NO850119L - Smoeremiddel for ekstrudering av polyvinylklorid - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en smøremiddelblanding for anvendelse i uherdet termoplastisk polyvinylkloridharpiks (UPVC) for fremstilling av rør med spesielt fordelaktige egenskaper, samt en fremgangsmåte for fremstilling av en slik blanding.

Smøremiddelblandingen i henhold til foreliggende oppfinnelse består av silica-støv belagt med utvalgte smøremidler som når den tilsettes til UPVC for ekstrudering av rør, forbedrer flytbarheten av tørre blandingen-og fører til en øket slagseighet og stivhet for de fremstilte rør. Derved kan mengden av fyllstoff økes samtidig som rørets veggtykkelse kan reduseres, hvorved produksjonskostnadene kan reduseres uten at den nødvendige slagseigheten svekkes.

Det er kjent å fremstille ekstruderte UPVC rør for bruk i forbindelse med kloakkrør og telefon-, kraft- og telekommunikasjonskabler. Konvensjonelle UPVC blandinger som benyttes for ekstrudering inneholder de følgende bestanddeler:

1. Termisk stabilisator som f.eks. basiske bly- og tinnsalter.

2. Indre smøremidler slik som vokser med lavt smeltepunkt som forbedrer smeltingen av UPVC pulveret i de første sonene i ekstruderingskaret og som reduserer viskositeten av ekstruderingsblandingen. 3. Et ytre smøremiddel slik som f.eks. paraffinvoks for å sørge for smøring mellom smeiten og metallet i ekstruderingskaret. 4. Et pigment slik som f.eks. en blanding av carbon black og titandioksyd for å oppnå ønsket farge. Titandioksyd kan benyttes alene for å stabilisere de ekstruderte rør mot ultrafiolett lys. 5. Et fyllstoff, vanligvis kalsiumkarbonat for å redusere kostnaden av blandingen. 6. Et modifiseringsmiddel for å hindre reduksjon av slagseigheten ved bruk av høy andel kalsiumkarbonat.

Den kjemiske sammensetning, partikkelstørrelsen og formen av fyllstoffet er viktig idet fyllstoffet vanligvis er bestemmende for de fremstilte rørenes mekaniske egenskaper slik som stivhet og slagseighet. Mengden av fyllstoff som kan benyttes er begrenset av en reduksjon i slagseigheten av de ekstruderte rør, som vanligvis faller under et akseptabelt nivå når mengden av kalsiumkarbonat nærmer seg eller overstiger 20 deler pr. hundre deler harpiks (phr) i blandingen.

Tilsetningen av modifiseringsmiddel som øker slagseigheten kan benyttes for å øke mengden av kalsiumkarbonat opp til 40 eller 60 phr, men slike modifiseringsmidler er dyre slik at det er lite å oppnå ved å benytte mer enn ca. 20 phr fyllstoff. Når det benyttes en relativt stor mengde fyllstoff er det ønskelig å belegge kalsiumkarbonatpartiklene med et smøremiddel som for eksempel stearinsyre for å forbedre ekstruderingsegenskapene av blandingen.

Det er nylig blitt foreslått å erstatte alt eller deler av det konvensjonelt brukte kalsiumkarbonatfyllstoff med partikkelformet, amorft silica som utvinnes ved en prosess hvor silica reduseres og reduksjonsproduktet oksyderes i gassfase hvorved det dannes kuleformede amorfe partikler hvor minst 60 % av partiklene har en partikkelstørrelse mindre enn 1 JUum. Som beskrevet i US patent nr. 4.301.060 vil denne spesielle type av silica øke slagseigheten i ekstruderte UPVC-rør og derved kan amorft silica tilsettes i større mengder enn det konvensjonelt brukte kalsiumkarbonatfyllstoff. Som angitt i US patent nr. 4.301.060 kan amorft silica fordelaktig tilsettes i en mengde av 5 phr. og opp til 250 phr av ekstruderingsblandingen og det kan benyttes alene eller sammen med konvensjonelle fyllstoffer.

Det er nå blitt oppdaget at fordelene ved å benytte amorft silica i forbindelse med ekstrudering av UPVC-rør kan økes drastisk ved å benytte en smøremiddelblanding som omfatter silica som i det minste delvis er belagt med et eller flere smøremidler før det amorfe silica tilsettes til ekstruderingsblandingen for UPVC-rør. Tilsetningen av belagte silicapartikler til ekstruderingsblandingen resulterer overraskende i at det oppnås en større stivhet og høyere slagseighet i de ekstruderte rør. Derved kan rørenes veggtykkelse reduseres samtidig som slagseigheten kan opprettholdes eller til og med forbedres. Denne økningen i stivhet og slagseighet av de ekstruderte rør gjør det derved mulig å redusere rørenes veggtykkelse samtidig som styrke-spesifikasjonene som stilles til rør som benyttes for kraft- og kommunikasjonskabler opprettholdes. Reduksjonen av veggtykkelse reduserer fremstillingskostnadene for rørene og videre gjør bruk av belagt amorft silica det mulig å øke mengden av kalsiumkarbonat fyllstoff samtidig som slagseigheten opprettholdes på akseptabelt nivå. Det har også vist seg at belagt silica fører til en sterk forbedring av prosessegenskapene ved at flyteegenskapene av en tørr UPVC blanding med et høyt innhold av fyllstoff forbedres hvilket hindrer problemer med heng i siloer og annet behandlingsutstyr.

Ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse benyttes det silica utvunnet som biprodukt ved produksjon av silisium eller ferrosilisium i elektrotermiske smelteovner. I disse prosessene dannes det store mengder av silicastøv som gjenvinnes i filtere og andre oppsamlingsanordninger.

Ved fremstilling av silisium reduseres kvarts med karbon. Ved fremstilling av ferrosilisium tilsettes en jernkilde. Deler av den reduserte kvart forlater ovnen og reoksyderes i gassfase hvorved partikkelformet silica dannes. Silicastøvet som anvendes i henhold til foreliggende oppfinnelse er sammensatt i det alt vesentlige av sfæriske partikler med en partikkelstørrelse under 1 p^ m. Den regelmessige sfæriske form og partikkelstørrelse sammen med silicastøvets kjemiske inerthet og."lave porøsitet er av spesiell fordel for den foreliggende oppfinnelse.

Silicastøvpartiklene inneholder fortrinnsvis minst 86 vekt %

SiC>2 og har en sann densitet på 2,1 - 2,3 g/cm^og et spesifikt overflateareal på 15 - 30 m /g. Partiklene har i det alt vesentlige en sfærisk form og minst 60 vekt % av partiklene har en partikkelstørrelse mindre enn 1 jjurn.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er silicapartiklene belagt med et smøremiddel for å danne en smøremiddelblanding for senere bruk i blandinger for ekstrudering av UPVC-rør, spesielt kloakkrør og rør for kraft- og telekommunikasjonskabler. Konvensjonelle blandeapparater kan benyttes for å blande smøremiddelet med det partikkelformete silicastøvet for å sikre en homogen blanding av smøremiddel og silica. Mengden av smøremiddel som benyttes for å belegge silicapartiklene vil variere avhengig av de fysikalske belegningsegenskaper av smøremiddelet. Best resultat er oppnådd ved å benytte mellom 0,25 og 20 vektdeler smøremiddel pr. 100 vektdeler silica. Den spesifiserte minste mengde av smøremiddel er nødvendig for å oppnå tilstrekkelig flytbarhet i den tørre blandingen■for å unngå problemer med heng i siloer og andre transportanordninger fram til ekstruderingsapparaturen. Maksimum-mengden sikrer en fullstendig belegning av silicapartiklene. Overskudd av smøremiddel utover den angitte maksimum-mengde kan benyttes dersom dette er ønskelig.

I samsvar med foreliggende oppfinnelse er det oppnådd gode resultater ved belegning av silicapartikler med et eller flere kjente smøremidler som hydrert ricinusolje, silikonolje slik som et polydimetylsiloksan, trimetylolpropan og pentaerythritol tetrastearat. Dersom det er ønskelig kan Resin 18 som er en poly - 0C- metylstyrenharpiks som selges av Amoco Chemicals Corporation også tilsettes til smøremiddelblandingen for å forbedre smelteegenskapene av UPVC-smelten i ekstruderingskaret.

I samsvar med foreliggende oppfinnelse inneholder således smøremiddelblandingen de følgende foretrukne bestanddeler:

Resin 18 tilsettes fortrinnsvis i mengder mellom 10,0 og 50,0 vektdeler pr. 100 vektdeler silica.

Hvis det er ønskelig kan et eller flere konvensjonelle tilsetningsmidler benyttes i smøremiddelblandingen, men dette er ikke nødvendig for å oppnå de fordelaktige resultater av den foreliggende oppfinnelse.

Smøremiddelblandingen i henhold til foreliggende oppfinnelse kan forhåndsfremstilles og deretter tilsettes direkte til UPVC-ekstruderingsblandingen ved konvensjonell blanding sammen med andre bestanddeler eller den kan lagres i siloer for senere tilsats til UPVC-ekstruderingsblandinger.

Hver produsent av ekstruderte UPVC-rør har sin egen spesielle resept for UPVC-ekstruderingsblandinger og mengdene av kalsium-karbonatf yl lstof f , smøremidler, stabilisatorer, pigment og modifiseringsmidler for slagseighet vil variere innenfor de konvensjonelt brukte mengdedeler.

En standardblanding for fremstilling av ekstruderte UPVC-rør kan inneholde de følgende bestanddeler og anslagsvise mengder:

I samsvar med foreliggende oppfinnelse blandes den forhåndsfremstilte smøremiddelblanding inneholdende silica.med UPVC-ekstruderingsblandingen som et kombinert fyllstoff og smøremiddel. Noen av fordelene ved den foreliggende oppfinnelse kan oppnås selv ved tilsetning av meget små mengder av smøremiddelblanding, men det er foretrukket å tilsette ca. 5,0 til ca. 25 vektdeler pr. 100 vektdeler av UPVC-resin i ekstruderingsblandingen. Silicastøvet kan benyttes som eneste fyllstoff i UPVC-ekstruderingsblandingen, men fortrinnsvis benyttes det i kombinasjon med andre konvensjonelle fyllstoffer så som for eksempel kalsiumkarbonat. De beste resultater er oppnådd ved å benytte fra ca 5,0 til 20 vektdeler pr. 100 vektdeler UPVC-harpiks i ekstruderingsblandingen og ved å benytte silicastøv i kombinasjon med konvensjonell kalsiumkarbonatfyllstoff. Det belagte silicastøvet i henhold til foreliggende oppfinnelse kan blandes med UPVC-ekstruderingsblandinger på konvensjonell måte, for eksempel ved hjelp av konvensjonelle høyhastighetsblandere.

Ytterligere detaljer og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet under henvisning til figurene som viser et ikke-begrensende eksempel på et apparat som kan benyttes ved utførelse av foreliggende oppfinnelse hvor; Figur 1 skjematisk viser en høyhastighetsblander som benyttes for å dispergere bestanddelene i UPVC-ekstruksjonsblandingen; og Figur 2 skjematisk viser en flytbarhetstrakt som benyttes for å bestemme flytbarhetsegenskapene av smøremiddelblandingen i henhold til foreliggende oppfinnelse.

I dette eksempelet ble det benyttet en konvensjonell blandeapparatur slik som Littleford model W-600 høyintensitets-blander for å blande 112,5 kg silicastøvpartikler med 11,25 kg hydrert ricinusolje. Bestanddelene ble tilført til blanderen og ble blandet inntil temperaturen nådde ca. 80°C etter ca. 4-5 minutters blanding. Det varme, belagte silicastøvet ble deretter tømt i en lagringscontainer. I dette eksempelet ble bestanddelene oppvarmet til 80°C hvilket er over smøremiddelets smeltepunkt. Lavere temperaturer kan benyttes dersom smøre-middelet er i flytende form. Bestanddelene kan blandes på en hvilken som helst konvensjonell måte, for eksempel ved å sprøyte flytende smøremiddel på silicapartiklene.

For å sammenligne silicastøvpartiklene som var belagt med 10 vekt % hydrert ricinusolje i henhold til ovenstående eksempel med ubehandlet silicastøv ble UPVC-ekstruderingsblandinger som angitt i tabell I fremstilt.

Alle bestanddelene i tabell I unntatt det belagte silicastøv er velkjente, konvensjonelle bestanddeler som benyttes for ekstrudering av rør for kraft- og telekommunikasjonskabler. Airco 1230P er pulverformet uplastifisert polyvinylkloridharpiks som selges av Airco Company. XL165 er en parafinvoks, som selges av American Hoechst Corp. AC629A er en oksydert polyetylenvoks som selges av Allied Chemical Corporation. TiC^-pigmentet selges av Tioxid SA. Resin 18 - 120 selges av Amoco Chemical Corp. Vicron 1515 er kalsiumkarbonat som selges av Pfizer Chemical Corp.

Figur 1 viser utstyret som ble benyttet for blanding av bestanddelene som er angitt i Tabell I. Blanderen 10 er en konvensjonell Littleford model W-600 høyintensitetsblander som ble brukt i kombinasjon med en konvensjonell Littleford K1200 vannkjølt kjøler 16.

Blanderen 10 ble slått på og 112,5 kg UPVC sammen med stabilisator ble tilført til blanderen. Blanderen fortsatte inntil temperaturen var ca. 70 - 80°C. Deretter ble belagt silicastøv tilsatt etterfulgt av tilsetning av de gjenstående bestanddeler unntatt kalsiumkarbonat. Blandingen ble fortsatt inntil temperaturen var ca. 95°C. Deretter ble kalsiumkarbonat tilsatt og blandingen fortsatte inntil temperaturen nådde 120°C. Den varme blandingen ble deretter tømt ut gjennom åpningen 12 og røret 14 og inn i kjøleren 16 hvor den ble avkjølt hurtig til ca.

45°C. Den avkjølte ekstruderingsblandingen ble deretter tømt ut gjennom røret 18 og porten 20 og transportert til en silo. Ekstruderingsblandingen var homogent blandet og uten agglomerater slik som ofte kan observeres ved bruk av ubehandlet silica. Den samme fremgangsmåte som angitt ovenfor ble gjentatt for å blande den andre blanding angitt i.tabell I inneholdende ubehandlet silica.

Flytbarhetsegenskapene av de tørre ekstruderingsblandingene ble. testet ved romtemperatur ved å chargere 1 1. til en sylindrisk trakt 22 (figur 2). Ventilen 24 ble åpnet og tiden det tok å tømme trakten ble målt. En liter av ekstruderingsblandingen inneholdende belagt silica i henhold til foreliggende oppfinnelse rant ut av trakten i løpet av 20,9 sekunder, mens en liter av den andre ekstruderingsblandingen inneholdende ubehandlet silica brukte 29,0 sekunder. Flytbarhetsegenskapene for ekstruderingsblandingen inneholdende belagt silica var ypperlig. Selv om flytbarhetsegenskapene for ekstruderingsblandingen inneholdende ubehandlet silica var bra, har ekstruderingsblandingen inneholdende belagt silicastøv ypperlige egenskaper for etterfølgende behandling og ekstrudering.

De to ekstruderingsblandingene som ble fremstilt i henhold til ovenstående eksempel, ble ekstrudert i en konvensjonell ekstruderingsapparatur hvorved det ble produsert rør med en indre diameter på 10 cm. Slagseigheten og elastisitetsmodulen for hvert av de ekstruderte rør ble målt i samsvar med ASTM prosedyre ASTM-D-2412. Elastisitetsmodulen av røret som inneholdt belagt silicastøv i henhold til smøremiddelblandingen ifølge foreliggende oppfinnelse ble målt til 4890 MPa mens elastisitetsmodulen for den andre ekstruderingsblandingen inneholdende ubehandlet silicastøv ble målt til 4580 MPa. Denne økningen av elastisitetsmodulen av de ekstruderte UPVC-rør i henhold til foreliggende oppfinnelse var overraskende og som et resultat av dette kan veggtykkelsen av det ekstruderte rør reduseres hvorved det oppnås en betydelig materialbesparelse og derav følgende kostnadsbesparelse. Det skal videre bemerkes at mengden av kalsiumkarbonat i ekstruderingsblandingen i henhold til eksempelet var 60 phr, hvilket er godt over det som konvensjonelt benyttes. Dette høye innhold av kalsiumkarbonat som er muliggjort ved smøremiddelblandingen i henhold til foreliggende oppfinnelse, medfører en ytterligere betydelig besparelse i fremstillingskostnadene.

I det andre eksempel ble TMP som er et trimetylpropan-smøremiddel som selges av British Drug Houses Ltd. benyttet istedet for hydrert ricinusolje. Fremstillingsmåten for smøremiddel-blandingen var den samme som angitt ovenfor i forbindelse med fremstilling av smøremiddelblandingen inneholdende hydrert ricinusolje. Det ble videre benyttet samme fremgangsmåte for blanding og ekstrudering av rør. Vektdelen for de enkelte bestanddeler i ekstruderingsblandingene er vist i tabell II. I dette eksempelet ble det benyttet en smøremiddelblanding bestående av silicastøv belagt med 1,0 vekt % TMP. Flytbarhetsegenskapene av de tørre ekstruderingsblandingene ble målt i en trakt som vist på figur 2 og etter den ovenfor beskrevne metode. Elastisitetsmodulen for ekstruderte rør med en indre diameter på 10 cm ble bestemt ved ASTM-prosedyre D-2412.

I dette eksempelet rant ikke ekstruderingsblandingen inneholdende ubehandlet silicastøv så hurtig ut av trakten 14 som blandingen inneholdende belagt silicastøv. Blandingen inneholdende ubehandlet silicastøv ville vært vanskelig å benytte i en kommersiell produksjonslinje idet blandingen ville tette apparaturen. Ekstruderingsblandingen inneholdende belagt silica-støv i henhold til foreliggende oppfinnelse hadde ypperlige flytegenskaper. Et sammenligningsforsøk ble utført hvor de bestanddeler som er angitt i tabell II ble brukt, bortsett fra at silikonolje ble benyttet til belegning av silicastøvpartiklene istedet for TMP. Elastisitetsmodulen av rør fremstilt med belagt silicastøv var ca. 5170 MPa og overlegent høyere enn for rør fremstilt med ubehandlet silicastøv. Elastisitetsmodulen for konvensjonelle UPVC-rør hvor kalsiumkarbonat benyttes som fyllstoff er omtrent 4000 MPa.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelse er det på grunn av økt elastisitetsmodul mulig å redusere veggtykkelsen av ekstruderte UPVC-rør med opp til ca. 8 % samtidig som de spesifiserte styrke-betingelser opprettholdes.

Claims (8)

1. Smøremiddelblanding for bruk i polyvinylkloridharpiksblandinger for fremstilling av ekstruderte produkter, spesielt rør, karakterisert ved at blandingen inneholder silicastøvpartikler belagt med et eller flere smøremidler som benyttes i ekstruderingsblandinger på polyvinylkloridbasis.

2. Smøremiddelblanding i henhold til krav 1, karakteri sert ved at blandingen inneholder ett eller flere smøremidler valgt blant hydrert ricinusolje, silikonolje og trimetylpropan.

3. Smøremiddelblanding i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert ved at blandingen inneholder fra 0,25 til 20,0 vektdeler smøremiddel pr. 100 vektdeler silicastøvpartikler.

4. Smøremiddelblanding i henhold til kravene 1-3, karakterisert ved at blandingen inneholder pentaerythritoltetrastearat og/eller en poly - CC - metylstyrenharpiks.

5. Fremgangsmåte for fremstilling av en smøremiddelblanding for tilsetning til polyvinylkloridharpikser for fremstilling av ekstruderte produkter, spesielt rør, karakter iw sert ved at et eller flere smøremidler for polyvinylkloridharpikser tilsettes til silicastøvpartikler og at de to bestanddelene blandes inntil de enkelte silicastøv-partikler i det minste er delvis belagt med smøremidlene.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 5, karakterisert ved at det som smøremidler tilsettes en eller flere forbindelser valgt blant hydrert ricinusolje, silikonolje og trimetylpropanvoks.

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 5 eller 6, karakterisert ved at smøremidlene tilsettes i en mengde av 0,25 til 20,0 vektdeler pr. 100 vektdeler silicastøv-partikler .

8. Fremgangsmåte, i henhold til krav 5-7, karakter i~-sert ved at silicastøvpartiklene og smøremidlene blandes ved høyintensitetsblanding ved en temperatur av ca. 80°C.