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Verfahren zur Herstellung eines Formlings aus einem thermoplastischen Material
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formlings aus einem thermoplastischen
Material, insbesondere aus synthetischen Polymeren, durch Schmelzen des Materials und Wiederabkühlen zum festen Zustand in einer Form.
Bei der Herstellung von Formlingen aus den bisher verwendeten thermoplastischen Materialien wird das Material auf seinen Erweichungspunkt oder eine wenig darüberliegende Temperatur erhitzt und in eine Form gepresst oder gespritzt, aus welcher der Formling nach passendem Abkühlen entnommen wird.
Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, dass sich hochkristalline Polypropylene und Zusammensetzungen, welche solche enthalten, leicht zu Formlingen mit vorzüglichen mechanischen Eigenschaften bei Zug. Druck und Schlag und einer ausserordentlichen Hitzebeständigkeit verformen lassen, selbst wenn die genannten Polypropylene ein Molekulargewicht von über 600000 aufweisen, vorausgesetzt, dass gewisse Temperaturbedingungen eingehalten werden.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Formlings aus einem thermoplastischen Material, welches ganz oder teilweise aus hochkristallinem Polypropylen besteht, das vor der Einführung in eine Form geschmolzen und durch Wiederabkühlen in der Form in den festen Zustand übergeführt wird, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Polypropylen oder das dieses enthaltende Gemisch vor der Einführung in die Form auf eine Temperatur erhitzt wird, welche höchstens 2, 15 f beträgt und aus einem Temperaturbereich von 1, 2 f-2, 15 f wieder zum festen Zustand in der Form abgekühlt wird, wobei f die optische Schmelztemperatur des Polypropylens, ausgedrückt in Centigrad, bedeutet.
Das gemäss der Erfindung verwendete hochkristalline Polypropylen kann mit amorphem Polypropylen vermischt sein. Insbesondere bei der Anwesenheit von amorphem Polypropylen haben diese Polypropylene keinen scharfen Schmelzpunkt, bei welchem die Kristallinität verschwindet, sondern zeigen einen Erweichungsbereich, dessen Lage und Breite, wie die Viskosität des erweichten oder geschmolzenen Materials, vom mittleren Molekulargewicht abhängt. Die Beendigung des Überganges vom kristallinen Zustand in den amorphen Zustand geht einher mit einem vollständigen Dunkelwerden des Gesichtsfeldes, wenn man einen Abschnitt des Polymers während des Erhitzens unter dem Mikroskop zwischen gekreuzten Nicols betrachtet ; die Temperatur, bei welcher diese totale Auslöschung erfolgt, wird als "optische Schmelztemperatur" bezeichnet.
Zur erfindungsgemässen Verwendung bevorzugt man hochkristalline Polypropylene mit einer optischen Schmelztemperatur von 164 bis 168 C.
Ausser thermischen und mechanischen Eigenschaften, welche denjenigen von aus andem thermoplastischen Materialien hergestellten Gegenständen überlegen sind, zeigen die erfindungsgemäss hergestellten Gegenstände auch gleichzeitig Transparenz, Färbbarkeit mit opaken oder transparenten Farben, chemische Beständigkeit, gute dielektrische Eigenschaften, Geruchlosigkeit und Ungiftigkeit, Eigenschaften, welche bei aus andern thermoplastischen Materialien hergestellten Gegenständen nicht gleichzeitig erzielt werden können.
Die ausserordentlichen Eigenscha ften von erfindungsgemäss behandeltem hochkristallinem Polypropylen
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gestatten die Herstellung von Gegenständen, welche bisher aus thermoplastischen Materialien nicht her- stellbar waren. Ausserdem gestattet es die hohe mechanische Festigkeit des Materials, Gegenstände für einen bestimmten Zweck leichter auszuführen (d. h. z. B. im Falle von hohlen Gegenständen : mit dünne- ren Wänden), als dies bisher mit andern thermoplastischen Materialien möglich war, woraus sich eine bedeutende Verbilligung ergibt.
Feste Propylenpolymere können Molekulargewichte von 800000 und mehr aufweisen, doch ist es für die erfindungsgemässen Zwecke, insbesondere bei der Anwendung der Spritzgusstechnik, zweckmässig,
Polymere mit einem Molekulargewicht im Bereich von 50000 bis 250000 zu verwenden. Dieser Bereich stellt indessen keine Begrenzung dar und kann verlassen werden. Wenn beispielsweise ausserordentliche Werte mechanischer und thermischer Festigkeit gefordert werden, ist es zweckmässig, Polymere mit einem
Molekulargewicht von über 500000 zu verwenden. Das Formpressen kann auch mit festen Propylenpoly- meren von beliebigem Molekulargewicht durchgeführt werden.
Die Temperaturbedingungen des erfindungsgemässen Verfahrens, deren Nichteinhaltung die Bildung von schlechterenodersogar brüchigen Produkten zur Folge hat, sind überraschend, wenn man sie mit jenen vergleicht, welche bei der Verarbeitung anderer thermoplastischer Materialien mit teilweise amor- pher', teilweise kristalliner Struktur eingehalten werden müssen.
Polyäthylen beispielsweise kann bei einer Temperatur verformt werden, welche wenig, beispielswei- se um 10 C, oberhalb des Schmelzpunktes des kristallinen Anteils liegt, ohne dass brüchige Produkte ent- stehen.
Verformt man Polypropylen unter ähnlich niedrigen Temperaturbedingungen (z. B. 10 - 200C ober- halb des Schmelzpunktes), so erhält man Produkte mit einer geringen Biegefestigkeit.
Erhitzt man Polypropylen zu stark, so werden alle seine Eigenschaften verschlechtert. Erhitzt man das Polypropylen jedoch auf eine Temperatur, welche 2, 00 f nicht übersteigt, so treten keinerlei Schwie- rigkeiten auf, vorausgesetzt, dass man dafür sorgt, dass die hohen Temperaturen nicht zu lange beibehalten werden.
Die optimale Verarbeitungstemperatur für das Polypropylen hängt ab von dessen mittlerem Moleku- largewicht. Als allgemeine Regel kann gelten, dass beim Spritzguss mit einem Polymer mit einem Mole- kulargewicht von 50000 bis 250000 die besten Ergebnisse hinsichtlich der Eigenschaften der Formlinge er- zielt werden, wenn man das Einspritzen bei einer Temperatur zwischen 200 und 3500C vornimmt.
Unter diesen Bedingungen zeigen die erhaltenen Formlinge die folgenden mittleren Eigenschaften, welche den- jenigen von aus andem thermoplastischen Harzen geformten Gegenständen eindeutig überlegen sind :
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<tb>
<tb> Zugfestigkeit <SEP> (kg/cm2) <SEP> 400
<tb> Zerreiss <SEP> dehnung <SEP> (0/0 <SEP> Verlängerung) <SEP> 100 <SEP> - <SEP> 600 <SEP>
<tb> Brinellhärte <SEP> (l <SEP> min <SEP> lang, <SEP> mit <SEP> einer
<tb> Kugel, <SEP> Durchmesser <SEP> 12, <SEP> 7 <SEP> mm, <SEP> Belastung <SEP> 31, <SEP> 75 <SEP> kg) <SEP> 1500 <SEP> - <SEP> 2000 <SEP>
<tb> Vicat-Erweichungspunkt
<tb> (Belastung <SEP> 5 <SEP> kg) <SEP> 100-110 C
<tb>
Wenn während des Spritzgiessens die Temperatur von 3000C während längerer Zeit überschritten wird,
so wird das Material sehr leichtflüssig und entwickelt Gase. Die Formlinge kommen mit hohen Pressgraten aus der Form, enthalten an den dicksten Stellen Blasen und Schuppen und sind brüchig.
Genaue Temperatur- und Zeitangaben können nicht gemacht werden, da die Bedingungen, unter welchen diese Erscheinungen auftreten, nicht nur vom ursprünglichen Molekulargewicht des Polymers, sondern auch von den Konstruktionsmerkmalen des Apparates abhängen, doch lässt sich sagen, dass eine während 10 min beibehaltene Temperatur von 3500C genügt, um die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Formlings zu verschlechtern, während hiefür bei einer Temperatur von 3300C eine Zeitdauer von 15 bis 20 min nötig ist. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass man, wenn man, ausgehend von einem Polymer mit einem Molekulargewicht von über 100000, unter diesen ungünstigen Bedingungen arbeitet, stets ein Polymer mit einem Molekulargewicht von etwa 30000 erhält, unabhängig vom Molekulargewicht vor der Verformung.
Beim Spritzguss nach dem erfindungsgemässen Verfahren hat sich überraschend gezeigt, dass der Angusskanal einen Einfluss ausübt ; insbesondere beim Giessen von gro- ssen Gegenständen mit Punkt-Anguss sind sehr hohe Temperaturen nötig, damit die Form gefüllt wird und das Schrumpfen beim Abkühlen ist beträchtlich, so dass konische Gegenstände auf der Patrize eingeklemmt werden und nur unter Schwierigkeiten aus der Form entnommen werden können. Bei direkter Einspritzung lassen sich indessen niedrigere Temperaturen anwenden und die Entnahme ist einfacher.
Die im erfindungsgemässen Verfahren verwendeten Polymere können Farbstoffe, Pigmente oder Füll-
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stoffe enthalten. Gewöhnlich verändern diese Zusätze die optische Schmelztemperatur nicht, doch kann man sich darauf nicht unbedingt verlassen, so dass es angezeigt ist, nach Zufügung irgendwelcher Zusätze zu kontrollieren, ob Veränderungen eingetreten sind.
Die beim erfindungsgemässenverfahren zur Anwendung gelangende Formpresse entspricht im wesenti lichen denjenigen, welche allgemein für thermoplastische Hochpolymere mit amorphkristalliner Struktur notwendig sind. Sie kann je nach Notwendigkeit der Form angepasst werden.
Beispiel l : 13 g Polypropylen mit einem Molekulargewicht von 400000 werden in einer Presse zwischen parallelen Platten mit einer Fläche von 12 X 12 cm 10 min lang unter einem Druck von
450 kg/cmZ auf 2200C erhitzt. Die "optische Schmelztemperatur der in diesem und den folgenden Beispielen verwendeten Polypropylenarten liegt zwischen 164 und 168 C. Nach dem Abkühlen" auf 1000C entnimmt man die erhaltene 1 cm dicke Schicht, welche zäh, biegsam und nicht brüchig ist.
Beispiel 2 : Polypropylen mit einem Molekulargewicht von 150000 wird in einer Spritzgusspresse geformt. Es wird eine Form mit vier Hohlräumen verwendet, die ausgelegt ist zur Herstellung von Keil- platten mit einer Grösse von 42 x 50 mm, bei einer in der Längsrichtung von 4, 8 auf 1, 7 mm abnehmen- den Dicke. Die Erweichungskammer hat ein Fassungsvermögen von 100 g, entsprechend 4 Presslingen.
Durch 1 min andauerndes Erhitzen auf Temperaturen zwischen 200 und 3600C erhält man Presslinge mit glatter Oberfläche, welche transparent und bei Zimmertemperatur von jeglicher Sprödigkeit frei sind.
Wenn anderseits die Verweilzeit in der Erweichungskammer verlängert wird, so werden die Presslinge spröde und zeigen in den Gegenden der grössten Dicke eine schwammige Struktur, beispielsweise unter den folgenden Bedingungen :
EMI3.1
<tb>
<tb> Temperatur <SEP> Verweilzeit <SEP> des <SEP> Polymers
<tb> in <SEP> der <SEP> Erweichungskammer
<tb> 3500C <SEP> 10 <SEP> min
<tb> 3300C <SEP> 15 <SEP> min <SEP>
<tb> 3000C <SEP> 30 <SEP> min <SEP>
<tb>
Unter diesen Bedingungen wird das Polymer sehr leichtflüssig, entwickelt beträchtliche Gasmengen und bildet bei der Verarbeitung grosse Pressgrate.
Beispiel 3: Auf einem Spritzgussapparat mit einer Erweichungskammer mit einem Fassungsver- mögen von 12 kg stellt man ovale Becken mit einem grössten Durchmesser von 81 cm und einem kleinsten Durchmesser von 45 cm sowie einer Höhe von 18 cm her, welche 1900 g wiegen.
Hiezu wird pigmentiertes Polypropylen mit einem Molekulargewicht von 150000 verwendet. Beim Erhitzen während 5 min auf verschiedene Temperaturen zwischen 270 und 3000C erhält man vollkommene Produkte, welche biegsam und zäh sind und eine hohe Schlagfestigkeit besitzen. Erfolgt das Spritzen
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wicht ergibt sich zu 33000.
Beispiel 4 : Man geht gleich vor wie in Beispiel 3, verwendet dabei jedoch eine Form für die Bildung eines kegelstumpfförmigen Eimers mit einem oberen Durchmesser von 25 cm, einem Fassungsvermögen von 6 l und einem Gewicht von 380 g. Bei Punktanguss benötigt man eine Spritztemperatur von 350 C, und die Entnahme ist schwierig ; bei direkter Einspritzung oder Einspritzung durch einen Angusskanal erzielt man sehr gute Ergebnisse bei 2700C und Erhitzungszeiten von 2 min. Lässt man das Polymer bei der gleichen Temperatur 45 min lang in der Erweichungskammer stehen, so besitzt der gebildete Formling keine nennenswerte Schlagfestigkeit mehr, trotzdem er ein gutes Aussehen und eine kompakte Struktur zeigt.
Beispiel 5 : Es werden Kühlschrank-Türrahmen mit einer Grösse von 59 x 122 cm und einem Gewicht von 850 g aus mit Titanweiss pigmentiertem Polypropylen mit einem Molekulargewicht von 150000 in einer 1300 g-Presse geformt.
Beim Arbeiten bei verschiedenen Temperaturen findet man :
1) Bei Temperaturen in den verschiedenen Teilen der Erweichungskammer, von ihrem Anfang bis zur Düse, von 140,200, 200 und 1800C und einer Durchlaufzeit von 2 min ist der gebildete Rahmen unvoll- ständig.
2) Bei Temperaturen zwischen Anfang der Erweichungskammer und Düse von 200,240, 240 und
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240 C und einer Durchlaufzeit von 2 min neigt der erhaltene Rahmen zur Sprödigkeit ; er bricht beim Biegen.
3) Bei Temperaturen zwischenAnfang derErweichungskammer und Düse von 220,260, 260 und 2600C und einer Durchlaufzeit von 2 min ist der erhaltene Rahmen vollkommen und gegen Schlag und Biegen unempfindlich.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines Formlings aus einem thermoplastischen Material, welches ganz oder teilweise aus hochkristallinem Polypropylen besteht, das vor der Einführung in eine Form geschmolzen und durch Wiederabkühlen in der Form in den festen Zustand übergeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Polypropylen oder das dieses enthaltende Gemisch vor der Einführung in die Form auf eine Temperatur erhitzt wird, welche höchstens 2, 15 f beträgt und aus einem Temperaturbereich von 1, 2 f-2, 15 f wieder zum festen Zustand in der Form abgekühlt wird, wobei f die optische Schmelztemperatur des Polypropylens, ausgedrückt in Centigrad, bedeutet.