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Dokumentenidentifikation DE10152189A1 05.06.2003
Titel Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen aus hoch- oder ultrahochmolekularen Polymeren mit Anthrazit, derart hergestellte Halbzeuge und deren Verwendung
Anmelder Rosing, Hubert, 48691 Vreden, DE;
Föcking, Franz-Josef, 46354 Südlohn, DE;
Wöhrmann, Werner, 48691 Vreden, DE
Erfinder Rosing, Hubert, 48691 Vreden, DE;
Föcking, Franz-Josef, 46354 Südlohn, DE;
Wöhrmann, Werner, 48691 Vreden, DE
Vertreter PFENNING MEINIG & PARTNER GbR, 80336 München
DE-Anmeldedatum 23.10.2001
DE-Aktenzeichen 10152189
Offenlegungstag 05.06.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.06.2003
IPC-Hauptklasse B29C 43/00
IPC-Nebenklasse B29B 11/16   B29C 43/12   
IPC additional class // B29K 23:00,105:16,507:04  
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen aus hoch- oder ultrahochmolekularen Polymeren durch Preßsintern bei einer Temperatur zwischen 50 und 300°C und einem Druck zwischen 50 und 1000 bar, wobei als Füllstoff Anthrazit eingesetzt wird. Ebenso betrifft die Erfindung derart hergestellte Halbzeuge. Verwendung finden diese bei der Herstellung von besonders verschleißbeständigen polymeren Formteilen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen aus hoch- oder ultrahochmolekularen Polymeren durch Preßsintern bei einer Temperatur zwischen 50 und 300°C und einem Druck zwischen 50 und 1000 bar, wobei als Füllstoff Anthrazit eingesetzt wird. Ebenso betrifft die Erfindung derart hergestellte Halbzeuge. Verwendung finden diese bei der Herstellung von besonders verschleißbeständigen polymeren Formteilen.

Neben der Herstellung von reinen Kunststoffen erlangt die Verwendung von Füllstoffen bei der Kunststoffproduktion eine immer größere Bedeutung, was vor allem auf Kostengründe der Herstellung zurückzuführen ist. Neben gängigen anorganischen Füllstoffen, wie z. B. Calziumcarbonat, Talkum, Kaolin oder Volastonit ist auch die Verwendung kohlehaltiger Füllstoffe bekannt. Hierzu zählen Kohlepulver, Kokspulver oder auch Petrolkokspulver, die in einem, Matrix aus thermoplastischen Polymeren eingebettet werden können.

Die Zerkleinerung und Kalibrierung der Petrolkokse vor ihrer Verwendung in den bekannten Formmassen läßt sich durch Mahlen in einer Kugelmühle, Stabmühle, Hammermühle, Schleudern der Koksteile durch Blasen mit Dampf oder Luft gegen eine Oberfläche, durch zentrifugale Schleuderwirkung von Rotorflügeln (Palman- Pulverisierungs-Vorrichtung), durch Überschallschwingung oder durch Verwendung gegenüberliegender Stahlwalzen erreichen.

Die DE 41 40 025 C2 lehrt einen aus Kohlestoffverbindungen bestehenden Werkstoff. Das feinstkörnige Kohlenstoffpulver wird dabei durch eine Hochgeschwindigkeits-Prallzerkleinerung erzeugt und ohne weitere Zusätze mit dem thermoplastischen Polymer vermischt. Dieser Vorgang erfolgt dabei im Rahmen einer Extrusion.

Nachteil des hier beschriebenen Standes der Technik ist es, daß dieses Verfahren auf Polymeren mit definiertem Molekulargewichtsbereich beschränkt ist. So ist die Herstellung von Polymeren mit sehr hohem Molekulargewicht hierüber nicht möglich.

Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von polymeren Halbzeugen mit darin enthaltenen Füllstoffen zu erzeugen, wobei die Halbzeuge sowohl eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen sollten sowie kostengünstig zu produzieren sind.

Diese Aufgabe wird durch das gattungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch das Halbzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Die weiteren Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildung auf. In den Ansprüchen 20 und 21 wird die Verwendung der Halbzeuge beschrieben.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen aus hoch- oder ultrahochmolekularen Polymeren durch Preßsintern bereitgestellt. Unter den Begriff Halbzeuge sollen im Rahmen dieser Anmeldung auch Form- oder Fertigteile gefaßt werden. Der Vorgang des Preßsinterns erfolgt dabei bei einer Temperatur zwischen 50 und 300°C sowie einem Druck zwischen 50 und 1000 bar, bevorzugt 400 bar. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß vor der Preßsinterung das Polymer sowie feinpulvriges Anthrazit als Füllstoff zu einem Gemisch vermischt, dann verpreßt sowie anschließend gesintert wird.

Überraschenderweise konnte so gezeigt werden, daß die nach diesem Verfahren hergestellten Halbzeuge eine wesentlich höhere Härte und Steifigkeit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Halbzeugen sowie eine hervorragende Verschleißbeständigkeit aufweisen. Weitere vorteilhafte Eigenschaften des erfindungsgemäßen Halbzeugs sind:

  • - geringer Kaltfluß aufgrund der höheren Druckfestigkeit
  • - hohe Wärmeform- und Wärmealterungsbeständigkeit
  • - UV-beständig
  • - hohe Chemikalien- und Hydrolysebeständigkeit
  • - niedriger Gleitreibungskoeffizient
  • - geringe Feuchtigkeitsaufnahme

Erfindungsgemäß kann auf diese Weise ein sehr recyclingfreundliches und kostengünstiges polymeres Halbzeug bereitgestellt werden.

Bevorzugt wird dabei als Polymer hochmolekulares Polyethylen (HMW-PE) mit einem Molekulargewicht von mehr als 500000 g/mol verwendet. Besonders bevorzugt wird dieses Verfahren jedoch für ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMW-PE) mit einem Molekulargewicht von mehr als 2000000 g/mol verwendet.

Neben der alleinigen Verwendung von Polyethylen ist es aber auch möglich als Polymer Copolymere von Polyethylen und/oder Polymerlegierungen aus Polyethylen und anderen Polymeren einzusetzen, wobei die zuvor angegebenen Molekulargewichtsbereiche sich dann lediglich auf den Polyethylen-Anteil beziehen.

Je nach Eigenschaftsprofil kann der Anteil an Anthrazit im Halbzeug fast beliebig variiert werden. Bevorzugt sind hierbei jedoch zwischen 0,5 und 70 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 20 und 50 Gew.-% Anthrazit, bezogen auf das Gemisch. Anhand des Anthrazit- Anteils können die elektrostatischen Eigenschaften des Halbzeugs gesteuert werden. So führt eine Erhöhung des Anthrazit-Anteils zu einer Verstärkung der antistatischen Wirkung des Halbzeugs. Sind dagegen keine antistatischen Eigenschaften des Halbzeugs erwünscht, so kann dies auf einfache Weise durch Erniedrigung des Anthrazit-Anteils ermöglicht werden.

Neben dem Polymer und dem Füllstoff können weitere Additive dem Gemisch zugesetzt werden. Hierzu zählen beispielsweise Antioxidantien, Stabilisatoren, Farbmittel, Füllstoffe, Verstärkungsstoffe und -fasern, Hilfsstoffe, Gleitmittel, Antistatika, Flammschutzmittel und/oder Schlagzähigkeitsverbesserer.

In einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird das Anthrazit direkt vor der Zugabe zerkleinert und/oder gemahlen, so daß ein feines Pulver oder Mahlgut resultiert. Dieses kann durch sich anschließende Siebvorgänge von größeren Partikeln abgetrennt werden. Bevorzugt wird das Anthrazit mit einer Korngrößenverteilung, bei der mindestens 90% des Anthrazits eine Korngröße < 100 µm aufweisen, eingesetzt. Das Anthrazit kann aber auch eine Korngrößenverteilung aufweisen, bei der mindestens 50% des Anthrazits eine Korngröße < 20 µm aufweisen. Besonders bevorzugt ist es, daß das Anthrazit in einer Korngrößenverteilung, bei der mindestens 10% des Anthrazits eine Korngröße < 1 µm aufweisen, eingesetzt wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann das Gemisch aus Polymer und Füllstoff in einem eine sauerstofffreie Atmosphäre enthaltendem Gebinde eingeschlossen werden. Hieran schließt sich dann die Verpressung zum Halbzeug an, wonach das Gebinde abschließend dann vom Halbzeug abgetrennt wird. Das Gebinde besteht aber bevorzugt aus einer Polymerfolie mit Barriereeigenschaften gegen Sauerstoff und einer Temperaturstabilität bis 300°C. Die sauerstofffreie Atmosphäre kann dabei im Gebinde dadurch erzeugt werden, daß eine Evakuierung erfolgt und/oder das Innere des Gebindes mit einem Inertgas, z. B. Stickstoff oder ein Edelgas, gespült wird.

Erfindungsgemäß wird ebenso ein Halbzeug aus ultrahochmolekularem Polyethylen mit einem Molekulargewicht von mindestens 2,000000 g/mol, 0,5 bis 70 Gew.-% feinpulvrigem Anthrazit als Füllstoff und ggf. mindestens einem weiteren Additiv besteht. Dieses Halbzeug wird bevorzugt nach dem beschriebenen Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 13 hergestellt. Die Konzentration des Anthrazits im Halbzeug beträgt dabei bevorzugt zwischen 20 und 50 Gew.-%. Gleichzeitig kann das Halbzeug antistatische Eigenschaften aufweisen, wobei verstärkte antistatische Wirkung besonders bei hohen Anthrazitgehalten im Halbzeug auftreten.

Das Halbzeug weist überraschenderweise eine besonders hohe Verschleißbeständigkeit auf. Dies konnte im Rahmen einer Betriebsfestigkeitsprüfung in einem Zwei- Wege-Reibprüfstand nachgewiesen werden, die an der Technischen Universität Hamburg-Harburg von Prof. Lehmann durchgeführt wurden. Hierbei konnte gezeigt werden, daß gegenüber herkömmlich hergestellten Halbzeugen eine um mindestens 20%, bevorzugt um 100% höhere Verschleißfestigkeit auftritt.

Das Halbzeug kann neben dem Polymer und dem Füllstoff vorzugsweise weitere Additive enthalten, die aus der Gruppe der Pigmente, Antioxidantien, Farbmittel, Farbstoffe, Füllstoffe, Verstärkungsstoffe und -fasern, Hilfsstoffe, Gleitmittel, Antistatika, Flammschutzmittel und Schlagzähigkeitsverbesserer ausgewählt sind.

Verwendung finden die erfindungsgemäßen Halbzeuge bevorzugt für die Herstellung von Vorformling oder Formteilen. Ebenso ist aber auch die Verwendung für die Herstellung von Werkzeugen möglich.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen aus hoch- und/oder ultrahochmolekularen Polymeren durch Preßsintern bei einer Temperatur zwischen 50 und 300°C und einem Druck zwischen 50 und 1000 bar, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemisch, enthaltend das Polymer und feinpulvriges Anthrazit als Füllstoff, verpreßt und anschließend gesintert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Polymer hochmolekulares Polyethylen (HMW-PE) mit einem Molekulargewicht von mehr als 500000 g/mol verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Polymer ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMW-PE) mit einem Molekulargewicht von mehr als 2000000 g/mol verwendet wird.
  4. 4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil an Anthrazit zwischen 0,5 und 70 Gew.-%, bevorzugt zwischen 20 und 50 Gew.-%, bezogen auf das Gemisch, eingesetzt wird.
  5. 5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Konzentration des Anthrazits die antistatischen Eigenschaften des Halbzeugs gesteuert werden.
  6. 6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gemisch weitere Additive, z. B. Antioxidantien, Stabilisatoren, Farbmittel, Füllstoffe, Verstärkungsstoffe und - fasern, Hilfsstoffe, Gleitmittel, Antistatika, Flammschutzmittel und/oder Schlagzähigkeitsverbesserer, zugesetzt werden.
  7. 7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anthrazit vor der Zugabe zerkleinert und/oder gemahlen wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Anthrazit dem Gemisch als Mahlgut mit einer Korngrößenverteilung, bei der mindestens 90% des Anthrazits eine Korngröße < 100 µm aufweist, zugesetzt wird.
  9. 9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Anthrazit dem Gemisch als Mahlgut mit einer Korngrößenverteilung, bei der mindestens 50% des Anthrazits eine Korngröße < 20 µm aufweist, zugesetzt wird.
  10. 10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Anthrazit dem Gemisch als Mahlgut mit einer Korngrößenverteilung, bei der mindestens 10% des Anthrazits eine Korngröße < 1 µm aufweist, zugesetzt wird.
  11. 11. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem eine sauerstoffreie Atmosphäre enthaltendem Gebinde eingeschlossenes Gemisch aus Polymer und Füllstoff zum Halbzeug verpresst und anschließend vom Gebinde getrennt wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebinde aus einer Polymerfolie mit Barriereeigenschaften gegen Sauerstoff und einer Temperaturstabilität bis 300°C besteht.
  13. 13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die sauerstoffreie Atmosphäre im Gebinde durch Evakuierung und/oder Spülung mit einem Inertgas, z. B. Stickstoff oder ein Edelgas, erzeugt wird.
  14. 14. Halbzeug aus ultrahochmolekularem Polyethylen mit einem Molekulargewicht von mindestens 2.000.000 g/mol, 0,5 bis 70 Gew.-% feinpulvrigem Anthrazit als Füllstoff und gegebenenfalls mindestens einem Additiv.
  15. 15. Halbzeug nach Anspruch 14 und erhältlich durch das Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13.
  16. 16. Halbzeug nach mindestens einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Anthrazit in einer Konzentration zwischen 20 und 50 Gew.-% vorliegt.
  17. 17. Halbzeug nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug antistatische Eigenschaften aufweist.
  18. 18. Halbzeug nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug im Zwei-Wege-Reibprüfstand zur Betriebsfestigkeitsprüfung eine um mindestens 20%, bevorzugt um 100% höhere Verschleißfestigkeit als füllstoffreies Halbzeug aufweist.
  19. 19. Halbzeug nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe der Antioxidantien, Stabilisatoren, Farbmittel, Füllstoffe, Verstärkungsstoffe und -fasern, Hilfsstoffe, Gleitmittel, Antistatika, Flammschutzmittel und Schlagzähigkeitsverbesserer.
  20. 20. Verwendung der Halbzeuge nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 19 zur Herstellung von Vorformlingen oder Formteilen.
  21. 21. Verwendung der Halbzeuge nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 19 zur Herstellung von Werkzeugen.






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