JPH0615641A - 超高分子量ポリエチレンのペレット成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 安定した凝集体をもたらし、用いた材料を、
機械的処理によって害することのない超高分子量ポリエ
チレンのペレット成形法の提供。 【構成】 粉末状超高分子量ポリエチレンを、単独で又
は他のポリエチレンとの混合物として、加圧下に100〜1
50℃の温度、及び2〜40秒のプレス成形用金型内での平
均滞留時間で、1:5〜1:15の圧縮比で紐状押出物に凝集
することにより圧縮して紐状押出物とし、これをペレッ
トに分割する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粉末状の超高分子量ポ
リエチレン又は超高分子量ポリエチレンと他のポリエチ
レンとの混合物から凝集体を製造するための方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】500,000g/molを越える平均分子量、特
に、少なくとも2.5x106g/mol〜107g/molまでの平均分子
量を有する線状ポリエチレンが、超高分子量ポリエチレ
ン(PE-UHMW) と呼ばれている。上記の分子量とは、粘度
測定法で測定した値を意味する。それらの分子量の測定
法が、例えば、CZ-Chemietechnik 4 (1974年) 、129 ペ
ージ以下に記載されている。

【０００３】PE-UHMW の製造のための種々の方法が知ら
れている。低圧下にTi(III) のハロゲン化物と有機アル
ミニウム化合物との混合触媒を用いて行なう実証済の方
法が、DE-AS 23 61 508 に記載されている。

【０００４】PE-UHMW は、多くの工業的に重要な特性に
おいて優れている。低温においてもなお良好な値を示す
PE-UHMW の高い衝撃強度が、強調さるべきである。非常
に強い衝撃を受けても、破砕には至らない。PE-UHMW
は、応力腐食に対して抵抗性があり、高温でも形状安定
性及び引裂抵抗性がある。更に注目に値するのは、PE-U
HMW の高い耐摩耗性、他の材料と比較して低いPE-UHMW
の摩擦係数、腐蝕性の媒体に対するPE-UHMW の優れた耐
性である。

【０００５】これらの性質全体によって、PE-UHMW は、
特殊な材料として、工業技術の多くの領域で採用されて
きた。例として、織機のピッカー及び織物工業における
同様の高い応力のかかる部品の製造のためのPE-UHMW の
使用、機械製造におけるローラー、弁、スライド、スト
リップ及びガイドストリップの材料としての使用、採鉱
におけるバンカー、コークスシュート及びコンベヤトラ
フのライニングをするための使用が挙げられる。PE-UHM
W は、フィルター技術においては、フィルター要素の製
造に用いられ、包装工業においては、飲物詰め込み装置
のコンベヤスター、ガイドローラー及び偏向ローラーの
製造に用いられ、電気工学においては、高周波及び超高
周波分野における絶縁部の製造に用いられている。

【０００６】生産者により、主としてグラニュールとし
て市場に流通される低分子量等級のポリエチレンとは著
しく異なり、PE-UHMW は、運搬、販売、貯蔵及び加工に
不都合な状態である粉末として市場に出ている。超高分
子量ポリエチレンが粉末として提供される理由は、その
熱特性にある。PE-UHMW は、加熱しても溶融せず、ただ
粘弾性状態に変移するだけであり、この状態では、個々
の重合体粒子は、軟化するが、200 ℃でもなおその形状
を維持する。それらの粒子は、互に集合して、容易に再
びばらばらになる緩くくっつきあったより大きな粒子に
なるだけである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そのため、安定した凝
集体をもたらし、しかも、用いた材料を、機械的処理、
例えば生じた剪断力によっても、熱的負荷によっても害
することのない超高分子量ポリエチレンのペレット成形
法を提供するという課題があった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、超高分子量ポ
リエチレンを、単独で又は他のポリエチレンとの混合物
として、ペレット成形する方法である。この方法は、粉
末状材料を、加圧下に100 〜150 ℃の温度、及び2 〜40
秒のプレス成形用金型内での平均滞留時間で、1:5 〜1:
15の圧縮比で紐状押出物に凝集することにより圧縮し、
プレス成形用金型から出てくる紐状押出物を、所望の長
さのペレットに分割することを特徴としている。

【０００９】この新規な方法は、PE-UHMW を、優しく、
即ち、巨大分子の崩壊によってその特性を損なうことな
しに、高耐久性ペレットに変換することを可能にする。
紐状押出物への凝集とは、鋳型内にある開いた圧縮チャ
ンネル( プレス成形用金型) 内で、回転するローラーの
作用下に、粉末状材料を圧縮することを意味する。この
作業法において、プレス成形用金型に供給された粉末
は、鋳型上に材料の層を形成し、この層は、ローラーに
よって押し付け押し進めらる。ローラーの作用下に、粉
末は、先ず予備圧縮され、次いで移送され、ローラーを
かける間に増加する圧力により、鋳型の圧縮チャンネル
に押し込まれる。チャンネルにおいて、圧縮工程及び移
送工程を連続的に繰り返すことにより、互に結合された
個々の円盤から、凝集体が連続的な紐状物になる。ロー
ラーによってかけられる圧力は、当然、圧縮チャンネル
内に形成された生成物の、摩擦により生じた反力よりも
大きくなければならない。鋳型の下側に紐状押出物が出
で来、刃で所望の長さの円筒に細分される。

【００１０】鋳型の圧縮チャンネル内の紐状押出物の構
造及び耐久性にとっては、明らかであるように、概し
て、個々の粒子の間の間隔を少なくする粉末にかかる圧
力、移送、圧迫及び圧縮の際の摩擦による粉末の発熱、
及び高温が圧縮物に作用する時間が決定的なものであ
る。高圧下での高温は、粒子が互に付着することに帰着
し、重合体押出物又はペレットの耐久性にとっては、圧
力／熱処理の期間が決定的である。

【００１１】粉末状PE-UHMW の圧縮において、所定時間
にわたり所定の温度範囲を維持することにより、移送の
際にも、貯蔵の間にも崩壊又は耐え難い摩耗を生ずるこ
とのない安定性の高い成形物が得られる。

【００１２】本発明によれば、紐状押出物への凝集は、
加圧下に100 〜150 ℃の温度で行なわれる。特に、110
〜130 ℃の温度が良いことが証明されている。作業温度
は、外側から熱を加えることにより調節するのではな
く、ローラーの運動および鋳型のチャンネル内での圧縮
工程の結果である系固有の摩擦熱により調節するのが好
ましい。上記の温度でのプレス成形用金型内平均滞留時
間は、2 〜40秒、好ましくは5 〜10秒である。第三の値
として、圧縮比が、新規な作業法を特徴付けている。圧
縮比は、粉末状材料の圧縮の尺度であり、圧縮チャンネ
ルの直径の長さに対する比である。本発明によれば、圧
縮比は、1:5 〜1:15であり、特に、1:8 〜1:12が好まし
い。

【００１３】新規な方法を実施するため、ペレット成形
用圧縮機が用いられ、この圧縮機においては、ローラー
が、水平な円状の平らな鋳型( プレート状の鋳型) の上
を回転する。装置に関し、ここに種々の実施の態様が可
能である。即ち、回転するローラーヘッドを有する固定
して配備された平らな鋳型、回転するローラーヘッドを
有する回転する平らな鋳型、又は固定したローラーヘッ
ド及び駆動されるローラーを有する回転する平らな鋳
型、等が可能である。

【００１４】鋳型は、上をローラーが回転して通る穿孔
した領域、即ち圧縮チャンネルを有する円形の平板から
なっている。圧縮チャンネルの形状は、圧縮の際に発生
する熱及び圧縮チャンネル内の圧縮物の滞留時間の決定
に関与する。その形状は、ペレットの所望の大きさに本
質的に対応する所定の紐状物断面に関し、チャンネルの
長さ及び幾何学的形態により特定される。原理的には、
長さ全体にわたって円筒状に形成された圧縮チャンネル
を設けることは可能である。このように形成されたチャ
ンネルは、所定の直径の場合にチャンネルの長さにわた
ってのみ温度および滞留時間の調節が可能なのである。
そのため、変化する条件へのこの方法の適応性を損なわ
れる。したがって、本発明の好ましい実施態様によれ
ば、鋳型は、先ず初めにチャンネルの入口からチャンネ
ルの出口の方向に狭くなり、つまり、その直径が減少
し、最終的に、直径が円錐状部分の出口の直径と一致す
る円筒状の出口で終るチャンネルを備えている。圧縮チ
ャンネルの円筒状部分は、0.5 〜15mmの直径を有するの
が好ましく、1.5 〜10mmの直径を有することが特に好ま
しい。圧縮チャンネルの円錐状部分の最初の直径及び最
終の直径を変えること、及び圧縮チャンネルの円錐状部
分の長さと円筒状部分の長さとの比を変化させることに
より、チャンネル内の摩擦及びそれにより圧縮材料に生
じる熱に影響を与え、それらを調節することができる。
同様に、この方法で、粉末状重合体の滞留時間、つまり
鋳型の穿孔内での加熱処理時間を制御することができ
る。ポリエチレンの粉末の取り込みを容易にし、均一な
状態にするため、圧縮チャンネルは、入口円錐部を備え
ることができる。円筒形状と異なる斯かる圧縮チャンネ
ルにおける圧縮比は、最少の直径及び同じ体積の仮想円
筒の長さから得られる。

【００１５】回転するローラーの役割は、鋳型上に載っ
た材料の層を、圧縮すること及び圧縮チャンネルに押し
込むことである。平らな鋳型の圧縮機は、通常、2 〜6
個のローラーを備えている。ローラーは、粉末状重合体
に圧力を加え、この圧力の大きさは、ローラーヘッドの
トルクにより調節される。ローラーヘッドとは、平らな
鋳型の圧縮機に関しては、ローラーが軸を会して取り付
けられた中央部分を意味する。

【００１６】重合体の粉末にかかるローラーの圧力が充
分に有効になるよう、ローラーと鋳型との間の間隔を、
できるだけ小さくする。これに関し、内側から外側へと
減少する重合体粉末にかかるローラーの圧力を考慮し
て、鋳型の穿孔領域を、ローラーの巾よりも狭く設計す
るのが良いことも認められている。穿孔領域とローラー
との巾が同じ場合には、ローラーの縁部が上を通過する
圧縮チャンネル内の粉末状材料の滞留時間は、中央部に
おける滞留時間よりも長く、重合体が熱分解し、場合に
よっては、可塑化も始まり、摩耗によって生じた金属粒
子が蓄積するというおそれがある。更にローラーと鋳型
との直接の接触を回避して、金属の摩耗を充分にくい止
め、鋳型の損傷を防止するのが良い。この目的のため、
穿孔領域を溝によって局限するのが良いことが認められ
ている。加えて、ローラーの稜を面取りして、ローラー
が、傾斜部位において、鋳型と接触しないようにするこ
とが更に好都合である。しかも、これにより、重合体の
粉末が、ローラーの外側の領域によって捕捉され、圧縮
チャンネルが無いために過剰な負荷を受けることが回避
される。

【００１７】本発明の方法に従い、種々の等級の超高分
子量ポリエチレン、更には超高分子量ポリエチレンと他
のポリエチレンとの混合物をペレットに加工することが
できる。混合成分としては、約10,000〜約500,000g/mol
の分子量を有するポリエチレンが考えられ、それらの成
分の混合物における割合は、約40重量％までである。そ
れに加え、重合体又は重合体混合物は、添加剤を含んで
いてもよい。それらの添加剤には、加工助剤及び安定
剤、例えば、静電防止剤、腐蝕防止剤、光安定剤及び熱
安定剤、更に、顔料および、ポリエチレンに特別な性質
をもたらす添加物、例えば熱伝導性を高めるための金属
の粉末、中性子吸収を向上させるためのホウ素又はホウ
素化合物、或いは変形に対する抵抗性を高めるためのガ
ラスビーズがある。

【００１８】以下の実験において、新規な方法を、実施
例として説明する。しかしながら、本発明は、記載され
た実施態様に限定されないことは勿論のことである。

【００１９】

【実施例】

実験１( 実施例１) 粉末状PE-UHMW の凝集を、図１に断面図で示す圧縮機で
行なった。１は鋳型、２はローラー、３はローラーヘッ
ド、４は圧縮チャンネルを表わす。圧縮チャンネルの実
施態様が、図２に示されている。粉末状予備圧縮材料
が、入口円錐部５を経て、円筒状部分７に移行する圧縮
チャンネルの円錐状部分６に達する。紐状押出物は、出
口８において圧縮チャンネルを離れ、図示しない刃で、
円筒状のペレットに細分する。

【００２０】1 時間毎に60kgの粉末状PE-UHMW を、回転
する鋳型と固定されたローラーヘッドとを有する前記の
型の装置で圧縮する。鋳型は、30mmの厚さを有し、80／
分の回転数で回転する。ローラーヘッドは、二つのロー
ラーを備え、100 〜105 ／分の回転数で作動される。圧
縮チャンネルは、18mmの長さにわたり約1.4 ゜の傾斜角
を有する円筒形状を有し、次いで、直径が円錐の最終の
直径と一致する円筒になる。

【００２１】表１において、粉末及びペレットの特性を
互に対比する。この実験及び他の実験における値は、以
下の方法に従って決定する。 流動値 ドイツ工業規格 5
3493 粘度数 ドイツ工業規格 5
3728 シート4 嵩密度 ドイツ工業規格 5
3468 均一に圧縮された材料の密度 ドイツ工業規格 5
3479 ノッチ付衝撃強さ ドイツ工業規格 5
3453 (但し、両側に15゜の鋭い先端の尖ったノッチ
付) グレイン硬度 ペレットを長手方
向軸に垂直に押し潰すのに必要な力を測定する。示した
値は、50の個々の測定値の平均値である。

【００２２】摩耗 30g
のペレットを、290mm の直径の回転ドラムで、60分間、
25／分の回転数で揺動する。摩耗は1mm の篩を用いて決
定する。 表１ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 粉末 ペレット −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 流動値(N/mm2) 0.15 0.15 粘度数(ml/g) 1990 1990 嵩密度(g/cm3) 0.46 0.54 均一に圧縮された材料の密度(g/m3) 0.933 0.935 ノッチ付衝撃強さ(mJ/mm2) 182 175 長さ(mm) − 5.5 直径(mm) − 2.7 グレイン硬度(N) − 98 摩耗(%) − 0.5 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 変らない流動値及び変らない粘度数が、重合体が圧縮作
用により分解しなかったことを示している。 実験２( 実施例２) 実験１の装置で、同じ条件下に、1 時間毎に60kgの緑色
に着色した粉末状PE-UHMW(粉末の流動値:0.15N/mm2) を
圧縮する。得られるペレットの特性を、表２にまとめて
示す。 表２ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− ペレット −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 流動値(N/mm2) 0.16 粘度数(ml/g) 2100 嵩密度(g/cm3) 0.52 ノッチ付衝撃強さ(mJ/mm2) 174 長さ(mm) 5.4 直径(mm) 2.7 グレイン硬度(N) 62 摩耗(%) 2.7 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 実験３( 実施例３) 実験１の装置で、同じ条件下に、1 時間毎に60kgの、5
重量％のカーボンブラックが配合された粉末状PE-UHMW
を圧縮する。得られるペレットの特性を、表２にまとめ
て示す。 表３ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− ペレット −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 流動値(N/mm2) 0.15 嵩密度(g/cm3) 0.44 均一に圧縮された材料の密度(g/m3) 0.935 長さ(mm) 6.1 直径(mm) 2.7 グレイン硬度(N) ＞200 摩耗(%) 0.3 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 実験４( 実施例４) 固定された平らな鋳型と、回転するローラーヘッドとを
備えた実験室用圧縮機で、1 時間毎に6.2kg のPE-UHMW
を加工する。鋳型は、18mmの厚さを有し、84／分の回転
数で回転する。圧縮チャンネルは、16mmの長さにわた
り、約1.4 ゜の傾斜角を有する円錐形状を有し、直径が
円錐の最終直径と一致する円筒に移行する。得られるペ
レットの特性を、表４にまとめて示す。 表４ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 粉末 ペレット −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 流動値(N/mm2) 0.18 0.15 粘度数(ml/g) 1930 1890 均一に圧縮された材料の密度(g/m3) 0.935 0.935 ノッチ付衝撃強さ(mJ/mm2) 175 192 長さ(mm) − 5.4 直径(mm) − 2.7 グレイン硬度(N) − 80 摩耗(%) − 0.9 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 実験５( 実施例５) 実験４に相当する装置で、緑色に着色した粉末状PE-UHM
W を圧縮する。105 ／分のローラーヘッドの回転数で、
1 時間毎に12kgの粉末を加工することができる。鋳型
は、18mmの厚さを有し、圧縮チャンネルは、17mmの長さ
にわたり、約1.4゜の傾斜角を有する円錐形状を有して
いる。 得られるペレットは、8mm の長さであり、2.8m
m の直径を有している。ペレットのグレイン硬度は、71
Ｎであり、摩耗は、5 ％である。 実験６( 実施例６) 実験４に相当する装置で、5 重量％のカーボンブラック
が配合された粉末状PE-UHMW を圧縮する。87.5／分のロ
ーラーヘッドの回転数で、1 時間毎に6.1kg の粉末を加
工する。鋳型は、17.5mmの厚さを有し、圧縮チャンネル
は、16mmの長さにわたり、約1.4 ゜の傾斜角を有する円
錐形状を有している。

【００２３】得られるペレットは、9.5mm の長さであ
り、3mm の直径を有している。ペレットのグレイン硬度
は、20より上であり、摩耗は、0.2 ％である。 実験７( 実施例７) 実験４に相当する装置で、熱伝導性を高めるために20重
量％のアルミニウムグラファイトが配合された粉末状PE
-UHMW を圧縮する。ローラーヘッドの回転数は、109 ／
分であり、処理量は、粉末9.3kg ／時間である。得られ
るペレットは、7.1mm の長さであり、2.8mm の直径を有
している。ペレットのグレイン硬度は、200 より上であ
り、摩耗は、0.5 ％である。

【００２４】本発明は特許請求の範囲に記載の超高分子
量ポリエチレンのペレット成形方法に関するが、実施の
態様として以下を包含する： （１） 紐状押出物への凝集を、110 〜130 ℃の温度
で行う請求項１記載の方法。 （２） プレス成形用金型内での滞留時間が、5 〜10
秒である請求項１又は上記（１）に記載の方法。 （３） 圧縮比が、1:8 〜1:12である請求項１、上記
（１）または（２）に記載の方法。

【図面の簡単な説明】

【図１】粉末状PE-UHMW の凝集を行なう圧縮機の断面図
である。

【図２】圧縮チャンネルの実施態様を示す図である。

【符号の説明】

１…鋳型 ２…ローラー ３…ローラーヘッド ４…圧縮チャンネル ５…入口円錐部 ６…円錐状部分 ７…円筒状部分 ８…出口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーエル・オナルラー ドイツ連邦共和国、オーバーハウゼン、フ ランツシュトラーセ、８ (72)発明者 アンドレアス・ゾッベ ドイツ連邦共和国、ディンスラーケン、ヴ ィルマシュトラーセ、63

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超高分子量ポリエチレンを、単独で又は
   他のポリエチレンとの混合物として、ペレット成形する
   方法において、 粉末状材料を、加圧下に100 〜150 ℃の温度、及び2 〜
   40秒のプレス成形用金型内での平均滞留時間で、1:5 〜
   1:15の圧縮比で紐状押出物に凝集することにより圧縮
   し、 プレス成形用金型から出てくる紐状押出物を、所望の長
   さのペレットに分割することを特徴とする、上記方法。
2. 【請求項２】 圧縮チャンネルが、先ず初めにチャンネ
   ルの出口の方向に狭くなり、次いで円筒状の出口で終る
   請求項１に記載の方法。