DE69006592T2 - Agglomerierte Verstärkungsfasern und Verfahren zu deren Herstellung. - Google Patents

Agglomerierte Verstärkungsfasern und Verfahren zu deren Herstellung.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft agglomerierte Verstärkungsfasern, die zur Faserverstärkung verschiedener Materialien wie Plastik, Gummi, Überzüge, Metalle und Keramik verwendet werden können. Insbesondere betrifft die Erfindung pelletierte oder granulierte Agglomerate, die aus feinen kurzen Verstärkungsfasern mit einem Durchmesser von 0,1 bis 10 um und einer Länge von 5 bis 200 um bestehen.
  • Es sind verschiedene Verfahren zur Faserverstärkung einer Vielfalt von in Form hergestellten oder geformten Gegenständen bekanntgeworden. Gegenstände relativ großer Abmessungen werden verstärkt durch das Verfahren der "Makro-Verstärkung". Beispielsweise werden Gewebe aus Fasern oder Bündel oder Büschel von Fasern mit einer Länge in der Größenordnung von 50 mm in den Gegenständen zur Verstärkung angeordnet. Alternativ können aus Verstärkungsfasern hergestellte Vorformen innerhalb der Gießformen angeordnet und die Gießmaterialien nacheinander dort hineingespritzt werden, um faserverstärkte Gegenstände zu formen.
  • Im Gegensatz dazu werden Gegenstände kleiner Abmessungen im allgemeinen durch das Verfahren der "Mikro-Verstärkung" verstärkt, wobei die Verstärkungsfasern mit dem Gießmaterial vor dem Gießen verknetet und darin verteilt werden. Kurze Glasfasern und Whisker sind zu diesem Zweck verwendet worden. Whisker können definiert werden als monokristalline oder vieikristalline Fasern mit einer Querschnittsfläche von weniger als 5,2 x 10&supmin;&sup4; cm² (8 x 10&supmin;&sup5; sqare inches) (0,2 mm im Durchmesser) und einer Länge, die mehr als das zehnfache des Durchmessers beträgt.
  • Wenn die Whisker oder Glasfasern in das Formmaterial eingeknetet werden, müssen sie einheitlich über die Masse des Formmaterials verteilt sein. Andernfalls gäbe es faserreiche und faserarme Abschnitte in den geformten Gegenständen, die eine unregelmäßige Verstärkung bedingen würden. Deshalb ist es allgemeine Praxis geworden, Whisker und Glasfasern in der Form von Pulvern zu benutzen, in denen einzelne Fasern gut getrennt und voneinander zerlegt sind.
  • Das Problem mit derart gut getrennten Whisker-Pulvern liegt darin, daß sie für die Lagerung, den Transport und die Mischung schwierig zu handhaben sind, da sie sehr füllig sind und dazu tendieren, sofort in die Umgebungsluft aufzufliegen. Dieses Problem ist besonders schwierig mit Whiskern oder Glasfasern mit einem Durchmesser von 0,1 bis 10 um und einer Länge von 5 bis 200 um, da deren Schüttgewicht in der Größenordnung von 0,1 kg/l liegt.
  • Um diese Probleme auszuschalten, ist im Stand der Technik vorgeschlagen worden, die Whisker-Pulver durch ein Bindemittel provisorisch zu verfestigen. Die JP-A 60 204 660 offenbart eine Whisker-Vorformsubstanz, ein anorganisches Bindemittel enthält, wobei die Whisker-Vorform ein faseriges Skelett für metallische Verbundmaterialien ist.
  • Trotzdem tendiert das Bindemittel dazu, die einzelnen Fasern daran zu hindern, leicht getrennt und einheitlich verteilt zu sein, wenn sie in die Gießmaterialien gemischt werden. Zusätzlich ist die Auswahl des Bindemittels begrenzt, um eine Mischbarkeit des Bindemittels mit dem Gießmaterial zu ermöglichen. Die GB-A 1 428 853 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von faserigen Granulaten, das auf Fasern zur Herstellung leichter, poröser Isolier-Füllstoffe gerichtet ist.
  • Die JP-A 1 257 126 offenbart ein Agglomerat, das aus Magnesiumoxisulfat-Fasern von 250 um Durchmesser oder weniger besteht, die nach der Dehydratation durch Extrusion granuliert werden, wobei die Granulate von zylindrischer Form sind und eine Schüttdichte von 0,13 bis 0,25 kg/l haben.
  • Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Verstärkungsfasern, besonders solche, die einen Durchmesser von 0,1 bis 10 um und eine Länge von 5 bis 200 um haben, zu verbessern oder in eine solche Form zu verändern, daß die Handhabung erleichtert wird.
  • Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Überführung der Verstärkungsfasern in eine solche Form, in der ihre Schüttdichte erhöht wird.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, Verstärkungsfasern in einer solchen Form zur Verfügung zu stellen, in der sie weniger leicht während ihrer Handhabung in die Umgebungsluft auffliegen.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, Verstärkungsfasern in einer solchen Form zur Verfügung zu stellen, daß eine Vereinfachung der Handhabung ermöglicht wird, und in der sie in einfacher Weise getrennt und desintegriert in einzelne, diskrete Fasern für eine homogene Verteilung im Formmaterial zerlegt sind.
  • Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Umformung von Verstärkungsfasern in solche Formen zur Verfügung zu stellen, wie sie weiter oben erwähnt wurden.
  • Die vorliegende Erfindung hat gezeigt, daß diese und andere Ziele mittels Pelletierung oder Granulierung durch Agglomeration einzelner Verstärkungsfasern erreicht werden können, die mit einem organometallischen Gemenge in einem solchen Maße bedeckt sind, daß die Agglomerate eine sphärische Form haben mit einem Durchmesser von 0,1 bis 10 mm und einer Schüttdichte von 0,2 bis 1,0 kg/l.
  • Die erfindungsgemäß pelletierten oder granulierten Agglomerate von Verstärkungsfasern können hergestellt werden unter Verwendung verschiedener faseriger Verstärkungsmaterialien mit einem Durchmesser von 0,1 bis 10 um und einer Länge von 5 bis 200 um. Diese beinhalten Whisker aus Kaliumtitanat, Whisker aus Siliziumkarbid, Whisker aus Siliziumnitrid. Kurze Glasfasern und Fasern aus basischen Magnesiumsalzen und Kalziumsilikaten mit ähnlichen Abmessungen können ebenfalls benutzt werden.
  • Die pelletierten oder granulierten Agglomerate entsprechend der Erfindung können in der folgenden Art und Weise hergestellt werden.
  • Zunächst werden verstärkende faserige Materialien in der Form von Pulvern, d. h. in der Form von getrockneten, getrennten diskreten Fasern, naßgemacht oder mit Wasser angefeuchtet. Die Befeuchtung kann während des Mischens und Rührens des Pulvers in einem Mischer durchgeführt werden. Wenn die Anfeuchtung fortschreitet, werden die Oberflächen der jeweiligen Fasern wenigstens teilweise benetzt, wodurch erste oder Primär-Aggregate aus befeuchteten Fasern gebildet werden. Es wird angenommen, daß in jedem der Primär-Aggregate die angefeuchteten Fasern unter der Einwirkung der Grenzflächenspannung des Wasserfilms aneinander angelagert werden. Vorzugsweise wird die Anfeuchtung bis zu einem solchen Maße durchgeführt, daß ein Wasserfilm in Kapilar- Zustand zwischen den benachbarten Fasern in den Primär-Aggregaten gehalten wird, weil dieser Kapilar-Haltezustand die stärkste Kohäsionskraft zwischen den aggregierten Fasern entwickelt.
  • Danach werden die Pulver zusammen mit den darin gebildeten Primär- Aggregaten einer rollierenden Bewegung unterzogen, wobei weiterhin Wasser zugesetzt werden kann oder nicht. Dies kann durchgeführt werden durch Nutzung einer schräggestellten drehenden Scheibe, Pfanne oder Trommel wie beispielsweise einem Pelletierteiler. Alternativ kann für diesen Zweck auch ein Mischer oder Kneter benutzt werden, der mit Schaufeln ausgestattet ist, wie beispielsweise ein Henschel-Mischer. Bei rollierender Bewegung rollen die Primär-Äggregate auf den angefeuchteten, jedoch noch getrennten Pulvern. Die rollierenden Primär-Aggregate dienen als Nuklei, verbinden die getrennten Pulver und wachsen in Sekundär-Aggregate von größerer Abmessung.
  • Schließlich werden die Sekundär-Aggregate getrocknet, um pelletierte oder granulierte Agglomerate aus Verstärkungsfasern zu erhalten. Die gebildeten Agglomerate sind im allgemeinen sphärisch und deren Durchmesser variiert zwischen 0,1 mm bis 10 mm, abhängig von den Bedingungen der Befeuchtung und der rollierenden Bewegung.
  • Die Menge der Feuchtigkeit und der Grad der rollierenden Bewegung, der die faserigen Pulver ausgesetzt sind, beeinflußt ebenfalls die Schüttdichte der gebildeten granulierten Agglomerate sowie die Kohäsionskraft zwischen den Fasern in den Endprodukten. Wenn zu sehr angefeuchtet würde, würde die überflüssige Menge des Wassers während der rollierenden Bewegung auf die Oberflächen der Sekundär-Aggregate tropfen, so daß nach dem Trocknen die Fasern in den jeweiligen Agglomeraten in Form von Klumpen aneinander gebunden wären, die stark genug sind, um einer anschließenden Trennung und der Disperpierung in die Gießmaterialien zu widerstehen. Wenn andererseits eine zu geringe Mengen an Wasser zugegeben würde, würden die Materialien in nicht genügender Weise miteinander verbunden sein, so daß es schwierig wäre, die Faser- Pulver zu pelletieren oder zu granulieren.
  • Die Befeuchtung oder die Durchführung der rollierenden Bewegung kann so gestaltet werden, daß sichergestellt ist, daß die granulierten Agglomerate einen Durchmesser von 0,1 bis 10 mm und eine Schüttdichte von 0,2 bis 1,0 kg/l haben. Der Ausdruck "Schüttdichte", wie er hier in Bezug auf die pelletierten oder granulierten Agglomerate benutzt wird, bezieht sich auf das Gewicht pro Volumeneinheit der Agglomerate, die in der Schüttung enthalten sind. Der richtige Betrag an Feuchtigkeit variiert in Abhängigkeit von der Form der faserigen Materialien genauso wie von dem gewünschten Durchmesser der granulierten Agglomerate. Im Falle einer Mischung von Whiskern mit einem Durchmesser von 0,7 um und einer variierenden Länge von 30 bis 50 um beträgt der richtige Betrag der Feuchtigkeit 0,6 bis 1,0 Gewichtsteile pro Gewichtsteil an Whiskern.
  • Es wird angenommen, daß in den auf diese Weise ohne Benutzung eines Bindemittels pelletierten oder granulierten Agglomeraten einzelne Fasern miteinander zunächst unter der Einwirkung der physikalischen Kohäsionskraft angelagert werden im Gegensatz zu der Adhäsionskraft, die durch ein Bindemittel entwickelt wird. Daher werden die Agglomerate, wenn sie in die Gießmaterialien gemischt werden, leicht getrennt und wieder in einzelne faserige Materialien zerlegt und können in einfacher Weise homogen in den Gießmaterialien verteilt werden.
  • Es wird zu würdigen sein, daß die körnigen Agglomerate entsprechend der Erfindung ein Schüttdichte von 0,2 bis 1,0 kg/l haben, was beträchtlich hoch ist im Vergleich mit einem Schüttdichtewert von 0,1 kg/l für herkömmliche faserige Pulver. Daher sind die Faseragglomerate entsprechend dieser Erfindung weniger füllig und ihr spezifisches Volumen ist nur ein Bruchteil des spezifischen Volumens herkömmlicher Pulver. Als ein Ergebnis werden Handhabung und Transport in bemerkenswerter Weise verbessert. Ein anderer bedeutender Vorteil der Agglomerate ist es, daß die einzelnen Fasern während der Handhabung weniger leicht in die Umgebungsluft auffliegen, so daß ein hohes Maß an Sauberkeit in der Arbeitsumgebung gegeben ist. Darüber hinaus verbessern die körnige Form der Agglomerate und die Korngröße von 0,1 bis 10 mm in erheblichem Maße das Fließverhalten der Materialien, wodurch Handhabung, Transport und Mischung vereinfacht werden.
  • Es ist ein Merkmal der Erfindung, daß eine kleine Menge von organometallischen Verbindungen, die durch Hydrolyse an die Oberflächen der anorganischen faserigen Materialien gekoppelt werden, mit Wasser vermischt oder den Pulvern in Form von einer wässerigen Lösung zugegeben wird. Beispiele solcher Verbindungen sind organometallische Verbindungen von Titan und Aluminium und organometallische Verbindungen von Silicium, wie beispielsweise Silan. Diese Verbindungen fördern die Pelletierung oder Granulierung und dünne organische Lagen, die auf den Oberflächen der Whisker gebildet werden, dienen dazu, die einzelnen Whisker davor zu schützen, übermäßig fest agglomeriert zu werden.
  • Es wurden Whisker aus Kaliumtitanat, Whisker aus Siliziumkarbid und Whisker aus Siliziumnitrid verwendet, die Abmessungen und physikalische Eigenschaften hatten, wie sie jeweils in Tafel 1 dargestellt sind. Von jeder Sorte von Whiskern wurden 10 kg der Whiskerpulver in einen Henschel-Mischer gegeben. Während des Mischens und Rührens wurden die Pulver mit Wasser angefeuchtet, mit oder ohne Zugabe von 50 ml Amino-Propyl-Triäthoxysilan als eine organometallische Verbindung. Die angefeuchteten Pulver wurden dann auf eine schräggestellte drehende Scheibe gegeben und einer rollierenden Bewegung für zehn Minuten unterzogen. Das Produkt wurde dann bei einer Temperatur von 105º C getrocknet, um Agglomerate von Whiskern zu erhalten. Die Größe und Schüttdichte der Agglomerate wurde gemessen und die Ergebnisse sind in Tafel 1 dargestellt. Die Größenverteilung der Agglomerate, die aus Siliziumkarbidwhiskern hergestellt wurden, ist in Tafel 2 angegeben.
  • Es wurde beobachtet, daß die Agglomerate von Whiskern, die auf diese Art hergestellt wurden, allgemein eine sphärische Gestalt hatten. Die Agglomerate wurden dann auf ihre Dispersionsfähigkeit geprüft. Jede Probe der Agglomerate wurde in Wasser gegeben. Unter Rühren wurden die Agglomerate sofort getrennt, um eine Slurry zu bilden, in der die einzelnen Whisker homogen verteilt waren. Die gesamte Menge der Slurry passierte ein 100-mesh-Sieb.
  • Weiterhin wurde jede Probe von Agglomeraten in einer Menge von 30 Gewichtsprozenten einem Polypropylenharz zugegeben. Jede Mischung wurde bei 200º C für zehn Minuten geknetet und in Tafeln geformt. Die Oberfläche jeder Tafel wurde mittels eines Mikroskops in 200facher Vergrößerung untersucht, ohne daß überhaupt irgendein Knäuel von Whiskern gefunden wurde. Tafel 1 Abmessungen und physikalische Eigenschaften der Whisker Whisker Material Befeuchtungsgrad (Gew.-%) Amino-Propyl-Triäthoxysilan Korngröße (mm) Schüttdichte (kg/l) Durchmesser (um) Länge (um) wahre Dichte Schüttdichte Kalium-Titanat Siliciumkarbid Siliciumnitrid nicht zugegeben zugegeben Tafel 2 Korngröße (mm) Gewichts- %

Claims (2)

1. Agglomerat, das im wesentlichen aus Whiskern oder kurzen Fasern besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Whisker oder kurzen Fasern, die eine Länge von 5 - 200 um haben, aus einem Material bestehen, das aus einer Gruppe von Kaliumtitanit mit 0,3 - 0,7 um Durchmesser, Siliciumkarbid mit 0,1 - 1,0 um Durchmesser, Siliciumnitrid mit 0,1 - 1,6 um Durchmesser oder Glasfasern mit 0,1 - 10 um Durchmesser ausgewählt ist, wobei die Whisker oder kurzen Fasern mit einer organometallischen Verbindung bedeckt sind und die Agglomerate von sphärischer Form sind mit einem Durchmesser von 0,1 - 10 mm und einer Schüttdichte von 0,2 - 1,0 kg/l.
2. Verfahren zur Herstellung von Agglomeraten gemäß Anspruch 1, das die Schritte des Befeuchtens von Pulvern aus Verstärkungsfasern mit einem Durchmesser von 0,1 - 10 um und einer Lage von 5 - 200 um mittels Wasser, des Mischens und Rührens der Pulver, um die Bildung von Primär-Aggregaten befeuchteter Fasern zu erlauben, des Unterziehens der Primäraggregate einer Rollierbewegung zur Bildung von Sekundär-Aaggregaten und des Trocknens der Sekundär- Aggregate aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Befeuchtungswasser ein Organometall zugegeben wird.
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