WO1997043102A1 - Verfahren zum spritzgiessen von polytetrafluorethylen - Google Patents

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Wolfgang Michel
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L27/00—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L27/02—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08L27/12—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing fluorine atoms
    • C08L27/18—Homopolymers or copolymers or tetrafluoroethene
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L71/00—Compositions of polyethers obtained by reactions forming an ether link in the main chain; Compositions of derivatives of such polymers

Definitions

  • Polytetrafluoroethylene cannot be processed from the melt, since it does not change to a flowable state when the crystalline melting point is reached at 327 ° C.
  • This behavior applies to the homopolymeric PTFE itself as well as to so-called “modified” polymers of tetrafluoroethylene, which contain another so-called “modifying" monomer (or more such monomers) in such a small amount - usually ⁇ 2 mol%, preferably ⁇ 0.5 Mol% - contain that the character is retained as "not processable from the melt".
  • Such comonomers are, in particular, perfluoro (alkyl vinyl) ethers with a perfluoroalkyl radical of 1 to 5 carbon atoms, in particular perfluoro (n-propyl vinyl) ether and lower perfluoroolefins such as hexafluoropropene.
  • Processing processes are known, which are known from powder metallurgy, such as the press-sintering process or ram and paste extrusion. However, these procedures do not allow to produce more complex components, as can be obtained by injection molding.
  • thermoplastics with relatively low proportions of PTFE as a filler in
  • Injection molding can be processed (EP-B-112 196).
  • the moldings obtained in this way essentially show the properties of the thermoplastic and not the outstanding properties of the PTFE, such as very high thermal and chemical resistance, non-flammability, good electrical properties and low coefficient of friction.
  • Powder structure brought to final density by freeform sintering This process is not only complex, but also has its limits in the production of complex components.
  • a preparation of optionally modified suspension PTFE with minor amounts of at least one filler can be processed by injection molding.
  • the amount of The filler is preferably from about 25 to about 45% by weight, in particular from 30 to 40% by weight.
  • the fillers used according to the invention remain in the end product.
  • These fillers advantageously have a melting point of at least 300 ° C. They must continue to be miscible with the PTFE at the processing temperature and also at room temperature in the amounts used, so for example there must be no substantial migration of a filler to the surface of the molded body.
  • Preferred fillers are polyether ether ketones (PEEK) and polyphenylene sulfide (PPS) and optionally mixtures of such fillers.
  • the method according to the invention can be carried out on all customary machines which are designed for the required temperatures. Hot runner tools are preferred because the shear stress is low even during the injection process. By heating the sprue, which leads from the machine nozzle to the cavity, to the melt temperature sealing of the sprue is avoided. As a result, the shear stress on the material decreases, since no edge layers constricting the flow channel form in the sprue.
  • the temperature of the mass in the feed - depending on the melting temperature of the preparation used - is above 300 to about 350 ° C, preferably up to about 330 ° C, and inside the machine at about 350 to about 400 ° C, preferably about 360 to 390 ° C, increasing over several zones.
  • the molded body shows only very minimal dimensional deviations (shrinkage) with a smooth and glossy surface.
  • the cut surface shows a homogeneous distribution of the components.
  • the moldings show a chemical resistance that is only slightly below that of PTFE. In contrast, strength, hardness and elasticity are improved and there is also a weight saving. Due to the high tensile and bending strength, the excellent sliding properties, the good electrical properties and the high temperature resistance of the workpieces, they are suitable for example for plain bearings, seals, trickling filters, sealing caps and electrical components. The invention therefore also relates to such articles.
  • a mixture of the following products is used: 60% by weight of suspension PTFE, density 2.18 g / cm 3 , tear strength 25 MPa, elongation at break 600%,
  • Shaped bodies are produced from this mixture by injection molding as follows:
  • Injection mold temperature 193 ° C
  • Zone III 390 ° C Zone IV 390 ° C Volume flow: 10 cm 3 / sec Holding pressure: 700 bar shot weight: 13.82 g
  • the injection molded bodies show only a minimal dimensional deviation due to shrinkage.
  • the surface is smooth and shiny, the cut surface is homogeneous.
  • a plate (50 x 45 x 2 mm) is produced with an injection molding machine type ES 240/75 ST from Engel.
  • the plates have a smooth and shiny surface.

Abstract

Zubereitungen aus einem gegebenenfalls modifizierten Suspensions-Polytetrafluorethylen und untergeordneten Mengen eines thermoplastischen Füllstoffs wie einem Polyetheretherketon oder Polyphenylensulfid eignen sich zur Verarbeitung durch Spritzgießen. Die so erhaltenen Formkörper zeigen eine hohe Festigkeit, Härte, Elastizität, Chemikalienbeständigkeit und gute Gleiteigenschaften und eignen sich somit im chemischen Apparatebau, für Gleitlager, Dichtungen und elektrische Bauteile.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Spritzgießen von Polytetrafluorethylen
Polytetrafluorethylen (PTFE) ist nicht aus der Schmelze verarbeitbar, da es beim Erreichen des kristallinen Schmelzpunktes bei 327 °C nicht in einen fließfahigen Zustand übergeht. Dieses Verhalten gilt für das homopolymere PTFE selbst sowie für sogenannte "modifizierte" Polymere des Tetrafluorethylens, die ein weiteres sogenanntes "modifizierendes" Monomeres (oder mehrere solche Monomere) in einer so geringen Menge - meist < 2 Mol-%, vorzugsweise < 0,5 Mol-% - enthalten, daß der Charakter als "nicht aus der Schmelze verarbeitbar" erhalten bleibt. Solche Comonomere sind insbesondere Perfluor(alkyl-vinyl) ether mit einem Perfluoralkylrest von 1 bis 5 C-Atomen, insbesondere Perfluor(n-propyl-vinyl) ether und niedere Perfluorolefine wie Hexafluorpropen.
Diese Polymere weisen eine scheinbare Schmelzviskositat von mindestens 1 • 108 Pas bei 380 'C auf, gemessen nach dem Kriechtest [Ajroldi et al. , J. Appl. Polym. Sei., 14 (1970) , Seite 79 ff.]. Aufgrund dieser außerordentlich hohen Schmelzviskositat können solche Polymere nicht auf konventionellen Kunststoffverarbeitungsmaschinen plastifiziert werden. PTFE-Formkorper werden deshalb nach
Verarbeitungsverfahren hergestellt, die aus der Pulvermetallurgie bekannt sind, wie beispielsweise das Preß-Sinterverfahren oder die Ram- und die Pastenextrusion. Diese Verfahren erlauben jedoch nicht, komplexere Bauteile herzustellen, wie sie durch Spritzguß gewonnen werden können.
Es ist bekannt, daß hochschmelzende Thermoplaste mit relativ geringen Anteilen an PTFE als Füllstoff im
Spritzguß verarbeitet werden können (EP-B-112 196) . Die so erhaltenen Formkörper zeigen jedoch im wesentlichen die Eigenschaften des Thermoplasten und nicht die hervorragenden Eigenschaften des PTFE wie sehr hohe thermische und chemische Beständigkeit, Unbrennbarkeit, gute elektrische Eigenschaften und niederen Reibungskoeffizient.
Aus W. Michaeli und J. Knothe, VDI-Z SPECIAL INGENIEUR- WERKSTOFFE, März 1995, Seiten 70 bis 73, ist es bekannt, Zubereitungen von PTFE mit 30 bis 45 Vol.-% eines Binders, im wesentlichen Polyoxymethylen oder Polymethylmethacrylat, durch Pulverspritzgießen zu verarbeiten. Bei diesem Verfahren wird das PTFE-Pulver mit dem Binder vermischt, zu Granulat aufbereitet, in der Plastifiziereinheit der Spritzgießmaschine aufgeschmolzen, in die Kavitat des Werkzeuges gespritzt und dort erstarren gelassen. Aus dem so erhaltenen Grünling wird dann durch Erhitzen der Binder ausgetrieben und anschließend das so erhaltene
Pulvergerüst durch Freiformsintern auf Enddichte gebracht. Dieses Verfahren ist nicht nur aufwendig, sondern hat auch seine Grenzen in der Herstellung komplexer Bauteile.
Es wurde nun gefunden, daß eine Zubereitung aus gegebenenfalls modifiziertem Suspensions-PTFE mit untergeordneten Mengen an mindestens einem Füllstoff durch Spritzguß verarbeitbar ist. Die Menge des Füllstoffs liegt vorzugsweise bei etwa 25 bis etwa 45 Gew.-%, insbesondere bei 30 bis 40 Gew.-%.
Im Gegensatz zu den beim Pulverspritzgießen eingesetzten Bindern verbleiben die erfindungsgemaß eingesetzten Füllstoffe im Endprodukt. Diese Füllstoffe weisen vorteilhaft einen Schmelzpunkt von mindestens 300 °C auf. Sie müssen weiterhin bei der Verarbeitungstemperatur und auch bei Raumtemperatur in den eingesetzten Mengen mit dem PTFE mischbar sein und bleiben, es darf also beispielsweise keine wesentliche Migration eines Füllstoffs an die Oberflache des Formkorpers erfolgen.
Bevorzugte Füllstoffe sind Polyetheretherketone (PEEK) und Polyphenylensulfid (PPS) sowie gegebenenfalls Mischungen solcher Füllstoffe.
Zubereitungen aus PTFE und PEEK sowie PPS und deren Verwendung für PTFE-ubliche Einsatzsatzzwecke sind bekannt, beispielsweise aus US-A-4 056 594, US-A-4 075 158, US-A-3 487 454 und EP-B-284 165.
Solche bekannten Zubereitungen, sofern sie den obengenannten Kriterien entsprechen, können auch für das erfindungsgemaße Verfahren eingesetzt werden.
Das erfindungsgemaße Verfahren kann auf allen üblichen Maschinen durchgeführt werden, die für die erforderlichen Temperaturen ausgelegt sind. Bevorzugt kommen Heißkanalwerkzeuge zum Einsatz, da damit die Scherbelastung auch beim Einspritzvorgang gering ist. Durch Beheizung des Angußkanals, der von der Maschinenduse zur Kavitat fuhrt, auf Massetemperatur wird das Versiegeln des Angusses vermieden. Hierdurch nimmt die Scherbelastung des Materials ab, da sich im Anguß keine den Fließkanal verengenden Randschichten ausbilden.
Die Temperatur der Masse liegt im Einzug - abhangig von der Schmelztemperatur der eingesetzten Zubereitung - bei oberhalb 300 bis etwa 350 °C, vorzugsweise bis etwa 330 °C, und innerhalb der Maschine bei etwa 350 bis etwa 400 °C, vorzugsweise bei etwa 360 bis 390 °C, ansteigend über mehrere Zonen.
Der gespritzte Formkorper zeigt nur ganz minimale Dimensionsabweichungen (Schrumpf) bei einer glatten und glanzenden Oberflache. Die Schnittflache zeigt eine homogene Verteilung der Komponenten.
Die Formkorper zeigen eine Chemikalienbeständigkeit, die nur geringfügig unter der von PTFE liegt. Dagegen werden Festigkeit, Harte und Elastizität verbessert und außerdem ergibt sich eine Gewichtseinsparung. Aufgrund der hohen Zug- und Biegefestigkeit, der hervorragenden Gleiteigenschaften, der guten elektrischen Eigenschaften und der hohen Temperaturbeständigkeit der Werkstucke sind diese beispielsweise für Gleitlager, Dichtungen, Tropfkörper, Verschlußkappen und elektrische Bauteile geeignet. Die Erfindung bezieht sich deshalb auch auf solche Artikel.
Die Erfindung wird in den folgenden Beispielen noch naher erläutert. Beispiel 1
Eingesetzt wird eine Mischung der folgenden Produkte: 60 Gew.-% Suspensions-PTFE, Dichte 2,18 g/cm3 , Reißfestigkeit 25 MPa, Reißdehnung 600 %,
Schmelztemperatur 327 °C, und 40 Gew.-% PEEK (Handelsprodukt der Firma Victrex Limited, Hillhouse International, Großbritannien, Typ 150 PF) , Dichte 1,32 g/cm3, Reißfestigkeit 95 MPa,
Reißdehnung 50 %.
Aus dieser Mischung werden durch Spritzguß wie folgt Formkorper hergestellt:
Spritzgußwerkzeug: Temperatur 193 °C
Massetemperatur: Einzug 320 'C
Zone I 360 °C Zone II 380 °C
Zone III 390 °C Zone IV 390 °C Volumenstrom: 10 cm3/sec Nachdruck: 700 bar Schußgewicht: 13,82 g
Die Spritzgußkörper zeigen nur eine minimale Dimensionsabweichung durch Schrumpf. Die Oberfläche ist glatt und glänzend, die Schnittfläche homogen. Beispiel 2
Es wird eine Platte (50 x 45 x 2 mm) mit einer Spritzgußmaschine Typ ES 240/75 ST der Firma Engel hergestellt.
Parameter: Materialtemperatur 420 °C Werkzeugtemperatur 230 °C Zykluszeit 38,8 Sekunden Einspritzgeschwindigkeit 4 cm/Sekunde spezifischer Druck 400 bar Nachdruck 33 bar Nachdruckzeit 3 , 5 Sekunden
Die Platten zeigen eine glatte und glänzende Oberflache.

Claims

Ansprüche
Verfahren zur Herstellung von Formkorpern aus Zubereitungen, die gegebenenfalls modifiziertes Suspensions-Polytetrafluorethylen und untergeordnete Mengen an mindestens einem thermoplastischen Füllstoff enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Zubereitung durch Spritzguß verformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff ein Polyetheretherketon ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff Polyphenylensulfid ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Polytetrafluorethylens 55 bis 75 Gew.-% betragt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Füllstoffs 30 bis 40 Gew.-% betragt.
6. Formkorper, erhalten nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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