DE10108165C1

DE10108165C1 - Zusammensetzung für eine antistatische Schicht auf der Oberfläche von Produkten aus Gummi

Info

Publication number: DE10108165C1
Application number: DE10108165A
Authority: DE
Inventors: Hubert Goeser; Thomas Winkler; Andreas Pfannschmidt; Christof Feldmann
Original assignee: ContiTech Antriebssysteme GmbH
Current assignee: ContiTech Antriebssysteme GmbH
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2021-02-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zusammensetzung für eine antistatische, auf Polyurethan basierende Schicht (3) auf der Oberfläche von Produkten aus Gummi oder gummiähnlichem Kunststoff sowie ein Produkt aus Gummi oder gummiähnlichem Kunststoff mit einer derartigen Schicht (3). DOLLAR A Die Zusammensetzung enthält für hohe Flexibilität und einen geringen Reibungskoeffizienten organische Lösungsmittel, elektrisch leitfähige Partikel in feiner Verteilung, ein Polyesterpolyol, ein endständige NCO-Gruppen aufweisendes Prepolymer mit einem NCO-Gehalt von 4 bis 5 Gew.-% aus einem aromatischen Isocyanat und einem Polyetherpolyol und ein endständige NCO-Gruppen aufweisendes modifiziertes Polyisocyanat mit einem NCO-Gehalt von 15 bis 22 Gew.-% auf der Basis eines aliphatischen Isocyanates, wobei das Gewichtsverhältnis von Prepolymer zu modifiziertem Isocyanat in der Zusammensetzung 1 : 0,75 bis 1 : 2 beträgt und die Menge an Polyesterpolyol so bemessen ist, dass sie zur Polyadditionsreaktion unter Bildung von Urethanbindungen von 50 bis maximal 92 Gew.-% der NCO-Gruppen enthaltenden Substanzen, bezogen auf deren Gesamtmenge, ausreicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zusammensetzung für eine antistatische, auf Polyurethan basierende Schicht auf der Oberfläche von Produkten aus Gummi oder gummiähnlichem Kunststoff sowie deren Verwendung für Produkte aus Gummi oder gummiähnlichem Kunststoff.

In vielen Bereichen der Industrie, vor allem in der Elektronikindustrie und in Betrieben, in denen mit entzündlichen oder explosionsgefährlichen Stoffen gearbeitet wird, besteht die Notwendigkeit, störende und unter Umständen gefährliche elektrische Aufladungen sicher zu vermeiden bzw. sicher abzuleiten. Diese Ableitung von Ladung ist insbesonders dann nicht gewährleistet, wenn nicht-leitende Bauteile, z. B. Bauteile aus nicht-leitendem Gummi oder gummiähnlichem Kunststoff, verwendet werden. Derartige Bauteile aus Gummi oder gummiähnlichem Kunststoff können sich außerdem selbst durch Reibung elektrostatisch aufladen. Es kommt dann zu einer Ansammlung von elektrischer Ladung, deren Entladung z. B. durch Funkenflug zu Schäden in elektronischen Geräten oder Baugruppen führen kann. Das Problem der elektrostatischen Aufladung durch Reibung stellt sich besonders bei ständig umlaufenden Bauteilen aus Gummi oder gummiähnlichem Kunststoff, wie z. B. bei Antriebsriemen (z. B. Zahnriemen, Flachriemen, Keilriemen), Gurten oder Transportbändern. Als Ausgangsmaterialien für die Produkte aus Gummi oder gummiähnlichem Kunststoff dienen vernetzte Kautschukmischungen oder Mischungen aus thermoplastischen Elastomeren, wie z. B. thermoplastische Polyurethane. Umlaufende Bauteile sind dabei i. A. durch Festigkeitsträger verstärkt.

Um die elektrostatische Aufladung von Produkten aus Gummi oder gummiähnlichem Kunststoff zu vermeiden, ist es möglich, den Gummi oder den gummiähnlichen elektrisch leitfähig auszubilden, indem der verwendeten Kautschuk- oder Kunststoffmischung leitfähige Bestandteile, z. B. Ruß, zugemischt werden. Die Zudosierung derartiger Bestandteile beeinflusst jedoch auch andere Eigenschaften der Produkte, die aus solchen Mischungen hergestellt werden. Es hat sich herausgestellt, dass Produkte, insbesondere stark dynamisch beanspruchte Produkte wie Riemen oder Gurte, aus den Mischungen mit leitfähigen Bestandteilen häufig nicht den an sie gestellten Anforderungen hinsichtlich dynamischer und mechanischer Beanspruchung genügen. Außerdem sinkt die ursprünglich eingestellte Leitfähigkeit einer solchen Mischung mit zunehmender Belastung des Produktes in vielen Fällen ab, so dass es zu Unterberechungen in den Brücken aus leitfähigen Partikeln kommt.

Aus der DE 83 25 391 U1 ist eine andere Möglichkeit bekannt, Produkte aus Gummi oder gummähnlichem Kunststoff elektrisch leitfähig auszugestalten. Dort ist beschrieben, einen Kraftübertragungsriemen unabhängig von seinem inneren Aufbau und seiner Gestaltung und ohne Rücksicht auf wechselnde dynamische Beanspruchung dauerhaft und zuverlässig elektrisch leitfähig auszubilden, indem der Riemen mit einem elektrisch leitfähigen Oberflächenbelag versehen ist. Dieser Oberflächenbelag kann ein Elastomerlack auf der Basis von Polyurethan sein, der elektrisch leitfähige Teilchen, z. B. Ruß, in feiner Verteilung enthält. Der Polyurethanlack kann dabei entweder ein Einkomponentensystem oder aber ein Polyether- oder Polyester-Polyurethanlack in einem Zweikomponentensystem sein. Als Zweikomponentensystem bezeichnet der Fachmann Systeme, deren Bindemittel aus Polyol und Polyisocyanat bestehen; Einkomponentensystem sind solche, deren Bindemittel Polyisocyanate sind, die mit Luftfeuchtigkeit trocknen und härten.

Es wurde aber festgestellt, dass die Verwendung eines einzigen Lacksystems oftmals nicht die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Flexibilität und Reibungskoeffizient erbringt. So möchte man bei Produkten aus Gummi oder gummiähnlichem Kunststoff, insbesondere wenn sie wie Riemen an Rollen und Scheiben entlang laufen, vielfach erreichen, dass der Oberflächenbelag einen geringen Reibungskoeffizienten mit sich bringt, damit es nicht verstärkt zu Abrieb, insbesondere der elektrisch leitfähigen Schicht, kommt, nicht zu hohe Temperaturbelastungen durch Reibungswärme auftreten und möglichst wenig Energieverlust durch Reibung entsteht. Andererseits soll der Oberflächenbelag möglichst flexibel sein, um bei den Belastungen, denen die Produkte aus Gummi oder gummiähnlichem Kunststoff standhalten müssen, nicht abzublättern oder zu reißen. Auch eine gute Haftung des Oberflächenbelages zum Produkt sollte gewährleistet werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde eine Zusammensetzung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der eine antistatische Schicht erzeugt werden kann, die einen möglichst geringen Reibungskoeffizienten bei gleichzeitig hoher Flexibilität aufweist. Die mit einer solchen Schicht versehenen Produkte sollen eine gesicherte elektrische Ladungsableitung über einen möglichst langen Zeitraum aufweisen.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die Zusammensetzung

- organische Lösungsmittel,
- elektrisch leitfähige Partikel in feiner Verteilung,
- ein Polyesterpolyol,
- ein endständige NCO-Gruppen aufweisendes Prepolymer mit einem NCO-Gehalt von 4 bis 5 Gew.-% aus einem aromatischen Isocyanat und einem Polyetherpolyol und
- ein endständige NCO-Gruppen aufweisendes modifiziertes Polyisocyanat mit einem NCO-Gehalt von 15 bis 22 Gew.-% auf der Basis eines aliphatischen Isocyanates enthält,

wobei das Gewichtsverhältnis von Prepolymer zu modifizertem Isocyanat in der Zusammensetzung 1 : 0,75 bis 1 : 2 beträgt und die Menge an Polyesterpolyol so bemessen ist, dass sie zur Polyadditionsreaktion unter Bildung von Urethanbindungen von 50 bis maximal 92 Gew.-% der NCO-Gruppen enthaltenden Substanzen, bezogen auf deren Gesamtmenge, ausreicht.

Man hat erkannt, dass gerade die spezielle Kombination des Prepolymers aus einem aromatischen Isocyanat und einem Polyetherpolyol und des modifizierten Polyisocyanates auf der Basis eines aliphatischen Isocyanates im genannten Gewichtsverhältnis mit dem Reaktionspartner Polyesterpolyol im Unterschuss zu einer Beschichtung mit den gewünschten Eigenschaften führt. Es können verschiedene, für Urethanbeschichtungen einsetzbare Polyesterpolyole mit unterschiedlichen Molekulargewichten und Hydroxylgruppengehalten (Hydroxylgruppenzahlen) verwendet werden. Anhand der vorhandenen Hydroxylgruppenzahl und des mittleren Molekulargewichtes kann die Menge an Polyesterpolyol, die zur Vernetzung von 50 bis maximal 92 Gew.-% der NCO-Gruppen enthaltenden Substanzen benötigt wird, genau bestimmt werden. Das Polyesterpolyol vernetzt und härtet die NCO-Gruppen enthaltenden Substanzen relativ schnell unter Bildung von Urethanbindungen. Die verbleibenden freien NCO-Gruppen vernetzen durch das in der Luft vorhandene Wasser (Luftfeuchtigkeit) langsam zu Polyurethanbiureten. Die langsame Reaktion mit der Luftfeuchtigkeit trägt dazu bei, dass die auf das Gummi oder den gummiähnlichen Kunststoff aufgetragene Zusammensetzung sich noch gut mit der Oberfläche des Produktes verbinden kann und so eine gute Haftung der getrockneten und völlig ausgehärteten Schicht zum Produkt vorliegt.

Das Prepolymer mit einem NCO-Gehalt von 4 bis 5 Gew.-% aus einem aromatischen Isocyanat und einem Polyetherpolyol führt bei der Aushärtung zu Polyurethanen oder Polyurethanbiureten, die bewirken, dass die Schicht auf dem Produkt aus Gummi oder gummiähnlichem Kunststoff eine hohe Flexibilität aufweist. Die Schicht hält also den dynamischen Belastungen, denen solche Produkte ausgesetzt sind, stand, ohne zu reißen oder abzublättern.

Das modifizierte Polyisocyanat mit einem NCO-Gehalt von 15 bis 22 Gew.-% auf der Basis eines aliphatischen Isocyanates führt bei der Aushärtung zu Polyurethanen oder Polyurethanbiureten, die bewirken, dass die Schicht auf dem Produkt aus Gummi oder gummiähnlichem Kunststoff einen geringen Reibungskoeffizienten aufweist. Der Abrieb wird minimiert.

Da die Schicht die Eigenschaften hohe Flexibilität und geringer Reibungskoeffizient in sich vereint und so schwer bei Betrieb zerstörbar ist, ist eine gesicherte elektrische Ladungsableitung über einen langen Zeitraum gegeben.

Die in der Zusammensetzung vorhandenen elektrisch leitfähigen Partikel verhindern die elektrostatische Aufladung der Produkte und die organischen Lösungsmittel gewährleisten, dass die Polyurethanvorläufer und die Partikel in einer applizierbaren Form vorliegen. Als Lösungsmittel können alle dem Fachmann bekannten Lösungsmittel für Polyurethanlacke verwendet werden, z. B. Ester, Ketone und Aromaten. Die Zusammensetzung kann dann z. B. durch Sprühen, Streichen oder Tauchen auf die Produkte aufgebracht werden. Nach Vernetzung und Verdunstung der Lösungsmittel (Härtung und Trocknung) entsteht dann auf der Oberfläche der Produkte die antistatische Schicht (antistatischer Lack), die auf Polyurethan basiert und die elektrisch leitfähige Partikel in feiner Verteilung enthält. Die Lösungsmittel können dabei so ausgewählt werden, dass sie die Sprühfähigkeit der Zusammensetzung verbessern, z. B. durch die Verwendung des Lösungsmittels Tetrahydrofuran. Zum anderen können solche Lösungsmittel verwendet werden, die die Oberfläche der Produkte aus Gummi oder gummiähnlichem Kunststoff anlösen, so dass sich die entstehende Schicht noch besser mit der Oberfläche verbinden kann, z. B. N- Methylpyrrolidon. Auch Gemische verschiedener Lösungsmittel sind selbstverständlich einsetzbar.

Die Zusammensetzung kann außerdem noch andere dem Fachmann bekannte Hilfs- und Zusatzstoffe, wie z. B. Alterungsschutzmittel, weitere Füllstoffe, Katalysatoren usw., enthalten.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei dem Prepolymer aus einem aromatischen Isocyanat und einem Polyetherpolyol um ein Reaktionsprodukt aus Toluylendiisocyanat und einem Polyetherpolyol. Diese Prepolymere weisen eine hohe Reaktionsfähigkeit auf und sind kommerziell in großen Mengen verfügbar.

Bei dem modifizierten Polyisocyanat kann es sich z. B. um Polyisocyanate mit Biuret-, Uretdion- oder Isocyanurat-Gruppen oder um Prepoymere aus aliphatischen Isocyanaten und Polyester- oder Polyetherpolyolen handeln. Bevorzugt wird ein modifiziertes Polyisocyanat auf der Basis von Hexamethylendiisocyanat eingesetzt. Diese modifizierten Polyisocyanate sind ebenfalls kommerziell verfügbar und zeichnen sich dadurch aus, dass sie der aus ihnen gebildeten Schicht eine hohe Licht- und Wetterbeständigkeit verleihen.

Die Zusammensetzung enthält vorteilhafterweise pro 100 Gewichtsteile an NCO-Gruppen enthaltenden Substanzen plus Polyesterpolyol 5 bis 10 Gewichtsteile elektrisch leitfähige Partikel in feiner Verteilung. Diese Menge an leitfähigen Partikeln verhindert effektiv die elektrostatische Aufladung und beeinträchtigt die Eigenschaften der Schicht z. B. hinsichtlich Flexibilität nicht negativ.

Als elektrisch leitfähige Partikel können alle dem Fachmann bekannten Partikel verwendet werden. Besonders bevorzugt ist allerdings die Verwendung von elektrisch leitfähigem, amorphem Kohlenstoff (Ruß).

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Zusammensetzung einen Lösungsmittelgehalt von 80 bis 85 Gew.-% auf. Bei einem solchen Gehalt an Lösungsmittel lässt sich die Zusammensetzung gut auf die Produktoberfläche aufbringen.

Nachdem die Zusammensetzung auf die Oberfläche des Produktes aus, Gummi oder gummiähnlichem Kunststoff z. B. durch Sprühen, Streichen oder Tauchen aufgebracht wurde, trocknet (Verdunstung des Lösungsmittels, physikalische Trocknung) und härtet (chemische Vernetzung) die Zusammensetzung zu der gewünschten, antistatischen, auf Polyurethan basierenden Schicht aus. Diese Schicht haftet mit stoffschlüssiger Bindung an der Oberfläche. Es kann die gesamte Oberfläche des Produktes mit der Schicht versehen werden, es reicht aber in vielen Fällen für eine gesicherte Ladungsableitung auch aus, wenn nur ein Teil der Oberfläche die antistatische Schicht aufweist.

Die Schichtdicke beträgt zweckmäßigerweise 0,05 bis 0,5 mm. Diese Schichtdicke spiegelt ein Optimum zwischen aufgebrachtem Material und hoher Lebensdauer wider.

Die erfindungsgemäße Zusammensetzung kann z. B. auf Gurte, Transportbänder und bevorzugt Riemen, aufgebracht werden und dort die antistatische Schicht bilden. So kann vorteilhafterweise ein Zahnriemen auf seinem Rücken die antistatische, auf Polyurethan basierende Schicht aufweisen. Ein derartiger Zahnriemen lädt sich auch bei lang andauerndem Gebrauch nicht elektrostatisch auf und kann daher z. B. problemlos für Transportstrecken von Leiterplatten verwendet werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeipiels im Zusammenhang mit der nachstehenden Figur näher erläutert, ohne dass die Erfindung jedoch auf dieses Beispiel beschränkt ist.

Die einzige Figur zeigt einen Teilabschnitt eines Zahnriemens in perspektivischer Ansicht. Der Zahnriemen 1, der beipielsweise aus Polyurethan hergestellt sein kann, enthält in Längsrichtung eingebettete Festigkeitsträger 2 z. B. aus Stahl. Auf seinem Rücken weist der Zahnriemen 1 die antistatische, auf Polyurethan basierende Schicht 3, die aus der getrockneten und gehärteten erfindungsgemäßen Zusammensetzung gebildet ist, auf.

Die Zusammensetzung für die Schicht auf dem Zahnriemenrücken kann z. B. wie folgt aufgebaut sein:
4 Gew.-% Prepolymer aus Toluylendiisocyanat und Polyetherpolyol mit einem NCO- Gehalt des Prepolymers von 4,3 Gew.-%,
4 Gew.-% modifiziertes Polyisocyanat mit einem NCO-Gehalt von 18 Gew.-% auf der Basis von Hexamethylendiisocyanat,
8,3 Gew.-% Polyesterpolyol,
1,3 Gew.-% Ruß und
82,4 Gew.-% organische Lösungsmittel.

Eine derartige Zusammensetzung wird nach dem Vermischen der Substanzen möglichst umgehend durch Sprühen auf den Zahnriemenrücken aufgebracht und weist nach Trocknung und Härtung über ca. 24 h bei Raumtemperatur einen kleinen Reibungskoeffizienten von 0,25 auf, der elektrische Oberflächenwiderstand beträgt nur 20 kΩ. Die Ladungsableitung des Zahnriemens ist über einen langen Zeitraum gesichert. Erhöht man den Anteil an Polyesterpolyol, härtet die Zusammensetzung schneller aus. Erhöht man den Anteil an Toluylendiisocyanat-Prepolymer, erhöht sich der Reibungskoeffizient, aber die Schicht wird flexibler. Eine Erhöhung des Anteils an modifiziertem Polyisocyanat auf der Basis von Hexamethylendiisocyanat in der Zusammensetzung führt zu einer Schicht mit einem geringeren Reibungskoeffizienten, aber die Steifigkeit der Schicht nimmt zu.

Claims

1. Zusammensetzung für eine antistatische, auf Polyurethan basierende Schicht (3) auf der Oberfläche von Produkten aus Gummi oder gummiähnlichem Kunststoff, enthaltend:
organische Lösungsmittel,
elektrisch leitfähige Partikel in feiner Verteilung,
ein Polyesterpolyol,
ein endständige NCO-Gruppen aufweisendes Prepolymer mit einem NCO-Gehalt von 4 bis 5 Gew.-% aus einem aromatischen Isocyanat und einem Polyetherpolyol und
ein endständige NCO-Gruppen aufweisendes modifiziertes Polyisocyanat mit einem NCO-Gehalt von 15 bis 22 Gew.-% auf der Basis eines aliphatischen Isocyanates,
wobei das Gewichtsverhältnis von Prepolymer zu modifizertem Isocyanat in der Zusammensetzung 1 : 0,75 bis 1 : 2 beträgt und die Menge an Polyesterpolyol so bemessen ist, dass sie zur Polyadditionsreaktion unter Bildung von Urethanbindungen von 50 bis maximal 92 Gew.-% der NCO-Gruppen enthaltenden Substanzen, bezogen auf deren Gesamtmenge, ausreicht.

2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prepolymer aus einem aromatischen Isocyanat und einem Polyetherpolyol ein Reaktionsprodukt aus Toluylendiisocyanat und einem Polyetherpolyol ist.

3. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das modifizerte Polyisocyanat auf Hexamethylendiisocyanat basiert.

4. Zusammensetzung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie pro 100 Gewichtsteile an NCO-Gruppen enthaltenden Substanzen plus Polyesterpolyol 5 bis 10 Gewichtsteile elektrisch leitfähige Partikel in feiner Verteilung enthält.

5. Zusammensetzung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch leitfähige Partikel elektrisch leitfähiger, amorpher Kohlenstoff verwendet wird.

6. Zusammensetzung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung einen Lösungsmittelgehalt von 80 bis 85 Gew.-% aufweist.

7. Verwendung von Zusammensetzungen nach dem Anspruch 1 zur antistatischen Beschichtung von Produkten aus Gummi oder gummiähnlichem Kunststoff.

8. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der getrockneten und gehärteten Schicht (3) der Zusammensetzungen nach dem Anspruch 1 0,05 bis 0,5 mm beträgt.

9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt ein Riemen ist.

10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt ein Zahnriemen (1) ist, bei dem der Rücken mit der Zusammensetzung nach dem Anspruch 1 beschichtet wird.