DE2932380B2 - Hydrophiler poröser Sinterkörper - Google Patents

Hydrophiler poröser Sinterkörper

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Description

N N
(wobei π eine ganze Zahl ist) aufweist und durch Sintern eines pulverisierten Copolymers aus Acrylnitril, einem konjugierten Dien-Monomer und einem «^-olefinisch ungesättigten Carbonsäureester der Formel
CH2=C-COOR2
25
(wobei Ri ein Wasserstoff- oder Halogenatom oder ein niederer Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen und R2 ein Alkylrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen ist) hergestellt worden ist
2. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Porosität von 10 bis 50 Prozent, eine Shore-Härte von 70 bis 98 Grad und einen Hydrophilitätsgrad von 1 bis 10 Minuten aufweist
3. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Sintern ein Zusatzharz, das mit dem Copolymer mischbar ist und einem im wesentlichen gleichen Erweichungspunkt wie das Copolymer aufweist, zugegeben worden ist
4. Sinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern 10 bis 30 Minuten bei 200 bis 300° C unter einem Druck von Normaldruck bis 981 bar durchgeführt worden ist.
Die Erfindung betrifft einen stark hydrophilen porösen Sinterkörper auf Basis von thermoplastischen Polyacrylnitrilharzen.
Ej s«nd bereits verschiedene Versuche unternommen worden, offenzellig«: poröse Sinterkörper aus pulverförmiger! thermoplastischen Harzen herzustellen. So ist zum Beispiel in der JP-AS 6 385/1957 ein Verfahren zur Herstellung eines porösen gesinterten Polyäthylenkörpers beschrieben, bei dem man pulverförmiges Polyäthylen bei einer Temperatur im Bereich von 100° C bis zu einer Temperatur, bei der keine Zersetzung und/oder Gelierung des Polyäthylens erfolgt, sintert. In der JP-AS 435/1958 ist ein Verfahren zur Herstellung eines porösen gesinterten Polyäthylenkörpers beschrieben, bei dem pulverförmiges Polyäthylen mit einem Molekulargewicht von mehr als 75 000 auf einer Temperatur oberhalb 1200C erhitzt wird. Diese bekannten gesinterten Polyäthylenkörper sind jedoch nicht hydrophil und
JO
eignen sich daher nicht als Materialien zur Herstellung von Filtern, Farbwalzen und Spitzen von Schreibstiften, bei denen hydrophile Eigenschaften erforderlich sind. Außerdem zeichnen sich diese bekannten Sinterkörper durch geringe Porosität und Härte aus.
In der JP-AS 2 582/1961 ist ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Sinterkörpers beschrieben, bei dem man ein pulverförmiges lineares Polyamid auf eine Temperatur oberhalb 121 "C, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Polyamids erhitzt, nach dem Abkühlen kaltpreßt und den erhaltenen Preßling in einer nicht oxidierenden Atmosphäre sintert Dieser bekannte Polyamid-Sinterkörper ist jedoch nur schwach hydrophil und hat den Nachteil, daß beim Sintern Schwierigkeiten auftreten, da der Schmelzpunkt des Polyamids relativ hoch liegt und dieses beim Erhitzen auf Temperaturen nahe seinem Schmelzpunkt zur Zersetzung neigt Ein weiterer Nack'ail dieses Polyamid-Sinterkörpers ist die Schwierigkeit einen gesinterten Gegenstand mit offenzelligen Poren herzustellen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen stark hydrophilen, porösen Sinterkörper bereitzustellen, der erhöhte Porosität und verbesserte Härte, offenzellige Poren von gleichmäßiger Zellgröße, eine glatte und gutaussehende Oberfläche sowie erhöhte mechanische Festigkeit aufweist
Gegenstand der Erfindung ist ein stark hydrophiler poröser Sinterkörper mit offenzelligen Poren, der ein Polypyridin-Grundgerüst der allgemeinen Formel
J5
45
CH CH C
' \ A ' \ I
C C C
I I
C C
(wobei π eine ganze Zahl ist) aufweist
Der Sinterkörper wird dadurch hergestellt, daß man ein pulverisiertes thermoplastisches Polyacrylnitril-Copolymer, das aus Acrylnitril, einem konjugierten Dien-Monomer und einem «^-olefinisch ungesättigten Carbonsäureester der allgemeinen Formel
CH2=C-COOR2
R1
(wobei Ri ein Wasserstoff- oder Halogenatom oder ein niederer Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen und R2 ein Alkylrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen ist) hergestellt worden ist, sintert.
Beispiele für geeignete «^-olefinisch ungesättigte Carbonsäureester sind Methylacrylat, Äthylacrylat, Propylacrylat, Buiylacrylat, Amylacrylat, Hexylacrylat, Methylmethacrylat, Äthylmethacrylat, Propylmethacry-
lat, Butylmethacrylat, Amylmethacrylat, Hexylmethacrylat, a-Chlormethylacrylat und «-Chlormethylmeth-
acrylat. Hierbei sind Methylacrylat, Äthylacrylat und
Methylmethacrylat besonders bevorzugt.
Beispiele für geeignete konjugierte Dien-Monomere sind Butadien-1,3, Isopren, Chloropren, Bromopren, Cyanopren, 2-Äthylbutadien-l,3, 2,3-Dimethylbutadien-
1,3, Hierbei sind aufgrund ihrer leichten Verfügbarkeit und der Tatsache, daß sie sich leicht (»polymerisieren lassen, Butadien und Isopren besonders bevorzugt
Das erfindungsgemäß verwendete thermoplastische Polyacrylnitril-Copolymer wird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß man die Ausgangsmaterialien bei 0 bis 1000C in einem wäßrigen Medium, vorzugsweise in Gegenwart eines Emulgators und eines Radikal-Initiators sowie in Abwesenheit von molekularem Sauerstoff (»polymerisiert
Bei Verwendung anderer Harze als des thermoplastischen Polyacrylnitril-Copolymers lassen sich keine stark hydrophilen, porösen Sinterkörper herstellen, die sowohl erhöhte Porosität als auch verbesserte Härte aufweisen, wie im nachstehenden näher erläutert wird.
In seiner Theorie der Sintertechnik hat Frenkel im Jahre 1945 die folgende Gleichung für die Schmelzgeschwindigkeit angegeben:
2 _
_ 3ayt
Diese Schmelzgeschwindigkeitsgleichung (1) beruht auf der thermodynamischen Annahme, daß in einem Teilchensystem, das aus zwei in Berührung stehenden gleichen Kugeln besteht die Gesamtoberfläche der Kugeln beim Erhitzen abnimmt wodurch die freie Energie verringert wird. jo
In der Gleichung bedeuten X den Krümmungsradius der sich berührende*. Oberflächen der beiden gleichen kugelförmigen Teilchen, a den Radius der Kugeln, γ die Oberflächenspannung, t die Heizzeit und η die Viskosität des Harzes bei der Sinterten^ -sratur. js
Aus Gleichung (1) geht hervor, daß die zum Sintern erforderliche Zeit sich direkt proportional zum Radius des Harzteilchens und zur Schmelzviskosität sowie umgekehrt proportional zur Oberflächenspannung verhält. Die Zeit t wird bei höheren Temperaturen verkürzt und bei niedrigeren Temperaturen verlängert-Hierbei ist von Bedeutung, daß die Oberflächenspannung γ und die Viskosität t] weitgehend von der molekularen.Anordnung und dem Molekulargewicht (Polymerisationsgrad) abhängen und diese Faktoren eng miteinander verbunden sind.
Aus Gleichung (1) ist zu ersehen, daß das Schmelzen um so leichter erfolgt, je kleiner der Teilchenrndius ist Dies bat zur Folge, daß die kleinen Poren des Sinterkörpers kleiner werden und der Sinterkörper seine Porosität verliert Senkt man andererseits die Sintertemperatur oder verkürzt die Sinterzeit, so wird der Sinterkörper aufgrund des unvollständigen Schmelzens zerbrechlich (krümelig) und besitzt geringe mechanische Festigkeit Es ist daher offensichtlich schwierig, der Gleichung (1) zu genügen und ein Harz herzustellen, das in Obereinstimmung mit dieser Gleichung gesintert werden kann. Dies hat sich mehrmals im Verlauf der Untersuchungen gezeigt Trotzdem wurde gefunden, daß das erfindungsgemäße thermoplastische Acrylnitril-Copolymer beim Sintern überlegene Sintereigenschaften zeigt und augenscheinlich mit den in der Gleichung (1) ausgedrückten Bedingungen in Einklang steht
Die vorteilhaften Eigenschaften des thermoplastischen Acrylnitril-Copolymer bei der erfindungsgemäßen Verwendung als Spterharz bestehen darin, daß es (1) in geschmolzenem Zustand hochviskos ist und (2) die Viskosität bei Sintertemperatur nicht abnimmt sondern innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs sogar zunimmt Ein weiterei Vorteil dieses Copolymerharzes besteht darin, daß (3) die Viskositätsänderung nicht beträchtlich ist, was darauf zurückgeführt wird, daß dieses Harz in seiner intramolekularen Kette einen hohen Gehalt an Nitrilgruppen aufweist (durchschnittlicher Gehalt etwa 75 Gewichtsprozent), so daß bei der Lagerung an der Luft bei erhöhter Temperatur oberhalb 200° C ein Teil der Nitrilgruppen geöffnet wird und Polypyridin-Ringstrukturen mit konjugierten Doppelbindungen bildet:
CH
CH2
\
CH
I
c
CH2
\
CH
CH
CH
Gleichzeitig mit der Bildung der Polypyridinringe der Gleichung (2) dehnen sich die π-Elektronenorbitale stark über die Ringe aus, wodurch die Bildung von Wasserstoffbindungen mit HjO-Molekülen erleichtert wird und das Harz hydrophile Eigenschaften annimmt
Im Laufe der Versuche zur Herstellung eines stark hydrophilen und porösen Sinterkörpers sind auch verschiedene, aus thermoplastischen Kunstharzen, wie Polyäthylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polymethylmethacrylat, Polystyrol und ABS-Harzen, hergestellte Sinterkörper untersucht worden. Die aus diesen Harzen herstellbaren Sinterkörper weisen jedoch nur geringe Porosität auf, da die Harzteilchen aufgrund ihrer Neigung zur abrupten Viskositätsabnahme bei Temperaturerhöhung zu schnell schmelzen. Außerdem weisen sie keine Strukturen auf, die sie stark hydrophil machen, so daß sie entweder gar keine oder nur geringe hydrophile Eigenschaften aufweisen.
Es hat sich gezeigt, daß das erfindungsgemäße thermoplastische Acrylnitril-Copolymer nicht nur allein zur Erzielung des gewünschten Effekts verwendet werden kann, sondern auch mit einem oder mehreren Zusatzharzen abgemischt werden kann, die damit mischbar sind und im wesentlichen den gleichen Erweichungspunkt aufweisen. Beispiele für geeignete Zusatzharze sind Acrylnitril-Styrol-Copolymere, ABS-Harze, Nylon-6, Polyvinylchlorid, Polymethylmethacrylat, Äthylen-Methylacrylat-Copolymere, Äthylen-Vinyl-
b·) alkohol-Copolymere und Polycarbonate. Der Gehalt des erfindungsgemäßen Acrylnitril-Copolymers beträgt vorzugsweise 10 bis 60 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht von Copolymer und Zusatzharz.
Hierbei werden die Sintereigenschaften dieser Zusatzharze verbessert und aus den Harzgemischen können Sinterkörper mit den gewünschten Eigenschaften hergestellt werden. Neben den genannten Kunstharzen sind zahlreiche andere Harze verwendbar, die mit dem erfindungsgemäßen Acrylnitril-Copolymer mischbar sind und im wesentlichen den gleichen Erweichungspunkt aufweisen und deren Sintereigenschaften beim Abmischen verbessert werden. Alle diese Harze stellen Äquivalente zu den vorstehend genannten repräsentativen Zusatzharzen dar, bei denen die Sintereigenschaften und auch die Eigenschaften der Endprodukte wesentlich verbessert werden. Der Mischungsanteil des erfindungsgemäßen Acrylnitril-Copolymers beträgt vorzugsweise mehr als 10 Gewichtsprozent, da die erwünschte Eigenschaftsverbesserursg nicht erzielt werden kann, wenn der Gehalt weniger als 10 Gewichtsprozent beträgt Ein Gehalt des erfindungsgemäßen Acrylnitril-Copolymers von bis zu 60 Gewichtsprozent genügt im allgemeinen, um dem Gemisch die gewünschten Eigenschaften zu verleihen.
Unabhängig davon, ob das thermoplastische Acrylnitril-Copolymerharz der Erfindung aflein oder im Gemisch mit anderen Harzen verwendet wird, die mit ihm mischbar sind und im wesentlichen den gleichen Erweichungspunkt aufweisen, soll das Harz beziehungsweise das Harzgemisch vor dem Sintern fein pulverisiert werden. Die Pulverisierung kann entweder physikalisch unter Verwendung einer mechanischen Pulverisiervorrichtung oder auf chemischem Wege erfolgen, wobei man das Acrylnitril-Copolymerharz oder seine Mischung mit anderen Harzen zunächs· in einem geeigneten Lösungsmittel, wie Dimethylformamid, löst und dann ein Nicht-Lösungsmittel zugibt, zum Beispiel Alkohole oder Kohlenwasserstoffe. Hierbei bilden sich unter Kristallisation Niederschläge, worauf man das Lösungsmittel und das Nicht-Lösungsmittel abdampft und Pulver der gewünschten Größe erhält. Teilchen mit einem Durchmesser von 1 bis 5000 μπι sind bevorzugt Bei einer Teilchengröße außerhalb dieses Bereiches nimmt die Porosität des erhaltenen Sinterkörpers ab.
Im allgemeinen lassen sich feinere Teilchen eher auf chemischem als auf physikalischem Wege herstellen. Auf physikalischem beziehungsweise chemischem Wege erhaltene Teilchen können auch einfach vermischt und gemeinsam verwendet werden. Wird das Acrylnitril-Copolymerharz der Erfindung mit einem anderen Kunstharz abgemischt, das mit ihm mischbar ist und im wesentlichen den gleichen Erweichungspunkt aufweist, so kann das Pulvergemisch der beiden Harze zunächst geschmolzen und zu Pellets geknetet werden, die dann einfach an der Atmosphäre oder in Kontakt mit flüssigem Stickstoff pulverisiert werden. Es werden jedoch keine nennenswert verschiedenen Sintereigenschäften erzielt, wenn man getrennt hergestellte Pulver der beiden Harze gleichmäßig miteinander vermischt. Das derart hergestellte pulverförinige Harz wird 10 bis 30 Minuten, vorzugsweise 15 bis 25 Minuten, bei etwa 200 bis 300° C unter Normaldruck oder erhöhtem Druck gesintert. Wenn das Sintern unter erhöhtem Druck durchgeführt wird, füllt man das Ausgangsmaterial bei Raumtemperatur in eine Form ein und preßt es unter einem Druck von bis z.. 981 bar. Während des Sinterns bilden sich die verstehend genannten Polypyridin-Ringstrukturen pus i'nd verleihen dem Sinterkörper stark hydrophile Eigenschaften.
Das Sinterverhai.in und die Verarbeitbarkeit können
dadurch verbessert werden, daß man vor dem Sintern einen anorganischen Füllstoff, wie Calciumcarbonat, Graphit, Ruß, Bariumsulfat, Calciumsulfat, Siliciumdioxid, Diatpmeenerde, Bentomt, Shirasu-Balloon (Bimsstein-Mikrokflgelchen aus Kyushu, Japan) oder Kaolin, zusetzt Auch ein in organischen oder anorganischen Lösungsmitteln unlösliches und hitzebeständiges Färbemittel kann zugegeben werden. Vorzugsweise beträgt der Gehalt an anorganischem Füllstoff und/oder
ίο Färbemittel weniger als etwa 50 Gewichtsprozent bezogen auf das Gesamtgewicht des Gemisches, da bei einem Gehalt dieser Bestandteile von mehr als 50 Gewichtsprozent das Sinterverhalten beeinträchtigt wird und es unmöglich ist, einen porösen Sinterkörper mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen.
Der erfindungsgemäß hergestellte, stark hydrophile und poröse Sinterkörper hat eine Porosität von etwa 10 bis 50 Prozent, eine Shore-Härte von 70 bis 98°, vorzugsweise 80 bis 98°, und einen Hydrophilitätsgrad von I- bis 10 Minuten. Er hat eine glatte Oberfläche und erhöhte Festigkeit
Der erfindungsgemäße Sinterkörper kann in verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt werden, zum Beispiel bietet er in folgenden Anwendungsbereichen beträchtliche Vorteile:
(f; Imprägnieren, Rückhalten und Speichern anderer Substanzen in Feinporen;
(2) Als Filter;
(3) Zur Druckreduzierung;
(4) Als leichtgewichtiger Sinterkörper.
Eine spezielle Anwendung des erfindungsgemäßen porösen Sinterkörpers, die unter Ziffer (I) fällt, ist die Herstellung von Farbwalzen. Der Sinterkörper der Erfindung ist ein harter und poröser Körper von relativ hoher Porosität, so daß daraus hergestellte Farbwalzen ;ine relativ große Farbmenge tragen können, erhöhte mechanische Druckfestigkeit und I^ösungsmittelbeständigkeit aufweisen, mit beliebigen Druckfarben verträg-
4n lieh sind und ausgezeichnete Arbeitsergebnisse und Oberflächenglätte zeigen. Diese Eigenschaften sind auch wertvoll bei Verwendung des Sinterkörpers in Schreibinstrumenten, insbesondere als Spitze von Schreibfedern. Spezielle Anwendungsbereiche, die unter Ziffer (2) fallen, sind Filter zum Abtrennen von Wasser von Benzin, die in Autos verwendet werden, oder von Kerosin, das in Brennern verwendet wird. Ein Beispiel für einen Anwendungsbereich, der unter Ziffer (4) fällt, ist die Herstellung von Lautsprechern, die sich durch leichtes Gewicht und gute akustische Eigenschaften auszeichnen.
Die Beispiele erläutern die Erfindung. Der »Hydrophilitätsgrad« ist nach der Norm JIS R-6127 definiert, ni» Shore-Härte bezieht sich auf die Shore D Härte.
Beispiel 1
1 kg Pellets eines thermoplastischen Kunstharzes, das durch Pfropfpolymerisation von Butadien auf ein
bo Acrylnitril-Meihylacrylat-Copolymer hergestellt worden ist, werden in einer Kugelmühle in Gegenwart von flüssigem Stickstoff zu einem Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 0,25 mm pulverisiert. Das Pulver wird dann in einen Eisenzytin-
b5 der von 26 mm Durchmesser und 50 mm Höhe eingefüllt und U Minuten bei 2800C gesintert, während über die Ober- und Unterfläche ein Druck von 9,81 bar ausgeübt wird. Nach dem Abkühlen wird der poröse
Körper der Form entnommen und auf seine Eigenschaften untersucht. Die Porosität beträgt 40 Prozent, die Shore-Härte 95 und der Hydrophilitätsgrad 1,5 Minuten. Die Oberfläche des erhaltenen Sinterkörpers ist glatt und hat ausgezeichnetes Aussehen. Nach sechsmonatigem Lagern des Formkörpers an der Luft bei Raumtemperatur unter Atniosphärendruck zeigt er bei der Verwendung als Farbwalze noch ausgezeichnete Druckeigenschaften.
Beispiel 2
500 g eines Pulvergemisches, das durch gleichmäßiges Vermischen von 5! Gewichtsprozent des thermoplastischen Kunstharzpulvers aus Beispiel I und 49 Gewichtsprozent Calciumcarbonat erhalten worden ist, werden zwischen Eisenplatten eingebracht und 15 Minuten bei 2600C gesintert. Die Porosität des erhaltenen porösen Körpers beträgt 43 Prozent, der Hydrophilitätsgrad I Minute und die Shore-Härte 82.
Beispiel 3
Ein Pulvergemisch, das in gleichförmiger Mischung 50 Gewichtsprozent des thermoplastischen Kunstharzpulvers aus Beispiel 1 und 50 Gewichtsprozent eines Polycarbonatpulvers mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0.25 mm enthält, wird in ein siliconbeschichtetes Glasrohr von 10 mm Innendurchmesser und 50 mm Höhe eingebracht und 30 Minuten bei 28O°C in einem Ölbad gesintert. Die Porosität des erhaltenen porösen Körpers beträgt 38 Prozent, der Hydrophilitätsgrad 2.3 Minuten und die Shore-Härte 96. Der poröse Körper wird als Spitze eines Schreibstiftes verwendet, der sich durch glatten Verlauf und gute Tintenzufuhr auszeichnet.
Beispiel 4
5 kg der Kunstharzpellets aus Beispiel 1 und 1 kg eines Acrylnitril-Styrol-Copolymers werden in einem Banbury-Mischer bei 2000C geknetet. Das erhaltene Produkt wird in einer gewöhnlichen Pulverisiervorrichtung zu einem Pulver von 1,00 bis 0.73 mm pulverisiert. Anschließend sintert man das Pulver gemäß Beispiel 1 zu einem zylindrischen Sinterkörper mit einer Porosität von 42 Prozent, einem Hydrophilitätsgrad von 1.6 Minuten und einer Shore-Härte von 83.
Zum Vergleich wird I kg des Acrylnitril-Styrol-Copolymers allein in der Pulverisiervorrichtung zu einem Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,3 mm pulverisiert. Dieses Pulver wird dann 10 Minuten bei 1800C gemäß Beispiel I zu einem zylindrischen Sinterkörper gesintert, der eine Porosität von 25 Prozent und eine Shore-Härte von 68 aufweist. Der Hydrophilitätsgrad beträgt nur 14,0 Minuten.
Die erfindungsgemäU beziehungsweise allein aus dem Acrylnitril-Copolymer hergestellten zylindrischen Sinterkörper werden dann einem Filtertest unterworfen, bei dem Trübwasser mit einer Durchsichtigkeit von 3 Meter durch die Sinterkörper filtriert wird. Hierbei zeigt sich, daß der erfindungsgemäße Sinterkörper 3 Stunden lang filtriertes Wasser mit einer Durchsichtigkeit von 15 Metern ergibt, während der Vergleichs-Sinterkörper dieselbe Durchsichtigkeit erst nach 6stündigem Filtrieren unter denselben Bedingungen erreicht.
Beispiel 5
Ähnlich dem Verfahren von Beispiel 4 werden unter Verwendung der in Tabelle 1 genannten Polymerisate anstelle des Acrylnitril-Styrol-Copolymers Sinterkörper hergestellt. Die Eigenschaften der erhaltenen Sinterkörper sind ebenfalls in der Tabelle genannt.
Tabelle
Sinterkörper Zusat/har/ Nylon-6 Polvvim 1-
chlorid
Polymethyl-
melhacrylal
Äthylen-
Acrylat-
("opolymcr
Äthylen-
Vinylalkdhiil-
C'opolymer
•\BS-ll.ir/ 48 46 41 38 43
Porovlät 39 1.8 9.3 3.5 4.3 1.0
Ihdrophilitälsgrad
(min)
2.2 97 93 91 81 87
Shore-Härte 78

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Hydrophiler poröser Sinterkörper mit offenzelligen Poren, der ein Polypyridin-Grundgerüst der Formel
CH CH
CCC
I I I
CCC
DE2932380A 1978-08-10 1979-08-09 Hydrophiler poröser Sinterkörper Expired DE2932380C3 (de)

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