DE4120835A1

DE4120835A1 - Verfahren zur herstellung eines polymerkeramischen verbundstoffes

Info

Publication number: DE4120835A1
Application number: DE19914120835
Authority: DE
Inventors: Gerd Rueffler; Armin Rahmig; Birgit Serfling
Original assignee: Tridelta GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1991-06-24
Filing date: 1991-06-24
Publication date: 1993-01-07
Anticipated expiration: 2011-06-25
Also published as: DE4120835C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf polymerkeramische Verbundwerkstoffe, die anstelle von Keramik oder hochwertigen Kunststoffen vorwiegend in der Elektrotechnik oder dem Maschinenbau eingesetzt werden.

Es ist bekannt, für die Herstellung von Erzeugnissen der Elektroinstallation, die für Dauertemperaturen über 220°C zugelassen sind, massiv keramische Materialien wie Preßporzellan, Steatit, Forsterit oder Al₂O₃-Keramik sowie hochwertige Kunststoffe einzusetzen. Dabei kommen die üblichen Herstellungsverfahren für die Keramik: Masseaufbereitung, Pressen, Sintern, Endkontrolle bzw. Preß- oder Spritztechnologien bei der Verarbeitung von Kunststoffen zur Anwendung. Bei den keramischen Werkstoffen sind viele Arbeitsgänge und hohe Energiekosten infolge des Sinterprozesses erforderlich. Außerdem lassen sich die geometrischen Toleranzen infolge des Schwindungsprozesses der Keramik nicht im erforderlichen Maße einhalten, so daß diese Erzeugnisse für die automatisierte Weiterverarbeitung nur bedingt geeignet sind. Die Kunststofferzeugnisse haben zwar den Vorteil einer einfachen Verarbeitbarkeit und einer großen Genauigkeit, jedoch benötigen die vorgelagerten Prozesse sehr viel Energie und die Dauertemperaturbeständigkeit liegt im Normalfall nur zwischen 80 und 140°C. Ansonsten müssen kostenaufwendige Sonderwerkstoffe eingesetzt werden.

Es sind auch selbsthärtende Verbundwerkstoffe bekannt, wo Tone, die Montmorillonit enthalten, mit reaktiven gasförmigen oder flüssigen Monomeren als Ausgangsstoffe miteinander gemischt werden (DD-PS 2 59 200). Hierbei kommen z. B. Methacrylsäureester mit Initiatoranteil zum Einsatz. Dies trifft auch auf die DD-PS 2 41 735 zu, wonach dem Ton die Ester- oder Alkalisalze eines Polysilikates oder Polysilikonates zugemischt werden. Es ist weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Steines bekannt, bei dem auf der Basis eines Gemisches von feinkörnigem Sand, Zement und Wasser, dem man ein in Wasser dispergiertes Bindemittel aus Kunstharz zusetzt (DE-OS 29 41 842) gearbeitet wird. Auch ist ein Verfahren zur Herstellung eines Baumaterials bekannt, wo mit einem Silanbindemittel gearbeitet wird (DE-OS 22 05 438). Es ist weiterhin bekannt, zur Härtung von Verbundkörpern die Reaktion von Silikaten mit funktionellen organischen Silanderivaten auszunutzen (DE-OS 29 01 372). Es wurde außerdem bereits vorgeschlagen zur Herstellung eines selbsthärtenden Verbundwerkstoffes, welches auf der Reaktion von feinpulverisierten Mehrschichtmineralien mit einem reaktiven Monomer beruht vorzugsweise Isocyanat einzusetzen (DD-Pat-Anmeldung H 01 B/3 34 717-1).

Diese Massen weisen jedoch in der Regel den Nachteil auf, daß sie nicht als rieselfähige Preßmassen vorliegen. Deshalb beschränkt sich ihr Anwendungsbereich häufig auf das Fügen, Kleben und Umhüllen. Als Nachteil erweist sich weiter, daß die Eigenschaften der Werkstoffe im wesentlichen von deren speziellen Zusammensetzung abhängt und es deshalb für einen breiten Eigenschaftsfächer einer größeren Zusammensetzungspalette bedarf.

Der Erfindung liegt deshalb das Problem zugrunde, die gewünschten Eigenschaften der Keramik mit denen von Kunststoffen kombinieren zu können und dabei klassische Formgebundverfahren wie das Pressen zu benutzen. Entsprechend dem Verfahren gemäß Anspruch 1 lassen sich durch die gezielte Energiezufuhr die Eigenschaftsparameter des Werkstoffes entsprechend den jeweiligen Anforderungen im großen Umfange "maßschneidern". Durch die schrittweise Zuführung der Energie wird eine unkontrollierte chemische Reaktion vermieden. Die Aushärtung des Verbundwerkstoffes erfolgt durch eine chemische Reaktion zwischen den Di- oder Oligomeren und den äußeren OH-Gruppen. Als Di- oder Oligomere lassen sich z. B. Isocyanate, Silikonate oder deren Salze oder Ester unter gezielter Energiezufuhr mit den äußeren OH-Gruppen der mineralischen Komponente chemisch verbinden, so daß die einzelnen Bestandteile der Mischung strukturell verknüpft werden. Eine besonders weite Fächerung der Eigenschaftsparameter läßt sich erreichen, wenn die Energiezufuhr in mehreren Stufen und zwar beim Mischen, bei der Formgebung und beim Nachhärten erfolgt. Zunächst wird das Mischgut auf 35-90°C erwärmt, um die erste Stufe der Umsetzung zu realisieren. Hierbei kann die Energiezufuhr einmal durch Erwärmen über einen Thermostat oder zum anderen über die Anhebung der Drehzahl des Mischers sowie über die Form des Mischwerkzeuges erfolgen. Die Mischdauer richtet sich nach der gewünschten Konsistenz des Mischgutes. Über die Höhe der ersten Energiezufuhr läßt sich der Grad der Umsetzung und damit der Habitus des Mischgutes steuern. Die zweite Stufe der Umsetzung läßt sich durch gezielte Energiezufuhr über den Preßdruck steuern, wobei ein Druck unter 10 MPa nicht mehr ausreicht. Die dritte Stufe der Energiezufuhr erfolgt über ein Nachhärten der Formteile bei 100-180°C über ein bis drei Stunden, wobei die stöchiometrische Umsetzung erreicht wird. Hierbei erhält man ein rieselfähiges Granulat und schließt unkontrollierte chemische Reaktionen aus.

Zur besseren Vernetzung der chemisch umgesetzten Ausgangsstoffe werden dem Mischgut im Bedarfsfalle 5 bis 20 Gewichts-% Verbindungen hinzugegeben, die in der Lage sind, Sauerstoff-, Stickstoff- oder Silizium-Sauerstoffbrücken zu bilden. Um sowohl verarbeitungstechnische als auch stoffliche Werte zu verändern, kann man dem Mischgut auch Füllstoffe wie Sande, Glasfasern, Al₂O₃, SiC, Eisenspäne, Glattscherben in einer Größenordnung von 10 bis 50 Gewichts-% hinzufügen.

Ausführungsbeispiel

An zwei Beispielen soll die Erfindung näher erläutert werden:

1. Es wird Seilitzer Kaolin auf kleiner 10 µm (d₉₉=8,2 µm) aufgemahlen und anschließend 24 Stunden bei 110°C getrocknet, danach mit 76 Gewichts-% eines oligomeren Isocyanates (Isocyanat MR, Schwarzheide) homogen gemischt, indem bei laufendem Mischwerk bei einer Temperatur von 26°C das Isocyanat in den Mischraum gesprüht wird. Die Drehzahl des Mischers beträgt 3500 Umdrehungen pro Minute, die Mischzeit 6 Minuten. Nach dieser Zeit ist die Temperatur im Mischraum auf 60°C angestiegen. Das Mischgut wird ausgetragen und mit 50 MPa vorgepreßt und danach zu einem Granulat von 0,2 bis 0,5 mm zerkleinert. Die rieselfähige trockene Preßmasse mittels Stempelpresse bei einem Druck von 150 MPa zu Kontaktträgern für Halogenlampenfassungen verpreßt. Durch die gezielte Energiezufuhr beim Mischen und Pressen sind unkontrollierte chemische Reaktionen nicht mehr möglich. Die Masse ist stabil. Zur vollständigen Aushärtung werden die Teile einer Wärmebehandlung bei 160°C eine Stunde unterzogen. Aus der nachstehenden Tabelle 1 ist der Einfluß variierter Prozeßparameter auf die Eigenschaften zu entnehmen.

Tabelle 1

Es bedeuten
M=Mischtemperatur (°C)
P=Preßdruck (MPa)
T=Aushärtetemperatur 1 h

2. Seilitzer Kaolin wird auf kleiner 10 µm (d₉₉=8,2 µm) aufgemahlen und anschließend 24 Stunden bei 110°C getrocknet. In einem Schnellmischer werden 81 Gewichts-% Kaolin, 10 Gewichts-% Desmodur TT (Isocyanat der Firma Bayer) und 9 Gewichts-% Polyvinylalkohol homogen gemischt. Die Ausgangstemperatur ist 26°C, die Umdrehungszahl 3500 Umdrehungen pro Minute, die Mischzeit 3 Minuten und die Endtemperatur im Mischraum 70°C. Das Mischgut wird entnommen, bei einem Druck von 70 MPa vorgepreßt und zu einem Granulat von 0,2 bis 0,5 mm Größe zerkleinert.

Der Umsetzungsgrad der aktiven Gruppen liegt bei 50%. Das Granulat ist stabil und unterliegt keinen unkontrollierten chemischen Reaktionen. Mittels einer Stempelpresse wird die rieselfähige trockene Preßmasse bei einem Druck von mindestens 200 MPa zu Kontaktträgern für Halogenlampenfassungen gepreßt. Die stöchiometrische Umsetzung erreicht man durch Tempern bei 180°C bei einer Stunde. Durch den Zusatz von PVA wird der Vernetzungsgrad erhöht.

Die nachstehende Tabelle 2 zeigt, wie sich die Eigenschaften durch Variation der Prozeßparameter ändern.

Tabelle 2

Es bedeuten:
M=Mischtemperatur (°C)
P=Preßdruck (MPa)
T=Aushärtetemperatur 1 h

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines polymerkeramischen Verbundwerkstoffes durch Mischen von getrockneten, feingemahlenen mineralischen OH-Gruppenträgern, wie beispielsweise die Mehrschichtmineralien Ton, Kaolin, Talk oder Speckstein, mit organischen Di- oder Oligomeren, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktiven Gruppen der Di- oder Oligomeren mit den äußeren OH-Gruppen der mineralischen Komponente unter gezielter, schrittweiser Zuführung von Energie zur chemischen Reaktion gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 40 bis 92 Gewichts-% der mineralischen Komponente getrocknet und feingemahlen mit 8 bis 60 Gewichts-% Di- oder Oligomeren gemischt und die chemische Reaktion bis zur stöchiometrischen Umsetzung durch die gezielte Zufuhr von Energie beim Mischen, bei der Formgebung und in einem Nachhärtevorgang durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischen der Komponenten bei Temperaturen zwischen 35 und 90°C durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Pressen mit einem Preßdruck zwischen 10 MPa und 500 MPa gearbeitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nachhärtung bei einer Temperatur von 100 bis 180°C über 1 bis 3 Stunden durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man Mischgut 5 bis 20 Gewichts-% Stoffe mit funktionellen Gruppen, zum Beispiel PVA, Caprolactam, Silikonester zugegeben werden.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mischgut bis zu 50% Füllstoffe zugesetzt werden, die die verfahrenstechnische Verarbeitung verändern.