Mahlvorrichtung zur Herstellung von Polytetrafluoräthylen-Pulvern mit hoher Fluidität
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mahlvorrichtung zur Herstellung von Polytetrafluor äthylen-Pulvern hoher Fluidität, die in Pressgussmaschinen mit automatischen Dosiervorrichtungen verwendet werdien können. In der erfindungsgemässen Vorrichtung kann das bei üblichen Verfahren anfallende rohe Polytetrafluoräthylen verwendet werden.
Es ist bekannt, dass Polytetrafluoräthylen, welches in Pressgussmaschinen mit mechanischer Zuführung verarbeitet werden soll, so weit zerkleinert sein muss, dass die Teilchengrösse zwischen 200 und 1000 Mikron liegt und dass die Fluidität des Materials ausreichend hoch sein muss. Insbesondere die letztgenannte Eigenschaft ist unentbehrlich, wenn bei Verwendung automatischer Dosiervorrichtungen eine gleichmässige Füllung der Formen erreicht, ein Verstopfen der Füllorgane vermieden und die Ausbildung von Hohlräumen oder Klumpen in den Formen verhindert werden soll.
Der Fluiditätsindex der Pressgusspulver ist direkt von der Form der einzelnen Partikeln abhängig, die bei fadenförmiger oder unregelmässiger Gestalt leicht dazu neigen, sich zu grösseren Aggregaten zusammenzuschlie ssen, die die Förderung des Materials behindern; auf der anderen Seite gleitet, wenn die einzelnen Partikeln eine runde und glatte Form haben, leicht eines über das andere hinweg, und der Fluiditätsindex des Pulvers erlaubt ohne weiteres eine Verwendung des Pulvers in automatischen Dosiervorrichtungen von Pressgussmaschinen.
Bekanntlich wird körniges Polytetrafluoräthylen durch Polymerisation von Tetrafluoräthylen in wässrigem Med'ium in Gegenwart von Katalysatoren und geeigneten Suspensionsmitteln hergestellt.
Es ist ausserdem bekannt, dass man zu Herstellung von feinen Polytetrafluoräthylen-Pressgusspulvern rohes Polytetrafluoräthylen in einem flüssigen Medium, z. B.
Wasser, durch längeres mechanisches Rühren mit Hilfe gewöhnlicher Rührapparate in Behältern, die hierfür geeignet und beispielsweise mit vertikalen Rippen ausgestattet sind, suspendieren kann. Auf diese Weise wird das Polytetrafluoräthylen-Pulver genügend feinkörnig erhalten, die einzelnen Partikeln haben jedoch immer noch eine längliche und ungleichförmige Gestalt.
Es ist ebenfalls bekannt, Polytetrafluoräthylen-Press gusspulver durch Mahlen einer Suspension aus körnigem Polytetrafluoräthylen in leinem wässrigen Medium, die durch Polymerisation erhältlich ist, herzustellen, und zwar in einer Mühle, die mit einem Schaufeirührer gewöhnlicher Bauart ausgestattet ist.
Die einen Pulverteilchen, die auf diese Weise erhältlich sind, sind von ungleichmässigem Aussehen.
Um diesen Nachteil auszuschalten, wird das auf diese Weise erhaltene Pulver in einem flüssigen Medium fein verteilt und anschliessend bei Temperaturen zwischen 45 und 550 C etwa 8 Stunden gerührt. Dadurch erhalten die Materialteilchen ein gleichmässigeres Aussehen; der Fluiditätsindex des Pulvers wird erhöht.
Ein Nachteil, der sich durch das Ausmass der Zer kleinerung der Teilchen während des Mahlens ergibt, und der bei fast allen Mahlvorrichtungen auftritt, beruht auf der Tatsache, dass die Partikeln ein faseriger, längliches und ungleichmässiges Aussehen zeigen, welches ein Zusammenballen der Teilchen hervorruft und die bereits erwähnten Schwierigkeiten bedingt.
Derartige Pulver sind infolgedessen für Pressgussmaschinen mit automabischer Dosiervorrichtung und damit für die meisten in dier Industrie verwendeten Pressgussmaschinen nicht geeignet.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Mahlverfahren besteht in der Tatsache, dass die erhaltenen Polytetra fluoräthylen-Pulver eine Nachbehandlung benötigen, wenn lein Fluiditätsindex erreicht werden soll, der von der Industrie akzeptiert werden kann. Die Nachbehandlung besteht im allgemeinen darin, eine wässrige Suspension bei höherer Temperatur als Raumtemperatur zu rühren; diese Behandlung erfordert einen ungeheuren Zeit- und Energieaufwand.
Mit Hilfe oder vorliegenden Erfindung sollen die vorstehend geschilderten Nachteile bei der Herstellung von feinen Polytetrafluoräthylen-Pulvern ausgeschaltet und lein Polytetrafluoräthylen hoher Fluidität ohne irgendeine Nachbehandlung erzeugt werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Mahlvorrichtung, in der sich ohne weitere Nachbehandlung gut fliessfähige Polytetrafluoräthylen-Pulver herstellen lassen, insbesondere solche, die in Pressgussmaschinen mit automatischen Dosiervorrichtungen verarbeitbar sind'. Die erfindungsgemässe Mahlvorrichtung zeichnet sich durch einfache Bauart, guten Wirkungsgrad und Preiswürdigkeit aus. Sie erlaubt die Herstellung von Polytetrafluoräthylen-Pulvern mit Einzelteilchen glatter und regelmässiger Gestalt, was auf die besondere Ausgestaltung der eigentlichen Mahlwerkzeuge zurückzuführen ist.
Diese Mahlvorrichtung, in der Suspensionen von rohem Polytetrafluoräthylen in flüssigen Medien als Ausgangsmaterial verwendet werden können, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Reihe scharfkantiger Schaufeln und Gegenschaufeln vorgesehen und so eingeordnet sind, dass sie sich bei dem Mahlvorgang gegeneinander bewegen und in einem auf ein Minimum reduzierten Zwischenraum so aneinander vorbeistreifen, dass sie Schneidpaare bilden, zwischen denen die Teilchen in kleinere Stücke allmählich zerschnitten werden.
Das zu mahlende Ausgangsmaterial wird dabei der Schneidzone zweckmässig infolge der Zentrifugalwirkung der Rührschaufeln und mit anderen Hilfsmitteln kontinuierlich zugeführt. Am Ende des Mahlvorganges kann das zerkleinerte Pulver von dem flüssigen Medium abgetrennt und getrocknet werden.
Weitere Einzelheiten der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der beiliegenden Zeichnung dargestellt, in dieser Zeichnung bedeuten:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Mahlvorrichtung gemäss vorliegender Erfindung.
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Mittelteil der Mahlvorrichtung, der von dem die radial angeordneten Rührschaufeln tragenden Rotor, dem mit scharfkantigen Schlitzen versehenen, als Gegenschaufeln dienenden Zylinderkörper und von den an der Aussenseite des Zylinderkörpers zwischen den Schlitzen angeordneten Prallblechen gebildet wird,
Fig. 3 eine Ansicht des Ausschnittes aus dem Zylinderkörper, in dem sich die scharfkantigen Schlitze befinden; man erkennt die Form und die leichte Neigung der Schlitze im Verhältnis zur Längsachse der Vorrichtung, die für einen ziehenden und allmählich exakten Schnitt wichtig ist.
In den Zeichnungen geben die Pfeile die Drehungsrichtung der Schaufeln an.
Die MÅahlvonichtung gemäss Fig. 1 besteht aus einem Rotor, an dem radial eine Reihe von Rührschaufeln senkrecht zur Achse des Rotors angeordnet sind. Dieser Körper rotiert im Inneren eines hohlen und unten offenen Zylinderkörpers aus geeignetem Material und mit geeigneter Wandstärke. In der Wand des Zylinderkörpers befinden sich auf einem Kreis angeordnete scharfkantige Schlitze, die gegen die Längsachse des Zylinderkörpers in Drehrichtung der Rührs chaufeln leicht geneigt sind. Diese scharfkantigen Schlitze wirken als Gegenschaufeln zu den scharfkantigen, senkrechten Schaufeln am Rotor.
Der Spalt zwischen den scharfen Kanten der Rührschaufeln und der Gegenschaufeln wird so klein wie möglich gehalten, d. h. der Abstand zwischen beiden bleibt gerade so gross, dass der Rotor mit den Schaufeln sich frei in dem zylindrischen Gehäuse bewegen kann. An den oberen und an den unteren Rand des Zylinderkörpers schliessen sich je ein stumpfkegelförmiger Führungskörper an, die sowohl untereinander als auch mit dem Zylinderkörper durch senkrechte Platten verbunden sind, die radial an der Aussenseite der Führungskörper- bzw. -bleche und der Aussenseite des Zylinderkörpers angeordnet sind, und zwar so, dass sie sich jeweils in dem freien Raum zwischen zwei Schlitzen in dem Zylinderkörper befinden.
Diese vertikalen Platten wirken als verstopfungsverhindernde Prallbleche, indem sie die Ausbildung einer horizontalen Drehbewegung der Suspension ausserhalb der Mahlvorrichtung (als Folge der durch die Bewegung der Schaufeln hervorgerufenen Zentrifugalkraft) verhindern.
Ohne solche Prallbleche würde ein erheblicher Teil des zu mahlenden Materials nicht in die Mahizone gelangen; die Prallbleche bewirken darüber hinaus die Ausbildung von paarweisen Strömungen innerhalb der Suspension, deren Zahl der Zahl der Prallbleche entspricht. Die paarweisen Strömungen erstrecken sich jeweils nach oben und nach unten (vgl. hierzu die Pfeile in Fig. 1) und bewirken eine kontinuierliche Zuführung des zu mahlenden Materials in die Mahizone. Die Mahlvorrichtung ist in einem Gefäss angeordnet, welches die zu mahlende Suspension enthält, und ist mit ihrem oberen Teil am Deckel des Gefässes befestigt, während der untere Teil auf in geeigneter Weise geformten Füssen oder beliebigen anderen Unterstützungsvorrichtungen auf dem Boden des Gefässes aufsteht.
Ausserdem erkennE man in Fig. 1: 1. dass das Gefäss für die Polytetrafluoräthylen-Sus pension in die Mahlvorrichtung eingetaucht ist; 2. den Zylinderkörper mit den scharfkantigen Schlitzen
7 (vgl. Fig. 2) und dem Rotor mit den Rühr schaufeln 3; 3. den Rotor mit den senkrecht angeordneten Rühr schaufeln, deren Abstand von der Innenwand des
Zylinderkörpers gerade nur so gross ist, dass sich der Rührkörper frei bewegen kann; 4. die beiden stumpfkegelförmigen Führungsbleche, die an dem oberen und dem unteren Rand des Zylinder körpers angebracht und durch die radialen Prall bleche 5 miteinander verbunden sind; 5. die vertikalen Prallbleche 5, die sowohl an den konischen Führungskörpern 4 und dem Zylinder körper 2 befestigt sind und zur Ausbildung von
Strömungen in der bereits beschriebenen Weise dienen;
6. die Antriebswelle, die mit einem geeigneten Motor verbunden ist.
In Fig. 2 erkennt man ausserdem: 2. einen Querschnitt durch die in den Zylinderkörper geschnittenen Schlitze; 5. die der Ausbildung einer Strömung dienenden Prall bleche; 7. die Schneidprofile der Schlitzkanten, die als Gegen schaufeln dienen.
Die erfindungsgemässe Vorichtung kann wie folgt verwendet werden:
Das Gefäss 1 wird mit der Suspension aus körnigem Polytetrafluoräthylen, deren Konzentration bei etwa 5 bis 10 Gewichtsprozent (Feststoff in Suspendierflüssigkeit) liegt, gefüllt.
In das mit der Suspension gefüllte Gefäss 1 lässt man die Mahlvorrichtung herab; sie soll in die Flüssigkeit bis etwas über den Rand des oberen stumpfkegeligen Führungsbleches 4 eintauchen. Der Rotor wird über die Welle 6 mit Hilfe eines üblichen Motors angetrieben.
Der Mahlvorgang wird abgebrochen, sobald das Pulver in der Suspension bis zu dem gewünschten Grad zerkleinert worden ist. Anschliessend wird das Pulver von der Flüssigkeit in beliebiger Weise, z. B. durch Filtrieren oder Zentrifugieren, abgetrennt und getrocknet, beispielsweise in einem Ofen. Die Dauer des Mahlprozesses hängt sowohl von der Länge und der Anzahl der Schneideprofile - bei gleicher Anzahl Umdrehungen pro Minute - von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors, von der Teilchengrösse des Ausgangsmaterials und dem gewünschten Ausmass der Zerkleinerung ab.
Handelt es sich bei dem zu zerkleinernden Rohmaterial um ein trockenes Produkt, so muss dieses vor Bleginn des Mahlens in einer geeigneten Flüssigkeit, z. B. in Wasser, suspendiert werden. Im übrigen ist es ohne weiteres möglich, die bei der Polymerisation von Tetrafluoräthylen in wässrigem Medium anfallenden Endprodukte in der erfindungsgemässen Vorrichtung direkt der Zerkleinerung zu unterwerfen.
Die Gewichtsmenge des zu vermahlenden Polymeren und das Volumen der Suspendierflüssigkeit, z. B.
Wasser, können in beliebiger Weise aufeinander abge- stimmt werden. Im allgemeinen erhält man gute Ergebnisse, wenn man Verhältnisse von 50 bis 100 g/l, vorzugsweise etwa 75 g/l, einhält.
Das Flüssigkeitsvolumen in dem Gefäss 1 muss gerade so gross sein, dass die Flüssigkeit durch die Rührschaufeln 3 vollständig durcheinander gewirbelt wird, ohne dass es zur Ausbildung stiller Zonen kommt, in denen das zu mahlende Material sich absetzen oder in anderer Weise dem Mahlvorgang entziehen könnte.
Das Vermahlen der Suspension kann bei beliebiger Temperatur, beispielsweise bei Temperaturen zwischen 10 und 600 C, vorzugsweise Raumtemperatur, vorgenommen werden.
Die am Schluss des Mahlvorganges in einer Vorrichtung gemäss vorliegender Erfindung anfallenden Pulver weisen einen Zerkleinerungsgrad-gemessen nach ASTM D 1457 - von etwa 250 bis 650 Mikron auf, der durch eine verlängerte Dauer des Vermahlvorganges erreichbar ist.
Die Pulver besitzen eine scheinbare Dichte - bestimmt nach ASTM D 1457 - von etwa 550 bis 650 g/l.
Der Fluiditätsindex der Polytetrafluoräthylen-Pulver wird wie folgt bestimmt:
Ein zylindrisches Gefäss mit einem Innendurchmesser von 50 mm und einer Höhe von 145 mm, welches am Boden durch ein Metallnetz mit einer Feinheit von 10 Maschen p/cm2 verschlossen ist, wird mit Polytetrafluoräthylen-Pulver gefüllt. Das Metallnetz vibriert mit einer Frequenz von 10 Hertz bei einem Anschlag von 10 mm. Man misst die Zeitspanne, die erforderlich ist, bis eine bestimmte Pulvermenge das Metallsieb passiert hat.
Bei Bestimmung nach der vorbeschriebenen Messmethode weisen die Polytetrafluoräthylen-Pulver, die mit Hilfe der erfindungsgemässen Vorrichtung zerkleinert worden sind, einen Fluiditätsindex von etwa 17 g/Sek. und mehr auf. Dieser Wert muss als zunge wöhnlich hoch bezeichnet werden.
Die mit Hilfe der erfindungsgemässen Vorrichtung zerkleinerten Polytetrafluoräthylen-Pulver lassen sich ausserdem leicht gleichmässig in Formen einfüllen. Diese Fähigkeit wurde mit Hilfe von Formen, die eine Grösse von 250 X 250 X 10 mm aufweisen, und geeigneten Ausgleichvorrichtungen gemessen.
In der Vorrichtung gemäss vorliegender Erfindung können auch andere Polymerpulver zerkleinert werden.
Beispielsweise kann man auch die verschiedenen Mischpolymere des-Tetrafluoräthylens, Polychlorfluoräthylen und andere, in der Vorrichtung bearbeiten.
Beispiel 1
1200 g körniges Polytetrafluoräthylen mit einem durchschnittlichen Zerkleinerungsgrad von etwa 3 mm werden in 18 1 Wasser suspendiert und bei Raumtem- peratur in das 211 Rauminhalt aufweisende zylindrische Gefäss der Mahlvorrichtung gemäss vorliegender Erfindung eingeführt. Die Mahlvorrichtung weist einen Rotor auf, der sechs Rührschaufeln trägt, die aus einem Spezialstahl hergestellt sind. Die Rührschaufeln weisen scharfe Schneidprofile mit einer Länge von 40 mm auf.
Sie sind radial innerhalb eines Zylinderkörpers mit einem inneren Durchmesser von 115 mm angeordnet, an dem sich Gegenschaufeln von emsprechender Länge befinden. Die Schneidschaufeln rotieren mit einer Ge schwindigkeit von 1200 U. p. M. für eine Zeitspanne von etwa 45 Minuten. Nach dieser Zeit wird der Mahlvorgang abgebrochen; die Suspension wird aus der Apparatur abgelassen. Das fertigvermahiene Produkt wird durch Filtrieren von der Suspension getrennt und in einem Ofen getrocknet.
Das auf diese Weise erhaltene Pulver weist einen Fluiditätsindex (berechnet in der vorstehend beschriebenen Weise) von 14 g/Sek. auf. Die durchschnittliche Teilchengrösse beträgt 300 Mikron. Betrachtet man die einzelnen Teilchen bei 26facher Vergrösserung unter einem Mikroskop, so erkennt man, dass sie eine rundliche Gestalt mit glatten Facetten an der Oberfläche aufweisen.
In der gleichen Weise und in der gleichen Apparatur wie vorstehend beschrieben wurden zwei weitere Beispiele (2 + 3) durchgeführt, nur die Mahldauer wurde verändert, so dass sich Pulver mit unterschiedlichem Zerkleinerungsgrad ergaben.
Tabelle l
End- Dauer d. Mahlvor- mittl. Teilch. scheinbare Dichte Fluidum Aussehen der gleichmässige Beispiel temperatur ganges in Min. in Mikron in gll in g/Sek. Teilchen Einfullbarkeit
1 450 C 45 300 590 14 rund gut 2 220 C 15 430 575 14 zu
3 160 C 8 520 565 16
In der folgenden Tabelle II sind die entsprechenden Daten von Polytetrafluoräthylen-Puivern zusamraen- gestellt, die dieselbe durchschnittliche Teilchengrösse be
Bei einem Vergleich der Daten erkennt man ohne weiteres, dass die Pulver, die mit der erfindungsgemässen sitzen, jedoch nicht unter Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung, sondern in anderer Weise hergestellt worden sind.
Vorrichtung bearbeitet worden sind, den bisher üblichen am Markt erhältlichen Produkten überlegen sind.
Tabelle II mittl. Teilch. scheinbare Dichte Fluidum Aussehen der gleichmässige Art des Pulvers in Mikron in gel in g/Sek. Teilchen Einfüllbarkeit
A 290 490 5 faserig schwierig
B 300 510 7
C 320 600 12 rund gut
D 300 590 14
Pulver A wurde durch Vermahlen eines trockenen Rohpolymeren in einer Messerschlagmahlvorrichtung der Firma MECCANOPLASTICA (Cast. Olona), Mod.
150 ECON, die mit einer Geschwindigkeit von 2990 U. p. M. betrieben wurde, erhalten.
Pulver B wurde durch Vermahlen eines in Wasser suspendierten Rohpolymeren in einer Warin-Mischvorrichtung der CENCO ITALIANA, Standard Labormodell 700, die eine Umdrehungsgeschwindigkeit von 15 000 U. p. M. aufweist, erhalten.
Pulver C wurde erhalten, wenn Pulver B in wässriger Suspension zusätzlich noch 8 Stunden bei 500 C behandelt wurde.
Pulver D wurde gemäss vorliegender Erfindung hergestellt (Beispiel 1).