Upcycling von PTFE und der Einsatz als Additiv für Hochleistungskunststoffe und -schmierstoffe Th. Engelhardt , Dr. Dieter Lehmann, Dr. Th. Hoffmann, Dr. A. Täger, H. Marks Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V., Hohe Str. 6, 01069 Dresden, www.ipfdd.de Strahlenmodifizierung von PTFE: Grundlagen, Arbeitsschritte Modifiziertes PTFE in Hochleistungskunststoffe Modifiziertes PTFE in Hochleistungsschmierstoffe Zusammenfassung Projekt ‚Forschung für den Markt im Team‘ (ForMaT) BMBF-Innovationsinitiative Neue Länder ‚Unternehmen Region‘ 21. Seminar „Kunststoffrecycling in Sachsen“ Folie 1
27
Embed
Upcycling von PTFE und der Einsatz als Additiv für ...€¦ · Upcycling von PTFE und der Einsatz als Additiv für Hochleistungskunststoffe und -schmierstoffe Th. Engelhardt, Dr.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Upcycling von PTFE und der Einsatz als Additiv fürHochleistungskunststoffe und -schmierstoffe
Th. Engelhardt, Dr. Dieter Lehmann, Dr. Th. Hoffmann, Dr. A. Täger, H. MarksLeibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V., Hohe Str. 6, 01069 Dresden, www.ipfdd.de
� Strahlenmodifizierung von PTFE: Grundlagen, Arbeitsschritte
� Modifiziertes PTFE in Hochleistungskunststoffe
� Modifiziertes PTFE in Hochleistungsschmierstoffe
� Zusammenfassung
Projekt ‚Forschung für den Markt im Team‘ (ForMaT)BMBF-Innovationsinitiative Neue Länder ‚Unternehmen Region‘
21. Seminar „Kunststoffrecycling in Sachsen“Folie 1
Strahlenmodifizierung von PTFE
Entwicklung von modifiziertem PTFE als Additiv zur chemischen Kompatibilisierung mit Kunst- und Schmierstoffen zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften
PTFE-Sekundärmaterial- Stoffkreisläufe schließen- Ressourcen-, Energieeffizienz- Nachhaltigkeit - neue innovative Produkte
PTFE-Neuware
C-C Spaltung
C-F SpaltungCF2 CF CF2
O
O
+ O2CF2 CF2 CF2
CF2 CF2 CF2 O O
+ HF
CF2 COOH+ H2O
+ CF2
CF2 COF
Polytetrafluorethylen Radikale Funktionelle Gruppen
Reaktionsschema zur Bestrahlung von PTFE
Zu beobachtende Effekte sind
→ Kettenabbau
→ Bildung von funktionellen Gruppen
→ Bildung von Radikalen
2000 1950 1900 1850 1800 1750 1700 16500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
-COF -COOHfree
-COOHH-bonded
Ab
so
rba
nc
e
Wavenumber [cm-1
]
Folie 2
Prozessführung: PTFE - Gammabestrahlung
Folie 3
PTFE-Abfälle: Späne weiß,
sortenrein
1.
Präparation der
Bestrahlungsbehälter
3.
PTFEReaktanden
HF-Absorber
Zerkleinerung zu
rieselfähigem Granulat
2.
Funktionalisiertes (modifiziertes)
PTFE-Produkt aus
PTFE-Neuware und vorzugsweise
aus PTFE-Sekundärware
Bestrahlung
(Co60 Gamma)
4.
Feinvermahlung
5.
=
PTFE-Mikropulver
Prozessführung: PTFEcg - Verarbeitung
Folie 4
Foto: Jürgen Jeibmann
Reaktive Dispersion
6a
Öl+PTFE-Dispersion
7a
Reaktive Extrusion
Foto: Jürgen Jeibmann
6b
Fertiges Granulat
7b
Prozessparameter zur Steuerung der PTFE-Eigenschaften
• Radikale und funktionelle Gruppen steigen mit der Dosis an, die Molmasse nimmt ab
• Durch Beaufschlagung mit Gasen bzw. Benetzung mit Flüssigkeiten lässt sich bei gegebener Dosis der Funktionalisierungsgrad beeinflussen
• Auch das verwendete Absorbermaterial hat Einfluss auf die FunktionalisierungF
kt. G
ruppen
1 2 3 4
Absorbermaterial
Dosis = konstantDosis Modifikatoren Absorber
• Nach Bestrahlung sind die chemischen und thermischen Eigenschaften von Sekundärmaterialien vergleichbar mit ungesintertem PTFE (Funktionalisierung, Kristallinität, Schmelzverhalten, Molekulargewichte)
• Sekundärmaterialien zerfallen nach Bestrahlung nicht spontan zu Mikropulver
• Feinstvermahlung von Sekundärmaterialien mit vertretbarem Aufwand nur bis Korngrößen von ca. Ø 30 µm
Schmelz-temperatur
[°C] (1. Heizen)
Kristallisationsgrad [%]
(aus Schmelz-enthalpie, 1. Heizen)
Molmasse [g/mol] (aus
Kristallisations-enthalpie)
PTFE-Späne (S-PTFE) 329 75 4.6 E+05
TF2025 (E-PTFE) 327 84 2.5 E+05
TF1750 (S-PTFE) 326 75 2.8 E+05
Vergleich der PTFE-Produkte
Folie 6
Hochleistungskunststoffe mit verbesserten tribologischen Eigenschaften
� chemische Kopplung der modifizierten PTFE-Produkte an die HPP-Matrix� sehr gute (homogene)Verteilung des PTFE in der HPP-Matrix� HPP-PTFEcg-Werkstoffe lassen sich wie Matrixmaterialien verarbeiten
Geringe Verschleißfestigkeit und Auftreten von Stick-Slip-Effekten bei Trockenreibung
→ Geometrieänderungen von Bauteilen→ Bildung von Verschleißpartikeln in Lagern→ Wärmebildung, Schwingungen, Geräusche→ Verschlechterung der Systemeigenschaften
Charakterisierung von PTFEcg Öl-Dispersionen im Schmierstoff (DIN 51350-2/-5)
Prinzip:
Kontaktgeometrie: Punktkontakt
Quelle: FH Mannheim, 2011
Verschleißtest: 1000 N, 60 s, Last: in 200 N-Schritten erhöht, 60 s, ϑ = 25 °CBasis = Schmierstoff auf synthetischer Grundlage + 3 Gew.% Öl bzw. PTFE
0
1
2
3
4
5
1.6
Vers
chw
eiß
kraf
t in
kN
(DIN
5135
0-2
)
1.2
Basis
Basis
+TMP0
5
Basis
+TMP0
5-
kom
m. P
TFE
Basis
+TMP0
5-
Seku
ndär
m.-P
TFE
0
1
2
3
4
5
0.7
2.2
3.0
0.7
2.42.9
Vers
chle
iß in
mm
(DIN
513
50-5
, E)
• reduzierter Verschleiß und erhöhte Verschweißkraft unabhängig vom PTFE-Typ
• PTFE-Sekundärmaterial und PTFE-Neuware zeigen ähnliches Verhalten:Performance der Öl-PTFEcg-Dispersion bleibt im Schmierstoff erhalten
Hoffmann T, Engelhardt T, Lehmann D: Hochleistungsschmierstoffe auf der Basis von PTFE-Öl-Dispersionen – Herstellung und Eigenschaften, T+S, 59 (2012) 18-23
Zusammenfassung
• Gammabestrahlung ist geeignet zur gezielten PTFE-Modifizierung - auch im großtechnischen Maßstab -, dabei zeigen modifizierte PTFE-Neuware und PTFE-Sekundärmaterial vergleichbare Eigenschaften
• Die definierte strahlenchemische Modifizierung von PTFE ist ein innovativer Weg, um die Eigenschaften von chemisch gekoppelten Kunststoff-PTFEcg-Werkstoffe für tribomechanische Anwendungen zuzuschneiden
• Tribologische Eigenschaften von Sek.-PTFE Öl-Dispersionen sind vergleichbar mit denen von PTFE-Neuware Öl-Dispersionen
• Modifizierte PTFE-Sekundärmaterialien können als Festschmierstoffe erfolgreich eingesetzt werden, sie halten Schritt mit kommerziellen PTFE-Mikropulvern und sind modifizierter PTFE-Neuware teilweise sogar überlegen
• I
Folie 19
� „anwendungsorientierte modifizierte“ PTFEcg-Produkte für die Praxis
Ein Ausgründungsprojekt des Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.
Folie 20
Dieses Vorhaben wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie sowie mit Mitteln des Europäischen Sozialfonds der Europäischen
Union (ESF) gefördert.
Leibniz- Institut für Polymerforschung Dresden e.V.Hohe Straße 601069 Dresden
industrieller Prozess hochSpezielle Anlagen für PTFE
erforderlich
ÜDF • Sowohl Gamma- als auch Elektronenbestrahlung haben spezifische Vorzüge und Nachteile
• Die Gammabestrahlung von PTFE ist trotz der einfacheren Prozessführung weniger erforscht
• Das ForMaT-Projekt hat sich auf die Gammabestrahlung von PTFE konzentriert
Der Überdosisfaktor (ÜDF = Dmax/Dmin) bestimmt die Homogenität der Dosisverteilung im Material (Abhängig von Dichte und Schüttdichte des Materials)
Folie 21
Nachweis der chemischen Kopplung
- IR-Spektren (Ausschnitte) aus Modellversuchen zur chemischen Kopplung von PTFE-Mikropulvern an PEEK in Lösung
PTFE-Mikropulver Exp. 11 verfügt mit [C=O] = 16 [Endgruppen]/[CF2] über nur wenige funktionelle Gruppen. Schwingungsbanden von PEEK sind quasi nicht nachweisbar.
Der Funktionalisierungsgrad des PTFE-Mikropulvers Exp. 26 ist mit [C=O] = 923 deutlich höher. Eine chemische Kopplung von PEEK ist erkennbar.
Nasschemische Trennung von HPP-PTFE-CompoundsHPP werden in geeigneten Extraktionsmitteln gelöst. PTFE bleibt als unlöslicher Rückstand.
→ IR-Untersuchung
Verbesserung mechanischer und tribologischer Eigenschaften
durch Kompatibilisierung Folie 22
Charakterisierung von PTFE-cg. Öl-Dispersionen in Bezug auf OF-druck (DIN 51350-2/-5)
VKA Untersuchung I
Prinzip:
Kontaktgeometrie: Punktkontakt
reduzierter Verschleiß und
erhöhte Verweißkraft
unabhängig vom PTFE-Typ
Verschleißtest: 1000 N, 60 s, Last: in 200 N-Schritten erhöht, 60 s, ϑ = 25 °C
Hoffmann T, Lehmann D, Schäffler M: Additives for lubricants containing poly(tetrafluoroethylene), Part 2: Tribological characterization, J. of Eng. Trib. (2011), accepted
Quelle: FH Mannheim, 2011
PTFE-Nw. erreicht höhere VK-Zunahme
als Sek.-PTFE in TMP und in PAO
0
1
2
3
4
5
3.7
1.6
2.8
4.5
3.2
2.4
4.2
Ve
rsch
we
ißk
raft
/k
N(D
IN 5
1350
-2)
1.2
0
1
2
3
4
5
1.0
1.8
0.60.70.7
3.0
Ve
rsch
leiß
/m
m(D
IN 5
1350
-5, E)
10 G
ew.-%
PTFE
-Nw.-c
g. P
AO 6
17.5
Gew
.-%
17.5
Gew
.-%PAO 6
Sek.
-PTF
E-cg
.PAO
6
Sek.-
PTFE
-cg.
AP 2
40L
AP 2
40L
Sek.
-PTF
E-cg
.TMP0
5
PTFE
-Nw.-c
g.TM
P05
TMP0
5
Folie 23
Strahlenchemische Modifizierung von PTFE
CF2 CF2 CF2
+ O2
CF2
CF2
CF2
O
O
CF2 CF CF2
O
O
scissionC C C F scission
Funktionalisierung von PTFE durch
Strahlenmodifizierung
Chemische Kompatibilisierung durch reaktive Extrusion oder Dispergierung
PTFE-OO••••
(Radikale)
Schmierstoffe
Mineralöle, PAO,Esteröle etc.
CF2 CF CF2
O
O
CF2 COF + CF2
+ H2O
CF2 COOH + HF
PTFE-COF/-COOH(funktionelle Gruppen)
Gleitlacke
Lackdispersion auf Basis von PAI-PTFE-cg
Hochleistungskunststoffe
PEEK-PTFE-cg PAI-PTFE-cg PPS-PTFE-cg PSU-PTFE-cg
Folie 24
e- / γγγγ
Spaltung Spaltung
Herstellung von PTFE-cg. Öl-Dispersionen
Labor
Volumen: 0.25 L
Temp.-steuerung
PTFE/Öl Dispersion Öl-Bad
Foto: Jürgen Jeibmann
UT (T25)
ZR (CN20-F2)
UT (T50)
UT (UTL 2000)
halbtechnischer Maßstab
Volumen: 5 L
technischer Maßstab
Volumen: 200 L
20x
40x
Folie 25
Aufbau von PTFE
• Basierend auf einer Kohlenstoffkette (schwarz)
• Nahezu vollständig mit Fluoratomen umhüllt (grün)
Eigenschaften
+ Breiter thermischer Anwendungsbereich
(-260°C to 300°C)
+ Nahezu universelle chemische
Beständigkeit
+ Sehr niedriger Reibungskoeffizient+ Exzellente Antihafteigenschaften