DE1495162C

DE1495162C - Verfahren zur Herstellung von Formkörpern durch Polymerisation von epsilon-Caprolactam

Info

Publication number: DE1495162C
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dipl.-Ing. 6703 Limburgerhof; Jung Hans Dr.-Ing.; John Günther; Ammon Hans von Dipl.-Ing.; 6700 Ludwigshafen Raichle
Original assignee: Badische Anilin and Sodafabrik AG
Current assignee: BASF SE

Description

Walzen aus Kunststoff, z. B. aus Polyamid, wurden bisher im Stand als Vollkörper gegossen oder als Rohre im Schleudergußverfahren hergestellt. Beide Verfahren führen zu Walzenkörpern mit hohen Eigenspannungen. Diese hohen Eigenspannungen sind dadurch bedingt, daß bei der Polymerisation wegen der niedrigen Wärmeleitzahl des Polyamids örtlich hohe Temperaturunterschiede und damit Unterschiede in der Polymerisationsgeschwindigkeit auftreten. Diese Unterschiede ergeben in der fertigen Walze Bereiche mit räumlich stark veränderlichen Wärmedehnzahlen, so daß auch durch Temperung ein Abbau der Eigenspannungen nicht erfolgen kann. Temperversuche an Walzenkörpern, die im Schleuderguß hergestellt worden waren, haben ergeben, daß auch bei sehr sorgfältiger Abkühlung der Walzenkörper ein Reißen infolge von Wärmespannungen nicht immer zu vermeiden ist.

Ein Aufschrumpfen von Walzenkörpern auf Stahlkerne kann immer mit einem Reißen des Körpers verknüpft sein. Über die Höhe der Eigenspannungen ist bisher nichts bekanntgeworden. Sie bilden sich in jedem Körper anders aus. Wird der Walzenkörper zum Aufschrumpfen erwärmt, so treten außer den Sdirumpfspannungen noch zusätzliche Eigenspannimgen auf, die auf den unterschiedlichen AusdehiHingszahlen beruhen.

Es wurde nun gefunden, daß man bei der Herstellung von Formkörpern durch Polymerisation von ε-Caprolactam in Gegenwart von Katalysatoren und Aktivatoren in einer Form solche hohen Eigenspannungen vermeiden kann, wenn man in einer Form polymerisiert, die aus einem mit Boden, Seitenwand und Deckel versehenen, zerlegbaren, die Form bildenden Gehäuse, aus einem aus der Form herausnehmbaren, im Boden und Deckel beweglich gelagerten und mit einem Motor angetriebenen, gegebenenfalls mit Erhöhungen oder Vertiefungen versehenen Kern und aus Einrichtungen zur Wärmeübertragung in der Seitenwand und im Kern besteht und deren Formwände vor dem Füllen auf eine Temperatur erwärmt worden sind, die niedriger als die höchste, während der Polymerisation auftretende Temperatur ist, und während der Polymerisation mindestens eine Formwand innerhalb der Form gegenüber dem Forminhalt bewegt.

Während der Polymerisation kann man vorteilhafterweise den Kern bei konstanter, gegenüber den übrigen Formwänden unterschiedlicher Temperatur halten.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können hohe Eigenspannungen in dem Walzenkörper vermieden werden. Hierzu werden die zur Reaktion kommenden Komponenten flüssig in den Fonnhohlraum mit der Temperatur T₀ eingebracht. Bei der Polymerisation steigt die Temperatur von T₀ auf T₁ an. Die Wände der Form werden auf eine Temperatur T_n <C T₁ gebracht. Beim Einfüllen der Komponenten erfolgt gleichzeitig eine intensive mechanische Diirchmischung, die auch während der Polymerisation aufrechterhalten wird. Dadurch wird im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren erreicht, daß sich in der Flüssigkeit während der Polymerisation in weilen Bereichen eine nur mit der Zeit, nicht aber mit dem Ort veränderliche Temperatur einstellt. Insbesondere erfolgt durch die mechanische Durchmischung ein Kou/entrationsausgleich und hei der Diircliniiscliung infolge von Schergefällen auch eine Ausrichtung der Kettenmoleküle bei geringem Monomergehalt. Auf diese Weise wird ein weitgehend homogener und eigenspannungsfreier Körper hergestellt.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, daß durch die Wahl der Wandtemperaturen auch eine örtlich veränderliche Temperaturverteilung eingestellt werden kann. Daraus ergibt sich, daß ein vorher bestimmter Bereich innerhalb der Form zunächst voll

ίο auspolymerisiert und die übrigen Bereiche gegen diesen Bereich schrumpfen. Auf diese Weise kann ein Walzenballen auf einen Stahlkern aufpolymerisiert werden, ohne daß in dem Walzenkörper unzulässig hohe Eigenspannungen entstehen. Schrumpflunker können in dem Körper nicht entstehen.

Den Aufbau einer erfindungsgemäß zu .verwendenden Form zeigt beispielsweise Fig. 1. Das die Form bildende Gehäuse besteht aus einem Boden 1, einer Seitenwand 2 und einem Deckel 3. In das Gehäuse ist ein Kern 4 eingesetzt und in Lagern 5 und 6 drehbar geführt. Der Kern 4 wird über eine Kupplung 7 motorisch angetrieben; er kann durch eine zentrale Bohrung 8 in einem durch den Boden durchgeführten Hohlzapfen .9 beheizt oder gekühlt werden. Der Hohlzapfen 9 ist mittels einer Packung 10, die durch einen Packungsring 11 gegen den Boden 1 gepreßt wird, nach außen abgedichtet.

Der Boden I besitzt Stutzen 12 und 13 zur Zufuhr der umzusetzenden Stoffe. Zur Wärmung oder Kühhing ist die Seitenwand 2 mit einem Außenmantel 14 verseilen, welcher mit Stutzen 15 und 16 zur Zufuhr und Abfuhr des die Wärme übertragenden Mediums versehen ist. Die beiden Komponenten werden zur Herstellung des Fonnkörpers durch den unbeheizten Boden in die Form eingeführt. Der Außenmantel wird mit Dampf beheizt; er wird vor dem Einfüllen der Komponenten auf eine Temperatur T^,, gebracht. Der Innenkern wird ebenfalls mit Dampf beheizt und auf eine Temperatur T_NI gebracht. Gleichzeitig wird der Innenkern über die Kupplung mit konstantem Moment angetrieben und dadurch in Drehung versetzt. Hierbei werden in der Form die beiden Komponenten innig durchmischt. Bedingt durch den. guten Wärmeaustausch an den Wänden stellen sich

die in F i g. 2 angegebenen Temperaturverteilungen zur Zeit r₀, t_v t., und t₃ ein. Walzenkörper, die mit der in F i g. L dargestellten Vorrichtung hergestellt wurden, lassen sich, ohne daß Risse auftreten, bis auf Wanddicken von 2 mm abdrehen. Wie sich durch Versuche ergeben hat, lassen sich auch Wanddicken von 5 mm auf Stahlkörper aufpolymerisieren. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, daß die Walzenballen auf Wellen mit Naben aufpolymerisiert werden können, wodurch ein Lösen des Ballens von der Welle vermieden wird. Dieses bisherige Lösen des Walzenballens aus Kunststoff von der Tragachse trat bei sämtlichen Kunststoffwalzen im Betrieb auf.

Fig. 3 zeigt einen Kern mit Nuten 17. In Fig. 4 ist eine zur Herstellung von Rohkörpern für Zahn-

ßo räder aus Polycaprolactam erfindungsgemäß zu verwendende Form dargestellt. In dieser ist der Kern nicht im Boden gelagert. Der Boden ist vielmehr mit einem Zapfen 18 versehen, der zur Führung eines mit einer Bohrung 19 versehenen Stahlkerns20 dient.

r>5 In der Bohrung 19 des Stahlkerns 20 ist ein mit der Unterseite des scheibenförmig ausgebildeten Kerns verbundener Zapfen 21 gelagert. Zur Führung der Heizflüssigkeit ist in der Bohrung des Kerns zentral

ein Rohr 22 eingesetzt, das an seinem unteren Ende in einer ringförmigen Scheibe endet. Die Heizflüssigkeit fließt durch das Rohr 22 zu und zwischen Rohr 22 und oberer Nabe 24 des Kerns wieder aus.

Zur kontinuierlichen Herstellung von Profilen wird die in F i g. 5 dargestellte Form mit einer zentralen Bodenöffhung 25 und einer kegelartigen oder durch Rotation eines Kreisbogens erzeugten Innenfläche 26 der Wand verwendet. Der Kern ist der Innenfläche 26 angepaßt und als Mischkegel 27 ausgebildet. Die umzusetzenden Stoffe werden hierbei von oben seitlich zugeführt und in dem von der Wand einerseits und der spitz nach unten zulaufenden Außenwand des Mischkegels andererseits gebildeten Mischraum 28 miteinander vermischt und umgesetzt. Um nach der Umsetzung ein Ablösen von der Außenwand zu erreichen, kann in bekannter Weise ein Ultraschallschwinger 29 an die Bodenöffnung angesetzt werden. Dieser Schwinger läuft nach unten in einer Führungsbüchse 30 aus, die an ihrem Ende eine Abzugsvorrichtung 31 besitzt, um die Abzugsgeschwindigkeit des Profils regeln zu können.

Beispiel

Es sollte ein Walzenballen aus Polycaprolactam in einer senkrecht stehenden Form auf einen in die Form eingesetzten Stahlkern aufpolymerisiert werden. Das Gewicht des eingesetzten ε-Caprolactams betrug 52,5 kg. Bei diesem Verfahren können in einer Form mit einem Durchmesser von 300 mm und einer Höhe von 600 mm Walzen hergestellt werden, die nach der Bearbeitung einen Durchmesser von 280 mm und eine Höhe von 550 mm aufweisen.

Am Boden der Form wurde der glatt abgedrehte Stahlkern mit einem Durchmesser von 87 mm durch eine Stopfbüchse hindurchgeführt. Oberhalb und unterhalb der Form befanden sich Führungslager für den Stahlkern, der mittels Keilriemen durch ein 1-PS-Regelgetriebe mit einer Drehzahl von maximal 300 U/min angetrieben wurde; Form und Stahlkern wurden mit Dampf beheizt. Die Ausgangskomponenten (Aktivator- und Katalysatorlösung im Verhältnis 1:1, jeweils im ε-Caprolactam) wurden aus zwei Schmelzkesseln über Bodenventile von unten in die Form eingefüllt. (Alle Angaben sind in Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtmenge.)

Die Herstellung des Formkörpers lief folgendermaßen ab:

Die Formwand wurde auf 110° C, der Kern auf 120° C erwärmt. Die Temperatur der zulaufenden Komponenten betrug 110⁰C. Über ein Bodenventil wurde zunächst etwa die halbe Menge ε-Caprolactam (25 kg) zusammen mit dem Aktivator (5 %) eingefüllt. Nach einigen Minuten waren alle Luftblasen aus der Lösung entwichen. Um ein blasenfreies Einfüllen der Katalysatorlösung (7°/oig) in ε-Caprolactam zu gewährleisten, ließ man vor dem Einfüllen etwa bis 2 1 aus der Zulaufleitung über einen Dreiwegehahn ablaufen. Die Katalysatorlösung wurde mit etwa 2 atü Druck aus dem Schmelzkessel über ein Rohr mit 6 mm lichter Weite eingefüllt. Aktivator- und Katalysatorlösung wurden in der Form horizontal durch den mit etwa 300 U/min rotierenden Kern und vertikal durch den starken Katalysatorstrahl in

der Aktivatorfüllung durchgemischt.

Der Einfüllvorgang dauerte etwa 30 Sekunden. Die Polymerisation begann etwa 2 Minuten nach dem Einfüllen. Während der Polymerisation wurde die Drehzahl langsam vermindert. Nach 3 bis 4 Minuten war die Polymerisation weitgehend beendet. Nach 20 Minuten konnte die Walze zusammen mit dem Kern aus der Form genommen werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern durch Polymerisation von ε-Caprolactam in Gegenwart von Katalysatoren und Aktivatoren in einer Form, dadurch gekennzeichnet, daß man in einer Form polymerisiert, die aus einem mit Boden, Seitenwand und Deckel versehenen, zerlegbaren, die Form bildenden Gehäuse, aus einem aus der Form herausnehmbaren, im Boden und Deckel beweglich gelagerten und mit einem Motor angetriebenen, gegebenenfalls mit Erhöhungen oder Vertiefungen versehenen Kern und aus Einrichtungen zur Wärmeübertragung in der Seitenwand und im Kern besteht und deren Formwände vor dem Füllen auf eine Temperatur erwärmt worden sind, die niedriger als die höchste, während der Polymerisation auftretende Temperatur ist, und während der Polymerisation mindestens eine Formwand innerhalb der Form gegenüber dem Forminhalt bewegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man während der Polymerisation den Kern bei konstanter, gegenüber den übrigen Formwänden unterschiedlicher Temperatur hält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen