Kapitza, Heinrich (Peter-Vischer-Str. 4 a Fürth, 90765, DE)
Ochsenkühn, Manfred (Kanalstrasse 14 Berg, 92348, DE)
Polese, Angelo (Calvinstrasse 8 Berlin, 10557, DE)
Greiner, Robert (Dr.-Von-Rauffer-Str. 2 b Baiersdorf, 91083, DE)
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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34 München, 80506, DE)
| 1. | Glas/KunststoffCompounds auf Thermoplastbasis, zumindest umfassend ein niedrigschmelzendes Sulfophosphatglas folgender Zu sammensetzung : 4 bis 10 % Li20, 4 bis 10 % Na20, 4 bis % K20, 1 bis 2 % CaO, 35 bis 37 % ZnO, 0 bis 3 % La203, 19 bis 22 % P205 und 19 bis 22 % S03 sowie einen Hochleistungsthermoplast. |
| 2. | Glas/KunststoffCompounds nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass sie ein Sulfophosphat glas folgender Zusammensetzung enthalten : 4,9 % Li20, 9,4 % Na2O, 7,1 % K20,1,6 % CaO, 36, 6 % ZnO, 20, 0 % P205 und 20, 4 % S03. |
| 3. | Glas/KunststoffCompounds nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Hoch leistungsthermoplast ein Polyetheretherketon, ein Polyether imid, ein Polyphenylensulfid, ein teilaromatisches Polyamid oder ein flüssigkristallines Polymer ist. |
| 4. | Glas/KunststoffCompounds nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Sulfophosphatglas 15 bis 60 Gew.% beträgt. |
| 5. | Verfahren zur Herstellung von Glas/KunststoffCompounds nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in einem ersten Schritt aus einem Sulfophosphatglas und einem Hoch leistungsthermoplast bei erhöhter Temperatur ein Masterbatch mit einem Gehalt an Glas von 60 bis 90 Gew.% hergestellt wird, und dass in einem zweiten Schritt der Glasgehalt durch Zugabe von weiterem Hochleistungsthermoplast bei erhöhter Temperatur auf 15 bis 60 Gew.% verringert wird. |
| 6. | Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Temperatur 320 bis 420°C beträgt. |
| 7. | Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass Glaspartikel mit einem Durchmesser < 1, mm eingesetzt eingesetzt. |
| 8. | Verwendung der Glas/KunststoffCompounds nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 in Bauteilen und Komponenten für Bauelemente. |
| 9. | Elektrisches und/oder elektronisches Bauteil, das einen Glas/KunststoffCompound mit einem niedrigschmelzenden Sulfophosphatglas der Zusammensetzung : 4 bis 10 % Li2O, 4 bis 10 % Na20, 4 bis 8 % K20, 1 bis 2 % CaO, 35 bis 37 % ZnO, 0 bis 3 % La203, 19 bis 22 % P205 und 19 bis 22 % S03 sowie einen Hochleistungsthermoplasten umfasst. |
In der Elektrotechnik und Elektronik werden zur Herstellung von Geräten bzw. Bauteilen verstärkte Kunststoffmaterialien eingesetzt, vor allem auf der Basis von Thermoplasten. Als verstärkte Thermoplaste dienen dabei üblicherweise glasfaser- haltige Thermoplast-Compounds. Diese Materialien weisen je- doch-insbesondere bei hohen Füllgraden-ein ungünstiges Verarbeitungsverhalten auf, bedingt durch schlechte Fließ- fähigkeit und hohen Werkzeugverschleiß. Darüber hinaus sind die mechanischen Eigenschaften-aufgrund einer Orientierung der Glasfasern bei der Verarbeitung-häufig anisotrop. Bei bewegten Teilen, die aus derartigen Materialien hergestellt wurden, kommt es im Betrieb zu einer deutlichen Krümel- bildung, was insbesondere bei Geräten der Elektrotechnik zu Beeinträchtigungen der Funktion führt. Außerdem erfolgt beim Materialrecycling glasfaserverstärkter Thermoplaste eine Degradation der Glasfasern. Dies hat eine deutliche Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften von mit derartigen Glasfasern hergestellten Compounds zur Folge.
Aus der EP 0 365 236 AI ist eine Legierung in Form einer Schmelzmischung aus wenigstens einem anorganischen Glas und/oder einer Glaskeramik und wenigstens einem organischen thermoplastischen oder duroplastischen Polymer bekannt ; der Anteil des Glases bzw. der Glaskeramik beträgt dabei 30 bis 90 Vol.-%. Die Glaskomponente ist ein Phosphatglas, das bei- spielsweise folgende Zusammensetzung aufweist (in Mol-%) : 44 bis 58 % P205, 4 bis 10 % A1203 + B203 (mit 0 bis 7 % A1203 und 0 bis 10 % B203), 10 bis 45 % Li20 + Na20 (mit 0 bis 30 % Li20 und 10 bis 30 % Na20), 0 bis 20 % Cu20 und 10 bis 30 % Li20 + Cu02. Das thermoplastische Polymer ist aus folgender
Gruppe ausgewählt : Polyaryletherketone, Polyphenylensulfide, Polyfluorharze, Polyetherimide, flüssigkristalline Polyester, Polyethersulfone, Polytetrafluorethylene, Polyetherether- ketone, Polyetherketone, Polyethylterephthalate, Polybutyl- terephthalate, Melamine und Polycarbonate. Das duroplastische Polymer kann ein Epoxidharz, ein Siliconharz, ein Polyimid, ein Phenolformaldehydharz oder ein Diallylphthalat sein.
Zur Verbesserung der Feuchtestabilität von Legierungen der vorstehend genannten Art-und entsprechenden Composites- ist es bekannt, neben dem Matrixmaterial aus thermoplasti- schem oder duroplastischem Polymer und dem Phosphatglas eine wasserlösliche Stabilisatorkomponente einzusetzen, die eine Quelle für Metallkationen mit einer Wertigkeit von 2+ oder höher darstellt (siehe EP 0 587 082 A1 und EP 0 587 083 A1).
Derartige Metallkationen sind Ba2+, Mg2+, Ca2+, Al3+, Zn2+, Sr2+ und Fe3+. Durch die Stabilisatorkomponente, die ein Metall- oxid oder eine andere Metallverbindung ist, wird aber das Verarbeitungsverhalten bei einem hohen Gehalt an Füllstoff, d. h. Glas, durch eine erhebliche Viskositätssteigerung deut- lich verschlechtert.
Für Glas/Kunststoff-Blends sind auch Gläser mit niedriger Glasübergangstemperatur auf der Basis von Alkali-Zink-Pyro- phosphaten und-Sulfophosphaten bekannt (siehe : G. H. Beall in"Proceedings of XVII International Congress on Glass", Peking, China, 9. bis 14. Oktober 1995, Seiten 174 bis 183).
Die Gläser weisen beispielsweise folgende Zusammensetzung auf (in Mol-%) : Pyrophosphatgläser : 30 bis 40 % P205, 20 bis 55 % ZnO, 0 bis 4 % A1203 und 10 bis 30 % R20, d. h. 3 bis 12 % Li20, 4 bis 18 % Na20, 0 bis 12 % K20 und 0 bis 17 % Cu2O ; Sulfophosphatgläser : 21 bis 33 % P205, 9 bis 17 % S03, 35 bis 51 % ZnO und 10 bis 20 % R20, wobei R2O für gemischtes Alkali (, mixed alkali") steht.
Diese Gläser finden zusammen mit folgenden thermoplastischen Polymeren Verwendung : Polyetherketone, aromatische flüssig-
kristalline Polyester, Polyarylsulfone, Perfluoralkoxyharze und Polyetherimide.
Glas/Kunststoff-Compounds, insbesondere solche auf Thermo- plastbasis, die zur Herstellung glasverstärkter Kunststoff- teile bzw.-strukturen eingesetzt werden, sollen ein spe- zielles Eigenschaftsprofil aufweisen. Für die Materialeigen- schaften bzw. die Eigenschaften der Kunststoffteile gilt folgendes : homogene Füllstoffverteilung Dimensionsstabilität Lötbadbeständigkeit (SMD-Fähigkeit) * Miniaturisierbarkeit der Glasstrukturen bis in den A-Bereich * gute Chemikalienbeständigkeit, d. h. Beständigkeit gegen Wasser, Säuren und Basen * intrinsische Flammwidrigkeit * gute Kriechstromfestigkeit * hohe Wiederverwertbarkeit bzw. Wiederverarbeitbarkeit.
Hinsichtlich der Verarbeitung sind folgende Forderungen zu erfüllen : möglichst niedrige Verarbeitungstemperatur (wegen der For- derung nach Lötbadbeständigkeit liegt die Verarbeitungs- temperatur allerdings zwangsläufig oberhalb 260°C) aufeinander abgestimmte Viskosität der Komponenten Kunst- stoff, d. h. Thermoplast, und Glas (bei Verarbeitungsbedin- gungen) gute Fließfähigkeit bei hohen Füllgraden Möglichkeit der Steuerung der Glasstrukturen (isotrop bzw. anisotrop) * geringer Werkzeugverschleiß (durch günstige abrasive Eigenschaften).
Ein weiteres Kriterium ist ein krümelarmer Betrieb, d. h. ein geringer Abrieb, insbesondere bei bewegten Teilen. Für die Möglichkeit eines Materialrecycling wird außerdem ein Recyc-
ling ohne Schädigung des Verstärkungsmaterials, d. h. der Glaskomponente, gefordert. Ferner sollen die Glas/Kunststoff- Compounds möglichst wirtschaftlich und kostengünstig her- gestellt werden können.
Beim Einsatz von Gläsern in der Elektrotechnik und Elektronik ist eine gute Feuchtebeständigkeit von entscheidender Bedeu- tung. Bekannte Gläser mit niedriger Glasübergangstemperatur, d. h. etwa 220 bis 230°C, sind aber hydrolyseempfindlich und teilweise wasserlöslich. Durch den Zusatz von Kupferoxid (Cu2O) sollen sich zwar prinzipiell hydrolysebeständigere Gläser mit einer Glasübergangstemperatur von ca. 230 bis 250°C realisieren lassen, derartige Gläser sind jedoch immer noch deutlich hydrolyseempfindlicher als Gläser mit hoher Glasübergangstemperatur (siehe : G. H. Beall, a. a. O.) ; außerdem ist die technische Herstellung zu kompliziert und zu teuer.
Gläser mit einer Glasübergangstemperatur Tg > 300°C anderer- seits sind für den angegebenen Zweck nicht brauchbar. Da die Gläser nämlich erst bei einer Temperatur von 70 bis 80°C oberhalb der Glasübergangstemperatur ausreichend fließfähig sind, ist die Verarbeitung zusammen mit einem Thermoplast erst bei Temperaturen oberhalb 370 bis 380°C möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, Glas/Kunststoff-Compounds auf der Basis von Thermoplasten anzugeben, welche die an der- artige Compounds gestellten Eigenschaftsanforderungen sowie die Forderungen hinsichtlich Verarbeitung, Betrieb und Mate- rialrecycling weitestgehend erfüllen. Das Glas soll dabei insbesondere eine höhere Fließfähigkeit und Hydrolysebestän- digkeit aufweisen, und außerdem soll eine Feinverteilung des Glases (< 10 Fm) bei beliebiger Konzentration möglich sein.
Dies wird erfindungsgemäß durch Glas/Kunststoff-Compounds erreicht, die folgende Komponenten enthalten : -ein niedrigschmelzendes Sulfophosphatglas folgender Zu- sammensetzung (in Mol-%) : 4 bis 10 % Li20, 4 bis 10 % Na20,
4 bis 8 % K2O, 1 bis 2 % CaO, 35 bis 37 % ZnO, 0 bis % La203,19 bis 22 % P205 und 19 bis 22 % S03 sowie -einen Hochleistungsthermoplast.
Unter einem"niedrigschmelzenden"Sulfophosphatglas wird ein Glas mit niedriger Glasübergangstemperatur Tg verstanden, insbesondere ein Glas mit Tg < ca. 500°C. Ein"Hochleistungs- thermoplast"ist ein Hochleistungskunststoff ("high-perfor- mance polymer"), und zwar im vorliegenden Fall ein hoch- temperaturbeständiger Kunststoff ("heat-resistant polymer", "high-temperature resistant polymer"). Dies ist deshalb wich- tig, weil sowohl die Temperatur bei der Herstellung der Com- pounds als auch die Verarbeitungstemperatur (der Compounds) > 300°C beträgt.
Die Glas/Kunststoff-bzw. Glas/Polymer-Compounds nach der Er- findung weisen gute mechanische und thermische Eigenschaften sowie gute Verarbeitungseigenschaften auf, insbesondere eine gute Fließfähigkeit, auch bei hohem Füllstoff-, d. h. hohem Glasgehalt. Sie zeichnen sich außerdem durch eine hervor- ragende Chemikalienbeständigkeit aus, insbesondere gegenüber Wasser, Säuren und Basen, und zwar überraschenderweise ohne den Zusatz von Stabilisatoren. Die Glas/Kunststoff-Compounds besitzen ferner eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit, und ein Materialrecycling ist problemlos möglich, weil keine Verkür- zung der Glaskomponente erfolgt, wie dies bei glasfaser- verstärkten Compounds der Fall ist. Im Vergleich mit bekann- ten Compounds bzw. Blends (siehe : G. H. Beall, a. a. O.) ergibt sich der Vorteil, daß die Glaskomponente kein SrO und kein A1203 enthält. Strontium ist nämlich relativ teuer, und die Auflösung von Aluminiumoxid im Glas ist im technischen Maß- stab zu kompliziert. Die Compounds nach der Erfindung sind dagegen technisch ausgereift und im Tonnenmaßstab herstell- bar.
Die in den Glas/Kunststoff-Compounds nach der Erfindung enthaltenen Sulfophosphatgläser weisen eine Glasübergangs-
temperatur von 250°C z auf. Vorzugsweise findet auf. den Compounds ein Sulfophosphatglas folgender Zusammensetzung (in Mol-%) Verwendung : 4,9 % Li20, 9,4 % Na20, 7,1 % K2O, 1,6 % CaO, 36,6 % ZnO, 20,0 % P205 und 20,4 % S03. Ein der- artiges Glas besitzt eine Glasübergangstemperatur von 268°C.
Ein anderes Glas weist beispielsweise folgende Zusammenset- zung auf (in Mol-%) : 9 % Li2O, 5 % Na2O, 7 % K20, 1,6 % CaO, 37 % ZnO, 20,4 % P205 und 20 % S03 (Tg = 280°C). Ein weiteres Glas hat beispielsweise folgende Zusammensetzung (in Mol-%) : 4,8 % Li20,9,2 % Na2O, 6,9 % K20, 1,6 % CaO, 35,9 % ZnO, 2,0 % La203,19,6 % P205 und 20, 0 % S03 (Tg = 275°C).
Als Hochleistungsthermoplast dient vorteilhaft ein Polyether- etherketon (PEEK), ein Polyetherimid (PEI), ein Polyphenylen- sulfid (PPS), ein teilaromtisches Polyamid, wie Polyphthal- amid (PPA), oder ein flüssigkristallines Polymer (LCP). Bei diesen Polymeren ist die Glasübergangstemperatur der Glaskom- ponente der Verarbeitungstemperatur des Thermoplastmaterials angepasst. Weitere einsetzbare Hochleistungsthermoplaste sind Polyaryletherketone (PAEK) allgemein, beispielsweise Poly- etherketone (PEK), sowie Polysulfone (PSU), insbesondere Polyethersulfone (PES) und Polyphenylensulfone (PPSU).
Der Anteil der Glas/Kunststoff-Compounds an der Glaskomponen- te, d. h. am Sulfophosphatglas, beträgt vorzugsweise 15 bis 60 Gew.-%. Für bestimmte Anwendungen kann der Glasanteil aber bis zu 80 Gew.-% betragen. Die Compounds können auch übliche Additive enthalten, wie Farbpigmente und Stabilisatoren. An- wendungsmöglichkeiten bestehen beispielsweise bei Sensoren, Aktoren, Steckverbindern, elektrooptischen Bauteilen und Relais.
Die Herstellung der Glas/Kunststoff-Compounds nach der Er- findung erfolgt in der Weise, dass aus den beiden Komponen- ten, d. h. Sulfophosphatglas und Hochleistungsthermoplast, zunächst-bei erhöhter Temperatur-ein Masterbatch mit einem Glasgehalt von 60 bis 90 Gew.-% hergestellt wird. Dabei
wurde überraschenderweise gefunden, dass bei der Verwendung von Glaspartikeln (Glaskörner) mit einem Durchmesser < 1, mm im Masterbatch Glasstrukturen im ym-und sub-pm-Bereich er- halten werden, die gleichmäßig verteilt sind.
Die Weiterverarbeitung erfolgt dann in der Weise, dass durch Zugabe von weiterem Hochleistungsthermoplast zum Masterbatch -bei erhöhter Temperatur-der Glasgehalt auf 15 bis 60 Gew.-% verringert wird. Die Struktur und die homogene Ver- teilung der Glaspartikel werden dabei nicht beeinflusst, d. h. sie bleiben erhalten. Bei Kontrollexperimenten zeigte sich überraschenderweise, dass Strukturgröße und-verteilung der beschriebenen Art nicht erhalten werden, wenn unmittelbar von einem Batch beispielsweise mit einem Glasanteil von 15 % aus- gegangen wird. Gleichmäßig verteilte Glasstrukturen, sogar im nm-Bereich, lassen sich vielmehr nur ausgehend von einem Masterbatch mit einem hohen Anteil des speziellen Sulfophos- phatglases in einem Hochleistungsthermoplast realisieren.
Die Glas/Kunststoff-Compounds nach der Erfindung werden bei erhöhter Temperatur hergestellt, vorzugsweise bei etwa 320 bis 420°C. Bei der Herstellung der Compounds ist es auch mög- lich, die Struktur der Glaspartikel (isotrop/anisotrop) durch die Verarbeitungsbedingungen einzustellen. Die Compounds zeichnen sich außerdem durch eine gute Anbindung der Glas- komponente an das Thermoplastmaterial aus, wie insbesondere die gute Chemikalienbeständigkeit zeigt.
Die gute Anbindung der Glaskomponente wird unter anderem dadurch erreicht, dass das Glas mit dem Thermoplastmaterial in geschmolzenem Zustand in Kontakt kommt und daher zum Kontaktzeitpunkt über freie und aktive polare Endgruppen an seiner Oberfläche verfügt, die noch nicht durch Hydroxy- gruppen etwa aus dem in der Luft enthaltenem Wasser abge- sättigt sind. Diese reaktiven Endgruppen treten in Wechsel- wirkung mit der Oberfläche des Thermoplasten, mit dem sie in Berührung kommen und bewirken dadurch eine besonders stabile
Anbindung der beiden Materialien Glas und Thermoplast aneinander.
Da von relativ groben Partikeln eines Sulfophosphatglases ausgegangen werden kann, die Partikelgröße beträgt < mm, vorzugsweise zu 1,5 mm, bietet das Verfahren nach der Erfin- dung somit die Möglichkeit, auch solche Glas/Kunststoff-Com- pounds preisgünstig herzustellen, bei denen die Glaspartikel in einem Hochleistungsthermoplast gleichmäßig und homogen verteilt sind und außerdem bis in den nm-Bereich gezielt eingestellt werden können. Dies erfolgt über die Viskosität der Einzelkomponenten und über die Verarbeitungsbedingungen, insbesondere die Verarbeitungstemperatur ; das Viskositäts- verhältnis von Kunststoff zu Glas beträgt im allgemeinen etwa 1 : 1000. Derartige Compounds eignen sich insbesondere zur Her- stellung von Geräten und Bauteilen für die Elektrotechnik bzw. Elektronik. Dabei werden nämlich die wesentlichen An- forderungen bezüglich der Material-und Verarbeitungseigen- schaften abgedeckt und es wird ein störungsfreier Betrieb gewährleistet. Die Compounds ermöglichen bei Geräten und Bau- teilen der Elektrotechnik bzw. Elektronik außerdem eine deut- liche Reduzierung der Materialvielfalt, insbesondere bei den Kunststoffen, bis hin zur Sortenreinheit. Dies ermöglicht ein kostengünstiges Materialrecycling, und zwar unter Erhalt der Füllstoffeigenschaften.
Bei Bauteilen und Komponenten werden heutzutage für die ver- schiedenartigen Bauelemente unterschiedliche Thermoplaste mit verschiedenen Füll-und Verstärkungsstoffen eingesetzt, noch dazu in unterschiedlichen Anteilen. Dies soll am Beispiel eines sogenannten schmalen Netzrelais" (SNR) näher erläutert werden.
Bei einem derartigen Relais besteht der Betätiger aus einem flüssigkristallinen Polymer (LCP) mit 30 Gew.-% Glasfaser- verstärkung, der Grundkörper aus einem Polyphthalamid (PPA) mit 25 Gew.-% Glasfaser-und 25 Gew.-% Mineralverstärkung,
der Spulenkörper ebenfalls aus Polyphthalamid, und zwar mit 45 Gew.-% Glasfaserverstärkung, und die Kappe aus einem Poly- butylenterephthalat (PBT) mit 15 Gew.-% Glasfaserverstärkung.
Hinzu kommt noch, dass das Polyphthalamid für Grund-und Spulenkörper eine halogenhaltige Brandschutzausrüstung be- sitzt.
Eine vergleichbare Materialvielfalt findet man beispielsweise auch bei Sensoren, Aktoren, Halbleiterbauteilen und Steck- verbindern. Die Kleinheit der Bauelemente, zusammen mit der Sortenvielfalt der eingesetzten Werkstoffe und dem Halogen- brandschutz, machen die Wiederverwertbarkeit von Bauteilen und Komponenten nahezu unmöglich, und außerdem ist dies sehr kostspielig. Wie bereits ausgeführt, kommt es ferner bei der Wiederaufbereitung und Wiederverarbeitung von glasfaserver- stärkten Materialien zu einer starken Kürzung der Glasfasern.
Dies hat einen deutlich negativen Einfluss auf die mechani- schen und thermischen Eigenschaften des wiederverwendeten Materials.
Durch den Einsatz der Glas/Kunststoff-Compounds nach der Erfindung, die ein niedrigschmelzendes Sulfophosphatglas und einen Hochleistungsthermoplast enthalten, können die genann- ten Probleme gelöst werden. Der Hochleistungsthermoplast ist dabei insbesondere Polyphenylensulfid (PPS), Polyetherether- keton (PEEK), Polyetherimid (PEI), Polysulfon (PSU), Poly- ethersulfon (PES) oder teilaromatisches Polyamid, wie Poly- phthalamid (PPA). Die Glaskomponente ist auf den jeweiligen Kunststoff abgestimmt und besitzt eine Glasübergangstempera- tur im Bereich von 250 bis 280°C. Bei der Verarbeitungstempe- ratur der Compounds, die etwa 320 bis 420°C beträgt, liegt die Glaskomponente im fließfähigen Zustand vor. Der Anteil der Glaskomponente im Compound beläuft sich auf 15 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 60 Gew.-%.
Da die Glaskomponente bei der Verarbeitungstemperatur im fließfähigen Zustand vorliegt, zeigen die Compounds-trotz
des hohen Glasanteils-ein sehr gutes Fließverhalten, und es können Bauteile mit komplizierter Geometrie und dünnen Wand- stärken realisiert werden. Durch Abstimmung der Viskosität von Thermoplast und Glas und durch eine geeignete konstruk- tive Bauteilauslegung können im Bauteil auch gezielt faser- oder kugelförmige Glasstrukturen erzeugt werden. Damit ist die Möglichkeit gegeben, in mechanisch beanspruchten Zonen eines Bauteils eine Faserverstärkung vorzusehen und gleich- zeitig in Zonen, die einer hohen Maßhaltigkeit genügen müs- sen, eine Kugelstruktur zu realisieren, die ein isotropes Materialverhalten sicherstellt.
Im Falle eines schmalen Netzrelais können alle vier Einzel- komponenten aus der gleichen Thermoplastbasis, beispielsweise Polyphenylensulfid, mit unterschiedlichen Glasanteilen gefer- tigt werden, welche die Anforderungen hinsichtlich der mecha- nischen, thermischen und elektrischen Verarbeitungseigen- schaften erfüllen. Außerdem ist von Bedeutung, dass diese Komponenten halogenfrei flammwidrig sind.
Da die bei der Verarbeitung erzeugten Glasfasern bzw.-kugeln bei einer Wiederverarbeitung jeweils neu aufgeschmolzen und damit neu erzeugt werden, kann es-im Gegensatz zu herkömm- lichen Glasfasern-nicht zu einer Kürzung der Fasern kommen.
Das wiederverwendete Material hat somit die gleichen mechani- schen und thermischen Eigenschaften wie Neuware. Der gesamte Kunststoffanteil des Netzrelais kann auf einfache und kosten- günstige Weise wiederaufbereitet und-verwertet werden. Als Recyclat erhält man einen Compound, dessen Glasanteil sich anteilig aus den Glasanteilen der Einzelkomponenten zusammen- setzt. Bei der Wiederaufbereitung kann dann problemlos Kunst- stoffrohmaterial bzw. niedrigschmelzendes Glas zudosiert werden, um im Recyclat einen gewünschten Glasanteil ein- zustellen.
Die Glas/Kunststoff-Compounds nach der Erfindung eignen sich somit in hervorragender Weise für halogenfrei flammwidrige,
sortenreine Bauteile und Komponenten für die Elektrotechnik und Elektronik, wobei eine hohe Wiederverwertbarkeit gegeben ist. Bei Bauelementen wird dabei für alle Einzelkomponenten die gleiche Thermoplastbasis verwendet, die mit verschiedenen Anteilen eines niedrigschmelzenden Glases versetzt sein kann.
Das aus derartigen Einzelkomponenten aufgebaute Bauteil ist einfach und kostengünstig wiederverwertbar.
Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Das dabei verwendete Sulfophosphat- glas weist folgende Zusammensetzung auf (in Mol-%) : 4,9 % Li20, 9,4 % Na20, 7,1 % K20, 1,6 % CaO, 36, 6 % ZnO, 20, 0 % P205 und 2 0, 4 % S03.
Beispiel 1 Herstellung eines Masterbatch Die Masterbatch-Herstellung erfolgt bevorzugt auf einem gleichlaufenden oder auch auf einem gegenläufigen Doppel- schneckenextruder mit 11 separaten Zylinderheizzonen (Zylin- derzone 1 : Einfülltrichter ; Zylinderzone 11 : Düse). Die Schnecken sind derart konzipiert, dass in den Zylinderheiz- zonen 3 bis 5 mehrere Knet-und Scherblöcke sowie Stauschei- ben eingebaut sind. Die Zonen 6 bis 9 sind mit Dispergier- elementen bestückt, die Zonen 10 und 11 enthalten Förder- elemente.
Die verwendeten Kunststoffe liegen entweder in Pulver-oder in Granulatform vor (Linsengranulat oder Zylindergranulat mit einer Länge von 3 bis 4 mm und einem Durchmesser von 2 bis 5 mm) ; das Glas hat eine Körnung von < 1, 5 mm. Bei der Ver- wendung von Kunststoffpulver wird zunächst eine Trocken- mischung (Vormischung) im entsprechenden Verhältnis von Glas (60 bis 90 %) zu Kunststoff (40 bis 10 %) aufbereitet, die dann in die Hauptdosierung (Einfülltrichter) des Extruders dosiert wird. Bei der Verwendung von Kunststoffgranulat wer-
den beide Komponenten über Dosiersysteme anteilsmäßig in den Einfülltrichter dosiert. In dieser Weise kann auch bei der Verwendung von Kunststoffpulver vorgegangen werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, das Kunststoffpulver bzw.-granulat in den Einfülltrichter des Extruders zu dosieren und das Glas über eine Seitendosierung in den Zylinderzonen 3 bis 5.
Sowohl das Glas als auch der Kunststoff bzw. die Trocken- mischung werden vor der Verarbeitung mindestens 4 h bei 100 bis 150°C gut vorgetrocknet. Der Compound wird durch eine Lochdüse ausgetragen, in einem sich anschließenden Wasserbad abgekühlt und dann in einem Granulator zerkleinert. Bei sehr hohen Glasanteilen empfiehlt sich die Verwendung eines Heiß- abschlages.
(a) Herstellung eines Masterbatch auf der Basis von PPS- Pulver ; Glasanteil : 70 Gew.-% Zylindertemperaturprofil : Zylinderzonen : 1 2 3-5 6-9 10 11 100 300 335 330 330 330°C Schneckendrehzahl : 65 U/min Bei einem derartigen Temperaturprofil wird an der Düse (Zylinderzone 11) eine Massetemperatur von ca. 345°C ge- messen. Die Glaspartikel im Masterbatch haben eine Größe von < 10 m und sind homogen verteilt.
(b) Herstellung eines Masterbatch auf der Basis von PEEK- Pulver ; Glasanteil : 65 Gew.-% Zylindertemperaturprofil : Zylinderzonen : 1 2 3-5 6-9 10 11 100 350 375 370 370 370°C Schneckendrehzahl : 60 U/min Bei einem derartigen Temperaturprofil wird an der Düse (Zylinderzone 11) eine Massetemperatur von ca. 395°C ge-
messen. Die Glaspartikel im Masterbatch haben eine Größe von < 5 ym und sind homogen verteilt.
(c) Herstellung eines Masterbatch auf der Basis von PEI- Granulat ; Glasanteil : 60 Gew.-% Zylindertemperaturprofil : Zylinderzonen : 1 2 3-5 6-9 10 11 100 350 385 375 375 375°C Schneckendrehzahl : 60 U/min Bei einem derartigen Temperaturprofil wird an der Düse (Zylinderzone 11) eine Massetemperatur von ca. 400°C ge- messen. Die Glaspartikel im Masterbatch haben eine Größe von < 1 Hm und sind homogen verteilt.
Beispiel 2 Verringerung des Glasgehaltes im Masterbatch nach Beispiel 1 Die Verringerung des Glasgehaltes im Masterbatch erfolgt auf dem beschriebenen Doppelschneckenextruder (siehe Beispiel 1).
Der endgültige Glasgehalt von 15 bis 60 Gew.-% kann auf zweierlei Weise eingestellt werden : (i) Masterbatch-Granulat und Basismaterial werden anteil- mäßig abgewogen, entsprechend dem einzustellenden end- gültigen Glasgehalt, und in einer Trockenmischung auf- bereitet. Diese Trockenmischung wird in den Einfüll- trichter des Extruders dosiert. Die Herstellung des endgültigen Compounds erfolgt somit in einem zweiten Extruderdurchlauf.
(ii) Die Herstellung erfolgt im gleichen Extruderdurchlauf zusammen mit der Masterbatch-Herstellung, indem über einen zweiten Seitendosierer in den Zylinderzonen 6 bis 9 Basismaterial-entsprechend dem einzustellenden Glas- anteil-zudosiert wird. Zur Herstellung des endgültigen
Compounds ist somit nur ein Extruderdurchlauf erforder- lich.
Die Variante (ii) wird dabei bevorzugt, weil die Materialien nur einmal der Temperaturbelastung im Aufbereitungsprozess ausgesetzt sind und damit ein übermäßiger molekularer Abbau des Basismaterials vermieden wird.
Bei der Variante (i) liegt das Zylindertemperaturprofil in den Zonen 3 bis 11 jeweils etwa um 15 bis 20°C unter dem entsprechenden Temperaturprofil nach Beispiel 1.
(a) Verringerung des Glasgehaltes im Masterbatch auf der Basis von PPS-Pulver mit einem Glasanteil von 70 Gew.-% zur Herstellung eines Compounds mit 25 Gew.-% Glasanteil nach Variante (i) Zylindertemperaturprofil : Zylinderzonen : 1 2 3-5 6-9 10 11 100 300 320 315 315 315°C Schneckendrehzahl : 63 U/min Bei einem derartigen Temperaturprofil wird an der Düse (Zylinderzone 11) eine Massetemperatur von ca. 330°C ge- messen. Die Glaspartikel im Compound haben eine Größe von < 10 Hm und sind homogen verteilt.
(b) Verringerung des Glasgehaltes im Masterbatch auf der Basis von PEEK-Pulver mit einem Glasanteil von 65 Gew.-% zur Herstellung eines Compounds mit 40 Gew.-% Glasanteil nach Variante (ii) Zylindertemperaturprofil : Zylinderzonen : 1 2 3-5 6-9 10 11 100 350 375 370 370 370°C Schneckendrehzahl : 60 U/min
Bei einem derartigen Temperaturprofil wird an der Düse (Zylinderzone 11) eine Massetemperatur von ca. 390°C ge- messen. Die Glaspartikel im Compound haben eine Größe von < 5 pm und sind homogen verteilt.
Beispiel 3 Chemikalienbeständigkeit (a) Hydrolysebeständigkeit Zur Überprüfung der Hydrolysebeständigkeit des reinen Glases wird das Glas in destilliertem Wasser 21 Tage bei Raumtemperatur gelagert, und dann wird der pH-Wert mit- tels Lackmuspapier ermittelt.
Ergebnis : pH-Wert = 7, d. h. neutrales Verhalten.
Die gleiche Glasprobe wird anschließend in destilliertem Wasser 5 Tage bei 80°C gelagert, und dann wird der pH- Wert mittels Lackmuspapier ermittelt.
Ergebnis : pH-Wert = 7, d. h. neutrales Verhalten.
(b) Chemikalienbeständigkeit eines Compounds auf der Basis von PEEK-Pulver mit einem Glasanteil von 40 Gew.-% Probekörper aus diesem Compound werden bei Raumtemperatur in destilliertem Wasser, 1 % iger HC1 und 1 % iger NaOH gelagert, und dann wird die Gewichtszunahme bzw.-abnahme nach verschiedenen Lagerungszeiten gemessen und die pro- zentuale Gewichtszunahme bzw.-abnahme berechnet. Refe- renzwert ist das entsprechende Probengewicht vor Lage- rungsbeginn. Vor Beginn der Messung und der Lagerung werden die Proben 4 h bei 150°C vorgetrocknet. Medium Material 24 h 100 h 400 h 1000 h H2O dest. PEEK 0, 09 % 0, 14 % 0, 26 % 0, 34 % PEEK + 40 % Glas 0, 03 % 0, 12 % 0, 34 % 0, 56 % 1 % HC1 PEEK 0, 0 8 % 0, 13 % 0, 23 % 0, 32 % PEEK + 40 % Glas-0,23 %-0, 28 %-0, 21 %-0, 01 % 1 % NaOH PEEK 0, 09 % 0, 14 % 0, 25 % 0, 33 % PEEK + 40 % Glas-0,16 %-0, 16 %-0, 03 % 0,14 %
(c) Chemikalienbeständigkeit eines Compounds auf der Basis von PPS-Pulver mit einem Glasanteil von 40 Gew.-% Probekörper aus diesem Compound werden bei Raumtemperatur in destilliertem Wasser, 1 % iger HCl und 1 % iger NaOH gelagert, und dann wird die Gewichtszunahme bzw.-abnahme nach verschiedenen Lagerungszeiten gemessen und die pro- zentuale Gewichtszunahme bzw.-abnahme berechnet. Refe- renzwert ist das entsprechende Probengewicht vor Lage- rungsbeginn. Vor Beginn der Messung und der Lagerung werden die Proben 4 h bei 150°C vorgetrocknet.
Medium Material 24 h 120 h 456 h 648 h H20 dest. PPS 0, 005 % 0, 014 % 0, 03 % 0, 035 % PPS + 40 % Glas 0, 037 % 0, 063 % 0, 16 % 0, 21 % 1 % HC1 PPS 0, 009 % 0, 014 % 0, 028 % 0, 030 % PPS + 40 % Glas-0,13 %-0,10 %-0, 02 % 0, 007 % 1 % NaOH PPS 0, 005 % 0, 014 % 0, 030 % 0, 033 % PPS + 40 % Glas-0, 075 %-0, 05 % 0, 025 % 0, 075 %
Beispiel 4 Reibung und Verschleiß Das Reibungs-und Verschleißverhalten wird in einer Stift/ Scheibe-Anordnung geprüft.
Versuchsparameter : Reibscheibe : Stahl Oberflächenrauhigkeit der Reibscheibe : 0,8 Hm Flächenpressung : 4 N/mm2 Reibgeschwindigkeit : 0,5 m/s Temperatur : 23°C Bestimmt werden Verschleiß (in Hm) und Reibkoeffizient an spritzgegossenen Probekörpern (Grundfläche 10 mm x 4 mm), die aus einem Schulterstab entnommen wurden. Nach Ablauf der Ein- laufphase beträgt die Versuchsdauer 15 h. Verglichen werden ein Compound auf der Basis von PPS mit 40 Gew.-% Glasanteil und ein entsprechender Compound mit einem Glasanteil von 60 Gew.-% mit einem handelsüblichen PPS mit 40 Gew.-% Glas- fasern (PPS Gf 40). Material Verschleiß in 15 h Reibkoeffizient Jim PPS Gf 40 950 0, 32 PPS + 40 % Glas 140 0, 32 PPS + 60 % Glas 20 0, 30
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