DE1679838A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von glasfaserverstaerkten thermoplastischen Kunststoffen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von glasfaserverstaerkten thermoplastischen KunststoffenInfo
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Description
LEVEHKU SEN-FMcat-Abceiluas
Mr/gb 2-8. Sep.
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von glasfaserverstärkten
thermoplastischen Kunststoffen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von glasfaserverstärkten Kunststoffen
durch Vermischen von Glasfasern mit völlig oder teilweise geschmolzenen
thermoplastischen Kunststoffen, wie z.B. Polyamide, Polycarbonate,
hochmolekulare folyeeter und PolyMther, Celluloseester.
Es ist bekannt, daß die mechanischen Eigenschaften von thermoplastischen
Kunststoffen durch Zusatz von Glasfasern erheblich verbessert werden können. Insbesondere die Zugfestigkeit, die Biegefestigkeit, -^
die Kerbschlagzähigkeit, der Elastizitätsmodul sowie die Wärmestandfee tigkeit dieser Kunststoffe werden bedeutend erhöht.
Ee ist weiterhin bekannt, glasfaserverstärkte thermoplastische Kunststoffe
dadurch herzustellen, daß fflasfaeern einer Länge von ca. 0,01 ~
10 mm und eines Durchmessers von ca. 0,003 - 0,015 mm mit Hilfe einer
geeigneten Schneckenpresse (Extruder) mit dem geschmolzenen thermoplastischen
Kunststoff homogen vermischt werden. Dazu können die
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Glasfasern entweder gleichzeitig mit dem Kunststoff, der als
Granulat oder Pulver, gegebenenfalls auch als Schmelze vorliegen kann, in den Einfülltrichter einer Schneckenpresse dosiert werden
oder aber durch eine geeignete öffnung an einer Stelle eines Extruders,
an der die Kunststoffschmelze nicht unter Druck steht, z.B.
durch einen der üblichen Entgasungsstutzen, in die Schmelze des thermoplastischen Kunststoffs eingetragen werden. Dieses Verfahren
ist an sich sehr vorteilhaft, besitzt jedoch einige Mängel. Es ist
von Nachteil, daß infolge der mit steigendem Glasgehalt stark zunehmenden
Schmelzviskosität der glasfaserverstärkten thermoplastischen Kunst&otffe die Durchsatz-Leistung der Schneckenpressen abnimmt,
durch die auftretende hohe Friktionswärme ein teilweiser Abbau des Kunststoffes verursacht wird und ein durch die Glasfasern
verursachter starker Verschleiß der Schneckenwellen, Schneckenzylinder und Spinndüsen eu beobachten ie't·· Ein weiterer Nachteil
dieses Verfahrens besteht darin, daß beim Zerhacken oder Granulieren
der rai der Düse der Schneckenpresse austretenden Drähte oder Bänder
ein starker Verschleiß der Messer und Zugwalzen der Hackmaschine auftritt.
Es wurde nun ein Verfahren gefunden, daß die Nachteile des vorbekannten
Verfahrens vermeidet, indem das Mischen der Glasfasern und des thermoplastischen Kunststoffes durch einen trombenförmigen Materialumlauf
bewirkt wird. Dadurch wird überraschenderweise eine sehr gute homogene Verteilung der Glasfasern in dem Kunitatoff erzielt
.
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Der thermoplastische Kunststoff wird beispielsweise in Form von
Granulat, Kügelchen, Pulver ms«, zuaaamen mit Glasfasern von
0,01 bis 3|0 mm, vorzugsweise 0,05 bis 1,0 mm Länge und einem Faserdurchmesser
von 0,005 bis 0,015 mm in eine Mischvorrichtung eingegeben. Es versteht sich, daß gleichzeitig oder während des Mischens
noch übliche Zusätze, wie Pigmente, Farbstoffe, Wärmestabilisatoren,
Lichtstabilisatoren, Witterungsstabilisatoren, Gleit- und Entformungsmittel,
optische Aufheller, Weichmacher usw. zugesetzt werden können. Die Zusätze können gegebenenfalls den thermoplastischen
Kunststoffen auch schon vor der Zugabe der Glasfasern beigemengt werden.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das zu mischende Gut.vorzugsweise
vor dem Einsetzen des Mischvorganges bis in die Nähe des Schmelzpunktes des Kunststoffes erwärmt.' Anschließend wird das Mischgut
bei trombenförmigem Materialumlauf soweit aufgeheizt, daß der Kunststoff vollständig oder mindestens.teilweis schmilzt. Das Produkt
wild nach dem Mischvorgang vorzugsweise einer Abkühlung unterworfen
und fällt schließlich als flockiges Granulat an, ohne einfcn
festen Kuchen zu bilden und kann gegebenenfalls nach einem Mahlvorgang
ohne Schwierigkeiten mittels Spritzgußmaschinen oder Extrudern zu Formteilen verarbeitet werden.
Nach einer besonderen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine Schutzgasatmosphäre verwendet^ um Oxydationsschädigungen
des Kunststoffes zu vermeiden. Hierfür eignet sich als Inertgas beispielsweise
Stickstoff oder Kofelendioxyd.
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Thermoplastische Kunststoffe im Sinne der vorliegenden Erfindung sind u.a. Polyamide, die durch Polymerisation bzw. Polykondensation
sowohl von Diaminen und Dicarbonsäuren als auch von Aminocarbonsäuren
oder deren lactamen erhalten worden sind, z.B. Nylon-6, Nylon-11,
Nylon-12, Nylon-6,6, Nylon-6,10 usw., Polyester der Kohlensäure mit
aliphatischen und/oder cycloaliphatischen und/oder aromatischen Dihydrooxyverbindungen,
z.B. das Polycarbonat aus 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-cyclohexan,
4,4'-Dihydroxydiphenylsulfid usw., Polyester·der
aromatischen Dicarbonsäuren mit aliphatischen und/oder cycloaliphatischen und/oder aromatischen Dihydroxyverbindungen, z.B. Polyethylenterephthalat,
Polyolefine, z.B. Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyäthylen, Polypropylen, Mischpolymerisate aus Styrol und Acrylnitril
oder Styrol, Butadien und Acrylnitril, Poly(meth)acrylsäureester,
Polytetrafluorethylen usw., Polyäther, z.B. Polyformaldehyd, Polyphenylenoxid, usw., sowie Celluloseester wie Celluloseacetat
und Celluloseacetobutyrat.
Die den thermoplastischen Kunststoffen zuzusetzende Menge an Glasfasern
richtet sich nach den gewünschten Eigenschaften und dem beabsichtigten Verwendungszweck der glasfaserverstärkten Produkte. So
kann deren Glasfasergehalt zwischen ca. 5 $ und ca. 8.0 3^» Vorzugs-*
weise zwischen 20 # und 70 # betragen. Das erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich dabei besonders gut für die Herstellung von Produkten mit hohem Glasfasergehalt, die nach den bisher bekannten Verfahren
nur schwierig herzustellen sind und daher trotz ihrer interessanten mechanischen Eigenschaften noch nicht in größerem Umfang
Anwendung gefunden haben. 1 0 8-.B 1 3 / 1 3 4 g
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Die verwendeten Glasfasern können gegebenenfalls noch mit einem der
üblichen Haftmittel, z.B. einem Chrom-Methacrylat-Komplex oder
siliciumorganischen Verbindungen wie Vinyltrichlorsilan, 2f-Methscryloxypropyl-trimethoxysilan,
Jf-Aminopropyl-triäthoxy-silan, X -Glycid»
oxypropyl-trimethoxy-silan usw. behandelt sein.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich aiis
durch einen mit einer Temperiereinrichtung versehenen, abgeschlossenen Materialeinlaß und Produktauslaß aufweisenden Mischbehälter,
über dessen Boden ein Rührwerk angeordnet ist.
Der Behälter ist beispielsweise zylindrisch gestaltet und weist eine Mantel- und Bodenheizung auf. Die Beheizung kann beispielsweise
durch hochgespannten Dampf oder auch elektrisch entweder als Oelumlaufheizung oder direkt durch Heizbänder, Heizschalen usw. erfolgen.
Der Behälter ist vorzugsweise vakuumdicht gebaut und hält auch leichtem Überdruck stand. Er ist zweckmäßigerweise aus einem
rostfreien Stahl hoher Verschleißfestigkeit hergestellt, bzw. mit einem entsprechenden Werkstoff ausgekleidet.
Es sind Mischbehälter mit einem Fassungsvermögen von beispielsweise
12 1 bis 2000 1 und mehr herstellbar, wobei die größeren vorzugsweise automatisch arbeiten. Materialeinlaß und Produktauslaß sind
dann mit automatisch arbeitenden Füll- und Entlterungsklappen vtr-■ehen,
in die eventuell Traneportorgane eingebaut sind. Im Deckel
bzw. an der Wandung des Mischbehälters sind vorzugsweise ein Schutz-
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gaaanschluß, ein Anschluß stutz en für ein Vakuumsystem, ein Temperaturkontrollgerät
sowie Schaugläser angeordnet. Vorzugsweise sind innerhalb der Mischbehälter Strömungsbrecher angeordnet. Form
und Rotationsgeschwindigkeit der aus rostfreiem und verschleißfestem Material hergestellten Mischwerkzeuges werden entsprechend
dem Durchmesser des Mischbehälters so gewählt, daß das Mischgut in den erwünschten trombenförmigen Umlauf gerät, wie er normaler
weise nur bei Flüssigkeiten auftritt. Bei der Gestaltung des Misch—
Werkzeuges ist vorzugsweise auszugehen von in der Nähe des Bodens
rotierenden und dessen Wölbung angepaßten Rührarmen, die an einer
zentrischen Welle gehalten sind, welche vorzugsweise von unten in den Behälter eingeführt ist. Der Antrieb erfolgt entweder direkt
oder mittels eines zwischengeschalteten variierbaren Getriebes. Das Kühlen des gemischten Produktes kann in einfachster Weise im
Mischbehälter erfolgen, wenn die Temperiereinrichtung auch ein Kühlen gestattet oder eine besondere Kühleinrichtung vorgesehen ist.
Da dies aber verfahrenstechnisch sehr kostspielig ist, wird das Abkühlen vorzugsweise in einem besonderen, dem Mischbehälter nachge-■chalteten
Kühlbehälter vorgenommen, der zum Erzielen einer schnelleren Kühlung ebenfalls ein Rührwerk aufweist, das eventuell mit einer
Kühleinrichtung versehen ist.
In einer Zeichnung sei nun eine beispielsweise Ausführungsform der
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens näher erläutert.
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Der Mischbehälter 1 ist von einem Heizmantel 2 mit der Heizmittelzuführung
3 und -abführung 4 umgeben. Im Deckel 5 ist der Materialeinlaß 6 zum Einbringen des thermoplastischen Kunststoffes und der
Glasfasern angeordnet. Weiterhin weist der Deckel 5 den an eine nicht dargestellte Saugpumpe ansehließbaren Vakuumanschlußstutzen 7 und
den Anschlußstut ζen 8 für den Anschluß an eine nicht dargestellte
Sehutzgasquelle auf. Mit 9 ist ein Strömungsbrecher bezeichnet. Der
durch gestrichelte Linien und Pfeile angedeutete trombenförmige Materialumlauf
wird durch das Rührwerk 10 erzielt, das hierzu auf die
Form des Mischbehälters 1 abgestimmt ist. Es besteht in dieser Ausführungsform
aus mehreren Eührschaufein 11, die der Wölbung des
Behälterbodens angepaßt sind und aus Armen 12, die .einen Ring 13
tragen. Das Produkt verläßt den Mischbehälter 1 nach erfolgtem
Mischvorgang durch.den Auslaß" 14 und gelangt über die leitung 15
durch den Einlaß 16 in den Kühlbehälter 17, der in seinem Fassungsvermögen
auf dasjenige des Mischbehälters 1 abgestimmt ist. Er ist mit einem Kühlmantel 18 versehen mit dem Kühlmittelzulaufstutzen 19
und dem-ablaufstutzen 20, sowie mit dem Rührwerk 21.
In eine zylindrische Mischapparatur mit einem Fassungsvermögen von
20 1, deren Mantel mit einer Oelheizung versehen ist und die ein durch den Behälterboden angetriebenes, rotierendes, mit Schaufeln
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ausgerüstetes Mischwerkzeug aufweist, werden 1,6 kg Polyamid-Granulat
mit einer relativen Lösungsviskosität (gemessen an der 1 #igen Lösung in m-Kresol) von 3,05 und 2,4 kg Glasfasern mit
.einem Durchmesser von ca. 0,010 mm und einer mittleren Länge
von ca. 0,3 mm gefüllt. Dann wird die Luft in der Apparatur durch Stickstoff verdrängt. Die Heizung wird eingeschaltet und nach
Erreichen einer Manteltemperatur von ca. 200 C wird das Mischwerkzeug mit 1500 Umdrehungen/Min, eingeschaltet. Das Gemisch
aus Glasfasern und Polyamidgranulat gerät dadurch in einen trombenförmigen Umlauf. Gleichzeitig mit der· weiter steigenden
Manteltemperatur steigt auch die Temperatur des Gemisches, bis
nach ca. 10 Minuten bei ca. 220° C das Polyamidgranulat anfängt
zu schmelzen. Das geschmolzene Polyamid wird mit den Glasfasern homogen vermischt und es entsteht ein krümeliges Produkt, das
keinen zusammenhängenden Kuchen bildet. .
Nach Abschalten des Mischwerkzeuges wird dieses Produkt unter
Ausschluß von Luft in einem zweiten gekühlten Behälter abgekühlt-Das Endprodukt hat ein Glasfasergehalt von 60,5 % und kann gegebenenfalls nach einer vorherigen Mahlung mit einer üblichen Kunststoff
Zerkleinerungsmühle, auf Spritzgußmaschinen oder Extrudern zu Formteilen verarbeitet werden.
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Claims (9)
1. Verfahren zum Herstellen von glasfaserverstärkten thermoplastischen
Kunststoffen durch Vermischen von Glasfasern mit völlig oder teilweise geschmolzenen thermoplastischen Kunststoffen,
dadurch gekennzeichnet, daß das Mischen durch einen trombenfö'rmigen
Materialumlauf bewirkt wird. "
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
zu mischende Gut vor dem Einsetzen des Mischvorganges bis in die Nähe des Schmelzpunktes des Kunststoffes erwärmt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt nach dem Mischvorgang abgekühlt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3» gekennzeichnet durch die Anwendung einer Sehutzgasatmosphäre.
's
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, gekennzeichnet
durch einen mit einer Temperiereinrichtung (2, 3, 4) versehenen,
abgeschlossenen Materialeinlaß (6) und Produktauslaß (14) aufweisenden Mischbehälter (1), Über dessen Boden ein Rührwerk (10)
angeordnet ist.
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- ίο -
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch innerhalb des Rührbehälters (1) angeordnete Strömungsbrecher (9).
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, gekennzeichnet
durch einen Schutzgasanschluß (8).
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, gekennzeichnet durch einen dem Mischbehälter (1) nachgeschalteten, besonderen
Kühlbehälter (17).
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 8£ dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlbehälter (17) mit einem Rührwerk (21) versehen ist.
LiA 11 048
10 9 813/1349
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