DE102020105848A1 - Thermoplastic extrusion and / or 2-component polymer additive as well as manufacturing process for this and additive use therefor - Google Patents

Thermoplastic extrusion and / or 2-component polymer additive as well as manufacturing process for this and additive use therefor Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft Thermoplast-Extrusions- und / oder 2-Komponenten-Polymer-Additiv umfassend bindungsmittelfreies tetrapodales Zinkoxid, wobei wenigstens 90 Gewichtsprozent des Additivs aus tetrapodalem Zinkoxid bestehen, das Additiv in brikettierter Form vorliegt und eine Dichte zwischen 1,0 und 1,5 Gramm pro Kubikzentimeter aufweist.Ferner betrifft die Erfindung ein Thermoplast-Extrusions- und / oder 2-Komponenten-Polymer-Additiv-Herstellungsverfahren sowie eine Additiv-Verwendung.The invention relates to thermoplastic extrusion and / or 2-component polymer additive comprising binder-free tetrapodal zinc oxide, at least 90 percent by weight of the additive consisting of tetrapodal zinc oxide, the additive being in briquette form and a density between 1.0 and 1.5 Grams per cubic centimeter. The invention further relates to a thermoplastic extrusion and / or 2-component polymer additive manufacturing process and an additive use.

Description

Die Erfindung betrifft ein Thermoplast-Extrusions- und / oder 2-Komponenten-Polymer-Additiv umfassend bindungsmittelfreies tetrapodales Zinkoxid sowie ein Herstellungsverfahren dazu und eine Additiv-Verwendung dafür.The invention relates to a thermoplastic extrusion and / or 2-component polymer additive comprising binder-free tetrapodal zinc oxide as well as a production method for this and an additive use therefor.

Thermoplasten werden durch Polymerisation gewonnen. Bei diesem Prozess lagern sich Monomere zu einem Makromolekül, dem Polymer, zusammen. Durch Aktivierung des Monomers, also beispielsweise durch das Zuführen von Wärme oder energiereicher Strahlung, durch Erhöhung des Drucks oder auch den Einsatz von Katalysatoren wird die Polymerisation gestartet.Thermoplastics are obtained through polymerization. During this process, monomers combine to form a macromolecule, the polymer. The polymerization is started by activating the monomer, for example by supplying heat or high-energy radiation, by increasing the pressure or by using catalysts.

Bei der Polymerisation ist eine polymerisationsinduzierte Phasenseparation aufgrund unterschiedlicher Polarität zwischen Monomer - und Polymersystemen bekannt. Für eine kontrollierte Morphologie ist dieser Effekt teilweise erwünscht. Ist dies nicht der Fall, so können Antiseparationsadditive verwendet werden. Diese nehmen jedoch häufig auch an der Reaktion teil oder beeinflussen die Mikro- und Nanostruktur der Polymere.Polymerization-induced phase separation due to different polarity between monomer and polymer systems is known. This effect is partly desirable for a controlled morphology. If this is not the case, antiseparation additives can be used. However, these often also take part in the reaction or influence the micro- and nanostructure of the polymers.

Auch eine nachträgliche Zugabe dieser Antiseparationsadditive zu ausreagierten Polymeren wie beispielsweise Thermoplasten wie Polyethylenterephthalat oder Polymilchsäure kann zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Polymere wie Zugfestigkeit oder auch Klebrigkeit führen.Subsequent addition of these antiseparation additives to fully reacted polymers such as thermoplastics such as polyethylene terephthalate or polylactic acid can also lead to an improvement in the mechanical properties of the polymers such as tensile strength or even tack.

Aus dem Stand der Technik ist tetrapodales Zinkoxid als Additiv zur Polymerverbesserung als solches bekannt. Tetrapodales Zinkoxid wird üblicherweise als Additiv bei der Erzeugung von Kunststoff und Gummi beigemischt und bewirkt durch seine „Krähenfuß“-Form eine mechanische Verankerung und gleichmäßigere Kraftverteilung in den Kompositen.From the prior art, tetrapodal zinc oxide is known as such as an additive for polymer improvement. Tetrapodal zinc oxide is usually added as an additive in the production of plastic and rubber and, thanks to its “crow's foot” shape, causes mechanical anchoring and more even force distribution in the composites.

Vor allem chinesische Hochschulen und Firmen haben in den letzten Jahren tetrapodales Zinkoxid in verschiedenen Kompositen eingesetzt.Chinese universities and companies in particular have used tetrapodal zinc oxide in various composites in recent years.

In der Druckschrift CN 104419198B werden ein flammhemmender antistatischer durchgehend langglasfaserverstärkter hochtemperaturbeständiger Nylonverbundwerkstoff sowie ein Herstellungsverfahren dafür beschrieben.In the pamphlet CN 104419198B A flame-retardant, antistatic, continuously long glass fiber-reinforced, high-temperature-resistant nylon composite material and a manufacturing process for it are described.

Die Druckschrift CN104592536A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines tetrapodenförmigen Zinkoxid-Whiskers / Naturlatex-Verbundlatexfilms.The pamphlet CN104592536A discloses a method of making a tetrapod-shaped zinc oxide whisker / natural latex composite latex film.

Die Druckschrift CN104725761A offenbart ein Herstellungsverfahren für ein neues Material auf ABS-Harzbasis.The pamphlet CN104725761A discloses a manufacturing method for a new ABS resin based material.

In der Druckschrift CN104788780A werden eine Polyethylenreißfolie und ein Herstellungsverfahren dafür beschrieben.In the pamphlet CN104788780A a polyethylene tear film and a manufacturing method therefor are described.

Die Druckschrift CN105623248A offenbart einen Polyamid-Verbundwerkstoff und ein Herstellungsverfahren dafür.The pamphlet CN105623248A discloses a polyamide composite and a manufacturing method therefor.

Aus der Druckschrift CN107501700A ist ein Verarbeitungsverfahren für einen Kraftfahrzeug-Schalldämmstoff bekannt.From the pamphlet CN107501700A a processing method for a motor vehicle soundproofing material is known.

Die Druckschrift CN109181085A offenbart ein verstärktes Kunststoff-Masterbatch für ein schrumpfungsarmes dickwandiges Polypropylenprodukt sowie ein Herstellungsverfahren.The pamphlet CN109181085A discloses a reinforced plastic masterbatch for a low shrinkage thick walled polypropylene product and method of manufacture.

Die Druckschrift CN1927933A betrifft ein modifiziertes ataktisches Polypropylen-Harz.The pamphlet CN1927933A relates to a modified atactic polypropylene resin.

In allen oben aufgeführten Druckschriften werden tetrapodale Zinkoxid-Partikel in Form von Zinkoxid-Whiskern ohne weitere Aufbereitung eingesetzt.In all of the publications listed above, tetrapodal zinc oxide particles in the form of zinc oxide whiskers are used without further processing.

Die Druckschrift EP 0 325 797 A1 offenbart beispielsweise Zinkoxid-Whisker, deren Kristallstruktur einen Zentralkörper und vier sich von diesem Zentralkörper radial erstreckende Nadelkristallvorsprünge aufweist.The pamphlet EP 0 325 797 A1 discloses, for example, zinc oxide whiskers, the crystal structure of which has a central body and four needle crystal projections extending radially from this central body.

Die Druckschrift EP 2 550 241 B1 hingegen beschreibt vernetztes tetrapodales Zinkoxid. Es werden dreidimensionale Netzwerke, die auf der gegenseitigen Durchdringung kristalliner Tetrapoden-Beine beruhen, gebildet.The pamphlet EP 2 550 241 B1 however, describes cross-linked tetrapodal zinc oxide. Three-dimensional networks based on the interpenetration of crystalline tetrapod legs are formed.

Die Probleme im Stand der Technik sind bei der Polymerisation im Wesentlichen, dass die klassische Kunststoffverstärkung rein mechanisch durchgeführt wird. Es sind hohe Füllgrade von komplexen Geometrien wie beispielsweise Fasern erforderlich. Zudem können keine Additive zur nachträglichen Abreaktion unverbrauchter Monomere zugesetzt werden.The problems in the prior art are essentially that the classic plastic reinforcement is carried out purely mechanically in polymerization. A high degree of filling of complex geometries such as fibers is required. In addition, no additives can be added for the subsequent reaction of unused monomers.

Für die chemische Reaktion bei der Polymerisation von zwei oder mehr Flüssigkeiten in der Lebensmitteltechnik sind bisher keine anorganischen Emulgatoren bekannt.So far, no inorganic emulsifiers are known for the chemical reaction during the polymerization of two or more liquids in food technology.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Additiv bereitzustellen, mit dem durch Zugabe in den Extrusionsprozess die mechanischen Eigenschaften von thermoplastischen Kunststoffen verbessert werden können. Im Einzelnen sollen eine höhere mechanische Festigkeit des Endprodukts sowie reproduzierbare Eigenschaften durch die Abreaktion unreagierter Komponenten, wie beispielsweise geringere ungewollte Klebrigkeit des frisch extrudierten Kunststoffs erreicht werden.The present invention is based on the object of providing an additive with which the mechanical properties of thermoplastics can be improved by adding it to the extrusion process. Specifically, a higher mechanical strength of the end product and reproducible properties can be achieved through the reaction of unreacted components, such as lower unwanted stickiness of the freshly extruded plastic.

Zudem soll bei der chemischen Reaktion bei der Polymerisation von zwei oder mehr Flüssigkeiten durch das als Emulgator genutzte Additiv eine verbesserte Vermischung gelingen, was wiederum die Reaktion von zwei unterschiedlich polaren, unmischbaren Flüssigkeiten optimiert. Die Reaktionen sollen so bis auf Mikroebene wesentlich verlässlicher ablaufen. Durch die bessere Vermischung sollen auch die Materialeigenschaften wie beispielsweise verringerte Klebrigkeit, konsistenterer Glasübergang und höhere Zugfestigkeit verbessert werden. Die Füllgrade an Additiv sollen hierbei möglichst gering gehalten werden und das Additiv nicht an der Reaktion teilnehmen.In addition, in the chemical reaction during the polymerization of two or more liquids, the additive used as an emulsifier should improve mixing, which in turn optimizes the reaction of two immiscible liquids of different polarity. In this way, the reactions should run much more reliably down to the micro level. The better mixing should also improve the material properties such as reduced stickiness, more consistent glass transition and higher tensile strength. The degree of additive filling should be kept as low as possible and the additive should not take part in the reaction.

Durch Zugabe des Additivs soll zudem eine Vermischung von Wasser- und Ölgemischen möglich werden. Nach derzeitigem Stand der Technik werden Lebensmittel- und Kosmetika mit notwendigen, aber schädlichen Emulgatoren versetzt. Derzeitig sind Lecithine die bekannteste Emulgatorklasse in der Lebensmitteltechnik. Sie stabilisieren Wasser-Öl-Gemische durch Mizellenbildung. In der Medizintechnik dient Polysorbat als Emulgator für Wasser-Öl-Gemische. Eine langfristige Einwirkung durch Polysorbat kann sich jedoch schädlich auf Lebewesen auswirken. In der Lebensmitteltechnik sind bisher keine anorganischen Emulgatoren bekannt.By adding the additive, it should also be possible to mix water and oil mixtures. According to the current state of the art, necessary but harmful emulsifiers are added to foodstuffs and cosmetics. Lecithins are currently the best-known class of emulsifiers in food technology. They stabilize water-oil mixtures through the formation of micelles. In medical technology, polysorbate is used as an emulsifier for water-oil mixtures. However, long-term exposure to polysorbate can have harmful effects on living things. So far, no inorganic emulsifiers are known in food technology.

Eine weitere Aufgabe des Additivs liegt in der Verteilung unlöslicher Stoffe in polarem Medium. Dies ist wichtig für die Verteilung von Medikamenten wie beispielsweise Ciclosporin in Wasser.Another task of the additive is to distribute insoluble substances in a polar medium. This is important for the distribution of drugs such as ciclosporin in water.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Additiv gemäß Hauptanspruch, einem Herstellungsverfahren zur Herstellung des Additivs sowie einer Additiv-Verwendung gemäß nebengeordneten Ansprüchen.This object is achieved with an additive according to the main claim, a production method for producing the additive and an additive use according to the independent claims.

Das Thermoplast-Extrusions- und / oder 2-Komponenten-Polymer-Additiv umfasst bindungsmittelfreies tetrapodales Zinkoxid, wobei mindestens 90 Gewichtsprozent des Additivs aus tetrapodalem Zinkoxid bestehen und das Additiv in brikettierter Form mit einer Dichte zwischen 1,0 und 1,5 Gramm pro Kubikzentimeter vorliegt. Tetrapodales Zinkoxid besteht per Definition aus unzerbrochenen Tetrapoden.The thermoplastic extrusion and / or 2-component polymer additive comprises binder-free tetrapodal zinc oxide, at least 90 percent by weight of the additive consisting of tetrapodal zinc oxide and the additive in briquetted form with a density between 1.0 and 1.5 grams per cubic centimeter is present. Tetrapodal zinc oxide is, by definition, made up of unbroken tetrapods.

Dadurch, dass die brikettierte Form vorbestimmte Sollbruchstellen zur Portionierung aufweisen kann, ist eine einfache Portionierung des Additivs je nach benötigter Menge und Einsatzzweck möglich.Because the briquetted form can have predetermined breaking points for portioning, simple portioning of the additive is possible depending on the required amount and intended use.

Wenn die einzelnen tetrapodalen Zinkoxid-Partikel einen Durchmesser aus dem Intervall 100 Nanometer bis 100 Mikrometer aufweisen, so ist eine Morphologie der Zinkoxid-Struktur gegeben, die erlaubt, dass die Struktur quer zur reaktiven Ebene gebrochen werden kann. Die tetrapodalen Zinkoxid-Partikel sollten nicht unter 100 Nanometer groß sein, da sonst nicht mehr genug Scherkräfte aufgebracht werden können, um Zinkoxid-Strukturen von den tetrapodalen Zinkoxid-Partikeln abzubrechen. Damit eine Anwendung in kleinen und / oder dünnen Bauteilen wie beispielsweise Folien möglich ist, sollte die Zinkoxid-Partikelgröße unter 100 Mikrometer liegen. Da größere Partikel leichter zu Risskeimen im Polymer führen können, sollen bevorzugt kleinere Partikel im Bereich von 100 Nanometern verwendet werden. Das Aspektverhältnis der tetrapodalen Zinkoxid-Partikel sollte größer als 3 sein. Es sollen mindestens Einzelpartikel, bevorzugt jedoch ein Netzwerk aus Partikeln eingesetzt werden, um unter anderem eine gute Verarbeitbarkeit und ein geringes Staubaufkommen zu erhalten.If the individual tetrapodal zinc oxide particles have a diameter from the interval 100 nanometers to 100 micrometers, the zinc oxide structure has a morphology that allows the structure to be broken across the reactive plane. The tetrapodal zinc oxide particles should not be less than 100 nanometers in size, since otherwise enough shear forces can no longer be applied to break off zinc oxide structures from the tetrapodal zinc oxide particles. The zinc oxide particle size should be less than 100 micrometers so that it can be used in small and / or thin components such as foils. Since larger particles can more easily lead to crack nuclei in the polymer, smaller particles in the range of 100 nanometers should preferably be used. The aspect ratio of the tetrapodal zinc oxide particles should be greater than 3. At least individual particles, but preferably a network of particles, should be used in order to obtain, among other things, good processability and low dust generation.

Das Thermoplast-Extrusions- und / oder 2-Komponenten-Polymer-Additiv-Herstellungsverfahren wird mit den folgenden Schritten durchgeführt:

  1. a. Vermischen von in Pulverform und / oder in vernetzter Form vorliegendem tetrapodalem Zinkoxid mit einem Binderpolymer und Zinkmetall-Pulver, wobei die Gewichtsanteile von Binderpolymer und tetrapodalem Zinkoxid in einem vorbestimmten Verhältnis zwischen 1 : 2 und 1 : 7 eingerichtet werden und dem Gemisch aus tetrapodalem Zinkoxid und Binderpolymer bis zu 10 Gewichtsprozent Zinkmetall-Pulver beigemischt werden und für eine Änderung der Dichte der Anteil Binderpolymer zu tetrapodalem Zinkoxid in den zuvor genannten Verhältnissen variiert werden kann;
  2. b. Einfügen / Einfüllen / Geben des homogenisierten Gemisches in eine Brikettier-Pressform;
  3. c. Wärmebehandeln des Gemisches in der Pressform für wenigstens eine Stunde bei einer Temperatur wenigstens 10 °C oberhalb der Bindetemperatur des Schmelzpolymers;
  4. d. Abkühlen bzw. Abkühlen lassen auf eine Temperatur wenigstens 20 °C unterhalb der Schmelztemperatur des Binderpolymers;
  5. e. Entnehmen des Inhalts der Pressform als formbeständiger Grünling;
  6. f. Sintern des Grünlings bei Temperaturen zwischen 900 °C und 1100 °C für 3 bis 5 Stunden unter Verbrennen des Binderpolymers;
  7. g. Abkühlen bzw. Abkühlen lassen des Zinkoxid-Briketts.
The thermoplastic extrusion and / or 2-component polymer additive manufacturing process is carried out with the following steps:
  1. a. Mixing of tetrapodal zinc oxide present in powder form and / or in crosslinked form with a binder polymer and zinc metal powder, the weight proportions of binder polymer and tetrapodal zinc oxide being set up in a predetermined ratio between 1: 2 and 1: 7 and the mixture of tetrapodal zinc oxide and Binder polymer up to 10 percent by weight of zinc metal powder can be admixed and the proportion of binder polymer to tetrapodal zinc oxide can be varied in the aforementioned proportions to change the density;
  2. b. Inserting / filling / giving the homogenized mixture in a briquetting press mold;
  3. c. Heat treating the mixture in the mold for at least one hour at a temperature at least 10 ° C. above the bonding temperature of the melt polymer;
  4. d. Cooling or allowing to cool to a temperature at least 20 ° C. below the melting temperature of the binder polymer;
  5. e. Removing the contents of the mold as a shape-retaining green compact;
  6. f. sintering the green compact at temperatures between 900 ° C. and 1100 ° C. for 3 to 5 hours while burning the binder polymer;
  7. G. Cooling down or allowing the zinc oxide briquette to cool down.

Als Binderpolymer in dem Verfahren können sowohl Polyvinylbutyrale, Polycaprolactame, Polyethylenglykole oder auch Wachse eingesetzt werden. Das Binderpolymer kann bevorzugt aus den genannten Polymeren ausgewählt werden.Both polyvinyl butyrals, polycaprolactams, polyethylene glycols or waxes can be used as binder polymer in the process. The binder polymer can preferably be selected from the polymers mentioned.

Das Binderpolymer kann bevorzugt einen Schmelzpunkt unter 100 °C aufweisen. Werden zum Pressen der Zinkoxid-Briketts Formen aus Kunststoff verwendet, so ist dies notwendig. Bei Verwendung von Formen aus Metall können auch andere Polymere mit höheren Schmelzpunkten genutzt werden.The binder polymer can preferably have a melting point below 100.degree. If plastic molds are used to press the zinc oxide briquettes, this is necessary. When using molds made of metal, other polymers with higher melting points can also be used.

Die Korngröße des Zinkmetall-Pulvers sollte nicht größer sein als der Durchmesser der einzelnen tetrapodalen Zinkoxid-Partikel. Es können standardmäßige, kugelförmige Mikropartikel und Nanopartikel verwendet werden. Grund für die Zugabe von Zinkmetall-Pulver ist die Steigerung der Festigkeit des Zinkoxid-Briketts durch die Ausbildung von Kristalldurchdringungen.The grain size of the zinc metal powder should not be larger than the diameter of the individual tetrapodal zinc oxide particles. Standard spherical microparticles and nanoparticles can be used. The reason for adding zinc metal powder is to increase the strength of the zinc oxide briquette through the formation of crystal penetrations.

Da das Vermischen von dem tetrapodalem Zinkoxid mit dem Binderpolymer mit einem mechanischen Rührwerk bei 100 Umdrehungen pro Minute ausgeführt werden kann, wird der Vorgang möglichst schonend ausgeführt, da so das tetrapodale Zinkoxid während des Mischvorgangs nicht kaputt gebrochen wird.Since the tetrapodal zinc oxide can be mixed with the binder polymer with a mechanical stirrer at 100 revolutions per minute, the process is carried out as gently as possible, since the tetrapodal zinc oxide is not broken during the mixing process.

Als Additiv-Verwendung des erfindungsgemäßen Zinkoxid-Briketts ist beispielsweise die portionierte Zugabe des Additivs zu einem Masterbatch oder einer Präpolymer-Komponente vor einer Polymerextrusion und das Zermahlen lassen des Additivs durch einen Extruder zu sehen. Bei der Erzeugung von 2-Komponenten-Polymeren kann das erfindungsgemäße Additiv ebenfalls Verwendung finden. Es wird portioniert einer Komponente als Emulgator beigemengt und mithilfe einer mechanischen Mischeinheit homogenisiert. In beiden Fällen wird durch den Einsatz des Additivs eine Produktverbesserung erreicht. Das Zinkoxid-Brikett wird durch Kleinmahlen, also durch das Zerbrechen der Tetrapoden im Polymer aktiviert. Durch das Zerbrechen der Tetrapoden werden hochreaktive, polare Ebenen in der c-Achse der Wurtzit-Struktur freigesetzt, welche mit den Polymerkomponenten reagieren. Es ist wichtig, dass das erfindungsgemäße Additiv im Polymer zerbrochen wird, um reaktive Ebenen mit Polymerkomponenten in Verbindung zu bringen. Werden das Additiv und damit auch die Tetrapoden außerhalb des Polymers zerbrochen, so reagieren die reaktiven Flächen mit der Luftatmosphäre ab und das Additiv kann nicht mehr wirken. Die hochreaktiven Ebenen sind deutlich höher energetisch als die intakten, im Syntheseverfahren für Mikrokristalle gewachsenen Seitenflächen. Eine homogenere Ausreaktion der Kunststoffe wird ermöglicht. Das so entstehende Kunststoffkomposit ist durch mindestens eine der folgenden Eigenschaften gekennzeichnet:

  • - Mechanische Verstärkung im Vergleich zum ungefüllten Kunststoff;
  • - Homogenere Eigenschaften des Kunststoffkomposits in Bezug auf beispielsweise Zugfestigkeit, Streckgrenze, Glasübergangstemperatur;
  • - Reduktion der Klebrigkeit und Gleitreibung im Vergleich zum ungefüllten Kunststoff;
  • - Spannungsrelaxation von mechanischen Verarbeitungsspannungen im Vergleich zum ungefüllten Kunststoff.
As an additive use of the zinc oxide briquette according to the invention, for example, the portioned addition of the additive to a masterbatch or a prepolymer component before a polymer extrusion and the grinding of the additive by an extruder can be seen. The additive according to the invention can also be used in the production of 2-component polymers. It is added in portions to a component as an emulsifier and homogenized with the help of a mechanical mixing unit. In both cases, the use of the additive improves the product. The zinc oxide briquette is activated by grinding, i.e. by breaking the tetrapods in the polymer. When the tetrapods break, highly reactive, polar planes are released in the c-axis of the wurtzite structure, which react with the polymer components. It is important that the additive according to the invention is broken down in the polymer in order to bring reactive planes into connection with polymer components. If the additive and thus also the tetrapods are broken outside the polymer, the reactive surfaces react with the air atmosphere and the additive can no longer work. The highly reactive levels are significantly more energetic than the intact side surfaces grown in the synthesis process for microcrystals. A more homogeneous reaction of the plastics is made possible. The resulting plastic composite is characterized by at least one of the following properties:
  • - Mechanical reinforcement compared to unfilled plastic;
  • - More homogeneous properties of the plastic composite with regard to, for example, tensile strength, yield point, glass transition temperature;
  • - Reduction of stickiness and sliding friction compared to unfilled plastic;
  • - Stress relaxation of mechanical processing stresses compared to unfilled plastic.

Da das Zinkoxid-Brikett in einem Massenverhältnis zwischen 0,5 % und 0,01 % von Additiv zu Polymer eingesetzt werden kann, sind nur geringe Füllgrade, also Füllgrade kleiner als 1 Gewichtsprozent, notwendig, um gute Resultate zu erzielen. Selbst bei einem Füllgrad von 1 - 1000 lässt sich schon eine deutliche Änderung der mechanischen Eigenschaften erkennen. Die in beispielsweise faserverstärkten Kunststoffen üblichen Füllgrade liegen deutlich höher.Since the zinc oxide briquette can be used in a mass ratio between 0.5% and 0.01% of additive to polymer, only low degrees of filling, i.e. degrees of filling less than 1 percent by weight, are necessary to achieve good results. Even with a filling level of 1 - 1000, a clear change in the mechanical properties can be seen. The degrees of filling customary in, for example, fiber-reinforced plastics are significantly higher.

Dadurch, dass vor, während oder nach der Polymerisation durch Polykondensation oder Polyaddition mit mindestens einer polaren Komponente Komposite erzeugt werden können, ist es möglich die zuvor beschriebenen Eigenschaften zu erhalten. Insbesondere sollte das Additiv bevorzugt in die Hydroxygruppe oder einer dieser Art verwandten Gruppe ausgestattete Komponente eingebracht und dort zerrieben werden, da dann der positive Effekt des Additivs voll ausgenutzt werden kann.Because composites can be produced with at least one polar component before, during or after the polymerization by polycondensation or polyaddition, it is possible to obtain the properties described above. In particular, the additive should preferably be introduced into the hydroxyl group or a component equipped with this type of group and ground there, since the positive effect of the additive can then be fully exploited.

Wenn die Homogenisierung der Komponenten bei der Erzeugung von 2-Komponenten-Polymeren entweder mit einem standardmäßigen Ultraschallstab mit beispielsweise 100 Watt effektiver Leistung bei 50 Prozent Amplitude und einer Dauer von 20 Sekunden oder mit einer Dissolverscheibe für das Dispergieren von Mikro- und Nanopartikeln bei mindestens 6000 Umdrehungen pro Minute für mindestens 5 Minuten stattfindet, so werden gute, reproduzierbare Werte in Bezug auf das Zerbrechen der Tetrapoden erwirkt. Dies führt zu geringen benötigten Füllgraden der Kunststoffkomposite.If the homogenization of the components in the production of 2-component polymers either with a standard ultrasonic rod with, for example, 100 watts effective power at 50 percent amplitude and a duration of 20 seconds or with a dissolver disc for dispersing micro and nanoparticles with at least 6000 Revolutions per minute takes place for at least 5 minutes, good, reproducible values with regard to the breaking of the tetrapods are achieved. This leads to the plastic composites being required to have a low degree of filling.

Die Darreichungsform des tetrapodalen Zinkoxids in Form eines Zinkoxid-Briketts hat verschiedene Vorteile. Das Zinkoxid-Brikett kann transportiert werden ohne dass es zum Zerbrechen von tetrapodalem Zinkoxid kommt und auch das Stauben von tetrapodalem Zinkoxid während des Transports kann so vermieden werden. Das Additiv in Form eines Zinkoxid-Briketts ist einfach in der Handhabung und kann verlässlich beigemengt werden. Sollbruchstellen zur Vereinzelung und Portionierung vereinfachen die Handhabung weiter.The dosage form of the tetrapodal zinc oxide in the form of a zinc oxide briquette has various advantages. The zinc oxide briquette can be transported without the tetrapodal zinc oxide breaking and dusting of the tetrapodal zinc oxide during transport can also be avoided. The additive in the form of a zinc oxide briquette is easy to use and can be added reliably. Breaking points for separation and portioning further simplify handling.

Das Additiv kann als Zusatz zu thermoplastischen Kunststoffen genutzt werden und schon bei Zugabemengen unter 1 Gewichtsprozent wird eine Verbesserung von bis zu 30 Prozent der mechanischen Eigenschaften erreicht. Da das Wirkprinzip auf dem Kleinmahlen beziehungsweise Zerbrechen der Mikrostrukturen beruht, kann das Additiv in jedem üblichen Extrusionsprozess eingebracht werden, um seine Wirkung zu entfalten und das Endprodukt zu verstärken. So kann in vielen Anwendungen wie beispielsweise bei der Folienherstellung Material gespart werden. Die Folien können dünner hergestellt werden, da weniger durch den Extrusionszusatz verstärktes Material die gleiche Festigkeit aufweist wie dickeres Material ohne Zusatz. Aufgrund der kleinen Mengen und der Einstufung von Zinkoxid als Biomaterial ist der Einsatz nicht durch die jeweilige Anwendung des Kunststoffs limitiert.The additive can be used as an additive to thermoplastic plastics and an improvement of up to 30 percent in the mechanical properties is achieved even if the amount is added below 1 percent by weight. Since the principle of action is based on the small grinding or breaking of the microstructures, the additive can be introduced in any conventional extrusion process in order to develop its effect and to strengthen the end product. In this way, material can be saved in many applications such as film production. The films can be made thinner because less material reinforced by the extrusion additive has the same strength as thicker material without additive. Due to the small quantities and the classification of zinc oxide as a biomaterial, its use is not limited by the particular application of the plastic.

Aufgrund der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der homogeneren Ausreaktion sollte es möglich sein, dass manche Schichtsysteme wie beispielsweise bei Folien für die Lebensmittelindustrie vermieden werden können. Diese Schichtsysteme werden zur Konservierung durch Sauerstoffbarriere an beispielsweise Fleischprodukten eingesetzt und sind aufgrund der Schichtung unterschiedlicher Polymere nicht recyclebar.Due to the improvement in the mechanical properties and the more homogeneous reaction, it should be possible that some layer systems, such as films for the food industry, can be avoided. These layer systems are used for preservation by means of an oxygen barrier on meat products, for example, and are not recyclable due to the layering of different polymers.

Neben dem Einsatz des Additivs in Thermoplasten ist auch ein Einsatz in Duroplasten und Elastomeren möglich. Hier bedingt das Additiv eine homogenere Reaktion.In addition to using the additive in thermoplastics, it can also be used in thermosets and elastomers. Here the additive causes a more homogeneous reaction.

Außer diesem Additiv sind keine Füllstoffe, die bei so geringer Zugabe einen Homogenisierungseffekt aufweisen, bekannt.Apart from this additive, no fillers are known which have a homogenizing effect with such a small addition.

Nachfolgend werden ein Herstellungsbeispiel und zwei Anwendungsbeispiele der Erfindung gegeben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht beschränkend zu werten sind:

  • Herstellungsbeispiel Additiv:
    • Für ein Zinkoxid-Brikett mit einer Dichte von 1,3 Gramm pro Kubikzentimeter wird eine Pressform eines Volumens von 10 Kubikzentimeter verwendet. Es wird eine Mischung von 2 Gramm Polyvinylbutyral als Mikropulver (Partikelgröße >10 Mikrometer) und 13 Gramm unzerkleinertes tetrapodales Zinkoxid mit einer Größe zwischen 100 Nanometer und 100 Mikrometer verwendet. Die Pulver werden vorsichtig händisch gemischt, bis eine homogene Mischung entsteht. Die gesamten 15 Gramm des entstandenen Pulvers werden in die Pressform gegeben und das Volumen auf 10 Kubikzentimeter gepresst. Die Pressform wird mitsamt dem Inhalt bei 80 °C für eine Stunde gelagert, so dass das Polyvinylbutyral schmilzt und das verbleibende Pulver verklebt. Dadurch kann die gepresste Masse entformt werden und anschließend in einem Hochtemperaturofen bei 900 - 1100 °C für 3-5 Stunden gebacken werden. Nach dem Abkühlen kann das Zinkoxid-Brikett vakuumverpackt werden.
  • Anwendungsbeispiel 1 - Additiv in Thermoplast:
    • Bei der Verarbeitung von polaren, thermoplastischen Kunststoffen (Polyamid, Polyethylenterephtalat, Polymilchsäure, etc.) kann je nach Fassungsvolumen des Extruders, der für die Kunststoffverarbeitung genutzt wird, ein Massenanteil zwischen 0,5 % und 0,01 % Zinkoxid-Brikett zugegeben werden. Das Brikett mit dem entsprechenden Gewicht wird in die Zugabevorrichtung des Kunststoffes gegeben. Durch normalen Betrieb des Schneckenextruders wird das Brikett in die funktionalen Einzelbestandteile zerrieben. Dazu ist es erforderlich, den Extruder für eine gewisse Zeit Mischen zu lassen. Die genaue Zeit für eine homogene Vermischung hängt vom jeweiligen Polymer und der Verarbeitungstemperatur ab und entspricht der Zeit, die benötigt wird, um andere Stoffe (Farbstoffe und Füllstoffe) beizumischen. Anschließend können aus dem additiverten Polymer wiederum Pellets oder Granulat hergestellt werden, die anschließend weiterverarbeitet werden können. Die additivierten Kunststoffe weisen bei korrekter Verarbeitung eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften auf: höhere Zugfestigkeit, verringerte Klebrigkeit, gleichmäßigere Glastemperatur beim Vergleich mehrerer Batches.
  • Anwendungsbeispiel 2 - Additiv in 2-Komponenten-Polymer:
    • Bei der Verarbeitung von 2-Komponenten-Polymeren mit mindestens einer polaren Komponente (Epoxidharze, Polyurethane, etc.) wird das Zinkoxid-Brikett in die polare Komponente zu dosiert. Die Zugabe erfolgt zwischen 0,5 % und 0,01 % Zinkoxid-Brikett gewichtsanteilig gerechnet auf das Gewicht des fertigen Polymers. Mithilfe einer mechanischen Mischeinheit (Dispergator, Ultraschallstab) wird diese Mischung homogenisiert, bis alle Arme / Stacheln kaputtgebrochen sind. Bei Verwendung eines handelsüblichen Ultraschallstabs entspricht das etwa 20 Sekunden bei 50 % Amplitude. Nach der Homogenisierung werden die beiden Komponenten des 2-Komponenten-Polymers in einem Zeitraum von bis zu 2 Wochen nach der Einmischung des Zinkoxid-Briketts im korrekten Mischungsverhältnis gemischt und laut Herstellervorgaben zur Polymerisation gebracht. Das fertige Polymer weist im Gegensatz zum nicht-additivierten Kunststoff eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften auf: höhere Zugfestigkeit, verringerte Klebrigkeit, homogenere Glasübergangstemperatur.
A production example and two application examples of the invention are given below, these being intended to explain the invention and not to be regarded as restrictive:
  • Production example additive:
    • For a zinc oxide briquette with a density of 1.3 grams per cubic centimeter, a mold with a volume of 10 cubic centimeters is used. A mixture of 2 grams of polyvinyl butyral as micropowder (particle size> 10 micrometers) and 13 grams of uncomminuted tetrapodal zinc oxide with a size between 100 nanometers and 100 micrometers is used. The powders are carefully mixed by hand until a homogeneous mixture is obtained. The entire 15 grams of the resulting powder are placed in the mold and the volume is pressed to 10 cubic centimeters. The mold and its contents are stored at 80 ° C. for one hour so that the polyvinyl butyral melts and the remaining powder sticks together. This allows the pressed mass to be removed from the mold and then baked in a high-temperature oven at 900 - 1100 ° C for 3-5 hours. After cooling, the zinc oxide briquette can be vacuum packed.
  • Application example 1 - additive in thermoplastic:
    • When processing polar, thermoplastic plastics (polyamide, polyethylene terephthalate, polylactic acid, etc.), a mass fraction of between 0.5% and 0.01% zinc oxide briquette can be added, depending on the capacity of the extruder that is used for plastics processing. The briquette with the appropriate weight is placed in the plastic dispenser. Normal operation of the screw extruder grinds the briquette into its individual functional components. To do this, it is necessary to let the extruder mix for a certain period of time. The exact time for a homogeneous mixing depends on the respective polymer and the processing temperature and corresponds to the time required to mix in other substances (dyes and fillers). Subsequently, pellets or granules can be produced from the polymer with the addition of additives, which can then be further processed. When processed correctly, the plastics with additives have one or more of the following properties: higher tensile strength, reduced stickiness, more uniform glass temperature when comparing several batches.
  • Application example 2 - additive in 2-component polymer:
    • When processing 2-component polymers with at least one polar component (epoxy resins, polyurethanes, etc.), the zinc oxide briquette is added to the polar component. The addition takes place between 0.5% and 0.01% zinc oxide briquette based on the weight of the finished polymer. With the help of a mechanical mixing unit (disperser, ultrasonic rod), this mixture is homogenized until all arms / spines have broken. When using a commercially available ultrasonic rod, this corresponds to about 20 seconds at 50% amplitude. After homogenization, the two components of the 2-component polymer are mixed in the correct mixing ratio within a period of up to 2 weeks after the zinc oxide briquette has been mixed in, and polymerized according to the manufacturer's instructions. In contrast to the non- plastic with additives has one or more of the following properties: higher tensile strength, reduced stickiness, more homogeneous glass transition temperature.

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Claims (11)

Thermoplast-Extrusions- und / oder 2-Komponenten-Polymer-Additiv umfassend bindungsmittelfreies tetrapodales Zinkoxid, wobei - wenigstens 90 Gewichtsprozent des Additivs aus tetrapodalem Zinkoxid bestehen; - das Additiv in brikettierter Form vorliegt und - eine Dichte zwischen 1,0 und 1,5 Gramm pro Kubikzentimeter aufweist.Thermoplastic extrusion and / or 2-component polymer additive comprising binder-free tetrapodal zinc oxide, wherein - at least 90 percent by weight of the additive consists of tetrapodal zinc oxide; - the additive is in briquette form and - Has a density between 1.0 and 1.5 grams per cubic centimeter. Additiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen tetrapodalen Zinkoxid-Partikel einen Durchmesser aus dem Intervall 100 Nanometer bis 100 Mikrometer aufweisen.Additive after Claim 1 , characterized in that the individual tetrapodal zinc oxide particles have a diameter from the interval 100 nanometers to 100 micrometers. Thermoplast-Extrusions- und / oder 2-Komponenten-Polymer-Additiv-Herstellungsverfahren mit den Schritten: a. Vermischen von in Pulverform und / oder in vernetzter Form vorliegendem tetrapodalem Zinkoxid mit einem Binderpolymer und Zinkmetall-Pulver, wobei - die Gewichtsanteile von Binderpolymer und tetrapodalem Zinkoxid in einem vorbestimmten Verhältnis zwischen 1 : 2 und 1 : 7 eingerichtet werden und - dem Gemisch aus tetrapodalem Zinkoxid und Binderpolymer bis zu 10 Gewichtsprozent Zinkmetall-Pulver beigemischt werden; b. Einfügen / Einfüllen / Geben des homogenisierten Gemisches in eine Brikettier-Pressform; c. Wärmebehandeln des Gemisches in der Pressform für wenigstens eine Stunde bei einer Temperatur wenigstens 10 °C oberhalb der Bindetemperatur des Schmelzpolymers; d. Abkühlen auf eine Temperatur wenigstens 20 °C unterhalb der Schmelztemperatur des Binderpolymers; e. Entnehmen des Inhalts der Pressform als formbeständiger Grünling; f. Sintern des Grünlings bei Temperaturen zwischen 900 °C und 1100 °C für 3 bis 5 Stunden unter Verbrennen des Binderpolymers; g. Abkühlen des Zinkoxid-Briketts.Thermoplastic extrusion and / or 2-component polymer additive manufacturing process with the following steps: a. Mixing of tetrapodal zinc oxide present in powder form and / or in crosslinked form with a binder polymer and zinc metal powder, wherein the weight proportions of binder polymer and tetrapodal zinc oxide are established in a predetermined ratio between 1: 2 and 1: 7 and - Up to 10 percent by weight of zinc metal powder are added to the mixture of tetrapodal zinc oxide and binder polymer; b. Inserting / filling / giving the homogenized mixture in a briquetting press mold; c. Heat treating the mixture in the mold for at least one hour at a temperature at least 10 ° C. above the bonding temperature of the melt polymer; d. Cooling to a temperature at least 20 ° C. below the melting temperature of the binder polymer; e. Removing the contents of the mold as a shape-retaining green compact; f. sintering the green compact at temperatures between 900 ° C. and 1100 ° C. for 3 to 5 hours with burning of the binder polymer; G. Cooling the zinc oxide briquette. Herstellungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Binderpolymer ausgewählt ist aus oder wenigstens ein Polymer aus den nachfolgenden Stoffen umfasst: - Polyvinylbutyral, - Polycaprolactam, - Polyethylenglykol, - Wachs.Manufacturing process according to Claim 3 , characterized in that the binder polymer is selected from or comprises at least one polymer from the following substances: - polyvinyl butyral, - polycaprolactam, - polyethylene glycol, - wax. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Binderpolymer einen Schmelzpunkt unter 100 °C aufweist.Manufacturing process according to one of the Claims 3 or 4th , characterized in that the binder polymer has a melting point below 100 ° C. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße des Zinkmetall-Pulvers nicht größer ist als der Durchmesser der einzelnen tetrapodalen Zinkoxid-Partikel.Manufacturing method according to one of the preceding claims, characterized in that the grain size of the zinc metal powder is not larger than the diameter of the individual tetrapodal zinc oxide particles. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vermischen mit einem mechanischen Rührwerk bei 100 Umdrehungen pro Minute ausgeführt wird.Manufacturing method according to one of the preceding claims, characterized in that the mixing is carried out with a mechanical stirrer at 100 revolutions per minute. Additiv-Verwendung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das portionierte Additiv - einem Masterbatch oder einer Präpolymer-Komponente vor einer Polymerextrusion zugegeben und durch einen Extruder zermahlen oder - bei der Erzeugung von 2-Komponenten-Polymeren einer Komponente als Emulgator beigemengt wird und mithilfe einer mechanischen Mischeinheit homogenisiert wird.Additive use according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that the portioned additive - is added to a masterbatch or a prepolymer component before polymer extrusion and ground by an extruder or - is added to a component as an emulsifier when producing 2-component polymers and is homogenized using a mechanical mixing unit. Additiv-Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv in einem Mengenverhältnis zwischen 0,5 % und 0,01 % gewichtsanteilig von Additiv zu Polymer eingesetzt wird.Additive usage according to Claim 8 , characterized in that the additive is used in a proportion between 0.5% and 0.01% by weight of additive to polymer. Additiv-Verwendung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Erzeugung von Kompositen, dadurch gekennzeichnet, dass vor, während oder nach der Polymerisation durch Polykondensation oder Polyaddition mit mindestens einer polaren Komponente Komposite gebildet werden.Additive use according to one of the Claims 1 or 2 for the production of composites, characterized in that composites are formed with at least one polar component before, during or after the polymerization by polycondensation or polyaddition. Additiv-Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenisierung der Komponenten bei der Erzeugung von 2-Komponenten-Polymeren - mit einem standardmäßigen Ultraschallstab bei 50 % Amplitude und einer Dauer von mindestens 20 Sekunden oder - mit einer Dissolverscheibe für das Dispergieren von Mikro- und Nanopartikeln bei mindestens 6000 Umdrehungen pro Minute für mindestens 5 Minuten stattfindet.Additive usage according to Claim 8 , characterized in that the homogenization of the components in the production of 2-component polymers - with a standard ultrasonic rod at 50% amplitude and a duration of at least 20 seconds or - with a dissolver disc for dispersing micro and nanoparticles at at least 6000 Revolutions per minute takes place for at least 5 minutes.
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