DE2116123C3

DE2116123C3 - Verfahren zum Herstellen eines Körpers durch Kaltverformen eines Vorformlings aus Kunststoff

Info

Publication number: DE2116123C3
Application number: DE19712116123
Authority: DE
Inventors: Walter Irving South Plainfield Middlesex Vroom; Robert Franklin Princeton Mercer Westover
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-04-02
Filing date: 1971-04-02
Publication date: 1979-03-22
Also published as: BE765143A; FR2085801B1; GB1341062A; DE2116123A1; JPS547830B1; FR2085801A1; DE2116123B2; CA947468A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Art Ein derartiges Verfahren ist aus der Zeitschrift »Kunststoffe Plastics«, Heft 5,1968, Seite 187, bekannt.

Die wirtschaftlich wichtigen polymeren Stoffe können in verschiedener Weise klassifiziert werden. Einige der Kunststoffe sind Polymerisate aus einem einzigen Monomeren. Häufiger sind es aber Mischpolymerisate aus mehreren Monomeren oder Gemische aus Polymerisaten und/oder Mischpolymerisaten. Ebenso ist die physikalische Struktur dieser Stoffe sehr verschieden und sie hängt weitgehend von den Verfahrensbedingungen ihrer Herstellung ab. So können diese Kunststoffe eine nahezu vollständig amorphe bis nahezu vollständige kristalline Struktur aufweisen. Die Struktur der meisten der kommerziell wesentlichen Kunststoffe liegt nicht in den extremen Bereichen, sondern kann als ein Gemisch aus amorphen und kristallinen Bereichen betrachtet werden. Die kristallinen Bereiche können für die meisten Zwecke als ideal elastische Bereiche mit verhältnismäßig hohem Elastizitätsmodul angesehen werden, die nicht leicht fließen. Die amorphen Bereiche, die zwischen den Kristalliten liegen, können u. U. recht hart sein, wenn die Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur dieses Stoffes liegt Liegt jedoch die Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur, so sind diese amorphen Bereiche viel leichter verformbar. Eine übliche Prüfmethode für die Dehn- oder Verformbarkeit dieser Kunststoffe (American Society for the Testing of Materials, Bulletin D 638-67 T) besteht darin, daß eine Probe in Form eines Stäbchens des entsprechenden Polymerisats in einer

ίο Prüfmaschine an den Enden so lange gedehnt wird, bis die Probe bricht Die Bruchdehnung bzw. Dehnung bis zum Bruch ist ein Maß für die mechanischen

Eigenschaften des Polymerisats. Diese Prüfmethode bezieht sich unmittelbar auf

mehrere, industriell wichtige mechanische Verformverfahren. Zahlreiche Formen lassen sich wirtschaftlich durch Kaltverformen von Tafeln, Platten, Stangen oder Stäben aus polymeren Kunststoffen herstellen (Zeitschrift »Kunststoffe Plastics«, Heft 5, 1968, Seite 187).

Bei einer solchen Kaltverformung sind aber mindestens zwei wesentliche Einschränkungen vorhanden. Zunächst besteht die Gefahr, daß das Material bricht oder reißt, bevor der gewünschte Dehnungsgrad erreicht ist Zum anderen kann eine unerwünschte Eintrübung des Materials auftreten, die von Mikrosprüngen innerhalb des Polymerisats infolge der Zugspannung herrühren.

Bei Untersuchungen über das Dehnungsverhalten von Metallen, die einem hydrostatischen Druck ausgesetzt wurden, zeigte sich, daß einige Metalle,

insbesondere sehr feinkörnige Proben dieser Metalle bei hohen hydrostatischen Drücken einen superplastischen Dehnungsbereich besitzen. Und zwar weisen diese Metalle einen gleichförmigen Anstieg der Dehnbarkeit auf, wenn sie hydrostatischen Drücken bis zu etwa 7000 kg/cm² unterworfen werden. Einige der Metalle hielten bis zum Bruch Zugspannungen stand, die um den Faktor Hundert größer waren als die Zugspannungen, denen sie beim Atmosphärendruck Stand hielten. Bei einer ähnlichen Untersuchung wurde Polystyrol in einem öldruckmediiim behandelt (Zeitschrift »Nature«, Band 202, 1964, Seite 371). Es zeigte sich, daß Polystyrol bei einem hydrostatischen Druck von 7000 kg/cm² erheblich dehnbarer war als bei Atmosphärendruck. Dieses erwies sich jedoch als irreführend. Spätere Versuche, bei denen Quecksilber als inertes Druckmedium verwendet wurde, ergaben, daß die Dehnbarkeit von Polystyrol bei steigendem hydrostatischen Druck stetig abnahm. Als Fehlerursache bei der ersten Untersuchung dürfte das Eindringen von öl in das Polymerisat in Betracht kommen, das als Weichmacher wirkte.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welches eine Kaltverformung eines Vorformlings in stärkerem Ausmaß als bisher ermöglicht

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach Anspruch 1 ergeben sich aus den Unteransprüchen.

_ω Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß polymere Körper in einem mittleren Dehnungsbefeieh eine Bruchdehnungsspitze aufweisen, wenn sie mäßigen hydrostatischen Drücken unterworfen werden. Und zwar wurde gefunden, daß bei Verwendung einer nicht in den Vorformling eindringenden Flüssigkeit als Druckmedium diejenigen Kunststoffe, welche bei Zimmertemperatur eine Bruchdehnung in einem Bereich zwischen 5% und 150% aufweisen, eine um den

Faktor 5 höhere Bruchdehnung zeigen, wenn sie einem hydrostatischen Druck im Bereich von 350 bis 1055 kg/cm² unterworfen werden. Diese Bruchdehnungsspitze hebt sich deutlich von den Bruchdehnungswerten der untersuchten Kunststoffe unterhalb und oberhalb des genannten hydrostatischen Druckbereiches ab. Bei Ausnutzung dieser Bruchdehnungsspitze können polymere Körper in weit größerem Maße kaltverformt werden als bisher. Außerdem tritt innerhalb des genannten hydrostatischen Druckbereichs ι ο keinerlei Eintrübung des Polymerisatmaterials aufgrund der Bildung von Mikrosprüngen auf.

Die Erfindung wird anhand der einzigen Zeichnung näher erläutert, welche den Verlauf der Bruchdehnung in Abhängigkeit vom hydrostatischen Druck für drei verschiedene Kunststoffe zeigt

In der Zeichnung zeigt die Kurve 11 den Bruchdehnungsverlauf von Polystyrol, die Kurve 12 den Bruchdehnungsverlauf von Tetrafluoräthylen und die Kurve 13 den Bruchdehnungsverlauf von Acetal-Mischpolymerisat Der Bruchdehnungsverlnuf dieser drei Kunststoffe ist charakteristisch für das Verhalten der drei verschiedenen Polymerisatklassen. Die in der Zeichnung aufgetragene Bruchdehnung ist gemäß ASTM Bulletin 638-67 T berechnet. Wie der Verlauf der Kurve 11 zeigt, nimmt bei Polystyrol, das eine »Anfar.gs«-Bruchdehnung (unter Atmosphärendruck) von weniger als 5% besitzt die Bruchdehnung bei steigendem hydrostatischen Druck ab. Dieses Verhalten ist für derartige harte Kunststoffe charakteristisch. Diese können sehr kristallin sein und ähnliche Brucheigenschaften wie Glas besitzen. Ferner können diese harten Kunststoffe bei einer Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur amorph sein. Schließlich können diese harten Kunststoffe Körper mit gemischten kristallinen und amorphen Bereichen sein, wobei die amorphen Bereiche bei Temperaturen unterhalb der Glasübergangstemperatur vorhanden sind. Man vermutet, daß diese harten Kunststoffe im wesentlichen durch kleine intermolekulare Zwischenräume charakterisiert sind, so daß eine Verschiebung von Molekülketten bezüglich der benachbarten Ketten von den großen intermolekularen Kräften verhindert wird und daß die Abnahme der Bruchdehnung mit steigendem Druck auf eine weitere Verringerung dieser intermolekularen Zwischenräume mit dem daraus folgenden Anstieg der intermolekularen Kräfte zurückzuführen ist

Die Kurve 12 veranschaulicht das Verhalten einer stark dehnbaren Probe aus Tetrafluorethylen. Wie der Verlauf der Kurve 12 zeigt nimmt auch für diese Kunststoffe die Bruchdehnung bei steigendem hydrostatischen Druck ab. Man vermutet, daß für diese Kunststoffe große intermolekulare Zwischenräume charakteristirch sind, woraus verhältnismäßig schwache intermolekulare Kräfte resultieren, we¹ -l.e die Verschiebung benachbarter Moleküiketten und die Dehnung des Materials unter Zugspannung erleichtern. Die Abnahme der Bruchdehnung bei steigendem hydrostatischem Druck wäre dann ebenfalls auf die Verringerung des intermolekularen Zwischenraumes zurückzuführen.

Wesentlich für die Erfindung ist das Verhalten von polymeren Körpern mit mittlerer Bruchdehnung bei Anlegen von hydrostatischem Druck. Wie aus dem Verlauf der Kurve 13 und der Tabelle 1 hervorgeht, zeigen polymere Kunststoffe, deren anfängliche Bruchdehnung im allgemeinen bei etwa 5% —150% liegt, eine Bruchdehnungsspitze, die größer als 20% ist. Diese Spitze befindet sich innerhalb des hydrostatischen Druckbereiches von 350-1055 kg/cm².

Tabelle

	Art des Polymerisats	Bruchdehnung	Maximale	Erhöhung der	Hydrostati
		bei Atm.-	Bruchdehnung	Bruchdehnung	scher Druck
		Druck	bei hydrostat	um:	bei max.
			Druck gemäß		Bruch
			Spalte 5		dehnung
Acetal-Mischpolymerisat	Misch-P	21%	124%	500%	560
Acetal-Homopolymerisat	Homo-P	12%	30%	150%	490
Polypropylen mit hoher	Misch-P	60%	205%	240%	350
Kerbschlagzähigkeit
Polyphenylenoxid	Homo-P	13%	36%	175%	700
Acrylnitril-Butadienstyrol	Gemisch	20%	49%	145%	105
Celluloseact-tatbutyrat	Misch-P	12%	25%	108%	1055
Kautschukmodifiziertes	Gemisch	50%	70%	40%	350
Polystyrol

Die in der Tabelle angegebenen Druckwerte stellen keine Grenzwerte dar. So besitzen einige polymere Körper Bruchdehnungsspitzen bei Drücken von bereits μ 105 kg/cm² oder sogar von 1400 kg/cm². Ferner ist es möglich, daß infolge der unterschiedlichsten Bedingungen bei der Herstellung und Bildung der polymeren Körper, einschließlich der Verwendung von Weichmachern, eine geringe Anzahl von anomalen Stoffen nicht auf diese Weise kl&ssifiziert werden kann.

Für jedes verwendbare Material hängt der Druckbereich und die Größe der Uruchdehnungsspitze von der Temperatur sowie der Verformungs- bzw. Dehnungsgeschwindigkeit ab. Zur Vereinfachung und zum Vergleich wurden die Versuche bei Norm-Raumtemperatur und Norm-Dehnungsgeschwirtdigkeiten gemäß ASTM Bulletin D 638-67 T durchgeführt Kunststoffe, die bei Raumtemperatur außerhalb der angegebenen Bruchdehnungsbereiche liegen, können bei anderen Temperaturen durchaus in diesem Bruchdehnungsbereich liegen und demnach eine ßruchdshnungsspitze bei dieser Temperatur besitzen.

Die in den mittleren Bruchdehnungsbereich fallenden

Kunststoffe sind im allgemeinen dadurch charakterisiert, daß sie aus einem Gemisch aus amorphen und kristallinen Bereichen oder aus einem Gemisch aus amorphen Bereichen verschiedener Härte oder Steifigkeit bestehen, und daß bei der gewählten Versuchstemperatur zumindest einige der amorphen Bereiche oberhalb ihrer Glasübergangstemperatur liegen. Beim Anlegen einer Zugspannung gestatten die die steifen Bereiche umgebenden weichen Bereiche eine gewisse Dehnung des Körpers, bis sich an einigen der harten Bereiche Spannungskonzentrationen bilden. Harte Bereiche, in denen eine Spannungskonzentration auftritt, können gegebenenfalls springen. Die umgebenden weichen, amorphen Bereiche verhindern so lange eine Ausbreitung dieser Sprünge, bis durch weiteres Dehnen und Springen das Bersten des Materials so groß wird, daß ein Bruch erfolgt. Man vermutet, daß eine solche Zerstörung durch die Anwendung von hydrosta-Die vorstehend gemachten generellen Angaben treffen jedoch auch dann zu, wenn anstelle von Raumtemperatur eine andere Arbeitstemperatur vorgesehen wird.

In der Tabelle 1 sind die Meßergebnisse anhand einer '> als Beispiel ausgewählten Gruppe von Polymerisaten wiedergegeben, die alle eine Bruchdehnungsspitze aufweisen. Diese Kunststoffe können in drei Hauptgruppen eingeteilt werden. Zur ersten Stoffgruppe zählen Homopolymerisate, die durch Polymerisation eines

to Monomeren gebildet wurden. Sie können chemisch rein oder mit geringen Mengen anderer Stoffe gebildet sein In jedem Fall sind die Bedingungen bei ihrer Herstellung so, daß mit Sicherheit ein Gemisch aus kristallinen und amorphen Bereichen gebildet vird. Zur

ι··« zweiten Stoffgruppe zählen Heteropolymerisate. Dies sind polymere Produkte aus mehr als einer Monomerart (es sind Mischpolymerisate, wenn zwei Hauptbestandteile verwendet werden, Terpolymerisate, wenn c!· ^;

tiscnetn urucK verninueri wiru. rvia» vciinuici icmci, daß die Ausbildung einer Bruchdehnungsspitze durch zwei konkurrierende Mechanismen hervorgerufen wird. Und zwar neigt der ansteigende hydrostatische Druck einerseits dazu, die Bildung von Spannungssprüngen zu verhindern, und andererseits dazu, die weichen Bereiche steifer und härter zu machen. Der erste Effekt ist bei Drücken unterhalb der Bruchdehnungsspitze wirksam, wohingegen der zweite Effekt bei Drücken oberhalb der Bruchdehnungsspitze wirksam ist. Im interessierenden Druckbereich, d.h. wo sich die Bruchdehnungsspitze ausbildet, unterliegt die Hauptmasse des Materials insgesamt nicht einer zur Ausrichtung während der Verformung (z. B. mittels zweier Backen) angelegten Zugspannung, sondern einer Druckspannung, da der gleichzeitig angelegte hydrostatische Druck die angelegte Zugspannung überkompensiert. Daher wird eine Zerstörung bzw. ein Bruch so lange verhindert, bis wesentlich größere Dehnungen erreicht sind. Ferner wird eine Eintrübung des Materials verhindert. Die Überkompensierung der Zugspannung verhindert eine Eintrübung selbst solcher Polymerisate, die keine Bruchdehnungsspitze aufweisen.

Die in der Zeichnung speziell wiedergegebenen Kurven wurden bei Raumtemperatur aufgenommen.

in Stoffen führen die Verschiedenheiten der chemischen Konstituenten zur Bildung eines Gemisches mit Bereichen unterschiedlicher Bruchdehnung. Zur dritten Stoffgruppe zählen die Polymerisat-Gemische, die durch inniges physikalische* Mischen der verschiedenen

>·■■ Homopolymerisate und/oder Heteropolymerisate gebildet werden.

Fs sei darauf hingewiesen, daß Tabelle I lediglich ein Beispie.' für das Verhalten einer Anzahl von Proben bestimmter Zusammensetzung einiger industriell wich-

in tiger Kunststoffe wiedergibt und keine vollständige Liste der polymeren Stoffe darstcHt. die bei Kaltverformung durch hydrostatischen Drück gunstig beeinflußt werden.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte

ti Erhöhung der Bruchdehnung um den Faktor 5 ermöglicht bei einigen polymeren Stoffen Kaltverformungen, die bisher wegen der Eintrübung und des Bruchs des Materials schwierig oder unmöglich waren. Der Begriff Kaltverformen umfaßt vorliegend das Arbeiten bei Zimmertemperatur oder irgendeiner anderen entsprechenden Arbeitstemperatur, ohne daß kostspielige Erwärmungs- oder Kühlungsvorgänge erforderlich sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Vei fahren zum Herstellen eines Körpers durch Kaltverformen eines Vorformüngs aus Kunststoff, der bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck eine Bruchdehnung von etwa 5% bis 150%, insbesondere zwischen 10% und 100%, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest auf dem Oberflächenabschnitt des Körpers im Verformungsbereich beim Kaltverformen ein hydrostatischer Druck ausgeübt wird, der zwischen etwa 105 und 1410 kg/cm² liegt

Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff im wesentlichen ein Homopolymerisat und ein Körper mit kristallinen und amorphen Bereichen verwendet wird

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff im wesentlichen ein Polypropylen, Acetalhomopolymerisat und/oder Polyphenyienoxid verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff im wesentlichen ein Mischpolymerisat und ein Körper mit Bereichen unterschiedlicher Bruchdehnung verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff im wesentlichen ein Acetal-Mischpolymerisat, Polypropylen mit hoher Kerbschlagzähigkeit oder Celluloseacetalbutyrat verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff ein Gemisch aus Polymerisaten unterschiedlicher Bruchdehnung verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch υ, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Acrylnitril-Butadienstyrol und kautschukmodifiziertes Polystyrol enthält

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es bei Raumtemperatur durchgeführt wird.