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Zur Herstellung von Kolbenbeschichtungen wird oft Polyamidimid (PAI)-Harz eingesetzt.
Dieses Harz benötigt die Verwendung eines Lösungsmittels, welches das Auftragen der
PAI-basierten Beschichtungen ermöglicht und nach der Applikation wieder entzogen
wird. Als Standard zur Herstellung von Polyamidimid-Harzen wird das Lösungsmittel
N-Methyl-2-Pyrrolidone (NMP) verwendet. NMP hat sich im Laufe der Jahre als das am
besten geeigneten Lösungsmittel für diese Anwendung bewährt.
Im Jahr 2010 wurde NMP als toxisch eingestuft. Auch die mittlerweile verwendeten
alternativen Lösungsmittel, N-Ethyl-2-Pyrrolidon (NEP) und gamma-Butyrolacton (GBL),
bringen Schwierigkeiten mit sich: NEP wird aufgrund der Ähnlichkeit seiner chemischen
Struktur zu NMP aller Voraussicht nach in naher Zukunft auch als toxisch eingestuft, und
GBL, als Vorstufe eines Narkotikums, stellt eine Herausforderung mit Hinblick auf
Arbeitsschutz und –sicherheit dar.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines PAI-basierten
Beschichtungssystems, welches ein umweltfreundliches Lösungsmittel verwendet und
die Anforderungen zur Herstellung von Kolbenschaftbeschichtungen hinreichend gut
erfüllt. Desweiteren muss die neu entwickelte PAI-Beschichtung gute mechanische
Eigenschaften, gute Haftfestigkeit zum Kolbengrundmaterial und optimales
tribologisches Verhalten mit Augenmerk auf eine niedrige spezifische Verschleißrate
aufweisen. Diese Eigenschaften müssen nach Aushärtung bei einer Temperatur nicht
höher als 215 °C erfüllbar sein, welche in einem realen Beschichtungsprozess einen
problemlosen Ablauf sicherstellen würde.
Damit die erworbenen mechanischen und tribologischen Endeigenschaften der
hergestellten PAI-basierten Gleitlackbeschichtungen richtig verstanden und interpretiert
werden, wurden die Grundlagen der chemischen Struktur der PAI-Harze möglichst
detailliert untersucht. Diese geben einen tiefen Einblick in die vorliegenden Struktur-
Eigenschafts-Beziehungen und erklären das mechanische und tribologische Verhalten
der PAI-Harze. Eine grundlegende Untersuchung der chemischen Struktur ausgewählter PAI-Harze
ergab neue Erkenntnisse bezüglich deren Aushärtekinetik und gewährleistete die
Aufklärung der chemischen Prozesse, die während der PAI-Aushärtung ablaufen. In
diesem Zusammenhang wurde der Umsatz, die Reaktionsgeschwindigkeit und die
Vernetzungsdichte als Funktion verschiedener Aushärtetemperaturen ermittelt.
Es wurden PAI-Beschichtungssysteme basiert auf verschiedenen Lösungsmittel, wie
z.B. 1,3-Dimethyl-3,4,5,6-tetrahydro-2(1H)-pyrimidinon (DMPU), 1,3-Dimethyl-2-
imidazolidinon (DMEU) und 1-Methylimidazol (MI), tribologisch und mechanisch
analysiert und den NMP-, NEP- und GBL-basierten Systemen gegenüber gestellt.
Aufgrund der zahlreichen Versuche konnte festgestellt werden, dass das Lösungsmittel
1-Methylimidazol die gestellten tribologischen Anforderungen, sogar schon bei der für
eine Kolbenschaftbeschichtung maximal zulässigen Aushärtetemperatur (215 °C), am
besten erfüllt.
Die Untersuchungen der chemischen Struktur und der Aushärtekinetik ergaben die
Ursache für diese guten finalen Eigenschaften des PAI-MI-Harzsystems. Dabei wurde
festgestellt, dass 1-Methylimidazol die Imidisierungsreaktion von PAI katalysiert, so dass
die Aushärtereaktion bei niedriger Aushärtetemperatur vollständiger und mit höherer
Reaktionsrate im Vergleich zu konventionellen PAI-Harzen verläuft. Aufgrund der
Bildung von Wasserstoffbrücken-Bindungen zeigte das PAI-MI-Harz bei einer
Aushärtung mit Endtemperatur 215 °C eine doppelt so hohe Steifigkeit im Vergleich zu
konventionellen Harzsystemen.
Weiterhin ergab die tribologische Versuchsreihe, dass die Zugabe von
aminofunktionalisierten TiO2-Submikropartikeln, kombiniert mit gemahlenen kurzen
Kohlenstofffasern, die tribologischen Eigenschaften von PAI-basierten Beschichtungssystemen
in Motortests signifikant verbesserte. Die Aminofunktionalisierung der TiO2-
Submikropartikel verbesserte deren Anbindung an die aminhaltige PAI-Matrix. Die
gemahlenen kurzen Kohlenstofffasern gewährleisteten eine Minimierung der
Schwierigkeiten beim Siebdruckprozess.