Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung masstreuer Polyamid-Formkörper mittels ionischer Polymerisation von Caprolactam oder Mischungen von Lactamen und auf eine Spritzgussanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Er ist bekannt, Lactame, insbesondere Caprolactam, in Gegenwart eines Katalysators und eines geeigneten Cokatalysators (Aktivators) bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes derPolyamide zu polymerisieren, wobei die Polymerisation derart beschleunigt werden kann, dass sie in wenigen Minuten, unter Umständen auch in weniger als einer Minute, abläuft.
Ein besonderer Vorteil der nach diesem Verfahren hergestellten Polyamide besteht darin, dass nach der vorgenannten Methode Vormaterial (zur spanabhebenden Bearbeitung) hergestellt werden kann, dessen Eigenschaftswerte erheblich über jenen von Spritzgussteilen aus Polyamid liegen. Ausserdem ist seine Struktur gegenüber jener von herkömmlichen Spritzgussteilen praktisch spannungsfrei; es weist also eine völlig homogene Struktur auf.
Es ist bereits ein Verfahren zur einstufigen Herstellung von Polyamid-Formteilen durch ionische Polymerisation von Lactamen beschrieben worden, nachdem dem wasserfreien, schmelzflüssigen Lactam ein Aktivator zugegeben wird und die Polymerisation durch örtliches Erhitzen und bei Temperaturen zwischen dem Schmelzpunkt des Lactams und dem des Polyamids in einer Form durchgeführt wird. Dabei wird noch hervorgehoben, dass die Polymerisation nach Eingiessen der Schmelze in die Form an deren angeheizten Wänden einsetzt.
In Ergänzung zu diesem Verfahren wurde noch vorgeschlagen, die Polymerisation bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des monomeren Lactams auszulösen und die Reaktionstemperatur kurzfristig bis höchstens etwa 40 C über den Erweichungspunkt des Polyamids ansteigen zu lassen. Speziell mit dieserVerfahrensmassnahme wird gegenüber dem Hauptverfahren angestrebt, Formteile herzustellen, die etwas weicher, dafür aber zäher und schlagfester als feinkristalline Formteile sind.
Diese bekannten Verfahren und die entsprechenden Vorrichtungen zur Herstellung von Formteilen zeigen jedoch noch Nachteile, da die hergestellten Formteile infolge der durch die Polymerisation entstehenden Volumenkontraktion nicht masstreu sind. So können die nach den bekannten Methoden hergestellten Formteile z. B. nicht immer als technische Teile Verwendung finden, weil gerade auf diesem Gebiet hohe Anforderungen an die Massgenauigkeit der einzelnen Teile gestellt werden. Hinzu kommt noch, dass in diesem Zusammenhang besonders die Herstellung von kleinen Teilen in keiner Weise befriedigen konnte. Und schliesslich erlauben die bekannten Einrichtungen keine automatische maschinelle Formteilherstellung, was sich in wirtschaftlicher Hinsicht für die betreffenden Verarbeitungs-Betriebe sehr nachteilig auswirkt.
Die Aufgabe der Erfindung liegt nun darin, ein Verfahren zur Herstellung masstreuer Formkörper aus ionisch polymerisierten Lactamen bzw. deren Mischungen und Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, mit welchen - unter Beibehaltung aller bisher bekannten Vor teile -auch eine fortlaufende automatische und wirtschaftliche Fertigung der genannten Formkörper möglich ist.
Die Aufgabe gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren wird dadurch gelöst, dass man zur Herstellung eines oder mehrerer Polyamid-Formkörper flüssiges oder pulverförmiges Caprolactam oder eine Mischung von Lactamen, aus mindestens einem temperierbaren Vorratsbehälter über mindestens eine Zuführleitung dem rückwärtigen Ende eines Spritzzylinders zuführt und einer die Polymerisation bewirkenden Temperatur aussetzt, anschliessend das gebildete Polymere im Spritzzylinder aufschmilzt, und schliesslich die Schmelze vom Spritzzylinder, der eine rotier- und axial verschiebbar gelagerte Schnecke enthält, durch die die Schmelze aus dem Spritzzylinder ausgestossen wird, über eine Düse einer Form zuführt, in diese Form presst und unter Nachdruck erstarren lässt.
Eine besondere Durchführungsart besteht darin, dass das aus der Düse des Spritzzylinders austretende Material zunächst in einen Kolbenzylinder gelangt und dann durch den darin verschiebbar gelagerten Spritzkolben in mindestens einen Formenhohlraum einer mehrteiligen Form befördert wird, worauf dann der Spritzkolben den vorgesehenen Nachdruck ausübt.
Die erfindungsgemässe Spritzgussanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen mit einer rotier- und axial verschiebbaren Schnecke ausgerüsteten Spritzzylinder, der in drei unabhängig voneinander regelbare Temperierzonen eingeteilt, und mit seinem Ausstossende mit der jeweils zu füllenden Form in Verbindung bringbar ist, und einem oder mehr als einen temperierbaren Vorratsbehälter mit einer Zuführleitung, die im Bereich des rückwärtigen Endes des Spritzzylinders in diesen einmündet.
Nachdem auch die Möglichkeit besteht, alle Komponenten zu einem Festpulver zu vereinigen, sind nach einem weitern beispielsweisen Merkmal der Erfindung in den jeweils erforderlichen Zuführleitungen und/oder im betreffenden Vorratsbehälter Dosiereinrichtungen angebracht. Nach dem Verfahren können insbesondere Caprolactam, aber auch andere Lactame wie Onanthlactam, Capryllactam und Laurinlactam sowie Gemische verschiedener Lactame eingesetzt werden.
Als alkalische Katalysatoren werden Alkali- und Erdalkalimetalle, Oxyde, Hydroxyde, Hydride oder Carbonate oder Umsetzungsprodukte dieser Verbindungen mit Lactamen verwendet. Als Polymerisationsaktivatoren können die zur Durchführung der ionischen Polymerisation bekannten Verbindungen wie Isocyanate, Isocyanat abspaltende Verbindungen bzw. Anlagerungsprodukte an Isocyanate, organische Säurehalogenide, Anhydride, Ester oder Säureamide verwendet werden. Die die Polymerisation bewirkenden Temperaturen liegen hierbei meistens in einem Bereich zwischen 70 und 200 C, wobei auch schon bei niedrigen Temperaturen die Polymerisation mit erheblicher Geschwindigkeit verläuft.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die Spritzguss Anordnungen nach der Erfindung ermöglichen eine weitgehend drucklose Herstellung von Formkörpern jeder Gestalt.
Dies wirkt sich auch auf die Konstruktion und den Bau entsprechender Maschinen sehr vorteilhaft aus, da Vorrichtungen zur Erzeugung und zur Aufnahme grosser Kräfte entfallen können. Gegenüber den herkömmlichen, sehr umständlichen Verfahren beseitigt die Erfindung auch alle Spritzlings Wandstärken-Probleme, während die Herstellung kleiner technischer Teile nicht mehr von Zufälligkeiten abhängig ist.
Weitere Vorteile sind noch dadurch gegeben, dass die nach dem Erfindungsvorschlag hergestellten Formkörper aufgrund ihrer Struktur fast keinem sogenannten Kaltfluss unterliegen und dass monomeres Caprolactam etwa ein Drittel des Polymeren kostet.
Der nachfolgenden Beschreibung können weitere Einzelheiten entnommen werden, die anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens brauchbare Spritzgussanordnung, wobei einzelne Teile im Schnitt dargestellt sind,
Fig. 2 eine gegenüber der Fig. 1 etwas abgewandelte Spritzgussanordnung, bei der zwischen der Plastifiziereinheit bzw.
dem Spritzzylinder und der Form zusätzlich ein Kolbenzylinder mit Spritzkolben angeordnet ist, und
Fig. 3 das vordere Ende des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Spritzzylinders, dessen Düse hier in Abweichung von Fig. 1 an der Formen-Trennebene einer mehrteiligen Form anliegt.
Die in Fig. 1 dargestellte Spritzgussanordnung besteht im wesentlichen aus der Plastifiziereinheit mit Spritzzylinder und der Formschliesseinheit, welche beim vorliegenden Ausführungsbeispiel vertikal angeordnet sind. Dabei trägt die Grundplatte 1 der Formschliesseinheit die Holme 2, 3, auf welchen eine feststehende Formträgerplatte 4 und eine bewegliche Formträgerplatte 5 geführt werden. Die Formhälften 6 und 7, die auf den Formträgerplatten 4 und 5 montiert sind, werden durch einen Kolben 8 in Öffnungs- und Schliessstellung gebracht, der seinerseits in an sich bekannter Weise im im Druckzylinder 9 mit einem Druckmedium beaufschlagt werden kann.
Der Spritzzylinder 10 der Plastifiziereinheit weist eine in seinem Inneren dreh- und axial verschiebbar gelagerte Schnekke 11 auf, welche durch den Elektromotor 12 über das Getriebe 13 in Rotation versetzt werden kann.
Auf der Umfangsfläche des Spritzzylinders 10 sind einige Heizbänder 14, 15 angeordnet, deren Wärmeabgabe in bekannter Weise von aussen geregelt und überwacht wird, und mit deren Hilfe das jeweils zu verarbeitende Material die erforderliche Temperatur erhält. Am unteren oder Ausstoss Ende des Spritzzylinders 10 ist die Düse 16 angebracht, die ihrerseits an der Form 6, 7 anliegt und damit den Innenraum des Spritzzylinders mit den Formenhohlräumen in Verbindung bringt. Die Düse 16 ist in den Zeichnungen zwar als Rippendüse dargestellt (um eine Wärmeübertragung auf die Form 6, 7 zu vermeiden), doch können auch andere Düsenkonstruktionen Verwendung finden.
Die Material-Zuführung in den Spritzzylinder 10 erfolgt über die Zuführleitungen 17, 18 in unmittelbarer Nähe des rückwärtigen Endes des Spritzzylinders (Monomer-Bereich a ). Das andere Ende der Zuführleitungen 17, 18 ist mit je einem Vorratsbehälter 19, 20 verbunden, in welchen sich das zu verarbeitende Material, z. B. Caprolactam, befindet.
Damit das zu verarbeitende Material stets für die Formteil Herstellung die optimale Temperatur aufweist, sind die Vorratsbehälter 19, 20 mit Heizkörpern 21, 22 versehen, deren Temperaturen ebenfalls in bekannter Weise von aussen geregelt und überwacht werden sollen. Da für jedes herzustellende Formteil eine gleiche, dem Füllvolumen der Form entsprechende Menge an Material aus den Vorratsbehältern 19, 20 dosiert werden muss, werden beispielsweise in die Zuführleitungen 17, 18 beheizbare Dosiereinrichtungen 23, 24 eingebaut, deren Mengenabgabe den jeweiligen Erfordernissen auch innerhalb eines Verfahrensablaufes angepasst werden kann. Diese Dosiereinrichtungen werden vorzugsweise so gesteuert, dass sie im Arbeitsrhythmus der Spritzgussanordnung die Zuführleitungen 17, 18 öffnen und schliessen.
Das Getriebegehäuse 25 trägt nicht nur den Spritzzylinder 10 und den Elektromotor 12, sondern auch den Hydraulikzylinder 26. Der Hydraulikzylinder 26 selbst weist einen Ringkolben 27 auf, welcher über die Zuführbohrung 28 und ein nicht näher dargestelltes Pumpenaggregat beispielsweise mit Drucköl beaufschlagt werden kann. Durch entsprechend gesteuerte Beaufschlagung ist es möglich, die Schnecke 11 zu jedem Zeitpunkt eines Verfahrensablaufes in axialer Richtung zu verschieben oder ihr zumindest ein bestimmtes Druck polster aufzuerlegen.
Das Verfahren nach der Erfindung wird mit der in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemässen Spritzgussanordnung wie folgt ausgeführt:
Wenn die Heizbänder 14, 15 des Spritzzylinders 10 und die Heizkörper 21, 22 der Vorratsbehälter 19, 20 nach dem Einschalten der Maschine die gewünschte Temperatur erreicht haben und die Düse 16 des Spritzzylinders 10 an der Form 6, 7 anliegt, öffnen die Dosiereinrichtungen 23, 24 die Zuführleitungen 17, 18, und aus den Vorratsbehältern 19, 20 strömt eine vorbestimmte Menge des zu verarbeitenden Materials in den Spritzzylinder 10.
Das Einströmen des Materials in den Spritzzylinder 10 kann in vorteilhafter Weise durch das Rotieren der Schnecke 11 unterstützt werden, wobei sich die Schnecke 11 nach verhältnismässig kurzer Anlaufzeit langsam im aufgegebenen Material so lange zurückschraubt, bis sich vor dem Schneckenkopf das für eine Formfüllung notwendige Volumen befindet.
Die einzelnen Zonen des Spritzzylinders 10 werden dabei für das erfindungsgemässe Verfahren unterschiedlich temperiert. Als Beispiele sollen für den Verfahrensablauf 1000 C (Polymerisations-Bereich b ) und 2500 C (Schmelzoder Ausstoss-Bereich c ) angegeben werden. Für den Monomer-Bereich a ist in den Zeichnungen kein Heizband vorgesehen, da bei verschiedenen Materialien eine separate Temperierung dieses Bereiches nicht immer notwendig ist.
Wenn jedoch Materialien verarbeitet werden sollen, für die schon im Monomer-Bereich a eine spezielle Temperaturführung erforderlich ist, dann kann ohne grossen Aufwand auch in diesem Bereich ein Heizband montiert werden. Eine Verbesserung der feinfühligen Temperatursteuerung und -führung innerhalb des Spritzzylinders kann gegebenenfalls noch dadurch erreicht werden, dass die Schnecke 11 mit einer Längsbohrung 29 versehen wird, in die über die Rohrleitung 30 und das Kupplungsstück 31 das jeweils erforderliche Temperiermedium eingespeist werden kann.
Während des Einströmens in den Spritzzylinder 10 wird das Material von der rotierenden Schnecke 11 gemischt, homogenisiert und verdichtet. Gleichzeitig mit diesen Vorgängen beginnt im Spritzzylinder 10 auch die Polymerisation, da die beiden Materialmischungen mit Katalysator und Cokataly- sator (Aktivator) aufeinandergetroffen sind und unter der Wärmeeinwirkung der Heizbänder 14, 15 und evt. auch der Schneckenheizung 29 stehen. Das so gebildete Polymerisat wird anschliessend aufgrund der höheren Heizleistung des Schmelz- oder Ausstoss-Bereiches c im düsenseitigen Teil des Spritzzylinders 10 aufgeschmolzen und schliesslich durch Axialverschiebung der hierbei rotierenden oder stillstehenden Schnecke 11 über die Düse 16 in die Form 6, 7 gepresst.
Diese Formfüllung schliesst sich dann der Nachdruck an, der vorzugsweise dem Schrumpfprozess des verarbeiteten Materials angepasst ist. Durch entsprechend gesteuerte Beaufschlagung des Ringkolbens 27 ist es hierbei möglich, jeden gewünschten Druck auf die erstarrenden Formteile auszu üben. Wenn nun die Formteile abgekühlt sind und der Form 6, 7 entnommen wurden, kann der nächste Verfahrensablauf beginnen. Die hierbei zu dosierende Menge am Material ist dann natürlich nicht mehr so gross wie am Anfang einer Produktionsserie, da bei jeder Formfüllung nur das aufgeschmolzene und vor dem Schneckenkopf lagernde Material ausgestossen wird.
Von einer Temperierung der Form 6, 7 wurde bisher nicht gesprochen, weil normalerweise die Raumtemperatur von rund 200 C einen einwandfreien Verfahrensablauf gewährleisten kann.
Allerdings wird es in bestimmten Fällen vorteilhaft sein, durch die Kanäle 32 der Formhälften 6 und 7 ein Kühlmedium zu schicken, um die Formtemperatur beispielsweise in einem Bereich von 20 bis 600 C über eine beliebige lange Zeitspanne halten zu können.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Spritzguss-Anordnung gelangt das aus der Düse 16 austretende Material nicht sofort in die Form 6, 7, sondern erst in den Sammelraum eines Kolbenzylinders 33. Aus dem Sammelraum des Kolbenzylinders 33, der beim gezeigten Ausführungsbeispiel nur von einem Heizband 34 umgeben ist, wird dann anschliessend das aufgeschmolzene Material mittels eines Spritzkolbens 35 in die Form 6, 7 gepresst. Die Axialbewegungen des Spritzkolbens 35 und der nach der Erfindung vorgesehene Nachdruck werden dadurch bewirkt, dass der im Hydraulikzylinder 36 verschiebbar gelagerte Druckkolben 37 über die Rohrleitungen 38 und 39 wechselseitig mit einem Druckmedium beaufschlagt wird.
Nachdem auch die Möglichkeit besteht, alle Komponenten zu einem Festpulver zu vereinigen, findet nach Fig. 2 anstelle mehrerer Vorratsbehälter nur ein Vorratsbehälter 40 Verwendung, der mit dem Spritzzylinder 10 über die Zuführleitungen 41 in Verbindung steht. Der Vorratsbehälter 40 kann dabei gleichfalls mit Heizkörpern 42 ausgestattet sein und die Zuführleitung 41 oder der Vorratsbehälter selbst weisen zweckmässig eine beheizbare Dosiereinrichtung 43 auf. Selbstverständlich kann auch in an sich bekannter Weise die Schnecke 11 als Dosierelement Verwendung finden, wenn auf dem Spritzzylinder 10 nur ein Fülltrichter angebracht ist.
Die Fig. 3 zeigt noch eine Variationsmöglichkeit im Hinblick auf andere Formkonstruktionen. Die Formfüllung erfolgt hier über die Düse 16 und den in der Formen-Trennebene 44 der Form 45, 46 liegenden Angusskanal. Die Formhälften 45 und 46 sind auch hier auf Formträgerplatten 47 und 48 montiert, wobei mindestens eine dieser Formträgerplatten zum Zwecke der Formöffnung beispielsweise durch ein Kniehebelsystem 49 oder 50 bewegbar ist.
Ohne den Boden der vorliegenden Erfindung verlassen zu müssen, sind kleinere Abweichungen von den hier aufgezeigten Ausführungsbeispielen denkbar. So besteht u. a. die Möglichkeit, den gesamten Cokatalysator (Aktivator) oder einen Teil desselben den zu verarbeitenden Materialien erst im mittleren Drittel des Spritzzylinders oder Kolbenzylinders beizugeben. Die Einspeisung könnte dabei durch Zylinder-, Kolben- oder Schnecken-Bohrungen erfolgen. Eine andere Ergänzung könnte darin bestehen, dass an geeigneten Stellen des Spritzzylinders und/oder Kolbenzylinders Entgasungseinrichtungen angebracht werden, welche bei Bedarf für die Entfernung von gasförmigen, flüchtigen Bestandteilen sorgen.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zur Herstellung masstreuer Polyamid-Formkörper mittels ionischer Polymerisation von Caprolactam oder Mischungen von Lactamen, dadurch gekennzeichnet, dass man flüssiges oder pulverförmiges Caprolactam oder eine Mischung von Lactamen aus mindestens einem temperierbaren Vorratsbehälter über mindestens eine Zuführleitung dem rückwärtigen Ende eines Spritzzylinders zuführt und einer die Polymerisation bewirkenden Temperatur aussetzt, anschliessend das gebildete Polymere im Spritzzylinder aufschmilzt und schliesslich die Schmelze vom Spritzzylinder der eine rotier- und axial verschiebbar gelagerte Schnecke enthält, durch die die Schmelze aus dem Spritzzylinder ausgestossen wird, über eine Düse einer Form zuführt, in diese Form presst und unter Nachdruck erstarren lässt.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man dem flüssigen oder pulverförmigen Caprolactam oder der Mischung von Lactamen einen Katalysator und einen Polymerisationsaktivator beigibt.
2. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das aus der Düse des Spritzzylinders austretende Material zunächst in einen Kolbenzylinder (33) gelangen lässt und es dann durch den darin verschiebbar gelagerten Spritzkolben (35) in mindestens einen Formenhohlraum einer mehrteiligen Form (6, 7) befördert, worauf dann der Spritzkolben (35) den vorgesehenen Nachdruck ausübt (Fig. 2).
3. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Material direkt durch die Düse (16) in den Formenhohlraum einpresst.
4. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Spritzzylinder eine alle notwendigen Komponenten aufweisende polymerisations fähige, gegebenenfalls vorpolymerisierte, eine Pulver bildende
Mischung aufgegeben wird (Fig. 2).
5. Verfahren nach Unteransprüchen 2 und 4.
6. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Cokatalysator (Aktivator) oder ein Teil desselben dem zu verarbeitenden Caprolactam oder
Gemisch von Lactamen erst im mittleren Drittel des Spritzzylinders beigegeben wird.
7. Verfahren nach Patentanspruch I oder einem der Un teransprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils zu füllende Form gekühlt wird.
PATENTANSPRUCH II
Spritzgussanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch einen mit einer rotier- und axial verschiebbaren Schnecke (11) ausgerüsteten
Spritzzylinder (10), der in drei unabhängig voneinander regel bare Temperierzonen (a, b, c) eingeteilt, und mit seinem Ausstossende mit der jeweils zu füllenden Form (6, 7, 45, 46) in Verbindung bringbar ist, und einen oder mehr als einen temperierbaren Vorratsbehälter (19, 20, 40) mit einer Zu führleitung (17, 18, 41), die im Bereich des rückwärtigen
Endes des Spritzzylinders in diesen einmündet.
UNTERANSPRÜCHE
8. Spritzguss-Anordnung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Vorratsbehälter (19, 20) mit zugehörigen Zuführleitungen (17, 18) vorgesehen sind.
9. Spritzguss-Anordnung nach Patentanspruch II oder
Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die Zuführleitung (41) oder die Zuführleitungen (17, 18) und/ oder in den oder die Vorratsbehälter (40 bzw. 19, 20) eine temperierbare Dosiereinrichtung (43 bzw. 23, 24) eingebaut ist.
10. Spritzguss-Anordnung nach Patentanspruch II oder Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzzylinder (10) vertikal angeordnet ist.
11. Spritzguss-Anordnungnach Unteransprüchen 9 und 10.
12. Spritzguss-Anordnung nach Patentanspruch II oder
Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzzylinder (10) mit Entgasungseinrichtungen versehen ist.
13. Spritzguss-Anordnung nach Unteransprüchen 9 und 12.
14. Spritzguss-Anordnung nach Unteransprüchen 10 und 12
15. Spritzguss-Anordnung nach Patentanspruch II, ge kennzeichnet durch einen mit dem Formhohlraum in Verbindung bringbaren Kolbenzylinder (33), in welchen die
Düse (16) des Spritzzylinders einmündet.
16. Spritzguss-Anordnung nach Unteranspruch 15, da durch gekennzeichnet, dass der Kolbenzylinder (33) mit
Entgasungseinrichtungen versehen ist.
**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.