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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Überführung der
Verstärkungsfasern in eine solche Form, in der ihre Schüttdichte erhöht wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die pelletierten oder granulierten Agglomerate entsprechend der
Erfindung können in der folgenden Art und Weise hergestellt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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- %