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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines vernetzten Formteils aus einer vernetzbaren Zusammensetzung und ein vernetztes Formteil, hergestellt nach diesem Verfahren.
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Aus dem Stand der Technik ist seit langem bekannt, Polyethylen zu vernetzen, um damit die Vorteile eines durch die Vernetzung veränderten Eigenschaftsprofils zu nutzen.
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Durch die Vernetzung des Polyethylens wird beispielsweise die Zähigkeit, die Temperaturwiderstandsfähigkeit und die Oberflächenhärte des Materials gegenüber unvernetztem Polyethylen in hohem Maße verbessert.
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Aus dem Stand der Technik lässt sich Polyethylen (PE) peroxidisch zu PE-Xa oder silanisch zu PE-Xb oder unter Verwendung von Elektronen- oder Gammastrahlen zu PE-Xc vernetzen.
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Daneben ist auch die Vernetzung von Polyethylen unter Einwirkung von UV-Strahlung bekannt.
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Im Fall der peroxidischen Vernetzung zu PE-Xa erfolgt der für die Radikalbildung und damit Vernetzung erforderliche Energieeintrag in Form einer entsprechend hohen Temperatur, die über das Werkzeug bei der Formgebung des aus vernetzbarem Polyethylen bestehenden Körpers oder mit Hilfe von auf den geformten Körper einwirkende IR-Strahlung oder mit Hilfe einer Schmelze, die Temperatur auf diesen Formkörper berührend überträgt.
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Nachteilig ist hier in allen Fällen, dass die notwendige Temperatur, die erforderlich ist, den Vernetzungsprozess durch Radikalbildung des eingesetzten Peroxids zu starten, auf den Körper ungleichmäßig einwirkt.
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So ist es beispielsweise bei der Produktion eines Rohres im Extrusionsverfahren nur möglich, Wärme in die äußere Oberflächenschicht einzutragen. Soll jedoch Wärme vom Hohlraum aus in die diesen begrenzende innere Oberflächenschicht abgegeben werden, so wirken hierbei verschiedene limitierende Faktoren.
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Nachteilig ist daher, dass die den Körper begrenzende Wandung niemals als Ganzes – also insbesondere auch in ihrem inneren Kern – homogen erwärmt werden kann, was Probleme beispielsweise hinsichtlich einer gleichmäßigen Vernetzung nach sich zieht.
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Hier setzt die Erfindung ein, die es sich zur Aufgabe gestellt hat, ein Verfahren zur Herstellung eines vernetzten Formteils sowie ein Formteil, das entsprechend dem Verfahren hergestellt ist, anzugeben, das die geschilderten Nachteile des Standes der Technik überwindet.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst gemäß der Merkmale des Patentanspruchs 1.
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Erfindungsgemäß wird dazu ein Verfahren zur Herstellung eines vernetzten Formteils aus einer vernetzbaren Zusammensetzung vorgeschlagen, welche Polyethylen enthält, mit folgenden Verfahrensschritten:
- – Bereitstellen einer vernetzbaren Zusammensetzung, die Polyethylen und wenigstens ein organisches Peroxid enthält,
- – Bereitstellen von Teilchen, die elektromagnetische Wellen absorbieren,
- – homogenes Vermischen der Zusammensetzung mit den Teilchen,
- – Formen eines Formteils aus der mit Teilchen homogen vermischten Zusammensetzung,
- – Einwirken lassen von elektromagnetischer Strahlung auf das Formteil, wodurch die Vernetzung der mit Teilchen homogen vermischten Zusammensetzung erfolgt.
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Es gelingt damit, durch das Vorsehen von Teilchen, die elektromagnetische Wellen absorbieren, welche homogen in der vernetzbaren Zusammensetzung, die Polyethylen und wenigstens ein organisches Peroxid enthält, verteilt ist, nach Einwirkenlassen von elektromagnetischer Strahlung auf das aus der Zusammensetzung geformte Formteils dieses sehr gleichmäßig zu vernetzen.
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Insbesondere gelingt es erfindungsgemäß, dass die vernetzbare Zusammensetzung, die Polyethylen und wenigstens ein organisches Peroxid enthält, sowie die Teilchen, die elektromagnetische Wellen absorbieren, durch Einwirkenlassen von elektromagnetischer Strahlung an allen Stellen und insbesondere gleichzeitig und in gleicher Weise zu vernetzen.
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Hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass der Vernetzungsprozess nicht zunächst an der Oberfläche des Formteils beginnt und sich dann – wie aus dem Stand der Technik bekannt – langsam durch die begrenzte thermische Leitfähigkeit des Polyethylens limitiert in das Material hinein fortsetzt, sondern dass die Vernetzung sowohl oberflächlich, wie auch im Kern des Materials startet und abläuft.
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Als Polyethylen (PE) wird ein solches ausgewählt, das in einer Mischung mit einem Peroxid vernetzbar ist.
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Bevorzugt sind hier besonders so genannte ”Phillips”-Typen.
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Derartige Phillips-Typen werden mittels Chromkatalysator auf Silikatträger in einem Polymerisationsverfahren hergestellt.
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Wenn das Formteil ein Hohlkörper ist, welcher im Blasverfahren hergestellt wird, ist das eingesetzte Polyethylen ein so genanntes blasfähiges Polyethylen.
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Hierzu wird ein entsprechend niederviskoses Polyethylen ausgewählt, der MFI beträgt 0,1 bis 2 g/10 min bei 190°C, Belastung 2,16 kg.
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Die Dichte eines solchen blasfähigen Polyethylens beträgt 0,93 bis 0,965 g/cm3, bevorzugt 0,948 bis 0,960 g/cm3.
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Neben Polyethylen kann auch ein Polyethylen-Copolymer zum Blasen eingesetzt werden, bevorzugt ist dabei ein Comonomer eines Polyolefins auf Basis eines C3- bis C8-Bausteins.
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Wenn das Formteil ein Extrudat ist, wird ein extrudierbares Polyethylen verwendet. Hierzu wird ein entsprechend hochviskoses, hochmolekulares Polyethylen ausgewählt, der MFI beträgt 1 bis 12 g/10 min bei 190°C, Belastung 21,6 kg. Die Dichte eines solchen extrudierbaren Polyethylens beträgt 0,93 bis 0,965 g/cm3, bevorzugt 0,948 bis 0,960 g/cm3.
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Neben Polyethylen kann auch ein Polyethylen-Copolymer zum Extrudieren eingesetzt werden, bevorzugt ist dabei ein Comonomer eines Polyolefins auf Basis eines C3- bis C8-Bausteins.
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Als organisches Peroxid wird ein solches ausgewählt, das bei einer bestimmten Temperatur oder in einem bestimmten Temperaturbereich freie Radikale bildet, die ihrerseits die Vernetzung des vernetzbaren Polyethylens starten.
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Erfindungsgemäß werden hierzu organische Peroxide eingesetzt, die eine typische Vernetzungstemperatur von größer/gleich 170°C aufweisen.
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Ganz besonders sind solche bevorzugt, die eine Vernetzungstemperatur von größer/gleich 175°C aufweisen.
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Auf diese Weise wird eine besonders gleichmäßige und hochgradige Vernetzung des Polyethylens erreicht.
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Beispiele für solche Peroxide sind: 2,5-Dimethyl-2,5-di(tert-butylperoxy)hexan (CAS 78-63-7), Di-tert-butyl-peroxid (CAS 110-05-4), 2,5-Dimethyl-2,5-di(tert-butyl-peroxy)hexin-3 (CAS 1068-27-5) oder 3,3,5,7,7-Pentamethyl-1,2,4-trioxepan (215877-64-8).
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird als elektromagnetische Strahlung Mikrowellenstrahlung mit einer Wellenlänge von 1.000 mm bis 1 mm gewählt.
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Durch Auswahl von Mikrowellenstrahlung einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereiches lässt sich erreichen, dass die Vernetzung besonders effektiv abläuft.
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Ebenso kann damit erreicht werden, dass Vernetzungsgeschwindigkeit und zu erreichender Vernetzungsgrad an die jeweiligen Fertigungsbedingungen besonders gut angepasst werden.
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Von besonderem Vorteil ist in diesem Zusammenhang, wenn die Teilchen, die elektromagnetische Wellen absorbieren, derart ausgewählt sind, dass diese Mikrowellen-sensible ferromagnetische Metallpartikel umfassen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, welche umfasst Eisen, Kobalt, Nickel und deren Legierungen, und/oder Ferrite, bestehend aus einer Mischung aus Eisen-, Nickel-, Zink- oder Manganoxid.
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Die genannten Mikrowellen-sensiblen ferromagnetischen Metallpartikel lassen sich besonders gut durch Mikrowellenstrahlung anregen und geben somit Wärmeenergie an die vernetzbare Zusammensetzung ab, die Polyethylen und wenigstens ein organisches Peroxid enthält, wodurch die Vernetzung eingeleitet und weiter abläuft.
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Auch sind die genannten Ferrite für diesen Einsatzzweck besonders brauchbar.
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Es hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders günstig erwiesen, wenn die Teilchen eine Teilchengröße von 1 μm bis 40 μm aufweisen, insbesondere wenn sie eine Korngrößenverteilung von d10 = 5 μm, d50 = 10 μ und d90 = 25 μm besitzen.
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Teilchen derartiger Teilchengröße und Korngrößenverteilung lassen sich in besonders effektiver Weise in der vernetzbaren Zusammensetzung, die Polyethylen und wenigstens ein organisches Peroxid enthält, homogen verteilen.
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Sehr vorteilhaft werden bei der vorliegenden Erfindung die Teilchen in einer Menge von 5 bis 50 Gew.-% der vernetzbaren Zusammensetzung zugegeben.
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Durch die Wahl der Zugabemenge der Teilchen zur vernetzbaren Zusammensetzung kann einerseits der Vernetzungsprozess entsprechend gewählt werden, so dass beispielsweise eine höhere Zugabemenge an Teilchen die Vernetzung schneller ablaufen lässt und einen höheren Vernetzungsgrad nach sich zieht.
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Andererseits sind die mechanischen Eigenschaften des vernetzten Formteils auch durch die Menge der Teilchen in der vernetzbaren Zusammensetzung bestimmt.
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So werden bei höherer Zugabe der Teilchen in der vernetzbaren Zusammensetzung beispielsweise engere E-Modul-Werte erreicht.
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In günstiger Weise können der vernetzbaren Zusammensetzung weiterhin noch Verarbeitungshilfsmittel, welche ausgewählt sein können aus Stabilisatoren, Farbmitteln, Gleitmitteln, Antistatikmitteln, Vernetzungsverstärkern und Treibmitteln, die physikalisch und/oder chemisch wirken, zugegeben werden.
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Vernetzungsverstärker, wie beispielsweise TAC (Triallylcyanurat) oder TAIC (Triallylisocyanurat) oder Trimethylolpropantrimethacrylat oder Divinylbenzol oder Diallylterephthalat oder Triallyltrimellitat oder Triallylphosphat, können in Konzentrationen von 0,2 bis 2,0 Gewichtsprozent zugegeben werden. Diese bewirken eine Erhöhung des Vernetzungsgrades bei der Vernetzung.
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Es ist damit möglich, das Formteil aus der vernetzbaren Zusammensetzung gemäß seiner zu erreichenden Spezifikation beispielsweise hinsichtlich Witterungsbeständigkeit und Farbwahl sehr genau anzupassen. Auch der Herstellungsprozess, beispielsweise was die Geschwindigkeit der Extrusion angeht, lässt sich so entsprechend berücksichtigen.
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Das aus der vernetzbaren Zusammensetzung durch Formen hergestellte Formteil kann vorteilhafterweise in einem Formgebungsprozess, welcher ausgewählt ist aus einem Extrusionsprozess oder einem Spritzgussprozess oder einem Pressprozess oder einem Blasprozess oder einem Tiefziehprozess oder einem Thermoformprozess oder einer Kombination aus den vorgenannten Prozessen, gebildet sein.
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Da nach dem Formgebungsprozess, bei dem aus der vernetzbaren Zusammensetzung ein Formteil geformt wird, auf das Formteil elektromagnetische Strahlung einwirkt, kann dort vorteilhafterweise der Vernetzungsgrad bestimmt werden.
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So hat sich gezeigt, dass es besonders günstig im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist, wenn ein Vernetzungsgrad von wenigstens 50%, bevorzugt ein solcher von 60 bis 90% erreicht wird.
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Bei einem derartigen Vernetzungsgrad werden besonders widerstandsfähige Formteile erhalten.
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Die Vernetzung findet vorteilhaft in einer Strecke statt, die einen Extruder oder eine Formgebungsvorrichtung aufweist, mit der Formteile, wie beispielsweise Rohre oder Formteile möglichst kontinuierlich herstellbar sind, die dann sofort der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt werden und so vernetzen. Als Mikrowellenquelle kann dazu beispielsweise ein Mikrowellenerzeuger dienen, durch den die Formteile durchlaufen.
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Vorteilhafterweise werden dadurch gleich vernetzte Formteile erhalten.
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Es ist auch möglich, zunächst die Formteile herzustellen und dann beispielsweise nach einer Zwischenlagerung die Vernetzung der Formteile durchzuführen, indem diese der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt sind. Damit können beispielsweise an den noch nicht vernetzten Formteilen weitere Arbeitsgänge, wie beispielsweise Kunststoffschweißarbeiten vor der Vernetzung durchgeführt werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Formteil, hergestellt nach dem vorstehend geschilderten Verfahren.
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Ebenso umfasst die Erfindung auch ein System mit wenigstens einem Formteil der vorstehend geschilderten Art.
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Als System ist in diesem Zusammenhang zum Beispiel ein Medienleitungssystem aufzufassen, das aus Rohren und Rohrformteilen besteht, wobei Rohre und/oder Rohrformteile nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind.
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Als Formteile sind solche ausgewählt, die Rohre, Rohrformteile, wie Kniestücke, Bögen, Abzweige, T-Stücke, Stopfen, Übergangsstücke, Reduzierstücke, und ähnliche umfassen. Weiterhin sind als Formteile auch solche aufzufassen, die Anwendung in der Bautechnik, wie Fensterformteile, Formteile beim Gebäudebau, Formteile in der Medienleitungstechnik, Formteile in der Energiegewinnungstechnik, der Energieerzeugungstechnik, der Energieverteilungstechnik, und der Energieumwandlungstechnik, insbesondere im Bereich Elektrotechnik, finden. In der Industrie können Formteile ausgewählt sein, wie Möbelformteile, Formteile, die bei Haushaltsgeräten Anwendung finden, oder Formteile aus dem Bereich der Wohnungsausstattung. Schließlich sind auch Formteile in der Medizin-, Pharmazie-, Lebensmittel-, Getränke- und Landwirtschaftstechnik, oder Formteile für den Sport- und Freizeitbedarf von der vorstehend beschriebenen Erfindung umfasst.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der diese illustrierenden Figuren wie folgt näher erläutert:
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Hierzu zeigt:
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1 einen Querschnitt durch ein Formteil aus einer vernetzbaren Zusammensetzung mit unvernetzten Polymerketten;
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2 ein Formteil nach dem Einwirken elektromagnetischer Strahlung mit vernetzten Polymerketten.
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1 zeigt im Querschnitt ein Formteiles 1, das hier als Rohr 2 ausgebildet ist.
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Das Rohr 2 weist eine Wandung auf, welche eine homogen vermischte Zusammensetzung 4 enthält, in der Teilchen 3, die elektromagnetische Wellen absorbieren, enthalten sind.
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In der homogen vermischten Zusammensetzung 4 sind unvernetzte Polymerketten 8 enthalten.
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Das Rohr 2 weist weiterhin eine Außenoberfläche 5 und eine Innenoberfläche 6 auf.
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Nach Einwirkenlassen von elektromagnetischer Strahlung auf das Formteil 1 gemäß 1 erfolgt die Vernetzung der vernetzbaren Zusammensetzung 4, die Polyethylen und wenigstens ein organisches Peroxid, sowie Teilchen 3, die elektromagnetische Wellen absorbieren, enthält.
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2 zeigt im Querschnitt ein Formteil 1, welches hier als Rohr 2 ausgebildet ist.
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In der homogen vermischten Zusammensetzung 4, die Teilchen 3, welche elektromagnetische Wellen absorbieren, enthält und die Wandung des Rohres 2 bildet, sind nach der Vernetzung Polymerketten 9, welche vernetzt sind, enthalten.
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Das Formteil 1 ist demnach nach Einwirken der elektromagnetischen Strahlung vernetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formteil
- 2
- Rohr
- 3
- Teilchen, die elektromagnetische Wellen absorbieren
- 4
- homogen vermischte Zusammensetzung
- 5
- Außenoberfläche
- 6
- Innenoberfläche
- 8
- Polymerkette, unvernetzt
- 9
- Polymerkette, vernetzt
