Verfahren zum Verkleben von nicht direkt mit Metallen verklebbaren Kunststoffteilen mit Metallteilen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verkleben von nicht direkt mit Metallen verklebbaren Kunststoffteilen mit Metallteilen für hohe Beanspruchung, sowie die Anwendung des Verfahrens zum Verkleben von Poiyurethanplatten mit Metallen, vor allem Eisen und dessen Legierungen zur Bildung von Gleitflächen für darüber gleitende Metallteile, insbesondere voniFederzungen in Eisenbalmweichen.
Es ist eine alte Regel der Maschinenbaukunde, dass Metallteile nicht direkt und ohne Schmierung aufeinander gleiten dürfen. Um dies zu verhindern, hat man die gemeinsamen Gleitflächen geölt bzw. geschmiert, so dass die Teile auf einer öl- bzw. Schmierschicht gleiten. Das Ölen der Gleitflächen erfordert entweder spezielle kontinuierlich arbeitende ölungsvorrichtungen oder eine entsprechende personelle Wartung. Im ersteren Falle sind meist komplizierte maschinelle Einrichtungen nötig, die ihrerseits der Wartung bedürfen und zudem nicht überall anwendbar sind. Im zweiten Falle (und teilweise auch im ersten) gestaltet sich die Wartung äusserst arbeitsintensiv, d.h. kostspielig.
Zur Vermeidung dieser Nachteile wurde schon verschiedentlich versucht, die Gleitflächen mit einer gut gleitenden Oberfläche zu versehen, die nicht mehr geölt bzw. geschmiert werden muss. Zeitgemäss wurde dabei an eine Kunststoffbeschichtung gedacht.
Binde solche wartungsfreie, Kunststoffbeschichtung müsste hierbei folgende Eigenschaften haben: Sie muss gut gleitfähig sein, einen sehr geringen Abrieb aufweisen, auf dem Metall gut haften bzw. sich auf einfache Weise verkleben lassen, eine für den Verwendungszweck verlangte Lebendsdauer aufweisen, sowie eine genügende Schlagzähigkeit, Hitze- und/oder Kältebeständigkeit haben. Besonders bei Anwendung in Eisenbahnweichen werden an solche Kunststoffschichten sehr hohe Anforderungen gestellt; denn sie müssen jahrelang haltbar sein, hohe Temperaturunterschiede aushalten (im Winter bis - 30oC, im Sommer bei Sonneneinstrahlung + 60oC, in manchen Gegenden auch extremere Temperaturunterschiede).
Ferner müssen sie gegen hohe Drücke resistent sein, indem sie im Ruhezustand das Gewicht eines dar überrollenden Eisenbahnzuges ertragen müssen. Alle diese Eigenschaften müssen die ganze Lebensdauer anhalten. Auch darf die Kunststoffschicht nicht durch Staub, wie z.B. Bremsstaub, beschädigt werden. Selbstverständlich muss die Verklebung der Gleitschicht mit dem Untergrund dauerhaft und auch gegenüber unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten unempfindlich sein; denn es ist nicht günstig, wenn die Schicht mit ihrer metallenen Unterlage verschraubt werden muss.
Es hat sich nun erwiesen, dass es Kunststoffe, die sowohl auf Metallen für die erwähnte Beanspruchung genügend haften, als auch selbst sehr gleitfähig sind, bis heute nicht gibt. Anderseits bietet das Verkleben von gut gleitfähigen (aber auf Metallen nicht haftenden) Kunststoffen auf dem Metall mittels geeigneter Bindemittel grosse Schwierigkeiten, besonders, wenn die bei Eisenbahnweichen verlangten harten Anforderungen gestellt werden.
Es wurde nun gefunden, dass man Kunststoffteile, die nicht direkt mit Metallen verklebbar sind, mit Metallteilen verkleben kann, wenn man diese Kunststoffteile, die sich in noch nicht vollständig vernetztem Zustand befinden, mit einem Epoxidharzlaminat als Zwischenlage, hinterfüttert und nach der vollständigen Durchhärtung, mittels eines Epoxidhnrzklebers mit dem Metallteil verbindet.
Die Kleberschicht kann zusätzlich ein Verstärkungsmittel, wie Glasfasergewebe usw. enthalten.
Als nicht mit Metallen direkt verklebbare Kunststoffe mit für die erwähnten Beanspruchungen genügenden Eigenschaften kommen für die vorgenannte Verwendung in Eisenbahnweichen bis heute praktisch nur Polyurethane in Frage.
Als Metalle sind in erster Linie naturgemäss die Werkstoffe der Weichen zu nennen, also Eisen und dessen technische Legierungen.
Als Epoxidharz für das Laminat und den Kleber kommen grundsätzlich alle Gemische von mehr als eine Epoxidgruppe pro Molekül enthaltenden Verbindungen mit geeigneten Härtern in Frage. Insbesondere bewährt haben sich Gemische von bei Raumtemperatur flüssigen Epoxidharzen auf Basis von Diphenylolpropan ( Bisphenol A ) und Epichlorhydrin mit einem Epoxidäquivalentgewicht von 185-210, mit Polyaminen oder Polyamidoaminen, als Härter. Diese Polyamidoamine werden durch Umsetzung dimerisierter Fettsäuren mit aliphatischen Polyaminen erhalten. Solche Gemische können auch Modifizierungsmittel, wie Plastifikatoren, Flexibilisatoren oder reaktive Verdünner usw. enthalten.
Die mit Epoxidharz gebundene Zwischenlage, durch welche die Verklebung der Polyurethanschicht mit dem Metall ermöglicht wird, stellt mit Vorteil ein Gewebe aus einem geeigneten Material, vorzugsweise aus Glasfasern, dar, welches mit dem Epoxidharzlaminat durchtränkt ist. Aber auch Vliesse oder Flocken usw. aus Glasfasern oder anderen Materialien; z.B. Asbest, wären als Verstärkungsmaterial für die Zwischenlage geeignet.
In einer bevorzugten Ausfühmngsform streicht man ein Diisocyanat/Härtergemisch mit einer Schichtdicke von ungefähr 1-2 mm auf eine mit einem Trennmittel versehene geeignete Unterlage aus und legt sofort anschliessend auf die noch nicht gehärtete Schicht eine mit einem Epoxidharz/Härtergemisch imprägnierteGlasfasermatte auf. Die vollsändige Durchhärtung des Diisocyanat/Härtergemisches und des Epoxidharz/ Härterge- misches erfolgt gemeinsam in der Kälte oder Wärme, und es wird hierdurch ein einwandfreier Verbund zwischen der Polyurethanschicht und dem Epoxidharzlaminat erhalten.
In einer anderen Ausführungsform wird auf die noch nicht vollständig gehärtete Polyurethanschicht ein Epoxidharz/Härtergemisch aufgebracht und sofort anschliessend ein Glasfasergewebe eingelegt und bis zur vollständigen Imprägnierung eingerollt oder angetupft.
Die gemeinsame Härtung der beiden Schichten erfolgt auf die gleiche Art wie in der vorher besprochenen Ausführungsform.
Die so erhaltenen, einseitig mit einem Polyurethan beschichteten Epoxidharzlaminate sind unbeschränkt la- gerfähig und werden zum dauerhaften Verbund mit Metallen mittels eines Epoxidharzklebers auf diese aufgeklebt. Zur Ausgleich der relativ rauhen Oberfläche des mit Polyurethan beschichteten Epoxidharzlaminates und eventueller Unebenheiten auf der Metalloberfläche wird die Verklebung bevorzugt so ausgeführt, dass man ein mit einem Epoxidharzkleber imprägniertes Glasgewebe auf die Laminat- oder Metalloberfläche auflegt und anschliessend die zu verklebenden Flächen zusammendrückt.
Solcherweise auf das Metall aufgebrachte Polyurethanplatten sind hervorragend in Eisenbahnweichen, und zwar zwischen der gleitenden Weichenzunge und deren Unterlage, verwendbar, da sie, auch nach jahrelangem Gebrauch die jeder Witterung folgende Qualitäten haben:
Die Oberflächengüte ist einwandfrei wie im Neuzustand, die Haftung an der Unterlage ist auf der gesamten Fläche absolut intakt. Trotzdem die ganze Zunge und damit die vollen Gewichte auf der Gleitplatte aufliegen (Schnellzugs-Geleise), hat sich das Gleitverhalten nicht verschlechtert, im Gegenteil zeigt sich eine leichtere Tendenz einer Reduktion der Zungenkräfte. Der Belag muss nicht geschmiert werden, er ist absolut wartungsfrei.
Das folgende Beispiel veranschaulicht die Erfindung:
Beispiel
100 g einer bei Raumtemperatur festen Diisocyanatverbindung (aGRILONIT" WGE 4409, registrierte Handelsmarke der Emserwerke AG, Domat/Ems, Schweiz) werden auf 85-100 C erwärmt und bei dieser Temperatur mit 9 g eines auf 1200C erwärmten Härters ( GRI LONIT -Härter 4809.01, reg. Handelsmarke der Emserwerke AG) vermischt. GRILONIT -Härte 4809.01 ist ein aromatisches Diamin. Das so erhaltene Gemisch hat bei 900C eine Verarbeitungszeit von ungefähr 10 Min. und wird innerhalb dieser Zeit auf eine mit einem Formentrenumittel behandelte strukturierte Metaliplatte in einer Schichtdicke von 1-2 mm aufgetragen.
Auf diese noch nicht gehärtete Polyurethanschicht wird anschliessend ein mit einem Epoxidharz-Härtergemisch imprägniertes Glasstapelfasergewebe, mit einem Flächengewicht von circa 500 g/m2, aufgelegt und leicht angedrückt. Das verwendete Epoxidharz ist ein bei Raumtemperatur flüssiges Harz auf Basis von Bisphenol A (Diphenylolpropan) und Epichlorhydrin, mit einem Epoxidäquivalentgewicht von 170 - 195 ( GRILONIT WLT 4305, reg. Handelsmarke der Emserwerke AG), und der Härter ist ein aromatisches Polyamin ( GRILO NIT HWT 48035, reg. Handelsmarke der Emserwerke AG). Nach dem Gelieren des Epoxidharz/Härtegemisches bei Raumtemperatur wird das Laminat während circa 3 Stunden bei 1200C nachgehärtet und anschliessend entformt.
Es wird ein einseitig mit Polyurethan strukturiert beschichtetes Epoxidharzlaminat erhalten, das einen einwandfreien und dauerhaften Verbund zwischen der Polyurethan- und der Epoxidharzschicht aufweist.
Zur Verwendung des so erhaltenen einseitig mit Po lyurethan beschichteten Epoxidharz-Laminates als Gleitfläche bei Eisenbahnweichen, wird dieses zugeschnitten und ein mit einem Epoxidharzkleber imprägniertes Glasstapelfasergewebe auf die Rückseite des Laminates, also auf die Epoxidharzseite, aufgelegt und das Laminat auf die vorher gereinigte und entfettete Metalloberfläche, auf die ebenfalls eine dünne Epoxidharz-Kleberschicht aufgebracht ist, aufgepresst. Die Härtung des Epoxidharz-Klebers erfolgt in der Kälte, und es wird hierdurch ein einwandfreier Verbund zwischen der Polyurethanschicht und dem Metall erhalten.
Als Epoxidharzkleber wird ein Gemisch aus einem bei Raumtemperatur flüssigen Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und Epichlorhydrin mit einem Epoxid äquivalentgewicht von 185-210 und einem modifizierten Polyaminoamid, das durch Umsetzung dimerisierter Fettsäure mit aliphatischen Polyaminen erhalten wird, eingesetzt.
Die so erhaltenen Polyurethanplatten wurden in Federzungenweichen eingebaut, die pro Weiche 26 Gleitplatten enthalten. Nach einer Belastung von ca. 20 Tonnen pro Achse während 31 Monaten, bei durchschnittlich 50 Weichenverstellungen pro Tag, (und bei Ablaufbergen ca. 300 pro Tag) sind die Polyurethangleitplat ten in einem einwandfreien Zustand. Die Oberflächen sind hochglänzend, der Gleitwiderstand der Weichenzungen ist um ca. 10% herabgesetzt, und es sind kleine Ablösungen oder anderweitige Beschädigungen erkennbar.
Die Temperatur betrug während der ganzen Testzeit 30 bis +60oC.
Gleitplatten aus anderen synthetischen Materialien mussten periodisch geschmiert werden, da es Zunahme der Gleitkräfte teilweise zu Blockierungen gekommen war.
Process for gluing plastic parts that cannot be glued directly to metals with metal parts
The present invention relates to a method for gluing plastic parts that cannot be glued directly to metals with metal parts for high loads, as well as the use of the method for gluing polyurethane panels with metals, especially iron and its alloys for the formation of sliding surfaces for metal parts sliding over them, in particular spring tongues in iron balm turnouts.
It is an old rule of mechanical engineering that metal parts must not slide on each other directly and without lubrication. To prevent this, the common sliding surfaces have been oiled or lubricated so that the parts slide on an oil or lubricated layer. Oiling the sliding surfaces either requires special continuously operating oiling devices or appropriate personnel maintenance. In the former case, complex machine facilities are usually necessary, which in turn require maintenance and, moreover, cannot be used everywhere. In the second case (and partly also in the first), maintenance is extremely labor-intensive, i.e. expensive.
To avoid these disadvantages, various attempts have been made to provide the sliding surfaces with a smoothly sliding surface that no longer needs to be oiled or lubricated. In keeping with the times, a plastic coating was considered.
Such a maintenance-free plastic coating must have the following properties: It must be able to slide well, have very little abrasion, adhere well to the metal or be easily glued, have a service life required for the intended use, and have sufficient impact strength, Have heat and / or cold resistance. Particularly when used in railway switches, very high demands are made on such plastic layers; because they have to be durable for years and withstand high temperature differences (in winter down to - 30oC, in summer with solar radiation + 60oC, in some areas also more extreme temperature differences).
Furthermore, they have to be resistant to high pressures by having to endure the weight of a train rolling over them when at rest. All of these properties must last the entire service life. The plastic layer must not be contaminated with dust, e.g. Brake dust. Of course, the gluing of the sliding layer to the substrate must be permanent and also insensitive to different coefficients of linear thermal expansion; because it is not favorable if the layer has to be screwed to its metal base.
It has now been shown that there are still no plastics that adhere sufficiently to metals for the stress mentioned and are themselves very slippery. On the other hand, the gluing of plastics with good sliding properties (but which do not adhere to metals) on the metal by means of suitable binders presents great difficulties, especially when the tough requirements required of railway switches are met.
It has now been found that plastic parts that cannot be glued directly to metals can be glued to metal parts if these plastic parts, which are not yet fully crosslinked, are backed with an epoxy resin laminate as an intermediate layer and, after complete curing, connects to the metal part by means of an epoxy glue.
The adhesive layer can additionally contain a reinforcing agent such as glass fiber fabric, etc.
As plastics which cannot be glued directly to metals and which have sufficient properties for the above-mentioned stresses, the only suitable plastics for the aforementioned use in railway switches are practically only polyurethanes.
The main metals to be mentioned are, of course, the materials used in turnouts, i.e. iron and its technical alloys.
In principle, all mixtures of compounds containing more than one epoxy group per molecule with suitable hardeners can be used as epoxy resin for the laminate and the adhesive. Mixtures of epoxy resins based on diphenylolpropane (bisphenol A) and epichlorohydrin with an epoxy equivalent weight of 185-210, with polyamines or polyamidoamines, have proven particularly useful as hardeners. These polyamidoamines are obtained by reacting dimerized fatty acids with aliphatic polyamines. Such mixtures can also contain modifiers, such as plasticizers, flexibilizers or reactive thinners, etc.
The intermediate layer bonded with epoxy resin, which enables the polyurethane layer to be glued to the metal, advantageously represents a fabric made of a suitable material, preferably glass fibers, which is impregnated with the epoxy resin laminate. But also fleece or flakes etc. made of glass fibers or other materials; e.g. Asbestos, would be suitable as a reinforcement material for the intermediate layer.
In a preferred embodiment, a diisocyanate / hardener mixture is spread with a layer thickness of about 1-2 mm on a suitable base provided with a release agent and immediately afterwards a glass fiber mat impregnated with an epoxy resin / hardener mixture is placed on the not yet hardened layer. The complete curing of the diisocyanate / hardener mixture and the epoxy resin / hardener mixture takes place together in the cold or heat, and a perfect bond between the polyurethane layer and the epoxy resin laminate is thereby obtained.
In another embodiment, an epoxy resin / hardener mixture is applied to the not yet fully cured polyurethane layer and immediately thereafter a glass fiber fabric is inserted and rolled or dabbed on until it is completely impregnated.
The joint curing of the two layers takes place in the same way as in the previously discussed embodiment.
The epoxy resin laminates thus obtained, coated on one side with a polyurethane, can be stored indefinitely and are glued to metals by means of an epoxy resin adhesive for a permanent bond with metals. To compensate for the relatively rough surface of the epoxy resin laminate coated with polyurethane and any unevenness on the metal surface, the bonding is preferably carried out in such a way that a glass fabric impregnated with an epoxy resin adhesive is placed on the laminate or metal surface and then the surfaces to be bonded are pressed together.
Polyurethane plates applied to the metal in this way can be used excellently in railway switches, namely between the sliding switch tongue and its base, as they have the following qualities, even after years of use in all weathers:
The surface quality is as good as when new, the adhesion to the base is absolutely intact over the entire surface. In spite of the fact that the entire tongue and thus the full weights rest on the sliding plate (express train tracks), the sliding behavior has not deteriorated; on the contrary, there is a slight tendency towards a reduction in tongue forces. The lining does not need to be lubricated, it is absolutely maintenance-free.
The following example illustrates the invention:
example
100 g of a diisocyanate compound which is solid at room temperature (aGRILONIT "WGE 4409, registered trademark of Emserwerke AG, Domat / Ems, Switzerland) are heated to 85-100 C and at this temperature with 9 g of a hardener (GRI LONIT -Härter 4809.01 , registered trademark of Emserwerke AG) GRILONIT hardness 4809.01 is an aromatic diamine. The mixture obtained in this way has a processing time of about 10 minutes at 900C and is applied within this time to a structured metal plate treated with a mold release agent in a layer thickness of 1-2 mm applied.
A staple glass fiber fabric impregnated with an epoxy resin hardener mixture with a weight per unit area of around 500 g / m2 is then placed on top of this not yet hardened polyurethane layer and gently pressed on. The epoxy resin used is a liquid at room temperature based on bisphenol A (diphenylolpropane) and epichlorohydrin, with an epoxy equivalent weight of 170-195 (GRILONIT WLT 4305, registered trademark of Emserwerke AG), and the hardener is an aromatic polyamine (GRILO NIT HWT 48035, registered trademark of Emserwerke AG). After the epoxy resin / hardening mixture has gelled at room temperature, the laminate is post-hardened for about 3 hours at 1200C and then removed from the mold.
An epoxy resin laminate with a structured coating on one side with polyurethane is obtained, which has a perfect and permanent bond between the polyurethane and the epoxy resin layer.
To use the epoxy resin laminate thus obtained, coated on one side with polyurethane, as a sliding surface on railway switches, it is cut to size and a glass staple fiber fabric impregnated with an epoxy resin adhesive is placed on the back of the laminate, i.e. on the epoxy resin side, and the laminate is placed on the previously cleaned and degreased metal surface , onto which a thin epoxy resin adhesive layer is also applied. The hardening of the epoxy resin adhesive takes place in the cold, and a perfect bond between the polyurethane layer and the metal is thereby obtained.
A mixture of an epoxy resin based on bisphenol A and epichlorohydrin with an epoxy equivalent weight of 185-210 and a modified polyaminoamide obtained by reacting dimerized fatty acid with aliphatic polyamines is used as the epoxy resin adhesive.
The polyurethane plates obtained in this way were installed in flexible tongue switches which contain 26 sliding plates per switch. After a load of approx. 20 tons per axle for 31 months, with an average of 50 switch adjustments per day (and approx. 300 per day with runoff mountains) the polyurethane sliding plates are in perfect condition. The surfaces are high-gloss, the sliding resistance of the switch blades is reduced by approx. 10%, and small detachments or other damage can be seen.
The temperature was 30 to + 60oC during the entire test period.
Sliding plates made of other synthetic materials had to be lubricated periodically, as the increase in sliding forces had led to blockages.