DE19738435A1 - Kunststoffteil und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kunststoffteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Kunststoffteils gemäß Anspruch 15.

Kunststoffbehälter oder -teile haben gegenüber Behältern aus herkömmlichen Stof­ fen, z. B. Holz oder Metall, den Vorteil, daß sie nicht verrotten oder weniger Gewicht aufweisen. Allerdings gibt es auch Eigenschaften der herkömmlichen Materialien, die durch Kunststoff nicht leicht realisiert werden können. So ist es beispielsweise auch heute noch üblich, bestimmte Weinarten in Eichenfässern zu lagern, weil nur das Eichenholz einen bestimmten Geschmacksstoff abgibt, den man im Wein wünscht.

Auch bei Frischwassertanks ist es bekannt, daß sie dann, wenn sie z. B. aus Kupfer bestehen, ein Wasser mit besserer Geschmacksqualität abgeben, als wenn es sich um reine Kunststofftanks handelt. Es besteht deshalb der Wunsch, Kunststoff-Frischwas­ sertanks auf ihrer Innenseite mit Kupfer oder eventuell auch Edelstahl zu versehen.

Ein weiterer Nachteil des Kunststoffs kann sich manchmal auch aus seinem eigent­ lichen Vorteil, dem geringen Gewicht ergeben. Durch dieses geringe Gewicht ist kei­ ne optimale Schalldämmung gegeben. Schalldämmungen sind sehr unterschiedlich, je nachdem, ob es sich um Schallausbreitung in Luft, also dem sogenannten Luft­ schall, oder um Schallausbreitung in festen Körpern, dem sogenannten Körperschall, handelt. Da der gehörte Schall - wenn man den Horcher an der Wand ausschließt - eigentlich immer Luftschall ist, spricht man von Luftschalldämmung, wenn das zu dämmende Signal ursprünglich in der Luft erzeugt wird, wie etwa bei Sprache, Ge­ sang oder bei Blasinstrumenten, und von Körperschalldämmung, wenn das Signal ur­ sprünglich in festen Körpern erzeugt wird, wie beim Klopfen gegen die Wand oder beim Laufen auf einer Decke. Die Luftschalldämmung nimmt im allgemeinen mit der Frequenz zu und steigt mit dem Logarithmus der Wandmasse pro Flächeneinheit an. Bei einer einfachen festen Trennwand kommt es somit für die Schalldämmung auf die Massenbedeckung an, nicht auf das Material (Bergersches Gesetz). Während ein Mauerwerk durch Hohlräume in der Mitte nur wenig von seiner statischen Steife ein­ büßt, dabei aber hinsichtlich der Wärmedämmung günstiger wird, bedeutet die dabei unvermeidliche Massenverringerung akustisch einen Nachteil.

Da die Masse der meisten Metalle, z. B. von Kupfer oder Edelstahl, in der Regel weitaus größer ist als die Masse der gängigen Kunststoffe wie Polyethylen oder Poly­ propylen, könnte durch eine Kombination von Kunststoff und Metall die Schalldäm­ mung verbessert werden. Außerdem könnte bei Wasserbehältern erreicht werden, daß die Wasserqualität verbessert wird.

Es ist bereits ein Verfahren für die Herstellung elektrisch leitender thermoplastischer Gegenstände mittels eines Rotationsschmelzverfahrens bekannt, bei dem eine ther­ moplastische Zusammensetzung in eine hohle Form gegeben wird, wobei diese Zusammensetzung eine innige trockene Mischung eines thermoplastischen Pulvers zwischen 0,1 und 2 Gewichtsprozent eines pulverförmigen leitenden Füllmittels ist (GB-PS 1 201 166). Die Form wird hierauf auf eine solche Temperatur erhitzt, daß die thermoplastische Zusammensetzung weicher wird. Sodann wird die Form um eine oder mehrere ihrer Achsen gedreht, damit sich die Zusammensetzung über die inneren Oberflächen der Form verteilt. Schließlich wird die Form gekühlt, bis die thermoplastische Zusammensetzung, die über die gesamte Innenfläche verteilt ist, aushärtet, so daß der gewünschte Gegenstand gebildet wird.

Weiterhin ist ein Kunststoff mit verbesserter elektrischer Leitfähigkeit bekannt, der die Probleme verringern soll, die bei einem heißen Getränk entstehen, und der den Geschmack verbessern soll (japanische Patentanmeldung Nr. 64-98930, Veröffentli­ chungsnummer 2-279616). Als Basiskunststoff wird hierbei ein Homopolymer oder ein Copolymer eines Methacrylats verwendet, dem ein Metallpulver, ein Metallegie­ rungspulver, Diamant, SiC, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid zugeführt wird.

Es ist auch bekannt, die Vibration eines Kunststoffs durch Zuführen fester Teilchen zu verringern (japanische Patentanmeldung 91-374504/51, Veröffentlichungsnummer JO3253-334-A). Die festen Teilchen haben hierbei einen mittleren Durchmesser von weniger als 300 Mikron. Als Kunststoff wird z. B. Polyurethan verwendet, während die festen Teilchen aus Eisen, Kupfer oder Aluminium bestehen.

Bei einem anderen akustischen Material von geringem Gewicht wird Aluminium mit einer Partikelgröße von weniger als 300 Mikron auf eine Kunststoffoberfläche ge­ sprüht (japanische Patentanmeldung 91-374505/51, Veröffentlichungsnummer JO 3253-335 A). Die festen Teilchen bestehen dabei aus Eisen, Kupfer, Aluminium, Me­ talloxiden, Nitriden, Karbiden, Glas etc. Anwendung findet dieses akustische Materi­ al u. a. bei Kraftfahrzeugen.

Ferner ist ein poröser Körper aus einer Aluminiumiegierung bekannt, der Schall ab­ sorbiert und mit einer Kunststoffschicht versehen ist (japanische Patentanmeldung 93-299962/38, Veröffentlichungsnummer JP 0521 4464-A).

Es ist auch ein Verfahren für die Herstellung eines Gegenstands bekannt, der aus einer Schmelze entstanden ist, die Metallpulver enthält (US-PS 5 134 037). Hierbei wird eine Mischung aus nichtbrennbarem Metallpulver und Kunststoff vorbereitet und dann unter Druck und Wärme geschmolzen, um einen Formkörper zu bilden.

Des weiteren ist es bekannt, ein Fremdmaterial, z. B. Aluminium-Teilchen, gemein­ sam mit einem Polyurethan-Pulver in einen biaxialen Rotationsmischer einzubringen und langsam bei etwa 100°C zu verrühren (US-PS 4 104 357). Hierdurch ist es mög­ lich, Kunststoffteile mit Metallpulver-Einschluß herzustellen.

Schließlich ist auch noch ein splittergebender Kunststoffmantel für militärische Sprengkörper, insbesondere Handgranaten, bekannt, bei dem ein einstückig ausgebil­ deter Kunststoffmantel aus einer ersten Schicht aus Polymermasse und einer innen­ seitig auf der Schicht liegenden und an dieser haftenden Schicht aus praktisch nicht in Kunststoffmasse eingebetteten Metallteilchen besteht (CH-PS 638 609). Bei der Herstellung dieses splittergebenden Kunststoffmantels wird eine Menge eines bei er­ höhter Temperatur koaleszenzfähigen und verschmelzbaren Polymerpulvers und eine Menge von Metallteilchen in eine wärmeleitfähige, kalte, verschließbare Hohlform eingefüllt, deren Formwand der Außenfläche des herzustellenden Mantels entspricht, wobei die Menge des Polymerpulvers zur Bildung einer zusammenhängenden Schicht aus verschmolzener Polymermasse an der Formwand und die Menge der Me­ tallteilchen zur Bildung einer Schicht aus den Metallteilchen an der Innenseite des herzustellenden Mantels ausreichend bemessen ist, und wobei die mittlere Teilchen­ größe der Metallteilchen mindestens doppelt so groß ist wie die mittlere Teilchengrö­ ße des Polymerpulvers. Nach diesem Einfüllen wird die verschlossene Hohlform mit Polymerpulver und Metallteilchen um mindestens zwei verschiedene Rotationsachsen langsam gedreht. Sodann wird die rotierende Hohlform mit einem die Hohlform um­ gebenden erhitzten Fluid beheizt, wobei die Temperatur des Fluids über der Tempe­ ratur liegt, die ein Verschmelzen der Polymerpulverteilchen bewirkt. Hierauf wird die Beheizung der rotierenden Hohlform fortgesetzt, bis sich an der Innenseite eine zu­ sammenhängende, praktisch gleichmäßige Schicht aus verschmolzenem Polymer ge­ bildet hat, die an ihrer Innenseite mit einer Schicht aus anhaftenden Metallteilchen belegt ist. Anschließend wird die rotierende Hohlform abgekühlt und der in der Hohl­ form gebildete Mantelkörper entformt.

Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß die damit hergestellten Gegenstände nicht für Wassertanks oder schalldämmende Gegenstände geeignet sind, weil die Metall­ teilchen keine feste Bindung mit dem Kunststoff eingehen. Da die Metallteilchen die Funktion von Splittern haben, die sich lösen, dürfen sie nicht fest mit einer Kunst­ stoffwand verbacken sein.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Kunststoffteile oder -behälter zu schaffen, die auf wenigstens einer Oberfläche Fremdmaterialien enthalten, die fest in den Kunststoff eingebettet sind.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 oder 15 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Kunststoff­ teile oder -behälter bessere akustische oder chemische Eigenschaften besitzen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich die Kunststoffteile oder -behälter mit dem einfachen Rotationsformverfahren herstellen lassen, so daß sich auch sehr große, hohle und ungeteilte Gegenstände von ungewöhnlicher Form herstellen lassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Rotationsschmelz- oder -sinterverfahrens;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß hergestellte Paneele;

Fig. 2a einen vergrößerten Ausschnitt aus der Fig. 2;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß hergestellten Behälter;

Fig. 4 eine Verwendung einer erfindungsgemäß hergestellten Vorrichtung für einen Traktor.

In der Fig. 1 ist das Prinzip einer Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens für die Herstellung von Kunststoffteilen mit Metallbeschichtung dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist einen vertikalen Träger 2 auf, der mit einer Wel­ le 3 verbunden ist, die mit einem nicht gezeigten Antriebsmotor in Verbindung steht. Die Drehrichtung der Welle 3 ist durch einen gekrümmten Pfeil 4 angedeutet.

An dem einen Ende des vertikalen Trägers 2 ist ein horizontaler Träger 5 angeordnet, wobei zwischen beiden Trägern 2, 5 ein Eckblech 6 zur Verstärkung vorgesehen ist. Das freie Ende des horizontal verlaufenden Trägers 5 ist mit einer Laufbuchse 7 ver­ sehen, in der sich eine Drehwelle 8 befindet. Die Drehrichtung dieser Drehwelle 8 ist durch einen gekrümmten Pfeil 9 angedeutet. Mit der Drehwelle 8 ist ein Drehtisch 10 gekoppelt, auf dem sich über Streben 11, 12 ein Behälter 13 befindet. Dieser Behälter 13 weist ein Unter- und ein Oberteil auf, wobei beide Teile durch Flansche voneinan­ der getrennt sind. Mit 21, 22 sind Teile eines an sich bekannten Schnellverschlusses bezeichnet. Dieser Behälter 13 ist in diesem Falle das Werkzeug, das eine definierte Form aufweist und damit die Form des herzustellenden Werkstücks bestimmt.

Oberhalb des Behälters sind schematisch zwei Materialzuführungs-Rinnen 15, 16 dargestellt. Aus der einen Rinne 15 fließt z. B. Kunststoff-Pulver 17 in das Werkzeug im Behälter 13, während aus der Rinne 16 Metallspäne 18 in das Werkzeug fließen. Hierbei ist angenommen, aber nicht dargestellt, daß sich im oberen Teil des Behälters 13 ein Loch befindet, durch welches das Pulver 17 bzw. die Späne eingeführt werden. Es ist auch möglich, den oberen Teil des Behälters 13 geschlossen auszubilden und dann den oberen Teil oder Deckel hochzuschwenken, wie es durch den gestrichelten Viertelkreis angedeutet ist. In der Praxis werden die Füllmengen oft auch abgewogen und in Plastik-Beutel verpackt, die dann in den Behälter geleert werden. Ist eine hin­ reichende Menge Kunststoffpulver 17 bzw. Metallspäne 18 in das Werkzeug einge­ geben worden, wird der Behälter 13 um eine horizontale Achse 19 und um eine verti­ kale Achse 20 gleichzeitig gedreht, um das Kunststoffpulver 17 mit den Kupferspä­ nen 18 zu vermischen.

Sind beide Materialien gut vermischt, wird die Vorrichtung 1 mit dem Behälter 13 mit der Mischung in einen Ofen gebracht und dort erhitzt, bis das Kunststoffpulver schmilzt. Der Behälter 13 besteht z. B. aus Aluminiumguß oder aus Stahl und weist auf seiner Innenseite die Konturen des herzustellenden Kunststoffteils auf. Ist der Kunststoff geschmolzen, so verteilt er sich bei fortwährender Drehbewegung zusam­ men mit den Metallspänen auf der gesamten inneren Oberfläche des Behälters 13 und baut auf diese Weise den Kunststoffkörper auf. Obwohl bei den Drehbewegungen in beiden Achsrichtungen Zentrifugalkräfte auftreten, setzen sich die schwereren Me­ tallspäne keineswegs auf den nach außen gerichteten Seiten ab, wie Versuche gezeigt haben. Vielmehr verteilen sie sich verhältnismäßig gleichmäßig im Kunststoff und ragen auf der Innenseite etwas hervor. Dies hängt wohl mit der Zähigkeit des Kunst­ stoffmaterials und den sehr Meinen Zentrifugalkräften zusammen.

In der Fig. 2 ist dargestellt, wie eine erfindungsgemäß hergestellte Wand eines Kunststoffteils 25 oder -behälters aussieht. Diese geschnitten dargestellte Wand ist auf ihrer Unterseite 26 vollkommen glatt. Bei dieser Unterseite 26 handelt es sich um diejenige Seite, die bei dem Herstellungsprozeß an der Wand der Form anliegt. Aus der Oberseite 27 ragen dagegen kleine Kupferteilchen heraus. Handelt es sich bei dem Kunststoffteil 25 um einen Ausschnitt aus einem Kunststoffbehälter, so stellt die Oberseite 27 die Innenwand des Behälters dar.

In der Fig. 2a ist noch einmal ein vergrößerter Ausschnitt aus der Fig. 2 dargestellt. Man erkennt bei dieser Darstellung, daß die Metallspäne von der Unterseite 26 zur Oberseite 27 hin zahlreicher und größer werden. Während also die Teilchen auf der Höhe von 50 noch relativ klein und wenig dicht sind, sind sie auf der Höhe von 51 schon zahlreicher und dichter und nehmen in ihrer Größe bis zur Höhe von 54 stetig zu. Der Größenunterschied der Teilchen ist allerdings nicht allzu groß, weil bei einer Charge nur solche Späne verwendet werden, die hinsichtlich ihrer Größe nicht sehr voneinander abweichen.

Die Unterseite 26 ist in jedem Fall ganz glatt, und keinerlei Späne schauen aus ihr heraus. Dagegen ragen aus der Oberseite 27 Späne 55, 56, 57, 58 heraus. Dieser Effekt, der bei der Herstellung nach dem in der Fig. 1 beschriebenen Verfahren auf­ tritt, ist an sich überraschend, denn bei diesem Herstellungsverfahren treten die Zen­ trifugalkräfte in Richtung von 27 nach 26 auf, so daß sich eigentlich die größeren und schwereren Partikel bei 26 ablagern müßten. Allerdings sind die Zentrifugalkräfte, wie bereits erwähnt, nicht besonders ausgeprägt, so daß sie offensichtlich hinter an­ deren Effekten, die in einem Fluid auftreten können, zurücktreten.

In der Fig. 3 ist ein Behälter 30 in aufgeschnittener Form dargestellt. Man erkennt hierbei, daß die Wände 31, 32, 33 und der Boden 34 auf ihren Innenseiten 60, 61, 62 Teile von Kupferspänen hervortreten lassen. Durch diese Kupferspäne, die mit dem Inhalt des Behälters 30 in Kontakt kommen, ist der Behälter 30 besonders als Was­ serbehälter geeignet. Statt Kupferspänen können selbstverständlich auch Späne aus beliebigen anderen Materialien, insbesondere anderen Metallen, in den Kunststoff eingebettet werden. Wird der Abstand zwischen den Wänden 31, 32 sehr klein ge­ wählt, ergibt sich eine sandwichartige Konstruktion, die z. B. als Baueinheit für die Schalldämmung verwendet werden kann.

In der Fig. 4 ist eine solche Verwendungsart des erfindungsgemäßen Produkts darge­ stellt, bei der es auf die Massezunahme aufgrund des Einschlusses von schweren Me­ tallteilchen ankommt. Bei einem Traktor 40 weist die Fahrerkabine oft eine Frisch­ luftzufuhr auf, die aus einem Kunststoffteil 42 besteht, das sich über dem Getriebe 43 und hinter dem Motor 44 befindet. Wird diese Frischluftzufuhr aus reinem Kunststoff hergestellt, sind die in der Fahrerkabine zu hörenden Motor- und Getriebegeräusche sehr hoch. Wird dagegen das Kunststoffteil 42 aus einem Kunststoff mit Metallspä­ nen oder -pulver hergestellt, ist eine deutliche Schalldämmung festzustellen. Das Kunststoffteil 42 kann mit Luftaustrittslöchern oder -schlitzen an verschiedenen Stel­ len versehen sein, so daß die Luft seitlich oder auch in Richtung auf den Fahrer aus­ treten kann.

Die Tatsache, daß die Metallspäne auf einer Seite einer Kunststoffwand - vgl. Fig. 2a, 27 - hervortreten, ist zwar bei der Verwendung der Kunststoffteile als Schalldämm­ elemente nicht unbedingt erwünscht, doch schadet dieses Hervortreten nicht, weil die Schalldämmelemente in der Regel als Doppelwand-Elemente ausgebildet sind, bei denen - wie in der Fig. 3 gezeigt - die Metallspäne in einen inneren Hohlraum ragen. Die hervorstehenden Späne sind somit nicht sichtbar.

Claims (20)

1. Kunststoffteil oder -behälter, an dessen Wände Metallteilchen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen fest in die Wände eingebettet sind.

2. Kunststoffteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen über die ganze Wandstärke des Kunststoffteils verteilt sind.

3. Kunststoffteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungs­ dichte der Metallteilchen von einer Oberfläche (26) einer Wand des Kunststoffteils zur anderen Oberfläche (27) hin zunimmt.

4. Kunststoffteil nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Metallteilchen von einer Oberfläche (26) einer Wand des Kunststoff­ teils zur anderen Oberfläche (27) hin zunimmt.

5. Kunststoffteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen Späne sind.

6. Kunststoffteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Späne eine Größe von 0,1 mm bis 20 mm haben.

7. Kunststoffteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Späne eine Größe von 1 bis 5 mm haben.

8. Kunststoffteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen aus nur einer Oberfläche (27) eines Kunststoffteils (25) herausragen, aber fest in das Kunststoffteil (25) eingebettet sind.

9. Kunststoffteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen wenigstens einen Teil der Oberflächenschicht des Kunststoffteils bilden.

10. Kunststoffteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff aus einem Thermoplast besteht.

11. Kunststoffteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff Polyethylen oder Polypropylen ist.

12. Kunststoffteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffteil (30) doppelwandig (31, 32) ausgebildet ist, wobei die einander gegenüberliegenden Innenseiten der Wände (31, 32) mit hervorstehenden Metallteilchen versehen sind, während die nach außen gerichteten Oberflächen der Wände (31, 32) glatt sind.

13. Kunststoffteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoff­ teil (30) rundum geschlossen ist und als Schalldämmelement (44) verwendet wird.

14. Kunststoffteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffteil (30) an wenigstens einer Seite offen ist und als Frischwasserbehälter dient.

15. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffteils oder -behälters, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) es wird ein Pulver aus thermoplastischem Kunststoff bereitgestellt,
• b) es werden Metallteile mit dem Kunststoff vermischt,
• c) es werden aus der Mischung Kunststoffteile im Rotationsverfahren hergestellt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotationsver­ fahren ein Rotations-Schmelzverfahren ist.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung aus Kunststoff und Metallteilen während der Rotation auf ca. 240°C erhitzt wird, so daß der Kunststoff schmilzt.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung in einem Ofen oder doppelwandigen Werkzeug erfolgt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkzeug (13) bei etwa 8 bis 40 Drehungen pro Minute in einem Ofen gleichzeitig um die Längs- (20) und Querachse (19) gedreht wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehfrequenz um die Längsachse (20) eine andere als die um die Querachse (19) ist.