-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von
Formkörpern aus einer aus Gießharz und Füllstoffen verschiedener Dichte bestehenden
Gießmischung durch Schleudergießen.
-
Als Gießharz sind verschiedene Kunstharze oder ihre Vorprodukte bekannt,
die in flüssigem Zustand angeliefert werden und die durch eine chemische Reaktion
(Polymerisation, Polyaddition, Polykondensation) in den gebrauchsfähigen, körperlich
festen Endzustand übergeführt werden. Zu diesen Gießharzen zählen z. B. die ungesättigten
Polyesterharze, die Epoxydharzvorprodukte, die in Styrol oder anderen Monomeren
gelösten Kohlenwasserstoffharze auf Butadien-Basis, die Furanharze, Phenolharze,
Polymethacrylatharze in Lösung monomerer Methacrylate und andere. Allen gemeinsam
ist der flüssige Zustand vor der Formgebung und die Möglichkeit der Härtung.
-
Diese und andere Gießharze werden überwiegend in Kombination mit
Füllstoffen verarbeitet, wodurch nicht nur eine Verbilligung der Endprodukte erzielt,
sondern oft auch eine Verbesserung der mechanischen, thermischen oder elektrischen
Eigenschaften erreicht wird. Durch den Zusatz von Füllstoffen kann auch der Schrumpfung
der Gießharze entgegengewirkt werden, die im Verlauf ihrer Härtung mehr oder weniger
stark eintritt.
-
In zahlreichen technischen Vorschriften sind Füllstoffe als Mischungsbestandteile
enthalten, wobei oft auch Füllstoffkombinationen aus zwei oder mehr Komponenten
aufgeführt sind. Ebenso finden sich auch Vorschriften, die eine bestimmte Korngrößenverteilung
der Füllstoffe vorsehen, z. B. mit dem Ziel, eine möglichst lückenfreie Packung
zu erreichen, indem kleinere Teilchen vorgesehen sind, um die zwischen den gröberen
Teilchen verbleibenden Zwischenräume auszufüllen.
-
Das durch die Beigabe von Füllstoffen erstrebte Ziel, z. B. der Verbesserung
mechanischer Eigenschaften, wird jedoch oft nur bedingt erreicht, weil die zugesetzten
Füllstoffe die Neigung haben, sich -den Gesetzen der Schwerkraft folgend - in der
zunächst flüssigen Masse abzusetzen, wodurch eine Inhomogenität des Fertigteiles
bedingt ist. Da alle Kunstharze bzw. ihre Vorprodukte während der Härtungsreaktion
eine Volumenverminderung erfahren, die Füllstoffe dagegen unverändert bleiben, können
somit innere Spannungen in dem inhomogenen Fertigteil entstehen, die sich in den
mechanischen Eigenschaften deutlich negativ auswirken.
-
Unabhängig davon erhöhen zugesetzte Füllstoffe auch stets die Viskosität
dieser Gießmischungen. Dadurch kann die beim Mischvorgang der beiden Komponenten
zwangläufig eingebrachte Luft um so schwerer entweichen, je höher der Füllstoffanteil
und damit die Viskosität der Mischung wird. Eingeschlossene Luftblasen im gehärteten
Fertigteil bedeuten aber Fehlstellen, die nochmals zu einer Verschlechterung der
mechanischen Eigenschaften führen.
-
Man versucht diesen Fehler dadurch zu mindern, daß man die Gießharz-Füllstoff-Mischungen
einer Vakuumbehandlung unterzieht. Dies ist jedoch appa rativ aufwendig und bringt
die Gefahr eines Viskositätsanstiegs oder gar einer vorzeitigen Gelierung der Gießmischung
mit sich.
-
Es ist ferner bekannt, diesen allen Gießverfahren anhaftenden Fehler
dadurch zu vermeiden, daß man das Schleudergußverfahren anwendet, bei dem nahezu
poren-,
d. h. luftfreie Hohlkörper, z. B. Rohre, hergestellt werden können. Das Schleudergußverfahren
bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß die Fliehkraftwirkung einer erhöhten Absetzneigung
der spezifisch noch schwereren Füllstoffteilchen zur Folge hat. Beim Schlendergußverfahren
steht dem Vorteil der Luft- und Blasenfreiheit der Nachteil einer ungleichmäßigen
Füllstoffverteilung entgegen. Um diese zu vermeiden, hat man bei Füllstoffen mit
einem von der Kunstharzmasse abweichenden spezifischen Gewicht schon bestimmte Bedingungen
vorgeschlagen, um Hohlkörper mit gleichmäßig mit Füllmittel durchsetzter Wandung
zu erhalten.
-
Für die Anreicherung der Füllmittel innerhalb der Wandung des herzustellenden
Hohlkörpers, z. B. mehr oder weniger an der inneren oder äußeren Oberfläche des
durch Schleudern zu erhaltenden Hohlkörpers soll die Umlaufgeschwindigkeit der Hohlform
geändert werden. Eine solche Verfahrensweise ist nur begrenzt anwendbar. Denn der
Vorschlag führt dazu, daß man die Umlaufgeschwindigkeit erniedrigen soll, weil bei
geringeren Geschwindigkeitswerten der Entmischungseffekt naturgemäß geringer ist
und man homogenere Rohrwände erhalten würde. Der Umlaufgeschwindigkeit ist jedoch
nach unten eine Grenze gesetzt, weil dann Lufteinschlüsse unvermeidlich sind. Diese
Grenze ist im übrigen sehr bald erreicht.
-
Als weitere Bedingungen, eine homogenere Verteilung in der Rohrwand
nach dem Schleudergußverfahren zu erreichen, wird eine Änderung des Verteilungsgrades
vorgeschlagen. Dies bedeutet, daß man von einer aus anderen Gründen für die Herstellung
des Rohres optimalen Verteilung abgeben müßte, um das Ziel einer gleichmäßig mit
Füllmittel durchsetzten Wandung zu erhalten. Aber auch hierbei wird das Ziel nicht
erreicht, weil, gleichgültig, welcher Verteilungsgrad, der im Sinn der Mischung
auch nicht beliebig eingestellt werden kann, vorgesehen wird, in der Mischung immer
größere und kleinere Teilchen enthalten sein werden. Dies hat zur Folge, daß auch
bei Anderung des Verteilungsgrades immer die größeren Teilchen nach außen und feinere
Teilchen nach innen wandern werden. Dieses Mittel ist somit auch nicht brauchbar.
-
Für die unterschiedliche Anreicherung wird ferner die Menge des Füllstoffes
verantwortlich gemacht.
-
Hierbei greift man auch wieder in eine aus anderen Gründen vorbestimmte
Zusammensetzung bzw. Mischung von Füllstoff und Kunstharz störend ein. Die Menge
des Füllstoffes in dem Kunstharz ist im allgemeinen eine ganz bestimmte, von der
man nicht abgehen kann und will, um nicht andere Eigenschaften des geschleuderten
Hohlkörpers zu erhalten und die gewünschten zu beeinträchtigen und zu gefährden.
-
Der fundamentale Aufbau des herzustellenden Rohres kann bei Berücksichtigung
dieser Bedingung nicht eingehalten werden. Das gleiche gilt für die weitere Bedingung,
nämlich die Fließfähigkeit der Kunstharzmasse zu verändern. Einerseits ist die Fließfähigkeit
nur begrenzt variierbar, andererseits ergibt sich hierbei, daß man praktisch ein
anderes Kunstharz von eventuell anderen Eigenschaften verwenden muß, als man dies
bei dem ursprünglichen Konzept der Werkstoffzusammensetzung des herzustellenden
Hohlkörpers mittels des Schleudervorganges vorgesehen hat. Bei den gemachten Vorschlägen
erhält man zwangläufig einen Körper mit
einer mit Füllmittel durchsetzten
Wandung, bei dem das Füllmittel zwar gleichmäßig verteilt ist, der jedoch hinsichtlich
Verteilungsgrad, Menge des Füllstoffes und Art der Kunstharzmasse ganz anders aufgebaut
ist als bei dieser vorbestimmt war.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, Formkörper aus Gießharz und Füllstoff
aufweisenden Gießmischungen zu schaffen, die sowohl luft- und blasenfrei sind als
auch eine homogene Struktur unter Einhaltung der gewählten Art der Füllstoffe und
auch des Gießharzes aufweisen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die
Füllstoffe verschiedener Dichte hinsichtlich ihrer Dichte und Teilchengröße aufeinander
auf gleiche, insbesondere angenähert gleiche, durch das Schleudern sich ergebende
Absetzgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von einel vorbestimmten Dichte des Gießharzes
abgestimmt werden.
-
Vorteilhaft können spezifisch leichtere Füllstoffe in gröberer Teilchengröße
im Gemisch mit spezifisch schwereren Füllstoffen in feinerer Teilchengröße verwendet
werden.
-
Durch das Anpassen der Füllstoffe verschiedener Dichte an das Gesetz
der Radialbeschleunigung von Feststoffen hinsichtlich der Teilchengröße läßt sich
verhindern, daß unterschiedliche Absetzneigungen auftreten können. Die verschiedenen
Füllstoffe und die unterschiedlichen Teilchengrößen innerhalb der Füllstoffklassen
können sich praktisch nicht mehr entmischen, so daß wesentlich homogenere Formkörper
mit verbesserten mechanischen Eigenschaften erhalten werden können. Bei dem Schleudergußvorgang
wird den Entmischungserscheinungen durch Sedimentation wirksam begegnet. Die Luft
kann gut entweichen, die Viskosität wird nicht beeinträchtigt.
-
Zugleich läßt sich eine lückenfreie Packung zwischen kleineren und
gröberen Teilchen erzielen. Das Herstellungsverfahren bleibt einfach. Die Schleuderwirkung
bei der Herstellung kann hochgehalten werden.
-
Hierbei kann man mit wesentlich weniger Bindemittel auskommen, z.
B. 12 bis 14°/o, was weiterhin zur mechanischen Festigkeit der Schleuderrohre und
auch zu ihrer wirtschaftlicheren Herstellung beiträgt.
-
Die Absetzgeschwindigkeit wz von Füllstoffteilchen unter dem Einfluß
der Zentrifugalkraft ist: dz =. yF-yG r rw2 (m/s).
-
18v yG In dieser Gleichung bedeutet d = Teilchendurchmesser (m),
v = Viskosität des Gießharzes (m2/s), yF = Dichte des Füllstoffes (kg/m3), yG =
Dichte des Gießharzes (kg/m3), r = Durchmesser der Schleudertrommel (m), w = Winkelgeschwindigkeit
(s-') = 2"" [n = Drehzahl (UpM)1. v, r und w sind als Konstanten anzusehen, die
auf die Radialbewegung von Gießharz und Füllstoff in gleichem Maße einwirken. Unter
dieser Vereinfachung lassen sich für jede Dichte eines Gießharzes und für verschiedene
Dichten von Füllstoffen Kurven gleicher Radialgeschwindigkeiten berechnen, die abzulesen
gestatten, welche Teilchendurchmesser von
Füllstoffen verschiedener Dichte zu gleichen
Radialgeschwindigkeiten führen.
-
In dem Diagramm wurde als Beispiel ein Gießharz gewählt, das bei
einer Temperatur von 1100 C vergossen werden soll, bei der es eine Dichte mg= 1,
07 g/cm3 hat. Das Diagramm zeigt eine Schar von Kurven gleicher Absetzgeschwindigkeit
von Füllstoffen für ein Gießharz der Dichte 1,07 cm : 3.
-
Wenn beispielsweise ein Quarzmehl (Dichte 2,6 g/cm3) von 100 sm Teilchendurchmesser
als Füllstoff eingesetzt wird, so kann eine Kombination mit Basaltmehl (Dichte=3,0
g/cm3) von 89 ttm Teilchendurchmesser und/oderTitandioxyd(Dichte = 4,2 g/cm3) von
70 Fm Teilchendurchmesser und/oder Pyritmehl (Dichte=5,1 g/cm3) von 62 Fm Teilchendurchmesser
und/oder Bleiweiß (Dichte = 6,8) von 52 Fm Teilchendurchmesser benutzt werden, ohne
daß die gröberen oder spezifisch schwereren Teilchen sich schneller zum äußeren
Rohrumfang hin absetzen als die feineren oder spezifisch leichteren. Man erhält
auf diese Weise insofern eine besonders gute Füllstoffverteilung als die Lücken
zwischen den groben, spezifisch leichteren Quarzkörnern durch die feineren, spezifisch
schwereren Basalt-, Titandioxyd-, Pyrit bzw. Bleiweißteilchen gefüllt werden.
-
Es ist zweckmäßig, die Füllstoffe von im wesentlichen kugelförmiger
Gestaltung der Teilchen zu verwenden, um eine Anpassung an die rechnerisch ermittelte
Füllstoffkomposition zu erhalten. Bei Verwendung von Füllstoffteilchen wesentlich
abweichender Gestaltung, z. B. faseriger Form u. dgl., läßt sich eine entsprechende
Korrektur für die Füllstoffkomposition durchführen, was experimentell erfolgen kann.
-
Die Abstimmung der Füllstoffteilchen verschiedener Dichte hinsichtlich
ihrer Größe bereitet keine Schwierigkeiten.
-
Das Auftreten unterschiedlicher Absetzneigungen kann noch dadurch,
gegebenenfalls zusätzlich, gemindert bzw. behoben werden, daß man extrem feine Füllstoffteilchen
verwendet, da die Absetzneigung mit dem Quadrat des Durchmessers der Füllstoffteilchen
wächst. Es ist hierbei jedoch darauf zu achten, daß die Viskosität der Mischung
im ausreichenden Maß erhalten bleibt, weil mit abnehmendem Durchmesser der Füllstoffe
der Harzbedarf wächst. Diese Maßnahme eignet sich vor allem dann, wenn Feinstmehle
des Füllstoffes auf einfacher Weise zur Verfügung stehen.
-
Die Homogenität des Schleudergußkörpers läßt sich noch dadurch vervollkommnen,
daß - soweit zweckmäßig - Füllstoffe verwendet werden, die in der Dichte derjenigen
der verwendeten Gießharze gleich bzw. angenähert gleich sind. In einem solchen Fall
wäre eine unterschiedliche Absetzneigung auch bei höchsten Zentrifugalkräften nicht
vorhanden bzw. praktisch unbeachtlich. Wesentlich bleibt jedoch die Unterbindung
der Entmischung der Füllstoffgemische selbst, auch wenn diese eine gegenüber dem
Gießharz höhere Dichte aufweisen und dadurch die Neigung haben, sich in Richtung
nach außen zu bewegen.
-
Sinngemäß gilt diese Auswahl der Füllstoffe nach Teilchengröße und
Dichte auch für solche Gemische mit verformbaren Kunstharzen, wenn die Formmassen
als Pulver oder Granulat in die Schleuderform eingetragen werden, weil alle verformbaren
Kunstharze den Zustand der Schmelze durchlaufen müssen, in welchem sie viskose Flüssigkeiten
darstellen. Auch hierbei wird eine Entmischung durch Sedimentation
oder
Radialbeschleunigung durch die Erfindung vermieden bzw. wirksam vermindert.
-
Als herzustellende Formkörper mit den erfindungsgemäßen Eigenschaften
kommen vor allem Rohre in Frage, und zwar solche für die Bei und Entwässerung, vorzugsweise
zur Verwendung als Filterrohre, die schlitzartige Durchbrechungen aufweisen.
-
Beispiel 1 Unter einer Rührvorrichtung werden unter Erwärmung auf
1100 C folgende Komponenten mechanisch gemischt: 270g eines handelsüblichen Epoxydharzes
auf Basis Bisphenol A mit einer Viskosität von 10000 cP bei 250 C und einem Epoxydwert
von 0,53, 51g (= 190/0 bezogen auf das Epoxydharz) eines handelsüblichen Polyaminhärters
mit einem H-Aquivalentgewicht von 36, 753 g Quarzsand (Korngröße: 96 ovo über 0,2
mm), 675 g Quarzmehl (Korngröße: 95 Olo kleiner als 0,04 mm), 225 g Quarzmehl (Korngröße:
90 ovo kleiner als 0,01 mm).
-
Diese Mischung wird in eine mit 500 UpM rotierende Schleudertrommel
von 210 mm Durchmesser gegossen und danach bei 2000 UpM und 1500C so lange behandelt,
bis die Gießmasse erstarrt ist und entformt werden kann.
-
Das Rohr zeigt einen Elastizitätsmodul von 278000 kplcm2 und hat
zwischen ebenen Platten eine Bruchfestigkeit von 780 kp.
-
Ein unter gleichen Bedingungen hergestelltes Rohr, bei dem jedoch
die zuletzt genannte Quarzfraktion durch 225 g Bleiweiß mit einer Korngröße kleiner
als 0,02 mm ersetzt wurde, erreicht einen Elastizitätsmodul von 360 000 kp/cm2 und
eine Bruchlast von 930 kp. Diese Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ist
auf die homogenere Füllung zurückzuführen.
-
Beispiel 2 Unter einer Rührvorrichtung werden unter Erwärmung auf
1100 C folgende Komponenten mechanisch gemischt: 270 g eines Epoxydharzes wie im
Beispiel 1, 51 g eines Härters wie im Beispiel 1, 600 g Quarzsand (Korngröße: 96
ovo über 0,2 mm), 300 g Quarzsand (Korngröße : 99 ovo über 0,1 mm), 150 g Quarzsand
(Korngröße: 78 o/o gleich 0,1 mm), 280 g Quarzmehl (Korngröße: 0,04 bis 0,1 mm),
400 g Quarzmehl (Korngröße: 95 ovo kleiner als 0,04 mm), 200 g Quarzmehl (Korngröße:
90 ovo kleiner als 0,01 mm).
-
Diese Mischung wird, wie im Beispiel 1 beschrieben, behandelt, wonach
am fertigen Rohr folgende Werte gemessen werden konnten: Elastizitätsmodul ... ..
309 000 kp/cm2 Bruchlast.. .. . . 900 kp.
-
Bei Ersatz der drei zuletzt genannten Mischungsbestandteile durch
280 g Titandioxyd von durchschnittlich 0,07 mm Teilchendurchmesser und 600 g Bleiweiß
mit einer Korngröße kleiner als 0,05 mm ergaben sich folgende Werte am fertigen
Rohr: Elastizitätsmodul.... 490000 kp/cm2 Bruchlast.. . 1210 kp.
-
Die durch Bleiweiß und Titandioxyd hervorgerufene Hellfärbung des
Rohres ist sehr gleichmäßig über die gesamte Rohrwanddicke und nicht etwa an der
inneren oder äußeren Rohrwand konzentriert.
-
Schon aus der gleichmäßigen Färbung, noch mehr aber aus der deutlichen
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften kann auf einen homogenen Rohraufbau
geschlossen werden.