Walzenwerkstoffe aus Polyurethan – maßgeschneidert für die Anwendung

Rainer Kirstein, Felix Böttcher GmbH & Co KG, Köln

Bei der Entwicklung von Walzenbezügen aus Polyurethan kann die Firma Felix Böttcher auf eine lange Tradition zurückblicken. Bereits im Jahr 1952, als in Köln der erste Ford Taunus 12 m vom Band lief, wurde die erste von Böttcher entwickelte verschleißfeste Polyurethanbeschichtung unter dem Namen ARTEX auf den Markt gebracht. Allgemein kann man sagen, dass Polyurethane immer dann zum Einsatz kommen, wenn aufgrund einer hohen mechanischen Beanspruchung die Verschleißfestigkeit bei Gummiwerkstoffen nicht mehr ausreichend ist. Aus diesem Grunde findet man Polyurethane bevorzugt im Bereich der technischen Walzen bzw. Industriewalzen, vornehmlich in der Stahlindustrie. Somit ist es nicht verwunderlich, dass der Umsatz der Polyurethan-Werkstoffe in diesem Bereich stark gewachsen ist und jetzt bereits auf dem Niveau der Gummi-Werkstoffe liegt.
Mussten im bisherigen Formenguss Walzen sehr zeitintensiv eingeformt werden, so eroberte in den 80er Jahren ein neues Beschichtungsverfahren die Walzenproduktion, der sogenannte Rotationsguss. Hierbei wurde das reaktive Polyurethangemisch direkt, in mehreren Lagen, auf die sich drehende Walze aufgetragen. Die Vorteile dieses neuen Verfahrens waren offensichtlich:
Die kostenintensive Beschaffung und Bereitstellung von Gießformen für eine Vielzahl von Walzen mit unterschiedlichsten Abmessungen konnte entfallen. Auch war kein personal- und zeitintensiver Formenbau für das Ein- und Ausformen der Walzen mehr erforderlich. Die Verkürzung der betrieblichen Durchlaufzeiten machte eine schnellere Wiederbekleidung möglich. Die notwendige „Temperung“ des Polyurethans konnte durch eine verlängerte Lagerung bei Raumtemperatur ersetzt werden, wodurch sich zusätzlich Energiekosten einsparen ließen.

Allerdings war die verfügbare Werkstoffpalette anfänglich sehr eingeschränkt. Zudem waren durch die Verwendung von Rohstoffen, die überwiegend auf Polypropylenglykol (PPG) basierten, die mechanischen Eigenschaften dieser Werkstoffe um ca. 30% schlechter als die der vergleichbaren Formenguss-Polyurethane. Dadurch erhielten Rotationsguss-Polyurethane sehr bald den Ruf einer Low-Cost-Beschichtung von minderer Qualität.
Um dennoch Polyurethansysteme mit einer deutlich besseren Leistungsfähigkeit anbieten zu können und gleichzeitig diese neue innovative Beschichtungstechnologie zu nutzen, wurden bei der Firma Felix Böttcher ab Mitte der 90er Jahre eigene Rotationsgusssysteme entwickelt. Diese basieren, wie auch die Formenguss-Polyurethane, auf anderen Diolen und weisen ein ausgeglichenes Eigenschaftsprofil mit hoher Rückprallelastizität und guter Verschleißfestigkeit auf.  

 

 

Eigenschaften

Messgröße

Norm

Werkstoffbezeichnung

     

977 70

980 80

982 85

984 90

986 95

Härte

Shore A

DIN 53505

70

80

85

90

95

Rückprallelastizität

%

DIN 53512

53

48

45

45

42

Reißfestigkeit

MPa

DIN 53504

15,0

18,0

24,5

27,0

31,5

Reißdehnung

%

DIN 53504

470

380

370

370

360

Kerbzähigkeit

kN/m

DIN 53515

18,0

22,0

31,0

33,5

41,0

Abrieb

mm³

DIN 53516

60

40

30

30

30

Tabelle 1:  Rotationsgusssysteme

Durch die fortschreitende Entwicklung der Maschinentechnologie bei den Anwendern sind auch die Anforderungen an unsere Walzenbezüge sehr viel spezieller geworden. Mehr und mehr ging der Trend vom „Allround-Polyurethan“ mit breitem Anwendungsgebiet zur „maßgeschneiderten“ Funktionsbeschichtung. Neue Werkstoff-Themen wurden in den letzten Jahren zunehmend an uns herangetragen.

Schlagworte wie hitzefest, säureresistent, hochverschleißfest, extrem dynamisch, elektrisch leitfähig und lösemittelresistent beschreiben eine zunehmende Nachfrage nach Walzenbezügen mit sehr speziellen Eigenschaften. Diese führten zur Entwicklung von etlichen neuartigen Werkstoffen, die bei der Firma Felix Böttcher ausschließlich im innovativen Rotationsgussverfahren hergestellt werden.

• Hitzeresistente Polyurethane in den Härten 80, 88 und 95 Shore A
Bei einer Erwärmung von 20°C auf 180°C verlieren diese Werkstoffe in ihrer Härte maximal 10 Shore. Die Werkstoffe können in der Anwendung bei einer Oberflächentemperatur von bis zu 150°C eingesetzt werden. Zudem sind sie extrem dynamisch belastbar.

• Säureresistentes Polyurethan in einer Härte von 80 Shore A
Dieses wird auch von heißen Säuren in den Beizbädern der Edelstahlindustrie nicht angegriffen. Die Quellraten in 25%iger H2SO4 bei 95 °C, in 20%iger HCl bei 80 °C und in Mischsäure (HNO3/H2F2) bei 60°C liegen, jeweils nach 28 Tagen gemessen, unter 1%, wobei der Werkstoff weniger als 3 Punkte in der Härte verliert.

• Hochverschleißfestes Polyurethan in einer Härte von 85 Shore A
Mit einem Abriebwert von nur 10 mm³ und einer Kerbzähigkeit von 48,5 N/mm weist dieser Werkstoff eine nochmals deutlich verbesserte Verschleißfestigkeit auf. Hierdurch konnte in einigen Anwendungen eine Verlängerung der Standzeit um bis zu 50% erreicht werden.

• Elektrisch leitfähiges Polyurethan in einer Härte von 90 Shore A
Mit einem spezifischen Widerstand von 20 60×106 Ωcm und einer sehr guten Dynamik wird dieser Werkstoff hauptsächlich beim Druck mit elektrostatischer Druckunterstützung (ESA) eingesetzt. Der Werkstoff zeichnet sich durch besonders konstante elektrische Eigenschaften und einen geringen Kanteneinlauf aus.

• Lösemittelresistente Polyurethane als Beschichtung für Lackierwalzen in den Härten 50, 55 und 60 Shore A
• Diese Werkstoffe besitzen eine gute Resistenz gegen die in der Bandlackierung (coil coating) und der Tafelblechlackierung (can coating) verwendeten Farben und Lacke. Eine Besonderheit ist, dass die Beschichtung einer Lackierwalze durch den Anwender mehrfach nachgeschliffen wird. Die Herstellung dieser Beschichtungen erfolgt unter Einhaltung von besonders engen Fertigungsvorgaben, welche sicherstellen, dass das in mehreren Lagen aufgetragene Polyurethan zu einer kompakten, homogenen und fehlerfreien Beschichtung ausreagiert.

Aber nicht nur die mechanischen Verschleißwerte (wie Abrieb und Reißfestigkeit) eines Werkstoffes sind von Interesse. Auch die Dynamik eines Walzenbezuges ist eine extrem wichtige Größe. Hier ist die Firma Felix Böttcher in der Lage, mit Hilfe eines Hydropuls-Messgerätes das dynamische E-Modul und den Verlustfaktor (tan δ) von Elastomeren zu bestimmen. Die Messungen werden bei unterschiedlichen Frequenzen und Temperaturen durchgeführt, wodurch man ein dynamisches Spektrum der Werkstoffe über den gesamten Einsatzbereich erhält. Die von der Hysterese-Kurve (Grafik 1a&1b) eingeschlossene Fläche entspricht dabei der während einer Schwingungsperiode in Wärme umgewandelten Energie und wird als Verlustarbeit (WD) bezeichnet. Je größer diese Fläche ist, desto größer ist der Unterschied zwischen der vom System gespeicherten Energie W (E-Modul) und der umgewandelten Energie WD (Verlustarbeit). Das Verhältnis dieser beiden Größen zueinander ist der Verlustfaktor (tan δ).
Graphiken-1aGrafik 1a

 

Verlustfaktor = tan δ = WD/(2∏W)

Aus einem Vergleich von Verlustfaktoren verschiedener Werkstoffe in Abhängigkeit von der Temperatur wird ersichtlich (Grafik 2), dass der tan δ mit zunehmender Temperatur abnimmt. Die kontinuierliche Abnahme des tan-δ-Wertes zeigt, dass der Werkstoff bei Erwärmung weniger Energie in Wärme umwandelt, was für eine gute Dynamik steht. Den besten tan-δ-Wert weist dabei der hitzeresistente WS 937 80 auf, welcher standardmäßig in höheren Temperaturbereichen eingesetzt wird. Anhand der abnehmenden E-Module lässt sich der Härteverlust von Werkstoffen in der Anwendung bei steigender Arbeitstemperatur beurteilen. Wie zu erwarten ist, zeigt der hitzeresistente WS 937 80 hierbei die geringste Veränderung.
Die Polyurethan-Werkstoffpalette der Firma Felix Böttcher umfasst zurzeit 40 Werkstoffe, wovon alleine 28 im Rotationsgussverfahren verarbeitet werden. Polyurethane für die Walzenbeschichtung sind heutzutage mehr und mehr Hightech-Systeme mit sehr speziellen Eigenschaftsprofilen. Bei der Entwicklung solcher Systeme wird heute bereits eine Vielzahl von Messmethoden in unseren Prüflabors angewendet, um letztlich ein optimales Ergebnis zu erhalten.

 

Graphiken-1bGrafig 1b

 

Graphiken-2Grafik 2

banner_fixed
banner_default