-
Die Erfindung betrifft eine Zusammensetzung
mit mindestens einem Thermoplast und mindestens einem mineralischen
verstärkenden
Füllstoff
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung der Zusammensetzung
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 15.
-
Füllstoffe
für Polymere,
wie thermoplastische Stoffe, werden aus unterschiedlichen Gründen den
thermoplastischen Stoffen beigemischt. Zum Beispiel dient die Beimischung
von Holzmehl als organischer Füllstoff oder
die Beimischung von mineralischen Füllstoffen, zu denen Quarz,
Dolomit, Kreide und Talkum als Gesteinsmehle gehören, in erster Linie zur Reduzierung
der Material- und Herstellungskosten. Andere Füllstoffe, wie beispielsweise
Graphit, MoS2 und PTFE werden vorrangig
zur Verbesserung einer bestimmten Eigenschaft bzw. eines Parameters
des Polymerstoffes hinzugemischt.
-
Verstärkungsfasern, wie beispielsweise
Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, Gewebeteile und silanisierte
Füllstoffe
werden zu Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise
der Zugspannung, des E-Moduls und der Kerbschlagzähigkeit
des Polymerstoffes eingesetzt.
-
EP 0 852 801 B1 zeigt eine kristalline leitende
Polymerzusammensetzung mit einem PTC-Verhalten, bei der die Zusammensetzung
ein Polymer ausweist, dass auf einen leitenden kohlenstoffhaltigen
teilchenförmigen
Füllstoff
gepfropft ist. Der Füllstoff
ist beispielsweise aus Russ. Er bildet eine chemische Bindung mit dem
Polymer. Eine derartige Verbindung von Polymeren mit Füllstoffen
dieser Art soll die Leitfähigkeit
des Polymers – weniger
jedoch dessen mechanische Eigenschaften – verbessern.
-
DE 199 62 930 A1 beschreibt flammwidrige
Polycarbonat-Formmassen mit Talk besonderer Reinheit. Die Beimischung
von Talk als Füllstoff
dient vorrangig zur Verbesserung der Flammwidrigkeit der Zusammensetzung.
Zwar kann mit der Hinzufügung
von Talkum auch eine Erhöhung
der Materialsteifigkeit erreicht werden, jedoch bedarf es für die einzelnen
Polymertypen aufgrund unterschiedlicher molekularer Zusammensetzung
der Polymere eines Haftvermittlers, um den Füllstoff an das Polymer anzubinden.
-
Je fester die Verbindung zwischen
einem Füllstoff
und dem Polymer ist, desto besser sind die mechanischen Eigenschaften
bzw. Parameter des Polymers, insbesondere eines zu der Polymerfamilie
gehörenden Thermoplasts.
Deshalb wird beispielsweise bei dem Gegenstand der
US 6 462 122 B1 eine Bindung
zwischen einem Polymer und einem silikathaltigen Füllstoff
erreicht, indem Zwischenschichtionen des silikatischen Füllstoffes
ausgetauscht werden, um so eine Anbindung an den Polymerstoff zu
erreichen. Verfahren zur Herstellung derartiger Zusammensetzungen
sind nicht nur zeitaufwendig sondern auch kostenintensiv. Dies gilt
ebenso für
Herstellungsverfahren, bei denen eine Zusammensetzung aus Polymer- und Füllstoffen
ein Haftvermittlerstoff zur Verbesserung der Stoffbindungen hinzugesetzt
wird.
-
Demzufolge liegt der vorliegenden
Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zusammensetzung zur Verstärkung von
Thermoplasten zur Verfügung
zu stellen, deren Herstellung kostengünstig ist und schnell durchgeführt werden
kann und die eine haltbare Verbindung selbst unter Belastung aufweisen.
Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
einer derartigen Zusammensetzung zur Verfügung zu stellen.
-
Diese Aufgabe wird stoffseitig durch
die Merkmale des Patentanspruches 1 und verfahrensseitig durch die
Merkmale des Patentanspruches 15 gelöst.
-
Ein wesentlicher Punkt der Erfindung
liegt darin, dass bei einer Zusammensetzung aus einem Thermoplast
und einem mineralischen verstärkenden
Füllstoff
speziell aufbereitetes Aluminiumsilikathydrat als alleiniger Füllstoff
verwendet wird, wobei der Thermoplast vorzugsweise ein Polypropylen
ist. Es wurde nun überraschend
gefunden, dass bei einem derartigen Compound, bestehend aus dem
Polypropylen und Aluminiumsilikathydrat, die mechanischen Eigenschaften
von aus diesem Compound bestehenden Halbzeugen oder Fertigteilen
verbessert werden. Die Halbzeuge und Fertigteile weisen insbesondere
höhere
Werte für
angewendete Zugspannungen, deren Elastizitätsmodul (E-Modul) und deren
Kerbschlagzähigkeit
auf.
-
Thermoplaste allgemein und Polypropylen
insbesondere sind Kunststoffe, deren Makromoleküle aus linearen oder verzweigten
Ketten bestehen, die nur durch zwischenmolekulare Kräfte – Nebenvalenzkräfte genannt – untereinander
zusammengehalten werden. Diese Kräfte sind umso höher, je
näher die
einzelnen Makromoleküle
zusammenliegen. Polypropylen als ein Polymer der Polyolefingruppe
(PP, PE) weist sehr reaktionsträge
und passiv wirkende Kohlenwasserstoffketten [~CH2-CH2(CH3)~]n auf,
mit denen nur in wenigen Fällen
in Verbindung mit mineralischen Füllstoffen im Compound eine
Verstärkung
erreicht wird. Ein Zusammenrücken
der einzelnen unpolaren -CH2- und -CH3- Moleküle
innerhalb der Makromolekülketten
findet nur dann statt, wenn diese Moleküle mit identischen Molekülen reagieren.
Verstärkende
mineralische Füllstoffe
hingegen weisen oft polare Moleküle,
wie -NH2, -OH, auf, mit denen allenfalls
eine Verbindung basierend auf Dipolkräften, die die physikalischen
und mechanischen Eigenschaften der Zusammensetzung beeinflussen,
stattfindet.
-
Erfindungsgemäß erübrigt sich die bisher übliche Bildung
derartiger Verbindungen, nämlich
durch Bildung von Radikalen und/oder den Zusatz von Haftvermittlerstoffen,
aufgrund der Verwendung eines Gemisches aus Polypropylen und Aluminiumsilikathydrat
als mineralischer Füllstoff.
Entgegen der bisherigen herkömmlichen
Meinung resultiert hieraus eine dauerhafte und stark beanspruchbare
Verbindung an den Grenzflächen
zwischen den polaren Makromolekülen
des Füllstoffes
und den unpolaren Makromolekülen
des Polypropylens.
-
Vorteilhaft ist, dass bei der Verwendung
von Aluminiumsilikathydrat als Verstärkungsfüllstoff nach der Durchführung einer
physikalischen Aufbereitung des Rohstoffes, in welchem das Aluminiumsilikathydrat
vorkommt, keine weitere chemische Behandlung oder Modifizierung
notwendig ist, um eine physikalische und mechanisch dauerhafte Verbindung
selbst unter Belastung zwischen dem Polypropylen-Makromolekülen und dem
Aluminiumsilikathydrat zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften
der Zusammensetzung zu erreichen. Durch den Wegfall eines chemischen
Behandlungsverfahrens, beispielsweise zur Bildung von Radikalen,
ist eine umweltfreundliche Herstellung von verstärkten Halbzeugen und Fertigteilen
aus Thermoplast, insbesondere Polypropylen möglich. Zudem ist die Herstellung
eines derartigen Gemisches durch den Wegfall der chemischen Verfahren
zeit- und kostensparend.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
werden der Zusammensetzung 0–5
Ma-% eines Stabilisators hinzugefügt, wobei ein Thermoplastanteil
35–98
Ma-% und ein Aluminiumsilikathydratanteil 5–60 Ma-% beträgt. Besonders
bevorzugt enthält
die Zusammensetzung einen Thermoplastanteil von 45–95 Ma-%,
einen Aluminiumsilikathydratanteil von 8–50 Ma% und eine Stabilisatoranteil
von 0–5
Ma-%. Noch bevorzugter wird eine Zusammensetzung aus einem Thermoplastanteil
von 40–80
Ma-%, einem Aluminiumsilikathydratanteil von 20– 55 Ma-% und einem Stabilisatoranteil
von 0–5
Ma-% verwendet. Weiterhin ist besonders bevorzugt ein Thermoplastanteil
von 75–93
Ma-% und ein Aluminiumsilikathydratanteil von 5–22 Ma-% vorhanden.
-
Der Stabilisator kann stabilisierend
gegen die Einwirkung von Wärme,
Ultraviolettstrahlung und/oder Ozon wirken.
-
Das hinzugefügte Aluminiumsilikathydrat
weist folgende Mineralphasen auf: 50–100 Ma-% Kaolinit und 0–40 Ma-%
Restbestandteile, vorzugsweise 75–100 Ma-% Kaolinit und 0–20 Ma-%
Restbestandteile und weiterhin bevorzugt 90–100 Ma-% Kaolinit und 0–10 Ma-%
Restbestandteile.
-
Das hinzugefügte Aluminiumsilikathydrat
weist unter Berücksichtigung
von Feldspat- und Quarzanteilen folgende Mineralphasen auf: 75–98 Ma-%
Kaolinit, 3–25
Ma-% Feldspat, höchstens
5 Ma-% Quarz und höchstens
1 Ma-% Restbestandteile. Vorzugsweise bestehen die Mineralphasen
des Aluminiumsilikathydrats aus 88–98 Ma-% Kaolinit, 3–12 Ma-%
Feldspat, höchstens
4 Ma-% Quarz und höchstens
1 Ma-% Restbestandteile. Besonders bevorzugt werden 91–98 Ma-%
Kaolinit, 3–7
Ma-% Feldspat, höchstens
3 Ma-% Quarz und höchstens
1 Ma-% Restbestandteile verwendet. Das als Polyplast verwendete
Polypropylen kann eine homopolymere, random-copolymere, block-copolymere
oder alternierend copolymere Markromolekülstruktur aufweisen.
-
Gegenstand der Erfindung ist ebenso
ein Verfahren zur Herstellung der Zusammensetzung aus mindestens
einem Thermoplast und Aluminiumsilikathydrat, bei dem die einzelnen Komponenten
mittels eines Doppelschneckenextruders gemischt und bei erhöhter Temperatur
compoundiert werden. Durch die Verwendung eines Doppelschneckenextruders
findet während
des Compondierungsvorganges vorteilhaft sowohl eine gleichmäßig in der
gesamten Masse der Zusammensetzung vorhandene Verteilung der Zusatzstoffe,
wie des Füllstoffes,
die in unterschiedlichen Mengen eingemischt werden, als auch die
Fertigung der fertig gemischten Zusammensetzung zu einem Granulat
statt.
-
Hierfür wird der Thermoplast als
Granulat, das Aluminiumsilikathydrat als Mineralpulver und gegebenenfalls
der Stabilisator als Pulver dem Doppelschneckenextruder zugeführt. Gegebenenfalls
weitere Additive sind als Granulat oder als Pulver zuzuführen. Das
Thermoplastgranulat und eventuelle Additive werden durch einen Trichter
des Doppelschneckenextruders gleichmäßig innerhalb einer Einzugszone
eingezogen und durch die Schnecken weiter gefördert. Durch eine Seiteneinführung (side
feeder) wird anschließend
das Aluminiumsilikathydrat hinzugeben. Es folgt ein Schmelzen und
Homogenisieren des sich in dem Extruder befindenden Materials bei
einer vorbestimmten Verarbeitungstemperatur.
-
Aufgrund der Verwendung eines Doppelschneckenextruders,
bei dem zwei Schneckenvorrichtungen nebeneinander innerhalb eines
Gehäuses
mit einem 8-förmigen
Querschnitt angeordnet sind, wird eine Vermischung der Materialkomponenten
ohne hohe mechanische und thermische Belastung auf einfache Weise erreicht.
Eine Förderung
und Vermischung des Materials, die durch einen Reibungsschluss zwischen
den Schneckenvorrichtungen und dem Gehäuse stattfinden, wird bei kurzen
Verweilzeiten und hohen Temperaturen ohne Überschreitung von Schädigungsgrenzen
des empfindlichen Materials durchgeführt.
-
Aufgeschmolzenes Polypropylen haftet
an den Oberflächen
des plättchenartig
ausgebildeten Aluminiumsilikathydrats aufgrund dessen Morphologie
bzw. Oberflächeneigenschaften,
insbesondere Oberflächenstruktur
dauerhaft an, so dass ein Verbund zur Verstärkung des Polypropylencompounds
erhalten wird. Für eine
derartige Haftung sind sowohl die Oberflächeneigenschaften als auch
das Aspektverhältnis
von Aluminiumsilikathydrat entscheidend.
-
Die für den Compoundierungsvorgang
verwendeten Temperaturen zum Verschmelzen und Homogenisieren der
Materialkomponenten liegen in einem Bereich von oberhalb 200° C.
-
Die physikalische Aufbereitung des
Aluminiumsilikathydrates beinhaltet eine Nassaufbereitung mit Waschprozess,
bei dem enthaltener Quarz und Feldspat größtenteils abgetrennt wird,
gegebenenfalls einen Flotationsprozess sowie eine sich anschließende Trennung
von Kaolinit in unterschiedliche Korngrößenfraktionen mittels einer
Hydrozyklonbehandlung sowie gegebenenfalls eine chemische Bleiche
oder eine Behandlung mittels Magnetscheider. Die physikalische Aufbereitung
kann als weiteren Schritt auch eine Mahlung beinhalten. Anschließend wird
das Aluminiumsilikathydrat getrocknet und pulverisiert.
-
Beispiele:
-
Einem Polypropylen wird als verstärkender
Füllstoff
Aluminiumsilikathydrat Al
4(Si
4O
10)(OH)
8 mit folgenden
Mineralphasen hinzugefügt.
85–95
Ma-% Kaolinit, 3–7
Ma-% Feldspat, < 2
Ma-% Quarz und < 1
Ma-% Restbestandteile. Eine genauere chemische Zusammensetzung ist
der nachfolgenden Tabelle 1 zu entnehmen: Tabelle
1
-
Die aus dieser Vermischung resultierenden
mechanischen Eigenschaften des Compounds, der Zugspannung, des E-Moduls
und der Kerbschlagzähigkeit
sind der nachfolgenden Tabelle 2 in einer Vergleichsdarstellung
zu entnehmen.
-
-
Aus der Tabelle 2 ist zu erkennen,
dass gegenüber
einem Polypropylen ohne Füllstoff
bei der Verwendung von Aluminiumsilikathydrat mit mittlerer, feiner
und feinster Körnung
verbesserte Werte für
das E-Modul, das Biege-Modul, die Charpy-Kerbschlagzähigkeit
und die Zugspannung erhalten werden. Beispielsweise erhöht sich
das E-Modul durch die Hinzufügung
des Aluminiumsilikathydrats von 1,2 GPa auf 3,0–3,29 GPa.
-
Mögliche
Anwendungsgebiete für
derart verstärkte
Polypropylene liegen im Bereich des Maschinenbaus, Apparatebaus,
Anlagenbaus, der Automationstechnik, der Fördertechnik, der Chemieindustrie,
der Elektroindustrie, der Lebensmittelindustrie und der Medizintechnik.
Es können
sowohl Halbzeuge, wie Platten, Folien, Rohre und Profile, als auch
Fertigteile, wie Eimer, Zahnräder
und Gehäuse
mit hohen Festigkeitswerten gefertigt werden. Es ist auch das Ersetzen
von Werkstoffen mit höherem
Gewicht, wie beispielsweise von Metallen im Automobil- und Flugzeugbaubereich,
denkbar.
-
Zudem können kostengünstig teurere
Füllstoffe
wie Talkum ersetzt werden.
-
Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.