DE2649600A1

DE2649600A1 - Verfahren zum formen von gegenstaenden aus einem formmaterial

Info

Publication number: DE2649600A1
Application number: DE19762649600
Authority: DE
Inventors: Ii Lewis Erwin; Nam P Suh
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1975-11-05
Filing date: 1976-10-29
Publication date: 1977-05-18
Also published as: JPS5258758A; GB1528408A

Description

ZEi c Γ- pi T ! N

Massachusetts Institute 29- Oktober 1976

of Technology _us

Cambridge, Massachusetts
U.S.A.

Verfahren zum Formen von Gegenständen aus einem Formmaterial

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen von Gegenständen aus einem Formmaterial. Sie betrifft ganz allgemein ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus polymeren Materialien oder aus mit polymeren Materialien eingekapselten Materialien und insbesondere ein Verfahren zur Verbesserung der für den Ablauf des thermischen Zyklus erforderlichen Zeit bzw. zur Beschleunigung des Abkühlvorgangs.

Bei herkömmlichen Verfahren zum Formen von Gegenständen aus polymeren Materialien werden körnige oder pulverförmige Teilchen eines polymeren Materials geschmolzen und bei hohen Temperaturen unter Anwendung eines geeigneten Druckes in eine Form eingespritzt. Die Polymereschmelze wird dann abgekühlt, bis der Gegen-

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stand sich soweit verfestigt hat, daß er aus der Form entnommen werden kann. Obwohl die Abkühlzeit von relativ kleinen Gegenständen für viele Anwendungszwecke zufriedenstellend ist/ können, wenn relativ große Gegenstände hergestellt werden, ziemlich lange Abkühlzeiten erforderlich werden, was die herkömmlichen Formverfahren für die Herstellung von großen Kunststoffgegenständen verlangsamt und verteuert. Man kann davon ausgehen, daß die Kühlzeit mit dem Quadrat einer typischen Abmessung des herzustellenden Gegenstandes zunimmt, so daß die üblichen Methoden zur Formung von Gegenständen aus thermoplastischen Polymeren unwirtschaftlich sind, wenn nicht der Gegenstand in Bezug auf seine Gesamtgröße oder seine Dicke eingeschränkt werden soll.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die gesamten Formmaßnahmen zu verbessern und bei der Formung von Gegenständen aus Polymeren die Zeit zum Durchlaufen des thermischen Zyklus zu vermindern, insbesondere, wenn relativ große Gegenstände hergestellt werden sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nun dadurch gelöst, daß durch die Anwendung von internen Bereichen zur Aufnahme der Wärme die Entfernung verkürzt wird, über die die Wärmeübertragung während des Abkühlens erfolgen muß. Dies wird dadurch erreicht, daß man eine Kombination aus einem Formmaterial und einer Wärmebehandlung durchführt, so daß eine vorteilhafte heterogene Temperaturverteilung in dem Material erreicht wird.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum Formen von Gegenständen aus einem Formmaterial, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man

das Material unter Druck zu einer vorbestimmten Gestalt verdichtet; das verdichtete Material derart einer Heizbehandlung unterwirft bzw. erhitzt, daß ausgewählte Bereiche des Materials bevorzugt erhitzt werden und die übrigen Bereiche des Materials im wesentlichen nicht erhitzt werden, so daß sich in dem Material eine heterogene Temperaturverteilung ergibt;

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die Heizbehandlung beendet; und

die bevorzugt erhitzten Bereiche des Materials durch Wärmeaustausch mit den nichterhitzten Bereichen abkühlen läßt.

Erfindungsgemäß werden somit ausgewählte Bereiche, beispielsweise die Oberflächenbereiche der Teilchen, bevorzugt erhitzt, während die übrigen Bereiche, beispielsweise die inneren Bereiche der Teilchen, nicht erhitzt werden. Wenn das Erhitzen beendet wird, kühlen die bevorzugt erhitzten Bereiche sehr schnell durch einen Wärmeaustausch mit den nichterhitzten Bereichen ab.

Gemäß einer Ausführungsform kann dieses Verfahren unter Anwendung eines Formmaterials durchgeführt werden/ bei dem die Oberflächen der bei dem Herstellungsprozeß verwendeten Polymerteilchen in geeigneter Weise behandelt sind, so daß sie eine Oberflächenschicht aufweisen, die solche Eigenschaften besitzt, daß beim Erhitzen die Oberfläche schmilzt, ohne daß das Innere oder der Kern der Teilchen erhitzt wird. Beispielsweise wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Teilchen aus einem Material mit einem relativ niedrigen dielektrischen Verlust mit einer relativ dünnen Schicht aus einem polaren thermoplastischen Material mit höheren dielektrischen Verlusteigenschaften als den dielektrischen Verlusteigenschaften des Kernmaterials beschichtet. Wenn solche Teilchen in einer Form durch kapazitive Hochfrequenzerwärmung erhitzt werden, schmilzt die Oberflächenschicht relativ schnell und weitgehend, bevor der innenliegende Kern in erheblichem Umfang erwärmt wird, was zur Folge hat, daß die Oberflächen der Teilchen zusammenschmelzen und sich miteinander verbinden. Wenn die Teilchenoberflächen in dieser Weise geschmolzen sind und das zur Erwärmung dienende Hochfrequenzfeld entfernt wird, liegt in dem Material eine heterogene Temperaturverteilung vor, so daß die an der Oberfläche vorliegende Wärme schnell von der Oberflächenschicht eines jeden Teilchens in den Kernbereich überführt wird, was eine schnelle Abkühlung der Teilchen und damit des gesamten Gegenstands zur Folge hat, so daß der letztere ausreichend fest oder starr ist, um aus der Form entnommen zu werden.

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Somit wird die Zeit zur Herstellung des gesamten Gegenstandes beträchtlich gegenüber den Zeiten der herkömmlichen Verfahren verkürzt, bei denen im wesentlichen die gesamte Masse der Teilchen auf eine ausreichende Temperatur erhitzt werden muß, um das notwendige Zusammenschmelzen zu erreichen.

Weitere Ausführungsformen, Gegenstände und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vielzahl von benachbarten Polymerteilchen, die Oberflächenschichten aus einem Material mit einem hohen dielektrischen Verlustfaktor aufweisen und daher das erfindungsgemäß angestrebte Verschmelzen ermöglichen;

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines in der in Fig. 1 dargestellten Teilchens;

Fig. 3 eine vereinfachte Schemaansicht einer Vorrichtung, die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist;

Fig. 4 eine weitere vereinfachte Schemaansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 5 eine weitere, vereinfachte Schemaansicht einer für die Durchführung des beanspruchten Verfahrens geeigneten Vorrichtung.

Bei dem erfxndungsgemäßen Verfahren werden Teilchen aus einem Material mit niedrigem dielektrischem Verlust verwendet, die in den Fig. 1 und 2 mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet sind. Diese Teilchen können aus einem nichtpolaren thermoplastischen Material bestehen, beispielsweise einem Polyolefin, Polystyrol,

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vollständig fluorierten Polymeren, Isopren und dgl., die man von entsprechenden Herstellern beziehen und zur Herstellung des Kunststoffgegenstandes einsetzen kann. Diese thermoplastischen Materialien besitzen ausreichend niedrige dielektrische Verlusteigenschaften, so daß sie, wenn sie einem hochfrequenten dielektrischen Feld unterworfen werden, beispielsweise in einer Hochfrequenzheizeinrichtung, kein wesentliches Erwärmen des Materials erfolgt. Jedes der Teilchen 10 ist mit einem Oberflächenbereich 11 versehen, der so ausgebildet wird, daß die Teilchen eine Oberflächenschicht mit relativ hohen dielektrischen Verlusteigenschaften aufweisen, so daß dieses Material, wenn es einem hochfrequenten dielektrischen Feld ausgesetzt wird, sich relativ schnell bis zu seinem Schmelzpunkt erhitzt.

Beispielsweise besteht ein geeignetes Verfahren zur Ausbildung der Oberfläche der Teilchen 10 darin, diese Teilchen mit einem polaren, polymeren Kunststoffmaterial mit relativ hohen dielektrischen Verlusteigenschaften zu beschichten. Für diesen Zweck sind Kunststoffe, wie Polyvinylchlorid (PVC) und Polyvinylidenchlorid (PVDC) sowie auch andere polare Polymere geeignet. Die Teilchen werden dann unter Druck in einer Form verdichtet und anschließend einem hochfrequenten dielektrischen Feld ausgesetzt, das exne Hochfrequenzerwärmung zur Folge hat.

Diese Ausführungsform des Verfahrens ist in vereinfachter, schematischer Form in der Fig. 3 wiedergegeben, in der ein Beispiel einer Form 15 gezeigt ist, die aus einer isolierenden Hülse 17 und einem Paar beweglicher, elektrisch leitender Elemente 16 besteht, die die Gestalt der Form aufweisen. Die Elemente 16 sind bewegbar in der isolierenden Hülse 17 angeordnet. Die beschichteten thermoplastischen Teilchen werden in die Form eingebracht, die dann einem geeigneten Druck P ausgesetzt wird. Die elektrisch leitenden Elemente 16 arbeiten beispielsweise auch als wirksame Elektroden, die in geeigneter Weise mit den Ausgängen einer üblichen Hochfrequenzhexzexnrxchtung 18 verbunden sind, die ein elektrisches Feld mit Radiofrequenz liefern kann, beispielsweise mit

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einer Frequenz von 25MHz.

Wenn die Teilchen dem Druck P und der Heizwirkung der Hochfrequenzeinrichtung unterworfen werden, steigt die Temperatur der Oberflächenschichten 11 der Teilchen 10 schnell auf eine Temperatur an, bei der lediglich die Oberflächenschichten, jedoch nicht die Kerne 10" der Teilchen, schmelzen und zusammenfließen. Wenn die Hochfrequenzheizeinrichtung abgeschaltet wird, kühlen sich die Oberflächenschichten 11 relativ schnell ab, da die dort vorhandene Wärme in den inneren Bereich des Kerns 10' eines jeden Teilchens überführt wird, wie es in der Fig. 2 schematisch durch die Pfeile H wiedergegeben ist. Während des Schmelzens führt der auf die Form ausgeübte Druck zu einer weiteren Verdichtung der Teilchen, so daß die Festigkeit des beim Kühlen gebildeten Gegenstandes weiter erhöht wird. Wenn die Temperatur sich über das Teilchen hinweg ausgeglichen hat, ist der verdichtete, geformte Gegenstand relativ stabil und starr und kann daher aus der Form entnommen werden.

Zur Herstellung der Oberflächenschicht 11 durch Beschichten mit einem Material mit hohem dielektrischen Verlust, kann man irgendwelche Beschichtungsverfahren anwenden, die für solche Zwecke bekannt sind. Beispiele solcher Verfahren sind das Pulverbeschichten, das Lösungsmittelbeschichten, das Schmelzbeschichten und chemische Abscheidungsmethoden, die sämtlich dem Fachmann bekannt sind.

Statt die Oberflächen der Teilchen zu beschichten kann man auch nichtpolare Polymerteilchen in geeigneter Weise chemisch behandeln, um deren dielektrische Verlusteigenschaften zu erhöhen. Gemäß einem Verfahren dieser Art kann man ein nichtpolares, thermoplastisches Kernmaterial mit Chlor behandeln, das eine chemische Reaktion zur Folge hat, so daß auf den Oberflächen eines jenen Teilchens eine chlorierte Schicht des Kernmaterials gebildet wird, die einen relativ hohen dielektrischen Verlust zeigt. Die Anwendung einer solchen durch Reaktion gebildeten

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Schicht mit hohem dielektrischen Verlust führt im wesentlichen zu dem gleichen Effekt wie die Verwendung eines beschichteten Materials, indem nämlich die Oberflächenschicht eines jeden Teilchens sich relativ schnell erwärmt, wenn das Teilchen dem Feld einer Hochfrequenzheizeinrichtung unterworfen wird, ohne daß hierdurch der Kern erhitzt wird. Wenn das Hochfrequenzfeld anschließend abgeschaltet wird, erfolgt eine schnelle Abkühlung der erweichten und zusammengeschmolzenen Oberflächenschichten durch die Übertragung der Wärme von der Oberfläche zu den Kernen.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren in Bezug auf die Materialien erläutert wurde, die Oberflächenschichten mit hohen dielektrischen Verlusteigenschaften bei der Behandlung mit Hochfrequenzheizfeldern aufweisen, kann man auch andere Heizmethoden anwenden, um die gewünschte heterogene Temperaturverteilung an der Oberfläche der Teilchen zu erreichen. Beispielsweise kann man eine Induktionsheizung anwenden, wenn die Teilchenoberflächen derart behandelt sind, daß sich dort hohe magnetische Verluste ergeben. Wenn diese Materialien hochfrequenten elektromagnetischen Feldern unterworfen werden (beispielsweise einem Induktionsheizeffekt) verursachen die hohen magnetischen Verluste an den Oberflächen, daß diese sich sehr schnell erhitzen, während die nichtmagnetischen Kernbereiche der Teilchen sich nur wenig oder überhaupt nicht erwärmen. Alternativ kann man eine oberflächenaktive Heizwirkung verursachen, beispielsweise durch die Zuführung von Ultraschallenergie, was zur Folge hat, daß die Oberflächenbereiche relativ schnell erhitzt werden, so daß sie sich schnell wieder abkühlen können, indem die Wärme von der Oberfläche in den Kernbereich der Teilchen übertragen wird.

Obwohl die Heizwirkung auf sämtliche Bereiche des gesamten Gegenstandes gleichzeitig ausgeübt werden kann, ist diese gleichzeitige Aufheizung nicht stets erforderlich. Beispielsweise kann man verschiedene Bereiche des Gegenstandes nacheinander erhitzen. So kann man, wie es beispielsweise in der Fig. 4 schema-

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tisch dargestellt ist, eine Form in Form eines Paares entsprechend gestalteter Walzen 20 und 21 verwenden, zwischen die die Teilchen aus einem geeigneten Vorratsbehälter 22 zugeführt werden. Die Walzen können ihrerseits in wirksamer Weise als Elektroden verwendet werden, die mit einer geeigneten Hochfrequenzheizeinrichtung 23 verbunden sind. Die der Form zugeführten Teilchen werden der Hochfrequenzheizwirkung unterworfen und werden, währenddem sie schmelzen, nach außen zwischen den Walzen hindurchgeführt, wo dann eine schnelle Abkühlung erfolgt. Somit werden aufeinanderfolgende Bereiche des in der Herstellung befindlichen Gegenstandes erhitzt und dann abgekühlt, ohne daß der gesamte Gegenstand auf einmal erhitzt wird. Alternativ kann man, wie es schematisch in der Fig. 5 dargestellt ist, die Teilchen in eine flexible oder eine starre Form 30 überführen, worauf geeignete bewegbare Elektroden 31 und 32, die mit einer Hochfrequenzheizeinrichtung 33 verbunden sind, an der Außenseite der Form entlanggeführt werden, was zur Folge hat, daß aufeinanderfolgende Bereiche der in der Form vorhandenen Teilchen der Hochfrequenzheizwirkung ausgesetzt werden.

Je höher die während des Aufheizvorgangs erreichte Temperatur ist, um so geringer ist die Viskosität der geschmolzenen, thermoplastischen Oberflächenschicht und um so besser ihr Fließverhalten. Deshalb ist der zum Verdichten des geformten Gegenstandes erforderliche Druck um so niedriger, je höher die erreichten Oberflächentemperaturen sind.

Zusätzlich zu den genannten Vorteilen kann man beim Verformen des teilchenförmigen Materials verstärkende Fasern durch trokkenes Vermischen in das Formmaterial einarbeiten.

Gemäß einem Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschichtet man Polystyrolteilchen mit Durchmessern im Bereich von etwa 1,0 bis 2,0 mm mit Hilfe eines Pulverbeschichtungsverfahrens mit einer gleichgroßen Gewichtsmenge pulverförmigen Polyvinylchlorids, worauf man die beschichteten Teilchen in eine Form einbringt und durch Hochfrequenzheizung während 1,5 Sekunden erhitzt. Die bei

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dem Aufheizen zugeführte Energie beträgt mindestens 300 Watt/ cm³ des Formmaterials, wobei das Material einem solchen Druck unterworfen wird, daß ein Verdichten des Materials eintritt. Man erhält in dieser Weise einen Formgegenstand mit einer Biegefestigkeit von etwa 176 kg/cm² (2500 psi). Die Grenze dieser Biegefestigkeit hängt von der Festigkeit der Verbindung des Oberflächenüberzugs mit dem Kernmaterial der Teilchen ab, die sich bei dem Beschichtungsverfahren ergibt, und hängt weniger von der Festigkeit der Bindung ab, die die Teilchen während des Verformens untereinander eingehen.

Gemäß einem weiteren Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens behandelt man Polypropylentexlchen mit einem Durchmesser von etwa 1,0 bis 2,0 mm in einer für das Spritzgußverfahren geeigneten Qualität, mit Chlor, das durch eine wäßrige Suspension der Teilchen geleitet wird, die bei 60⁰C gehalten und mit aktinischem Licht belichtet wird. An der Oberfläche der Teilchen bildet sich eine chlorierte Schicht, die bis zu einer Tiefe von etwa 0,1 bis 0,2 mm 30 Gew.-% Chlor enthält. Die behandelten Teilchen überführt man in eine Form und erhitzt sie unter Hochfrequenzerwärmung während 2,0 Sekunden, wobei man mindestens 3 00 Watt/cm³ des Formmaterials zuführt, währenddem dieses einem solchen Druck ausgesetzt wird> daß eine Verdichtung des Materials erfolgt. Der in dieser Weise hergestellte Formgegenstand besitzt eine Biegefestigkeit von etwa 288 kg/cm² (4100 psi).

Bei einer Analyse der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgenden Wärmeleitung zeigt sich, daß die pro Einheitsvolumen des Formmaterials erforderliche Energie zur Durchführung des Verfahrens dem Quadrat der Teilchengröße umgekehrt proportional ist und daß das bevorzugte Verhältnis des durchschnittlichen Radius des Teilchenkerns zu dem durchschnittlichen Radius der Oberflächenschicht in einem Bereich von etwa 0,7 bis 0,9 liegen sollte, wobei dieses Verhältnis vorzugsweise und für optimale Ergebnisse etwa 0,77 5 beträgt. Weiterhin sollte die Teilchengröße der eingesetzten Teilchen vorzugsweise einem durchschnittlichen Durchmesser von mindestens etwa 0,5 mm entsprechen.

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Claims

: r w T \>\ 29. Oktober 197&

US 7618

Patentansprüche

1.AVerfahren zum Formen von Gegenständen aus einem Formmaterial, ^ J dadurch gekennzeichnet, daß man das Material unter Druck zu einer vorherbestimmten Gestalt verdichtet; das verdichtete Material derart einer Heizbehandlung unterwirft, daß ausgewählte Bereiche des Materials bevorzugt erhitzt werden und die übrigen Bereiche des Materials im wesentlichen nicht erhitzt werden, so daß sich in dem Material eine heterogene Temperaturverteilung ergibt;
die Heizbehandlung beendet; und

die bevorzugt erhitzten Bereiche des Materials durch Wärmeaustausch mit den nichterhitzten Bereichen abkühlen läßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Formmaterial ein teilchenförmiges Material einsetzt und

die Oberflächenbereiche der Teilchen derart behandelt, daß sie solche Eigenschaften besitzen, die zur Folge haben, daß sich diese Oberflächenbereiche schneller erwärmen als die Innenbereiche der Teilchen, wenn diese Teilchen einer wärmeliefernden Energie ausgesetzt werden; und die an der Oberfläche behandelten Teilchen nach dem Verdichten einer ausreichenden Menge wärmeliefernder Energie unterwirft, so daß die behandelten Oberflächen, jedoch nicht die inneren Bereiche der Teilchen schmelzen und die in dieser Weise behandelten Oberflächen der Teilchen zusammenfließen; und

die wärmezuführende Energie abschaltet, so daß sich die zusammengeschmolzenen, behandelten Oberflächen der Teilchen durch einen Wärmeaustausch mit den inneren Bereichen der Teilchen abkühlen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Teilchen Polymerteilchen verwendet.

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4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Polymerteilchen thermoplastische Polymerteilchen einsetzt.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Erhitzen an der Oberfläche dadurch erreicht, daß man die Oberfläche der Teilchen mit einem Material beschichtet, daß solche thermische Eigenschaften besitzt, daß sich eine heterogene Temperaturverteilung ergibt, wenn man die Teilchen der wärmeliefernden Energie aussetzt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als Teilchen nichtpolare thermoplastische Teilchen einsetzt und als Hüllmaterial ein polares thermoplastische* Material verwendet.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung der Oberfläche der Teilchen darin besteht, daß man die Teilchen einer chemischen Reaktion unterwirft, die chemisch umgesetzte Schichten an der Oberfläche der Teilchen liefert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Behandlung der Oberfläche dadurch erreicht, daß man die Teilchen der Einwirkung von Chlor aussetzt, um an der Oberfläche der Teilchen chlorierte Schichten zu bilden.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Teilchen an der Oberfläche in der Weise behandelt, daß die Oberfläche hohe dielektrische Verlusteigenschaften aufweist und

die verdichteten Teilchen einem hochfrequenten elektrischen (dielektrischen) Feld unterwirft, das eine solche Energie zuführt, daß die behandelten Oberflächen der Teilchen schmelzen.

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0O. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Teilchen an der Oberfläche derart behandelt, daß sie hohe magnetische Verlusteigenschaften aufweisen und die verdichteten Teilchen einem hochfrequenten elektromagnetischen Feld aussetzt, das eine solche Energiemenge zuführt, daß die behandelten Oberflächen der Teilchen schmelzen.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Teilchen einer solchen Energie im Schallfrequenzbereich aussetzt, daß die Oberflächen der Teilchen schmelzen und zusammenfließen, ohne daß ein Schmelzen der Innenbereiche der Teilchen erfolgt, und die Schallenergie abschaltet, so daß die geschmolzenen Oberflächen der Teilchen sich durch einen Wärmeaustausch mit den inneren Bereichen der Teilchen abkühlen.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Teilchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von mindestens etwa 0,5 mm einsetzt.

13. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man Teilchen mit einem Verhältnis von durchschnittlichem Radius der Innenbereiche zu durchschnittlichem Radius der Oberflächenbereiche der Teilchen im Bereich von etwa 0,7 bis etwa 0,9 verwendet.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man Teilchen mit einem Verhältnis von etwa 0,775 verwendet.

15. Produkte erhältlich nach dem Verfahren des Anspruchs 1.

16. Produkte erhältlich nach dem Verfahren des Anspruchs 2.

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