DE202013003612U1

DE202013003612U1 - Vorrichtung zur Herstellung einer Mischung aus Kunststoffpolymeren mit fein verteilten anorganischen Füllstoffen

Info

Publication number: DE202013003612U1
Application number: DE201320003612
Authority: DE
Original assignee: PLASMA TECHNOLOGY GmbH; Rehau AG and Co
Current assignee: PLASMA TECHNOLOGY GmbH; Rehau Automotive SE and Co KG
Priority date: 2012-08-11
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2023-04-19
Also published as: DE102012015958A1

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung einer Mischung aus Kunststoffpolymeren mit fein verteilten anorganischen Füllstoffen für eine thermoplastische Verarbeitung in der Kunststoffindustrie, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Plasmavorbehandlung der Füllstoffe reaktive Gruppen auf den Oberflächen der Füllstoffe gebildet sind die mit den Kunststoffpolymeren bei einer nachfolgenden Mischung eine chemische Verbindung eingehen und zu einer besseren festen Haftung der Füllstoffe mit den Kunststoffpolymeren führen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer Mischung aus Kunststoffpolymeren mit fein verteilten anorganischen Füllstoffen für eine thermoplastische Verarbeitung in der Kunststoffindustrie.
Nach dem Stand der Technik gemäß der DE 60 2004 011 823 T2 ist ein Behandlungsverfahren eines Nanopolymermaterials bekannt, welches sich aus einem nicht behandelten Schichtsilikat, einem Delaminierungsagenz, einem Schwellagenz und einem Polyorganosiloxane Colpolyperisiert mit PC zusammensetzt. Das Delaminierungsagenz ist ein Salz auf der Basis von organischen Tonen mit Oniumsalzen.
Die DE 60 2004 013 145 T2 beschreibt Copolyester (sulfoniert aliphatisch und aromatisch) und ihre Verwendungen. Der Polyester enthält anorganische Füllstoffe auf Tonbasis (natürliche, synthetische (un)behandelten Tonen, Organotonen, Smektittonen, Bentonittonen, Hektorittonen, Wollastonittonen, Montmorillonittonen, Kaolin und Mischungen). Die Behandlung der Tone erfolgt mit organischen Oniumsalzen, Silanen oder Stearinsäure.
Die US-4739007 A lehrt die Verwendung eines Schwellagenz in einem wässrigen Milieu, gemischt mit gemahlenem Ton, der anschließend einem Ionenaustausch durch ein organisches Kation unterzogen wird. Das Kation wird mit dem Schwellagenz gemischt und dann ein Compound hergestellt.
In der DT 26 12 746 A1 ist Schutz beantragt worden für das Aufpropfen eines Polymers auf Füllstoffe. An die Mineralstoffbereiche der Füllstoffe ist eine gewisse Menge eines Netzmittels gebunden, wobei eine oder mehrere funktionelle reaktive Gruppen unverändert bleiben. Anschließend ist dem so präparierten Füllstoff ein Stoff zugesetzt, der zur Reaktion mit unveränderten Gruppen eines Netzmittels fähig ist. Durch eine Wärmebehandlung mit 100°C bis 150°C entsteht ein fest an den mineralischen Füllstoff gebundenes organisches Polymer. Dabei kann der Füllstoff ein wenig oder gar nicht absorbierendes oder ein absorbierendes Material sein.
Auf diese Weise sind auf der Oberfläche der Mineralstoffteilchen eines Füllstoffes polymerisierte Stoffe gebunden bzw. „aufgepropft”. Diese Füllstoffe können bei der Herstellung von Gummi, Kunststoffen oder Anstreichmitteln verwendet werden, wobei die Herstellung erleichtert und die Eigenschaften der Fertigprodukte verbessert werden.
Die Patentschrift DD 247 459 A1 beschreibt ein Verfahren zur Behandlung von Füllstoffen für eine Polymermodifizierung. Die Füllstoffe sind dabei partikel- oder faserförmig künstliche und natürliche Stoffe, wobei die Füllstoffoberfläche zur Verbesserung der Hafteigenschaften zwischen Füllstoff und Polymermatrix mit einer Lösung behandelt wird. Erfindungsgemäß besteht die Lösung aus einem gleichen Monomer, wie das zu füllende Polymer aufgebaute Polymer mit einem höheren Schmelzbereich, beispielsweise ein Polymer mit höherer Dichte. Diesem Lösungsmittel kann ein Netzmittel zugesetzt werden. Dieses Verfahren ist zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften sowie zur Materialkostensenkung bei thermoplastischen Polymerwerkstoffen eingesetzt, denen fein verteilte anorganische Füllstoffe in partikelartiger oder faserförmiger Form zugesetzt werden. Wegen der unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften von Füllstoff und Polymer ist die Wechselwirkung zwischen den beiden Materialien und damit die Haftung nur sehr gering. Es sind daher Verfahren entwickelt worden, bei denen die Füllstoffoberfläche so modifiziert wird, so dass sich zwischen dem Füllstoff und den Polymeren eine besondere Grenzschicht mit einer verbesserten Haftung zur Polymermatrix ausbildet.
Wie die US-PS 42 38 316 zeigt, ist bei einer solchen Lösung Aluminiumhydroxid mit flüssigen Fettsäuren behandelt, wobei eine chemische Reaktion auf der Oberfläche des Füllstoffes stattfindet. Die so gebundene Fettsäure erzeugt eine ausgezeichnete Haftung gegenüber Polyethylen.
Bei einem anderen Verfahren nach der DE-OS 28 23 156 sind basische Füllstoffe mit gelösten säuregruppenhaltigen Polymeren, die ein geringes Molekulargewicht aufweisen, behandelt. Hierbei findet eine Reaktion auf der Füllstoffoberfläche statt und das säurehaltige Polymer wird an den Füllstoff gebunden.
Dadurch wird eine ausgezeichnete Haftung gegenüber Polyethylen erreicht. Beide Verfahren haben den Nachteil, dass die zur Behandlung des Füllstoffes eingesetzten Substanzen in einem separaten Verfahrensschritt speziell hergestellt werden müssen. Die gewünschte Haftverbesserung kann außerdem nur dann erzielt werden, wenn der Füllstoff gegenüber diesen Behandlungsmitteln reaktive chemische Gruppen aufweist, das Behandlungsmittel also chemisch an den Füllstoff gebunden wird. Daraus ergibt sich eine deutliche Einschränkung des Anwendungsbereiches auf solche Füllstoffe, die derartige mit den Säuregruppen reagierende chemische Gruppen an ihrer Oberfläche tragen.
Um diesen Nachteil zu umgehen, wurde in der US-PS 4 252 713 vorgeschlagen, den Füllstoff mit einem Monomer zu behandeln und das Monomer auf dem Füllstoff zu polymerisieren, wodurch eine Füllstoffoberfläche mit guter Haftung zur Polymermatrix erhalten wird.
Dieses Verfahren ist nur mit solchen Monomeren erfolgsversprechend, die im polymerisierten Zustand mit der Polymermatrix eine gute Haftung aufweisen. Das setzt voraus, dass die zwischen der durch Polymerisation des Monomers erhaltene Polymerschicht und der Matrix auftretenden Haftkräfte ähnlich gut sind wie die Haftkräfte zwischen dem Füllstoff und dem Polymerfilm. Außerdem darf dieses Polymer nicht oder nur geringfügig mit einem Matrixpolymer im schmelzflüssigen Zusatz vermischt werden, um ein Auflösen des Films in der Polymermatrix und damit die Ablösung des Füllstoffes zu verhindern. Diese Bedingungen sind nur bei einer eingeschränkten Zahl von Polymerpaarungen erfüllt. Daraus ergibt sich eine Begrenzung des Anwendungsbereiches bzw. in den Fällen, in denen auf eine derartige Auswahl der Paarung und eine Minderung der erreichbaren Haftung zwischen Füllstoff und Polymermatrix nicht geachtet wird.
Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass zur Behandlung mit einem Monomer und einer anschließenden Polymerisation aufwändige verfahrenstechnische Prozeduren notwendig sind.
In der DE 38 13 678 A1 wird eine Kautschukmischung für Reifen behandelt. Zur Verbesserung der Verstärkbarkeit und des Verhaltens gegen Wärmeaufbau bei hoher Temperatur in dem Gummi wird eine bestimmte Menge von oberflächlich behandeltem Ruß als Füllstoff und ein bestimmtes Kupplungsmittel verwendet. Wie der Anspruch 1 zeigt, geht die Anmeldung schon von einer Kautschukmischung aus, die aus Naturkautschuk und/oder Dienkautschuk, aus Ruß mit einer spezifischen Oberfläche und aus Silikat mit Kupplungsmittel besteht. Die Erfindung wird darin gesehen, dass der Ruß eine bestimmte Konzentration an Säuregruppen auf der Oberfläche besitzt und das Kupplungsmittel bestimmte Silicatverbindungen aufweist.
In der Beschreibung ist ausgeführt, dass man einen derartigen Ruß durch eine Vakuumbehandlung mit Niedertemperatur-Plasmabehandlung erhält, wobei der Ruß mit dem Kupplungsmittel einer Vorbehandlung unterzogen wird (Seite 3, unten).
Die US 2006/ 0 004 126 A1 zeigt eine Gummiverbindung, die einen Fluorcarbon-Elastomer und eine Funktionsfüllstoff aufweist und zwar als Matrix in einem thermoplastischen Polymermaterial. Das Material wird mit einer Temperatur eine bestimmte Zeit behandelt, die eine Vulkanisation bewirkt, wobei das Material während der Temperaturbehandlung gemischt wird.
In der CN 101 597 436 A ist eine Oberflächenbehandlung eines Silikonpulvers beschrieben, das für eine Epoxy-resin-Verbindung verwendet wird. Dieses Verfahren schließt eine Polymerisation und ein Überziehen mit einem Monomer auf der Oberfläche des behandelten Silikonpulvers unter Anwendung eines Radiofrequenz-Plasmas ein.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung einer Mischung aus Kunststoff-Polymerwerkstoffen mit fein verteilten anorganischen Füllstoffen für eine thermoplastische Verarbeitung in der Kunststoffindustrie zu entwickeln, das mit einfachen Prozess-Schritten realisierbar ist und zu einer besseren ausgezeichneten Haftung zwischen den Kunststoff-Polymerwerkstoffen und den Füllstoffen führt, ohne zusätzliche Mittel verwenden zu müssen.
Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Dies wird dadurch erreicht, dass durch eine Plasmavorbehandlung der Füllstoffe reaktive Gruppen auf den Oberflächen der Füllstoffe gebildet sind, die mit Kunststoffpolymeren bei einer nachfolgenden Mischung eine chemische Verbindung eingehen und zu einer besseren festen Haftung der Füllstoffe auf den Kunststoffpolymeren führen. Dadurch ist das gefertigte Produkt insgesamt mechanisch stabiler gemacht, da die Füllstoffe nicht mehr nur mechanisch in das Kunststoffpolymer eingebunden sind. Die neue Vorrichtung ist ohne Einsatz von Zusatzstoffen wie Lösungsmittel, Schwellern u. ä. in einfacher Weise durchführbar. Bei einer Materialbelastung entstehen beim neuen Produkt keine Bruchstellen mehr zwischen dem Kunststoffpolymer und den Füllstoffen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
So sind die Füllstoffe in Pulver-, Partikel- oder faserartiger Form verwendet und bestehen aus Calziumcarbonat, Talkum, Scherspat u. ä. Durch ein Prozessgas bei der Plasmavorbehandlung der Füllstoffe ist auf die Oberflächenbeeinflussung der Füllstoffe in Bezug auf das Kunststoffpolymer geachtet und Bezug genommen. Ist Sauerstoff als Prozessgas verwendet, dann sind auf den Oberflächen der Füllstoffe reaktive Gruppen erzeugt. Sind Monomere im Plasmagas verwendet, dann sind auf den Oberflächen der Füllstoffe Schichtsysteme erzeugt, die zu einem Schichtaufbau des Verbundwerkstoffes führen. Um eine intensiver und allseitige Plasmavorbehandlung der Füllstoffe zu bekommen, ist nach einer Weiterbildung vorgesehen, dass die Plasmavorbehandlung der Füllstoffe in einer in Drehbewegungen versetzten Trommel vorgenommen ist. Dabei erfolgt der Prozessablauf in der Weise, dass die Füllstoffe für die Plasmavorbehandlung in die Trommel einfüllbar sind, dass danach die Trommel bis zum Erreichen eines Pressdruckes von 0,01 bis 3 mbar evakuierbar ist, dass in die Trommel ein Prozessgas einbringbar ist, dass zur Erzeugung des Plasmas Gleich- oder Wechselspannungsgeneratoren verwendet sind, dass die Trommel für die Dauer der Plasmavorbehandlung in Drehbewegungen versetzbar ist, dass nach der Plasmavorbehandlung die vorbehandelten Füllstoffe aus der Trommel entnehmbar und in einem Mischer mit dem Kunststoffpolymer vermischbar sind und dass die Mischung aus dem Mischer entnehmbar und der thermoplastischen Verarbeitung zuführbar sind. Dabei kann zur Verbesserung der Verteilung von dem Füllstoff in dem Kunststoffpolymer der Mischer eine Drehbewegung ausführen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 602004011823 T2 [0002]
DE 602004013145 T2 [0003]
US 4739007 A [0004]
DT 2612746 A1 [0005]
DD 247459 A1 [0007]
US 4238316 [0008]
DE 2823156 A [0009]
US 4252713 [0011]
DE 3813678 A1 [0014]
US 2006/0004126 A1 [0016]
CN 101597436 A [0017]

Claims

Vorrichtung zur Herstellung einer Mischung aus Kunststoffpolymeren mit fein verteilten anorganischen Füllstoffen für eine thermoplastische Verarbeitung in der Kunststoffindustrie, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Plasmavorbehandlung der Füllstoffe reaktive Gruppen auf den Oberflächen der Füllstoffe gebildet sind die mit den Kunststoffpolymeren bei einer nachfolgenden Mischung eine chemische Verbindung eingehen und zu einer besseren festen Haftung der Füllstoffe mit den Kunststoffpolymeren führen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe in Pulver-, Partikel- oder faserartiger Form verwendet sind und aus Calziumcarbonat, Talkum Schwerspat u. ä. bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prozessgas bei der Plasmavorbehandlung der Füllstoffe auf die Oberflächenbeeinflussung der Füllstoffe und in Bezug auf das Kunststoffpolymer Bezug genommen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit Sauerstoff als Prozessgas auf der Oberfläche der Füllstoffe reaktive Gruppen erzeugbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit Monomeren als Prozessgas auf der Oberfläche der Füllstoffe Schichtsysteme erzeugbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmavorbehandlung der Füllstoffe in einer in Drehbewegungen versetzten Trommel vornehmbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Füllstoffe für die Plasmavorbehandlung in die Trommel füllbar sind, dass danach die Trommel bis zum Erreichen eines Prozessdruckes von 0,01 bis 3 mbar evakuierbar ist, dass in die Trommel ein Prozessgas einbringbar ist, dass zur Erzeugung des Plasmas Gleich- oder Wechselspannungsgeneratoren verwendet sind, dass die Trommel während der Plasmavorbehandlung der Füllstoffe in Drehbewegungen versetzbar ist, dass nach der Plasmavorbehandlung der vorbehandelte Füllstoff aus der Trommel entnehmbar und in einem Mischer mit dem Kunststoffpolymer vermischbar ist und dass die Mischung aus dem Mischer entnehmbar und der thermoplastischen Verarbeitung zuführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer während des Mischvorganges eine Drehbewegung ausführt.