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.
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The present invention relates to a method for producing dimensionally accurate polyamide moldings by means of ionic polymerization of caprolactam or mixtures of lactams and to an injection molding arrangement for carrying out this method.
It is known to polymerize lactams, especially caprolactam, in the presence of a catalyst and a suitable cocatalyst (activator) at temperatures below the melting point of the polyamides, the polymerization being able to be accelerated in such a way that it takes place in a few minutes, possibly in less than one Minute, expires.
A particular advantage of the polyamides produced by this process is that, according to the aforementioned method, primary material (for machining) can be produced whose property values are significantly higher than those of injection molded parts made of polyamide. In addition, its structure is practically stress-free compared to that of conventional injection-molded parts; so it has a completely homogeneous structure.
A process has already been described for the one-step production of polyamide moldings by ionic polymerization of lactams, after an activator is added to the anhydrous, molten lactam and the polymerization is carried out by local heating and at temperatures between the melting point of the lactam and that of the polyamide in one Form is carried out. It is also emphasized that the polymerization begins after the melt has been poured into the mold on its heated walls.
In addition to this process, it was proposed to initiate the polymerization at a temperature above the melting point of the monomeric lactam and to allow the reaction temperature to rise briefly to a maximum of about 40 ° C. above the softening point of the polyamide. With this procedural measure in particular, the aim compared to the main process is to produce molded parts that are somewhat softer, but tougher and more impact-resistant than finely crystalline molded parts.
However, these known processes and the corresponding devices for producing molded parts still have disadvantages, since the molded parts produced are not dimensionally accurate as a result of the volume contraction resulting from the polymerization. So the molded parts produced by the known methods z. B. are not always used as technical parts, because it is precisely in this area that high demands are placed on the dimensional accuracy of the individual parts. In addition, the production of small parts was in no way satisfactory in this context. And finally, the known devices do not allow automatic machine molding production, which is very disadvantageous from an economic point of view for the processing plants concerned.
The object of the invention is now to provide a method for producing dimensionally accurate moldings from ionically polymerized lactams or their mixtures and devices for performing this process, with which - while maintaining all previously known advantages - also a continuous automatic and economical production of the mentioned molded body is possible.
The object according to the process according to the invention is achieved by supplying liquid or powdery caprolactam or a mixture of lactams from at least one temperature-controlled storage container via at least one supply line to the rear end of an injection cylinder for the production of one or more polyamide moldings and one causing the polymerization Exposure to temperature, then the polymer formed melts in the injection cylinder, and finally the melt from the injection cylinder, which contains a rotatable and axially displaceable screw, through which the melt is ejected from the injection cylinder, feeds a nozzle into a mold and presses it into this mold and let it freeze under pressure.
A special implementation is that the material emerging from the nozzle of the injection cylinder first enters a piston cylinder and is then conveyed by the injection piston, which is slidably mounted therein, into at least one mold cavity of a multi-part mold, whereupon the injection piston then exerts the intended holding pressure.
The injection molding arrangement according to the invention for carrying out the method is characterized by an injection cylinder equipped with a rotatable and axially displaceable screw, which is divided into three independently controllable temperature zones, and with its discharge end can be brought into connection with the respective mold to be filled, and one or more as a temperature-controllable storage container with a supply line which opens into the rear end of the injection cylinder in the latter.
Since there is also the possibility of combining all components into a solid powder, according to a further exemplary feature of the invention, metering devices are attached in the respectively required supply lines and / or in the relevant storage container. According to the method, caprolactam in particular, but also other lactams such as onanthlactam, capryllactam and laurolactam, and mixtures of different lactams can be used.
The alkaline catalysts used are alkali and alkaline earth metals, oxides, hydroxides, hydrides or carbonates or reaction products of these compounds with lactams. The polymerization activators which can be used are the compounds known for carrying out ionic polymerization, such as isocyanates, compounds which split off isocyanates or addition products with isocyanates, organic acid halides, anhydrides, esters or acid amides. The temperatures causing the polymerization are mostly in a range between 70 and 200 ° C., the polymerization proceeding at a considerable rate even at low temperatures.
The method according to the invention and the injection molding arrangements according to the invention enable a largely pressureless production of molded bodies of any shape.
This also has a very advantageous effect on the design and construction of corresponding machines, since devices for generating and absorbing large forces can be dispensed with. Compared to the conventional, very cumbersome method, the invention also eliminates all molding wall thickness problems, while the production of small technical parts is no longer dependent on randomness.
Further advantages are given by the fact that, due to their structure, the shaped bodies produced according to the proposal of the invention are almost not subject to so-called cold flow and that monomeric caprolactam costs about a third of the polymer.
Further details can be found in the following description, which are explained in more detail using the exemplary embodiments shown in the drawings. Show it:
1 shows an injection molding arrangement which can be used to carry out the method according to the invention, individual parts being shown in section,
FIG. 2 shows an injection molding arrangement which is somewhat modified compared to FIG. 1, in which between the plasticizing unit or
the injection cylinder and the mold, a piston cylinder with an injection piston is also arranged, and
3 shows the front end of the injection cylinder shown in FIGS. 1 and 2, the nozzle of which here, in deviation from FIG. 1, rests on the mold parting plane of a multi-part mold.
The injection molding arrangement shown in FIG. 1 essentially consists of the plasticizing unit with injection cylinder and the mold closing unit, which in the present exemplary embodiment are arranged vertically. The base plate 1 of the mold clamping unit carries the bars 2, 3 on which a stationary mold carrier plate 4 and a movable mold carrier plate 5 are guided. The mold halves 6 and 7, which are mounted on the mold carrier plates 4 and 5, are brought into the open and closed position by a piston 8, which in turn can be acted upon in a known manner in the pressure cylinder 9 with a pressure medium.
The injection cylinder 10 of the plasticizing unit has a screw 11 which is mounted rotatably and axially displaceably in its interior and which can be set in rotation by the electric motor 12 via the gearbox 13.
On the circumferential surface of the injection cylinder 10, some heating bands 14, 15 are arranged, the heat emission of which is controlled and monitored from the outside in a known manner, and with the help of which the material to be processed receives the required temperature. At the lower or ejection end of the injection cylinder 10, the nozzle 16 is attached, which in turn rests against the mold 6, 7 and thus connects the interior of the injection cylinder with the mold cavities. Although the nozzle 16 is shown as a ribbed nozzle in the drawings (to avoid heat transfer to the mold 6, 7), other nozzle constructions can also be used.
The material is fed into the injection cylinder 10 via the feed lines 17, 18 in the immediate vicinity of the rear end of the injection cylinder (monomer area a). The other end of the supply lines 17, 18 is each connected to a storage container 19, 20 in which the material to be processed, e.g. B. caprolactam is located.
So that the material to be processed always has the optimum temperature for the production of the molded part, the storage containers 19, 20 are provided with heating elements 21, 22, the temperatures of which are also to be controlled and monitored from the outside in a known manner. Since an equal amount of material corresponding to the filling volume of the mold must be dosed from the storage containers 19, 20 for each molded part to be produced, heatable dosing devices 23, 24 are installed in the supply lines 17, 18, for example, the amount of which can also be dispensed within a process sequence can be customized. These metering devices are preferably controlled in such a way that they open and close the feed lines 17, 18 in the working rhythm of the injection molding arrangement.
The gear housing 25 not only carries the injection cylinder 10 and the electric motor 12, but also the hydraulic cylinder 26. The hydraulic cylinder 26 itself has an annular piston 27, which can be supplied with pressure oil, for example, via the feed bore 28 and a pump unit (not shown). By appropriately controlled application, it is possible to move the screw 11 at any point in time of a process sequence in the axial direction or to apply at least a certain pressure pad to it.
The method according to the invention is carried out with the injection molding arrangement according to the invention shown in FIG. 1 as follows:
When the heating bands 14, 15 of the injection cylinder 10 and the heating elements 21, 22 of the storage container 19, 20 have reached the desired temperature after switching on the machine and the nozzle 16 of the injection cylinder 10 is in contact with the mold 6, 7, the metering devices 23, 24 the supply lines 17, 18, and a predetermined amount of the material to be processed flows from the storage containers 19, 20 into the injection cylinder 10.
The flow of the material into the injection cylinder 10 can be supported in an advantageous manner by the rotation of the screw 11, the screw 11 slowly screwing back in the dispensed material after a relatively short start-up time until the volume necessary for filling the mold is in front of the screw head .
The individual zones of the injection cylinder 10 are tempered differently for the method according to the invention. As examples, 1000 C (polymerisation area b) and 2500 C (melting or discharge area c) should be given for the process sequence. In the drawings, no heating band is provided for the monomer area a, since a separate temperature control of this area is not always necessary with different materials.
If, however, materials are to be processed for which special temperature control is required in the monomer area a, then a heating tape can also be installed in this area without great effort. An improvement in the sensitive temperature control and guidance within the injection cylinder can optionally be achieved by providing the screw 11 with a longitudinal bore 29 into which the required temperature control medium can be fed via the pipeline 30 and the coupling piece 31.
As it flows into the injection cylinder 10, the material is mixed, homogenized and compressed by the rotating screw 11. At the same time as these processes, the polymerization also begins in the injection cylinder 10, since the two material mixtures with catalyst and cocatalyst (activator) have met and are under the action of heat from the heating bands 14, 15 and possibly also the screw heater 29. The polymer formed in this way is then melted due to the higher heating power of the melting or ejection area c in the nozzle-side part of the injection cylinder 10 and finally pressed into the mold 6, 7 through the axial displacement of the screw 11, which is rotating or stationary, via the nozzle 16.
This mold filling is then followed by the holding pressure, which is preferably adapted to the shrinking process of the processed material. By appropriately controlled application of the annular piston 27, it is possible here to exercise any desired pressure on the solidifying molded parts. When the molded parts have cooled down and removed from the mold 6, 7, the next process sequence can begin. The amount of material to be dosed is then of course no longer as large as at the beginning of a production series, as only the melted material stored in front of the screw head is ejected with each mold filling.
There has been no mention of mold 6, 7 temperature control because normally a room temperature of around 200 C can guarantee a smooth process.
However, in certain cases it will be advantageous to send a cooling medium through the channels 32 of the mold halves 6 and 7 in order to be able to maintain the mold temperature, for example, in a range from 20 to 600 ° C. over any long period of time.
In the injection molding arrangement shown in FIG. 2, the material emerging from the nozzle 16 does not immediately enter the mold 6, 7, but first into the collecting chamber of a piston cylinder 33. From the collecting chamber of the piston cylinder 33, which in the exemplary embodiment shown only comes from one Heating band 34 is surrounded, the melted material is then subsequently pressed into the mold 6, 7 by means of an injection plunger 35. The axial movements of the injection piston 35 and the holding pressure provided according to the invention are brought about by the fact that the pressure piston 37, which is mounted displaceably in the hydraulic cylinder 36, is alternately acted upon with a pressure medium via the pipes 38 and 39.
Since there is also the possibility of combining all components into a solid powder, only one storage container 40 is used instead of several storage containers according to FIG. 2, which is connected to the injection cylinder 10 via the supply lines 41. The storage container 40 can also be equipped with heating elements 42 and the supply line 41 or the storage container itself expediently have a heatable metering device 43. Of course, the screw 11 can also be used as a metering element in a manner known per se if only one hopper is attached to the injection cylinder 10.
3 shows another possible variation with regard to other mold constructions. The mold is filled here via the nozzle 16 and the sprue channel lying in the mold parting plane 44 of the mold 45, 46. The mold halves 45 and 46 are also mounted here on mold carrier plates 47 and 48, at least one of these mold carrier plates being movable for the purpose of opening the mold, for example by a toggle system 49 or 50.
Without having to leave the bottom of the present invention, minor deviations from the exemplary embodiments shown here are conceivable. So there is u. a. the possibility of adding the entire cocatalyst (activator) or part of it to the materials to be processed only in the middle third of the injection cylinder or piston cylinder. The feed could take place through cylinder, piston or screw bores. Another addition could consist in attaching degassing devices at suitable points on the injection cylinder and / or piston cylinder, which, if necessary, ensure the removal of gaseous, volatile components.
PATENT CLAIM 1
A process for the production of dimensionally accurate polyamide moldings by means of ionic polymerization of caprolactam or mixtures of lactams, characterized in that liquid or powdery caprolactam or a mixture of lactams from at least one temperature-controlled storage container via at least one feed line is fed to the rear end of an injection cylinder and one is polymerized exposing the resulting temperature, then the formed polymer melts in the injection cylinder and finally the melt from the injection cylinder, which contains a rotatable and axially displaceable screw, through which the melt is ejected from the injection cylinder, feeds through a nozzle to a mold, presses it into this mold and solidify under pressure.
SUBCLAIMS
1. The method according to claim I, characterized in that a catalyst and a polymerization activator are added to the liquid or powdery caprolactam or the mixture of lactams.
2. The method according to claim I and dependent claim 1, characterized in that the material emerging from the nozzle of the injection cylinder is first allowed to pass into a piston cylinder (33) and then through the injection piston (35) mounted in it displaceably into at least one mold cavity of a multi-part Form (6, 7) conveyed, whereupon the injection plunger (35) exerts the intended holding pressure (Fig. 2).
3. The method according to claim I and dependent claim 1, characterized in that the material is pressed directly through the nozzle (16) into the mold cavity.
4. The method according to claim I and dependent claim 1, characterized in that the injection cylinder has all the necessary components polymerizable, optionally prepolymerized, forming a powder
Mixture is applied (Fig. 2).
5. The method according to dependent claims 2 and 4.
6. The method according to claim I, characterized in that the entire cocatalyst (activator) or part of the same to the caprolactam to be processed or
Mixture of lactams is only added in the middle third of the injection cylinder.
7. The method according to claim I or one of the claims 1 to 6, characterized in that the respective form to be filled is cooled.
PATENT CLAIM II
Injection molding arrangement for carrying out the method according to claim 1, characterized by one equipped with a rotatable and axially displaceable screw (11)
Injection cylinder (10), which is divided into three independently controllable tempering zones (a, b, c), and with its discharge end can be brought into connection with the respective mold (6, 7, 45, 46) to be filled, and one or more as a temperature-controlled storage container (19, 20, 40) with a feed line (17, 18, 41), which in the area of the rear
End of the injection cylinder opens into this.
SUBCLAIMS
8. Injection molding arrangement according to claim II, characterized in that several storage containers (19, 20) with associated supply lines (17, 18) are provided.
9. Injection molding arrangement according to claim II or
Sub-claim 8, characterized in that a temperature-controllable metering device (43 or 23, 24) is built into the supply line (41) or the supply lines (17, 18) and / or in the storage container (s) (40 or 19, 20) .
10. Injection molding arrangement according to claim II or dependent claim 8, characterized in that the injection cylinder (10) is arranged vertically.
11. Injection molding arrangement according to dependent claims 9 and 10.
12. Injection molding arrangement according to claim II or
Sub-claim 8, characterized in that the injection cylinder (10) is provided with degassing devices.
13. Injection molding arrangement according to dependent claims 9 and 12.
14. Injection molding arrangement according to dependent claims 10 and 12
15. Injection molding arrangement according to claim II, characterized by a with the mold cavity can be brought into connection piston cylinder (33) in which the
The nozzle (16) of the injection cylinder opens.
16. Injection molding arrangement according to dependent claim 15, characterized in that the piston cylinder (33) with
Degassing facilities is provided.
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