DE2234737C3

DE2234737C3 - Masse zum Extrudieren eines spitzbaren Mantels um eine Mine und Verfahren zur Herstellung eines Schreibstiftes

Info

Publication number: DE2234737C3
Application number: DE2234737A
Authority: DE
Inventors: Robert Boston Mass. Eller
Original assignee: Empire Enterprises Inc
Current assignee: Empire Enterprises Inc
Priority date: 1971-07-16
Filing date: 1972-07-14
Publication date: 1983-11-03
Also published as: IT961416B; DE2234737A1; IL39761A0; ES404689A1; AR198791A1; DE2234737B2; GB1382362A; CH551883A; FR2177674A1; IL39761A; CH564434A5; AU4440872A; FR2177674B1; AT321431B

Description

a) thermoplastisches Harzbindemittel aus der Gruppe Acrylnitril-Buiadien-Styrol-Harze und Kautschuk-modifizierte schlagfeste Polystyrol-Harze mit einem Gewichtsanteil von 55 bis 70%,

b) faserartige Füllstoffe mit einem Gewichtsanteil von 25 bis 40%.

c) Mei JKeife aus Aluminiumsiearai mit einem Gcwiciiisantci! von 3 bis 10%, wobei die Masse einen Wassergehalt von 03 bis 2 Gew.-% aufweist.

2. Masse nach Anspruch I, dadurch gekennzeich- ₂ ^r, net, daß das Bindemittel e'wa 70 Gew.-% beträgt und ein Acrylniiril-Butadien-Styrol-Harz ist.

3. Masse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der faserartige Füllstoff ein zerkleinertes Celluloscmaierial ist. jo

4. Mass·· iiach Anspruch i. dadurch gekennzeichne;, daß der faserartige Füllstoff Holzmehl umfaßt.

5. Masse nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß das Holzmehl e^nc Teilchengröße von 75 bis 425 Mikron aufweist.

6. Masse nach einem der Ansprüche 4 oder 5. dadurch gekennzeichnet, dali der faserartige Füllstoff zu etwa 25Gcw.-% aus Holzmehl besteht.

7. Masse nach Anspruch 1. dadurch gekennzeich net. daß das Aluminiumstearat in Form von Teilchen ist. von denen mindestens 4>% nicht größer als 75 um im Durchmesser sind.

8. Verführen zur Herstellung eines Schreibstiftes, bei dem man einen Mantel aus der Masse nach einem der Ansprüche 1 bis 7 um eine Mine extrudiert und das gebildete Extrudat kühlt, dadurch gekennzeichnet, daß die Mine auf eine Temperatur von mindestens 37.8 C oberhalb des F.rwcichungspunkles des ihermoplastischcn Harzbindemitlels nach Vical vorerhitzt wird, daß man die Masse um die w Mine mit einer Temperatur extrudiert. die im wesentlichen die gleiche ist. wie die Vorerhitzungslemperatur der Mine, und daß das F.xtrudat in der Weise abgekühlt wird, daß man es zuerst rasch abschreckt und dann weiter abkühlt.

9. Verfahren nach Anspruch 8. dadurch gekennzeichnet, daß man das rasche Abschrecken des Extrudats in der Weise vornimmt, daß man eine Vielzahl von Strömen eines Gaskühlmittels im spitzen Winke! gegen die Oberfläche des Mantels _no beim Fortbewegen des erhaltenen Extrudats richtet.

Die US-PS 29 88 784 beschreibt eine Masse, die zum Extrudieren eines Mantels um eine Mine verwendet wird.

Die Masse ist ein Gemisch aus einem Hauptbestandteil (Holzmehl u. dgl.), einer wachsartigen Substanz, wie chloriertem Naphthalin, einem thermoplastischen Bindemittel, wie Polyvinylchlorid, einem Weichmacher für das Bindemittel und einem Schmiermittel. Die Masse wird vermischt und in vollkommen trockenem Zustand verwendet.

In der US-PS 27 90 202 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Extrudieren eines Mantels aus einem thermoplastischen Material um eine Mine, welche entlang einer vertikal orientierten Achse zugeführt wird, beschrieben. Zur besseren Haftung der Mine εη den Mantel kann dort ein Klebstoff vorgesehen sein. Die Kühlung des Mantels erfolgt, bevor die ummantelte Mine die Düse des Preßwerkzeugs verläßt.

Bei den in der US-PS 29 88 784 beschriebenen Massen müssen die vorgenannten Komponenten alle vorhanden sein. Für das Abmischen der Komponenten sind genaue Reihenfolgen einzuhalten. Um einen anspitzbaren Bleistiftmantel zu erzielen sind die Vorerwähnten wauisartigcn Substanzen in erheblichen Mengen erforderlich, und man muß das Holzmehl oder den sonst verwendeten Füllstoff mit der wachsartigen Substanz vorbehandeln, bevor man den Füllstoff, der der Hauptbestandteil ist, mit dem thermoplastischen Bindemittel vermischt In der Regel sollen die Füllstoffe in einer größeren Menge vorliegen als das Bindemittel. Nur als Ausnahme wird dort dargelegt, daß d'e feinteiligen cellulosehaltigen Materialien in einer gegenüber dem :bermopiastischen Harzbinder geringeren Menge vorliegen können; immer unter der Voraussetzung, daß die Menge der wachsartigen Substanz kleiner bleibt als die Einzelmengen an Hauptbestandteil und thermoplastischen Binder. Dabei leidet in diesem Falle jedoch die Anspitzbarkeit.

Aufgabe der Erfindung ist es. eine reue und verbesserte Masse, die um eine Mine extrudiert werden kann, zur Verfügung zu stellen. Diese Masse soll nach dem Extrudieren und Abkühlen tm Produkt mit feinen Zellen ergeben, das gut anspitzoar ist. Verbunden mit dieser Aufgabe ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Schreibstiftes unter Verwendung der vorgenannten Masse zu zeigen.

Diese Aufgabe wird durch eine exlrudierbare Masse gemäß dem Patentanspruch I gelost. Zur Lösung der Aufgabe dient weiterhin das Verfahren gemäß dem Patentansprüche.

Ein erfindungsgemäß hergestellter Schreibstift hat eine gute Spitzbarkeit und glatte angenehme Oberflache und eine ausreichende Festigkeit. Die Untersuchung des Mantelmaterials zeigt, daß dieses in Form von feinen, geschlossenen, gleichförmig gestalteten Zellen vorliegt, was vermutlich das Ergebnis der geringen aber kritischen Menge Wasser ist. welche in dem mantelbildcnden Material vor der Extrusion vorliegt. Die Größe dieser feinen, geschlossenen Zellen nimmt radial von innen nach außen ab. Auf diese Weise wird eine glatte Außenoberfläche erhalten, Es kann angenommen werden, daß dieser Umstand auf das rasche Abschrek ken des. Extrudates. nach Verlassen der Düse des Preßwerkzeuges zurückzuführen ist.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. I ein Fließschema, das die Stufen bei der Bildung des Mantelmatcrials und bei der Bildung eines Schreibstiftes unter Verwendung des Mantelmalerials zeigt.

Fig. 2 schematise!! eine Draufsicht ;uii eine Vorrieh-

tung zur Fertigung eines Mantels um eine Mine mit beispielhafter Angabe der Verarbeitungstemperaturen für das Umhüllungsmaterial in den verschiedenen Zonen der Vorrichtung.

F i g. 3 einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigten Schreibstift

Fig.4 einen vergrößerten Querschnitt durch den Schreibstift nach F i g. 3.

Ein bevorzugtes Acrylnitril-Butadien-Styrol-Harz hat einen Erweichungspunkt nach Vicat von 100,0° C und ein spezifisches Gewicht von 1,05. Im allgemeinen liegt der Erweichungspunkt des Harzes nach Vicat vorzugsweise oberhalb 82,2° C.

Der faserartige Füllstoff übernimmt die vielfachen Funktionen der Wirkung als Verstärkungsfüllstoff, um die Starrheit und die Biegefestigkeit zu erhöhen, der Verbesserung der Spitzbarkeit des fertigen Schreibstiftes und der Quelle für das Wasser, das bei der Bildung der feinen Zellstruktur benötigt wird, die für die gute Spitzbarkeit und die niedrige Dichte verantwortlich ist.

Geeignete Füllstoffe haben eine Ceüulosenatur, jedoch können auch andere Füllstoffe, wie pulverförmiges Leder verwendet werden. Beispiele für geeignete Cellulose-Füllstoffe sind vermahlene Materialien, wie Weichholzmehl, Baumwollinters, zerhackte oder harnmergemahlene Rayon-Arten, Harzholzmehle, Walnußhüllenmehl, Erdnußhüllenmehl, Pekanhüllenmehl, Sisalfaser, Baumwollflocken. Holzpulpe und deren Gemische. Ein bevorzugtes Füllmaterial ist Weichholzmehl, das so klassifiziert ist, daß 96 bis 98% durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,149 mm hindurchgehen, d. h. daß eine Teilchengröße von etwa 150 μπι oder weniger vorliegt. Holzmehle mit einer Größe zwischen etwa 75 und 425 μπι können verwendet werden.

Die Metallsei^fo dient als Extrusionshilfe. um die Verwendung von niedrigeren Extrusionstemperaturen als bei vergleichbaren Har/en üblich zu gestatten und sie dient als Schmiermittel, um die Spitzbarkeit zu verbessern. Die Metallseife scheint auch zum Erhalt der Gleichförn..gkeit der Zellbildung und zu der resultierenden gewünschten Zellstruktur beizutragen.

Das Aluminiumstearat mit einem Schmelzpunkt zwischen 150 und 155 C. ist vorzugsweise so klassifiziert, daß mindestens 95% durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0.074 mm hindurchgehen. d. h. daß das Produkt eine Teilcncngröße von etwa 75 μη oder weniger hat. Zu einer gleichförmigen Verteilung wird die Metallseife vorzugsweise in der Form eines feinen teilchenförmigen Materials benutzt.

Die Metallseife ist in der Mantelmasse in einer Menge von 3 bis 10Gew.-% vorhanden.

Bei der normalen Extrusion von thermoplastischen Harzen wird es im allgemeinen als wesentlich erachtet, eine trockene H;<rzkompoundierung zu verwenden, um eine Zellbildung /u vermeiden und in dem extrudieren Produkt das Vorliegen von großen geschlossenen Hohlräumen zu eliminieren. Entgegen dieser Praxis wurde festgestellt, daß. wenn in dem Mantelmaterial.

wie es in den Extruder eingeführt wird, eine geringe aber kontrollierte Wassermenge vorhanden ist, es möglich ist, das Wasser zur Bildung der gewünschten zellförmigen Struktur in dem fertigen extrudierten Mantel zu verwerten. Die Menge des Wassers in der Mantelmasse liegt im Bereich zwischen 03 und 2 Gew.-%, wobei ein bevorzugter Bereich bei 0_;8 bis 1 % liegt. Durch Kontrolle des Wassergehaltes der Mantelmasse innerhalb dieses ziemlich engen Bereichs und durch Verwendung von relativ niedrigen Extrusionstemperaturen und hohen Extrusionsdrüeken ist es möglich, die Zellverteilung innerhalb der gewünschten Bereiche zu kontrollieren.

" Da die faserartigen Füllstoffe normalerweise Wasser enthalten (so ist beispielsweise in Holzmehl der Gleichgewichts-Wassergehalt etwa 6%), wird das Wasser vorzugsweise als integraler Teil des Füllstoffes eingeführt, worauf sein Gehalt durch Erhitzen auf den gewünschten Wert vermindert wird. Alernativ zu der Kompoundierung der Manteim .se als trockenes Material kann das V/asser als Aufschlämmung züge mischt und dann in geeigneter Weise bis zu dem gewünschten Gehalt entfernt werden.

Bei der Bildung der Mantelmasse werden der fasensnige Füllstoff und die Metallseife bei Raumtemperatur in einer herkömmlichen Mischeinrichtung trocken gemischt. Dieses trockene Gemisch wird sodann zusammen mit dem thermoplastischen Bindemittel in einen kontinuierlichen Schinelzmischer eingespeist. Die Mischtemperatur wird genügend hoch gehalten, um den Harzbinder zu schmelzen, ohne daß eine thermische Zersetzung des Füllstoffs oder des Harzes erfolgt. Nach dem Mischen und Abkühlen wird das Produkt granuliert, durch Zugabe oder durch Entfernung von Wasser auf den gewünschten Gleichgewichts-Wassergehalt gebracht und sodann bis zum Gebrauch in einem luftdichten, feuchtigkeitsundurchlässigen Behälter eingeschlossen.

Wenn das Harzbindemittel in der Form eines Latex vorliegt, dann wird es zu dem faserartigen Füllstoff gegeben und zugemischt, bis der Füllstoff gleichförmig verteilt und durch den Latex gründlich benetzt ist. Dann wird die Metallseife zugegeben und gründlich eingemischt. Die resultierende Aufschlämmung oder die feuchte Paste wird dann in geeigneter Weise getrocknet, beispielsweise indem man sie mehrere Male durch eine Zweiwalzenmühle. welche ;iuf eine Temperatur innerhalb des angegebenen Bereiches erhitzt worden ist. leitet. Dieses Vermählen wird weitergeführt, bis die Masse auf einer der heißen Walzen ein kontinuierliches Band bildet. Sie wird dann entfernt und in einen erhitzten Mischer überführt, um dort in der gleichen Were verarbeitet zu werden, wie es für die relativ trockenen Mischungen beschrieben wurde.

Die Mantelmas, en der Beispiele 1 bis 7 (zusammengestellt in der nachfolgenden Aufstellung) wurden nach dem erstbeschri^benen Verfahren trocken formuliert.

Komponente

Komponente Gew.-%
Nummer des Beispiels
3

Harzbindemittel

Acrylnitril-Buladicn Styrol-Harz¹) Hochschlagfestes kautschukmodiflziertes Styrol²)

70 70

70

55

Fortsetzung

Komponente

Komponente Gew.-% Nummer des Beispiels 12 3 4

Faserartiger Füllstoff Holzmehl (0,149 mm) Holzmehl (0,42 mm) Rolholz-Pulpenfasem Baumwoll-Fasern

25 25

27 25 28 20

12

Metallseife Alurhiniumstearat

5-10

') Erweichungspunkt nach Vicat: 100 C, spezifisches Gewicht: 1.05, Schmelzflußgeschwindigkeit: 6,8 g/10 min., Schmeliviskosität: 6000 Poise.

^:) Erweichungspunkt nach Vicat: 96,7'C, spezifisches Gewicht: 1,05, SchmelznuOgeschwindigkeit: 3,6g/10 min., Schmelzviskosität: 3400 Poise.

Sämtliche Mnntelmassen wurden zufriedenstellend zur Herstellung von Schreibstiften nach dem hierin beschriebenen Verfahren verwendet. Das Mantelmaterial in Form einer feinzelligen Struktur hat eine Dichte von 0.48 bis 0.96 g/cm'.

Die F i g. 1 ist ein Fließschema, das die Herstellungsstufen bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zeigt. Von den in F i g. I gezeigten Stufen werden mindestens 3 als signifikant erachtet. Diese sind die Kontrolle des Wassergehaltes in der Mantelmassc. die Vorerhitzung der Minenkerne und das rasche Abschrekken des F.xtrudats unmittelbar nach Entnahme aus dem Preßwerkzeug.

Die Mine wird auf eine Temperatur vorerhitzt. welche derjenigen nahekommt, mit welcher die Mantelmasse im den Extruder eingeführt und um den Kern extriidiert wird. Diese Temperatur hängt ihrerseits *o von dem verwendeten thermoplastischen Harzbindemittel ab. Sie liegt vorzugsweise bei mindestens etwa 37.8 C oberhalb des Erweichungspunktes nach Vicat des Harzes. Die Mine wird vorzugsweise nach der bekannten Technik des Brennens eines Gemisches von Ton und Graphit im gewünschten Verhältnis hergestellt. Da die Bindung des Mantels an die Mine ohne die Verw endung eines Klebstoffs er/ielt wird, wird die Mine so hergestellt, daß sie frei von oberflächlichem Wachs ist. dessen Anwesenheit die Bindefähigkeit beeinträchtigen würde.

Die Mantelmasse mit dem kontrollierten Wassergehalt wird erhitzt und unter Druck durch einen Extruder geleitet, wodurch ein Mantel mit vorgewählter Dicke um die vorerhitzte Mine gebildet wird, die entlang der Achse des Mantels angeordnet ist. Das Extrudat wird nach dem Austreten aus der Düse des Preßwerkzeugs unmittelbar abgeschreckt, indem die gesamte Oberfläche mit expandierender komprimierter Luft in Berührung gebracht wird, die auf die Oberfläche des Extrudats &° in Form einer Vielzahl von Gasströmen aufprallt Diese Luftströme werden in die Abschreckungszone in Richtung auf das Auslaßende des Abschreckers gerichtet, um mit der Oberfläche des Extrudats einen spitzen Winkel zu bilden. Das Extrudat wird während dieser Abschreckungsstufe von der Düse und von den auf die Abschreckungszone folgenden Kühleinrichtungen so getragen, daß seine gesamte Oberfläche der komprimierten Luft ausgesetzt ist. Anschließend an diese Abschreckungsstufe wird das Extrudat einer weiteren Abkühlung unterworfen, indem ein indirekter (und 'ewünschtenfalls ein direkter) Wärmeaustausch mit einem fließfähigen Kühlmedium erfolgt, bis das Extrudat durch und durch im wesentlichen Umgebungstemperatur erreicht. Das Abziehen des Extrudats von der Düse und durch die Abschrcckungs- und Kühlungsstufen erfolgt durch eine Zugkraft, die automatisch reguliert werden kann, um in dem Extrudat einen gleichförmigen Querschnitt _zu gewährleisten. Als Endstufe wird das Extrudat zu vorgewählten Schreibstiftlängcn geschnitten, die mit den gev ünschten Bezeichnungen gestempelt werden können und die in bekannter Weise mit einem Radiergummi versehen werden können.

Das Extrudat kann mit einer pigmentierten Überzugsmasse beschichtet werden, indem vor der Entnahme aus der Düse ein thermoplastischer Harzüberzug, der ein Pigment enthält, in Form einer dünnen Haut mitextrudiert wird. Die Harzüberzugsmasse wird für die gemeinsame Extrusion oberhalb ihres Erweichungspunktes erhitzt und anschließend an die Ausbildung des Mantels aufgebracht. Geeignete Harze für den Überzug sind beispielsweise Polystyrol, kautschukmodifizierte schlagfeste Polystyrol-Harze, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Harze. Styrol-Acrylnitril-Harze. Acrylharz».. Polyamid-Harze. Harze auf Cellulosebasis. Vinylharze und dergleichen. Das Überzugsharz muß naturgemäß ein solches sein, dessen Bearbeitungstemperatur innerhalb des Temperaturbereiches liegt, in welchem der Mantel gebildet wird und das dazu imstande ist. mit der Oberfläche des Mantels eine permanente Bindung zu bilden.

Die F i g. 2 gibt als Beispiele Verarbeitungstemperaturen bei der Verwendung der Masse des Beispiels 1 als Mantelmaterial und eines gefärbten Styrolharzes als Beschichtungsmaterial an. Es wird ersichtlich, daß während das als Bindemittel in der Mantelmasse verwendete Acrylnitril-Butadien-Styrol-Harz normalerweise bei etwa 2183^C extrudiert wird, das Mantelmaterial der vorliegenden Erfindung, das einen relativ hohen Prozentsatz einer Metallseife enthält, bei etwa 162.8° C extrudiert wird.

F i g. 2 setzt sich zusammen aus den Längenabschnit-

ton IO der Mine, der Beschickungseinrichtung II. der Transporleinrichtung 12. dem Vorwärmer 13. dem Einfülltrichter 14. dem Extruder 15. der Verbindungsleitung 16. den Spritzkopf 17. der Düse 18, der Abschreck-Kuhleinrichtung 19, dem Wärmeschild 20. der Druckluftlcitung 21. dem Extrudat 22, der Abzugseinrichtung 23. einer Kühleinrichtung 24, der Ein'.;3leitung 25, der Auslaßleitung 26, den Schreibstiftlangen 27, einer Schneideinrichtung 28, einer Beschikkungsstelle 29. einem Extruder 30 und einer Verbindungslcitung 31.

In Fig. 3 ist ein fertiger Schreibstift dargestellt. Die vom Extrudat abgeschnittenen Längen 27 können Radicrmiticl 175 aufweisen, die in Metallhülsen oder Ringen 176 gehalten sind.

Die äußere Oberfläche, ob beschichtet oder nicht, ist glatt und läßt sich nach denselben Techniken, die gegenwärtig für holzummantelte Stifte verwendet werden, bedrucken. Die Sirukiui ucr> 'viänicK im jciiüOii

insofern besonders, als der Querschnitt aus winzigen geschlossenen Zellen besteht. Diese Struktur ist schematisch in der nicht maßstabgerechten Zeichnung nach Fig.4 wiedergegeben. Die nahe dem Zentrum liegenden Zellen 180 weisen einen typischen Durchmesser von 70 μιτι auf. während bei den außen gelegenen Zellen 181 der Durchmesser nicht mehr als ΙΟμηι beträgt.

Der Durchmesser der größeren Zellen kann bis etwa 100 μηι reichen. Da der Zellendurchmesser radial nach außen abnimmt, wird folglich eine radial nach außen ansteigende Dichte erhalten. Die dichtere, die glatte Oberfläche des Extrudates bildende Oberfläche 181. wie auch die innere Zcllstruktur sind eine Folge der gesteuerten Wassermenge, der Verwendung von Metallseife und des raschen Abschreckens des F.xtruda· tes. wenn dieses aus der Düse austritt. Das F.xtrudat nach F i g. 4 weist einen Überzug 132 auf.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Masse zum Extrudieren eines spitzbaren Mantels aus einem thermoplastischen Harzbindemittel» einem faserartigen Füllstoff und einer Metallseife, wobei das Gewicht des Harzbindemittels größer als das Gewicht des faserartigen Füllstoffs ist, um eine Mine, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Masse wie folgt zusammensetzt: