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Dokumentenidentifikation DE69821771T2 13.01.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001003805
Titel VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER GLEICHMÄSSIGEN DISPERSION AUS ARAMIDFASERN UND EINEM POLYMER
Anmelder E.I. du Pont de Nemours and Co., Wilmington, Del., US
Erfinder VERCESI, P., Giorgio, CH-1237 Avully, CH;
JAKOB, Jean Pierre, F-74140 Ballaison, FR;
CUDRE-MAUROUX, Nicolas, Glen Allen, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69821771
Vertragsstaaten DE, DK, FR, GB, IT, NL, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 11.08.1998
EP-Aktenzeichen 989393392
WO-Anmeldetag 11.08.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/US98/16651
WO-Veröffentlichungsnummer 9907770
WO-Veröffentlichungsdatum 18.02.1999
EP-Offenlegungsdatum 31.05.2000
EP date of grant 18.02.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.01.2005
IPC-Hauptklasse C08J 3/00
IPC-Nebenklasse C08J 5/04   B29C 47/00   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft das Herstellen gleichförmiger Dispersionen von Aramidfasern in extrudierbarem Polymer auf einer kontinuierlichen Basis.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Die US-P-5439623 offenbart, dass die Einführung von Additiven in thermoplastische Polymere mit Hilfe eines Extruders schwierig ist und dass selbst bei pelletisierten Additivkonzentraten Beschickungsanlagen mit Schwerkraftdosierung oder Volumendosierung sehr schwer zu regeln sind.

Die US-P-5205972 offenbart, dass Fasern gleichförmig mit Polymer in einem Extruder verbunden werden können, indem eine Aufschlämmung der Fasern mit einer kolloidalen Dispersion des Polymers erzeugt wird, die Aufschlämmung in einen Extruder eingeführt und die kolloidale Dispersion zur Ausflockung gebracht wird und das Wasser der Aufschlämmung aus dem Extruder verdampft wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Vereinen von kurzen Aramidfasern mit extrudierbarem Polymer, um eine weitgehend gleichförmige Zusammensetzung zu liefern, die 15% bis 99 Gew.-% des Polymers aufweist und 1% bis 85 Gew.-% der Aramidfasern, welches Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen von Aramidfasern mit einer Länge von 0,1 bis 8 mm und einem Feuchtegehalt von 20% bis 85 Gew.-% Wasser bezogen auf das Gewicht der Fasern; kontinuierliches Zuführen der feuchten Aramidfasern mit einer weitgehend konstanten Geschwindigkeit in einen Extruder; Einbringen von Wärme in die Fasern in dem Extruder, um das Wasser aus den Fasern zu verdampfen; die erhitzten Fasern in dem Extruder vor der Einführung des Polymers Scherkräften unterwerfen, um die Fasern zu öffnen; kontinuierliches Einführen des Polymers in den Extruder, nachgeschaltet der Einführung der Fasern; Mischen des Polymers und der Fasern in dem Extruder, um eine weitgehend gleichförmige Zusammensetzung zu erhalten; und Ausdrücken der Zusammensetzung aus dem Extruder.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Figur ist eine schematische Darstellung eines Extruders, der in der Praxis der vorliegenden Erfindung zur Anwendung gelangen kann.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Elastomere und thermoplastische Polymermaterialien werden oftmals unter Verwendung von Kurzfasern verstärkt, wobei in Fällen, wo die besonderen Eigenschaften von Aramidmaterialien angestrebt werden, oftmals für die Verstärkung Aramidfasern verwendet werden. Anforderungen von hoher Temperatur und hohem Elastizitätsmodul können oftmals befriedigt werden, indem kurze Aramidfasern als Verstärkung verwendet werden. Kurze Aramidfasern sind dann nützlich, wenn sie in dem gesamten elastomeren oder thermoplastischen Matrixmaterial gleichförmig verteilt sind. Allerdings ist die Gleichförmigkeit in der Vergangenheit schwer zu erreichen gewesen, was auf die Schwierigkeit der kontinuierlichen Zuführung von kurzen Aramidfasern mit einer konstanten Geschwindigkeit zurückzuführen ist. Die vorliegende Erfindung gewährt ein kontinuierliches Verfahren für ein gleichförmiges Verteilen von kurzen Aramidfasern in Polymermaterial, worin die Kurzfasern mit konstanter Geschwindigkeit zugeführt werden und dadurch die Möglichkeiten der allgemeinen Anwendung von kurzen Aramidfasern in der Erzeugung von mit kurzen Aramidfasern verstärkten Polymerzusammensetzungen mit hohem Durchsatz verbessert werden.

Kurze Verstärkungsfasern lassen sich einem Matrixpolymer für die Aufgaben der Verstärkung direkt zusetzen oder sie können in einer höheren Konzentration mit einem Trägerpolymer vereint werden, um eine Masterbatch-Zusammensetzung zu erzeugen. Die Masterbatch-Zusammensetzung lässt sich dann als Ausgangsmaterial der Fasern für Verstärkungszwecke verwenden. Das Trägerpolymer kann das gleiche sein wie das zur Anwendung gelangende Matrixpolymer oder es kann mit diesem kompatibel sein. Für die Aufgaben der vorliegenden Erfindung wird das Trägerpolymer ebenfalls als Matrixpolymer bezeichnet.

Kurze Aramidfasern in trockener Form und speziell kurze Aramidfasern, die stark fibrilliert sind, wie beispielsweise Aramid-Pulpe, haben die Neigung zur Klumpenbildung und zu agglomerieren und versperren Transportleitungen in den Hahnöffnungen, was eine kontinuierliche Beschickung mit konstanter Geschwindigkeit sehr schwierig macht. Wie nachfolgend detailliert erklärt werden wird, ist entdeckt worden, dass Feuchtigkeit in Kurzfasern eine drastische Änderung im Charakter der Fasern bewirkt und ihre leichte Handhabung und Zuführung mit konstanter Geschwindigkeit in und durch Extruder ermöglicht wird.

Unter "kurze Aramidfasern" werden Aramidfasern oder disperse Materialien mit geringem Durchmesser und hohem Höhe-Breite-Verhältnis mit einer Länge von 0,1 bis 8 mm und bevorzugt 0,7 bis 3 mm verstanden. Das Höhe-Breite-Verhältnis von Kurzfaser, bei dem es sich um das Verhältnis von Länge zu Durchmesser handelt, reicht herab von 10 bis aufwärts zu 1.000 oder sogar noch etwas mehr.

Obgleich die vorliegende Erfindung für mehrere Arten von Kurzfasern ausgeführt und mit diesen zur Anwendung gelangen kann, findet sie hauptsächlich mit fibrillierten Materialien oder Materialien mit sehr großer Oberfläche und geringer Schüttdichte Anwendung. Derartige fibrillierte Materialien oder kurze Aramidfasern schließen Pulpe ein und speziell Aramid-Pulpe, die nach der Lehre der US-P-5028372 und 5532059 hergestellt werden oder durch Anreiben von Aramidflocken mit einer ursprünglichen Länge von 0,1 bis 8 mm. Für die Aufgaben der vorliegenden Erfindung schließen kurze Aramidfasern auch "Fibride" bekannter partikulärer Materialien und speziell Aramidfasern, die beispielsweise nach den Lehren der US-P-2999788 und 3018091 hergestellt werden, sowie weitgehend nicht fibrillierte Aramidfasern mit einem Durchmesser von 5 bis 15 Mikrometer und einer Länge von 0,1 bis 8 mm, die als "Flocken" bekannt sind.

Die kurzen Aramidfasern können beispielsweise beschichtet werden mit Epoxyharz, Phenolharz, Resorcin-Formaldehydharz, Polyurethanharz, Siliconharz, Weichmacher oder dergleichen oder können mit Mitteln behandelt werden, die ihr Verhalten bei der Handhabung verändern, die Klebeigenschaften, das Halten von statischer Aufladung und dergleichen. Die kurzen Aramidfasern können aber auch in Kombination mit anderen partikulären Materialien verwendet werden, wie beispielsweise Ruß, Fluorpolymere, Chitosan, Farbmitteln, Füllstoffen, Antioxidantien und dergleichen, und lassen sich mit anderen Fasern verwenden, wie beispielsweise Glas, Mineral, Kohlenstoff-, natürliche Fasern (Baumwolle, Jute, Ramie und dergleichen), Synthesefasern (Polyester, Nylon und dergleichen) und dergleichen. Die Art, der Typ und die Konzentration von zusätzlichem Material sind so lange nicht entscheidend, wie es keine Beeinträchtigung bei den Merkmalen der Handhabung der feuchten kurzen Aramidfasern gibt.

Unter "Aramid" wird ein Polyamid verstanden, worin sich mindestens 85% der Amid(-CO-NH-)-Verknüpfungen direkt an zwei aromatischen Ringen befinden.

Mit dem Aramid können Additive verwendet werden und es ist festgestellt worden, dass bis zu 10 Gew.-% oder sogar noch mehr anderes polymeres Material mit dem Aramid abgemischt werden kann oder dass Copolymere verwendet werden können, die bis zu 10 Gew.-% anderes Diamin aufweisen, das für das Diamin des Aramids ersetzt ist, oder bis zu 10% anderes Disäurechlorid, das für das Disäurechlorid oder des Aramids ersetzt ist.

Die primären Polymere in den Kurzfasern der vorliegenden Erfindung sind p-Aramide von denen Poly(p-phenylenterephthalamid) (PPD-T) das bevorzugte p-Aramid ist. Unter PPD-T wird das Homopolymer verstanden, das aus einer molweisen Polymerisation von p-Phenylendiamin und Terephthaloylchlorid resultiert, ebenfalls Copolymere, die aus dem Einbau geringer Mengen anderer Diamine mit dem p-Phenylendiamin und geringer Mengen anderer Disäurechloride mit dem Terephthaloylchlorid resultieren.

Ebenfalls für die Verwendung in den Kurzfasern der vorliegenden Erfindung von Bedeutung sind m-Aramide, wobei Poly(m-phenylenisophthalamid) (MPD-I) das bevorzugte m-Aramid ist. Unter MPD-I wird das Homopolymer verstanden, das aus der molweisen Polymerisation von m-Phenylendiamin und Isophthaloylchlorid resultiert, und auch Copolymere, die aus dem Einbau einer geringen Menge anderer Diamine mit dem m-Phenylendiamin und alle geringen Mengen von anderen Disäurechloriden mit dem Isophthaloylchlorid resultieren.

Kurze Aramidfasern, die trocken sind oder sogar geringe Mengen Feuchte enthalten, wie beispielsweise bis zu 2% bis 5 Gew.-% oder vielleicht geringfügig darüber hinaus können selbstverständlich in einigen Fasern vorhanden sein, können eine starke negative elektrostatische Ladung zeigen und sind flaumartig und zeigen eine geringe Schüttdichte und sind demzufolge schwer zu handhaben und schwer in dosierter Form mit konstanter Geschwindigkeit als Beschickung zuzuführen. Mit zunehmenden Feuchtegehalt der Aramidfasern verschwinden die elektrostatischen Aufladungen und die Schüttdichte erhöht sich, was zu einer Verbesserung des Charakters bei der Handhabung führt. Es ist entdeckt worden, was hierin die Erfindung ausmacht, dass kurze Aramidfasern, die feucht sind, sich mühelos handhaben und dosieren lassen. Der Feuchtegrad, der für die Verwendung der vorliegenden Erfindung unterstellt wird, beträgt 20% bis 85 Gew.-% und bevorzugt 30% bis 70 Gew.-% bezogen auf das Gewicht der trockenen Faser. Bei diesen Konzentrationen an Feuchtigkeit die Merkmale der Handhabung der Fasern, d. h. bei kurzen Aramidfasern mit 50 Gew.-% Wasser ist die elektrostatische Aufladung auf den Fasern im Wesentlichen Null, und die Schüttdichte der Fasern erhöht sich auf mehr als das 3-fache von 50 g/l bis 170 g/l. Bei Konzentrationen der Feuchtigkeit von weniger als 20 Gew.-% sind die Fasern schwer zu handhaben, was auf die sehr geringe Schüttdichte und die hohe elektrostatische Aufladung zurückzuführen ist, die Fasern bei einer Konzentration der Feuchtigkeit von mehr als 85 Gew.-% zu einer halbfesten Masse zusammenklumpen und sogar einen Brei bilden können. Unter "Feuchte" bzw. "Feuchtigkeit" wird normalerweise Wasser verstanden, wobei jede beliebige flüchtige Flüssigkeit oder Mischung von Flüssigkeiten, die die Fasern benetzen können, verwendet werden kann.

Wenn ausgeführt wird, dass die feuchten Fasern der vorliegenden Erfindung ohne Schwierigkeit gehandhabt und dosiert werden können, wird darunter verstanden, dass die feuchten Fasern mit einer konstanten Geschwindigkeit zugeführt werden können, indem konventionelle Beschickungsvorrichtungen zur Anwendung gelangen, wie beispielsweise Einschnecken- oder Doppelschnecken-Beschickungsanlagen, Kegel-Beschickungsanlagen, Beschickungsanlagen mit inversem Kegel, Beschickungsanlagen mit Gewichtsdosierung oder Beschickungsanlagen mit volumetrischer Dosierung, Schwingdosierer, Beschickungsanlagen mit Bandförderer und dergleichen. Fasern, die eine große Oberfläche haben und trocken sind, können unter Anwendung derartiger Beschickungsanlagen nicht mit konstanter Geschwindigkeit zugeführt werden.

Das Polymermaterial, das mit den Kurzfasern vereint werden soll, kann jedes beliebige Polymer sein oder eine Kombination von Polymeren, die durch ein Extruder extrudiert werden können. Generell einbezogen sind Elastomere und thermoplastische Polymere und einschließlich: Polyolefine, wie beispielsweise Niederdruckpolyethylen und Hochdruckpolyethylen, Polypropylen; Ethylen/Vinylacetat-Copolymere; Ethylen/Methylacrylat-Copolymere; Ionomerharze; Polymethylmethacrylat; Polyvinylchlorid; EPDM-Kautschuke; Chloropren; Copolyester-Elastomere; Polyethylenterephthalat; Polybutylenterephthalat; Flüssigkristall-Polymere; Polyetheretherketon; Polyetherketonketon; ABS; Polyphenylsulfid; Polyamide; Polyimide; Polyurethane; Silicone und dergleichen. Das Polymermaterial muss flüssig sein oder muss sich mindestens bei der Erweichungstemperatur oder Betriebstemperatur in einem Extruder befinden und kann von Fall zu Fall sogar bei 20°C oder darunter flüssig sein, wie das bei warmhärtenden Harzen der Fall ist, einschließlich Phenolharze, Epoxyharze, Polyesterharze und Vinylesterharze.

Die Zusammensetzung, die in der vorliegenden Erfindung zustande kommt, weist generell 15% bis 99 Gew.-% Polymer und 1% bis 85 Gew.-% kurze Aramidfasern auf. Die Erfindung wird eingesetzt, um kurze Aramidfasern in ein Matrixpolymer zur direkten Verwendung einzumischen, aber auch zur Verarbeitung von Masterbatch-Zusammensetzungen, die selbst mit zusätzlichen Polymeren zu einem späteren Zeitpunkt abgemischt werden. Für die direkte Verwendung weist die Zusammensetzung in der Regel 90% bis 99 Gew.-% Polymermaterial und 1% bis 10 Gew.-% kurze Aramidfasern auf, während die Zusammensetzung zur Verwendung als ein Masterbatch im Allgemeinen 25% bis 60 Gew.-% Polymer und 40% bis 75 Gew.-% kurze Aramidfasern aufweist.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird unter Anwendung eines Extruders ausgeführt, um ein Durchmischen des Polymers und der feuchten kurzen Aramidfasern zu erreichen. Bei dem Extruder kann es sich um eine Variante des Einschneckenextruders handeln oder kann eine gleichsinnig oder gegensinnig laufende Doppelschneckenanlage sein. Die Schneckenelemente zweiblättrig sein, dreiblättrig, selbstreinigend sein und können ineinandergreifende oder nicht ineinandergreifende Schnecken sein, und der Extruder kann so gefertigt sein, dass eine Vielzahl von Schneckenelementen einbezogen wird, wie beispielsweise Transportelemente, Knetblöcke, Blasen, Räderwerke, Wendegetriebe und dergleichen. Der Extruder muss mit Elementen ausgestattet sein, die eine kontinuierliche Zuführung des Polymers vor (nachgeschaltet) den feuchten Kurzfasern ermöglicht sowie das Ablüften von Dampf aus der Wasserverdampfung von den Fasern.

Die Figur stellt eine der Extruderanordnungen dar, die zur Ausführung der Erfindung angewendet werden kann. Elementweise ist A der hintere Teil des Extruders, B ist eine Sektion mit Öffnung 10 zum Einführen der feuchten kurzen Aramidfasern, C ist eine beheizte Sektion wo die feuchten Fasern mindestens teilweise getrocknet und geöffnet werden, D und E sind Sektionen mit Lüftungen 11 und 12 zum Freisetzen der aus den Fasern verdampften Feuchtigkeit, F ist eine Sektion mit einer Beschickungsöffnung 13 zum Einführen des Polymers, nachgeschaltet der Beschickungsöffnung 10, G ist eine beheizte Sektion, wo das Polymermaterial geschmolzen oder mindestens plastifiziert wird und zusätzliche Feuchtigkeit verdampft, H, I und J sind Sektionen mit Mischelementen zum gleichförmigen Verteilen der Aramidfasern in das Polymer und K ist die Abschlusssektion des Extruders und kann unter Umständen nach Erfordernis mit einem Extruderwerkzeug ausgestattet sein. Die Elemente H und J enthalten Lüftungen 14 und 15 zum Freilassen von verdampfter Feuchtigkeit.

Element B ist vorzugsweise mit Schnecken ausgestattet, die über tiefe Schneckenstege verfügen, um eine konstante Materialaufnahme aus der Beschickungsöffnung 10 zu gewährleisten. Das feuchte Material aus kurzer Aramidfaser wird in die Beschickungsöffnung 10 in separater Form oder in Klumpenform von 1 bis 5 cm ungefähr eingeführt, was aufgrund der in den Fasern vorhandenen Feuchtigkeit mit einer konstanten Geschwindigkeit zugeführt werden kann. Obgleich nicht ein bevorzugtes Verfahren, können die feuchten kurzen Aramidfasern in die Beschickungsöffnung des Extruders als ein durchgehend geformter Stab oder "nasser Wickel" von Fasern eingeführt werden, die gerade ausreichend Feuchtigkeit aufweisen, damit die Fasern die Form des nassen Wickels halten können.

Die feuchten kurzen Aramidfasern, die kontinuierlich in den Extruder eingeführt werden, werden mit Hilfe der Schnecken durch den Zylinder des Extruders weitergeführt und es wird Wärme eingeführt, um einen Teil der Feuchtigkeit von den Fasern zu verdampfen. Die Schneckenelemente im Element C werden so gewählt, dass nicht nur die feuchten kurzen Aramidfasern transportiert werden, sondern die Fasern auch bearbeitet werden, um ihr Trocknen zu unterstützen und sie teilweise zu öffnen, indem die Fasern Scherkräften unterworfen werden. Unter "öffnen" der Fasern wird verstanden, dass sie voneinander separiert und entknäuelt werden, wodurch die Schüttdichte abnimmt. Akzeptable Einsätze im Element C sind solche, die nicht nur für den Transport sorgen, sondern auch Scherkräfte auf die Fasermasse ausüben, wie beispielsweise Räder oder Knetblöcke oder dergleichen. Die Feuchtigkeit wird im Element C verdampft und unmittelbar dahinter aus den Lüftungsöffnungen 11 und 12 freigesetzt. Am Element F wird kontinuierlich Polymermaterial in die Beschickungsöffnung 13 eingeführt, wo das Mischen der Fasern und des Polymers beginnt. In das Element G wird Wärme eingeführt, um das Polymer zu schmelzen oder weich zu machen und weitere Feuchtigkeit zu verdampfen. Das Mischen wird durch den Extruder hindurch fortgesetzt und aus dem Extruder eine weitgehend gleichförmige Zusammensetzung ausgestoßen. Wärme kann durch die Mischwirkung des Extruders erzeugt werden und Wärme kann aus externen Quellen eingeführt werden, wobei die Wärme das Polymer weich macht oder schmilzt, das Polymer und die Fasern mischt und das Wasser aus der Mischung verdampft. Das Wasser wird aus dem Extruder durch die Lüftungsöffnungen freigesetzt.

Wenn das Polymer einem Abbau durch Hydrolyse bei Kontakt mit Feuchtigkeit, wie beispielsweise von den feuchten Fasern, unterworfen wird, sollte die Feuchtigkeit vollständig aus den Fasern abgedampft und aus dem Extruder abgelüftet werden, bevor die Fasern das Polymer erreichen.

Beispielsweise wird unter Bezugnahme auf die Figur die Feuchtigkeit aus den Kurzfasern vollständig durch die Lüftungsöffnungen 11 und 12 in den Elementen D und E entfernt.

Es ist wichtig anzumerken, dass das Polymer in den Extruder den feuchten Aramidfasern nachgeschaltet eingeführt wird. Sofern das Polymer in den Extruder den feuchten Aramidfasern nachgeschaltet eingeführt wird, wird das Mischen mühelos ausgeführt und leicht Gleichförmigkeit erhalten. Ein angemessenes Mischen wird nicht erreicht, wenn das Polymer in den Extruder den feuchten Fasern vorgeschaltet eingeführt wird. In diesem Fall können die Fasern nicht geöffnet werden, bevor der Kontakt mit dem Polymer erfolgt. Es ist festgestellt worden, dass, wenn das Polymer den Fasern vorgeschaltet oder in der gleichen Beschickungsöffnung eingeführt wird, lediglich eine teilweise Faserverteilung in der Zusammensetzung erzielt werden kann. Eine gleichförmige Faserverteilung wird wie in der vorliegenden Erfindung lediglich dann erzielt, wenn feuchte kurze Aramidfasern in den Extruder eingeführt und teilweise getrocknet und geöffnet werden, bevor sie mit dem Polymer gemischt werden.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN BEISPIEL 1

In diesem Beispiel wurde ein Material aus kurzer Aramidfaser kontinuierlich mit Polymer bei einer weitgehend konstanten Geschwindigkeit vereint, um eine Zusammensetzung zu liefern, die aus gleichförmig in dem Polymer verteilten Fasern aufbereitet war.

Bei den kurzen Aramidfasern handelte es sich um Poly(p-phenylenterephthalamid)-Pulpe mit einer mittleren Faserlänge von 0,7 bis 0,8 mm, einer BET-Oberfläche von 8 bis 9 m2/g und einer Stoffdurchlässigkeit nach Kanadischem Standard von 215 ml. Es handelte sich um das Produkt, das von E. I. du Pont de Nemours and Company unter dem Warenzeichen Kevlar®, merge IF361, vertrieben wird und es wurde so behandelt, dass es etwa 50 Gew.-% Wasser enthielt.

Bei dem Polymer handelte es sich um ein Ethlyen/Vinylacetat-Copolymer mit 40 Gew.-% Vinylacetat und einem Schmelzindex von 57 dg/min. Das Produkt, das von E. I. du Pont de Nemours and Company unter dem Warenzeichen Elvax® 40W vertrieben wird.

Das Mischen wurde in einem gegenläufigen 57 Millimeter-Doppelschneckenextruder von Werner Pfleiderer mit einer Einführungsöffnung für die Pulpe und davon nachgeschaltet mit einer Einführungsöffnung für das Polymer ausgeführt. Der Extruder verfügte entsprechend der Darstellung in der Figur über 11 Sektionen mit 4 Lüftungsöffnungen und 2 Beschickungsöffnungen und hatte eine Länge mit dem 33-fachen Durchmesser und lief bei diesem Beispiel mit 350 U/min. Die nasse Pulpe wurde in die Beschickungsöffnung 10 mit einem Durchsatz von 22,7 kg/h und das Polymer in die Beschickungsöffnung 13 mit einem Durchsatz von 10,4 kg/h zugeführt. Wasserdampf wird aus dem Extruder an den Lüftungsöffnungen freigesetzt, die sich in den Sektionen D, E, H und J befinden. Die Wärme zu den verschiedenen Sektionen wurde so eingestellt, dass im Betrieb die folgenden Temperaturen erzielt wurden:

Die nasse Pulpe wurde unter Verwendung einer Beschickungsanlage mit Gewichtsdosierung mit einer Weithalszuführung und einer offenspiraligen Einfachschnecke zugeführt, wie sie von KTron-Sauder (Schweiz) vertrieben wird, und das Polymer in Pelletform unter Verwendung einer langsam drehenden Beschickungsanlage mit Schnecken vom Schlangenbohrer-Typ zugeführt, ebenfalls von KTron-Sauder.

Es wurde festgestellt, dass die Vereinigung von Pulpe und Polymer, die aus der Sektion K des Extruders ausgedrückt wurde, 51,5 ± 0,5 Gew.-% Pulpe gleichförmig und über die Dauer des Betriebs gleichbleibend aufwies. Die Prüfungen zeigten, dass die Faserlänge der Pulpe durch den Prozess nicht verändert worden war. Wenn aus der Vereinigung Pellets geschmolzen und zu einem sehr dünnen flächigen Material gepresst wurden, zeigte die visuelle Untersuchung, dass es keinerlei Faseraggregate gab.

Es muss darauf hingewiesen werden, dass die Pulpe mit konstanter Geschwindigkeit zugeführt werden konnte, weil sie etwa 50 Gew.-% Wasser enthielt. Sobald der Feuchtigkeitsgehalt der Pulpe kleiner war als 20 Gew.-% Wasser, war die Textur der Pulpe so beschaffen, dass dieses eine Beschickung mit konstanter Geschwindigkeit unmöglich machte.

Es ist ebenfalls darauf hinzuweisen, dass das Polymer in den Extruder der Pulpe nachgeschaltet eingeführt wurde. Wenn das Polymer in den Extruder der Pulpe vorgeschaltet eingeführt wird, kann die Faser nicht in angemessener Weise geöffnet werden, um eine gleichförmige Verteilung in dem Polymer zu erzielen.

BEISPIEL 2

In diesem Beispiel wurde das gleiche Material aus kurzer Aramidfaser mit dem gleichen Feuchtigkeitsgehalt, wie in Beispiel 1 verwendet wurde, kontinuierlich mit einer weitgehend konstanten Geschwindigkeit und einer Vielzahl von Polymeren in einem gegenläufigen 40 mm-Doppelschneckenextruder von Berstorff kontinuierlich vereint, der über eine Einführungsöffnung der Fasern verfügte und dieser nachgeschaltet über eine Einführungsöffnung des Polymers. Der Extruder verfügte über 7 Sektionen mit 2 Lüftungsöffnungen und 2 Beschickungsöffnungen und hatte eine Länge des 33-fachen Durchmessers.

Die nasse Pulpe wurde in den Extruder unter Verwendung einer Beschickungsvorrichtung Hasler 4021 mit Gewichtsdosierung zugeführt, der mit Doppelschnecken vom Zopf-Typ ausgestattet war, und es wurde beachtet, dass jeder Feuchtigkeitsgehalt von weniger als etwa 20 Gew.-% Fasern zum Ergebnis hätte, die zu flaumig oder elektrostatisch zu stark aufgeladen waren, um unter Verwendung dieser Vorrichtung zugeführt zu werden.

Die Temperaturen in dem Extruder waren ausreichend hoch eingestellt, um das Polymer bei der Einführung weich zu machen, jedoch niedrig genug, um den heißen Wasserdampf daran zu hindern, die Öffnung zu verstopfen. Die Polymere, die Massendurchsätze und übrigen Informationen waren wie folgt:

Gehalt an Vinylacetat 18 Gew.-% und Schmelzindex 8 dg/min, vertrieben von E. I. du Pont de Nemours and Company unter dem Warenzeichen Elvax 450. Ionomerharz vom Zinkkation-Typ mit einem Schmelzindex von 1 g/10 min bei 190°C, vertrieben von E. I. du Pont de Nemours and Company unter dem Warenzeichen Surlyn 9020. Ethylen/Propylen/Dien-Monomer (EPDM)-Harz mit einem Gehalt von 70 Gew.-% Ethylen, mit einer Mooney-Viskosität von 25 (ML 1 + 4 bei 125°C) und 2,5 Gew.-% Ethylennorbornen, vertrieben von DuPont-Dow Elastomer unter dem Warenzeichen Nordel IP 3725.
BEISPIEL 3

In diesem Beispiel wurde das gleiche Material der kurzen Aramidfaser mit dem gleichen Feuchtigkeitsgehalt wie in Beispiel 1 verwendet und kontinuierlich mit Ethylen/Vinylacetat-Copolymeren vereint. In einem der Fälle handelte es sich um das Copolymer mit einem Gehalt von 51 Gew.-% Vinylacetat und einem Schmelzindex von 2,8 g/10 min bei 190°C, vertrieben von Bayer AG unter dem Warenzeichen Levaprene® 500 (3A); und im anderen Fall handelte es sich um das Copolymer mit 70,6 Gew.-% Vinylacetat und einem Schmelzindex von 2,1 g/10 min bei 190°C, vertrieben unter dem Warenzeichen Levaprene® 700 (3B).

Es wurde der gleiche Extruder verwendet, wie er in Beispiel 2 zur Anwendung kam. Die Polymere, Durchsatzmengen und anderen Informationen waren wie folgt:

BEISPIEL 4

In diesem Beispiel wurde der gleiche Extruder verwendet, wie er in Beispiel 2 zur Anwendung kam. Es wurde das Material der kurzen Aramidfasern mit unterschiedlichen Konzentrationen an Feuchtigkeit bei weitgehend konstanten Geschwindigkeiten zugeführt.

Bei dem Fasermaterial handelte es sich um Poly(p-phenylenterephthalamid)-Pulpe mit einer mittleren Faserlänge von 1,3 Millimeter, einer BET-Oberfläche von 6 bis 7 m2/g und einer Stoffdurchlässigkeit nach dem Kanadischen Standard von etwa 380 ml. Dabei handelte es sich um das von E. I. du Pont de Nemours and Company unter dem Warenzeichen Kevlar®, merge 1F538 vertriebenen Produkt. Das Polymer war das gleiche, wie es in Beispiel 1 verwendet wurde.

Das Fasermaterial wurde dem Extruder unter Verwendung des gleichen Beschickungsapparates zugeführt, wie er in Beispiel 2 verwendet wurde, und das Fasermaterial wurde mit 3 unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalten verwendet. Die Temperaturen in dem Extruder wurden ausreichend hoch eingestellt, um das Polymer bei der Einführung weich zu machen, jedoch ausreichend niedrig, um den heißen Wasserdampf daran zu hindern, die Beschickungsöffnungen zu verstopfen. Der Feuchtigkeitsgehalt, die Durchsatzraten und anderen Informationen waren wie folgt:

Während die Pulpe mit 35% und 72 Gew.-% Wasser kontinuierlich und mit konstanter Geschwindigkeit in diesem Beispiel zugeführt wurde, war es sehr schwierig, die Pulpe mit 18 Gew.-% Feuchtigkeit dem Extruder zuzuführen. Der Versuch mit der Pulpe mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 18% wurde nach etwa 10 min unterbrochen, um eine "Brücke" von Fasern aufzubrechen, die sich in dem Hasler-Beschicker gebildet hatte, wobei sich in lediglich 25 min danach die Beschickungsöffnung des Extruders durch Ansammlung von fest sitzenden Fasern an den Wänden der Einlassöffnung vollständig zugesetzt hatte. Die Öffnung wurde gereinigt und mit dem Test erneut begonnen, lediglich um wiederum nach 5 min durch eine weitere "Brücke" von Fasermaterial angehalten zu werden.

Der Versuch im Bezug auf die Fasern mit lediglich 18% Feuchtigkeit wurde unterbrochen.

BEISPIEL 5

In diesem Beispiel handelte es sich bei dem Material der kurzen Aramidfasern um Aramidflocken. Es wurden 2 Arten von Flocken verwendet, bei der einen handelte es sich um m-Aramid mit einer Länge von 3 mm und einem Durchmesser von 10 bis 12 &mgr;m, während es sich bei der anderen um ein p-Aramid mit einer Länge von 2 mm und einem Durchmesser von 10 bis 12 &mgr;m handelte. Bei den m-Aramidflocken handelte es sich um Poly(m-phenylenisophthalamid), das von E. I. du Pont de Nemours and Company unter dem Warenzeichen Nomex® vertrieben wird; während es sich bei den p-Aramidflocken um Poly(p-phenylenterephthalamid) handelte, das von E. I. du Pont de Nemours and Company unter dem Warenzeichen Kevlar® vertrieben wird. Beide Arten von Flocken wurden mit 33 Gew.-% Wasser verwendet.

In diesem Beispiel wurde der gleiche Extruder und die gleiche Beschickungsvorrichtung für Faser verwendet, wie sie in Beispiel 2 zur Anwendung kam. Das Polymer war das gleiche Ethylen/Vinylacetat-Copolymer, wie es in Beispiel 1 verwendet wurde.

Das Polymer und die Flocken wurden in den Extruder mit einer Geschwindigkeit eingeführt und durch diesen durchgeführt, die zu einer Zusammensetzung führte, die 40 Gew.-% Fasern aufwies, worin die Fasern gleichförmig in der gesamten Zusammensetzung verteilt waren. Die Flocken mit 33 Gew.-% Feuchtigkeit wurden mühelos kontinuierlich und mit konstanter Geschwindigkeit zugeführt. Die Flocken mit einem Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 20 Gew.-% wiesen jedoch eine erhebliche elektrostatische Aufladung auf und waren schwer kontinuierlich zuzuführen.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum kontinuierlichen Verbinden kurzer Aramidfasern mit einer Länge von 0,1 bis 8 mm mit einem extrudierbaren Polymer, um eine weitgehend gleichförmige Zusammensetzung zu liefern, die 15% bis 99 Gew.-% Polymer und 1% bis 85 Gew.-% Aramidfasern aufweist, welches Verfahren die Schritte umfasst:

    a) Bereitstellen kurzer Aramidfasern mit einer Länge von 0,1 bis 8 mm und einem Feuchtegehalt von 20% bis 85 Gew.-% flüchtiger Flüssigkeit bezogen auf das Gewicht der Fasern;

    b) kontinuierliches Zuführen der feuchten Aramidfasern mit einer weitgehend konstanten Geschwindigkeit zu einem Extruder;

    c) Einbringen von Wärme in die Fasern in dem Extruder, um die flüchtige Flüssigkeit aus den Fasern zu verdampfen;

    d) die erhitzten Fasern in dem Extruder vor der Einführung des Polymers Scherkräften unterwerfen;

    e) kontinuierliches Einführen des Polymers in den Extruder nachgeschaltet der Einführung der Fasern;

    f) Mischen des Polymers und der Fasern in dem Extruder, um eine weitgehend gleichförmige Zusammensetzung zu erhalten und

    g) Ausdrücken der Zusammensetzung aus dem Extruder.
  2. Verfahren zum kontinuierlichen Verbinden kurzer Aramidfasern mit einer Länge von 0,1 bis 8 mm mit einem extrudierbaren Polymer, um eine weitgehend gleichförmige Zusammensetzung zu liefern, die 15% bis 99 Gew.-% Polymer und 1% bis 85 Gew.-% Aramidfasern aufweist, welches Verfahren die Schritte umfasst:

    a) kontinuierliches Einführen kurzer Aramidfasern mit einer Länge von 0,1 bis 8 mm und einem Feuchtegehalt von 20% bis 85 Gew.-% flüchtiger Flüssigkeit bezogen auf das Gewicht der Fasern bei einer weitgehend konstanten Geschwindigkeit in einen Extruder;

    b) kontinuierliches Einführen des Polymers in den Extruder nachgeschaltet der Einführung der Aramidfasern;

    c) Mischen des Polymers und der Aramidfaser in dem Extruder, um eine weitgehend gleichförmige Zusammensetzung zu erhalten und

    d) Ausdrücken der Zusammensetzung aus dem Extruder.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Aramidfasern eine fibrillierte Aramid-Pulpe sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Aramidfasern Aramidflocken sind.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Aramid para-Aramid ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Aramid meta-Aramid ist.
  7. Produkt, das mit Hilfe des Verfahrens nach Anspruch 1 erhalten werden kann.
  8. Produkt, das mit Hilfe des Verfahrens nach Anspruch 2 erhalten werden kann.
  9. Produkt, das mit Hilfe des Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 erhalten werden kann, worin das extrudierbare Polymer Ethylen/Vinylacetat-Copolymer ist.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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