PL193980B1 - Wypełniacz typu szklanego do tworzyw i żywic orazsposób wytwarzania wypełniacza typu szklanego do tworzyw i żywic - Google Patents

Abstract

1. Wypelniacz typu szklanego do tworzyw i zy- wic, w postaci granulek szklanego materialu zaopa- trzonych w zestaw sklejajacy zawierajacy zwiazek chemiczny z grupy silanów, znamienny tym, ze kazda granulka sklada sie z licznych segmentów (3) szklanego materialu zaglomerowanych ze soba za pomoca wspomnianego zestawu sklejajacego (4), przy czym przecietna maksymalna wielkosc granulek miesci sie w granicach od 20 do 60 mikrometrów. 10. Sposób wytwarzania wypelniacza typu szkla- nego do tworzyw i zywic, znamienny tym, ze naj- pierw szklany material mieli sie do segmentów, na- stepnie miesza sie te segmenty z zestawem skleja- jacym zawierajacym zwiazek chemiczny z grupy silanów, po czym suszy sie mieszanine segmentów szklanego materialu i zestawu sklejajacego z wytwo- rzeniem zwartych granulek o przecietnej maksymal- nej wielkosci w granicach od 20 do 60 mikrometrów, z których kazda zawiera liczne segmenty oraz czesci wysuszonego zestawu sklejajacego. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wypełniacz typu szklanego do tworzyw i żywic oraz sposób wytwarzania wypełniacza typu szklanego do tworzyw i żywic.

Wypełniacze spełniają dużą rolę w ogólnym składzie artykułów i wyrobów bazowanych na żywicach, zwłaszcza żywicach fenolowych oraz tworzywach, zwłaszcza gdy artykuły te i wyroby wytwarza się w operacji formowania.

Wypełniacze są materiałem dodatkowym, który normalnie wprowadza się w polimery, i który w zależności od sytuacji spełnia funkcję zwykłego wypełnienia polimeru lub znacznego wzmocnienia polimeru.

Jako procentowa zawartość wagowa, ilość wypełniaczy może być bardzo znaczna, przykładowo 40%, i może mieć kluczowy wpływ na fizykochemiczne właściwości wytwarzanych artykułów.

Pośród różnych znanych wypełniaczy bardzo istotne i szeroko stosowane są wypełniacze typu szklanego, a jeden z dobrze znanych wypełniaczy typu szklanego składa się z maleńkich, w przybliżeniu kulistych elementów szklanych, dalej zwanych tu mikrokulkami lub granulkami, o bardzo małej średnicy, przykładowo około jednej dziesiątej lub jednej setnej części milimetra.

Polimery lub „osnowy”, które otaczają szklane mikrokulki bądź granulki, tworzą artykuły o podwyższonej odporności na ścieranie, odporności na uderzenia, odporności na obciążenia ściskające oraz o podwyższonej wytrzymałości na zginanie, które wykazują nieprzepuszczalność oraz zwiększoną odporność na kwasy i rozpuszczalniki.

Pośród dalszych zalet wynikających z zastosowania wspomnianych szklanych mikrokulek lub granulek jako wypełniaczy należy wymienić ogólną poprawę właściwości elektrycznych i cieplnych.

Wyraźnej poprawie uległy operacje formowania, co wynika ze zmniejszenia skurczu matrycowego oraz uzyskania bardziej gładkiej powierzchni formowania.

W rezultacie uzyskano również zmniejszenie kosztów, proporcjonalnie do kosztu i ilości dodawanych mikrokulek.

Niestety, szklane mikrokulki nie mogą być zwyczajnie dodawane do wspomnianych materiałów lub osnów wytwarzanych ze sztucznego tworzywa lub żywicy fenolowej.

Wynika to z konieczności wstępnego pokrywania powierzchni substancjami zwanymi „zestawami sklejającymi”, które oddziaływują jako spoiwo pomiędzy szkłem i osnowami, w celu zagwarantowania dobrego i trwałego przylegania do szkła.

Pośród najskuteczniejszych zestawów sklejających należy wymienić tzw. „silany”. Silany składają się z cząstek posiadających jedną część powinowatą względem szkła mikrokulek, i drugą część wykazującą zdolność kopolimeryzacji z osnowami.

W praktyce, wspomniane mikrokulki lub granulki wytwarza się zasadniczo ze szkła powlekanego odpowiednim rodzajem zestawu sklejającego.

Wspomniany powyżej sposób posiada oczywiście zalety i wady. Jak podano uprzednio, zalety dotyczą jakościowej poprawy wyrobów finalnych, zawierających wspomniane mikrokulki. Wady wynikają z pewnej trudności wytwarzania wspomnianych mikrokulek oraz z ich kosztu.

Jest to podyktowane koniecznością ściśle określonych wymiarów. Mianowicie, tworzące je cząsteczki szklane muszą mieć małe wymiary, zawierające się w zakresie od jednej dziesiątej do jednej setnej milimetra. Wytworzenie takich cząstek wymaga zastosowania bardzo kosztownych systemów i urządzeń.

Ponadto, późniejsze nałożenie zestawów sklejających wprowadza dodatkową fazę, zasadniczo zwiększającą koszty wytwarzania.

Wysoki koszt wytwarzania zestawów sklejających oznacza w konsekwencji wzrost kosztu wyrobów finalnych oraz wyraźnie zmniejsza zastosowanie opisywanych wypełniaczy.

Należy pamiętać, że wypełniacze stosowane w tworzywach często traktuje się jako środki umożliwiające w prosty i efektywny sposób zmniejszenie kosztów, w stosunku do ogólnych kosztów materiału zastosowanego w operacjach formowania.

Inne wady wynikają z tego, że pomimo zastosowania zestawów sklejających nie zawsze uzyskuje się optymalne wiązanie mikrokulek lub granulek z osnową. Z tego punktu widzenia z pewnością pożądane będzie uzyskanie lepszej adhezji pomiędzy szkłem i polimerem.

Wypełniacz typu szklanego do tworzyw i żywic, w postaci granulek szklanego materiału zaopatrzonych w zestaw sklejający zawierający związek chemiczny z grupy silanów, według wynalazku charakteryzuje się tym, że każda granulka składa się z licznych segmentów szklanego materiału

PL 193 980 B1 zaglomerowanych ze sobą za pomocą wspomnianego zestawu sklejającego, przy czym przeciętna maksymalna wielkość granulek mieści się w granicach od 20 do 60 mikrometrów.

Zestaw sklejający zawiera składnik dobrany spośród estrów kwasów alkilokrzemowych.

Składnik sklejający jest aminosilanem, zwłaszcza o wzorze NH2-(CH2)3-Si(OC2H5)3.

Granulki mające maksymalny przeciętny wymiar od dwudziestu do sześćdziesięciu mikrometrów zawierają przynajmniej dwa segmenty.

Przeciętny maksymalny wymiar liniowy wspomnianych segmentów wynosi od pięciu do piętnastu mikrometrów.

Wspomniane segmenty są wykonane ze szkła, zwłaszcza szkła typu „E”.

Wspomniane segmenty są wykonane z mielonego szkła.

Wspomniane segmenty są częściami przędzy szklanej.

Ilość zestawu sklejającego wynosi od pięciu do pięćdziesięciu części na tysiąc części wagowych suchego materiału szklanego.

Sposób wytwarzania wypełniacza typu szklanego do tworzyw i żywic, według wynalazku charakteryzuje się tym, że najpierw szklany materiał mieli się do segmentów, następnie miesza się te segmenty z zestawem sklejającym zawierającym związek chemiczny z grupy silanów, po czym suszy się mieszaninę segmentów szklanego materiału i zestawu sklejającego z wytworzeniem zwartych granulek o przeciętnej maksymalnej wielkości w granicach od 20 do 60 mikrometrów, z których każda zawiera liczne segmenty oraz części wysuszonego zestawu sklejającego.

Jako szklany materiał stosuje się pochodzącą z odpadów produkcyjnych przędzę szklaną.

Szklany materiał mieli się aż do uzyskania przeciętnego maksymalnego wymiaru liniowego segmentów od pięciu do piętnastu mikrometrów.

Podczas mielenia do materiału szklanego dodaje się wodę i plastifikator oraz mineralny materiał wiążący, korzystnie bentonit.

Segmenty miesza się z materiałem sklejającym dobranym spośród estrów kwasów alkilokrzemowych.

Podczas mieszania stosuje się zestaw sklejający w ilości od pięciu do pięćdziesięciu części na tysiąc części wagowych suchego materiału szklanego.

Podczas suszenia mieszaninę segmentów i zestawu sklejającego ogrzewa się do temperatury suszenia od stu dwudziestu pięciu do stu czterdziestu pięciu stopni Celsjusza.

Mieszaninę segmentów szklanego materiału i zestawu sklejającego suszy się w ogrzewanym naczyniu, przy czym tę mieszaninę segmentów i zestawu sklejającego wtryskuje się do tego naczynia za pomocą sprężonego powietrza, dla wytworzenia granulek o przeciętnym maksymalnym wymiarze od dwudziestu do sześćdziesięciu mikrometrów.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniono na załączonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia budowę granulki tworzącej wypełniacz według wynalazku, schematycznie, w bardzo dużym powiększeniu; i fig. 2 - kolejność głównych operacji w procesie wytwarzania granulek według fig. 1.

Figury przedstawiają wypełniacz według wynalazku, pokazany schematycznie i oznaczony ogólnie odnośnikiem 1na fig. 2.

Wypełniacz 1 generalnie utworzono z cząstek, które można określić w przybliżeniu jako elementy sferyczne, mikrosferyczne lub jako granulki o bardzo małej średnicy, w tym przypadku ze szkła z dodatkiem zestawu sklejającego. Granulki przeznaczono do osadzenia w tworzywie i w żywicy fenolowej dla poprawienia ich charakterystyki, jak podano powyżej.

Wypełniacz 1 korzystnie zawiera granulki 2, których budowa ma charakter kompozytowy.

Każda granulka 2 składa się zasadniczo z licznych segmentów szklanych 3 wspólnie zaglomerowanych za pomocą zestawu sklejającego 4 zawierającego środek sklejający, korzystnie dobrany z określonych silanów, których dużą skuteczność wykazano eksperymentalnie: alkoksysilanów lub estrów kwasów alkilokrzemowych.

Pośród estrów kwasów alkilokrzemowych korzystny jest aminosilan NH2-R'-Si(OR)3, gdzie R' oznacza grupę alkilową, natomiast R jest grupą organiczną, a zwłaszcza aminosilanem o wzorze NH2-(CH2)3-Si(OC2H5)3.

Silan zawarty w zestawie sklejającym 4, który łączy segmenty 3, występuje w ilości około pięciu do dwudziestu pięciu części na tysiąc części wagowych suchego szkła.

Przeciętna maksymalna wielkość granulek 2 występuje w zakresie od dwudziestu do sześćdziesięciu mikrometrów i zawiera przynajmniej dwa segmenty 3. Określenie „maksymalna wielkość”

PL 193 980 B1 aminosilan NH2(CH2)3Si(OC2H5)3:

krzemionka SiO2:

tlenek sodowy Na2O:

węglan wapniowy CaO:

tlenek magnezowy MgO:

tlenek glinowy Al2O3:

tlenki żelaza FeO/Fe2O3:

tlenek potasowy K2O:

granulek 2 w zwartej strukturze wynikającej z tendencji tworzenia kropli z zestawu sklejającego, oznacza przeciętną maksymalną średnicę zmierzoną w kierunku największego rozrostu granulek.

Segmenty 3 mają natomiast szczególnie nieregularny profil, którego przeciętny, maksymalny wymiar liniowy leży w zakresie od pięciu do piętnastu mikrometrów, a korzystnie dochodzi do dziesięciu mikrometrów.

Inny aspekt wynalazku wynika z faktu, że segmenty 3 wykonano z mielonego szkła. Przykładowo, nie wyłączając innych rodzajów szkła, mogą to być kawałki przędzy ze szkła typu „E” uzyskane poprzez mielenie.

Jak wiadomo, szkło typu „E” posiada optymalne właściwości w zakresie wytrzymałości, wysoki moduł sprężystości podłużnej oraz wysoką temperaturę topnienia. Jest to borokrzemian glinianu wapniowego o bardzo małej zawartości ługów.

Można zastosować, poprzez zmieszanie, przędze szklane o różnych średnicach, które będą korzystnie mniejsze niż 10 μm.

Jako przykład korzystnego składu mielonego szkła, wypełniacz 1 posiada następujący skład chemiczny:

,95% wagowych 71,50% wagowych 1 3,43% wagowych

9,60% wagowych

3,23% wagowych

0,39% wagowych

0,20% wagowych

0,10% wagowych.

Wytworzone w ten sposób granulki 2 mają minimalny koszt, ponieważ zawierają po prostu mielone szkło oraz posiadają nierówną strukturę, odpowiednią dla zagwarantowania maksymalnego wiązania z polimerowymi osnowami, jednakże bez wprowadzania nadmiernych nieregularności. Wynika to z tego, że segmenty 3 zostają częściowo pokryte zestawem sklejającym 4 i wiążą się z innymi segmentami, tworzącwogólności zwarty kształt.

Jedną z korzystnych właściwości granulek 2 jest to, że po wytworzeniu nie muszą one być traktowane zestawem sklejającym: zestaw ten wciąż występuje w materiale wiążącym, który aglomeruje segmenty 3.

Wynalazek dotyczy również nowatorskiego sposobu wytwarzania wypełniacza typu szklanego.

Sposób obejmuje wiele operacji. Najpierw wykonuje się selekcję pokazaną odnośnikiem 5, w której dobiera się rodzaj szkła poddawanego kolejnym operacjom.

Przykładowo, dobiera się szkło typu „E”, a korzystnie przędzę szklaną pochodzącą z odpadów produkcyjnych, na przykład w procesie „Borosil”, zawierających odpady szklane wytwarzane podczas pozyskiwania mokrych włókien, schematycznie oznaczonych odnośnikiem 5a.

Z kolei dobrane szkło miele się w operacji 6, gdzie następuje zmniejszenie rozmiaru do postaci segmentów.

Mielenie odbywa się w mokrych młynach typu „Allubit”, znanych w mieleniu ceramiki, posiadających obrotowe rolki pokryte spiekanym tlenkiem glinowym (Allubit), wypełnionych wkładem mielącym w postaci kulek z tlenku glinowego o różnych średnicach.

Szklaną przędzę wprowadza się do młynów wraz z wodą, młyny przedstawiono w postaci dwóch rolek oznaczonych odnośnikiem 6a.

Bentonit jest dobrze znaną naturalną mieszaniną zawierającą zasadniczo gliniaste minerały, wykazującą w mokrym stanie właściwości plastyfikatora oraz w suchym stanie właściwości środka zagęszczającego.

Masa mielona w młynach zawiera około 1% wagowych bentonitu, resztę stanowi szkło oraz woda, w równych częściach.

Bentonit i woda ułatwiają mielenie szkła, bentonit pomaga utrzymywać zawiesinę szkła w wodzie. Mielenie dziesięciu ton szkła trwa przykładowo dwadzieścia godzin, aż do uzyskania fragmentów szklanych o przeciętnym maksymalnym wymiarze liniowym od pięciu do piętnastu mikrometrów.

Korzystnie, wymiar ten wynosi około dziesięć mikrometrów.

Po mieleniu wykonuje się kolejne operacje procesu, na przykład filtrowanie, usunięcie cząstek żelaza oraz składowanie w pojemnikach.

PL 193 980 B1

Jeśli mielony materiał przechowuje się w specjalnych pojemnikach, potrzebne będzie mieszanie i uwzględnienie ubytku wody, aby zapobiec gęstnieniu trudnej do przetworzenia masy szklanej.

Następnie wykonuje się dozowanie i mieszanie 7, w którym powstaje mieszanina zawierająca segmenty 3 przenoszące część bentonitu oraz zestawu sklejającego, korzystnie dobranego z estrów i kwasów alkilokrzemowych, zwłaszcza aminosilanu.

Ilość środka sklejającego (silanu) zawiera się w zakresie od pięciu do dwudziestu pięciu części na tysiąc części wagowych suchego szkła. Połączenie utworzone przez bentonit występujący z segmentami oraz silan tworzy zestaw sklejający dla segmentów, w znaczeniu obecnego wynalazku.

Jeśli szkło występuje w pojemniku, dozowanie korzystnie odbywa się poprzez pobranie z pojemnika określonych ilości, na przykład jednego metra sześciennego i zwykłe wprowadzenie wspomnianych ilości dodatków.

Aby zapobiec rozdzieleniu się składników mieszankę traktuje się z zachowaniem należytej staranności, zwłaszcza w intensywnym mieszaniu przykładowo łopatkami wirującymi z szybkością od osiemdziesięciu do stu sześćdziesięciu obrotów na minutę.

Z kolei następuje suszenie, czyli aglomeracja 8, w której suszy się mieszaninę segmentów i zestawu sklejającego, korzystnie poprzez suszenie rozpyłowe, dla wytworzenia zwartych granulek 2 zawierających liczne segmenty oraz wyschnięte części zestawu sklejającego.

W celu wykonania operacji 8 mieszaninę segmentów i zestawu sklejającego ogrzewa się do temperatury suszenia od stu dwudziestu pięciu stopni do stu czterdziestu pięciu stopni Celsjusza, korzystnie do stu czterdziestu stopni Celsjusza.

Mieszankę wtryskuje się do ogrzanego zbiornika za pomocą sprężonego powietrza, wytwarzając w ten sposób granulki 2 o przeciętnej maksymalnej wielkości od dwudziestu do sześćdziesięciu mikrometrów, jak wspomniano uprzednio.

Mianowicie, pobieraną mieszankę przykładowo zasysa się i następnie wtryskuje rozpylaczami sprężonego powietrza do suszarki zaopatrzonej w palniki metanowe.

Korzystna temperatura sto czterdzieści stopni usuwa pozostałość wody, a przede wszystkim powoduje reakcję silanu w zestawie sklejającym, który poprzez zestalenie aglomeruje segmenty 3 w granulki 2, a także zestala pozostałości bentonitu, które wspomagają aglomerację.

Wytworzony w ten sposób wypełniacz 1 oznaczony w kwadracie przedstawiającym operację aglomeracji 8 można obecnie przenosić do pakowania 9.

Mianowicie, wypełniacz można pakować w torby 10 lub w duże worki 11 po tysiąc kilogramów.

Proces ten umożliwia wytwarzanie wypełniacza 1 w poszczególnych operacjach, które nie są szczególnie złożone i nie wymagają złożonego, bardzo drogiego wyposażenia.

Wynalazek wykazuje istotne zalety.

Oryginalna struktura granulek utworzonych z segmentów mielonego szkła, zaglomerowanych w tym samym zestawie sklejającym jaki stosuje się dla wytworzenia wiązania pomiędzy szkłem i tworzywem lub żywicą fenolową, eliminuje końcową operację wprowadzania zestawu sklejającego w mikrokulki.

Zmniejszono ponadto koszt granulek w wyniku zastosowania materiałów surowca jako najprostszych segmentów szkła, a także w wyniku procesu wytwarzania, który nie obejmuje operacji przygotowawczych, wymagających zastosowania dużego sprzętu.

Wytworzone granulki są zwarte, lecz nierówne, co umożliwia optymalne wiązanie z tworzywem, bez nadawania mu nadmiernych nierówności.

Opisany powyżej korzystny przykład wykonania wynalazku może podlegać licznym modyfikacjom i odmianom, z których wszystkie będą pozostawać w zakresie koncepcji wynalazku. Mianowicie, zgodnie z wynalazkiem możliwe będzie zastosowanie samego silanu dla wytworzenia zestawu sklejającego, który aglomeruje segmenty 3, mielenie można ewentualnie wspomagać plastifikatorem, który nie wykazuje właściwości zagęszczających w suchym stanie.

Ponadto, poszczególne elementy można zastąpić elementami równoważnymi.

Claims (17)

1. Wypełniacz typu szklanego do tworzyw i żywic, w postaci granulek szklanego materiału zaopatrzonych w zestaw sklejający zawierający związek chemiczny z grupy silanów, znamienny tym, że każda granulka składa się z licznych segmentów (3) szklanego materiału zaglomerowanych ze sobą za pomocą wspomnianego zestawu sklejającego (4), przy czym przeciętna maksymalna wielkość granulek mieści się w granicach od 20 do 60 mikrometrów.

2. Wypełniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że zestaw sklejający zawiera składnik dobrany spośród estrów kwasów alkilokrzemowych.

3. Wypełniacz według zastrz. 2, znamienny tym, że składnik sklejający jest aminosilanem, zwłaszcza o wzorze NH2-(CH2)3-Si(OC2H5)3.

4. Wypełniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że granulki (2) mające maksymalny przeciętny wymiar od dwudziestu do sześćdziesięciu mikrometrów zawierają przynajmniej dwa segmenty (3).

5. Wypełniacz według zastrz. 1 albo 4, znamienny tym, że przeciętny maksymalny wymiar liniowy wspomnianych segmentów (3) wynosi od pięciu do piętnastu mikrometrów.

6. Wypełniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że wspomniane segmenty (3) są wykonane ze szkła, zwłaszcza szkła typu „E”.

7. Wypełniacz według zastrz. 6, znamienny tym, że wspomniane segmenty (3) są wykonane z mielonego szkła.

8. Wypełniacz według zastrz. 6, znamienny tym, że wspomniane segmenty (3) są częściami przędzy szklanej (5a).

9. Wypełniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że ilość zestawu sklejającego wynosi od pięciudo pięćdziesięciu części na tysiąc części wagowych suchego materiału szklanego.

10. Sposób wytwarzania wypełniacza typu szklanego do tworzyw i żywic, znamienny tym, że najpierw szklany materiał mieli się do segmentów, następnie miesza się te segmenty z zestawem sklejającym zawierającym związek chemiczny z grupy silanów, po czym suszy się mieszaninę segmentów szklanego materiału i zestawu sklejającego z wytworzeniem zwartych granulek o przeciętnej maksymalnej wielkości w granicach od 20 do 60 mikrometrów, z których każda zawiera liczne segmenty oraz części wysuszonego zestawu sklejającego.

11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że jako szklany materiał stosuje się pochodzącą z odpadów produkcyjnych przędzę szklaną.

12. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że szklany materiał mieli się aż do uzyskania przeciętnego maksymalnego wymiaru liniowego segmentów od pięciu do piętnastu mikrometrów.

13. Sposób według zastrz. 10 albo 12, znamienny tym, że podczas mielenia do materiału szklanego dodaje się wodę i plastifikator oraz mineralny materiał wiążący, korzystnie bentonit.

14. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że segmenty miesza się z materiałem sklejającym dobranym spośród estrów kwasów alkilokrzemowych.

15. Sposób według zastrz. 10 albo 14, znamienny tym, że podczas mieszania stosuje się zestaw sklejający w ilości od pięciu do pięćdziesięciu części na tysiąc części wagowych suchego materiału szklanego.

16. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że podczas suszenia mieszaninę segmentów i zestawu sklejającego ogrzewa się do temperatury suszenia od stu dwudziestu pięciu do stu czterdziestu pięciu stopni Celsjusza.

17. Sposób według zastrz. 10 albo 16, znamienny tym, że mieszaninę segmentów szklanego materiału i zestawu sklejającego suszy się w ogrzewanym naczyniu, przy czym tę mieszaninę segmentów i zestawu sklejającego wtryskuje się do tego naczynia za pomocą sprężonego powietrza, dla wytworzenia granulek o przeciętnym maksymalnym wymiarze od dwudziestu do sześćdziesięciu mikrometrów.