DE102011119939A1 - Method of making a composite, the composite and the use of the composite to make certain products - Google Patents
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Abstract
Vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs mittels Wirbelschichttechnologie, insbesondere durch Granulation in einer Strahlschichtanlage, und Warmpressen, wobei der Verbundwerkstoff aus mindestens einer ersten Materialfraktion A und mindestens einem Polymer oder Biopolymer besteht und das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Erzeugen einer fluidisierten Partikelschicht bestehend aus der mindestens ersten Materialfraktion und einem Fluidstrom, Eindüsen einer Lösung aus mindestens einem Lösungsmittel und dem mindestens einen Polymer (Biopolymer) oder einer Schmelze des mindestens einen Polymers in die Wirbelschicht, Granulieren der mindestens ersten Materialfraktion A in Kombination mit dem mindestens einen Polymer zu einem Granulat und Verpressen des Granulats unter Wärmezufuhr, wobei das Granulat in einem Temperaturbereich oberhalb einer Raumtemperatur und unterhalb einer Zersetzungstemperatur des mindestens einem Polymers erwärmt wird.The present invention discloses a process for the production of a composite material by means of fluidized bed technology, in particular by granulation in a jet bed installation, and hot pressing, wherein the composite material consists of at least a first material fraction A and at least one polymer or biopolymer and the method comprises the steps of: generating a fluidized particle layer consisting of the at least first material fraction and a fluid stream, injecting a solution of at least one solvent and the at least one polymer (biopolymer) or a melt of the at least one polymer into the fluidized bed, granulating the at least first material fraction A in combination with the at least one polymer a granulate and pressing the granules with heat, wherein the granules in a temperature range above a room temperature and below a decomposition temperature of the at least one polymer heated w ill.
Description
1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs mittels Wirbelschichttechnik, insbesondere Strahlschichtgranulation, und Warmpressen, wobei der Verbundwerkstoff aus mindestens einer ersten Materialfraktion und mindestens einem Polymer oder Biopolymer besteht. Des Weiteren betrifft vorliegende Erfindung die mit dem oben genannten Verfahren hergestellten Verbundwerkstoffe sowie die Verwendung dieser Verbundwerkstoffe zur Herstellung von bestimmten Produkten.The present invention relates to a method for producing a composite material by means of fluidized bed technology, in particular spouted bed granulation, and hot pressing, wherein the composite material consists of at least a first material fraction and at least one polymer or biopolymer. Furthermore, the present invention relates to the composite materials produced by the above-mentioned method and to the use of these composite materials for the production of certain products.
2. Hintergrund der Erfindung2. Background of the invention
Bekannte Verbundwerkstoffe bestehen häufig aus einer Mischung von beispielsweise Keramikpartikeln und/oder Metallpartikeln und mindestens einem Polymer. Die Keramikpartikel und die Metallpartikel können aus unterschiedlicher Keramik und unterschiedlichen Metallen bestehen und auch unterschiedliche Korngrößenverteilungen, mittlere Korngrößen und Partikelformen aufweisen.Known composites often consist of a mixture of, for example, ceramic particles and / or metal particles and at least one polymer. The ceramic particles and the metal particles may consist of different ceramics and different metals and also have different particle size distributions, average particle sizes and particle shapes.
Die Eigenschaften des Verbundwerkstoffs werden durch die Materialanteile beeinflusst, die in dem Verbundwerkstoff verarbeitet sind. So wird beispielsweise für viele Anwendungen ein hoher Keramikanteil in Verbundwerkstoffen angestrebt, da beispielsweise der Elastizitätsmodul und Härte mit steigendem Keramikanteil ansteigen. Durch einen bestimmten Anteil an Metallpartikeln werden ebenfalls die typischen. Eigenschaften von Metallen, wie beispielsweise gute plastische Verformbarkeit, hohe Festigkeit und hohe Bruchfestigkeit zumindest teilweise auf den Verbundwerkstoff übertragen, sodass bei einer Mischung von Keramik- und Metallpartikeln im Verbundwerkstoff eine sich daran anlehnende Eigenschaftsverknüpfung herausbildet.The properties of the composite are influenced by the proportions of material processed in the composite. For example, for many applications, a high proportion of ceramics is sought in composite materials, since, for example, the modulus of elasticity and hardness increase with increasing ceramic content. By a certain proportion of metal particles are also the typical. Properties of metals, such as good plastic deformability, high strength and high breaking strength at least partially transferred to the composite material, so that when a mixture of ceramic and metal particles in the composite, a leaning property relationship is formed.
Die Partikel der Materialfraktionen, wie beispielsweise aus Keramik und/oder Metall, im Verbundwerkstoff werden mithilfe eines oder einer Mischung von Polymeren miteinander verbunden. Bei der keramischen Materialfraktion im Verbundwerkstoff kommen sowohl Strukturkeramiken wie auch Funktionskeramiken zum Einsatz. Während Strukturkeramiken dem Verbundwerkstoff bestimmte mechanische Eigenschaften, wie Festigkeit, Härte, thermomechanische und chemische Beständigkeit, verleihen, können mithilfe von Funktionskeramiken noch weitere physikalische Eigenschaften des Verbundwerkstoffs beeinflusst werden. Beispiele für Strukturkeramiken sind Al2O3, ZrO2 und ein Beispiel für eine Funktionskeramik ist Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Auch bleifreie Piezokeramiken und –polymere wie z. B. Kalium-Natrium-Niobat (KNN) oder ferromagnetische Keramiken und Metalle sind bevorzugt.The particles of material fractions, such as ceramic and / or metal, in the composite are bonded together using one or a mixture of polymers. Structural ceramics as well as functional ceramics are used in the ceramic material fraction in the composite material. While structural ceramics impart certain mechanical properties to the composite, such as strength, hardness, thermomechanical and chemical resistance, functional ceramics may influence other physical properties of the composite. Examples of structural ceramics are Al 2 O 3 , ZrO 2 and an example of a functional ceramic is lead zirconate titanate (PZT). Also, lead-free piezoceramics and polymers such. As potassium-sodium niobate (KNN) or ferromagnetic ceramics and metals are preferred.
Das Erzielen hoher Keramikanteile und das Einstellen des Polymergehalts in Verbundwerkstoffen mit bekannten Methoden, wie beispielsweise mittels Mischen (Kalandrieren, Kneten), Extrusion und Ultraschall, ist für kleine Partikelgrößen unterhalb 50 μm schwierig. Bei der Zugabe der Partikel zur Polymer-Schmelze oder Polymerlösung kommt es oft zur Entmischung der Polymer- und der Partikelphase und bei Partikelgrößenverteilungen zur Segregation. Des Weiteren können entweder aufgrund der mit dem Keramikanteil rapide ansteigenden Viskosität in der Suspension oder Schmelze nicht ausreichend hohe Keramik-Füllgrade im späteren Verbundwerkstoff erzielt werden oder derartige Mischungen mit Keramikanteil sind nicht für kleine Partikelgrößen anwendbar, wie beispielsweise im Rüttelverdichtungs-Verfahren.Achieving high ceramic levels and adjusting the polymer content in composites by known methods, such as blending (calendering, kneading), extrusion, and ultrasound, is difficult for small particle sizes below 50 microns. The addition of the particles to the polymer melt or polymer solution often leads to segregation of the polymer and the particle phase and, in the case of particle size distributions, to segregation. Furthermore, either due to the rapidly increasing viscosity in the suspension or melt with the ceramic component, sufficiently high ceramic fill levels in the later composite material can not be achieved or such mixtures with a ceramic component can not be used for small particle sizes, as for example in the vibratory compacting method.
Es ist daher die Aufgabe vorliegender Erfindung, ein zum Stand der Technik alternatives Herstellungsverfahren für einen Verbundwerkstoff bereitzustellen, mit dem die jeweiligen Komponenten in sehr weiten Grenzen und unabhängig voneinander eingestellt werden können und auch hohe Füllgrade der jeweiligen Materialfraktion im Verbundwerkstoff erreichbar sind. Insbesondere offenbart die Erfindung eine Herstellungsroute zum Erreichen sehr hoher Keramik- und/oder Metall-Anteile in einem Keramik-Metall-Polymer-Verbundwerkstoff. Dies wird, wie unten weiter ausgeführt, erreicht durch die Kombination aus Granulation, bei der eine Materialfraktion von einer anderen Materialfraktion ummantelt wird, und Warmpressung der auf diese Weise hergestellten Granulate unter hohem Druck.It is therefore an object of the present invention to provide an alternative to the prior art manufacturing method for a composite material, with which the respective components can be adjusted within very wide limits and independently and high fill levels of the respective material fraction in the composite can be achieved. In particular, the invention discloses a manufacturing route for achieving very high ceramic and / or metal levels in a ceramic-metal-polymer composite. This is achieved, as further explained below, by the combination of granulation, in which a material fraction is encased by another material fraction, and hot pressing of the granules produced in this way under high pressure.
3. Zusammenfassung vorliegender Erfindung3. Summary of the present invention
Die obige Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs mittels Strahlschichttechnologie und Warmpressen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Des Weiteren liefert vorliegende Erfindung einen verpressten Verbundwerkstoff gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 8, 10 und 11 sowie die Verwendung dieses verpressten Verbundwerkstoffs in bestimmten Produkten gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 12. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen vorliegender Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung sowie den anhängenden Zeichnungen hervor.The above object is achieved by a method for producing a composite material by means of spouted bed technology and hot pressing according to independent claim 1. Furthermore, the present invention provides a compressed composite according to independent claims 8, 10 and 11 and the use of this compressed composite in certain products according to independent claim 12. Further advantageous embodiments and further developments of the present invention are evident from the dependent claims, the following description and the attached drawings.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Herstellung eines Verbundwerkstoffs mittels Wirbelschichttechnik, insbesondere Strahlschichtgranulation und Warmpressen, wobei der verpresste Verbundwerkstoff aus mindestens einer ersten Materialfraktion und mindestens einem Polymer besteht. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Erzeugen einer fluidisierten Partikelschicht bestehend aus der mindestens ersten Materialfraktion und einem Fluidstrom, Eindüsen einer Lösung aus mindestens einem Lösungsmittel und dem mindestens einen Polymer oder einer Schmelze des mindestens einen Polymers in die Wirbelschicht, Granulieren der mindestens ersten Materialfraktion in Kombination mit dem mindestens einen Polymer zu einem Granulat und Verpressen des Granulats unter Wärmezufuhr, wobei das Granulat in einem Temperaturbereich oberhalb einer Glasübergangstemperatur und unterhalb einer Zersetzungstemperatur des mindestens einen Polymers erwärmt wird, zu einem Verbundwerkstoff.The inventive method comprises the production of a composite material by fluidized bed technology, in particular spouted bed granulation and hot pressing, wherein the compressed composite material consists of at least a first material fraction and at least one polymer. The method according to the invention comprises the following steps: producing a fluidized particle layer consisting of the at least first material fraction and a fluid stream, injecting a solution of at least one solvent and the at least one polymer or a melt of the at least one polymer into the fluidized bed, granulating the at least first Material fraction in combination with the at least one polymer to a granulate and pressing the granules under heat, wherein the granules is heated in a temperature range above a glass transition temperature and below a decomposition temperature of the at least one polymer, to form a composite material.
Strahlschichtapparate und somit allgemein die Strahlschichttechnologie sind im Stand der Technik bekannt. Sie sind beispielsweise in
In diesem fluidisierten Zustand werden die Partikel der ersten Materialfraktion durch den Fluidstrom in der Schwebe gehalten oder sie führen eine zirkulierende Bewegung im Apparat aus, sodass sich ein Wirbel- oder Strahlschichtzustand ausbildet. Auf diese Weise liegen die Partikel der ersten Materialfraktion mindestens in der Sprühzone der Düse getrennt voneinander vor, sodass sie von außen rund um zugänglich sind.In this fluidized state, the particles of the first material fraction are suspended by the fluid flow, or they make a circulating movement in the apparatus, forming a vortex or spouted bed state. In this way, the particles of the first material fraction are present at least in the spray zone of the nozzle separated from each other, so that they are accessible from the outside around.
Um diese in der Wirbelschicht befindlichen Partikel der ersten Materialfraktion äußerlich mit Polymertröpfchen zu beschichten, wird die Lösung aus dem mindesten einen Lösungsmittel für das mindestens eine Polymer oder die Schmelze des mindestens einen Polymers in die Wirbelschicht eingesprüht.To externally coat these particles of the first material fraction in the fluidized bed with polymer droplets, the solution of the at least one solvent for the at least one polymer or the melt of the at least one polymer is sprayed into the fluidized bed.
Zur Herstellung von Granulaten, die zu höher gefüllten Werkstoffen (> ca. 60 Vol.-%) verarbeitet (verpresst) werden können, ist es ebenfalls bevorzugt, neben der ersten Materialfraktion mindestens eine weitere Materialfraktion in den Prozess der Granulation einzubringen. Diese mindestens eine weitere Materialfraktion wird vorzugsweise in der Polymerlösung oder Polymerschmelze suspendiert oder zunächst im Lösungsmittel suspendiert mit anschließender Lösung des Polymers in der Suspension, und dann in die Wirbelschicht eingesprüht und/oder sie wird in Kombination mit der ersten Materialfraktion durch den Fluidstrom in der Wirbelschicht verwirbelt. Dabei ist es bevorzugt, dass die verwendeten Materialfraktionen unterschiedliche mittlere Korngrößen aufweisen, um auf diese Weise den Füllgrad des verpressten Verbundwerkstoffs zu steigern.For the production of granules which can be processed (pressed) into materials filled to a higher degree (> about 60% by volume), it is likewise preferred to introduce at least one further material fraction into the process of granulation in addition to the first material fraction. This at least one further material fraction is preferably suspended in the polymer solution or polymer melt or first suspended in the solvent with subsequent dissolution of the polymer in the suspension, and then sprayed into the fluidized bed and / or in combination with the first material fraction by the fluid flow in the fluidized bed swirled. It is preferred that the material fractions used have different mean particle sizes, in order to increase in this way the degree of filling of the compressed composite material.
Nachdem das Granulat bestehend aus der mindestens ersten Materialfraktion in Kombination mit dem mindestens einen Polymer vorliegt, wird dieses Granulat unter Druck und/oder Temperatur verarbeitet, vorzugsweise unter Wärmezufuhr verpresst. Somit entsteht aus dem Granulat der Verbundwerkstoff. Um das Polymer während des Verpressens unter Wärmezufuhr nicht zu zersetzen, wird lediglich Wärme in einem Temperaturbereich unterhalb einer Zersetzungstemperatur des mindestens einen Polymers zugeführt. Bevorzugt wird die Presstemperatur in einem Bereich zwischen einer Glasübergangstemperatur eines Polymers und einer Zersetzungstemperatur eines Polymers verwendet, dabei vorzugsweise im Bereich einer von den beteiligten Polymeren abhängenenden typischen Verarbeitungstemperatur.After the granules consisting of the at least first material fraction in combination with the at least one polymer is present, this granulate is processed under pressure and / or temperature, preferably compressed with heat. Thus arises from the granules of the composite material. In order not to decompose the polymer during the pressurization under heat, only heat is supplied in a temperature range below a decomposition temperature of the at least one polymer. The pressing temperature is preferably used in a range between a glass transition temperature of a polymer and a decomposition temperature of a polymer, preferably in the range of a typical processing temperature depending on the polymers involved.
Wie bereits oben erwähnt worden ist, werden vorzugsweise neben der ersten Materialfraktion auch mindestens eine zweite Materialfraktion und optional weiterhin eine dritte und/oder weitere Materialfraktionen zur Herstellung des Verbundwerkstoffs eingesetzt. Als Materialien für die eingesetzten Materialfraktionen können jeweils unabhängig voneinander sämtliche Arten von Keramiken, Metallen, Metalllegierungen, vorstrukturierten Partikeln (beispielsweise Keramik-Metall, Keramik-Polymer, Metall-Polymer, Keramik-Metall-Polymer) sowie grundsätzlich auch viele Arten von Polymeren, beispielsweise Thermoplaste, Duroplaste und Epoxidharze, verwendet werden. Die Partikel können sphärisch, nichtsphärisch, kantig, plättchenförmig, länglich, nadelförmig, oder regelmäßig geformt (beispielsweise quadratisch) geformt sein. Die erste Materialfraktion besteht beispielsweise aus Keramikpartikeln einer ersten mittleren Korngröße oder aus Metallpartikeln einer ersten mittleren Korngröße oder aus einer Mischung von derartigen Keramik- und Metallpartikeln. Die zweite Materialfraktion besteht vorzugsweise aus Keramikpartikeln einer zweiten mittleren Korngröße oder aus Metallpartikeln einer zweiten mittleren Korngröße oder aus einer Mischung von derartigen Keramik- und Metallpartikeln. Wie sich aus der oben beschriebenen Wahl der Materialfraktion ergibt, eignet sich das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren bevorzugt für die Herstellung eines Keramik-Keramik-Polymer-Verbundwerkstoffs, eines Keramik-Metall-Polymer-Verbundwerkstoffs, eines Metall-Metall-Polymer-Verbundwerkstoffes, eines Keramik-Polymer- oder eines Metall-Polymer-Verbundwerkstoffes. Weiterhin ist es bevorzugt, einen Polymer-Polymer-Verbundwerkstoff herzustellen, in dem beispielsweise die eine Materialfraktion aus einem Epoxidharz besteht und die andere Materialfraktion aus einem Thermoplast.As already mentioned above, at least one second material fraction and optionally also a third and / or further material fractions are preferably used in addition to the first material fraction for the production of the composite material. As materials for the material fractions used, each type of ceramics, metals, metal alloys, prestructured particles (for example ceramic-metal, ceramic-polymer, metal-polymer, ceramic-metal-polymer) and, in principle, many types of polymers, for example Thermoplastics, thermosets and epoxy resins, are used. The particles may be spherical, non-spherical, angular, platy, oblong, acicular, or regularly shaped (e.g., square). The first material fraction consists, for example, of ceramic particles of a first mean grain size or of metal particles of a first average grain size or of a mixture of such ceramic and metal particles. The second material fraction preferably consists of ceramic particles of a second average particle size or of metal particles of a second average particle size or of a mixture of such ceramic and metal particles. As is apparent from the selection of the material fraction described above, the production method according to the invention is preferably suitable for the production of a ceramic-ceramic-polymer composite, a ceramic-metal-polymer composite, a metal-metal-polymer composite, a ceramic Polymer or a metal-polymer Composite. Furthermore, it is preferred to produce a polymer-polymer composite material in which, for example, one material fraction consists of an epoxy resin and the other material fraction consists of a thermoplastic.
Zusammenfassend werden Keramik- und/oder Metall-Polymerverbundwerkstoffe mittels Wirbelschichtgranulation und Warmpressens hergestellt. Diese werden bei der Herstellung bestimmter Produkte eingesetzt. In Abhängigkeit davon, welche Eigenschaften der Verbundwerkstoff aufweisen soll, können sowohl die Materialien wie auch deren Volumenanteile im Verbundwerkstoff gezielt eingestellt werden. Zum Beispiel ist es für viele Anwendungen bevorzugt, einen hohen Keramikanteil im Bereich von 50–90 Vol.% und einen Polymeranteil im Bereich von ca. 1–50 Vol.% im verpressten Verbundwerkstoff zu erzielen. Zu diesem Zweck werden eine erste und eine zweite Materialfraktion aus Keramikpartikeln mithilfe der Strahlschichttechnologie verarbeitet. Die Keramikpartikel der zweiten Materialfraktion sind dabei vorzugsweise mindestens um einen Faktor 2, noch bevorzugter um mindestens einen Faktor 10 kleiner als die Keramikpartikel der ersten Materialfraktion. Diese Partikelgrößen eröffnen die Möglichkeit, dass sich die kleinen Keramikpartikel mithilfe des mindestens einen Polymers als Vermittler auf der Oberfläche der großen Keramikpartikel ablagern, sodass ein Granulat aus großen und kleinen Keramikpartikeln verbunden durch das Polymer entsteht. Das Einsprühen der Polymerlösung oder der Polymerschmelze – in der mindestens eine Materialfraktion suspendiert ist – in die Wirbelschicht eines Strahlschichtapparats sorgt dafür, dass sich das mindestens eine Polymer tröpfchenweise oder in einer relativ dünnen Schicht und gleichmäßig auf den Keramik- und oder Metallpartikeln ablagert. Eine mögliche Prozessvariante ist auch, ein Polymer in einer Flüssigkeit zu suspendieren, statt es zu lösen, und gegebenenfalls eine Materialfraktion in dieser Polymersuspension zu suspendieren. Die Polymersuspension wird dann während des Warmpressens fließfähig und erfüllt eine ähnliche Funktion wie die zuvor beschriebene Polymerlösung. Somit bezeichnet eine Polymerlösung mindestens ein Polymer, das in einem Lösungsmittel gelöst ist. Eine Polymersuspension bezeichnet mindestens ein Polymer, das in einer Flüssigkeit suspendiert ist. Sowohl in der Polymerlösung wie auch in der Polymersuspension kann mindestens eine Materialfraktion suspendiert werden, um nachfolgend im Strahlschichtapparat ein Granulat herstellen zu können. Der Begriff Polymerlösung steht in der weiteren Beschreibung exemplarisch für eine Polymerlösung und eine Polymersuspension.In summary, ceramic and / or metal-polymer composites are produced by fluidized bed granulation and hot pressing. These are used in the manufacture of certain products. Depending on which properties the composite material should have, both the materials and their volume fractions in the composite material can be adjusted in a targeted manner. For example, for many applications, it is preferred to achieve a high ceramic content in the range of 50-90 vol.% And a polymer content in the range of about 1-50 vol.% In the compressed composite. For this purpose, a first and a second material fraction of ceramic particles are processed using the spouted bed technology. The ceramic particles of the second material fraction are preferably at least a factor of 2, more preferably at least a factor of 10 smaller than the ceramic particles of the first material fraction. These particle sizes open up the possibility that the small ceramic particles with the help of the at least one polymer as an agent on the surface of the large ceramic particles deposit, so that granules of large and small ceramic particles formed by the polymer. The injection of the polymer solution or the polymer melt - in which at least one material fraction is suspended - in the fluidized bed of a jet bed apparatus ensures that the at least one polymer droplets or in a relatively thin layer and evenly deposited on the ceramic and metal particles. A possible process variant is also to suspend a polymer in a liquid instead of dissolving it, and optionally to suspend a material fraction in this polymer suspension. The polymer suspension then becomes fluid during hot pressing and performs a similar function to the polymer solution described above. Thus, a polymer solution refers to at least one polymer dissolved in a solvent. A polymer suspension refers to at least one polymer suspended in a liquid. Both in the polymer solution and in the polymer suspension, at least one material fraction can be suspended in order to subsequently be able to produce a granulate in the spouted bed apparatus. The term polymer solution in the further description is exemplary of a polymer solution and a polymer suspension.
Die hier an Keramikpartikeln beschriebenen Effekte finden natürlich in gleicher Weise auch bei der Verwendung anderer Materialien als Materialfraktion statt, die beispielsweise bei der Nutzung von Metallen oder der Nutzung von bereits vorliegenden Verbundwerkstoffen als Materialfraktion.The effects described here on ceramic particles of course also take place in the same way when using other materials as a material fraction, for example, when using metals or the use of existing composites as a material fraction.
Gemäß einer weiteren Alternative vorliegender Erfindung wird ein verpresster Verbundwerkstoffbereitgestellt, der mindestens eine erste Materialfraktion aus Keramikpartikeln, mindestens eine zweite Materialfraktion aus Metallpartikeln und mindestens ein Polymer umfasst, sodass der Verbundwerkstoff einen Keramikanteil X im Bereich von 50 bis ca. 95 Vol.-%, vorzugsweise 60 bis ca. 80 Vol.-%, einen Metallanteil z im Bereich von 0 bis 50 Vol.-% und einen Polymeranteil Y im Bereich von Y = (100 – X – Z) Vol.-% aufweist.According to another alternative of the present invention, there is provided a compressed composite comprising at least a first material fraction of ceramic particles, at least a second material fraction of metal particles, and at least one polymer such that the composite material has a ceramic content X in the range of 50 to about 95% by volume. preferably from 60 to about 80% by volume, a metal content z in the range from 0 to 50% by volume and a polymer fraction Y in the range of Y = (100 - X - Z)% by volume.
Im bevorzugten Bereich von 64 vol.-% bis ca. 85 vol.-%des Keramikanteils im Verbundwerkstoff kann die Materialzusammensetzung variiert werden. Dabei wird vorzugsweise der Pressdruck hinreichend groß gewählt. Es können aber auch Keramik-Füllgrade von weniger als 64 vol.-% im Verbundwerkstoff realisiert werden, was für bestimmte Anwendungen, wie bspw. Filtermaterialien, interessant ist. Auf diese Weise wird gezielt eine gewünschte Porosität eingestellt, die für den späteren Einsatz des Verbundwerkstoffs den Ausgangspunkt oder die praktische Grundlage bildet. Ein Keramik-Füllgrad < 64 vol.-% kann durch einen entsprechend niedrig gewählten Pressdruck realisiert werden. Bei sehr hohen Pressdrücken steigt der Füllgrad nicht weiter mit zunehmendem Druck an. Bei hinrechender Reduzierung des Pressdrucks nimmt jedoch der Füllgrad mit dem Pressdruck ab, und zwar umso stärker, je kleiner der Pressdruck gewählt wird. Der niedrigstmögliche resultierende Füllgrad ist gegeben durch die Schüttdichte der Agglomerate aus der ersten Materialfraktion. Neben oder an Stelle des Pressdrucks kann die Porosität des Verbundwerkstoffs auch durch Verwendung einer Korngröße für die in der Polymerlösung suspendierte Materialfraktion eingestellt werden, die geringfügig kleiner als die Korngröße der ersten Materialfraktion, bspw. Keramik, ist. Dabei ergibt sich vorzugsweise ein Korngrößenverhältnis von erster zu zweiter Materialfraktion von < 10.In the preferred range of 64 vol.% To about 85 vol.% Of the ceramic fraction in the composite, the material composition can be varied. In this case, preferably the pressing pressure is chosen to be sufficiently large. However, it is also possible to realize ceramic fill levels of less than 64% by volume in the composite material, which is of interest for certain applications, such as, for example, filter materials. In this way, a desired porosity is set specifically, which forms the starting point or the practical basis for the later use of the composite material. A ceramic filling level <64 vol .-% can be realized by a correspondingly low selected pressing pressure. At very high pressures, the filling level does not increase with increasing pressure. However, with falling reduction of the pressing pressure, the degree of filling decreases with the pressing pressure, and the more so, the smaller the pressing pressure is selected. The lowest possible resulting degree of filling is given by the bulk density of the agglomerates of the first material fraction. In addition to or instead of the pressing pressure, the porosity of the composite material can also be adjusted by using a grain size for the material fraction suspended in the polymer solution, which is slightly smaller than the grain size of the first material fraction, for example ceramic. This results preferably in a particle size ratio of first to second material fraction of <10.
4. Kurze Beschreibung der begleitenden Zeichnungen4. Brief description of the accompanying drawings
Die bevorzugten Ausführungsformen vorliegender Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The preferred embodiments of the present invention will be explained in detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
5. Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen vorliegender Erfindung5. Detailed Description of the Preferred Embodiments of the Present Invention
Die vorliegende Erfindung offenbart die Herstellung eines Verbundwerkstoffs mithilfe der Strahlschichttechnologie und Warmpressen. Insbesondere werden aus einer oder mehreren Materialfraktionen A, B, C, D, vorzugsweise Keramik und/oder Metall, und mindestens einem Polymer P als Ausgangsstoffe in einer bekannten Strahlschichtanlage ein Granulat G hergestellt. In diesem Granulat G lassen sich sowohl die Anteile der genutzten Materialfraktion oder Materialfraktionen sowie der Polymergehalt einstellen. Nach dem Granulieren wird das Granulat G zum Verbundwerkstoff warmgepresst. Trotz der während des Pressens dem Granulat G zugeführten Wärme übersteigt die Warmpress-Temperatur nicht eine Zersetzungstemperatur TZ, des genutzten Polymers, sodass der Polymer-Anteil im Granulat G und dem daraus resultierenden Verbundwerkstoff erhalten bleibt.The present invention discloses the production of a composite material using spouted technology and hot pressing. In particular, granules G are produced from one or more material fractions A, B, C, D, preferably ceramic and / or metal, and at least one polymer P as starting materials in a known spouted bed system. In this granulate G, both the proportions of the material fraction or material fractions used and the polymer content can be adjusted. After granulation, the granules G are hot-pressed to the composite material. Despite the heat supplied to the granules G during pressing, the hot pressing temperature does not exceed a decomposition temperature T Z of the polymer used, so that the polymer content is retained in the granules G and the resulting composite material.
Basierend auf der Nutzung der Strahlschichttechnologie, für deren weitere konstruktive Details auf
Des Weiteren ist von Vorteil, dass die Dicke der sich auf den Partikeln der Materialfraktion(en) ausbildenden Polymerschicht beeinflussbar und daher der Polymeranteil im späteren Verbundwerkstoff gezielt einstellbar ist. Entsprechend dem Einsatz von Keramik-, Metall- und Verbundwerkstoff-Partikeln in Kombination oder allein mit einem Polymeranteil entsteht ein Verbundwerkstoff, dessen Eigenschaften durch den Füllgrad der Material- und Polymerfraktion bestimmbar sind. Dementsprechend lässt sich der Polymergehalt des mittels Strahltechnologie hergestellten Verbundwerkstoffs durch Variation der zugeführten Polymermenge steuern.Furthermore, it is advantageous that the thickness of the polymer layer forming on the particles of the material fraction (s) can be influenced and therefore the polymer content in the later composite material can be selectively adjusted. According to the use of ceramic, metal and composite particles in combination or alone with a polymer content, a composite material whose properties can be determined by the degree of filling of the material and polymer fraction. Accordingly, the polymer content of the composite material produced by jet technology can be controlled by varying the amount of polymer supplied.
Vorzugsweise ist mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren die Schichtdicke der Polymerschicht auf den Partikeln der mindestens ersten Materialfraktion in weiten Grenzen einstellbar. Die Schichtdicke nimmt dabei Werte in einem Bereich von wenigen Nanometern, während keine zweite Materialfraktion, eine hohe Verdünnung der Polymerlösung, Polymerschmelze oder Polymersuspension sowie ein gutes Benetzungsverhalten der Polymerlösung, Polymerschmelze oder Polymersuspension auf der ersten Materialfraktion vorliegt, und bis zu mehreren hundert Mikrometern oder sogar Millimetern an. Für eine geringe Schichtdicke wird vorzugsweise die Polymerlösung, Polymerschmelze oder Polymersuspension verdünnt, so dass die resultierende Schichtdicke im Wesentlichen durch die Grenzflächeneigenschaften zwischen benetzender Flüssigkeit und Partikeloberfläche bestimmt ist. Für eine dicke Schicht erhöht man die Konzentration des Polymers in der Lösung, der Schmelze oder der Suspension und erhöht die Gesamtmenge an einzusprühender Polymerlösung oder Polymerschmelze oder Polymersuspension. Auf diese Weise lässt sich die Schichtdicke des eingesetzten Polymers einfach und in diesen weiten Grenzen beliebig einstellen und somit an das Lückenvolumen zwischen den Partikeln der mindestens einen Materialfraktion anpassen.The layer thickness of the polymer layer on the particles of the at least first material fraction can preferably be adjusted within wide limits by means of the production method according to the invention. The layer thickness takes values in the range of a few nanometers, while no second material fraction, a high dilution of the polymer solution, polymer melt or polymer suspension and a good wetting behavior of the polymer solution, polymer melt or polymer suspension on the first material fraction is present, and up to several hundred micrometers or even Millimeters. For a small layer thickness, the polymer solution, polymer melt or polymer suspension is preferably diluted, so that the resulting layer thickness is essentially determined by the interface properties between wetting liquid and particle surface. For a thick layer, increase the concentration of the polymer in the solution, the melt or the suspension and increase the total amount of polymer solution or polymer melt or polymer suspension to be sprayed. In this way, the layer thickness of the polymer used can be easily adjusted within these wide limits and thus adapted to the gap volume between the particles of the at least one material fraction.
Für viele Anwendungen wird ein Verbundwerkstoff mit beispielsweise einem hohen Keramikanteil angestrebt, dessen mechanische Eigenschaften, wie Elastizitätsmodul und Härte, mit steigendem Keramikanteil ebenfalls ansteigen. In diesem Fall wird eine möglichst dichte Packung an Keramikpartikeln im verpressten Verbundwerkstoff angestrebt, welche gerade genau soviel Polymer enthält, dass das verbleibende Lückenvolumen zwischen den Keramikpartikeln vorzugsweise vollständig durch den Polymeranteil des Verbundwerkstoffs ausgefüllt wird. Auf diese Weise werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung verpresste Verbundwerkstoffen ohne Porosität hergestellt.For many applications, a composite material with, for example, a high proportion of ceramic is sought, whose mechanical properties, such as modulus of elasticity and hardness, also increase with increasing ceramic content. In this case, as dense a packing of ceramic particles in the compressed composite material is sought, which just contains just enough polymer that the remaining gap volume between the ceramic particles is preferably completely filled by the polymer portion of the composite material. In this way, according to a preferred embodiment of the present invention, pressed composite materials without porosity are produced.
Ein Polymeranteil im Verbundwerkstoff, der über das Lückenvolumen zwischen den Partikeln der Materialfraktionen des Verbundwerkstoffs hinausgeht, reduziert den Füllgrad der Materialfraktion bzw. Materialfraktionen, wie beispielsweise Keramik, im Verbundwerkstoff, während ein Polymeranteil unterhalb des zur Verfügung stehenden Lückenvolumens im Verbundwerkstoff die Restporosität im Verbundwerkstoff zur Folge hat. Da ein Polymeranteil oberhalb oder unterhalb des zwischen den Partikeln der Materialfraktion/Materialfraktionen zur Verfügung stehenden Lückenvolumens im Verbundwerkstoff einen negativen Einfluss auf mechanische/funktionale Eigenschaften des Verbundwerkstoffs haben kann, wird vorzugsweise eine optimale Anpassung des Polymeranteils an das im Verbundwerkstoff zur Verfügung stehende Lückenvolumen zwischen den Partikeln der Materialfraktion bzw. Materialfraktionen angestrebt. Diese optimale Anpassung des Polymeranteils führt zu verbesserten mechanischen Eigenschaften. Die Menge an Polymer kann nämlich beispielsweise genau so eingestellt werden, dass es das Lückenvolumen der verarbeiteten Materialfraktionen nach dem Pressen genau ausfüllt. Dadurch bewirkt der Polymergehalt keine Verringerung des Füllgrades, und es entsteht dennoch eine porenfreie Struktur, so dass das Entstehen von Risszentren erschwert wird. Vorzugsweise wird der Polymeranteil über die Menge oder Konzentration an eingedüster Polymerlösung/Polymerschmelze, in der gegenenfalls eine Materialfraktion suspendiert sein kann, eingestellt.A proportion of polymer in the composite which exceeds the void volume between the particles of the material fractions of the composite reduces the degree of filling of the material fraction or material fractions, such as ceramic, in the composite, while a polymer fraction below the available void volume in the composite restricts the residual porosity in the composite Episode has. Since a polymer fraction above or below the gap volume available in the composite material between the particles of the material fraction / material fractions can have a negative influence on mechanical / functional properties of the composite material, it is preferable to optimally adapt the polymer fraction to the void volume available in the composite material Particles of the material fraction or material fractions sought. This optimum adaptation of the polymer content leads to improved mechanical properties. Namely, the amount of polymer can For example, it can be adjusted to exactly fill the void volume of the processed material fractions after pressing. As a result, the polymer content does not cause a reduction in the degree of filling, and yet a non-porous structure is formed, so that the formation of cracking centers is made more difficult. Preferably, the proportion of polymer is adjusted by the amount or concentration of polymer solution / polymer melt in which a material fraction may otherwise be suspended.
Der bevorzugte Verbundwerkstoff setzt sich aus mindestens einer ersten Materialfraktion A und einem Polymeranteil zusammen. Die erste Materialfraktion A besteht aus Keramik- oder Polymer- oder Metall-Partikeln oder aus Partikeln eines vorstrukturierten Verbundwerkstoffs. Die Partikel der ersten Materialfraktion A weisen bevorzugt eine erste mittlere Korngröße und eine erste Korngrößenverteilung auf.The preferred composite material is composed of at least a first material fraction A and a polymer fraction. The first material fraction A consists of ceramic or polymer or metal particles or of particles of a pre-structured composite material. The particles of the first material fraction A preferably have a first mean grain size and a first grain size distribution.
Die Partikel der ersten Materialfraktion A bilden das sogenannte Bettmaterial
Mithilfe eines Erhitzers wird der Fluidstrom
Vorzugsweise wird als Bettmaterial
Neben der Mischung unterschiedlicher Materialien ist es zum Erreichen hoher Füllgrade vorteilhaft, wenn die unterschiedlichen Materialfraktionen unterschiedliche mittlere Korngrößen aufweisen. Dies unterstützt das Erreichen eines hohen Füllgrads der Materialfraktion/Materialfraktionen im herzustellenden Verbundwerkstoff.In addition to the mixture of different materials, it is advantageous to achieve high degrees of filling when the different material fractions have different mean particle sizes. This helps to achieve a high degree of filling of the material fraction / material fractions in the composite material to be produced.
Zur Herstellung des Verbundwerkstoffs wird im Strahlschichtapparat eine Lösung aus mindestens einem Lösungsmittel für mindestens ein Polymer sowie das mindestens eine Polymer oder Polymerschmelze in die Wirbelschicht
Für die Polymerlösung wird das mindestens eine Polymer P in einem entsprechenden Lösungsmittel L gelöst. Es ist weiterhin bevorzugt, eine Mehrzahl von Polymeren in entsprechenden mehreren oder nur einem Lösungsmittel L zu lösen. Es ist ebenfalls bevorzugt, eine Polymerschmelze aus einer Mehrzahl an Polymeren anzufertigen (SIII). Der Beschichtungsprozess kann auch nacheinander mit verschiedenen Polymerlösungen oder Polymerschmelzen, in denen wiederum jeweils verschiedene andere Materialfraktionen gelöst sein können, durchgeführt werden.For the polymer solution, the at least one polymer P is dissolved in a corresponding solvent L. It is further preferred to dissolve a plurality of polymers in corresponding more or only one solvent L. It is also preferred to prepare a polymer melt from a plurality of polymers (SIII). The coating process can also be carried out in succession with different polymer solutions or polymer melts, in which in turn different other material fractions can be dissolved in each case.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird der Polymerlösung oder Polymerschmelze eine weitere Materialfraktion C hinzugefügt (SIV). Dadurch entsteht eine Polymerlösung/Polymerschmelze, in der eine zweite Materialfraktion suspendiert ist. In ähnlicher Weise wie bei der Bereitstellung des Bettmaterials
Als zweite C und weitere Materialfraktionen D werden Keramik-, Metall- und/oder Polymer-Partikel sowie Partikel von Verbundwerkstoffen allein oder in Kombination eingesetzt. Die Partikel der zweiten C und der weiteren Materialfraktionen D weisen eine zweite mittlere Partikelgröße auf, die kleiner ist als die mittlere Partikelgröße der Partikel des Bettmaterials
In einem weiteren Verfahrensschritt SVI (vgl.
Während des Eindüsens (SVI) wird die Polymerlösung/Polymerschmelze oder die Suspension in Form kleiner Tröpfchen in der Wirbelschicht
In Abhängigkeit davon, wieviel Polymerlösung, Polymerschmelze oder Polymersuspension in die Wirbelschicht
Die Menge an gelöstem Polymer P in der Polymerlösung wird dadurch bestimmt, dass das nach einem Warmpressvorgang (siehe unten) verbleibende Lückenvolumen zwischen den verpressten Partikeln im Verbundwerkstoff vorzugsweise vollständig mit dem Polymer P oder einer Mehrzahl von Polymeren gefüllt ist. Die Menge an Lösungsmittel für das Polymer P ergibt sich wiederum aus der Menge zu lösendem Polymer P. Die Menge des Lösungsmittels wird zudem vorzugsweise so gewählt, dass eine für das Eindüsen hinreichend niedrige Viskosität der Polymerlösung bzw. der Suspension aus Polymerlösung und zweiter/weiterer Materialfraktionen) C; D gewährleistet ist.The amount of dissolved polymer P in the polymer solution is determined by the fact that the void volume between the compressed particles in the composite material remaining after a hot pressing process (see below) is preferably completely filled with the polymer P or a plurality of polymers. The amount of solvent for the polymer P is again given by the amount of polymer P to be dissolved. The amount of the solvent is also preferably chosen so that the viscosity of the polymer solution or of the suspension of polymer solution and second / further material fractions is sufficiently low for injection ) C; D is guaranteed.
Der pH-Wert der Suspension aus Polymerlösung und zweiter/weiterer Materialfraktion(en) C; D wird durch Zugabe einer beliebigen Säure oder Base so eingestellt, dass er vom isoelektrischen Punkt der vorzugsweise in der zweiten Materialfraktion C verwendeten Keramikpartikel abweicht, um die Suspension zu stabilisieren und Agglomeration der Keramik-Partikel in der Suspension zu vermeiden. Das Einstellen des pH-Wertes ist insbesondere bei kleinen Partikelgrößen, d. h. Partikelgrößen < 5 μm, von Bedeutung, da dort die Agglomeration verstärkt auftritt. Die Verteilung bzw. Dispergierung der Partikel der zweiten Materialfraktion C bzw. weiterer Materialfraktion D in der Suspension wird gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Herstellungsverfahrens in einem Ultraschallbad durchgeführt. Natürlich sind hierfür auch andere bekannte Verfahren in gleicher Weise anwendbar, die zum Verteilen von Partikeln in einer Suspension dienen.The pH of the suspension of polymer solution and second / further material fraction (s) C; D is adjusted by addition of any acid or base such that it deviates from the isoelectric point of the ceramic particles preferably used in the second material fraction C in order to stabilize the suspension and to avoid agglomeration of the ceramic particles in the suspension. Adjusting the pH is especially for small particle sizes, i. H. Particle sizes <5 microns, of importance, since there agglomeration occurs increasingly. The distribution or dispersion of the particles of the second material fraction C or further material fraction D in the suspension is carried out in an ultrasonic bath according to an embodiment of the present production method. Of course, other known methods are equally applicable for this purpose, which serve for distributing particles in a suspension.
Durch das Beschichten der Partikel des Bettmaterials
Der Pressvorgang findet bevorzugt in einem Druckbereich von 100 MPa bis 1 GPa und bevorzugt bei einer Presstemperatur von (TG + 10°C) bis (TG + 100°C) statt. Druck und Temperatur können, wie unten ausgeführt, in sehr weiten Grenzen je nach Bedarf auch anders gewählt werden. Bei Polymeren, deren Glasübergangstemperatur so niedrig liegt, dass ihre optimale Verarbeitungstemperatur während des Pressvorganges nicht durch Wärmezufuhr, sondern durch Wärmeabfuhr, also Kühlung, erreicht wird, kann die Presstemperatur auch unterhalb der Raumtemperatur liegen. Daher ist der Begriff ”Warmpressung” derart zu verstehen, dass zum Erreichen einer optimalen Verarbeitung des Polymers/der Polymere während des Pressens eine Wärmemenge zu oder abgeführt wird, das Polymer/die Polymere daher bezogen auf eine Raumtemperatur von angenommen 20°C warm oder kalt verpresst werden.The pressing process preferably takes place in a pressure range of 100 MPa to 1 GPa and preferably at a pressing temperature of (T G + 10 ° C) to (T G + 100 ° C). Pressure and temperature, as explained below, can also be chosen differently within very wide limits as required. at Polymers whose glass transition temperature is so low that their optimum processing temperature during the pressing process not by heat, but by heat dissipation, ie cooling, is reached, the pressing temperature can also be below room temperature. Therefore, the term "hot pressing" is to be understood as meaning that, in order to achieve optimum processing of the polymer (s) during pressing, an amount of heat is added or removed, the polymer (s) are therefore warm or cold relative to a room temperature of, say, 20 ° C be pressed.
Die Warmpressung von Keramik-Polymer-Kompositen zu Verbundwerkstoffen mit hohen Packungsdichten (typischerweise > 64 vol.-%) erfolgt vorzugsweise bei einem Druck und einer Temperatur, die ausreichen, um die Granulate in die dichtest-mögliche zufällige Packungsstruktur zu pressen. Eine weitere Erhöhung des Pressdrucks bewirkt dann lediglich eine elastische Deformation der Keramikpartikel. Insbesondere sollte der Druck so groß gewählt werden, dass die Partikel der eingedüsten (zweiten oder weiteren) Materialfraktion, welche die verwirbelte erste Materialfraktion umschichten, während des Pressvorganges in das Lückenvolumen der bezogen auf die Korngröße größeren Materialpartikelfraktion gepresst werden. Bevorzugte Pressdrücke für eine beispielhaft beschriebene Prozessführung liegen zwischen 50 MPa und 1 GPa. Nach oben ist der Pressdruck begrenzt durch mögliche Schäden im Material, welche durch eine zu hohe elastische Deformation der Keramikpartikel und anschließender Entlastung im Material entstehen. Nach unten gibt es keine Begrenzung. Bei Keramik-Metall-Polymer-Verbundwerkstoffen mit Metallanteil kann wiederum ein wesentlich höherer Pressdruck sinnvoll sein, der durch die (möglicherweise gewünschte) plastische Verformbarkeit der Metallpartikel bestimmt ist. Zum Erzielen geringerer Füllgrade bzw. eines höheren Polymeranteils ist es zudem bevorzugt, den Pressdruck deutlich niedriger, beispielsweise nur einige 10 MPa oder noch kleiner, zu wählen. Allgemein ist der Pressdruck auf die gewünschten Eigenschaften des Verbundwerkstoffs abzustimmen. Da sowohl sehr hochgefüllte, niedriggefüllte, und auch poröse Verbundwerkstoffe mit der beschriebenen Erfindung hergestellt werden können, variiert auch der jeweils geeignete Pressdruck in einem großen Bereich, und zwar von annähernd 0 Pa – damit ein hochporöser Verbundwerkstoff hergestellt nur durch Wärmezufuhr während des Warmverpressens – bis mehrere GPa – damit ein höchstgefüllter Verbundwerkstoff mit eventueller plastischer Verformung enthaltener Metallpartikel. Der geeignete Pressdruck hängt auch von der verwendeten Presstemperatur ab.The hot pressing of ceramic-polymer composites into composites having high packing densities (typically> 64 vol%) is preferably at a pressure and temperature sufficient to press the granules into the closest possible random packing structure. A further increase in the pressing pressure then causes only an elastic deformation of the ceramic particles. In particular, the pressure should be chosen so large that the particles of the injected (second or further) material fraction, which redistribute the fluidized first material fraction, are pressed into the void volume of the material particle fraction which is larger in terms of particle size during the pressing process. Preferred pressing pressures for an example process described are between 50 MPa and 1 GPa. Upwards, the pressing pressure is limited by possible damage in the material, which results from an excessive elastic deformation of the ceramic particles and subsequent relief in the material. Down there is no limit. In the case of ceramic-metal-polymer composite materials with a metal content, in turn, a significantly higher compression pressure may be useful, which is determined by the (possibly desired) plastic deformability of the metal particles. In order to achieve lower fill levels or a higher polymer content, it is also preferred to choose the pressing pressure much lower, for example, only a few 10 MPa or even smaller. In general, the pressing pressure is to be matched to the desired properties of the composite material. Since both very highly filled, low-filled, and also porous composite materials can be produced with the described invention, the respective suitable compression pressure in a wide range, namely of approximately 0 Pa - thus a highly porous composite produced only by heat during hot pressing - to several GPa - thus a highly filled composite material with possible plastic deformation of contained metal particles. The appropriate pressing pressure also depends on the pressing temperature used.
Der Pressvorgang findet wie erwähnt bevorzugt unter Wärmezufuhr zum zu verpressenden Granulat G statt. Basierend auf der Wärmezufuhr wird eine Temperatur T erreicht, die bevorzugt über einer Glasübergangstemperatur TG oder Schmelztemperatur TS und unterhalb einer Zersetzungstemperatur TZ des bzw. der im Granulat G verwendeten Polymers/Polymere P liegt. In diesem Zusammenhang ist es weiterhin bevorzugt, dass ein Temperaturbereich oberhalb einer Glasübergangstemperatur TG des verwendeten Polymers P im Granulat G eingestellt wird. Wenn ein Polymer verwendet wird, welches sich aus mehreren Komponenten zusammensetzt (z. B. Duroplasten), dann kann die untere Grenze entsprechend durch die Glasübergangstemperatur und/oder Schmelzpunkt der einzelnen Komponenten gegeben sein. Es wurde zudem erkannt, dass der geeignete Pressdruck von der Viskosität des Polymers P im Granulat G bei Druckbelastung, von der Partikelbeschaffenheit der Materialfraktionen im Granulat G, wie beispielsweise Größe, Form und Größenverteilung der Partikel, sowie von den gewünschten Eigenschaften des verpressten Verbundwerkstoffs abhängt.As mentioned, the pressing process preferably takes place with the supply of heat to the granulate G to be compacted. Based on the heat supply, a temperature T is reached which is preferably above a glass transition temperature T G or melting temperature T S and below a decomposition temperature T Z of the polymer / polymer P used in the granulate G. In this context, it is further preferred that a temperature range above a glass transition temperature T G of the polymer P used is set in the granules G. If a polymer composed of several components is used (eg, thermosets), then the lower limit may be given by the glass transition temperature and / or melting point of the individual components. It has also been recognized that the appropriate compacting pressure depends on the viscosity of the polymer P in the granules G under pressure loading, on the particle composition of the material fractions in the granules G, such as size, shape and size distribution of the particles, as well as on the desired properties of the compacted composite material.
Bevorzugte Durchführung eines Batch-Prozesses für den VerbundwerkstoffPreferred execution of a batch process for the composite material
Die folgende Beschreibung eines beispielhaften Batch-Prozesses verdeutlicht, wie sich die Mengen der einzelnen Materialfraktionen und daraus auch die Schichtdicke der Polymerschicht aus den jeweiligen Anforderungen an den Verbundwerkstoff ergeben. Die Schichtdicke der Polymerschicht ergibt sich wie nachfolgend ausgeführt aus der gewünschten Zusammensetzung des Verbundwerkstoffs und den daraus resultierenden Volumenanteilen der einzelnen Materialfraktionen. Wird zum Beispiel ein Verbundwerkstoff mit 80 vol% Keramik und 20 vol% Polymer angestrebt, dann löst man genau so viel Polymer in dem Lösungsmittel, dass der Polymeranteil bei 20 vol% liegt. Dies wird vorzugsweise in einen Batch-Prozess folgendermaßen realisiert.
- 1) Man wählt aus zwei Partikelgrößen der ersten und zweiten Materialfraktion ein Partikelgrößenverhältnis dieser Partikel und ein Mengenverhältnis dieser Partikel aus, so dass sich eine Packungsdichte von 80 vol% bei dichtester zufälliger Packung dieser Partikel einstellt. Dies wird vorzugsweise aus empirischen Korrelationen gewonnen. Ein typisches Mengenverhältnis, bei dem sich hohe Packungsdichten im Bereich von 80 vol% erreichen lassen, liegt im Bereich 60 vol% große Partikel und 40 vol% kleine Partikel. Bei der Verwendung des gleichen Materials für die erste und zweite Materialfraktion ist dies auch deren Massenverhältnis.
- 2) Man kennt das optimale Schüttvolumen für die erste Materialfraktion, die verwirbelt wird. Dieses ist durch die Geometrie der Strahlschichtanlage (Größe der Prozesskammer) vorgegeben. Damit kennt man auch die Masse der ersten Materialfraktion, die während des Granulationsvorgangs einsetzbar ist. Man wählt zudem bevorzugt eine gewünschte Partikelgröße für die erste Materialfraktion.
- 3) Aus 1) und 2) berechnet man die Masse und Partikelgröße derjenigen Materialfraktion, die eingedüst wird. Damit sind die beiden Mengen an Partikeln, die im Granulationsvorgang eingesetzt werden, bekannt. Unter Kenntnis der Materialdichten der beiden Keramikfraktionen bestimmt man das Gesamtvolumen an Keramikpartikeln.
- 4) Unter der beispielhaften Annahme, dass dieses Volumen 80 Vol% des Verbundwerkstoffs ausmachen soll, löst man eine Menge an Polymer im Lösungsmittel oder stellt eine Polymerschmelze oder Polymersuspension her, deren Volumen genau 20% des Keramikvolumens beträgt (Umrechnung aus Gewicht über Materialdichte des Polymers).
- 5) In dieser Polymerlösung/Polymerschmelze/Polymersuspension suspendiert man die zweite Materialfraktion, und mit dieser Suspension beschichtet man die Partikel der ersten Materialfraktion im Strahlschichtprozess. Daraus resultiert dann eine entsprechende Schichtdicke.
- 1) It is selected from two particle sizes of the first and second material fraction, a particle size ratio of these particles and a ratio of these particles, so that sets a packing density of 80 vol% at the closest random packing of these particles. This is preferably obtained from empirical correlations. A typical ratio, which can reach high packing densities in the range of 80 vol%, is in the range of 60 vol% particles and 40 vol% small particles. When using the same material for the first and second material fractions, this is also their mass ratio.
- 2) One knows the optimal bulk volume for the first material fraction, which is vortexed. This is determined by the geometry of the spouted bed system (size of the process chamber). Thus one knows also the mass of the first material fraction, which during the Granulationsvorgangs can be used. It is also preferable to choose a desired particle size for the first material fraction.
- 3) From 1) and 2) calculate the mass and particle size of the fraction of material that is injected. Thus, the two quantities of particles used in the granulation process are known. Knowing the material densities of the two ceramic fractions, one determines the total volume of ceramic particles.
- 4) Assuming that this volume should account for 80% by volume of the composite, one dissolves an amount of polymer in the solvent or produces a polymer melt or slurry whose volume is exactly 20% of the ceramic volume (conversion from weight to material density of the polymer ).
- 5) The second material fraction is suspended in this polymer solution / polymer melt / polymer suspension, and this suspension is used to coat the particles of the first material fraction in the spouted bed process. This then results in a corresponding layer thickness.
Hierbei ist erwähnenswert, dass das Partikelgrößenverhältnis unter Punkt 1), welches zu der gewünschten Packungsdichte führt, eine untere Grenze darstellt, aber auch bis zu einem gewissen Maße höher gewählt werden könnte. Wenn ein größeres Partikelgrößenverhältnis gewählt wird, aber die Menge an Polymer nicht entsprechend angepasst wird, dann verhindert das Vorhandensein des vorzugsweise inkompressiblen Polymers eine Verdichtung zu höheren Packungsdichten.It is worth noting that the particle size ratio under point 1), which leads to the desired packing density, represents a lower limit, but could also be chosen to be higher to some extent. If a larger particle size ratio is chosen, but the amount of polymer is not adjusted appropriately, then the presence of the preferably incompressible polymer prevents densification to higher packing densities.
Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die Polymerbeschichtung auf den Partikeln zumindest der ersten Materialfraktion auch aus mehreren hintereinander aufgebrachten Polymerschichten bestehen kann. Dazu werden vorzugsweise unterschiedliche Polymerlösungen/Polymerschmelzen/Polymersuspensionen mit jeweils anderen Polymeren und/oder darin suspendierten Partikeln nacheinander oder gleichzeitig in den Strahlschichtapparat eingedüst oder eingesprüht. Auf diese Weise werden bevorzugt auch drei oder mehr unterschiedliche Partikelgrößen miteinander kombiniert.It is furthermore preferred that the polymer coating on the particles of at least the first material fraction can also consist of a plurality of polymer layers applied one behind the other. For this purpose, preferably different polymer solutions / polymer melts / polymer suspensions with in each case other polymers and / or particles suspended therein are injected or sprayed successively or simultaneously into the jet bed apparatus. In this way, preferably three or more different particle sizes are combined.
Daraus folgt, dass allgemein bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs vorzugsweise mehrere Granulationsstufen mit jeweils unterschiedlicher Materialzusammensetzung nacheinander ausführbar sind. Dies eröffnet die bevorzugte Möglichkeit, verschiedene Polymere schichtweise auf die Partikel der mindestens einen Materialfraktion aufzutragen und dann zu verpressen.It follows that, in general, in the production of the composite material according to the invention preferably several granulation stages, each having a different material composition, can be carried out successively. This opens up the preferred possibility of applying various polymers in layers to the particles of the at least one material fraction and then pressing them.
Bevorzugte Materialien zur Herstellung des VerbundwerkstoffsPreferred materials for the production of the composite material
Als Polymer P eignet sich jeder Kunststoff und auch jedes Biopolymer, der/das sich in einem entsprechenden Lösungsmittel L lösen oder in einer Flüssigkeit suspendieren lässt oder dessen Schmelze eine für das Eindüsen ausreichend niedrige Viskosität aufweist. Vorzugsweise wurden die Polymere P Polyvinylalkohol (PVA) und Polyvinylbutyral (PVB) verwendet, die sich in Wasser bzw. Ethanol lösen. Biopolymere bezeichnen in diesem Zusammenhang Polymere, die aus biogenen Rohstoffen (nachwachsenden Rohstoffen) bestehen und/oder die biologisch abbaubar sind. Beispiele hierfür sind Proteine, für das wiederum Kollagen ein Beispiel ist, oder Peptide, RNA und DNA. Derartige Biopolymere werden häufig auch als biologische Makromoleküle bezeichnet. Die Polymere und Biopolymere werden zur Erleichterung der Erläuterungen unter der Bezeichnung Polymere zusammengefasst.Suitable polymer P is any plastic and also any biopolymer which can be dissolved in a corresponding solvent L or suspended in a liquid or whose melt has a sufficiently low viscosity for injection. Preferably, the polymers P polyvinyl alcohol (PVA) and polyvinyl butyral (PVB) were used, which dissolve in water or ethanol. Biopolymers in this context refer to polymers which consist of biogenic raw materials (renewable raw materials) and / or which are biodegradable. Examples of these are proteins, for which collagen is an example, or peptides, RNA and DNA. Such biopolymers are often referred to as biological macromolecules. The polymers and biopolymers are summarized under the name polymers for ease of explanation.
Als Materialfraktion A; B; C; D sind alle festen Stoffe verwendbar, deren Eigenschaften für das herzustellende Verbundwerkstoff von Interesse sind und die in einer geeigneten mittleren Partikelgröße oder Korngröße vorliegen oder zum Erreichen dieser mittleren Partikelgröße bearbeitet werden können. Als Beispiele für Keramiken können Al2O3, TiO2, SiO2, ZrO2, BaTiO3, PZT, KNN, BNT, ZnO, Mullite, Fe2O3, Hydroxilapatitit, Calciumsphosphat, Bioglaser genannt werden. Als Beispiele für Metalle und Metallegierungen können Cu, Ag, Al, Au, Fe, Si, CuxZny, NixFey TixAly genannt werden. Die Partikel der Materialfraktion A; B; C können eine sphärische oder nicht sphärische Form, wie beispielsweise kantig, plättchenförmig, stäbchenförmig, aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Herstellungsverfahrens wurden plättchenförmige α-Al2O3-Keramik-Partikel im Korngrößenbereich d50 = 32–38 μm und unregelmäßig geformte α-Al2O3-Keramik-Partikel im Korngrößenbereich die d50 = 21–25 μm als Bettmaterial
Als Partikel der zweiten (feinen) Materialfraktion C, die in der Polymerlösung suspendiert werden, werden gemäß einer Ausführungsform plättchenförmige α-Al2O3-Keramik-Partikel im Korngrößenbereich d50 = 1–2 μm und unregelmäßig geformte α-Al2O3-Keramik-Partikel im Korngrößenbereich d50 = 0,5–5 μm verwendet. Als Polymer werden vorzugsweise teilhydrolisierter Polyvinylalkohol mit deionisiertem Wasser als Lösungsmittel und Polyvinylbutyral mit Ethanol als Lösungsmittel verwendet.As particles of the second (fine) material fraction C, which are suspended in the polymer solution, according to one embodiment, platelet-shaped α-Al 2 O 3 ceramic particles in the particle size range d 50 = 1-2 μm and irregularly shaped α-Al 2 O 3 Ceramic particles used in the particle size range d 50 = 0.5-5 microns. The polymer used is preferably partially hydrolyzed polyvinyl alcohol with deionized water as solvent and polyvinyl butyral with ethanol as solvent.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verbundwerkstoffs Preferred embodiments of the composite
a Ein homogen durchmischter porenfreier Keramik-Polymer-Verbundwerkstoffa A homogeneously mixed pore-free ceramic-polymer composite
- i) Bei der Verwendung einer ersten Materialfraktion A bestehend aus Keramikpartikeln einer monomodalen Korngrößenverteilung ist in Kombination mit einem eingedüsten Polymer P ohne weitere Materialfraktion ein Verbundwerkstoff mit einem Keramikanteil bis zu etwa 64 Vol.-% im verpressten Zustand herstellbar.i) When using a first material fraction A consisting of ceramic particles of a monomodal particle size distribution in combination with a injected polymer P without further material fraction a composite material with a ceramic content up to about 64 vol .-% in the pressed state can be produced.
- ii) Ausgehend von dem Beispiel (i) mischt man der Polymerlösung/Polymerschmelze eine zweite Materialfraktion C von kleineren Keramikpartikeln im Vergleich zu den Partikeln der ersten Materialfraktion A bei. Die Keramikpartikel der zweiten Materialfraktion C sind bevorzugt um mindestens den Faktor 10 oder mehr kleiner als die Partikel der ersten Materialfraktion A. Mischt man ungefähr eine Menge der zweiten Materialfraktion C von 60–65 Vol.-%. der Keramikpartikel aus Materialfraktion A der Polymerlösung bei, erhält man nach Abschluss des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens vorzugsweise einen verpressten Verbundwerkstoff mit einem 70–90%igen Volumenanteil an Keramik.ii) Starting from example (i), a second material fraction C of smaller ceramic particles is mixed with the polymer solution / polymer melt in comparison with the particles of the first material fraction A. The ceramic particles of the second material fraction C are preferably smaller by at least a factor of 10 or more than the particles of the first material fraction A. If one mixes an amount of the second material fraction C of 60-65% by volume. the ceramic particles of material fraction A of the polymer solution, after completion of the manufacturing method described above, preferably obtained a compressed composite material with a 70-90% volume fraction of ceramic.
Der sich einstellende Keramikanteil hängt bei hinreichend hohem Pressdruck und bei vorzugsweise statistisch homogener Durchmischung der Partikelgrößenklassen vom Größenverhältnis der Partikelklassen, dem Massenverhältnis der mindestens zwei Partikelfraktionen sowie der Partikelform der beteiligten Materialfraktionen ab. Der jeweilige Einfluss dieser Faktoren lasst dich aus Literaturdaten entnehmen. Beim Mischen von zwei kugelförmigen Partikelgrößenfraktionen erreicht man gemäß Literaturdaten maximal einen Keramikanteil von ca. 87 vol.-%, beim Mischen von drei Partikelgrößenklassen entsprechend maximal einen Keramikanteil von ca. 95 vol.-%. Hinzu kommt der Einfluss der Partikelform, da eine von der Kugelform abweichende Partikelform sowohl zu einem niedrigeren als auch zu einem – bei spezieller Anordnung der Partikel – höheren Keramikanteil führen kann. Bei der Verwendung von plättchenförmigen Partikeln ergibt sich unter gewissen Umständen beispielsweise ein höherer Volumenanteil.The ceramic proportion which arises is dependent on the size ratio of the particle classes, the mass ratio of the at least two particle fractions and the particle shape of the material fractions involved, given a sufficiently high pressing pressure and preferably randomly homogeneous mixing of the particle size classes. The respective influence of these factors let you take from literature data. When mixing two spherical particle size fractions can be achieved according to literature data maximum ceramic content of about 87 vol .-%, when mixing three particle size classes corresponding to a maximum ceramic content of about 95 vol .-%. In addition, the influence of the particle shape, as a deviating from the spherical shape particle shape can lead both to a lower and to a - with a special arrangement of the particles - higher ceramic content. When using platelet-shaped particles, under certain circumstances, for example, results in a higher volume fraction.
b) Ein homogen durchmischter porenfreier Metall/Polymer-Verbundwerkstoffb) A homogeneously mixed pore-free metal / polymer composite material
Durch die Verwendung von Metallpulvern anstatt Keramikpulvern für die ersten A und zweiten Materialfraktionen C ist der oben beschriebene Herstellungsweg auf das Materialsystem Metall/Polymer übertragbar. Aufgrund der etwas anderen Materialeigenschaften von Metall im Vergleich zu Keramik sind die Herstellungsparameter beispielsweise an das Grenzflächenverhalten Metall/Polymer, das veränderte Wirbelverhalten der Metallpartikel als Bettmaterial
c) Ein homogen durchmischter porenfreier Keramik-Metall-Polymer-Verbundwerkstoffc) A homogeneously mixed pore-free ceramic-metal-polymer composite
Durch die Verwendung von Keramikpulver(n) für die ersten A und von Metallpulver(n) als die zweiten Materialfraktionen C ist der oben beschriebene Herstellungsweg auf das Materialsystem Keramik-Metall-Polymer übertragbar. Aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften von Metall und Keramik sind die Herstellungsparameter, beispielsweise an das Wirbelverhalten der verwendeten Partikel als Bettmaterial
Durch die Zugabe von Metall ist es aufgrund der plastischen Verformbarkeit der Metallpartikel während der Warmverpressung prinzipiell möglich, die resultierende Packungsdichte des Verbundwerkstoffs auf bis zu 99.9 vol.-% zu steigern. Eine bevorzugte Anwendung ist Silber als Metall in einem Keramikverbundwerkstoff als Zahnersatz, weil Silber beispielsweise bei einer Anwendung als Zahnfüllmaterial oder Zahnimplantat Bakterien tötet. Ein weiteres Beispiel für ein bevorzugtes Metall ist Kupfer.Due to the plasticity of the metal particles during hot pressing, the addition of metal makes it possible in principle to increase the resulting packing density of the composite to 99.9% by volume. A preferred application is silver as a metal in a ceramic composite denture because silver kills bacteria, for example, when used as a dental filling or dental implant. Another example of a preferred metal is copper.
d) Ein poröser Keramik-Metall-Polymer-Verbundwerkstoffd) A porous ceramic-metal-polymer composite
Das oben beschriebene erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann auch dazu verwendet werden, um ein poröses, aber dennoch festes Filtermaterial herzustellen. Zum Erreichen eines großen Porenvolumens werden der Polymeranteil und der Volumenanteil der ersten A und zweiten Materialfraktion C gering gehalten. In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, die zweite keramische Materialfraktion C wegzulassen oder Partikelgrößen zu verwenden die nicht so unterschiedlich zur Korngröße der Fraktion A (sog. Sperrkorn). Ein Volumenanteil der ersten Materialfraktion A im Verbundwerkstoff kann durch Verringerung des Pressdrucks beim Warmpressen von ca. 64 Vol.-% auf einen kleineren Wert reduziert werden, sodass ein verpresster bevorzugter Verbundwerkstoff mit der folgenden Zusammensetzung erzielt wird:
Keramikanteil X = 40–50 Vol.-% bestehend aus der ersten Materialfraktion A
Polymeranteil Y = 1–10 Vol.-% und
Porosität = 100 - (X – Y) Vol.-%The production method of the invention described above can also be used to produce a porous, yet solid filter material. To achieve a large pore volume of the polymer content and the volume fraction of the first A and second material fraction C are kept low. In this context, it is preferred that the second ceramic To omit material fraction C or to use particle sizes which are not so different from the grain size of the fraction A (so-called blocking grain). A volume fraction of the first material fraction A in the composite material can be reduced to a smaller value by reducing the compression pressure during hot pressing of about 64% by volume, so that a compressed preferred composite material having the following composition is obtained:
Ceramic content X = 40-50 vol.% Consisting of the first material fraction A
Polymer content Y = 1-10 vol .-% and
Porosity = 100 - (X - Y) Vol .-%
Zur Unterstützung der Herstellung eines porösen Verbundwerkstoffs der oben genannten Zusammensetzung werden die beschichteten Partikel der ersten Materialfraktion A des Bettmaterials
Hierzu muss der Herstellungsprozess so abgeändert werden, dass verstärkt Agglomeration auftritt. Es kann beispielsweise die Temperatur in der wirbelnden Schicht verringert werden und/oder die Tröpfchengröße der eingedüsten Suspension vergrößert werden (beispielsweise durch Verringerung des Düsenluftstroms).For this purpose, the manufacturing process must be modified so that agglomeration occurs increasingly. For example, the temperature in the swirling layer may be reduced and / or the droplet size of the injected suspension may be increased (for example, by reducing the nozzle air flow).
Basierend auf der porösen Struktur derartiger Agglomerate und einer daraus resultierenden geringen Schüttdichte dieser Agglomerate bestehend aus dem Granulat G des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens lassen sich beim Warmverpressen mit geringem Pressdruck (vorzugsweise 0–100 MPa) kleine Keramikanteile bei einem hohen Anteil an Porosität im Verbundwerkstoff erzielen.Based on the porous structure of such agglomerates and a resulting low bulk density of these agglomerates consisting of the granules G of the manufacturing process described above can be achieved with a high proportion of porosity in the composite material during hot pressing with low compression pressure (preferably 0-100 MPa) small ceramic components.
Basierend auf dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren und seiner bevorzugten Ausgestaltungen sowie die des Weiteren aufgeführten unterschiedlichen verpressten Verbundwerkstoffen, die mit diesem Herstellungsverfahren produziert worden sind, ist erkennbar, dass mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren verpresste Verbundwerkstoffen mit einem Füllgrad von mehr als 70 vol.% der verwendeten Materialfraktion, wie beispielsweise Keramik oder Metall, erzielt werden. So wurde mit einer ersten Materialfraktion A von Al2O3 mit einer Korngröße von d5 23 ≈ μm und einer zweiten Materialfraktion C aus Al2O3 mit einer Korngröße von d50 1–2 μm und Polyvinylbutyral (PVB) als Polymer ein verpresster Verbundwerkstoff mit einem keramischen Füllgrad von mehr als 75 Vol.-%, einer Porosität < 3%, einem Elastizitätsmodul im Bereich 40–45 GPa, einer Biegefestigkeit von über 100 MPa und dabei ausgeprägtem elastisch-plastischen Verhalten mit deutlich ausgeprägter Fließgrenze vor dem Versagen erzielt. Vorzugsweise werden zwei Materialfraktionen A; C bestehend aus Keramik- oder Metallpartikeln mit unterschiedlicher mittlerer Korngröße und daher mit zwei unterschiedlichen Kugelpackungen verwendet, sodass ein keramischer oder metallischer oder gemischter keramisch-metallischer Füllgrad im Bereich von 50–90 Vol.%, vorzugsweise von 65–90 Vol.-% erzielt wird.Based on the above-described manufacturing method and its preferred embodiments, as well as the various compressed composites further produced by this manufacturing method, it can be seen that the composite method of the present invention uses compressed composites having a fill level of more than 70% by volume of the material fraction used , such as ceramic or metal can be achieved. Thus, a first material fraction A of Al 2 O 3 with a particle size of d 5 23 ≈ μm and a second material fraction C of Al 2 O 3 with a particle size of d 50 1-2 μm and polyvinyl butyral (PVB) as a polymer were compressed Composite material with a ceramic filling level of more than 75 vol .-%, a porosity <3%, a modulus of elasticity in the range 40-45 GPa, a flexural strength of over 100 MPa and thereby pronounced elastic-plastic behavior achieved with significantly pronounced yield strength before failure , Preferably, two material fractions A; C consisting of ceramic or metal particles with different mean grain size and therefore used with two different ball packages, so that a ceramic or metallic or mixed ceramic-metallic filling degree in the range of 50-90 vol.%, Preferably 65-90 vol .-% becomes.
Des Weiteren ist es bevorzugt, plättchenfömige Keramikpartikel einer ersten Materialfraktion A mit plastisch-verformbaren Metallpartikeln einer zweiten Materialfraktion C in oben beschriebenem Herstellungsverfahren zu kombinieren, sodass sich ein Volumenanteil der Summe beider Materialfraktionen A und C im Bereich von 50–100 Vol.-%, vorzugsweise 70–95 Vol.-%, ergibt.Furthermore, it is preferable to combine platelet-shaped ceramic particles of a first material fraction A with plastically deformable metal particles of a second material fraction C in the above-described production method so that a volume fraction of the sum of both material fractions A and C in the range of 50-100% by volume, preferably 70-95% by volume.
Mögliche Produkte bzw. Produktgruppen, die mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt werden können, sind: Zahnersatz und Knochenersatz mit genau angepassten Eigenschaften, Maschinenteile (beispielsweise Zahnräder, Dichtungen), Kunststein, Küchenarbeitsplatten, Fliesen, Geschirr, Filter, magnetischer Kunststoff, elektrischer Isolator mit hoher Durchschlagsfestigkeit, einstellbare di- und piezoelektrische Keramik-Polymer-Verbundwerkstoffe, Schalldämpfer, einstellbare ferromagnetische Keramik-Metall-Polymer-Verbundwerkstoffe, multiferroische Keramik-Metall-Polymer-Verbundwerkstoffe. Beliebige Erzeugnisse mit erhöhter Verschleißfestigkeit. Kontinuierliche Übergänge in Kunstoff zu Keramik-Polymer-Metall-Verbundstoffen, die an bestimmten Stellen (z. B.Possible products or product groups which can be produced by the described method are: dentures and bone substitutes with precisely adapted properties, machine parts (for example gears, seals), artificial stone, kitchen worktops, tiles, dishes, filters, magnetic plastic, high-voltage electrical insulator Dielectric strength, adjustable di- and piezoelectric ceramic-polymer composites, silencers, adjustable ferromagnetic ceramic-metal-polymer composites, multiferroic ceramic-metal-polymer composites. Any products with increased wear resistance. Continuous transitions in plastic to ceramic-polymer-metal composites, which at certain points (eg.
Achsdurchführungen) den Kunstoff härter und verschleißfester machen. Beim Einsatz von Biopolymeren erhält man biologisch abbaubare umweltfreundliche Werkstoffe.Axle bushings) make the plastic harder and more wear-resistant. The use of biopolymers results in biodegradable environmentally friendly materials.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- AA
- Erste MaterialfraktionFirst material fraction
- BB
- Weitere MaterialfraktionFurther material fraction
- CC
- Zweite MaterialfraktionSecond material fraction
- DD
- Weitere MaterialfraktionFurther material fraction
- GG
- Granulatgranules
- LL
- Lösungsmittelsolvent
- PP
- Polymerpolymer
- FF
- Kraftforce
- TT
- Temperaturtemperature
- TR T R
- Raumtemperaturroom temperature
- TG T G
- GlasübergangstemperaturGlass transition temperature
- TZ T Z
- Zersetzungstemperaturdecomposition temperature
- 1010
- Bettmaterialbed material
- 2020
- Fluidstromfluid flow
- 3030
- Wirbelschichtfluidized bed
- SISI
- Bettmaterial verwirbelnSwirl bedding material
- SIISII
- Bettmaterial ergänzenComplete bedding
- SIIISIII
- Herstellen einer Polymerlösung in einem entsprechenden LösungsmittelPrepare a polymer solution in a suitable solvent
- SIV SIV
- Eingeben einer zweiten Materialfraktion C in die PolymerlösungEnter a second material fraction C in the polymer solution
- SVSV
- Eingeben einer weiteren Materialfraktion in die Polymer-SuspensionEnter a further material fraction into the polymer suspension
- SVISVI
- Eindüsen einer Polymerlösung/Suspension oder einer Schmelze in die WirbelschichtInjecting a polymer solution / suspension or a melt into the fluidized bed
- SVIISVII
- GranulierenGranulate
- SVIIISVIII
- Warmverpressenhot pressing
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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