DE1679838A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von glasfaserverstaerkten thermoplastischen Kunststoffen - Google Patents

Description

FARBENFABRIKEN BAYER AG

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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 K_unitatoff 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.

Beispiel _:

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)

Patentansprüche:

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.

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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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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.

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