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Dokumentenidentifikation DE10152189B4 23.03.2006
Titel Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen aus ultrahochmolekularem Polyethylen 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, 80339 München
DE-Anmeldedatum 23.10.2001
DE-Aktenzeichen 10152189
Offenlegungstag 05.06.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.03.2006
IPC-Hauptklasse B29C 43/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B29B 11/16(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B29C 43/12(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen aus ultrahochmolekularem Polyethylen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ebenso betrifft die Erfindung derart hergestellte Halbzeuge. Verwendung finden diese bei der Herstellung von Werkzeugen.

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 4140025 C2 lehrt einen aus Kohlenstoffverbindungen 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.

Die DE 4 241 757 A1 betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus ultrahochmolekularem Polyethylen. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von ultrahochmolekularem Polyethylen ist in der JP 58138611 A offenbart. Aussagen über die Verschleißfestigkeit ist diesem Stand der Technik nicht zu entnehmen.

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 Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch das Halbzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Die weiteren Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In Anspruch 14 ist die Verwendung der Halbzeuge beschrieben.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen aus ultrahochmolekularen Polyethylen 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.

Erfindungsgemäß wird dabei als Polymer ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMK-PE) mit einem Molekulargewicht von mehr als 2.000.000 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 der zuvor angegebene Molekulargewichtsbereich sich dann lediglich auf den Polyethylen-Anteil beziehe.

Je nach Eigenschaftsprofil kann der Anteil an Anthrazit im Halbzeug zwischen 20 und 50 Gew.-% Anthrazit, bezogen auf das Gemisch, variiert werden. 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 &mgr;m aufweisen, eingesetzt. Das Anthrazit kann aber auch eine Korngrößenverteilung aufweisen, bei der mindestens 50 % des Anthrazits eine Korngröße < 20 &mgr;m aufweisen. Besonders bevorzugt ist es, dass das Anthrazit in einer Korngrößenverteilung bei der mindestens 10 % des Anthrazits eine Korngröße < 1 &mgr;m 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 gegebenenfalls mindestens einem weiteren Additiv besteht. Dieses Halbzeug wird bevorzugt nach dem beschriebenen Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 hergestellt. Die Konzentration des Anthrazits im Halbzeug beträgt dabei 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 Werkzeugen.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen aus ultrahochmolekularem Polyethylen (UHMW-PE) mit einem Molekulargewicht von mehr als 2.000.000 g/mol 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 zwischen 20 und 50 Gew.-%, bezogen auf das Gemisch, feinpulvriges Anthrazit als Füllstoff, verpresst und anschließend gesintert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über die Konzentration des Anthrazits die antistatischen Eigenschaften des Halbzeugs gesteuert werden.
  3. Verfahren nach 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.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anthrazit vor der Zugabe zerkleinert und/oder gemahlen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Anthrazit dem Gemisch als Mahlgut mit einer Korngrößenverteilung, bei der mindestens 90 % des Anthrazits eine Korngröße < 100 &mgr;m aufweist, zugesetzt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Anthrazit dem Gemisch als Mahlgut mit einer Korngrößenverteilung, bei der mindestens 50 % des Anthrazits – eine Korngröße < 20 &mgr;m aufweist, zugesetzt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Anthrazit dem Gemisch als Mahlgut mit einer Korngrößenverteilung, bei der mindestens 10 % des Anthrazits – eine Korngröße < 1 &mgr;m aufweist, zugesetzt wird.
  8. Verfahren nach 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.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebinde aus einer Polymerfolie mit Barriereeigenschaften gegen Sauerstoff und einer Temperaturstabilität bis 300°C besteht.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die sauerstoffreie Atmosphäre im Gebinde durch Evakuierung und/oder Spülung mit einem Inertgas, z.B. Stickstoff oder ein Edelgas, erzeugt wird.
  11. Halbzeug aus ultrahochmolekularem Polyethylen mit einem Molekulargewicht von mindestens 2.000.000 g/mol, 20 bis 50 Gew.-% feinpulvrigem Anthrazit als Füllstoff und gegebenenfalls mindestens einem Additiv.
  12. Halbzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug im Zwei-Wege-Reibprüfstand zur Betriebsfestigkeitsprüfung eine um mindestens 20 %, bevorzugt um 100 % höhere Verschleißfestigkeit als füllstoffreies Halbzeug aufweist.
  13. Halbzeug nach einem der Ansprüche 11 oder 12, 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.
  14. Verwendung der Halbzeuge nach einem der Ansprüche 11 bis 13 zur Herstellung von Werkzeugen.
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