DE1956853A1 - Verfahren zum Entwirren,Dispergieren,Orientieren,Mischen und Packen von partikelfoermigem Material in einem fluessigen Medium und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN 2. HILBLESTRASSE 2O

Dr. Berg Dipl.-lng. Slapf, 8 München 2, HilblestroBa 20 Ihr Zeichen Unser Zeichen Datum

Anwalts-Akte 18 994 Jj> μ

Be/Sch

Monsanto Company
St. Louis, Missouri / USA

"Verfahr-ui zum Entwirren, Dispergieren, Orientieren, Luschen

und Packen von partikelförmigem Material in einem flüssigen

LIedium und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens"

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen bestimmte neuartige und brauchbare Verfahren und Vorrichtungen zum Bewegen bzw. Rühren und Entwirren, Dispergieren und Orientieren von partikelförmigem Material in flüssigen Medien und im besonderen ein Verfahren und eine Vorrichtung der angegebenen Art, die das Rühren, Entwirren, dispergieren und. Orientieren durch elektrokinetische

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Kräfte bewirkt.

In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Entwirren von fasrigen Materialien in. flüssigen Medien j zum Dispergieren partikelfcrroigen Materials und Orientieren des partikelförmigen Materials in voz^bestimmte Stellungen.

Weiterhin betrifft diese Erfindung ein Verfahren zum Orientieren von Pülls-coffmaterialien in einer polymeren Zubereitung. Ebenso betrifft diese Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsforra ein Verfahren zur Bildung eines Kraftfeldes in einer Füllstoffsuspeasion in einem Vorpoiymerisatsystem, wodurch die Füllstoffteilchen in einer einheitlichen Richtung orientiert werden und das System zur Fixierung der Füllstoffteilchen in der einheitlichen Richtung polymerisiert wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bildung eines Kraftfeldes einer Füllstoffsuspension in einem nicht viskosen geschmolzenen Polymerisat, wodurch die Füllstoffteilchen in einheitlicher Richtung orientiert werden und das Gemisch gekühlt wird, um die Füllstoffteilchen in der angegebenen einheitlichen Richtung zu halten.

Das Rühren oder Bewegen oder Rütteln von Flüssigkeiten oder Pulver in einem Behälter wird seit langem und aucu

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gewöhnlich heute noch durch mechanische Vorrichtungen bewirkt, wie durch eingetauchte Bührpaddel, die sich drehen oder schwingen, eingetauchte stationäre Paddel mit drehenden) oder schwingendem Behälter und eingetauchte Paddel and Behälter, die sowohl sich umeinander drehen wie schwingen. In manchen Fällen wurde das Rühren auch, besonders wo es erwünscht ist, die enthaltene Flüssigkeit völlig isoliert zu halten, unter völliger Vermeidung mechanischer Bindung oder durch andere in die Flüssigkeit eingetauchte Rührvorrichtungen bewirkt. Üo wurden Verfahren wie das in Schwingung versetzen des Behälters gegenüber seinem Inhalt verwendet. In diesem Falle bewirkt die physikalische Trägheit des Inhalts dessen Rühren. Weiterhin wurde ebenso eine magnetische Bindung zwischen eine:;! Eühreleraeirl- und einer Antriebsvorrichtung vorgesehen. In diesem Falle dient ein Dauermagnet *gewöhnlich in Stabform,als Kührelement und befindet sich im Behälter. Der Stab wird magnetisch ait einem Au-ienaagnet gekuppelt, der- von einem ilektroiBOtor gedreht wird und damit; entsprechend den iiührmagnet dreht.

iJs wurden weiterhin Versuche unternorasen, ochallwellen zum Rühren von Flüssigkeiten zu verwenden und ein solches Verfahren ist in der U«6,-Patentschrift 2 693 394- beschrieben. Weiterhin wurden akustisch wirkende mechanische achwir.^ir '.»-■'■*-hall geber), um das Rühren von Flüssigkeiten ohne herltöröE'liche mechanische Rührwerke zu er-

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reichen, verwendet. Eine Vorrichtung dieser Art ist in der U.S.-Patentschrift 5 072 808 beschrieben. Jedoch leiden diese Verfahren insgesamt an dem Nachteil, daß sie genau genommen auf Flüssigkeiten beschränkt sind und für partikelförraige Materialien noch verwendet werden können. Darüber hinaus weisen die partikelförmigen Materialien, die verwendet werden können, im allgemeinen hohe Dichte auf, wodurch übermäßige Kraftvorrichtungen notwendig werden.

Es wurden bisher ebenfalls viele Untersuchungen hinsichtlich der gesteuerten Orientierung von synthetischen Fasern durch elektrostatische Vorrichtungen vorgenommen, wie bei der Herstellung von Fasertapeten. Bei diesen Verfahren wird ein hoch elektrostatisches Feld zur Orientierung der Fasern verwendet in einer Richtung, die im wesentlichen aus der Oberfläche des Papiers oder Substrats herausragt. Es wurden ebenso elektrostatische Dispersions— und Orientxerungsverfahren in der Textilindustrie zur Steuerung des Faserverlaufs verwendet. Jedoch waren bei allen diesen Verwendungsarten nach dem Stand der Technik die verwendeten Medien gasförmige Nichtleiter wie Luft. '

Ein neuartiges Verfahren und eine Vorrichtung zum Rühren von Flüssigkeiten ist daher in erster Linie Ziel der vorliegenden Erfindung.

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Sie schafft weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung der angegebenen Art zum Rühren einer Flüssigkeit, wobei das Rühren im wesentlichen einheitlich in dem Gesamtvolumen stattfindet.

Darüber hinaus schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung der angegebenen Art, die eine Dispersion von teilchenformigem Material in einem flüssigen Medium bildet.

Darüber hinaus schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren der angegebenen Art., die bzw. das geeignet ist, eine einheitliche Dispersion von teilchenförmigen] Material während dem Polymerisieren eines flüssigen Mediums beizubehalten, bis die Viskosität desselben einen Punkt erreicht, wo sie ausreichend groß ist, um eine weitere Bewegung und das Absitzen der Partikel zu verhindern.

Zusätzlich stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung"von Reaktionstemperaturen zur Verfügung, wozu die Wärmeübertragung durch die Kesselwandungen verbessert und die Thermohomogenität während der Herstellung von Feststoffen durch in situ Polymerisation beibehalten wird.

Die oben angegebenen und weiteren Gegenstände der Erfin-

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dung beruhen auf neuartigen Merkmalen hinsichtlich der Form, Konstruktion, Anordnung und Kombination der hier nachfolgend beschriebenen Teile.

In den begleitenden Zeichnungen (5 Blatt) ist:

Figur 1 eine schematische Darstellung, die die Eigenschaften des Zeta-Potentials erläutert und das Zeta-Potential als äußere Hülle und Anordnung von Ionen um ein 'leuchen zeigt,

Figur 2 ein Diagramm_$ das die Wirkung der Abnahme des elektrischen Potentials als Funktion der Entfernung von der Partikeloberflache zeigt,

Figur 3 ein schematischer Seitenaufriss eines Reaktionsgefäßes mit den Konstruktionsmerkmalen der vorliegenden Er findung ,

Figur 4 ein schematischer Seitenaufriss eines Reaktionsgefäßes mit den Konstruktionsmerkmalen der vorliegenden Erfindung, wobei eine modifizierte Form der hier verwendeten Elektroden gezeigt wird,

Figur 5 ein sehematischer Seitenaufriss einer leicht modifizierten Form eines Reaktionsgefäßes entsprechend der vor liegenden Erfindung, wobei die zufällige Orientierung des partikelförmigen Materials in einem nicht leitenden flüssigen Medium kurz nach der Bildung eines elektrischer .Feldes

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gezeigt wird,

Figur 6 ein schematiseher Seitenaufriss des Reaktionsgefäßes von Figur 5i wobei die Verteilung des partikelförmi gen Kafcerials nach der Bildimg des elektrischen Feldes nach einer etwas längeren Dauer gezeigt wird,

Figur 7 eiö schematischer Seitenaufriss des Reaktionsgefäßeb von Figur 5* wobei die Verteilung des partikelförmigen Materials in einer ähnlichen Weise gezeigt wird, wie sie in Figur 6 erläutert; wird, ausgenommen nach" einer längeren Dauer,

Figur β ©in sthematischer* Sfeitenamfriss sines Heaktionsgefäises, das des- von Figur 5 ähnlich ist, wobei die move-· nung des partik^lferdigen Fs/M ;.?isls gezeigt \:±τ-ύ.₉ naoliae:.; die gesamte Bewegung; clsü i_iaa?'-;..i,ke*fÖriaigea Materials aufgehört hat,

Figur 9 ©iö se nematisch©!* Seit enauf riss einer weiteren Modifikation des Bfc&xitions^efäües, das als" Ausführungsforai dar vorliegenden Ei-fiadußg ausgelegt und betrieben wird und sie zeigt di? YsieteIIuiig des partikelförmigen Materials in einem nicht ieic-eade^ flüssigen Medium nach der Slidung eines elektrischem Feldes, ·

Figur Ί0 ein scheciätiscber c?eitenaufriss einer weiteren modifizierten Form des Reaktionsgsfäßes, das nach einer Ausführuags-torai der vorliegenden Erfindung ausgelegt ist,

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wobei die Verteilung des partikelforffiigen Materials in einetd nicht leitenden flüssigen Medium" geneigt wird, Wenn kein elektrisches PeId gebildet wurde,

Figur 11 ein scheniatischer Seitenaufriss eines Reaktipnsgefäßes, das dem von Figur 10 ähnlich ist, wobei die Verteilung des partikelförmigen Materials gezeigt wird, nachdem während 9 Minuten ein elektrisches Feld verwendet wurde,

Figur 12 ein scheniatischer Seitenaufriss des Reaktors von Figur IQ, wobei die Verteilung des partikelföfmigen Materials gezeigt wird, nachdem: 3 Minuten ein viel stärkeres elektrisches Feld im Reaktionsgefäß verwendet wurde,

Figur 13 ein schematischer Seitenaufriss der modifizierten Form eines Reaktionsgefäßes, wobei die Verteilung des partikelförmigen-Materials gezeigt wird, wenn kein elektrisches Feld im Reaktionsgefäß verwendet wurde j

Figur 14 ein schematischer oeitenaufriss des Reaktionsgefäßes von Figur 13, wobei die Verteilung des partikelförmigen Materials gezeigt ist, nachdem 1 Minute lang ein elektrisches Feld in dem Reaktionsgefäß verwendet wurde,

Figur 15 ein schematischer oeitenaufriss des Reaktionsgefäßes von Figur 13» wobei die Verteilung des partikel— förmigen Materials gezeigt ist, nachdem 10 Minuten lang

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ein elektrisches Feld verwendet wurde,

Figur 16 ein schematischer Seitensufriss eines Reaktionsgefäßes mit flachen Elektroden, wobei das Kraftfeld und das Fließen des Fluidums in diesem gezeigt wird,

Figur 17 ein schematischer Seitenaufriss eines Reaktionsgefäßes mit zugespitzten Elektroden, wobei das Kraftfeld und das Fließen des Fluidums in diesem gezeigt wird,

Figur 18 ein schematischer Seitenaufriss eines Reaktionsgefäßes mit einer flachen und einer zugespitzten Elektrode, wobei das Kraftfeld und das Fließen des Fluidums darin gezeigt wird, und

Figur 19 ein schematischer Seitenaufriss eines Reaktionsgefäßes mit flachen parallelen Platten, die die gleiche Größe wie das Reaktionsgefäß haben und das gebildete Kraftfeld zeigen.

Definitionen

Da die Verwendung elektrischer Phänomene zur Steuerung des Verhaltens von partikelförmigem Material in einem fließenden Medium ein relativ neues Gebiet ist, erscheint es notwendig, die folgenden Definitionen für die hier verwendeten Bezeichnungen zu geben.

Elektrostatisches Potential - das Potentialgefälle, das

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in einem elektrischen Feld verbleibend auftritt. Elekt^o-r ;. statische Wirkungen oder Phänomene sind das Ergebnis von Coulomb-Kräften im Gegensatz zu elektromotorischen oder., ν elektrokinetischen Kräften. Diese Wirkungen sind im al-ige-*¹ meinen in einem gasförmigen Medium vorherrschend und■können zur Bewegungssteuerung von partikelförmigen Materialien in Luft verwendet werden, wie bei dem elektrostatischen Farbspritzen, Faserausflocken, der Xerographie und dem elektrostatischen Schablonensiebdruck.

Elektrokinetisches Potential - das Potentialgefälle, das in einem elektrischen Feld auftritt als Ergebnis der relativen Bewegung zwischen einem Feststoff und einer Flüssigkeit bei der Feststoff/Flüssigkeit-Berührungs-(grenz)-fläche, mitunter als Zeta-Potential bekannt. Elektrokinetische Wirkungen oder Phänomene, die diese relative Be- . wegung begleiten sind (1) Elektroosmose, d.h. Bewegung einer Flüssigkeit entlang eines Feststoffs in einem elektrischen Feld, (2) Elektrophorese oder Kataphoresen, d.h. Bewegung eines Feststoffs, der in einer Flüssigkeit .suspendiert ist, in einem elektrischen Feld, (3) Strömungspotential, d.h. Bildung einer Potentialdifferenz zwischen dem Anfluß- und Abflußteil einer Flüssigkeitsader, die an einem Festkörper vorbeiläuft und (²I) Niederschlagspotential, d.h. die Bildung eines Potentialgefälles zwischen oben und unten in einem Behälter, in welchem ein in einer Flüssigkeit suspendiertes festes Pulver sich allmählich zum Boden

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absetzt.

Kraftfeld (Feldkraft) - ein Feld oder Einf lußb er eich elektrischer Kraft, wobei das elektrokinetische Potential einen bedeutenden Beitrag zu der Gesamtkraft bildet und •oftmals in der Gesatntkraft vorherrscht* Während Coulomb-Kräfte vorhanden sein können, sind elektrokinetische Kräfte, die sich aus der Bildung eines Zeta-Potentials ergeben, beträchtlich»

Verflechtung .(Verwirren» Verwickeln) - ein Zustand, bei dem irgendeine Faser oder ein Partikel in einem Bindemittel sieh nicht in wenigstens zwei Dimensionen frei bewegen kann« CEs ist darauf hinzuweisen, daß eine Faser" oder ein Teilchen, das in nur einer Richtung frei beweglich ist, nicht aus einer Faser-oder Teilchenmasse entwirft werden kann, wie beispielsweise wenn die Faser oder das Teilchen sich im Inneren der Masse befindet).

Bis ρ er si on - eine Suspension von partiicelförraigem Material in einem JMieisenden Medium, in dem die Fasern oder Teilchen nicAiii- durch anderes teilchenförmiges Material eingeengt sind und das partikelförmige Material sich in allen Dimensionen bewegen kann«

Orientierung - drei dimensionale Lagebestimmung in vorbestimmten Stellen in einem fließenden Medium.

^xMatrix

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Befüllung (Packung) - der Grad, zu welchem das partikelförmige Material ein Zwischenraumvolumen füllt.

Stab-ähnliches partlkelförmiges Material - als "Faser" definiert.

Mischen - die Bezeichnung "Mischen" wird hier in ihrer in diesem Fachgebiet allgemein anerkannten Bedeutung verwendet, d.h. als Vereinigen oder Kombinieren zu einem Gemisch oder Agglomerieren oder Verschmelzen zur Bildung eines mehr oder weniger homogenen Ganzen. Diese Definition beinhaltet nicht den vollkommenen Verlust d£r Identität eines Elements und die Elemente wie fasriges Material oder, partikelförmiges Material sind zu unterscheiden. Die Bezeichnung "Mischen" beinhaltet den Vorgang des Vermischens, Verraengens.

Seitenverhältnis - eine Vergleichsbezeichnung, die durch Teilen der Nennlänge durch den Nenndurchmesser (Querschnitt) des partikelförmigen Materials erhalten wird. (Die Wirksamkeit der Verstärkung in Verbundsystemen 1st unmittelbar abhängig von dem Seitenverhältnis des als Füllstoff verwendeten teilchenförmigen Materials). '

Teilchenförmiges Material (Füllstoff) - sehr kleine Teilchen eines Feststoffs einer Größe, die ausreichend ist, physikalische und mechanische Masseneigenschaften des

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FestBtoffe aufzuweisen. "Partikel" werden als,teilchenfÖrmiges Material mit einem kleineren Seitenverhältnis als 5, "Fasern" als partikelförmiges Material mit einem Seitenverhältnis größer als 5 definiert. (Bei der Bestimmung des Seitenverhältnisses von partikelformigem Material, das keine kreisförmigen Querschnitte aufweist, wird die Länge der Faser mit einem äquivalenten Durchmesser eines Kreises verglichen, der den gleichen Durchschnittskreisumfang wie das partikelförmige Material hat).

Whisker - eine monokristalline Faser.

Verstärkung - Die Bezeichnung "Verstärkung" wird hier in erster Linie im Hinblick auf eine Verbesserung der Eigenschaften eines Elements im mechanischen oder strukturellen Sinne, wie einer Verbesserung der Festigkeit, des Modul, der Schlagzähigkeit, des Kriechens- (Fließens, Verformung) verwendet·

Kupplungsmittel - ein Mittel, das bewirken soll, daß die Oberfläche einer Verstärkungsfaser mit einer Grundmasse (Matrix) bindet, wie im Falle von Aminosilanen.

Thermoplastik — ein Harzkunststoff, der ohne Abbau bei Hitze und Druck fließen kann, wie Polystyrol, Polypropylen und die Polycarbonate, usw.

Hitzehärtbär - ein Harz oder Kunststoff, der nicht oha· \ ■ ' Qti»831/U72

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Abbau unter den Bedingungen von Hitze und Druck fließt, wie die Phenol-, Epoxy-, Eolyester- und Polyinidharze, usw,

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Vorrichtung und ein Verfahren, bei dem elektrokinetische Phänomene zum Bewirken verschiedener physikalischer und chemischer Inderungen verwendet werden· Im besonderen be-

P trifft die vorliegende Erfindung das Bestimmen der Lage, das Orientieren "und das Befüllen von partikelförmigen Materialien in einem flüssigen Medium. Im allgemeinen wird der Mullstoff, der aus Verstärkungsfasern bestehen kann, in ein flüssiges Medium eingeführt, das eine niederere Dielektrizitätskonstante hat und in einer vorbestimmten Stellung ausgerichtet ist, in der »r gehalten wird, während das Medium durch Kühlen oder Polymerisierung verfestigt wird, lat besonderen ist es möglich, unter Verwen-

L· dung eines Kraftfeldes, das durch eine aus partikelförmigeiB Material enthaltende flüssige Matrix gebildet wird, die folgenden Ergebnisse zu erhalten:

i. Entwirren der lasern

2· Dispergieren der Fasern _

3·· Orientieren der Fasern nach einem vorbestimmten Muster in m flüssigen Medium

4. Mischen der Fasern mit der Matyix ohne jede merkliche

physikalische Schädigung der Fasern und

5. Füllung der Fasern in der vorbestimmten gewünschten Anordnung.(Packung)

Es sind im allgemeinen drei verschiedene Kräfte, die über eine Distanz wirken und die zum Bewegen von partikelförmi~ gem Material verwendet werden können. Es sind dies die Gravitations-, magnetischen und elektrischen Kräfte. Diese Kräfte wirken im allgemeinen ©inssln auf 3ed©s Teilchen oder auf 3ede Faser und beruhen nicht sdwendigerweise auf mechanischen Kuppeln oder dein Susa&menspiel von Partikeln« Jedoch weisen die Gravitations™ xmä magnetischen Kräfte verschiedene Haeoteile euf₄ *i?i© dia- Notwendigkeit, daß bei eine» «&g-a et !seiles. SystsR ^v. feeler 41® WmlshMn öder die Flüssigkeit fe^^s?sags@iisis3b- asia. bSs5C*s₅ iaa Mirksaoie Geschwindigkeiten zu ers*®iel3,§a-. Sa ätißlicher fels® weist die Verwendung von Gravitationskräften verschiedene Nachteile auf, wie beispielsweise die praktische Einengung der Bewegung auf eine Richtung. Es wurde gefunden, daß elektrische Kräfte sich sur allgemeinen Anwendung besonders anbieten.

Zur Durchführung der vorliegenden Erfindung ist es notwendig, eine elektrische Kraftquelle zw? Bildung eines Potentialgefälles in de« Behälter au bilden. Die auf das System wirkenden Kräfte, die zum Fließen der Flüssigkeit . beitragen, wirken innerhalb einem vorbestimmten Vblumteil

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&AD Ofl&iNM,

dieses Systems, Die Art der Kräfte, ihre Eichtungen und ihre Lage hängt von der'Größe und formgebung des Kessels und der der Elektroden ab. Die formgebung des £ess0lB wird im allgemeinen von der 3?orm und Größe des gewünschten . Endprodukts bestimmt. Die formgebung der Blektrö&en 1st von der gewünschten Verteilung des partikelfBrMgen Mater!- als in dem Produkt abhängig. Die Art der Kräfte, die Eichtungen und die Lage derselben werden ebenso von dem elektrischen leid beeinflußt und sie sind weiterhin abhängig von den elektrischen Eigenschaften des Systems»

Die Hauptkraft, die die einzigartigen Ergebnisse der vorliegenden Erfindung ermöglicht, wird durch ein elektrisches l?eld hervorgerufen, das innerhalb einer !Flüssigkeit unter solchen Bedingungen gebildet wird, daß elektrokinetisch^ Kräfte entstehen. Die Bezeichnung ^Melektrokinetisches Potential" wurde hier erläutert und seine Eigenschaften sind eingehend den Siguren 1 und 2 zu entnehmen« Die elektrokinetisehen Wirkungen sind eingehender zu vor-=· stehen, wenn man sich ein leuchen in einer Lösung vorstellt .

Eine Ladung kann auf dem Teilchen in verschiedener Weise entstehen, ist aber gewöhnlich das Ergebnis der ionenabsorption aus der Lösung· Die absorbierten Ionen induzieren eine Ladung von entgegengesetztem Vorzeichen in den benachbarten Molekülen und sie werden durch die

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ORIGINAL INSPECTED

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loötn-induzierte zweipolige Anziehung dicht an der Oberfläche gehalten· Eine Ladung in der Flüssigkeit entsteht durch die Ansiehung von Ionen entgegengesetzter Ladung durch die geladene Oberfläche« Es werden daher ,Schichten entgegengesetzter elektrischer Ladungen gebildet wie bei einem Kondensator* Die innere Hülle dieser doppelten Schicht ist eng und kompakt, während die äußere Hülle weit und ausgebreitet (diffus) ist mit einer hohen Ionenkonzentration nahe der inneren Hülle und in dea Maß zunehmend geringeren Ionenkonzentration wie sich der Abstand von der Oberfläche des Partikels erhöht. Die innere Hülle haftet eng am Partikel, wohin dieser sich auch bewegt, während die äußere diffuse Hülle entgegengesetzt geladener Ionen leicht abgestreift werden kann.

Das Gesaratpotentialgefalle zwischen der Oberfläche eines Partikels und dem Hauptkörper der Lösung kann in zwei Teile geteilt werden, wobei der erste das Potential zwischen der inneren Hülle und der Partikeloberfläche ist. Der zweite (Beil, das Zeta- oder elektrokinetische Potential bezeich·* net, bezieht sich auf den Potentifclabfall innerhalb der äußeren Hülle, wobei diese sich von der äußeren Kante der inneren i&ille bis zum Körper der Lösung erstreckt. Dieses Zeta-PoteWbial ait der diffusen äußeren Hülle und der Anordnung der Ionen rund um ein Teilchen , ißt schematisoh ' in Figur 1 gezeigt, worin X die Oberfläche des Partikels und X den Sntfernungspunkt in der Lösung darstellt· Figur

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INSPECTED

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zeigt, in welches Maße das Potential abnioet, wenn sich der Abstand von der Partikeloberfläche erhöht.

Eine eingehendere Beschreibung dieser Wirkung befindet sich in der "Encyclopedia of Electro-chemistry" von Clifford A. Hawpel, Seiten 471 - 475.

Bei der eingehenderen Beschreibung der Erfindung ist im einseinen auf die Zeichnungen einzugehen, die praktische

P AusführungsforBien der vorliegenden Erfindung erläutern. Dabei bezeichnet A^. ein elektrokinetisches Dispemons- und Rührsystem, das is allgemeinen aus einem Eeaktionsgefäß 1 (Figur 3) bestehen kann, das aus irgendeinem geeigneten nicht leitenden Material wie Glas, Quarz oder verschiedenen Kunststoff- und synthetischen Harzmaterialien hergestellt sein kann. Sas Gefäß 1 kann an seinem oberen Ende zur Einführung einer nicht leitenden Flüssigkeit und von partikelförmigeffl Material geöffnet sein« Eine erste

fe elektrische Leiter oder eine Elektrode 2 ist mit dem unteren Ende des Reaktionsgefäßes 1 verbunden und ragt in dieses in der in Figur 1 erläuterten Weijee hinein. Diese erste : Elektrode 2 kann durch einen geeigneten Flüssigkeitsdichtring 3 abgedichtet werden. Eine zweite Elektrode 4 wird

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durch eine Verschlußkappe 5 gesichert, die ihrerseits be-

, wegli h am oberen Ende des Reaktionsgefäßes 1 angeordnet ■ ist« 1)2 Kappe 5 kann mit; dem oberen Band des Gefäßes 1 s durch ©inen flüssigkeit-dichten Yersojjaluß gesichert werden·

ORIGINAL iNSPECTED

Ebenso wird die Elektrode 4 in der Kapp© 5 durch einen Flüssigkeit-dichten Verschluß 6-gesichert»Jede'der Elektroden 2 und 4 sind ihrerseits aiit ©leer geeigneten Kraftquelle für das elektrische Potential verbunden (nicht aufgezeigt).

Figur 4 zeigt ein© modifizierte Forst das Reaktionsgefäßee Apt das nach einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgelegt ist» wobei sie im wesentlichen den Reaktionsgefäß A^ ähnlich ist. In dem Reaktionsgefäß A>| 1st jede der Elektroden 2 ιιηά 4 its wesentlichen ia Querschnitt rund und die gegenüberliegenden Endflächen sind fluch· Bei dem vorliegendem Keaktioasgefäß Ag ist jede der Elektroden 2 und 4 mit aaek außen konisch geformten, genau entgegengesetzt gestellt em. ^©rgyoSartem lCögf en 9 und 10 versehen.

Figur 5 zeigt eine weitere modifiziert* Fora eines Reaktionsgefäßes Α, mit einer leicht unterschiedlichen Formgebung des Gefäßes als solchen. Zusätslich hat eine der Elektroden ein zugespitztes Ende« während die entgegengesetzte Elektrode eine rundgeförate flache Scheibe hat« Wenn man diese Elektrodenart verwendet_s kann das Fließen eines Mediums und eine Verteilung des partikelformigen Materials erfolgen. Die Wirkungen dieser Reaktorforsa wird neben weiteren Angaben nachfolgend im einzelnen beschrie- -ben· . ■" - ^; :-■ ■■ *'■- ' ■■:"■"."..

OÖ983t/Uta

Sowohl die Verfahren wie die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung haben breite Verwendungsmöglichkeiten und sind besonders geeignet zum Entwirren und Dispergieren iron Fasern und Whiskern, die in nicht leitenden Flüssigkeiten eingetaucht sind, ohne daß ein wesentlicher Faser- ode? Whiskerbruch eintritt. Vorrichtungen und Verfahren sind ebenso brauchbar zum Bewegen bzw· Rühren von nicht leitenden Flüssigkeiten und zu« Mischen flüssiger polyaerisier-P barer Mehrkomponentensysterne. Sie dienen ebenso dazu, partikelförmig©^ Material in polytoerisierbaren flüssigen _ Medien in Dispersion zu halten. Ein besondere wichtiges Ziel der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Orientierung von verstreut ens, Stab-förraigem partikelförmigem Material in polymerisiert "^m baren flüssigen Medien zu'bewirken.

Die Verwendung der hier beschriebenen elektrischen Felder -^ ermöglicht viele einzigartige Ergebnisse. Wenn das elektrische Feld in einem Gefäß gebildet wird, das eine Flüssigkeit und ein partikelförmiges Material enthält, können sehr auffällige und sofort eintretende Änderungen bejobach-. tet werden. Nach der Bildung des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden wird eine sofortige Bewegung der Flüssigkeit festgestellt. Ia allgemeinen wird sofort damit begonnen, jedes Teilchen und jede Faser aus der Mass© von partikelförmigem Material zu entwirren. Die weitere fortr-

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ORJQIMAL !fiSPP^iwOWQINAL INSPEGTED

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gesetzte Bildung des elektrischen Feldes schafft Bedingungen zur weiten Verbreitung des partikelförmigen Materials und der Fasern über elektrokinetisch Wirkungen. Biese bewirken von sich aus ein gründliches Mischen der Fasern mit der Grundmasse (Matrix). Zusätzlich ist festzustellen, daß dieses Mischen einen wesentlichen Vorteil gegenüber den bisher nach dem Stand der !Technik verwendeten Mischverfahren aufweist. Dadurch, daß keine physikalisch wirksamen Vorrichtungen zum Schaffen der Mischbedingungen verwendet werden, entstehen keine merkliche Schäden an den Fasermaterialien, die normalerweise sogar bei leichtem Kontakt mit einem physikalisch wirkenden Element auftreten. Durch Einstellen der Elektroden in.einer Weise, wie sie nachfolgend noch im einzelnen beschrieben wird, ist es möglich, jede gewünsohte Orientierung des Fasermaterials und teilchenförmigen Materials in dem flüssigen Medium zu erhalten. Darüber hinaus ist es durch geeignete Auswahl und Stellung der Elektroden möglich, enge !Faserfüllungen in einer vorbestimmten gewünschten Anordnung zu erhalten. Die Erkenntnis dieser Phänomene und der wesentlichen Bolle, die hierbei die elektrokinetisohen Kräfte bei deren Bildung spielen, führt zu vielen Verwendungsmöglichkeiten, besonders bei den verstärkten Kunststoffen, wie dies nachfolgend noch erläutert wird.

' Eine der bedeutendsten Verwendungsmöglichkeiten, sowohl der Vorrichtung wie der hier beschriebenen Verfahren, be-

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steht in der Bildung eines Verbundmaterials aus Faserverstärktem Kunststoff', d.h. einer polymeren Zubereitung, die gesteuert orientierte Fasern enthält, wobei sie aus einem Gemisch von Füllstoff mit einem Vorpolymerisatsysten hergestellt wird. Bei diesem Verfahren wird ein Kraftfeld für das Endgemisch verwendet, um den Füllstoff in der gewünschten Stellung zu orientieren und zu halten· Bas Kraftfeld wird beibehalten, bis im wesentlichen die Polymerisierung erfolgt ist, sodaß der Füllstoff in einer orientierten Stellung ohne Beitrag des Kraftfeldes gehalten wird, wonach das Kraftfeld aufgegeben und das Polymerisat schließlich gehärtet werden kann, Dio Bezeichnung "Vorpolymerisatsystem", wie sie hier verwendet wird, beinhaltet sowohl Monomere wie Vorpolymerisate mit geeigneten Katalysatoren, Initiatoren, Inhibitoren, Regulatoren, Härtungsmitteln, usw. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfaßt zusätzlich das Mischen eines Füllstoffs mit einer nicht viskosen Schmelze eines Polymerisats, wobei ein Kraftfeld bei der Endsohlämme zur Orientierung des Füllstoffs verwendet wird und die Schlamme mit dem orientierten Füllstoff auf wenigstens eine Temperatur gekühlt wird, bei der das Polymerisat ausreichend viskos ist, um den Füllstoff in einer orientier- ' ten Stellung ohne Hilfe des Kraftfeldes zu halten. Danach ' ' kann das Kraftfeld entfernt und das Polymerisat weiter gekühlt «^rden.

Die Lage des Kraftfeldes ist in weitem Ausmaß von der Form '

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und Ürt des Endprodukts abhängig· Wenn die größtmöglichste Verstärkung mit Füllstoff versehenen polymeren Zubereitungen in Richtungen erreicht werden sollen, die parallel su der Orientierung des Füllstoffs verlaufen, kann es besonders bei der Herstellung von Gegenständen in komplexen Formen wünschenswert sein, an den verschiedenen Teilabschnitten der Formen getrennte Kraftfelder zu verwenden, um eine Tüllstofforientierung zu erreichen, die eine optimale Gesamtverstärkung des Gegenstandes erreicht.

Sie Stärke des notwendigen Kraftfeldes hängt von vielen FaktoreQ&b, wie dem Ausmaß der*gewünschten Orientierung, der Menge, der Größe und der Formgebung des Füllstoffs, der dem Vorpolymerisat-oder dem Polymerisatsystem einverleibt werden soll, der Viskosität des vorpolymeren oder polymeren Mediums und der durch Verwendung des Kraftfeldes in dem Polymerisatsystem gebildeten Wärme« Die nachfolgenden Beispiele beschreiben einigegeeignete Hraftfelder,

die bei der praktischen Durchführung der Erfindung brauchbar sind. Dem Fachmann ist es möglich, unter Berücksichtigung der Eigenschaften, die er bei dem Eadgegenstand wünscht, in Verbindung mit dieser Beschreibung stärkere oder schwächere Kraftfelder mit gleichem oder nahezu gleichem Erfolg zu verwenden.

Einige der Füllstoffeaterialien, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind partikelförraige

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Materialien, die entweder nicht leitende oder elektrisch leitfähige Materialien sein können. Die vorliegende Erfindung bietet eine Lösung für die Probleme der Ausrichtung und Befüllung bei der Herstellung von Faser-verstärkten Verbundstoffen, insoweit als die verwendeten Kraftfelder eine einzigartige Möglichkeit für das Befüllen und die Ausrichtung darstellen_} ohne eine Faserschädigung hervorzurufen. Einige der "bedeutenden Voraussetzungen für eine gute Ausrichtung und enge Befüllung in den starken Feldbereichen des Systems sind: 1) Dielektrizitätskonstante der suspendierten Fasern muß bedeutend größer sein als die der Flüssigkeit, 2) das verwendete elektrische Feld muß intensiv genug sein, um ein ausreichendes Bewegen zu 'bewirken und 3) die sich ergebende Bewegung iauß groß genug sein,' anfangs das partikelförmige Material zu dispergieren und darf andererseits nicht so groß sein, daß ein intensiver elektrokinetischer Fluß der Flüssigkeit in den letzten Stufen hervorgerufen wird. Das Füllstoff material sollte vorzugsweise eine Dielektrizitätskonstante aufweisen, die wenigstens daß 1 1/2-fache größer ist als die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit,

Bei einem jeweils ausgewählten System sollte das partikelförmige Material sein:. Quarz und andere Formen von Siliciumdioxid wie dehydratisiertes Silikasol, "fumed silica", Silikagel, Glasfasern, Kristobalit, usw», Mineralsilikate wie Wollastonit, Spodumen, Glimmer,

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BAD

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Mullit, Sillimanit, Asbeste wie Chrystotil und Grocidolit, Forsterit und Hercynit, Tone wie Kaolinit, Dickit, Naerit, Beidellit, Bentonit, Hectorit, Montmorillonit, Nontronit, Saponit und Attapulgit, Metalle wie Eisen, Kobalt, Nickel, Aluminium, Zinn, Blei, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, !Titan, Zirconium, Vanadium, Chrom, Mangan, Kupfer und Zink, die entsprechenden Oxide der oben angegebenen Metalle und andere anorganische Materialien wie Schwermetallphosphate, Sulfide und Sulfate*

Der Füllstoff kann die Form von Teilchen oder Fasern aufweisen. Teilohen-gefüllte Vorpolymerisatsysteme sind nicht gießfähiger und verformbarer als Vorpolymerisatsysteme, die eine entsprechende Menge fasrige Füllstoffe enthalten. Jedoch sind bei f aarigen Füllst offen hiasiclitlißh. der Strukturfeigenseh-rtSifci τΐβΐ größere "Verbesserung©» wie bei der Druck-, Zug-, Biege=- und Scherfestigkeit, und der Moduli gegenüber körnigem Material möglich» FaserverStärkungen schaffen weiterhin größere Verbesserungen hinsichtlich der dynamischen mechanischen Eigenschaften, besonders der Schlagf estigke.it ? Zähigkeit und dem Kriechen, die das körnige Material nicht aufweisen» Die FüllstoffSysteme können iaher so formuliert werden, daß sie die gewünschten Eigenschaft on des ,-Je^ eiligen Endprodukts maximal erfüllen.

-Die Befestigung oder das Kuppeln des Füllstoffs mit dem

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gehärteten Polymerisat kann durch einfaches mechanisches Binden infolge physikalisch©!* Kräfte orreioät werde** oder der !Füllstoff kann in dem Eolyiaerisat chemisch verbunden werden unter Verwendung eines Kupplungsmittel» in dera Vorpolyoerisatsystem, das* sowohl ait aera Füllstoff eic auch dem Bo lyra er i sat unter Bildung einer chemisch®«* Bindung zwischen diesen reagiert.

Ein Yorpolymerisatsystem kann eine Menge an orientierbarera Füllstoff zusammen mit einer Menge eines nicht orientierbaren Verstärkun-gsmittels enthalten«. Optiiral© Verhältnisse Polymerisat zu nicht orientiertem Verstärkungsmittel su orientiertem lullst off. können gieSi«ere oder (beispielsweise durch Spritzguß) verforrobare Zubereitungen mit sehr hoher !Festigkeit _s hohem Modul und hoher Schlagfestigkeit liefern.

Die verwendbare iKillstoffmenge hängt von verschiedenen Bewegungen ab, wie der Verarbeitbarkeit des zusammengesetzten (Verbund)-Gemische oder der Weiterverarbeitbarkeit des Endprodukts, dem zur Verwendung vorgesehenen ^/orpolymeri— satsystem, der Teilchengröße und Porffij der Auslegung der Verformungsvorrichtung, der Art und Stärke des Kraftfeldes, dem spezifischen Gewicht des Füllstoffs: und am wichtigsten dem Grad der gewünschten Verstärkung„ Abhängig von diesen und weiteren Faktoren kann der Füllstoff von ungefähr 3 bis ungefähr 95 Gew.% der Endzubereitung ausmachen. Ein be

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ORlGtNAW

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zugter Bereich, der sum Errsishes■einer beträchtlichen Verstärkung bei der IMrchtülir'ü-g dieses Verfahrens brauchbar ist, liegt in den Grenzen von ungefähr 4-0 bis ungefähr 90 Gaw.# der Gesamtzubereitimg* Wenn bei der Verstärkung des Polymerisats keine Füllstofforientierung vorgesehen ist, kann ein geringerer Bereich der füllstoffkonzentratioa von ungefähr $ bis ungefähr 50 Gew.% bevorzugt

Su den in der vorliegendem. 3if.viaduQg brauchbares Polymerisate gehör on synthetische a.üd uetürliche Harsnaaterialien, die ausreichend flüssig, sir.O. eni^r ¥·#£"#:■■«, wmn aie erliitst werden, utr die B^^gimg di...-.- ./a-Mstcrfpartsifel. Ie eine orientierte St->Xj "-;·;'/.. ;?.ii.ofe i-:;."^;■- v· ·■-,; ■; - :■,.■:- ;■;-:-- ¹^;.W^ -L.. dt«» Füllstoff-?ο1;>ΐ:υ,:-/ Λ'ν.;.::.:■■.. -- -ν- ·-■■■■ ^::^.^::-:'λ. J^- g-- hören weiter Aftau <i^j .So^...-.-*'-■-*' ou*ir "uj^vl^^o^itpso i-^:vyutne tischer tbeaopl*ati.ö<'3::^>r .v-ad ai^nviiiiciCÄ^i;·:? n^zz mit einor . Fliefi-Viülcositf-ife ί·ϊ 'j-:lneiR B_;\:^£elftl:_v d^s? die B^\iögi.ag a«r

dung «ines Kraftf&id«« is α**« Fv..: i-,-t'c.£.f"-Ιίν.^Λΐϊΰ3? sias¹ vOr

■and. Moduli ohn^.VöX'SliiiÄiä.iig aiif» au s gehör au böispiSfis^iiiss. bitssliöptossiii ßarsse %ii@ die P eetar, Polyis;isla_$ Kiooölfssmaidsliyde -asd 3pe3Cih.S2»se und , , theraioplastischs äars&a-" -«ie dxe Viayljpolyaerisate oder. Misch-.'; - polyaerisat©.?. 51$ Bol^casebon&te. trad dörgleicßen.. Weitere

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Harzsysteme können jedoch normalerweise für Verwendungszwecke, bei denen andere Eigenschaften als Festigkeit und steifigkeit gewünscht werden, erhöhte und erweiteifce Brauchbarkeit haben, wenn sie nach dieser Erfindung befüllt oder verstärkt werden. Zu solchen Polymerisaten gehören Polyolefine, Polyvinylchlorid und Polyurethane.

Nachdem das partikelförmige Material in dem Kraftfeld orientiert und eingebettet wurde, kann die Grundmasse dann in jeder herkömmlichen Weise polymerisiert werden. Wenn beispielsweise diese eine hitzehärtbare Matrix ist, kann die Verwendung von Wärme bei dem katalysierten System eine Härtung der Matrix bewirken« Die in dieser Erfindung verwendeten Polymerisierungsabläufe sind herkömmlich und sind daher hier, im einzelnen weder erläutert noch beschrieben. Es ist jedoch ebenso möglich, die Polymerisierungsreaktionen nach dem Verfahren und der Vorrichtung der Aninelderin (Anwalts-Akte 18 993 ) zu beschleunigen. Diese Polymerisierungsart bildet den Gegenstand einer anderen Erfindung und wird hier weder erläutert noch beschrieben.

Die Größe und JJorm der Elektrode wird durch die gewünschte Größe und Form des Endprodukts bestimmt. Die Elektroden müssen aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen, wie Kupfer oder rostfreiem Stahl. Jedoch wird das jeweilig zur Verwendung vorgesehene spezifische Material durch das

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System bestimmt. Die Elektroden können sich in unmittelbarem Kontakt mit der Flüssigkeit befinden oder es können als Modifikation die beiden Oberflächen der Elektroden durch Luft, ein Vakuum oder einem festen Nichtleiter gegenüber dem flüssigen Medium isoliert werden. Wenn jedoch die Elektroden gegenüber der Flüssigkeit isoliert werden, sind höhere Spannungen erforderlich.

Das Fließen flüssiger Nichtleiter als Folge des Aufbaus eines elektrischen Feldes, wie es in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, bringt eine Anzahl von Faktoren mit sich. Die Flüssigkeit enthält gewöhnlich wenigstens Spuren an ionisierbarem Material, wie Wasser, das sich unter dem Einfluß des Feldes zerlegt wird. Ionen können ebenso in den Elektroäenoberflächen durch elektrochemische Reaktionen gebildet werden» Qhn-s Rücksicht auf ihre Entstehung neigen diese Ionen dazu, in Richtung auf die Elektrode mit der entgegengesetzten Ladung zu wandern und übereinstimmend mit den mehr polaren Gruppen des flüssigen Nichtleiters elektrostatisch zusammenzuwirken, wodurch sie die Moleküle dabei bzw. dahin mitziehen. Im allgemeinen haben die Ionen entgegengesetzter Ladung ungleiche Größe, Ladungsgröße und Fähigkeit, mit den Nichtleitermolekülen Komplexe zu bilden« Demzufolge entwickelt sich ein relativ schnelles Fließen der. Flüssigkeit in Richtung auf eine Elektrode* in den Bereichen der größten Feldstärke. Die

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Rückkehr (der Kreislauf) der Flüssigkeit in der genau entgegengesetzten Richtung erfolgt zn bzw. in Bereichen relativ schwacher Feldstärke. Dies tritt dann auf, wenn die Feldstärke nicht einheitlieh ist.

Das Fließen der Flüssigkeit tritt ebenso auf bei deia Vorhandensein der voraus beschriebenen elektrischen Doppelschicht bei Phasengz'enzflachen, Die Übertragung einer- geringen Menge von freier Ladung aus der Flüssigkeife nahe oder bei der Grensfläohe auf die Feetstoffoberfläone stellt eine Senkung der freien Energie in aase System dar. Wenn in dem System ein elektrisches Feld aufgebaut wird, wird der Feststoff eine Kt^saft in einer Sichtung erhalten und die diffuse, geladene Schicht wird m±-'a der eng an der Grenzfläche liegenden Flüssigkeit in entgegengesetzter Sichtung, gewöhnlich entlang der Grenzfläche fließen« Diese Wirkung, als Elektroosmose bekannt, ist leicht bei den Zellwandungen von Systemen zu beobachten, bei denen die nicht leitende Flüssigkeit sehr geringe leitfähigkeit hat und die Wirkungen als Folge des Ionentransports sehr gering sind. Die Flüssigkeit bewegt sich Im Kreislauf von den Phasengrenzflächen weg in Bereichen in Abhängigkeit von Verengungen, die durch die Zellform gebildet werden, und von Gravitationskräften. Wenn partikelförmige Feststoffe in der Flüssigkeit suspendiert sind, bewegen sieh die Partikel qualitativ, wie dies von elektrischen Doppelschichten zu erwarten ist,. Normalerweisa stört ,jedes*!

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Kreislauf der Flüssigkeit in einem geschlossenen System schnell das von elektrischen Kräften herrührende Strömungsbild der suspendierten Partikel■« Weiterhin wird das Bild der normalen elektrischen Doppslschicht vollkommen überlagert, wenn die suspendierten Teilchen die Elektroden berühren und eine starke entgegengesetzt© Ladung entwickelt.

Ein weiteres Phäüoaißri des !Heßens der aioht leitenden Flüssigkeit ist you Bedeutung, In ©inen heterogenen System (wie bei einer Meiigs von in einer Flüssigkeit dispergierten teilchenförmigen feststoff), bei dem ein nicht einheitliches elektrisches F#ld uesföeht ? nird ein Energieminimuss erreicht» .w&n_ die 8tx-ö«u&gö3,ift±en des ©lokteisöiiea Feldes durch ei» aiaxi©»lfi^ ¥vluiiea Matei^iaJ. SiI^-S aofe^r. ?-.vjl$)."-i-rr3>

die Bi®l<&ktM£l?%skcmsi;iä<;Aa des £®stm Ka-i^i&Is betraehtlioh jgxdß#:r -Ist als diu eier FUissigkalt;., werden die feilohen la den B^rei^kes x⁴elati¥ seliwaeli©^ S'eldswäjeke zn solchen «tärkerer Feldstärke· w-&Ederä, woati^ca gie die Flüssigkeit versiräßgfet** bis dl ο durefe die -fesjo Aase feia-»

SteSismtgsoasse ein Maxiaua ö£\i©iS:*fc itat₉ la lieise wxtu .die" Flüssigkeit daam seigea_t feste Teilchen aus den B&rsiehea großer .Feldstfek© am Yerdrängen, .wenn die flüseiga- Phase die gröBere dielektrische Konstante aufweist* Sogar in homögeaen Lösungen ve» Flüssigkeiten kann die Koaponente Kit der höchsten dielektrischen Kon- . stsnte daau aeigen, sieh im Bereich der größten Feldstärke

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zu sammeln. Es darf angenommen werden, daß feste Leiter in solchen Systemen eine im wesentlichen unbegrenzte Dielektrizitätskonstante aufweisen.

Stab-geformte Teilchen mit hoher Dielektrizitätskonstante, die in einer Flüssigkeit mit geringerer Dielektrizitätskonstante dispergiert sind, wobei in dieser ein elektrisches Feld aufgebaut ist, neigen also dazu in eine axiale • Ausrichtung mit den Feldströmungslinien aus den gleichen Gründen gezwungen zu werden, wie sich die Teilchen aus schwachen zu starken Feldbereichen in nicht homogenen Feldern bewegen* Wenn diese Partikel mit dem Feld ausgerichtet werden, wobei die anderen Gegebenheiten gleioh bleiben, hat das Flüssigkeit-Partikelsystem geringere Energie, d.h. ein größerer Teil der Gesamtlänge der btrömungslinien verläuft durch ein Material mit höherer Dielektrizitätskonstante, als bei zufälliger Orientierung. Ein System dieser Art kann als ein Kondensator mit einer Vielzahl beweglicher Platten angesehen werden. Wenn bei einem solchen Kondensator eine einheitliche Spannung verwendet wird (wie dies im allgemeinen in dem vorliegenden System der Fall ist\ wird er dazu neigen sich so zu verhalten, 'daß sich ein Potentialminimum zwischen den Grenzflächen bildet und seine Kapazität und Energielagerung erhöhen.

Obgleich das Partikel-Flüssigkeitsystem, in dem eine

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konstante elektrische Feldströraung besteht, keine Abnahme an freier Energie erfährt, wenn sich das partikelförmige Material mit dem Feld ausrichtet und zu dem stärkeren Feld wandert, nimmt die Energie des gesamten Kondensators (der die bei konstantem Potential gehaltenen geladenen Elektroden beinhaltet) während diesem Verfahren zu. In dem Maße wie die Wanderung und Ausrichtung fortschreitet, wird die Kapazität erhöht und die Ladung den Elektroden zugeführt, was bei konstanter Spannung einer Zunahme der in dem Kondensator gelagerten Energie entspricht:

E » 1/2 OV² = 1/2 QV = 1/2 ^2

worin E = Energie des geladenen Kondensators in Joule V = die Spannung, mit der der Kondensator geladen ist

Q = die in dem Kondensator gelagerte Ladung in Coulomb und

0 » die Kapazität, Coulomb pro Volt ist*

Ein kräftiges Hießen der Flüssigkeit kann daher bei vielen dielektrischen Flüssigkeitssystemen dadurch hervorgerufen werden, daß man starke, nicht wechselnde und im allgemeinen nicht einheitliche elektrische Felder verwendet. Der Energiebedarf für ein solches Rühren bzw. Bewegen scheint ungefähr dasselbe zu sein und möglicherweise etwas weniger als wenn man nach dem herkömmlichen mechanischen Hühren einen ähnlichen Erfolg erreichen möchte. Das elektrokinetisch© Bewegen bzw. Rühren hat jedoch bestimmte Vorteile

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bei der Herstellung von Verbandmaterialien, örtlich© hohe Scher™ und Stoßkräfte haben während dem mechanischen Hühren von Whisker- oder kurzfasrigen Dispersionen oftmals das Ergebnis, daß eine wesentliche Menge der Teilchen bricht. Dies kann bei dem elektrokinetisohea fiühren vermieden werden, weil die einzelnen Teilchen bei relativ milden, nicht mechanischen Kräften unterworfen werden und weil die sekundären Scherkräfte, die aus dem Fließen und den Partikel-Partikel-Wechselwirkungen entstehen, auch nicht annähernd so schwer sind wie bei den mechanisch gerührten Systemen.

Wie bereits erwähnt, wird die Größe und Form der Elektrode von der gewünschten Größe und Formgebung des Endprodukts bestimmt. Weiterhin beeinflußt sowohl die Größe und Formgebung der Elektroden, als auch die Größe und Formgebung des Gefäßes wesentlich die Kraftfelder, die ihrerseits die Strömungsbilder sowohl der flüssigen Medien als auch der Fasermedien beeinflußen. Diese Wirkungen sind eingehend in den Figuren 16 bis 19 dargestellt.

In Figur 16 ist ein Reaktionsgefäß A^, mit einem wesentlichen flachen Elektrodenpaar 21, 22 dargestellt. Die Elek troden sind im Durchmesser wesentlich kleiner als der Querschnittdurchmesser des Gefäßes A₂,. Die Kraftlinien, die auftreten, wenn ein Potential zwischen den Elektroden aufgebaut wird, sind durch die Feststofflinien

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Die Fasern könnten anfänglich in der V/eise fließen, wie es im wesentlichen durch di© punktierten Linien aufgezeigt ist. Di« lasern könnten dann längs der Kraftlinien orientiert werden. Die Flüssigkeit würde ebenso in Übereinstimmung mit den Kraftlinien fließen.

Die Figur 17 erläutert eine modifizierte Form eines Keaktionsgefäßes Ac fflit einer oberen Elektrode 24. und einer unteren Elektrode 25_f die relativ scharfe Spitzen haben. Bei dieser Art τοπ Elektrodensystem dehnen sich die FeIdstärkea in einem sehr engen Muster zwischen den beiden Elektroden aus und neigen nicht dazu, einen großen ά«Β diaiietrelen Querschnitts des Gefäßes auszufüllen.

In Figur i8 ist ©in G&fäß Ag mit einer- oberen-_; ten Elektrode 2? und eiaea? rs.lfväiv fiaefeea unteren. d· 28 dargestellt. i3iö Kraftlinien, die durch diese Art von Elektroden gebildet werden, zeigen das durch die Feststofflinien aufgezeigte Bild, Es ist darauf fainjsuw eisen, λ daß die Kraftlinien bsi der Spitse der Elektrode 27 enger koni*ntri«rtr sind und daß sie dazu neigen, sich bei der unteren Elektrode 28 a:a33;a.aehnen« Die Fasern neigen $ben~ so dasu einem Bild zu folgen, das etwas mit dem Kraftfeld zusaaaenfällt. Es ist festzustellen, daß die zugespitzten Elektroden dasu neigeii_t das Feld zu konzentrieren» während die relativ ilachen Elektroden ein viel breiteres Kraftfeld bilden· Üatürliola ist das konzentriert©re Feld das

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intensivere.

Ein ziemlich einheitliches System entsteht bei dem Reaktionsgefäß A₇, das in Figur 19 erläutert ist und relativ flache Elektroden 30 und 31 aufweist. In diesem Gefäß · haben die Elektroden 30 und 31 die gleiche diametrale Größe

wie das Gefäß. Wenn die Elektroden 30 und 31 zueinander vollkommen parallel stehen, können sich die Kraftlinien ^ einheitlich zwischen den beiden Elektroden ausdehnen.

Auf Grund der beschriebenen Kraftfeld- und der Strömungsbilder ist es möglich, die bei der Bewegung,des partikelförmigen Materials auftretenden Phänomene hier im einzelnen zu erläutern. Tatsächlich besteht zunächst eine Massensituation, wobei die Teilchen von der Masse zu den Linien des stärksten Feldes gezogen oder angetrieben werden, nämlich den Kraftlinien, die unmittelbar zwischen den beiden Elektroden bestehen. Natürlich benötigt ein stärkeres Kraft-A feld konzentriertere Systeme.

Wenn die Teilchen ein Gesarat-Zetapotential aufweisen, werden sie sich einer Elektrode zubewegen. Die Teilchen werden dazu neigen, zu der Elektrode zu wandern, die entgegengesetzt geladen ist. Natürlich wird sich das System dem Zustand zu entwickeln, der die geringste freie Energie aufweist . Dabei sind es tatsächlich zwei freie Energiebedingungen, die auf jedes der Partikel einwirken. Die erste

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WSPECtED

dieser Bedingungen ist die freie Energie, die zur Orientierung der Faser in dem Feld beiträgt und die zweite ist die freie Energie, die zu den Wanderungen der Faser als Folge der auf ihr befindlichen Ladung einwirkt.

Es wurde in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung gefunden, daß der Energiebedarf für eine solche Bewegung, d.h. für eine Bewegung des partikelförmigen Materials durch die Flüssigkeit, oft ungefähr der gleiche oder möglicherweise geringer ist, wie er bei dem herkömmlichen mechanischen Rühren zu einem ähnlichen Ergebnis benötigt würde. Das elektrokinetisch^ Rühren ist in vielen Eällen, die gemeinhin bei der Herstellung von Verbundmaterialien in vielen Bereichen auftreten, vorteilhaft. Zu zwei sehr wirksamen Verwendungsmöglichkeiten dieses einzigartigen Verfahrens gehören Systeme, die zerbrechliche oder brüchige kurze Fasern oder Whisker enthalten und die Herstellung von gegossenen Gegenständen mittels in situ Polymerisation. Es treten beim mechanischen Rühren von Whisker- oder kurz- λ fasrigen Dispersionen gewöhnlich örtliche hohe Scher- und Stoßkräfte auf, wodurch bei einer wesentlichen Menge von Partikeln Bruch erfolgt. Dieses Brechen wird jedooii bei dem ele^trokinetischen Rühren ins wesentlichen verringert oder meist völlig vermieden, bei dem die einzelnen Partikel und Fasern säßigen, nicht mechanischen Kräften unterliegen 'ind die aus der Strömung und den Partikel-Wechselwirkungen auftretenden sekundären mechanischen Kräfte nxofat

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schwerwiegend sind.

Die Erfindung wird weiter durch die nachfolgenden, nicht einschränkenden Beispiele erläutert*

Beispiel 1

Dieses Beispiel erläutert die Verwendung eines ziemlich uneinheitlichen elektrischen Feldes zur Bildung einer relativ schnellen Strömung der Flüssigkeit in den Bereichen großer Feldstärke auf eine Elektrode zu und dem starken Kreislauf der Flüssigkeit in entgegengesetzter Richtung in den Bereichen relativ schwacher Feldstärke, Xn Figur 4 wird ein vertikal angeordnetes zylindrisches Fjrsx-Reaktionsgefäß, das einen krijesföraigan horizontalen Querschnitt aufweist, mit Methylmethacrylatmonosier, das 25 ppm Hydrochinon und eine Spur Wasser enthält, gefüllt. In diesem System wurden 1/4" (6,3 mm) starke Flachkopfschrauben als Gehäuseelektroden eingeführt. Die Erzeugung eines statischen elektrischen Feldes von mehreren hundert Volt pro cm ließ ein merkliches Fließen erkennen. Bei mehreren tausend Volt pro cm trat ein heftiges Fließen in dem Bereich großer Feldstärke zwischen den «Schraubenkopfen auf.

Beispiel 2

Das folgende Beispiel erläutert die Orientierung von Teilchen und das schnelle Rühren in einem Graphit-gefülltan

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Nylon-Flockensystem. Bei diesem besonderen System wurde ein relativ kurzes vertikal angeordnetes Pyrex-Reaktionsgefäß verwendet. Das Reaktionsgefäß hatte ebenso einen kreisrunden horizontalen Querschnitt. Der Behälter des Reaktioasgefäßes hatte einen Innendurchmesser von 76 mm und die obere Elektrode oder Anode wurde durch Schleifen einer soharfen Spitz© an einen 6,3 mm starken Bolzen aus rostfreiem Stahl hergestellte Die untere Elektrode oder Cathode bestand aus einer 25_$4 mm χ 3"j1 mm starken Scheibe, " die aas Eade eines 6,3 mm starken Bolzens befestigt war, wobei all© Seile aus rostfreiem Stahl gefertigt waren. Der Abstand von der Spitze der oberen Elektrode zur Mitte

^f' der unteren Elektrode betrug 2,1 öüh. Das Gefäß wurde mit einem Tetracnlorkohleßstof"f-Eexangesaisofe gefüllt- tm& ir.

'^₁ diesem Gesaisoh wurden ßimphit-gefülli·© MyiGii~^!I^äaxs@t@nf

(1,0 κ» (0,040 inch) lang_s Seitenverhältniss 60) suspen f. /

- diert. Da© Lösungsmittel iiatte ein© Dicht© von. 1,14- g pro

. Figur 5 zeigt die auf allig© Verteilung der Fasern in der nicht? leitenden Flüssigkeit vor dem Aufbau eines elektriaetita Feldes, Figur 6 die Orientierung uad liabettung (B#Hillung) der Faser um die Elektrode, naeMeas eine Feldstärke von 2000 Volt 3 Miauten bestand. Figur ? seigt das Befallen in zufälliger Orientierung der Fasern, nachdea ein elektrisches Feld von 2000 Volt 9 Minuten erzeugt wurde. Aus den Figuren € und 7 ist zu ersehen, daß sich einige der Graphit-gefüllten Nylonflockenteilchen bei der Elektrode gesammelt hatten, aber es ist ersichtlich, daß

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die dispergierten Fasern streng und längs der Feldströmung ausgerichtet sind. In diesem System war nur der Bruchteil einer Sekunde notwendig, um die Fasern in die Ausrichtung mit dem Feld springen zu lassen. Figur 8 zeigt die dichte Füllung der Fasern im Bereich der maximalen Strömung nach 20 Minuten Aufbringen von 23 000 Volt.

Das Ergebnis dieses Versuchs zeigt, daß bestimmte Vorbedingungen für eine strenge Ausrichtung und wirksame enge Einbettung (Füllung) in dem starken Feldbereich gegeben sein müssen, wie die Bedingung, daß die elektrokinetische Strömung der Flüssigkeit relativ gering sein muß. Die Teilchen werden während dem Verfahren streng mit dem elektrischen Feld ausgerichtet und folgen den Spuren der einzelnen Strömungslinien sogar dann, wenn es sich um gebogene Linien handelt, die um das Hehrfache länger sind als der Elektrodenabstand.

Beispiel 3

Ein Reaktionsgefäß, das dem Reaktionsgefäß von Beispiel 1 ähnlich ist, wurde verwendet und Hethylmethacrylatmonomer in das iieaktionsgefäß eingeführt. 0,79. mm (1/32 inch) lange "E"-Glasfasern wurden dem flüssigen Honomer zugegeben. Das Reaktionsgefäß war aus Glas gebildet und hatte einen Innendurchmesser von 25 mm und einen Elektrodenabstand von ungefähr 3 cm. Das minimale Potential iß Gehäuse betrug zwi-

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sehen den Elektroden 14 000 Volt Gleichstrom. Sofort nach Aufbau der Spannung ergab sich ein kräftiges Zirkulieren der Flüssigkeit im Gehäuse und der verwirrte Faserhaufen wurde nach wenigen Minuten in der Flüssigkeit dispergiert. Inzwischen begannen sich die dispergierten Fasern bei der Anode zu sammeln und es darf angenommen werden, daß nach ungefähr 10 Minuten die Fasern im Gehäuse, die in Figur 9 erläuterte Stellung einnahmen. Bei dem Gehäusepotential von 14 000 Volt Gleichstrom bewegten sich die Glasfasern von der unteren Elektrode zur oberen Elektrode und sammelten sich dort. Es darf angenommen werden, daß bei 20 000 Volt Gleichstrom nach ungefähr 10 Minuten die Teilchen die in Figur 9 erläuterte Sammlungsform einnahmen und der Länge nach entsprechend dem elektrischen Feld ausgerichtet wurden,

Es bestand keine Neigung der Fasern duuh die schnell zirkulierende Flüssigkeit von dem Haufen weggestoßen zu werden. Der frische Strom wurde dann abgestellt und man ließ die Fasern sich am Boden des Gehäuses absetzen. Cumolhydroperoxid (0,103 ml in 70#iger Lösung) und danach eine äquivalente Menge Triäthylbor-Pyridinkomplex in n-Hexan wurde zugegeben.

Wenn im Gehäuse ein Potential von 23 000 Volt erzeugt wurde, wurde ein beträchtliches Rühren und ein Anfangsstrom von ca. 2 χ 10""* Amper beobachtet. Der Gehäusestrom

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nahm in dem Maße allmählich ab, wie sich die Fasern bei der Anode sammelten. Ebenso nahm das Rühren mit dem Strom ab und nach 20 Minuten war das Rühren nicht ausreichend, um die verbleibende Menge an losen Pasern vom Boden des Gehäuses zu bewegen.

60 Minuten nach der Zuführung des freien Radikalinitiafeors und nach Aufbau des elektrischen Feldes im Gehäuse war die flüssige Phase extrem viskos geworden und Blasen zeigten sich in dem Abstand zwischen den Elektroden. Zu diesem Zeitpunkt wurde das verwendete elektrische Feld abgestellt und ein Luftstrom auf das Glasrohr gerichtet, um dazu beizutragen, die sehr exotherme Reaktion unter Kontrolle zu bringen. Nach einstündigem Kühlen wurde das Gehäuse 30 Minuten bei 100^QC in einen Ofen gebracht, um dazu beizutragen, die Polymerisierung zu beenden. Nach Kühlen auf Zimmertemperatur wurde die Glasumhüllung entfernt und die Probe in einer Ebene senkrecht zur Elektrodenachse geschnitten. Die abgeschnittene Fläche des oberen Stücks mit der noch intakten Anode wurde poliert und mikroskopisch unter 500-facher Vergrößerung geprüft. Es waren nur Enden von Glasfasern erkennbar, was die Ausrichtung mit der Strömung des elektrischen Feldes beweist. Die Faserverteilung war einheitlich und die Befüllung ziemlich dicht. Mikrophotographische Aufnahmen wurden dann von einer dünnen Scheibe des erhaltenen Verbundmaterials hergestellt. Die

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Scheibe wurde poliert und mit 165- und mit 320-facher Durchraesservergrößerung photographiert. Die Photographien zeigten, daß die einzelnen Fasern parallel zu dem aufgebauten Feld ausgerichtet würden. Die wenigen Fasern, die sich rund um den Üchaft der Anode gesammelt haben , warjen radial orientiert, wieder in Ausrichtung zu dem elektrischen Feld*

Beispiel 4

Dieses Beispiel enthält eine Zusammenfassung der Arten der verschiedenen Phänomene, die in den Kraftfeldern der vorliegenden Erfindung auftreten.

Ein Reaktionsgefäß, das dem in den Figuren 5 bis 8 erläuterten Reaktionsgefäß ähnlich war, wurde mit einem Gemisch von Tetrachlorkohlenstoff und Hexan gefüllt und dann wurde zu diesem Gemisch eine Menge Titandioxid-gefüllte Nylonflocken zugegeben, wobei diese 1,01 mm (0,04 inch) groß waren mit einem Druchmesser von 0,177 mm (0,007 inch). Nach der Zugabe der Flocken wurde ein Kraftfeld von 20Ou Volt zwischen den Elektroden erzeugt. Figur 10 zeigt die Verteilung der Flocken vor dem Aufbringen der Spannung. Figur erläutert die Dispergierung der Flocken nach 9 Minuten nach Verwendung einer Spannung von 2000 Volt. Figur 12. erläutert die Dispergierung der Flocken nach weiteren 3 Minuten bei einer Verwendung einer bpannung von 23 000 Volte

-44-0 09831/1472 8&P OBKSiNAt

Die Figuren 13* 14 und 15 erläutern, wie sich Graphit-ge*- füilte Nylonflocken gleichen Durchmessers, suspendiert in dem gleichen Lösungsmittel, in einem Gehäuse bei unterschiedlicher Elektrodenform verhalten* Figur 13 zeigt die Dispergierung des Flockenmaterials vor dem Erzeugen der Spannung, Figur 14 die Dispergierung nach 1 Minute bei Verwendung einer Spannung von 2200 Volt und Figur 15 die Dispergierung nach 10 Minuten bei Verwendung von 2200 Volt. In diesem zuletzt angegebenen Fall war das Gehäuse 76,2 mm (3 inches) lang und hatte einen Durchmesser von 76,2 mm (3 inches), dabei einen Abstand zwischen den Elektroden von 2 cm und eine Kapazität von 1000 bis 23 000 Volt. Die gleichen Versuche wurden mit Glas- und oiliciumcarbid-Whiskerfasern anstelle der Nylonflocken durchgeführt. In einer dem Verhalten von Nylon ähnlichen Weise wurden diese Fasern bei Erzeugung eines starken elektrischen Feldes entwirrt, dispergiert und orientiert.

Es ist klar, daß Änderungen und Modifikationen in der Form, in der Konstruktion, der Anordnung und Kombination der Teile gegenüber den hier beschriebenen und ausgeführten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von dem Erfzndungsgedanken abzuweichen.

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Claims (3)

PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN 2, HIUBLESTRASSE 2O Dr. Barg Dipl.-Ing. Stopf, 8 München 2, Hllblestro6a 20 · Ar *}*&Λ? -y-· *' J^ Ihr Zeichen Unser Zeldien 18 994 Datum 31. MärZ 1970 Monsanto Company ■ Anwaltsakte-Nr. 18 93k Neue Patentansprüche

1. Verfahren zur Beeinflussung der Anordnung von teilchenförmigem Material in einem flüssigen Medium, insbesondere zum Entwirren, Dispergieren, Orientieren, Mischen oder Befüllen von partikelförmigem Material in einem flüssigen Medium, dadurch gekennzeichnet, daß man in dem Medium ein elektrisches Feld unter Bedingungen erzeugt, die elektrokinetische Kräfte in einer Stärke entstehen lassen, die wenigstens ausreichend sind, die Bewegung des flüssigen Mediums und des teilchenförmigen Materials zu bewirken.

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x/x ^:

(0811) *5 U 20 81 Telegramm·ι PATENTEULE München Banki Bayerische Vereinsbank Manchen 453100 Postscheck: Manchenι 653 43

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Medium eine dielektrische Flüssigkeit ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Material Stab-geformt ist.

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