Aryloxy, Acyloxy, Alkylcarbonyl und Alkoxycarbonyl, und
n gleich 2 oder 3 ist,
c) Infiltration...A method for improving the oxidation resistance of a porous, carbonaceous substrate, comprising:
a) providing a porous, carbonaceous substrate,
b) preparation of an infiltration material based on sol / gel technology,
wherein the following component A is used to prepare the infiltration material:
(A) at least one organosilicon compound of the general formula (I):
the substituents X a n are hydrolyzable and are identical or different and are selected from halogens, hydroxy and organic radicals having 1-22 C atoms, where the organic radicals are selected from the group comprising alkoxy, aryloxy, acyloxy, alkylcarbonyl and alkoxycarbonyl, and
n is 2 or 3,
c) infiltration ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Infiltrationsmaterialien und oxdidationsbeständigen Substraten sowie der Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit von porösen, kohlenstoffhaltigen Substraten, insbesondere Bremsscheiben für die Luftfahrtindustrie.The The invention relates to a process for the preparation of infiltration materials and oxdidation resistant Substrates and improving the oxidation resistance of porous, carbonaceous substrates, in particular brake discs for the aerospace industry.
Ein Reibbelag dient dazu, zwischen zwei sich gegeneinander bewegenden Körpern eine Beschleunigung oder Verzögerung zu erzielen. Bei diesen Vorgängen wird kinetische Energie in Wärme umgewandelt, die vom Reibbelag möglichst schnell an die Umgebung abgegeben werden muss. Des Weiteren muss die Eigenfestigkeit des Reibbelags so groß sein, dass Deformierung oder Rissbildung während der Verwendung vermieden wird. Kohlenstoffhaltigen Reibmaterialien weisen sehr gute thermische und mechanische Eigenschaften auf und wurden auf Grund ihres geringen Gewichts ursprünglich hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Heutzutage stellen Bremsscheiben für Flugzeuge und Automobile das größte Anwendungsfeld dar. Nachteilig ist bei diesen Werkstoffen, dass in sauerstoffhaltiger Atmosphäre bereits bei einer Temperatur von 350°C der in den Reibmaterialien enthaltene Kohlenstoff oxidiert wird. Diese Oxidation führt nicht nur zu einem Massenverlust, sondern greift auch die Bauteilstruktur an, was zu Versagen bzw. Verschlechterung der gewünschten Eigenschaften führt.One Friction lining serves to move between two against each other bodies an acceleration or deceleration to achieve. In these operations becomes kinetic energy into heat converted as much as possible from the friction lining must be delivered quickly to the environment. Furthermore, must the inherent strength of the friction lining should be so great that deformation or Cracking during the use is avoided. Carbonaceous friction materials have very good thermal and mechanical properties and originally due to their low weight mainly in used in aerospace. Nowadays put brake discs for airplanes and automobiles the largest field of application The disadvantage of these materials is that in oxygen-containing the atmosphere already at a temperature of 350 ° C in the friction materials contained carbon is oxidized. This oxidation does not lead only to a mass loss, but also attacks the component structure what to failure or deterioration of the desired Properties leads.
Um
einem solchen oxidativen Angriff der kohlenstoffhaltigen Bauteile
entgegenzuwirken, sind verschiedene Oxidationsschutzsysteme aus
der Literatur bekannt, wie beispielsweise Infiltration mit phosphorsäure-, phosphat-,
borat- bzw. silikathaltigen Salzlösungen. Die
Ein
Oxidationsschutz auf Sol/Gel-Basis, bei dem silizium- und borhaltige
Precursoren Verwendung finden, ist in
Die bekannten Verfahren zum Schutz von porösen kohlenstoffhaltigen Reibmaterialien sind teilweise sehr aufwendig und erfüllen nicht immer die gestellten Erwartungen. So hat z. B. die Infiltration mit Phosphat-, Borat- oder Silikatlösungen den Nachteil, dass sie nur innerhalb des Löslichkeitsbereichs der entsprechenden Salze möglich ist. Die Abscheidung ist somit bezogen auf die Lösungsmenge gering. Infiltrationen mit Partikeldispersionen sind durch die Primärpartikelgröße limitiert, d. h. Poren mit kleinerem Durchmesser können nicht beschichtet werden. Darüber hinaus neigen Partikeldispersionen zu Agglomeration und somit zur Verstopfung von Infiltrationswegen, die einen Schutz des Bauteilinneren verhindert.The known methods for protecting porous carbonaceous friction materials are sometimes very expensive and do not always meet the requirements Expectations. So z. B. infiltration with phosphate, borate or silicate solutions the disadvantage that they are only within the solubility range of the corresponding salts possible is. The deposition is thus low in relation to the amount of solution. infiltrations with particle dispersions are limited by the primary particle size, i. H. Pores with smaller diameter can not be coated. About that In addition, particle dispersions tend to agglomerate and thus to Blockage of infiltration pathways, which protect the interior of the component prevented.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin Verfahren zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit von porösen, kohlenstoffhaltigen Substraten, sowie der Herstellung von Substraten und Infiltrationsmaterialien bereitzustellen.A The object of the present invention is a process for improvement the oxidation resistance of porous, carbonaceous substrates, as well as the production of substrates and to provide infiltration materials.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, wodurch die Oxidationsbeständigkeit eines porösen, kohlenstoffhaltigen Substrats verbessert wird.A The object of the present invention is a method to disposal which reduces the oxidation resistance of a porous, carbon-containing Substrate is improved.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines oxidationsbeständigen, porösen, kohlenstoffhaltigen Substrats.A Another object of the present invention is the provision an oxidation-resistant, porous, carbon-containing Substrate.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Oxidationsschutzsystems, dessen Eigenschaften individuell auf die Substrateigenschaften abgestimmt werden können.A Another object of the present invention is the provision an oxidation protection system, its properties individually can be matched to the substrate properties.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Oxidationsschutzsystems, das sich zum Schutz kompletter Bauteile eignet.A Another object of the present invention is the provision an oxidation protection system designed to protect complete components suitable.
Des Weiteren ist es wünschenswert ein Oxidationsschutzsystem zur Verfügung zu stellen, das die mechanischen Eigenschaften des kohlenstoffhaltigen Reibmaterials nicht beeinflusst.Of Further, it is desirable to provide an oxidation protection system that supports the mechanical Properties of the carbonaceous friction material not affected.
Eine erfindungsgemäße Lösung besteht in der Infiltration eines Substrats mit einem Infiltrationsmaterial auf Basis von Sol/Gel-Technologie, welches nach dem Aushärten pyrolysiert wird, wie in den Ansprüchen definiert. Die erzeugte Beschichtung weist eine hohe Beständigkeit gegenüber Oxidation auf. Wesentliche Eigenschaft von Sol/Gel-Materialien ist die Kombination aus Härte und Flexibilität verbunden mit ausgezeichneter Haftung auf dem Substrat. Die Erfindung ermöglicht es diese Eigenschaften maßzuschneidern und so abhängig von dem Sub stratmaterial zu variieren. Zudem wird durch die Pyrolyse ein kohlenstoffhaltiger Überzug erhalten, der besser auf den Grundwerkstoff angepasst ist, als reine Sol/Gel-Schichten ohne Kohlenstoff.A inventive solution exists in the infiltration of a substrate with an infiltrating material based on sol / gel technology, which pyrolyzes after curing is defined as in the claims. The coating produced has a high resistance to oxidation on. Essential feature of sol / gel materials is the combination from hardness and flexibility associated with excellent adhesion to the substrate. The invention allows to tailor these properties and so dependent vary from the sub stratmaterial. In addition, by the pyrolysis get a carbon-containing coating, which is better adapted to the base material than pure sol / gel layers without carbon.
Des Weiteren verhindert das erfindungsgemäße Oxidationsschutzsystem bei Bremsscheiben das Auftreten von „Fadingeffekten”, d. h. unerwünschtes Nachlassen der Bremswirkung bei hohen Temperaturen auf Grund einer Verringerung des Reibwerts.Of Further, the oxidation protection system of the present invention prevents Brake discs the occurrence of "fading effects", d. H. undesirable Slackening of the braking effect at high temperatures due to a Reduction of the coefficient of friction.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Infiltration des Substrats mit dem Infiltrationsmaterial als einstufiger Prozess durchgeführt werden kann, was den Herstellungsaufwand reduziert und so Produktionskosten senkt.One Another advantage of the method is that the Infiltration of the substrate with the infiltration material as a single stage Process performed can be, which reduces manufacturing costs and thus production costs lowers.
Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures
Erfindungsgemäß wird ein kohlenstoffhaltiges Reibmaterial mit einem Infiltrationsmaterial basierend auf Sol/Gel-Technologie infiltriert, welches nach dem Aushärten pyrolysiert wird.According to the invention is a Carbonaceous friction material with an infiltration material infiltrated based on sol / gel technology, which after the Harden is pyrolyzed.
Ganz allgemein ist der Sol/Gel-Prozess eine geeignete Technik um harte und weiche Anteile in einer Schicht zu kombinieren und ermöglicht so, ein hoch vernetztes Netzwerk auszubilden, welches organische und anorganische Gruppen enthält. Sol/Gel-Systeme sind siliziumbasiert und werden üblicherweise mittels Hydrolyse von tetrafunktionalen Alkoxidmonomeren unter Verwendung von einer Säure (z. B. HCl) oder einer Base (z. B. NH3) als Katalysator synthetisiert. Ein typischer Sol/Gel-Prozess wird durch die folgenden drei verallgemeinerten Reaktionsschemen beschrieben: (1) Hydrolyse (2) Kondensation wobei R* eine beliebige organische Gruppe (hydrolysierbar bzw. nicht hydrolisierbar) ist und R üblicherweise für eine Alkylgruppe (CnH2n+1) oder dergleichen steht.More generally, the sol / gel process is a convenient technique for combining hard and soft fractions in a layer, thus allowing a highly crosslinked network containing organic and inorganic groups to be formed. Sol / gel systems are silicon based and are usually synthesized by hydrolysis of tetrafunctional alkoxide monomers using an acid (eg, HCl) or a base (eg, NH 3 ) as the catalyst. A typical sol / gel process is described by the following three generalized reaction schemes: (1) Hydrolysis (2) condensation where R * is any organic group (hydrolyzable or nonhydrolyzable) and R is usually an alkyl group (C n H 2n + 1 ) or the like.
Während der Hydrolysereaktion werden die Alkoxygruppen (-OR) durch Hydroxylgruppen (-OH) ersetzt. Daran schließt sich die Kondensationsreaktion an, in der die Silanole zu Siloxanen (Si-O-Si) kondensieren und als Nebenprodukt Alkohol (ROH) oder Wasser (H2O) entsteht.During the hydrolysis reaction, the alkoxy groups (-OR) are replaced by hydroxyl groups (-OH). This is followed by the condensation reaction in which the silanols condense to form siloxanes (Si-O-Si) and, as by-product, alcohol (ROH) or water (H 2 O) is formed.
Die Härte der siliziumbasierten Beschichtung kann durch Zugabe von Nicht-Silikaten gesteigert werden, die im Vergleich zu Silizium eine höhere chemische Reaktivität aufweisen, die auf niedrigere Elektronegativität des Metalls zurückzuführen ist. Der Vernetzungsgrad kann gegebenenfalls über organofunktionelle Silane weiter eingestellt werden, die in der Lage sind ein organisches Netzwerk zusätzlich zum anorganischen Netzwerk auszubilden. Des Weiteren kann das organische Netzwerk durch Zugabe von Monomeren oder Oligomeren erweitert werden, die mit den organischen Resten der organofunktionellen Silane vernetzen können.The Hardness of Silicon-based coating can be increased by adding non-silicates which have higher chemical reactivity compared to silicon, due to lower electronegativity of the metal. The degree of crosslinking may optionally be via organofunctional silanes be further hired, who are capable of an organic Network in addition to form the inorganic network. Furthermore, the organic Network can be extended by adding monomers or oligomers, which crosslink with the organic radicals of the organofunctional silanes can.
Die Infiltrationsmaterialien der vorliegenden Erfindung sind unter Verwendung konventioneller Sol/Gel-Technologie aus einer oder mehreren der nachfolgend beschriebenen Komponenten A bis D herstellbar.The Infiltration materials of the present invention are using conventional sol / gel technology from one or more of the Components A to D described below can be produced.
Komponente AComponent A
Als
Sol/Gel-formende Komponenten werden siliziumorganische Verbindungen
der allgemeinen Formel I verwendet
Die Substituenten R1 können gleich oder verschieden sein und einen nicht-hydrolysierbaren, organischen Rest mit 1-22 C-Atomen umfassen, wobei der organische Rest ausgewählt wird aus Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Aryl, Arylalkyl, Alkylaryl, Arylalkenyl, Alkenylaryl, Arylalkinyl und Alkinylaryl und der organische Rest mit mindestens einer (Meth)acryloxy-Gruppe substituiert ist.The substituents R 1 may be the same or different and comprise a non-hydrolyzable organic radical having 1-22 C atoms, wherein the organic radical is selected from alkyl, alkenyl, alkynyl, aryl, arylalkyl, alkylaryl, arylalkenyl, alkenylaryl, arylalkynyl and alkynylaryl and the organic radical is substituted with at least one (meth) acryloxy group.
Die Substituenten Xa n sind hydrolysierbar, können gleich oder verschieden sein und werden ausgewählt aus Halogenen, Hydroxy und organischen Resten mit 1-22 C-Atomen, wobei die organischen Reste ausgewählt werden aus der Gruppe umfassend Alkoxy, Aryloxy, Acyloxy, Alkylcarbonyl und Alkoxycarbonyl.The substituents X a n are hydrolyzable, may be the same or different and are selected from halogens, hydroxy and organic radicals having 1-22 C atoms, wherein the organic radicals are selected from the group comprising alkoxy, aryloxy, acyloxy, alkylcarbonyl and alkoxycarbonyl ,
Alkylreste umfassen unsubstituierte oder substituierte, geradkettige, verzweigte oder zyklische Reste mit 1 bis 22 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis 10 Kohlenstoffatomen und insbesondere niedrige Alkylreste mit 1 bis 6, vorzugsweise 1 bis 4 Kohlenstoffatomen. Spezielle Beispiele sind Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl, sek.-Butyl, tert.-Butyl, Isobutyl, n-Pentyl, n-Hexyl, Dodecyl, Octadecyl und Cyclohexyl. Die Alkylreste können einen oder mehrere Substituenten aus der Gruppe der Halogene wie F, Cl und Br oder Acryloxy-, Amino-, Amid-, Aldehyd-, Alkoxy-, Alkoxycarbonyl-, Alkylcarbonyl-, Carboxy-, Cyano-, Epoxy-, Hydroxy-, Keto-, (Meth)acryloxy-, Mercapto-, Phosphorsäure-, Sulfonsäure- oder Vinylgruppen tragen.alkyl include unsubstituted or substituted, straight-chain, branched or cyclic radicals having 1 to 22 carbon atoms, preferably 1 to 10 carbon atoms and especially lower alkyl radicals with 1 to 6, preferably 1 to 4 carbon atoms. Special examples are methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, sec-butyl, tert-butyl, Isobutyl, n-pentyl, n-hexyl, dodecyl, octadecyl and cyclohexyl. The alkyl radicals can one or more substituents from the group of halogens such as F, Cl and Br or acryloxy, amino, amide, aldehyde, alkoxy, alkoxycarbonyl, Alkylcarbonyl, carboxy, cyano, epoxy, hydroxy, keto, (meth) acryloxy, Mercapto, phosphoric acid, sulfonic acid or vinyl groups.
Alkenyl- und Alkinylreste können unsubstituierte oder substituierte, geradkettige oder verzweigte Reste mit 1 bis 22 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis 10 Kohlenstoffatomen und insbesondere niedrige Alkylreste mit 1 bis 6, vorzugsweise 1 bis 4 Kohlenstoffatomen umfassen. Spezielle Beispiele für Alkenylreste sind Allyl, 1-Methylprop-2-en-1-yl, 2-Methyl-prop-2-en-1-yl, But-2-en-1-yl, But-3-en-1-yl, 1-Methyl-but-3-en-1-yl und 1-Methyl-but-2-en-1-yl. Spezielle Beispiele für Alkinylreste sind Propinyl, But-2-in-1-yl, But-3-in-1-yl und 1-Methyl-but-3-in-1-yl.alkenyl and alkynyl radicals unsubstituted or substituted, straight-chain or branched Radicals having 1 to 22 carbon atoms, preferably 1 to 10 carbon atoms and in particular lower alkyl radicals having 1 to 6, preferably 1 to 4 carbon atoms. Specific examples of alkenyl radicals are allyl, 1-methylprop-2-en-1-yl, 2-methylprop-2-en-1-yl, but-2-en-1-yl, But-3-en-1-yl, 1-methylbut-3-en-1-yl and 1-methyl-but-2-en-1-yl. Special examples for Alkynyl radicals are propynyl, but-2-yn-1-yl, but-3-yn-1-yl and 1-methyl-but-3-yn-1-yl.
Acylreste können unsubstituierte oder substituierte Reste organischer Säuren, die formal durch Abspaltung einer OH-Gruppe aus der organischen Säure entstehen umfassen, beispielsweise Reste einer Carbonsäure oder Reste davon abgeleiteter Säuren wie der Thiocarbonsäure, N-unsubstituierten oder N-substituierten Iminocarbonsäuren oder die Reste von Kohlensäuremonoestern, N-unsubstituierter oder N-substituierter Carbaminsäuren, Sulfonsäuren, Sulfinsäuren, Phosphonsäuren, Phosphinsäuren. Die Acylreste können einen oder mehrere Substituenten aus der Gruppe der Halogene wie F, Cl und Br oder Acryloxy-, Amino-, Amid-, Aldehyd-, Alkoxy-, Alkoxycarbonyl-, Alkylcarbonyl-, Carboxy-, Cyano-, Epoxy-, Hydroxy-, Keto-, (Meth)acryloxy-, Mercapto-, Phosphorsäure-, Sulfonsäure- oder Vinylgruppen tragen.acyl can unsubstituted or substituted organic acid residues which formally formed by cleavage of an OH group from the organic acid include, for example, residues of a carboxylic acid or residues derived therefrom acids like the thiocarboxylic acid, N-unsubstituted or N-substituted iminocarboxylic acids or the residues of carbonic acid monoesters, N-unsubstituted or N-substituted carbamic acids, sulfonic acids, sulfinic acids, phosphonic acids, phosphinic acids. The Acyl residues can be one or more substituents from the group of halogens such as F, Cl and Br or acryloxy, amino, amide, aldehyde, alkoxy, alkoxycarbonyl, Alkylcarbonyl, carboxy, cyano, epoxy, hydroxy, keto, (meth) acryloxy, Mercapto, phosphoric acid, sulfonic acid or vinyl groups.
Arylreste können unsubstituierte oder substituierte mono-, bi- oder polycyclisches aromatische Systeme umfassen, beispielsweise Phenyl, Naphthyl, Tetrahydronaphthyl, Indenyl, Indanyl, Pentalenyl, Fluorenyl und ähnliches, vorzugsweise Phenyl. Die Arylreste können einen oder mehrere Substituenten aus der Gruppe der Halogene wie F, Cl und Br oder Acryloxy-, Amino-, Amid-, Aldehyd-, Alkoxy-, Alkoxycarbonyl-, Alkylcarbonyl-, Carboxy-, Cyano-, Epoxy-, Hydroxy-, Keto-, (Meth)acryloxy-, Mercapto-, Phosphorsäure-, Sulfonsäure- oder Vinylgruppen tragen.aryl can unsubstituted or substituted mono-, bi- or polycyclic aromatic systems include, for example, phenyl, naphthyl, tetrahydronaphthyl, Indenyl, indanyl, pentalenyl, fluorenyl and the like, preferably phenyl. The aryl radicals can one or more substituents from the group of halogens such as F, Cl and Br or acryloxy, amino, amide, aldehyde, alkoxy, alkoxycarbonyl, Alkylcarbonyl, carboxy, cyano, epoxy, hydroxy, keto, (meth) acryloxy, Mercapto, phosphoric acid, Sulfonic acid or Wear vinyl groups.
Die Halogene können ausgewählt werden aus F, Cl, Br oder I, besonders bevorzugt ist Cl und Br.The Halogens can selected are selected from F, Cl, Br or I, more preferably Cl and Br.
Vorzugsweise ist R1 3-(Meth)acryloxypropyl.Preferably, R 1 is 3- (meth) acryloxypropyl.
Vorzugsweise umfasst Xa Alkoxy mit 1 bis 22 C-Atomen, Aryloxy mit 6 bis 10 C-Atomen, Acyloxy mit 1 bis 22 C-Atomen oder Alkylcarbonyl mit 2 C-Atomen. Besonders bevorzugt ist Methoxy oder Ethoxy, insbesondere Methoxy.Preferably X a comprises alkoxy having 1 to 22 C atoms, aryloxy having 6 to 10 C atoms, acyloxy having 1 to 22 C atoms or alkylcarbonyl having 2 C atoms. Particularly preferred is methoxy or ethoxy, especially methoxy.
Spezielle Beispiele für Komponente A sind (Meth)acryloxypropyltrimethoxysilan, (Meth)acryloxypropyltriethoxysilan, (Meth)acryloxypropyltriisopropoxysilan, (Meth)acryloxypropyl-tris-(Methoxyethoxy)silan, (Meth)acryloxy methyltriethoxysilan, (Meth)acryloxymethyltrimethoxysilan und (Meth)acryloxypropenyltrimethoxysilan.Specific examples for Component A are (meth) acryloxypropyltrimethoxysilane, (meth) acryloxypropyltriethoxysilane, (Meth) acryloxypropyltriisopropoxysilane, (meth) acryloxypropyltris (methoxyethoxy) silane, (meth) acryloxy methyltriethoxysilane, (Meth) acryloxymethyltrimethoxysilane and (meth) acryloxypropenyltrimethoxysilane.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist R1 3-(Meth)acryloxypropyl, Xa Methoxy und n = 3. In einer anderen Ausführungsform ist R1 3-(Meth)acryloxypropyl, Xa Ethoxy und n = 3.In one embodiment of the present invention, R 1 is 3- (meth) acryloxypropyl, X a methoxy and n = 3. In another embodiment, R 1 is 3- (meth) acryloxypropyl, X a is ethoxy and n = 3.
Die Komponente A kann in einer Menge von 50–90 mol% bezogen auf die Gesamtstoffmenge der eingesetzten Komponenten vorhanden sein. Vorzugsweise ist die Komponente A in einer Menge von 60–80 mol% bezogen auf die Gesamtstoffmenge der eingesetzten Komponenten vorhanden.The Component A can be present in an amount of 50-90 mol% based on the total amount of substance the components used to be present. Preferably, the Component A in an amount of 60-80 mol% based on the total amount of substance the components used.
Der Begriff „(Meth)acryl” umfasst sowohl Methacryl- als auch Acryl-Gruppen.Of the Term "(meth) acrylic" both methacrylic and acrylic groups.
Komponente BComponent B
Zur
Ausbildung von kovalenten Brücken
zwischen den Siliziumatomen und zur Stabilisierung des anorganischen
Netzwerkes können
metallorganische Verbindung der allgemeinen Formel (II) zugegeben
werden:
M ist ein Übergangsmetall oder ein Element der Bor- oder Kohlenstoffgruppe sein, vorzugsweise Al, Sn, Zr oder Ti.M is a transition metal or an element of the boron or carbon group, preferably Al, Sn, Zr or Ti.
Die Reste R2 sind gleich oder verschieden und umfassen unsubstituierte oder substituierte, geradkettige oder verzweigte Alkylreste mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen: Spezielle Beispiele sind Methyl, Ethyl, Propyl und Butyl.The radicals R 2 are identical or different and include unsubstituted or substituted, straight-chain or branched alkyl radicals having 1 to 20 carbon atoms. Specific examples are methyl, ethyl, propyl and butyl.
Unter „unsubstituiert oder substituiert” ist im Rahmen der Erfindung bevorzugt die Substitution mit Halogenen wie F, Cl, Br und I, Hydroxy sowie Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, tert-Butyl und Vinyl zu verstehen.Under "unsubstituted or substituted " in the context of the invention, preference is given to substitution with halogens such as F, Cl, Br and I, hydroxy and methyl, ethyl, propyl, butyl, tert-butyl and vinyl to understand.
Vorzugsweise wird die Komponente B ausgewählt aus der Gruppe umfassend Tetra-n-propoxyzirkon, Tertra-i-propoxyzirkon, Tetra-n-butoxytitan und Tri-sec-butoxyaluminium.Preferably Component B is selected from the group comprising tetra-n-propoxyzirconium, tetra-i-propoxyzirconium, Tetra-n-butoxytitanium and tri-sec-butoxyaluminum.
Die Komponente B kann in einer Menge von 5–40 mol% bezogen auf die Gesamtstoffmenge der eingesetzten Komponenten vorhanden sein. Vorzugsweise ist die Komponente C in einer Menge von 10–30 mol% bezogen auf die Gesamtstoffmenge der eingesetzten Komponenten vorhanden.The Component B may be present in an amount of 5-40 mol% based on the total amount of substance the components used to be present. Preferably, the Component C in an amount of 10-30 mol% based on the total amount of substance the components used.
Komponente CComponent C
Zusätzlich kann
das Sol/Gel eine weitere, optionale siliziumorganische Verbindung
der allgemeinen Formel (III) enthalten:
Die Substituenten Xb sind hydrolysierbar, können gleich oder verschieden sein und werden ausgewählt aus Halogenen, Hydroxy und organischen Resten mit 1-22 C-Atomen, wobei die organischen Reste ausgewählt werden aus der Gruppe umfassend Alkoxy, Aryloxy, Acyloxy, Alkylcarbonyl und Alkoxycarbonyl. Die Alkyl-, Acyl- und Arylreste umfassen die unter Komponente A beschriebenen organischen Reste.The substituents X b are hydrolyzable, may be the same or different and are selected from halogens, hydroxy and organic radicals having 1-22 C atoms, wherein the organic radicals are selected from the group consisting of alkoxy, aryloxy, acyloxy, alkylcarbonyl and alkoxycarbonyl. The alkyl, acyl and aryl radicals include the organic radicals described under component A.
Die Halogene können ausgewählt werden aus F, Cl, Br oder I, besonders bevorzugt ist Cl und Br.The Halogens can selected are selected from F, Cl, Br or I, more preferably Cl and Br.
Vorzugsweise umfasst Xb Alkoxy mit 1 bis 22 C-Atomen, Aryloxy mit 6 bis 10 C-Atomen, Acyloxy mit 1 bis 22 C-Atomen oder Alkylcarbonyl mit 2 C-Atomen. Besonders bevorzugt ist Methoxy oder Ethoxy, insbesondere Methoxy.Preferably, X b includes alkoxy having 1 to 22 carbon atoms, aryloxy having 6 to 10 carbon atoms, acyloxy having 1 to 22 carbon atoms or alkylcarbonyl with 2 C-atoms. Particularly preferred is methoxy or ethoxy, especially methoxy.
Spezielle Beispiele für Komponente C sind Tetraethylorthosilicat, Tetramethylorthosilikat, Tetraisopropoxysilan, Tetra-n-Butoxysilan, Tetraallyloxysilan, Tetrabromosilan, Tetrachlorosilan, Tetraiodosilan, Tetrafluorosilan, Tetrakis(Methoxyethoxy)silan und Tetrakis(Methoxypropoxy)silan.Specific examples for Component C are tetraethylorthosilicate, tetramethylorthosilicate, Tetraisopropoxysilane, tetra-n-butoxysilane, tetraallyloxysilane, tetrabromosilane, Tetrachlorosilane, tetraiodosilane, tetrafluorosilane, tetrakis (methoxyethoxy) silane and tetrakis (methoxypropoxy) silane.
Die Komponente C kann in einer Menge bis maximal 30 mol% bezogen auf die Gesamtstoffmenge der eingesetzten Komponenten vorhanden sein. Vorzugsweise ist die Komponente C in einer Menge bis maximal 15 mol% bezogen auf die Gesamtstoffmenge der eingesetzten Komponenten vorhanden.The Component C may be up to a maximum of 30 mol% based on the total amount of the components used be present. Preferably, the component C is in an amount up to a maximum of 15 mol% based on the total amount of the components used available.
Komponente DComponent D
Zur Erweiterung des organischen Netzwerkes und damit besseren Benetzung des Substrats sowie zur Erhöhung des Kohlenstoffanteils kann das Infiltrationsmaterial zusätzlich optional mindestens eine organische Verbindung enthalten, die mit mindestens einem der Substituenten R1 der Komponente A vernetzbar ist. Vorzugsweise umfasst die Komponente D Monomere oder Oligomer mit einer oder mehreren (Meth)acryloxy-Gruppen, besonders bevorzugt ist (Meth)acrylsäure.To expand the organic network and thus better wetting of the substrate and to increase the carbon content, the infiltration material may additionally optionally contain at least one organic compound which is crosslinkable with at least one of the substituents R 1 of component A. Component D preferably comprises monomers or oligomers having one or more (meth) acryloxy groups, particularly preferably (meth) acrylic acid.
Die Komponente D kann in einer Menge bis maximal 20 mol% bezogen auf die Gesamtstoffmenge der eingesetzten Komponenten vorhanden sein. Vorzugsweise ist die Komponente D in einer Menge von 5–15 Mol% bezogen auf die Gesamtstoffmenge der eingesetzten Komponenten vorhanden.The Component D may be up to a maximum of 20 mol% based on the total amount of the components used be present. Preferably, the component D is in an amount of 5-15 mol% based on the total amount of the components used.
Herstellung des InfiltrationsmaterialsProduction of the infiltration material
Die Hydrolyse der Sol/Gel-formenden Komponenten kann beispielsweise durch Zugabe von Wasser erfolgen. Typische Mengen des zur Hydrolyse verwendeten Wassers sind 0,5 bis 1,5 mol pro hydrolysierbarer Gruppe. Zusätzlich kann ein Hydrolysekatalysator verwendet werden. Vorzugsweise wird ein saurer Katalysator oder eine Mischung verschiedener saurer Katalysatoren eingesetzt. Beispiele hierfür sind HCl, HNO3, H2SO4, H3PO4 und CH3COOH und Mischungen davon.The hydrolysis of the sol / gel-forming components can be carried out, for example, by adding water. Typical amounts of the water used for the hydrolysis are 0.5 to 1.5 mol per hydrolyzable group. In addition, a hydrolysis catalyst can be used. Preferably, an acidic catalyst or a mixture of different acidic catalysts is used. Examples of these are HCl, HNO 3 , H 2 SO 4 , H 3 PO 4 and CH 3 COOH and mixtures thereof.
Die Verarbeitungseigenschaften des Sol/Gels können über Lösungsmittel eingestellt werden. Durch die Dosierung des Lösungsmittels kann z. B. die Viskosität des Infiltrationsmaterials gesteuert werden und so eine Infiltration in feinste Poren erreicht werden. Darüber hinaus bestimmt die Menge an Lösungsmittel die Masse an Infiltrationsmaterial, die aufgenommen wird, und damit die Schutzfilmdicke. Beispielsweise können als Lösungsmittel ein- oder mehrwertige Alkohole verwendet werden. Bevorzugt werden Alkohole eingesetzt, die über mindestens vier Kohlenstoffatome verfügen. Geeignete Lösungsmittel sind z. B. Isopropanol, n-Butanol, Buthoxyethanol und Glykol.The Processing properties of the sol / gel can be adjusted via solvents. By the dosage of the solvent can z. As the viscosity of the infiltration material and thus an infiltration be achieved in the finest pores. In addition, determines the amount on solvent the mass of infiltration material being ingested and thus the protective film thickness. For example, mono- or polyvalent solvents can be used Alcohols are used. Preference is given to using alcohols which have at least have four carbon atoms. Suitable solvents are z. As isopropanol, n-butanol, buthoxyethanol and glycol.
Das Lösungsmittel kann in einer Menge von maximal 80 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht des Sol/Gels eingesetzten werden. Vorzugsweise wird das Lösungsmittel in einer Menge von maximal 60 Gew.% bezogen auf die Gesamtgewicht des Sol/Gels eingesetzt. Das Lösungsmittel kann nach oder während der Hydrolyse zugegeben werden.The solvent can be up to 80% by weight, based on the total weight of the sol / gel. Preferably, the solvent becomes in an amount of not more than 60% by weight, based on the total weight of the sol / gel used. The solvent can after or during be added to the hydrolysis.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Sol/Gel 60 bis 80 mol% der Komponente A und/oder 10 bis 30 mol% der Komponente B und/oder 0 bis 15 mol% der Komponente C und/oder 5 bis 15 mol% der Komponente D, wobei sich die mol%-Angaben auf die Gesamtstoffmenge der eingesetzten Komponenten A–D bezieht. Zusätzlich kann ein saurer Katalysator oder eine Mischung verschiedener saurer Katalysatoren vorhanden sein.In an embodiment In the present invention, the sol / gel comprises 60 to 80 mol% of the Component A and / or 10 to 30 mol% of component B and / or 0 to 15 mol% of component C and / or 5 to 15 mol% of the component D, wherein the mol% data on the total amount of the components used A-D refers. additionally may be an acid catalyst or a mixture of different acidic catalysts to be available.
Vorzugsweise wird das Sol/Gel aus Komponente A und Komponente B gebildet.Preferably the sol / gel is formed from component A and component B.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Infiltrationsmaterial durch folgende Schritte hergestellt werden: (1) Mischen der Komponenten B und D, (2) Mischen der Komponenten A und C, (3) Hydrolysieren der hydrolysierbaren Gruppen der Komponenten A und C und (4) Zugabe der Komponenten B und D zu A und C nach Abschluss der Hydrolyse. Es sind jedoch auch andere Reihenfolgen möglich.In an exemplary embodiment The infiltration material can be prepared by the following steps (1) mixing components B and D, (2) mixing the components A and C, (3) hydrolyzing the hydrolyzable groups of the components A and C and (4) addition of components B and D to A and C upon completion the hydrolysis. However, other orders are possible.
Infiltration, Aushärten und Pyrolyse des InfiltrationsmaterialsInfiltration, curing and pyrolysis of the infiltration material
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit eines prösen, kohlenstoffhaltigen Substrats bereitgestellt, umfassend Bereitstellung eines porösen, kohlenstoffhaltigen Substrats, Herstellung eines Infiltrationsmaterials auf Basis von Sol/Gel-Technologie, Infiltration des Substrats mit dem Infiltrationsmaterial, Aushärten des Infiltrationsmaterials und Pyrolyse des Infiltrationsmaterials unter inerten Bedingungen.In an embodiment The present invention provides a method for improving the oxidation resistance a prösen, carbonaceous substrate provided providing a porous, carbonaceous substrate, production of an infiltration material based on sol / gel technology, Infiltration of the substrate with the infiltration material, curing of the Infiltration material and pyrolysis of the infiltration material under inert conditions.
Das Substrat kann ein kohlenstoffhaltiges Material umfassen, z. B. ein Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterial oder ein graphitähnliches Material. Spezielle Beispiele für kohlenstoffhaltige Reibmaterialien sind Bremsscheiben für Flugzeuge oder Automobile. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat eine Bremsscheibe aus kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff, die z. B. in der Luftfahrt eingesetzt werden kann.The Substrate may comprise a carbonaceous material, e.g. B. a Carbon / carbon composite or graphite-like Material. Special examples for carbonaceous friction materials are brake discs for aircraft or automobiles. In a preferred embodiment, the substrate is a brake disc made of carbon fiber reinforced carbon, the z. B. can be used in aviation.
Das Infiltrationsmaterial kann direkt in das Substrat infiltriert werden, wobei „Infiltration” als ein Eindringen eines flüssigen oder gasförmigen Stoffs oder Stoffgemischs in die äußeren und inneren Oberflächen eines Körpers zu verstehen ist und auch die Verwendung mehrphasiger Systeme wie Dispersionen umfassen kann. Im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff „infiltrieren” auch Begriffe wie „imprägnieren”, „eindringen”, „einsickern” oder „beschichten”. Die Infiltration kann z. B. durch Tauchen, Schleudern, Fluten, Pinseln oder Sprühen erfolgen. Gemäß einer Ausführungsform kann das Substrat bei Atmosphärendruck mit dem Infiltrationsmaterial infiltriert werden. Nach einer anderen Ausführungsform kann die Infiltration des Substrats mit dem Infiltrationsmaterial im Vakuum durchgeführt werden.The Infiltration material can be infiltrated directly into the substrate, being "infiltration" as a Intrusion of a liquid or gaseous Substance or mixture into the outer and inner surfaces of a body understand and also the use of multiphase systems such as dispersions may include. For the purposes of the present invention, the term "infiltrate" also includes terms such as "impregnating", "penetrating", "infiltrating" or "coating". The infiltration can z. B. by dipping, spinning, flooding, brushing or spraying done. According to one embodiment the substrate can be at atmospheric pressure be infiltrated with the infiltration material. After another embodiment may be the infiltration of the substrate with the infiltration material performed in a vacuum become.
Nach der Infiltration in das Substrat, kann das Infiltrationsmaterial gegebenenfalls thermisch ausgehärtet werden, z. B. bei 0–200°C, 50–150°C oder 80–110°C. Alternativ oder zusätzlich kann das Infiltrationsmaterial auch durch Bestrahlung, z. B. mit UV-Licht, Infrarot oder dergleichen ausgehärtet werden. Vorzugsweise erfolgt das Aushärten unter Umgebungsatmosphäre.To infiltration into the substrate, may be the infiltration material optionally thermally cured be, for. At 0-200 ° C, 50-150 ° C or 80-110 ° C. alternative or additionally the infiltrating material can also by irradiation, z. B. with UV light, infrared or the like are cured. Preferably takes place the curing under ambient atmosphere.
Unter „Pyrolyse” im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die partielle oder vollständige thermische Zersetzung eines kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials unter Sauerstoffausschluss verstanden, wobei das Material in einen kohlenstoffhaltigen Feststoff überführt wird. Beispielsweise kann bei der Pyrolyse graphitartiger Kohlenstoff oder ein Carbid entstehen.Under "pyrolysis" in the frame The present invention will be the partial or complete thermal decomposition a carbonaceous starting material with exclusion of oxygen understood, wherein the material is converted into a carbonaceous solid. For example, during pyrolysis, graphitic carbon or a carbide arise.
Die Pyrolyse wird unter Inertgasatmosphäre bei Temperaturen zwischen 500°C und 1500°C durchgeführt, vorzugsweise zwischen 700°C und 1000°C. Durch die geeignete Wahl bzw. Steuerung der Pyrolysetemperatur kann die Porosität, die Festigkeit und die Steife des Materials sowie weitere Eigenschaften gezielt eingestellt werden. Bevorzugt wird die Pyrolyse in einer Stickstoff- oder Edelgasatmosphäre, z. B. einer Argon-Atmosphäre, durchgeführt. Üblicherweise wird die Pyrolyse bei Atmosphärendruck durchgeführt. Gegebenenfalls sind jedoch auch höhere Inertgasdrücke verwendbar. Die Pyrolyse kann auch bei Unterdruck oder im Vakuum erfolgen.The Pyrolysis is carried out under inert gas atmosphere at temperatures between 500 ° C and 1500 ° C carried out, preferably between 700 ° C and 1000 ° C. By the appropriate choice or control of the pyrolysis temperature can the porosity, the strength and rigidity of the material as well as other properties be targeted. Preference is given to pyrolysis in one Nitrogen or inert gas atmosphere, z. B. an argon atmosphere, carried out. Usually Pyrolysis is at atmospheric pressure carried out. Optionally, however, higher inert gas pressures can be used. The pyrolysis can also be carried out under reduced pressure or in a vacuum.
Ausführungsbeispieleembodiments
Beispiel 1:
Zur Herstellung von Block I, werden die Komponenten B und D vermischt und anschließend gerührt. Block II wird hergestellt, indem der Hydrolysekatalysator HNO3 in Wasser vorgelegt wird und die Komponenten A und C unter Rühren zugegeben werden. Danach wird Block I unter Eiskühlung langsam zu Block II zugetropft. Anschließend wird zu der resultierenden Mischung Block III-Wasser unter Rühren und bei Eiskühlung langsam zugegeben und danach 1 h gerührt.To prepare block I, components B and D are mixed and then stirred. Block II is prepared by introducing the hydrolysis catalyst HNO 3 in water and adding components A and C with stirring. Thereafter, block I is slowly added dropwise with ice cooling to block II. Then, to the resulting mixture, block III water is added slowly with stirring and under ice cooling, followed by stirring for 1 hour.
Teilstücke aus
C/C Langfaser-Bremsscheiben wurden mit dem gemäß Beispiel 1 angefertigten
Infiltrationsmaterial bei 0,1 mbar 30 min infiltriert. Ebenso wurden
weitere Teilstücke
aus derselben Scheibe mit kommerziell erhältlichen Polysiloxan-(PSL)
und Polycarbosilan-Precursoren (PCS) unter gleichen Bedingungen
infiltriert. Nach einer Vernetzung bei 80–110°C in Umgebungsatmosphäre wurden
alle Proben bei 1000°C in
Argonatmosphäre
pyrolysiert. Nach dem Abkühlen
wurden diese und unbehandelte Proben folgendem Oxidationstest unterzogen:
Alle Proben wurden gewogen und danach 15 Stunden bei 650°C der sauerstoffhaltigen
Umgebungsatmosphäre
ausgesetzt. Danach wurden sie auf Raumtempe ratur abgekühlt und
erneut gewogen. Der prozentuale Massenverlust der Proben nach 15
h ist in dem in
Zur Herstellung von Block I, werden die Komponenten B und D vermischt und anschließend gerührt. Block II wird hergestellt, indem der Hydrolysekatalysator HCl in Wasser vorgelegt wird und die Komponente A unter Rühren zugegeben werden.to Preparation of Block I, components B and D are mixed and subsequently touched. block II is prepared by adding the hydrolysis catalyst HCl in water is submitted and the component A is added with stirring.
Danach Block I wird unter Eiskühlung langsam zu Block II zugetropft. Anschließend wird zu der resultierenden Mischung Block III-Wasser unter Rühren und bei Eiskühlung langsam zugegeben und danach 1 h gerührt. Nach Abschluss der Hydrolyse erfolgte Verdünnung mit n-Butanol.After that Block I is under ice cooling slowly added dropwise to Block II. Subsequently, the resulting Mix Block III water with stirring and with ice cooling slowly added and then stirred for 1 h. After completion of the hydrolysis, dilution was carried out with n-butanol.
Teilstücke aus C/C Langfaser-Bremsscheiben (anderes Substratmaterial als in Beispiel 1) wurden mit dem gemäß Beispiel 2 angefertigten Infiltrationsmaterial bei 0,1 mbar 30 min infiltriert.Pieces off C / C long fiber brake discs (substrate material other than in example 1) were with the example according to 2 infiltrated infiltrated at 0.1 mbar for 30 min.
Nach
einer Vernetzung bei 80–110°C in Umgebungsatmosphäre wurden
die Proben bei 1000°C
in Argonatmosphäre
pyrolysiert. Nach dem Abkühlen
wurden diese und unbehandelte Proben einem Oxidationstest unterzogen:
Alle
Proben wurden gewogen und danach 15 Stunden bei 650°C der sauerstoffhaltigen
Umgebungsatmosphäre
ausgesetzt. Danach wurden sie auf Raumtemperatur abgekühlt und
erneut gewogen. Der prozentuale Massenverlust der Proben nach 15
h ist in dem in
All samples were weighed and then exposed to the ambient oxygen-containing atmosphere at 650 ° C for 15 hours. Thereafter, they were cooled to room temperature and weighed again. The percentage mass loss of the samples after 15 hours is in the
Darüber hinaus zeigten C/C Testbremsscheiben, die mit dem erfindungsgemäßen Infiltrationsmaterial behandelt worden waren, Vorteile bei Bremssimulationstests gegenüber nicht behandelten Bremsscheiben. Unter den Testbedingungen wiesen diese Bremsscheiben bei hohen Energieeinträgen geringeren oxidativen Angriff auf und zeigten im Gegensatz zu unbehandelten Bremsscheiben keine Fadingeffekte. Es stellte sich somit ein konstanter Reibwert über die komplette Verzögerungszeit ein.Furthermore showed C / C test brake discs treated with the infiltration material according to the invention not benefit from brake simulation tests treated brake discs. Under the test conditions these showed Brake discs at high energy inputs less oxidative attack on and showed in contrast to untreated discs no Fading effects. It turned out thus a constant coefficient of friction over the complete delay time one.
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2009
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