DE102007025053B4 - Verfahren zum Herstellen eines permanent magnetischen Formteiles und permanent magnetisches Formteil - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines permanent magnetischen Formteiles aus einem mit magnetischen Füllstoffen gefüllten polymeren Trägermaterial auf Basis eines aus mindestens einem Ausgangsmaterial heiß vulkanisierten Silikonkautschuks, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ausgangsmaterial des Silikonkautschuks in flüssiger Phase vor der Vulkanisation mit 50 bis 95 Gew.-% High-Energy-Ferritpartikeln einer Dichte von 5,0 bis 5,2 g/cmund einer durchschnittlichen Partikelgröße von 1,5 bis 2,5 µm sowie einer Remanenz von 155 bis 180 mT und einer intrinsischen Koerzitivität von 155 bis 250 kA/m als magnetischen Füllstoffen vermischt und homogenisiert wird und nachfolgend das homogenisierte Gemisch mittels einer temperierten Schnecke in einen Formhohlraum eingebracht wird und unter Wärmezufuhr im Formhohlraum unter Ausbildung des Formteiles durch Vulkanisation vernetzt, wobei während der Vernetzung im Formhohlraum ein statisches magnetisches Feld im Formhohlraum angelegt wird und die magnetischen Füllstoffe im vernetzenden Silikonkautschuk magnetisiert und ausgerichtet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines permanent magnetischen Formteiles aus einem mit magnetischen Füllstoffen gefüllten polymeren Trägermaterial auf Basis eines aus mindestens einem Ausgangsmaterial heiß vulkanisierten Silikonkautschuks sowie ein permanent magnetisches Formteil.
  • Permanent magnetische Formteile behalten nach einer Magnetisierung diese über lange Zeit bei, wobei häufig metallische Legierungen aus Eisen, Nickel und Aluminium mit Zusatz aus Kobalt, Mangan und Kupfer oder auch keramische Oxidwerkstoffe zum Einsatz kommen. Ferner können Magnete auch im Sinterverfahren aus so genannten seltenen Erden, wie z. B. Kobalt-Samarium oder Neodym-Eisen-Bor hergestellt werden. Eine alternative Vorgehensweise bei der Herstellung permanent magnetischer Formteile ist die Einbettung magnetischer Füllstoffe in ein polymeres Trägermaterial, wobei die magnetischen Füllstoffe in Form kleiner Partikel mit hohem Füllgrad in die Polymermatrix des Trägermaterials eingebracht werden und sodann einer Magnetisierung zugänglich sind. Der Vorteil derartiger mit einem polymeren Trägermaterial versehenen Magnete ist deren einfache großtechnische Herstellung, wobei solche Magnete auch komplexere Formgebung aufweisen können.
  • Beispielsweise kann man derartige Formteile aus mit metallischen Füllstoffen gefüllten polymeren Trägermaterialien im Spritzgussverfahren herstellen, wozu beispielhaft auf die EP 0 298 764 B1 verwiesen wird.
  • Als polymere Trägermaterialien eignen sich verschiedene Kunststoffe, etwa Polyamide, Polyolefine und dergleichen mehr.
  • Aus der DE 10 2004 041 746 A1 ist es bekannt, eine Kautschukmischung z. B. auf Basis von Silikonkautschuk mit einem nicht magnetischen Füllstoff und mindestens einem nanoskaligen magnetischen Füllstoff zu versehen und diese Kautschukmischung sodann einem wechselnden Magnetfeld auszusetzen, insbesondere Mikrowellenstrahlung, um eine Erwärmung und Ausformung des Formkörpers zu bewirken. Ein wirtschaftliches Herstellungsverfahren zur Herstellung eines permanent magnetischen Formteiles aus einem mit magnetischen Füllstoffen gefüllten polymeren Trägermaterial auf Basis von Silikonkautschuk ist der DE 10 2004 041 746 A1 nicht zu entnehmen.
  • Die DE 2 064 811 A1 offenbart eine organische polymere Masse, die mit Ferriten gefüllt ist, um magnetisierbar zu werden und nach Verlegung auf einer Straßendecke Fahrzeuge zu leiten.
  • Die EP 1 267 406 A2 und EP 1 146 085 A1 offenbaren mit magnetischen Füllstoffen gefüllte Silikonkautschuke zum Absorbieren elektromagnetischer Wellen.
  • Weitere mit magnetischen Füllstoffen versehene Elastomere auf Basis von Silikon sind Gegenstand der JP 2005320390 A , JP 2002322361 A , JP 2000302970 A und JP H11-116820 A sowie der US 2003/0220443 A1 .
  • Die DE 10 2004 041 649 A1 beschreibt magnetorheologische Elastomere auf Basis von ferritgefüllten giessfähigen Silikonen.
  • Ferner ist es bekannt, aus zwei Silikonkautschukkomponenten als Ausgangsmaterial bestehende Silikonkautschuke in einer Spritzgussform heiß zu vulkanisieren und auf diese Weise einen Formkörper auszubilden, wozu beispielsweise auf die EP 1 293 323 B1 verwiesen wird. Ein Zusatz von magnetischen Füllstoffen und/oder eine Magnetisierung, um magnetische Formkörper herzustellen, ist jedoch nicht vorgesehen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines permanent magnetischen Formteiles aus einem mit magnetischen Füllstoffen gefüllten polymeren Trägermaterial auf Basis eines heiß vulkanisierten Silikonkautschuks vorzuschlagen, welches auf einfache Weise durchführbar ist und die Herstellung von permanent magnetischen Formteilen mit hoher magnetischer Flussdichte und homogener Verteilung des Magnetfeldes ermöglicht.
  • Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Formteil gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 7 vorgeschlagen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den zeitlich aufeinander folgenden Ablauf folgender Schritte gekennzeichnet:
    1. 1. Zunächst wird das mindestens eine in flüssiger Phase bereitgestellte Ausgangsmaterial des Silikonkautschuks mit mit 50 bis 95 Gew.-% High-Energy-Ferritpartikeln einer Dichte von 5,0 bis 5,2 g/cm3 und einer durchschnittlichen Partikelgröße von 1,5 bis 2,5 µm sowie einer Remanenz von 155 bis 180 mT und einer intrinsischen Koerzitivität von 155 bis 250 kA/m als magnetischen Füllstoffen vermischt und möglichst weitgehend homogenisiert.
    2. 2. Sodann wird das mit den magnetischen Füllstoffen vermischte und homogenisierte Ausgangsmaterial mittels einer temperierten Schnecke in einen Formhohlraum eingebracht und unter Wärmezufuhr im Formhohlraum unter Ausbildung des Formteiles durch Vulkanisation vernetzt, wobei während der Vernetzung im Formhohlraum ein statisches magnetisches Feld im Formhohlraum angelegt wird und die magnetischen Füllstoffe im vernetzenden Silikonkautschuk magnetisiert und ausgerichtet werden.
  • Erfindungsgemäß wird somit der an sich bekannte Vernetzungsmechanismus von heiß vulkanisierenden Silikonkautschuken ausgenutzt, deren Ausgangsmaterial in flüssiger Phase vorliegt und unter Ausnutzung der Wärme im Formhohlraum über eine Additionsvernetzung vulkanisiert wird und hierbei den gewünschten Formkörper ausbildet.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass über den Zeitraum, in welchem das das reaktionsfähige Gemisch bildende und mit magnetischen Füllstoffen gefüllte Ausgangsmaterial in den Formhohlraum gemeinsam eingebracht wird und durch die Wärmezufuhr zu vernetzen beginnt, auch gleichzeitig ein statisches magnetisches Feld im Formhohlraum angelegt wird, so dass die in das Ausgangsmaterial eingebrachten magnetischen Füllstoffe magnetisiert werden, wodurch das sich schließlich einstellende Formteil seine permanent magnetischen Eigenschaften erhält.
  • Da zu Beginn des Form- bzw. Vernetzungsvorganges innerhalb des Formhohlraumes das Ausgangsmaterial in flüssiger Phase vorliegt, ist es den darin enthaltenen magnetischen Füllstoffen möglich, sich entlang der Feldlinien des angelegten statischen magnetischen Feldes auszurichten, bevor durch die fortschreitende Vernetzung eine Erstarrung des Formteiles unter Ausfüllung des Formhohlraumes eintritt, durch welchen sodann auch die magnetischen Füllstoffe fest in der Polymermatrix eingebunden und von einer späteren Abweichung von der eingenommenen Orientierung abgehalten werden.
  • Bei üblichen Vulkanisationstemperaturen von etwa 100 bis 220°C im Formwerkzeug erfolgt die Vernetzungsgeschwindigkeit z. B. mit etwa 5 s/mm Wanddicke des Formteiles, so dass für die Ausrichtung der magnetischen Füllstoffe in der zunächst flüssigen reaktionsfähigen Mischung des Ausgangsmaterials ausreichend Zeit verbleibt. Bei Bedarf kann eine durchgängige Vernetzung in einem nachfolgenden Temperschritt abgeschlossen werden.
  • Im Ergebnis wird ein permanent magnetisches Formteil in der durch den Formhohlraum vorgegebenen Konfiguration erhalten, welches sich aufgrund des hohen Füllgrades mit magnetischen Füllstoffen und die Ausrichtung der magnetischen Füllstoffe innerhalb der Polymermatrix durch hohe Flussdichte und besondere Gleichförmigkeit des Magnetfeldes auszeichnet.
  • Gleichzeitig sichert die Verwendung des polymeren Trägermaterials aus einem heiß vulkanisierten Silikonkautschuk, dass das solchermaßen hergestellte permanent magnetische Formteil auch bei Anwendungen mit höherer Temperaturbelastung problemlos einsetzbar ist, da sich Silikonkautschuke durch eine hohe Dauerwärmebeständigkeit von bis zu 250°C auszeichnen und überdies sehr elastisch sind.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte permanent magnetische Formteile auf Basis eines polymeren Trägermaterials lassen sich daher auch in Umgebungen mit hoher vorherrschender Temperatur zuverlässig einsetzen, so dass Anwendungsbereiche erschlossen werden können, die bislang für auf polymeren Trägermaterialien wie z. B. Polyolefinen basierenden Magneten nicht nutzbar gewesen sind.
  • Es hat sich im Rahmen der Erfindung überraschend gezeigt, dass es möglich ist, bei entsprechender Auswahl des Ausgangsmaterials des Silikonkautschuks dieses mit etwa 50 bis 95 Gew.-% magnetischen Füllstoffen zu füllen und zu vermischen, so dass hohe magnetische Flussdichten im herzustellenden permanent magnetischen Formteil erreicht werden können.
  • Als magnetische Füllstoffe werden High-Energy-Ferritpartikel mit einer Dichte von 5,0 bis 5,2 g/cm3 und einer durchschnittlichen Partikelgröße von 1,5 bis 2,5 µm eingesetzt werden. Deren Remanenz beträgt bevorzugt 155 bis 180 mT und sie weisen eine intrinsische Koerzitivität von 155 bis 250 kA/m auf.
  • Um eine durchgängige und schnell ablaufende Vernetzung der gemeinsam in den Formhohlraum eingebrachten Ausgangsmaterials zu erzielen, wird der Formhohlraum auf eine geeignete Temperatur im Bereich von 100 bis 220°C beheizt, wobei die Temperatur vom Fachmann in Abhängigkeit von der jeweiligen Auslegung des Formteiles und des verwendeten Ausgangsmaterials auszuwählen ist.
  • Das Ausgangsmaterial zur Herstellung des heiß vulkanisierten Silikonkautschuks kann als 1- oder 2-Komponentensystem vorliegen.
  • Im Falle der Verwendung eines aus einem 1-Komponentensystem gebildeten Ausgangsmaterials werden die magnetischen Füllstoffe bevorzugt mit einem Rührwerk oder dergleichen in das Ausgangsmaterial eingebracht und mit diesem homogen vermischt. Die Beschickung der Verarbeitungsmaschinen, d. h. der Spritzgussmaschine oder des Extruders, kann sodann mittels Druck aus einer Kartusche erfolgen.
  • Im Falle der Verwendung eines aus einem 2-Komponentensystem gebildeten Ausgangsmaterials wird dieses zur Erzielung einer guten Homogenität nach Einbringung der magnetischen Füllstoffe in einem Anteil von 50 bis 95 Gew.-% bevorzugt in einem statischen Mischer gekühlt und homogenisiert und aus dem statischen Mischer mittels einer temperierten, d. h. gekühlten Schnecke in ein beheiztes, den Formhohlraum definierendes Werkzeug eingebracht und zum Formteil ausgeformt, wie es allgemein aus der Verfahrensweise zum Spritzgießen von Flüssigsilikonkautschuk (LSR) bekannt ist. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, das Ausgangsmaterial vorab mit den geeigneten magnetischen Füllstoffen in hohem Anteil zu füllen und während der Vernetzung und Ausbildung des Formteiles im Formhohlraum ein starkes statisches magnetisches Feld im Formhohlraum zu erzeugen, um die magnetischen Füllstoffe im sich vernetzenden Silikonkautschuk zu magnetisieren und auszurichten. Neben dem Spritzgussverfahren kommt auch hier die Verarbeitung nach dem Extrusionsverfahren in Betracht.
  • Das angelegte statische Magnetfeld kann beispielsweise durch Ausbildung von Permanentmagneten oder Elektromagneten ausreichender Stärke und Anzahl in bzw. an den Wandungen des den Formhohlraum ausbildenden Werkzeuges erzeugt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für die Anwendung mit verschiedenen zur Herstellung eines heiß vulkanisierten Silikonkautschuks geeigneten Ausgangsmaterialien.
  • Gemäß einem Vorschlag der Erfindung wird als Ausgangsmaterial ein vulkanisationsfähiges 1-Komponentensystem eingesetzt, wie es handelsüblich als sofort verarbeitungsfähiges System z. B. unter der Bezeichnung Addisil IND 1040 E erhältlich ist (Addisil ist eine Marke der Momentive Performance Materials Holdings Inc.).
  • Es hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass ein solches 1-Komponentensystem zur Ausbildung eines heiß vulkanisierten Silikonkautschuks sich mit hoher Homogenität mit etwa 50-95 Gew.-% magnetischen Füllstoffen füllen lässt.
  • Alternativ ist es im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen, als Ausgangsmaterial ein 2-Komponentensystem aus zwei separat bereitgestellten Silikonkautschukkomponenten zu verwenden, die zunächst zu einem vulkanisationsfähigen Gemisch vermischt werden müssen, um unter Vernetzung den Silikonkautschuk auszubilden. Ein Beispiel eines derartigen Ausgangsmaterials ist unter der Bezeichnung Addisil IND 2040 E handelsüblich erhältlich (Addisil ist eine Marke der Momentive Performance Materials Holdings Inc.). In diesem Falle wird vorgeschlagen, dass mindestens eine der Komponenten, vorzugsweise aber beide Komponenten mit den magnetischen Füllstoffen vermischt und homogenisiert werden, anschließend in einem Zwischenschritt die mit magnetischen Füllstoffen gefüllten Komponenten zu dem vulkanisationsfähigen Gemisch vermischt und homogenisiert werden und das Gemisch dann in den Formhohlraum eingebracht wird, wo es unter Wärmezufuhr und unter Magnetisierung und/oder Ausrichtung der magnetischen Füllstoffe zu dem Formkörper vernetzt.
  • Die Vermischung und Homogenisierung der zwei Komponenten des Ausgangsmaterials kann wiederum in einem statischen und vorzugsweise gekühlten Mischer erfolgen.
  • Unabhängig von der Wahl des Ausgangsmaterials ist das erfindungsgemäße Verfahren sowohl zur Integration in ein Spritzgussverfahren wie auch zur Integration in ein Extrusionsverfahren zur Herstellung der Formteile geeignet.
  • Im Falle der Integration in ein Spritzgussverfahren wird das vulkanisationsfähige Ausgangsmaterial in das beheizte, den Formhohlraum definierende Spritzgusswerkzeug eingebracht und dort unter Wärmezufuhr in der bereits beschriebenen Weise zum Formteil ausgeformt, wobei innerhalb des Formhohlraumes ein ausreichend starkes magnetisches Feld erzeugt wird, welches die Magnetisierung und/oder Ausrichtung der im Ausgangsmaterial enthaltenen magnetischen Füllstoffe bewirkt.
  • Sofern das erfindungsgemäße Verfahren in ein Extrusionsverfahren integriert wird, wird das vulkanisationsfähige und mit den magnetischen Füllstoffen gefüllte Ausgangsmaterial kontinuierlich in ein Extrusionswerkzeug gefördert und während des Durchlaufs durch das Werkzeug zu dem Formteil ausgeformt, wobei gleichzeitig innerhalb des Extrusionswerkzeuges ein ausreichend starkes magnetisches Feld erzeugt wird, welches die gewünschte Magnetisierung und/oder Ausrichtung der im Ausgangsmaterial enthaltenen magnetischen Füllstoffe bewirkt.
  • Bei Bedarf kann an den Formvorgang zur Ausbildung des magnetisierten Formteiles noch ein Temperschritt angeschlossen werden, d. h. die hergestellten Formteile werden für eine bestimmte Zeit in einen Temperofen eingebracht, bis die Vernetzung des Silikonkautschuks abgeschlossen ist.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Herstellen eines permanent magnetischen Formteiles aus einem mit magnetischen Füllstoffen gefüllten polymeren Trägermaterial auf Basis eines aus mindestens einem Ausgangsmaterial heiß vulkanisierten Silikonkautschuks, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ausgangsmaterial des Silikonkautschuks in flüssiger Phase vor der Vulkanisation mit 50 bis 95 Gew.-% High-Energy-Ferritpartikeln einer Dichte von 5,0 bis 5,2 g/cm3 und einer durchschnittlichen Partikelgröße von 1,5 bis 2,5 µm sowie einer Remanenz von 155 bis 180 mT und einer intrinsischen Koerzitivität von 155 bis 250 kA/m als magnetischen Füllstoffen vermischt und homogenisiert wird und nachfolgend das homogenisierte Gemisch mittels einer temperierten Schnecke in einen Formhohlraum eingebracht wird und unter Wärmezufuhr im Formhohlraum unter Ausbildung des Formteiles durch Vulkanisation vernetzt, wobei während der Vernetzung im Formhohlraum ein statisches magnetisches Feld im Formhohlraum angelegt wird und die magnetischen Füllstoffe im vernetzenden Silikonkautschuk magnetisiert und ausgerichtet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formhohlraum auf eine Temperatur von 100 bis 200°C beheizt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial ein vulkanisationsfähiges 1- Komponentensystem eingesetzt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial ein 2-Komponentensystem verwendet wird, wobei mindestens eine der Komponenten mit den magnetischen Füllstoffen vermischt und homogenisiert wird und anschließend die Komponenten zu einem vulkanisationsfähigen Gemisch vermischt und homogenisiert werden und das Gemisch dann in den Formhohlraum eingebracht und unter Magnetisierung und Ausrichtung der magnetischen Füllstoffe vernetzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial in einem statischen Mischer gekühlt und homogenisiert wird und aus dem statischen Mischer mittels einer gekühlten Schnecke in ein beheiztes, den Formhohlraum definierendes Werkzeug nach dem Spritzgussverfahren oder nach dem Extrusionsverfahren eingebracht und zum Formteil ausgeformt werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil in einem nachgeordneten Schritt getempert wird.
  7. Permanent magnetisches Formteil, hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 6 aus einem mit 50 bis 95 Gew.-% High-Energy-Ferritpartikeln einer Dichte von 5,0 bis 5,2 g/cm3 und einer durchschnittlichen Partikelgröße von 1,5 bis 2,5 µm sowie einer Remanenz von 155 bis 180 mT und einer intrinsischen Koerzitivität von 155 bis 250 kA/m gefüllten Silikonkautschuk.
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