NL1015100C2

NL1015100C2 - Werkwijze voor de extrusie van een vezelgevulde polymeersamenstelling.

Info

Publication number: NL1015100C2
Application number: NL1015100A
Authority: NL
Inventors: Markus Johannes Henric Bulters; Hermanus Antonius Wallink; Gerrit Rekers; Petrus Henricus Maria Elemans; Jozef Johannes Fra Kersemakers
Original assignee: Dsm Nv
Priority date: 2000-05-03
Filing date: 2000-05-03
Publication date: 2001-11-06

Description

- 1 -

WERKWIJZE VOOR DE EXTRUSIE VAN EEN VEZELGEVULDE 5 POLYMEERSAMENSTELLING

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het extruderen tot een vormdeel van een 10 met vezels gevulde polymeersamenstelling met behulp van een extruder. De uitvinding heeft tevens betrekking op een zo verkregen vormdeel.

Het extruderen van een met vezels gevulde polymeersamenstelling is op zich reeds bekend.

15 Het is gebleken dat bij het toepassen van lange, brosse vezels, d.w.z. vezels die onder invloed van mechanische krachten kunnen breken, dergelijke vezels tijdens het extrusieproces ook daadwerkelijk breken, hetgeen niet ten goede komt aan de mechanische 20 eigenschappen van het uit de polymeersamenstelling te maken vormdeel. Dergelijke vezels hebben gewoonlijk een lengte van 0,8 - 100 mm. Dit geldt zowel bij een werkwijze, waarbij zowel het polymeer van de polymeersamenstelling als de vezels apart aan de 25 extruder worden toegevoerd, als ook bij een werkwijze waarin een met vezels gevulde polymeersamenstelling aan de extruder wordt toegevoerd om verwerkt te worden tot een vormdeel. Brosse vezels hebben in een trekproef (volgens ISO 527) in zijn algemeenheid een rek bij 30 breuk van minder dan 10%.

De uitvinding beoogt dan ook een werkwijze te bieden, waarbij tijdens de extrusie breuk van de brosse vezels veel minder optreedt, waardoor goede mechanische eigenschappen van het geëxtrudeerde 35 vormdeel worden verkregen. In de stand der techniek 1015 100 - 2 - heeft men gezocht een dergelijke oplossing te vinden, wat geresulteerd heeft in voorstellen om de schroefconfiguratie van de extruder aan te passen, maar tot een bevredigend resultaat heeft dit tot op 5 heden niet geleid.

De onderhavige uitvinding betreft dan ook een werkwijze voor het extruderen tot een vormdeel van een met vezels gevulde polymeersamenstelling met behulp van een extruder, welke hierdoor wordt gekenmerkt dat 10 de vezels brosse vezels zijn en dat de polymeersamenstelling allereerst wordt voorverwarmd tot een temperatuur van tenminste 80°C, voordat de polymeersamenstelling aan de extruder wordt toegevoerd en wordt geëxtrudeerd. Met voordeel vindt deze 15 voorverwarming plaats middels een niet-mechanische bewerking.

Hierdoor wordt bereikt dat met een minimale mechanische belasting van de brosse vezels toch in de extruder de extrusie-condities worden bereikt, in 20 bijzonder de extrusietemperatuur, waardoor vezelbreuk tijdens de extrusie wordt geminimaliseerd, met als gevolg een geëxtrudeerd vormdeel, waarin de vezellengte veel meer overeenkomt met de oorspronkelijke lengte van de vezels, zoals die aan de extruder worden toegevoerd. 25 Op zich is de installatie, waarmee de met vezels gevulde polymeersamenstelling wordt opgewarmd niet kritisch. Indien de voorverwarming plaatsvindt tot een temperatuur beneden de verwekingstemperatuur van de polymeersamenstelling, kan deze voorverwarming 30 verkregen worden door zowel een mechanische, als bij voorkeur een niet-mechanische bewerking van de polymeersamenstelling. Wordt voorverwarmd tot boven de verwekingstemperatuur, dan dient vermeden te worden dat 1015100 - 3 - de opwarming door een mechanische bewerking plaatsvindt (een bewerking waarin door het uitoefenen van afschuifkrachten een opwarming plaatsvindt). Gebruik kan worden gemaakt van bijvoorbeeld een hopperdroger 5 (een silo waarin het materiaal met een gas, zoals lucht of stikstof wordt opgewarmd), of een droogstoof.

Bij het gebruik van semi-kristallijne polymeren in de polymeersamenstelling wordt de polymeersamenstelling bij voorkeur zodanig opgewarmd, 10 dat een temperatuur bereikt wordt die 5-50°C beneden de smelttemperatuur van de polymeersamenstelling ligt. Als smelttemperatuur wordt hier bedoeld de piek in het DSC-thermogram (differential scanning calorimetry), gemeten bij een opwarmsnelheid van 10°C/minuut. Bij het 15 gebruik van amorfe polymeren in de

polymeersamenstelling wordt de polymeersamenstelling bij voorkeur zodanig opgewarmd, dat een temperatuur bereikt wordt, die 5-50°C onder de verwekingstemperatuur van de polymeersamenstelling ligt. Deze 20 verwekingstemperatuur wordt gemeten via DMTA

(dynamisch-mechanische thermische analyse; ASTM D5279). De vakman is eenvoudig in staat om deze opwarmtemperatuur experimenteel vast te stellen, waarbij de hanteerbaarheid van de opgewarmde massa 25 bepalend is (het materiaal mag bijvoorbeeld nog niet gaan plakken).

De uitvinding is van bijzonder belang voor die polymeersamenstelling waarin de brosse vezels glasvezels of koolstofvezels zijn. Dergelijke vezels 30 zijn in bijzondere mate gevoelig voor breuk onder mechanische belasting. Vezels, waarbij het effect van de uitvinding zich goed laat merken, zijn lange vezels, 1015100 - 4 - wat vezels zijn met gewoonlijk een lengte van 0,8-100 mm, bij voorkeur met een lengte van 1-50 mm.

De werkwijze volgens de uitvinding is tevens goed geschikt voor het gezamenlijk extruderen 5 van een thermoplast en de met vezels gevulde polymeersamenstelling, bijvoorbeeld in een situatie waarin de polymeersamenstelling als een zogenaamde "masterbatch" aan de extruder wordt toegevoerd. Dit kan op verschillende manieren plaatsvinden, als er 10 tenminste voor wordt gezorgd dat de voorverwarmde polymeersamenstelling ook tijdens de gezamenlijke extrusie aan zo weinig mogelijk mechanische belasting wordt blootgesteld. Dit kan bereikt worden door aan het begin van de extruder het thermoplast toe te voeren en 15 in de extruder tot smelt op te warmen, waarna via een zij toevoer op de extruder de voorgewarmde, met vezels gevulde polymeersamenstelling wordt toegevoerd. Een andere mogelijkheid is om in een aparte opwarmeenheid het thermoplast op te warmen (bijvoorbeeld via een 20 aparte extruder) en dan voorverwarmd, eventueel als smelt toe te voeren aan de extruder, gelijktijdig met de voorverwarmde polymeersamenstelling.

Bij voorkeur zijn de polymeersamenstelling en de thermoplast gebaseerd op een zelfde polymeer of 25 op polymeren die met elkaar compatibel zijn, al dan niet m.b.v. een compatibiliteitsverbeteraar.

Het polymeer in de polymeersamenstelling en in de thermoplast is in principe gekozen uit de verzameling van (semi-) kristallijne en amorfe 30 polymeren. In het bijzonder is het polymeer in de polymeersamenstelling een polyolefine, een polyester of een nylon, zowel in de vorm van een homopolymeer als in de vorm van een copolymeer. De vakman is met dergelijke 1015100 - 5 - polymeren bekend.

In het bijzonder is de polymeersamenstelling gebaseerd op een polyolefine; indien, zoals boven beschreven, aan de met vezels 5 gevulde polymeersamenstelling een thermoplast wordt toegevoegd, is ook de thermoplast bij voorkeur een polyolefine. In beider gevallen heeft het de voorkeur dat het polyolefine een polyetheen of een polypropeen is. Voor polyetheen alsook voor polypropeen kan dit 10 zowel homopolymeer als (random-)copolymeer zijn.

Van bijzonder belang is de werkwijze volgens de uitvinding, wanneer de met brosse vezels gevulde polymeersamenstelling aan de extruder wordt toegevoerd in de vorm van een granulaat, waarbij de 15 brosse vezels georiënteerd zijn in de lengterichting van het granulaat en nagenoeg of geheel de lengte hebben van het granulaat. Dit betreft dan zowel granulaat waarin nagenoeg elke vezel apart omgeven is door polymeer, alsook, en wel bij voorkeur, een 20 granulaat waarin een bundel van de brosse vezels ingekapseld is in een polymere mantel, alsmede mengvormen ervan. Mechanische bewerking van een dergelijk granulaat heeft een dramatische verkleining van de vezellengte tot gevolg, resulterend in 25 onbevredigende mechanische eigenschappen van het uiteindelijke vormdeel.

Een andere geschikte uitvoeringsvorm van de uitvinding is bij het (her-)gebruik van glasmat-versterkte thermoplasten; veelal betreft dit het 30 hergebruik van afval van dergelijke produkten. Ook in dergelijke produkten zijn lange, brosse vezels aanwezig.

Doordat de polymeersamenstelling al sterk 1015 100 - 6 - is opgewarmd voordat het aan de extruder wordt toegevoerd, kan de extruder ook eenvoudig van aard zijn. Hiermee wordt bedoeld dat in de extruder nagenoeg geen middelen aanwezig hoeven zijn, die een sterke 5 mechanische belasting op de polymeersamenstelling uitoefenen: er dienen slechts middelen aanwezig te zijn om de voorverwarmde polymeersamenstelling tot de extrusie-temperatuur op te warmen en middelen om tot een goede dispersie van de vezels in het extrudaat, en 10 dus in het vormdeel, te komen. Waar in deze beschrijving de term "extruder" wordt gebruikt, wordt deze tevens bedoeld te slaan op alle andere apparatuur, waarmee een gesmolten polymeersamenstelling wordt vormgegeven; hierbij is te noemen de vormgeving met 15 behulp van spuitgieten, extrusie/compression molding en injectie/compression molding.

De voordelen van de werkwijze volgens de uitvinding manifesteren zich in een sterke afname van de vezelbreuk en verbeterde mechanische eigenschappen, 20 waaronder de slagvastheid (Izod, gemeten volgens ISO 180/4A) en de sterkte (gemeten volgens ISO 527/1B).

Naast de hiervoor beschreven essentiële elementen die in de polymeersamenstelling en/of in de thermoplast aanwezig dienen te zijn, kunnen er in de 25 polymere materialen nog allerlei ingrediënten voorhanden zijn die de eigenschappen van de uiteindelijke samenstelling en het daaruit te maken vormdeel beïnvloeden. Zo valt te noemen de aanwezigheid van ani-oxidantia, vulstoffen, kleurstoffen, 30 UV-stabilisatoren. Dit soort ingrediënten zijn de vakman bekend en worden veelvuldig door hem toegepast.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een vormdeel dat met de werkwij ze volgens de uitvinding 10 1 5 10 o - 7 - verkrijgbaar is. Vormdelen vinden hun toepassing in de automobielindustrie, in de bouw, etc. Voorbeelden zijn stijve en slagvaste (constructieve) auto-onderdelen, zoals "splash-shields".

5 Aan de hand van de navolgende voorbeelden en vergelijkende experimenten wordt de uitvinding toegelicht, zonder dat dit bedoeld is ter beperking van de uitvinding.

10 Voorbeelden/vergelijkende experimenten 1015100

Claims

1. Werkwijze voor het extruderen tot een vormdeel 5 van een met vezels gevulde polymeersamenstelling met behulp van een extruder, met het kenmerk dat de vezels brosse vezels zijn met een lengte van 0,8-100 mm. en dat de polymeersamenstelling allereerst wordt voorverwarmd tot een temperatuur 10 van tenminste 80°C, voordat de polymeersamenstelling aan de extruder wordt toegevoerd en wordt geëxtrudeerd.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat door de voorverwarming de 15 polymeersamenstelling een temperatuur bereikt die 5 - 50°C beneden de smelttemperatuur of de verwekingstemperatuur van het polymeer in de polymeersamenstelling ligt.

3. Werkwijze volgens een der conclusies 1-2, met het 20 kenmerk dat de brosse vezels glasvezels of koolstofvezels zijn.

4. Werkwijze volgens een der conclusies 1-3, met het kenmerk dat in de extruder zowel een voorverwarmde of zelfs gesmolten thermoplast 25 alsmede de voorverwarmde, met brosse vezels gevulde polymeersamenstelling met elkaar worden gemengd en beide materialen gezamenlijk tot een vormdeel worden geëxtrudeerd.

5. Werkwij ze volgens conclusie 4, met het kenmerk 30 dat de polymeersamenstelling en de thermoplast gebaseerd zijn op een zelfde polymeer of op polymeren die met elkaar compatibel zijn.

6. Werkwijze volgens een der conclusies 1-5, met het 1015100 - 9 - kenmerk dat de met vezels gevulde polymeersamenstelling gebaseerd is op een polyolefine, op een polyester of op een nylon.

7. Werkwijze volgens een der conclusies 5-6, met het 5 kenmerk dat de polymeersamenstelling gebaseerd is op een polyolefine.

8. Werkwijze volgens een der conclusies 6-7, met het kenmerk dat de polyolefine een polyetheen of een polypropeen is.

9. Werkwijze volgens een der conclusies 1-8, met het kenmerk dat de met brosse vezels gevulde polymeersamenstelling aan de extruder wordt toegevoerd in de vorm van een granulaat, waarbij de brosse vezels georienteerd zijn in de 15 lengterichting van het granulaat en nagenoeg of geheel de lengte van het granulaat hebben.

10. Werkwijze volgens conclusie 9, met het kenmerk dat in het granulaat een bundel van de brosse vezels ingekapseld is in een polymere mantel.

11. Werkwijze volgens een der conclusies 1-10, met het kenmerk dat de vezels een lengte hebben van 1-50 mm.

12. Vormdeel verkrijgbaar via een werkwijze volgens een der conclusies 1-11. 1015100 SAMENWERKINGSVERDRAG (PCT) RAPPORT BETREFFENDE NIEUWHEIDSONDERZOEK VAN INTERNATIONAAL TYPE IDENTIFICATIE VAN DE NATIONALE AANVRAGE KENMERK VAN DE AANVRAGER OF VAN DE GEMACHTIGDE 3879 NL Nederlands aanvraag nr. Indieningsdatum 1015100 ____________________________________3 mei 2000 Inge roepen voorrangsdatum * Aanvrager (Naam) DSM N.V. Datum van het verzoek voor een onderzoek van Door de Instantie voor Internationaal Onderzoek (ISA) aan internationaal type het verzoek voor een onderzoek van internationaal type toegekend nr. gN 35008 NL I. CLASSIFICATIE VAN HET ONDERWERP (bij toepassing van verschillende classificaties, alle dassificatiesymboten opgeven) Volgens de internationale classificatie (IPC) lnt.CI.7: B29C47/00 B29C47/10 II. ONDERZOCHTE GEBIEDEN VAN DE TECHNIEK Onderzochte minimum documentatie Classificatiesysteem Class ificatiesymbolen lnt.CI.7: B29C Onderzochte andere documentatie dan de minimum documentatie, voor zover dergelijke documenten in de onderzochte gebieden zijn opgenomen 1 □ GEEN ONDERZOEK MOGELIJK VOOR BEPAALDE CONCLUSIES (opmerkingen op aanvullingsblad) IV. □ GEBREK AAN EENHEID VAN UITVINDING (opmerkingen op aanvullingsblad) /j- FormPCT/ISA201 a(11/2000)