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Verfahren zur Herstellung von Giesskörpern aus Polyamid
Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von Giesskörpern aus Polyamid, die einen
Metallkern enthalten, durch aktivierte alkalische Polymerisation von einem oder mehreren Lactamen in einer Giessform, welche einen Metallkern enthält. Vor der eigentlichen Polymerisation wird der Me- tallkern mit einem Mantel aus elastischem makromolekularem Kunststoff versehen. Nach beendeter
Polymerisation bleibt der Mantel zusammen mit dem Metallkern in dem Giesskörper und ist mit diesem fest verbunden. Auf diese Weise wird die grosse innere Spannung, die durch den Schwund des Polyamids entsteht und die Rissbildung verhindert.
Während der Herstellung von Giesskörpern aus Polyamid durch Giessen der Lactamschmelze, welche einen alkalischen Katalysator und Aktivator enthält, direkt an den Kern und der nachfolgenden Poly- merisation entstehen erhebliche S chwierigkeiten infolge des Schwundes der Giesskörper während der Poly- merisation und des Abkühlens von der Polymerisations- auf Raumtemperatur. Die gesamte Volumabnah- me der Giesskörper beträgt nämlich etwa 151o, die lineare Kontraktion etwa 4 bis S ? o. Bei Metallkernen ist der Schwund von der Polymerisationstemperatur bei 180 bis 2100C auf etwa 200C entsprechend der Wärmeausdehnung zehnmal niedriger, z.
B. beträgt er bei Stahl nur etwa 0,'11/0. Aus diesem Grund schliesst der Giesskörper den Kern so fest ein, dass er nicht herausgezogen werden kann, eventuell kann der Giesskörper beschädigt werden (zerspringen), falls die durch diesen Schwund entstandenen Spannungen die Festigkeit des Polyamids übersteigen.
Beider Herstellung von Giesskörpern, die einen Metallkern erhalten, wie z. B. Kalanderwalzen und Zahnräder, entstehen so grosse Spannungen, so dass die Giesskörper fast immer zerspringen, was auch durch langzeitige Temperungnicht verhindert werden kann. Deshalb ist es notwendig, Giesskörper, welcheeinenMetallkernerhalten, so zu erzeugen, dass zuerst ein Giesskörper aus alkalisch polymerisiertem Lactamerzeugt wird. In diesem Giesskörper wird durch mechanische Nacharbeitung eine Bohrung gebildet, die eventuell mit Befestigungsnuten u. ähnl. versehen wird, und der so bearbeitete Giesskörper wird in erwärmtem Zustand an dem Metallkern befestigt.
Die deutsche Patentschrift Nr. 1214865 beschreibt die Herstellung von Kalanderwalzen mit einem Mantel aus alkalisch polymerisierten Lactamen durch Schleudern, wodurch der Schwund des Giesskörpers in der Richtung zum Metallkern der Walze beseitigt wird. Weil aber eine Normalbeschleunigung von wenigstens 500 g notwendig ist und der axiale Schwund des Mantels durch die vertikale Stellung der Rotationsachse eliminiert wird, sind die Ansprüche an die Maschinenausrüstung ziemlich gross.
Nach der USA-Patentschrift Nr. 3, 184, 828 wird der Einfluss des Schwundes bei der Herstellung von Belägen für Kalanderwalzen aus alkalisch polymerisierten Lactamen durch einen deformierbaren Metallmantel auf der Welle der Kalanderwalze eliminiert, wobei entweder die Welle mit axialen Nuten versehen ist und der Mantel einen Kreisquerschnitt hat oder ein Metallmantel mit axialen Nuten oder Rippen auf eine Welle mit Kreisquerschnitt aufgesetzt wird. Die Dichtung der
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so entstandenen axialen Höhlungen an der Welle gegen die Form ist in dieser Druckschrift nicht gelöst, obwohl der Erfolg der Durchführung davon abhängig ist. Wenn nämlich das gegossene Lactam in diese Höhlungen eindringt, wird der Zweck des deformierbaren Mantels annulliert.
Daneben ist die Herstellung der deformierbaren Metallmäntel kompliziert und teuer.
Die vorgenannten Nachteile werden mit der Erfindung beseitigt. Sie betrifft ein Verfahren zur Her- stellung von Giesskörpern aus Polyamid, die einen Metallkern erhalten, durch aktivierte alkalische Poly- merisatfon von Lactamen in einer Giessform, die einen Metallkern enthält.
Der Gegenstand der Erfindung liegt darin, dass der Metallkern mit einem Mantel aus einem elastischen makromolekularen Kunststoff versehen wird und in eine vorgewärmte stationäre Form eingelegt wird. In die Form wird dann die Schmelze von einem oder mehreren Lactamen, die einen alkalischen Katalysator, Aktivator und gegebenenfalls auch Pigmente, Füllstoffe und andere Zusätze enthält, eingegossen. Die Reaktionsmischung wird bei einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt des anfallenden Polylactams polymerisiert.
Der Mantel besteht aus einem Elastomer- oder Schaumkunststoff. Er kann hohl aufblasbar sein. Er besteht aus einem wärmebeständigen makromolekularen Kunststoff, z. B. aus Silikonkautschuk. Vorteil- hafterweise besteht der aufblasbare Mantel aus einem elastischen Schlauch, der um den Metallkern so gewunden wird, dass sich die nebeneinander liegenden Windungen berühren. Der Druck in dem hohlen Mantel wird während der Polymerisation und des Abkühlens des Polymerisats kontinuierlich je nach der Schrumpfung des Giesskörpers erniedrigt. Der Druck in dem hohlen Mantel wird durch ein Gas erzeugt, z. B. Luft mit 1 bis 20 atü.
Die stationäre Metallform wird auf eine Temperatur von 120 bis 200, vorzugsweise auf 130 bis 160 C, vorgewärmt. Die Temperatur der Schmelze von einem oder mehreren Lactamen beträgt 80 bis 180, vorzugsweise 120 bis 1500C. Von Lactamen wird besonders 6-Caprolactam oder dessen Gemisch mit w-Laurinlactam verwendet. Die Polymerisation verläuft in Anwesenheit von 0, 1 bis 2, vorzugsweise 0, 25 bis 0, 4 Mol-o, eines alkalischen Katalysators, besonders eines alkalischen Lactamsalzes, z. B.
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oder ein Isocyanat, wie Hexamethylen -1, 6 -diisocyanat oder Triphenylmethan-4, 4', 4"-triisocyanat.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Giesskörpern aus alkalischem Polyamid bringt zahlreiche Vorteile im Vergleich mit den bisher bekannten Vorgängen.
Die Giesskörper, die einen Metallkern erhalten, können nach dieser Erfindung in einem einzigen Arbeitsvorgang hergestellt werden, zum Unterschied von den bisher notwendigen drei Operationen, d. h.
Herstellung des Giesskörpers, dessen mechanische Bearbeitung, u. zw. durch Bohren des Loches, und an- schliessende Befestigung des bearbeiteten Giesskörpers auf dem Metallkern. Zur Herstellung braucht man keine komplizierten Vorrichtungen wie beim Schleudergiessverfahren. Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von einen Metallkern enthaltenden Polyamid-Giesskörpern, wobei die Spannung, mit welcher der Giesskörper den Metallkern klemmt, reproduzierbar ist.
Von denLactamenist 6-Caprolactam von grösster Bedeutung. Ferner können Önanthlactam, Capryllactam und Laurinlactam alkalisch polymerisiert werden ; von niedrigeren Lactamen 2-Pyrrolidon, 2- - Piperidon und ferner ss-Lactame, z. B. ss-Propiolactam, die hydrolytisch nicht polymerisieren. Zur Modifikation der Eigenschaften der Polylactame werden auch Mischungen von Lactamen mischpolymerisiert, z. B. 6-Caprolactam mit C-Alkyl-6-caprolactam oder mit (L'-Laurinlactam.
Die aktivierte alkalische Polymerisation wird meist mit alkalisch reagierenden Stoffen (Alkalimetallen, Erdalkalimetallen oder deren Hydriden, Oxyden, Hydroxyden, Alkoholaten, Amiden, Salzen usw. ), ferner mit Grignard- und metallorganischen Verbindungen katalysiert. Der wichtigste Katalysator ist das alkalische Lactamsalz, z. B. Na-6-Caprolactam, das entweder dem Reaktionsgemisch direkt zugegeben wird oder in situ darin vor der Polymerisation gebildet wird. Die Katalysatormenge liegt zwischen 0, 1 und 2, vorteilhaft zwischen 0, 25 und 0, 4Mol-o, bezogen auf das Ausgangslactam oder Lactamgemisch.
Zugeeigneten Aktivatoren gehören Acylverbindungen (N-Acyllactame, N, N'-Diacyl-bis-lactame, cyclische Dicarbonsäureimide, usw.) und Isocyanate (Butylisocyanat, Hexamethylen -1, 6 -diisocyanat, Toluylendiisocyanate, 4, 4'-iphenylmethandiisocyanat. Triphenylmethan-4,4',4"-triisocyanat, usw.). Ferner werden Carbodiimide, Cyanamide, Anhydride, Chloride, Hydrazide, Amide und Ester von Säuren, Lactone, Imine, substituierte Harnstoffe, stickstoffhaltige heterocyclische u. a. Verbindungen, verschiedeneÄtherundKetoneverwendet. DerenMenge beträgt 0, 05 bis 5, vorteilhaft 0, 25 bis 0, mollo, bezogen auf das Ausgangslactam oder Lactamgemisch. Sie werden einzeln oder im Gemisch entweder
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direkt zugegeben oder während der Polymerisation in situ gebildet.
Von grösster Bedeutung sind N-Acyl- lactame, besonders N-Acetyl-6-caprolactam.
Der Verlauf der Polymerisation kann durch die Zugabe einer dritten Komponente zum Katalysatorund Aktivator-System reguliert werden, z. B. Alkohol, Phenol, Amin, die die katalytische Wirkung des Systems verlängert und die Grösse und Verteilung des Mittelmolekulargewichtes der Polylactame reguliert.
Von andern Zusatzstoffen können nach Bedarf verstärkende und nicht verstärkende Füllstoffe und
Pigmente zugegeben werden (Glas, Asbest-, Metall-, Zellulose- und synthetische Fasern, Metallsalze und Oxyde, Metallpulver, Russ, Graphit, Zement, Siliziumdioxyd, Cadmiumsulfid, Zinksulfid, Molybdändisulfid, verschiedene makromolekulare Stoffe, wiePolyolefine, Polytetrafluoräthylenu. a.). Fer- ner können Stabilisatoren, Gleitmittel, Weichmacher, Treibmittel, Lösungsmittel, oberflächenaktive Stoffe usw. zugesetzt werden.
Gut abgedichtete Formen aus einem Material, das bis 2500C beständig ist, sind für die Herstellung von Giesskörpern geeignet. Am besten bewährt sich Aluminium und dessen Legierungen, Stahl, Nickel und Chrom. Es ist auch möglich, keramische oder Schichtstoff-Formen und andere zu benutzen. In die Form wird ein Metallkern, gewöhnlich aus Stahl, eingelegt.
Der Metallkern wird erfindungsgemäss mit elastischem Material umgeben, welches bis etwa 2000C beständig ist, die Lactampolymerisation nicht ungünstig beeinflusst und von dem Reaktionsgemisch nicht angegriffen wird. Man kann wärmebeständige schaumförmige Kunststoffe, Elastomere und hohle Mäntel, z. B. aus Silikonkautschuk, Fluoroplasten, Polyimiden, Polysulfonen, wärmebeständigen Elastomeren usw., benutzen. In diesen hohlen Mänteln wird vor der Polymerisation ein Druck von 1 bis 20, vorzugweise von l bis 5 atü, durch Druckgas, gewöhnlich Druckluft, erzeugt. Der Druck ist von den Eigenschaften und Dimensionen des aufblasbaren Mantels und auch der Polyamidgiesskörper abhängig.
Die erfindungsgemässe Herstellung der Polyamidgiesskörper wird gewöhnlich folgenderweise durchgeführt :
In eine stationäre Form wird ein Metallkern, versehen mit einem deformierbaren Mantel aus elastischem Kunststoff, eingelegt. Falls der Mantel hohl ist, wird er mit einem Gas auf den erforderlichen Druck aufgeblasen. Der untere Teil der Form mit dem Metallkern ist gut abgedichtet, der obere Teil wird mit einem Deckel lose geschlossen. Die Form mit dem Metallkern wird in einen Wärmeschrank
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und auf die erforderliche Temperaturdem Füllen der Form wird das Füllrohr sofort entfernt, und die Temperatur des Wärmeschrankes während
15 min auf 180 t 50 erhöht.
Nach dieser Zeit ist die Mischpolymerisation beendet, und die Form wird zusammen mit dem Giesskörper während 48 h auf etwa 20 bis 300 abkühlen gelassen. Der Giesskörper aus dem Mischpolymerisat, welcher mit dem Metallkern mittels der zusammengepressten Schicht des Silikonkautschukschaumes fest verbunden ist, die den Einfluss des Schwundes während der Polymerisation und dem Abkühlen eliminiert hat, wird herausgenommen.
Beispiel 2: Ein Metallkern für eine Kalanderwalze, auf welche ein hohler Mantel aus Silikon- kautschuk mit einer Wanddicke von 1 mm, versehen mit einem Rohr für die Zufuhr von Druckluft, fest aufgezogen wurde, wird in einer Form mittels eines Dichtungsringes aus Silikonkautschuk und einer
Schraubenmutter befestigt. Ein Füllrohr wird in die Form eingeführt, und die Form oben mit einem lo- se aufgelegten Deckelgeschlossen. Nach Erwärmung der Form in einem geeigneten Wärmeschrank auf
145 t 5 wird Druckluft von 1,2 atü durch das Rohr in den hohlen Mantel eingeführt. Dann wird die
Form durch das Füllrohr mit wasserfreiem, 135 t 5 warmem 6-Caprolactam, welches ouzo Natriumsalz des 6-Caprolactams und 0,30go N-Acetyl-6-caprolactam enthält, gefüllt.
Nach dem Füllen der
Form wird das Füllrohr sofort entfernt und die Temperatur des Wärmeschrankes während 20 min auf 190 t 5 erhöht. Nach dieser Zeit, wenn die Polymerisation schon beendigt ist, wird dieFormzusammen mit dem Giesskörper auf etwa 200 abkühlen gelassen. Nach Abkühlen wird die Form zusammen mit dem Giesskörper aus dem Wärmeschrank herausgenommen, der Deckel entfernt und nach Entfernen der Mutter kann die fertige Kalanderwalze aus der Form herausgenommen werden. Durch die Schrumpfung während der Polymerisation und des Abkühlens wurde der hohlförmige Mantel so zusammengepresst, dass die gesamte Luft herausgedrängt wurde und zwischen der Metallwelle und dem Giesskörper nur die Schicht des zusammengepressten Silikonkautschuks bleibt.
Beispiel 3 : In eine Stahlform zum Giessen von Zahnrädern wird der Metallkern dieses Rades eingelegt. Auf den Metallkern wird ein Schlauch aus Silikonkautschuk vorher aufgewickelt. Das eine Ende des Schlauches wird im voraus mit kalt vulkanisierendem Silikonkautschuk verschlossen, das andere Ende des Schlauches wird mittels einer geeigneten Befestigungsschelle an den Metallkern befestigt. Der Metallkern wird zusammen mit dem Schlauch in der Stahlform mittels einer Manschette aus Silikonkautschukbefestigt. DieStahlform wird dann mit einem lose aufgelegten Deckel geschlossen, durch den das obere Ende des Schlauches und das Füllrohr durchgeht.
Die so zusammengesetzte Form wird in einem geeignetenWärmeschrankauf 135 t 50 erwärmt, im Schlauch wird mit Druckluft ein Druck von 1,5 atü erzeugt, und durch das Füllrohr wird in die zusammengesetzte Form wasserfreies, 125 t 50 warmes 6- - Caprolactam, welches 0, 407/0 Kaliumsalz des 6-Caprolactams und 0, 18Vo Hexamethylen-1, 6-diiso- cyanat enthält, eingebracht. Nach dem Füllen der Form wird das Füllrohr sofort entfernt, und die Temperatur des Wärmeschrankes während 15 min auf 190 t 5 erhöht. Dann wird der Giesskörper während 24 h auf etwa 200 abgekühlt. Nach dieser Zeit wird nach Herausnehmen der Stahlform zusammen mit dem Giesskörper aus dem Wärmeschrank der Deckel und die Manschette entfernt. Das fertige Zahnrad wird aus der Stahlform herausgenommen.
Durch den Schwund während der Polymerisation und des Abkühlens wurde die gesamte Luft aus dem Schlauch herausgedrängt, so dass eine feste Verbindung zwi- schendemMetallkernunddemGiesskörper gebildet wurde ohne dass eine so hohe Spannung in dem Giesskörper entstanden wäre, welche seine Selbstbeschädigung verursachen hätte können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Giesskörpern aus Polyamid, die einen Metallkern enthalten, durch aktivierte alkalische Polymerisation von Lactamen in einer Giessform, welche einen Metallkern enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkern mit einem Mantel aus elastischem Kunststoff versehen wird, in eine vorgewärmte stationäre Giessform eingebracht wird, welche mit einer Schmelze von einem oder mehreren Lactamen, die einen alkalischen Katalysator, Aktivator und gegebenenfalls auch Pigmente, Füllstoffe und andere Zusatzstoffe enthält, gefüllt wird, worauf das Reaktionsgemisch bei einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt des anfallenden Polylactams polymerisiert wird.