DE60101141T2 - Production process for a PCT polymer product - Google Patents
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Abstract
Description
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
ErfindungsgebietTHE iNVENTION field
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Produktionsprozeß für ein Produkt, das aus einem Polymer mit einem spezifischen elektrischen Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten hergestellt ist (spezifischer PTC-Widerstand; nachfolgend: PTC-Polymerprodukt), sie betrifft nämlich einen Formungsprozeß, bei dem Wärme und Druck auf ein PTC-Polymermaterial einwirken, um das Material zu verformen und eine gewünschte Produktform zu erhalten.The The present invention relates to a production process for a product, that of a polymer with a specific electrical resistance made with a positive temperature coefficient (more specific PTC resistor; hereinafter: PTC polymer product), namely one Molding process, at the heat and pressure on a PTC polymer material to affect the material to deform and a desired one To obtain product form.
Allgemeiner Stand der Technikgeneral State of the art
Verschiedene Techniken für derartige Formungsprozesse sind bekannt.Various Techniques for Such shaping processes are known.
Polymere müssen allgemein, um verformbar zu sein, erwärmt werden, um ihre Viskosität zu verringern und um Brüche und Risse zu vermeiden. Besonders bei in Massen hergestellten Teilen ist die Zeit, die für den Formungsprozeß erforderlich ist, ein wesentlicher Parameter. Außerdem sollen die beim Formen einwirkenden Drücke nicht zu hoch sein, um übermäßiges technisches Gerät zu vermeiden. Folglich ist bei herkömmlichen Polymerformungsprozessen die Polymermaterialtemperatur viel höher als die sogenannte Schmelztemperatur dieses Materials.polymers have to Generally, to be ductile, they are heated to reduce their viscosity and around breaks and to avoid cracks. Especially for mass produced parts is the time for the forming process required is an essential parameter. In addition, when molding acting pressures not too high to be overly technical Device too avoid. Thus, in conventional polymer molding processes the polymer material temperature much higher than the so-called melting temperature of this Material.
Obiges betrifft zunächst reine Polymermaterialien. In PTC-Polymermaterialien, auf die sich die Erfindung bezieht, gibt es feste Füllmaterialien, die in einer Polymermatrix enthalten sind, zum Beispiel Kohlenstoffpulver oder Metallpulver. Es versteht sich von selbst, daß der Einschluß erheblicher Mengen an Füllmaterialien die Viskosität des Polymermaterials drastisch erhöht, so daß der Druck oder die Temperatur des Formungsprozesses noch mehr erhöht werden müssen.The above concerns first pure polymer materials. In PTC polymer materials, on which According to the invention, there are solid filling materials which are in one Polymer matrix are included, for example, carbon powder or Metal powder. It goes without saying that the inclusion of considerable Quantities of filling materials the viscosity of the polymer material drastically increased so that the pressure or the temperature of the molding process must be increased even more.
Kurze Darstellung der ErfindungShort illustration the invention
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Problem besteht in der Bereitstellung eines Produktionsprozesses zum Formen eines PTC-Polymerprodukts mit verbesserter und stabilisierter Qualität.The The present invention is based technical problem in the provision of a production process for molding a PTC polymer product with improved and stabilized quality.
Die vorliegende Erfindung betrifft dementsprechend ein Verfahren zum Herstellen eines Formprodukts aus einem PTC-Polymermaterial, das aus einem leitenden Füllmaterial und wahlweise aus einem weiteren Füllmaterial in einer Matrix aus Polymermaterial besteht, wobei das Produkt durch ein Formungsverfahren geformt wird, das das PTC-Polymermaterial mit Hilfe von Wärme und Druck verformt, dadurch gekennzeichnet, daß das PTC-Polymermaterial während des Formungsprozesses auf eine Absoluttemperatur von höchstens dem 1,1fachen der absoluten Schmelztemperatur des Matrixpolymermaterials erwärmt wird, sowie ein Verfahren zum Herstellen von Elementen aus PTC-Polymermaterial, wobei Halbfertigprodukte aus dem PTC-Polymermaterial mit einem Verfahren hergestellt werden, wie es oben definiert ist, und wobei das Halbfertigprodukt unterteilt wird, um die Elemente herzustellen.The The present invention accordingly relates to a method for Manufacture of a molded product of a PTC polymer material, which consists of a conductive filling material and optionally another filler material in a matrix of polymer material, the product being formed by a molding process is formed, which is the PTC polymer material with the help of heat and pressure deformed, characterized in that the PTC polymer material during the Forming process to an absolute temperature of at most the 1.1 times the absolute melting temperature of the matrix polymer material heated as well as a method for producing elements from PTC polymer material, wherein semi-finished products of the PTC polymer material with a method as defined above and dividing the semi-finished product is to make the elements.
Die der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, beim Verformen des PTC-Polymermaterials eine relativ niedrige Temperatur zu verwenden. Es hat sich herausgestellt, daß bei höheren Temperaturen die Qualität der PTC-Produkte sinkt, nämlich die Stabilität ihres Auslöseverhaltens. Wie in der Beschreibung der Ausführungsformen ausführlich gezeigt wird, werden nämlich die Widerstandswerte im kalten, normal leitenden Zustand über eine größere Anzahl sich wiederholender Auslöseaktionen stabilisiert, wenn beim Formen reduzierte Temperaturen gemäß der Erfindung verwendet werden.The The idea underlying the invention is to deform of the PTC polymer material to use a relatively low temperature. It turned out that at higher Temperatures the quality of PTC products decreases, namely the stability their triggering behavior. As in the description of the embodiments in detail is shown, namely the resistance values in the cold, normally conductive state via a larger number repetitive trigger actions stabilized when reduced temperatures in molding according to the invention be used.
Für die Obergrenzen der Maximaltemperaturen des Formungsprozesses wird eine allgemeine Formulierung verwendet, die die sogenannte Schmelztemperatur des Polymers der Matrix betrifft. Gemäß der Erfindung soll diese Schmelztemperatur um nicht mehr als 10% bezüglich der Absoluttemperaturen übertroffen werden. Es ist anzumerken, daß dieses Kriterium die Absoluttemperatur für die Prozeßtemperatur und die Schmelztemperatur verwendet, nämlich die Kelvin-Temperaturskala. Weiter bevorzugte Obergrenzen sind 7,5% über der Schmelztemperatur und ganz besonders bevorzugt 5% über der Schmelztemperatur (im folgenden wird die Schmelztemperatur als TS abgekürzt).For the upper limits of the maximum temperatures of the molding process, a general formulation is used, which refers to the so-called melting temperature of the polymer of the matrix. According to the invention, this melting temperature should be exceeded by not more than 10% with respect to the absolute temperatures. It should be noted that this criterion uses the absolute temperature for the process temperature and the melting temperature, namely the Kelvin temperature scale. Further preferred upper limits are 7.5% above the melting temperature and most preferably 5% above the melting temperature (hereinafter the melting temperature is abbreviated as T S ).
Der mit der oben beschriebenen Temperaturgrenze verwendete Formungsprozeß kann ein Preßprozeß, ein Spritzgußprozeß oder ein Extrusionsprozeß sein. Unter diesen Prozeßarten werden jedoch Extrusion und Pressen bevorzugt. Insbesondere wird bevorzugt ein derartiger Prozeß verwendet, um Halbfertigprodukte herzustellen, die später in kleinere Elemente unterteilt werden sollen. Diese Elemente können als PTC-Elemente verwendet werden, beispielsweise für Widerstandselemente zur Kurzschlußunterbrechung oder zur Strombegrenzung. Wenn Halbfertigprodukte hergestellt und später in mehrere PTC-Elemente unterteilt werden, kompensiert dies den größeren zeitlichen Aufwand beim Formungsprozeß, der sich aus der verwendeten, relativ niedrigen Temperatur ergibt, falls übermäßige Drücke, die ebenfalls zum Materialproblemen führen können, vermieden werden. Das Unterteilen des relativ großen Halbfertigprodukts kann ein Prozeßschritt sein, der sehr schnell abläuft, ohne für die Materialqualität eine große Relevanz aufzuweisen, wenn insbesondere Unterteilungstechniken verwendet werden, die ein übermäßiges Schmelzen des Polymers vermeiden. Bevorzugt werden Schneidtechniken, wobei der Ausdruck Schneiden das Sägen und außerdem besonders bevorzugt Schneidtechniken wie etwa das Hochdruckwasserstrahlschneiden oder Laserschneiden beinhaltet.Of the Forming process used with the above-described temperature limit may include Pressing process, an injection molding process or a Be extrusion process. Among these types of processes However, extrusion and pressing are preferred. In particular, will preferably uses such a process, to produce semi-finished products, later subdivided into smaller elements should be. These elements can be used as PTC elements, for example, resistance elements for short-circuit interruption or for current limitation. When semi-finished products are manufactured and later divided into several PTC elements, this compensates for this greater temporal Effort in the molding process, which results from the relatively low temperature used, if excessive pressures, the also lead to material problems can be avoided. The Dividing the relatively large Semi-finished product can be a process step very fast expires without for the material quality a big Having relevance when using in particular subdivision techniques be that an excessive melting of the polymer. Preference is given to cutting techniques, wherein the term cutting sawing and besides, especially prefers cutting techniques such as high pressure water jet cutting or laser cutting.
Eine einfache und bevorzugte Ausführungsform betrifft ein plattenartiges Halbfertigprodukt. Derartige Platten können sogar bei sehr niedrigen Temperaturen (die jedoch bevorzugt über TS liegen) ohne irgendwelche Probleme aus PTC-Polymermaterial gepreßt werden. Auch Spritzguß oder Extrusion ist möglich, jedoch erfordern diese Techniken im Vergleich zum Pressen höhere Drücke. Bevorzugte Drücke liegen nicht über 300 Bar, besonders bevorzugt nicht höher als 200 Bar und weiterhin bevorzugt nicht höher als 120 Bar.A simple and preferred embodiment relates to a plate-like semi-finished product. Such plates can be extruded from PTC polymer material even at very low temperatures (but preferably above T s ) without any problems. Injection molding or extrusion is also possible, but these techniques require higher pressures compared to pressing. Preferred pressures are not more than 300 bar, more preferably not higher than 200 bar and further preferably not higher than 120 bar.
Die Erfindung kann mit einer riesigen Anzahl Polymer- und Füllmaterialien praktiziert werden. Zu bevorzugten Polymermaterialien für die Matrix zählen PE, PP, ETFE, Polyimide wie zum Beispiel Aurum, PPS oder PEEK. Das am meisten bevorzugte Material ist hochdichtes PE (HDPE).The Invention can be practiced with a vast number of polymer and filler materials. Preferred polymer materials for the matrix include PE, PP, ETFE, polyimides such as Aurum, PPS or PEEK. The am Most preferred material is high density PE (HDPE).
PTC-Polymermaterialien enthalten allgemein, wie oben bereits erwähnt, ein leitendes Füllmaterial.PTC polymer materials generally include, as already mentioned above, a conductive filler material.
Bevorzugte Mengenbereiche für die Aufnahme des gut leitenden ersten Füllmaterials, das PTC-Polymermaterialien zueigen ist, sind 20 – 60 Vol.-%, besonders bevorzugt 30 – 55 Vol.-% und ganz besonders bevorzugt 35 – 50 Vol.-% (bezogen auf das Gesamtvolumen des PTC-Polymermaterials). Eine bevorzugte Wahl für dieses (erste) leitende Füllmaterial ist TiB2.Preferred quantitative ranges for receiving the highly conductive first filling material which is to be obtained from PTC polymer materials are 20-60% by volume, more preferably 30-55% by volume and most preferably 35-50% by volume (based on the total volume of the PTC polymer material). A preferred choice for this (first) conductive filler is TiB 2 .
Das PTC-Polymermaterial kann neben dem ersten Füllmaterial ein zweites Füllmaterial mit Varistorcharakteristiken enthalten. Bei diesem zweiten Füllmaterial handelt es sich bevorzugt um SiC. Die bevorzugten Mengenbereiche sind 10 – 30 Vol.-%, bevorzugt 12 – 28 Vol.-% und besonders bevorzugt 14 – 26 Vol.-% dieses zweiten Füllmaterials. Die Erfindung sollte jedoch auch ohne zweites Füllmaterial (SiC) gelten, zum Beispiel 50% HDPE und 50% TiB2.The PTC polymer material may include a second filler material having varistor characteristics in addition to the first filler material. This second filler is preferably SiC. The preferred amount ranges are 10 to 30% by volume, preferably 12 to 28% by volume and more preferably 14 to 26% by volume of this second filler. However, the invention should also apply without second filler material (SiC), for example 50% HDPE and 50% TiB 2 .
Diese Füllmaterialien sind in Form eines in der Polymermatrix dispergierten Pulvers enthalten. Zudem sollte die mittlere Teilchengröße des zweiten Füllmaterials größer sein als die des ersten Füllmaterials, nämlich um einen Faktor von 2 – 5. Bevorzugte Bereiche für die Teilchengrößen sind 10 um bis 50 um für das erste Füllmaterial und 20 um bis 250 um für das zweite Füllmaterial.These filling materials are contained in the form of a powder dispersed in the polymer matrix. In addition, the average particle size of the second filler should to be taller than that of the first filling material, namely around a factor of 2 - 5. Preferred areas for the particle sizes are 10 um to 50 um for the first filling material and 20 to 250 um for the second filler.
Die oben erwähnte thermoplastische Polymermatrix ist bevorzugt in einer Menge von 30 – 55 Vol.-% und besonders bevorzugt von 37 – 50 Vol.-% enthalten. Gemäß den vorliegenden Ergebnissen zeigt das oben spezifizierte PTC-Polymermaterial bei einer vorbestimmten Spannung eine bemerkenswert große Zone mit hohem Widerstand („heiße Zone"). Ein typisches Beispiel für ein PTC-Polymermaterial gemäß der Erfindung umfaßt somit 40 Vol.-% HDPE, 40 Vol.-% TiB2 und 20 Vol.-% SiC.The above-mentioned thermoplastic polymer matrix is preferably contained in an amount of 30-55% by volume, and more preferably 37-50% by volume. According to the present results, the above-specified PTC polymer material exhibits a remarkably high resistance zone ("hot zone") at a predetermined voltage. A typical example of a PTC polymer material according to the invention thus comprises 40% by volume HDPE, 40 Vol .-% TiB 2 and 20 vol .-% SiC.
Die oben definierten Teilchengrößen sind, neben den Materialien selbst, insbesondere dem Polymermaterial, für die Viskositäten der Gesamtmischung relevant. Derartige Viskositäten können durch einen Schmelzflußindex definiert werden, der gemäß der deutschen Industrienorm (DIN) mit einer Standardöffnung bei einer Standardtemperatur von 190°C und einer Standardbelastung von 21,6 kg durch die Materialmenge gemessen werden kann, die in 10 Minuten durch die Öffnung läuft. Bevorzugte Werte für diese Erfindung sind Schmelzflußindizes von mindestens 1 g/10 min, bevorzugt mindestens 1,5 g/10 min und ganz besonders bevorzugt mindestens 2 g/10 min.The above defined particle sizes, in addition to the materials themselves, in particular the polymer material, for the viscosities relevant to the overall mix. Such viscosities can be defined by a melt flow index which, according to the German Industry standard (DIN) with a standard opening at a standard temperature from 190 ° C and a standard load of 21.6 kg measured by the amount of material which runs through the opening in 10 minutes. Preferred values for this Invention are melt flow indices of at least 1 g / 10 min, preferably at least 1.5 g / 10 min and most preferably at least 2 g / 10 min.
Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung können Halbfertigprodukte, die später unterteilt werden sollen, insbesondere Platten, leicht hergestellt werden, nämlich durch Pressen. Der bei ihnen beim Formungsprozeß gemäß der Erfindung auftretende relativ große Zeitaufwand kann in diesem Fall durch die gleichzeitige Herstellung vieler PTC-Elemente kompensiert werden.With the method according to the invention can Semi-finished products, later should be divided, especially plates, easily manufactured be, namely by pressing. The occurring in them during the molding process according to the invention relatively large Time spent in this case may be due to simultaneous manufacture many PTC elements are compensated.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformendescription preferred embodiments
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Die verschiedenen offenbarten Merkmale können auch für die Erfindung allein oder in Kombinationen relevant sein.following become preferred embodiments of the invention. The various disclosed features can also for the invention may be relevant alone or in combinations.
Die Ausführungsformen sind in dem Figuren gezeigt.The embodiments are shown in the figures.
Der
Produktionsprozeß beginnt
mit dem Mischen der entsprechenden Mengen eines Polymerpulvers oder
-granulats, in diesem Fall HDPE, und Füllmaterial durch standardmäßiges Mischen
mit einem BUSS-MDK/E46-11D (Schneckenmischer). Etwa 100 kg Mischung
muß hergestellt
werden, damit man etwa 2 · 104 Proben erhält, wie in
Das Mischungsmaterial wird dann in einer standardmäßigen Preßeinrichtung (PINETTE EMIDECAU INDUSTRIE, maximale Last von 15 Tonnen) bei einer Temperatur von 140 – 145°C, das heißt 413 – 418 K, gepreßt, und es entsteht eine rechteckige Platte mit den Seitenlängen 16 cm, 4 cm und einer Dicke von zum Beispiel 0,2 cm. Für die Massenproduktion können auch viel größere Platten gepreßt werden. Die oben angegebene Größe ist eine experimentelle Größe.The Mixing material is then placed in a standard pressing device (PINETTE EMIDECAU INDUSTRIE, maximum load of 15 tons) at a temperature of 140 - 145 ° C, that is 413 - 418 K, pressed, and The result is a rectangular plate with side lengths 16 cm, 4 cm and a thickness of, for example, 0.2 cm. For mass production can also much larger plates pressed become. The above size is one experimental size.
Die
in
Tabelle 1 listet mehrere Schmelztemperaturen von zu verwendenden typischen Polymeren und weitere typische Formungstemperaturen gemäß der Erfindung auf. Schmelztemperaturen sind mit TS abgekürzt und in °C angegeben, maximale Formungstemperaturen sind mit TP abgekürzt und ebenfalls in °C angegeben. Die letzte Spalte gibt die Temperaturdifferenz ΔT dazwischen, dividiert durch die Schmelztemperatur TS (angegeben in K), in % an.Table 1 lists several melting temperatures of typical polymers to be used and other typical molding temperatures according to the invention. Melting temperatures are abbreviated T s and given in ° C, maximum molding temperatures are abbreviated T P and also indicated in ° C. The last column indicates the temperature difference ΔT in between, divided by the melting temperature T S (indicated in K), in%.
Tabelle 1: Table 1:
Übrigens ist Aurum der Name eines Polyimids.by the way Aurum is the name of a polyimide.
Zum Vergleich: Typische Werte für die Schmelzinjektion von reinem PE liegen zwischen 200 und 280°C, das heißt bei ΔT/TS-Werten von 16 – 36%. Auch bei anderen Polymermaterialien sind die üblichen Formungstemperaturen viel höher als die in Tabelle 1 angegebenen. Es ist jedoch anzumerken, daß sich die herkömmlichen Temperaturen auf reines Polymer ohne Füllmaterial beziehen. Da durch die erheblichen Mengen an Füllmaterialien die Viskosität drastisch ansteigt, würde man üblicherweise für Füllstoff enthaltende PTC-Polymermaterialien viel höhere Temperaturen wählen.For comparison: Typical values for the melt injection of pure PE are between 200 and 280 ° C, ie at ΔT / T S values of 16 - 36%. Even with other polymer materials, the usual molding temperatures are much higher than those given in Table 1. It should be noted, however, that the conventional temperatures refer to pure polymer without filler material. Since the viscosity increases drastically as a result of the considerable quantities of filling materials, one would usually choose much higher temperatures for filler-containing PTC polymer materials.
Dennoch ist der verwendete Druck nicht sehr hoch, zum Beispiel 110 Bar bei HDPE, das 50 Vol.-% Metallpulver enthält. Druckwerte für weitere Materialien liegen im gleichen Bereich.Yet the pressure used is not very high, for example 110 bar at HDPE containing 50% by volume of metal powder. Pressure values for further Materials are in the same range.
Die
so geformten Platten können
nun über
längere
Zeiträume
ohne irgendwelche Qualitätsprobleme gelagert
werden. Sie können
dazu verwendet werden, spezielle und auch sehr komplizierte Bauelementgeometrien
zu schneiden. Bei dieser Ausführungsform
wird Hochdruckwasserstrahlschneiden verwendet. Eine typische zu
schneidende Geometrie ist in
Die
Einzelheiten der hier verwendeten Geometrie sind in einer früheren Anmeldung
des gleichen Anmelders beschrieben, nämlich
Das Preßverfahren gemäß der Erfindung weist verschiedene Vorteile für die oben umrissene Geometrie auf, da es recht schwierig ist, derartige lange Stege mit Spritzguß herzustellen. Es ist sehr wichtig, insbesondere innerhalb der Stege eine optimale Materialqualität zu erhalten, so daß die Temperaturreduzierung gemäß der Erfindung zu einer stark verbesserten Leistung der hergestellten Bauelemente führt.The pressing process according to the invention has several advantages for the geometry outlined above, since it is quite difficult to do such produce long webs with injection molding. It is very important, especially within the footbridges, to have an optimal one material quality so that the Temperature reduction according to the invention to a greatly improved performance of the manufactured components leads.
Die
Obwohl die Widerstandelemente gemäß der Erfindung einen höheren Kaltwiderstand aufweisen, d.h. einen Widerstand bei einem normal leitenden Zustand, ist der Kaltwiderstand im Vergleich zum Spritzgußbeispiel sehr stabilisiert. Dis trifft auf den Kaltwiderstand nach dem ersten Auslösen und auf jeden folgenden Kaltwiderstandswert nach einem weiteren Auslösen bis zu dem Wert nach einem zehnten Auslösen zu. Somit kann dieses Widerstandselement zumindest zwischen dem ersten und dem neunten Auslösen sehr gut durch einen konstanten Widerstandswert beschrieben werden.Even though the resistance elements according to the invention a higher one Have cold resistance, i. a resistance at a normal conductive state, is the cold resistance compared to the injection molding example very stabilized. Dis meets the cold resistance after the first one Trigger and to each following cold resistance value after another Trigger up to the value after a tenth triggering too. Thus, this resistance element at least between the first and the ninth triggering very can be well described by a constant resistance value.
Weiterhin sind mehr Auslöseaktionen möglich. Das spritzgegossene Widerstandselement wurde nach dem vierten Auslösen zerstört, im Vergleich zu den zehn Auslöseaktionen in dem Beispiel gemäß der Erfindung.Farther are more trigger actions possible. The injection-molded resistor element was destroyed after the fourth trigger, in comparison to the ten trigger actions in the example according to the invention.
Die Tests waren Kurzschlußtests bei einer Systemspannung von 690 V (quadratischer Mittelwert) und einem voraussichtlichen Kurzschlußstrom von 12 kA (quadratischer Mittelwert) bei 50 Hz.The Tests were short circuit tests at a system voltage of 690V (root mean square) and one expected short-circuit current of 12 kA (root mean square) at 50 Hz.
Die
Geometrie war die von
In jedem Fall können die Differenzen zwischen dem Kaltwiderstand vor dem ersten Auslösen und dem Kaltwiderstand nach dem ersten Auslösen gegebenenfalls vermieden werden, indem in den Herstellungsprozeß eine Auslöseaktion aufgenommen wird.In any case can the differences between the cold resistance before the first triggering and the cold resistance after the first triggering optionally avoided by taking a triggering action in the manufacturing process.
Tabelle 2 Table 2
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