Verfahren zur Herstellung einer chemikalienbeständigen Schutzschicht für Rotationskörper aus faserverstärktem Kunststoff und ein Rotationskörper

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer chemikalienbeständigen Schutzschicht für einen Rotationskörper mit einem Grundkörper aus faserverstärktem Kunststoff gemäss Anspruch 1 und einen Rotationskörper mit einem Schichtaufbau gemäss Anspruch 8.

[0002] Bekanntlich können durch die Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen im Maschinen-, Fahrzeug- und Anlagenbau erhebliche Vorteile erzielt werden. Sie sind leichter als Metalle und haben bei entsprechender Auslegung mindestens gleichwertige mechanische Eigenschaften, insbesondere bei Verwendung für schnell bewegte Teile wie Wellen, Walzen oder ähnliches.

[0003] Aus Metall hergestellte, schnelldrehende Rotations-, bzw. Walzenkörper von Druckmaschinen sind bekanntlich massenbedingt erheblichen Trägheitskräften ausgesetzt, die besonders bei sich ändernden Maschinengeschwindigkeiten von Nachteil sind. Man verwendet deshalb heute bereits Walzenkörper aus faserverstärktem, insbesondere kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff.

[0004] Ohne eine chemikalienbeständige, korrosionsfeste Beschichtung werden beispielsweise solche Walzenkörper für Druckmaschinen, wie Feuchtwalzen, Farbwalzen, Plattenzylindern, Gummituchzylindern, auch für die Sleevetechnik etc., rasch durch Wechselwirkung mit Druckhilfsstoffen geschädigt. Druckhilfsstoffe sind z.B. Farben, Feuchtmittel, Waschmittel und alle Stoffe, die in Kontakt mit den Walzenoberflächen kommen.

[0005] Grundsätzlich kann jeder faserverstärkte Werkstoff sein Eigenschaftsprofil nur halten, wenn die Matrix ihre Haftung zu den Fasern nicht verliert und keine Dimensionsveränderungen in Form von Quellen oder Schrumpfen auftreten. Besonders gefürchtet ist z. B. bei faserverstärkten Kunststoffen die sog. Delamination als Folge der Wasseraufnahme der Kunststoffmatrix verbunden, mit dramatischem Festigkeitsverfall.

[0006] Beschichtungen von faserverstärkten Kunststoffen sind bekannt, insbesondere durch thermisches Spritzen, wobei der Problematik der Haftvermittlung größte Aufmerksamkeit gewidmet wird (siehe bspw. die DE 36 17 034 C2 oder die DE 36 08 286 A1), während die chemische Beständigkeit der Beschichtungen zum Schutz des Grundkörpers bisher bestenfalls unpräzise oder gar nicht behandelt wird.

[0007] In der DE 42 04 896 C2 ist ebenfalls die Beschichtung eines hitzeempfindlichen Grundkörpers aus faserverstärktem Epoxidharz durch Plasmaspritzen für eine verschleißfeste, chemisch resistente, anorganische Deckschicht, bzw. angeloste Kunststoffschicht beschrieben, wobei eine vorher aufgetragene Thermoplastschicht bzw. angelöste Kunststoffschicht die Haftung für die Haftvermittlerschicht bietet. Die bekannten extremen Abkühlraten der Spritzpartikel beim thermischen Spritzen von 10⁵- 10⁶ K/s führen gerade in Verbindung mit den für faserverstärkte Kunststoffe notwendigen Kühlmaßnahmen, wie flüssig CO₂ -Kühlung etc., kaum zu dem gewünschten haftungsfördernden Effekt, dass Spritzpartikel in die Thermoplastschicht vollständig eingebunden werden.

[0008] Insbesondere auch die EP 0 514 640 B1 beschreibt ein Verfahren zur Beschichtung von faserverstärkten Kunststoffkörpern mittels thermischer Spritzverfahren unter Verwendung einer Zwischenschicht aus Kunststoffharz, die mit Keramikpartikeln dispergiert ist und nach dem Aushärten angeschliffen wird, um für die eigentliche Funktionsschicht aus Metall oder Keramik kunststofffreie Haftpunkte aus gleichem Werkstoff zu bieten. Die unzureichende chemische Beständigkeit einer derartigen Zwischenschicht aus Kunststoffharz und die fatalen Folgen für den faserverstärkten Kunststoffgrundkörper bei Kontakt mit Chemikalien wie bspw. Druckhilfsstoffe sind nicht beschrieben.

[0009] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine chemikalienbeständige Schutzschicht von faserverstärkten Kunststoffkörpern herzustellen und einen Rotationskörper mit einem Grundkörper aus faserverstärktem Kunststoff und einer derartigen Schutzschicht zur Verfügung zu stellen, so dass nicht nur der Schutz des Grundkörpers gewährleistet ist, sondern auch noch eine haftfeste Verbindung zu einer darüberliegenden, vorzugsweise durch thermisches Spritzen aufzubringende, verschleiß- und korrosionsfesten Funktionsschicht gegeben ist.

[0010] Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale des Verfahrensanspruchs 1 und durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 8 gelöst, also dadurch, dass die zu schützende faserverstärkte Kunststoffkomponente, der Grundkörper eines Rotationskörpers, zuerst mit einer Schicht aus Hartgummi oder Thermoplast geschützt wird, in die Metall- oder Keramikpartikel mit einem Dispersionsanteil von 5 Vol.-% - 80 Vol.-% eindispergiert sind, diese angeschliffen werden und danach die Schicht aus Hartgummi oder Thermoplast mit einer Metall-und / oder Keramikschicht, vorzugsweise durch thermisches Spritzen, beschichtet wird.

[0011] Die chemikalienbeständige Zwischenschicht aus Hartgummi oder Thermoplast kann in einer Dicke von 160 µm bis zu 10000 µm, vorzugsweise von 500 µm bis zu 1000 µm aufgetragen werden, wobei für klassische Offsetanwendungen NBR-Kautschukbezüge mit 40° - 80° Shore D, vorzugsweise 80° Shore D, vorteilhaft eingesetzt werden.

[0012] EPDM-Kautschukbezüge mit gleicher Dicke bzw. Shore-Härte eignen sich besonders bei Offsetanwendungen unter Verwendung UV-härtender Farben. Polyamid ("Nylon") eignet sich als weitverbreiteter Thermoplast für beide Offsetanwendungen. Während im Fall von Thermoplast in Form von Polyamid die Herstellung der chemikalienbeständigen Zwischenschicht im Fluidized-Bed-Verfahren unter Zugabe von Metall- oder Keramikpartikeln bei ca. 120°C - 140°C erfolgt, muß im Fall der Gummibeschichtung der Gummimasse vor der Vulkanisation in Wasserdampf bei 140°C - 160°C die Metall- oder Keramikpartikel eingemischt werden, z.B. durch Einwalzen oder Einkneten.

[0013] Die chemikalienbeständige Zwischenschicht, also die Beschichtung aus Hartgummi oder Thermoplast muss angeschliffen werden, bis die eindispergierten Metall- oder Keramikpartikel ebenfalls angeschliffen an der Oberfläche zu sehen sind. Als Metall-oder Keramikpartikel verwendet man zweckmäßig handelsübliches Spritzpulver, wie es zum thermischen Spritzen verwendet wird.

[0014] Die weitere Beschichtung des mit der angeschliffenen Zwischenschicht aus Hartgummi oder Thermoplast versehenen faserverstärkten Kunststoffkörpers erfolgt bevorzugt abhängig vom Einsatzzweck (als Feucht-, Farb-, Leit-, Zug-, Webbaum-, oder Ableitwalze etc.) vorzugsweise durch thermisches Spritzen geeigneter Werkstoffe wie z.B. Oxidkeramik auf hochlegierter Chrom/Nickelstahl-Haftschicht für Feuchtwalzenanwendung oder verschleißfester Hartstoffschicht (WC/CO, WC/Ni Cr3C2/NiCr, NiCrBSi) bei Leitwalzenanwendung. In besonders bevorzugter Weise wird auf die angeschliffene Beschichtung aus Hartgummi oder Thermoplast eine drucktechnische Funktionsschicht durch Plasmaspritzen von hochlegiertem Chromnickelstahl und nachfolgend von Oxidkeramik aufgebracht, die durch Schleifen, Polieren, Bürsten oder Scheuern bis hin zu einer Rauhigkeit von Rz ≤ 3,0 µm geglättet wird, um ebenfalls bevorzugt als Feuchtwalzenoberfläche eingesetzt zu werden.

[0015] Die Beschichtung, d.h. die Funktionsschicht des mit der angeschliffenen Zwischenschicht geschützten faserverstärkten Kunststoffkörpers kann selbstverständlich auch durch andere vergleichsweise kalte Beschichtungsverfahren wie Galvanik, chemische Abscheidung, Kathodenzerstäubung (PVD), Sol-Gel etc. erfolgen, wobei Chrom, Nickel, Kupfer, Oxidkeramik oder Kombinationen daraus abgeschieden werden.

[0016] Das Resultat dieses Verfahrens ist ein Rotationskörper mit einem Grundkörper aus faserverstärktem, insbesondere kohlestofffaserverstärktem Kunststoff mit einer darauf aufgebrachten chemikalienbeständigen Zwischenschicht aus Hartgummi oder Thermoplast, die einen Metall- oder Keramikdispersionsanteil von 5 Vol.-% - 80 Vol.-% aufweist und mit einer insbesonderen drucktechnischen Funktionsschicht aus Metall und/oder Keramik bedeckt ist.

[0017] Selbstverständlich kann der Rotationskörper auch eine drucktechnische Kunststoffhülse (Sleeve) sein, die mit der erfindungsgemäß hergestellten chemikalienbeständigen Schutzbeschichtung versehen ist, und so auf einen Plattenzylinder oder Gummizylinder aufgezogen werden.

[0018] Der erfindungsgemäße Rotationskörper kann auch eine Rasterfarbwalze sein, wobei dann die Oberfläche der chemikalienbeständigen Schutzschicht aus lasergerasterten Chromoxid besteht und so die Funktion einer Rasterfarbwalze für Kurzfarbwerke in Offset-, Tiefdruck- und Flexodruckmaschinen erfüllt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer chemikalienbeständigen Schutzschicht für einen Rotationskörper mit einem Grundkörper aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere für Walzenkörper einer Druckmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst eine Beschichtung aus Hartgummi oder Thermoplast auf dem Grundkörper aus faserverstärktem Kunststoff mit einem Metall- oder Keramikdispersionsanteil von 5 Vol % - 80 Vol % erfolgt, die daraufhin geglättet wird und danach auf die angeschliffene Dispersionspartikel enthaltene Oberfläche in einem weiteren Schritt, vorzugsweise durch thermisches Spritzen, eine Funktionsschicht aus Metall und/oder Keramik aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Hartgummi unter Verwendung von NBR- oder EPDM-Gummimassen mit einer Metall- oder Keramikdispersion erfolgt, derart dass eine Härte von 40° Shore D bis 80° Shore D erreicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Thermoplast im Fluidized-Bed-Verfahren erfolgt, unter Verwendung von Polyamidgranulat in das Metall- oder Keramikpartikel eingemischt sind oder an die Granulatkörner agglomeriert sind.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Hartgummi oder Thermoplast der chemikalienbeständigen Schutzschicht auf dem faserverstärkten Kunststoffgrundkörper eine Dicke zwischen 150 µm bis 1,0 cm, vorzugsweise zwischen 500 µm bis 1000 µm aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf die angeschliffene Beschichtung aus Hartgummi oder Thermoplast eine drucktechnische Funktionsschicht durch Thermisches Spritzen von hochlegiertem Chromnickelstahl und nachfolgend von Oxidkeramik aufgebracht wird und durch Schleifen und Polieren bis hin zu einer Rauhigkeit von Rz ≤ 3,0 µm geglättet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf die angeschliffene Beschichtung aus Hartgummi oder Thermoplast eine vor Verschleiß schützende Hartstoffschicht wie z.B. aus Oxidkeramik WC/CO, WC/Ni, Cr₃C₂/NiCr, NiCrBSi, oder Mo durch thermisches Spritzen aufgetragen wird und anschließend entsprechend der Verwendung des Rotationskörpers geglättet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf die angeschliffene Beschichtung aus Hartgummi oder Thermoplast durch Kathodenzerstäubung (PVD), chemische Abscheidung, Galvanik, Plasma CVD, Sol/Gel oder ähnlich kalte Beschichtungsverfahren eine Funktionsschicht z.B. aus Chrom, Nickel, Kupfer, Oxidkeramik oder Kombinationen daraus abgeschieden wird.

8. Rotationskörper wie z. B. ein Sleeve mit einem Grundkörper aus faserverstärktem Kunststoff mit einer darauf aufgebrachten chemikalienbeständigen Zwischenschicht aus Hartgummi oder Thermoplast, die einen Metall- oder Keramikdispersionsanteil von 5 Vol.-% - 80 Vol.-% aufweist und mit einer insbesonderen drucktechnischen Funktionsschicht aus Metall und/oder Keramik bedeckt ist.

9. Rotationskörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht durch Plasmaspritzen von hochlegiertem Chromnickelstahl und nachfolgend von Oxidkeramik aufgebracht ist und durch Schleifen und Polieren bis hin zu einer Rauhigkeit von Rz ≤ 3,0 µm geglättet ist.

10. Rotationskörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus Hartgummi oder Thermoplast eine Dicke zwischen 150 µm bis 1,0 cm, vorzugsweise zwischen 500 µm bis 1000 µm aufweist.

11. Rotationskörper nach den Ansprüchen 8 bis 10, gekennzeichnet durch die Anwendung als Feuchtwalze.

12. Rotationskörper nach den Ansprüchen 8 bis 10, gekennzeichnet durch die Anwendung in Form eines Hülsenkörpers (Sleevetechnik).

13. Rotationskörper nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die Verwendung als Rasterfarbwalze, wobei die chemikalienbeständige Schutzschicht an der Oberfläche aus lasergraviertem Chromoxid besteht.