Zdravka Rasheva

• 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.