Stand der Technik

Die Erfindung betrifft glasfaserverstärkte Phenolharzformmassen, insbesondere für Kollektoren und Kommutatoren von Elektromotoren entsprechend der Gattung des Hauptanspruchs.

Für die Herstellung von Kommutatoren von Anlassermotoren sind in der DE PS 38 32 106 glasfaserverstärkte Formmassen mit Phenolharzen und einem Füllstoffanteil von 5 bis 10 Gewichtsprozent Glimmerteilchen, die eine porenfreie, wärmerissbeständige Formmasse aufweisen, offen¬ bart. Gesundheitsschädigende Asbestfasern als Füllstoff wurden ver¬ mieden. Als einziger Parameter zur Einstellung des Eigenschafts¬ profils der Formmasse ist der Glimmergehalt einstellbar.

Herkömmliche Formmassen, die in Wasser gelöste Resole enthalten, sind klebrig und verbacken bei längerer Lagerung auch dann, wenn die Formmassen durch Fasern und Gewebe mechanisch stabilisiert oder verstärkt sind. Diese Resolharzformmassen sind nicht plastifizier- bar. Der Anteil an Phenolharz, insbesondere Novolak und Resol liegt üblicherweise bei 30-50 Gewichtsprozent an der Gesamtmasse

der Formmasse. Ein typisches Beispiel beschreibt A. Knop und L. A. Pilato, Phenolic Resins, Springer Verlag, Berlin, 1985, Seite 136. Man pflegt Phenolharz-Formmassen auf beheizten Walzenstühlen oder über den Einsatz mit Extrudern oder Knetern aufzubereiten. Die Form¬ masse fällt in Fladen an, die gemahlen werden. Unvermeidbar bilden sich Staubkörnchen mit einem Anteil von bis zu 15 Gewichtsprozent der Formmasse als unerwünschte Begleitprodukte, wodurch ein Einsatz von Filtern notwendig ist, die häufig gewechselt werden müssen. Nachteilig bei der Aufbereitung im Fluidmischer ist bei hohen Füllstoffanteilen der Formmasse, daß kein Granulat sondern wollige Produkte, bei geringen Füllstoffanteilen, daß als Produkte Unde¬ finierte Konglomerate entstehen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsge äßen Formmassen entsprechend dem Hauptanspruch weisen folgende Vorteile auf:

- asbestfreie Formmassen

- Plastifizierbarkeit der Formmassen

- kurzzeitig, bis 400 Grad Celsius, temperaturbeständige Formmasse

- befriedigende Adhäsion an Metallen, insbesondere Kupfer

- keine Verursachung von Metallkorrosion

- feinkörniges, staubfreies Granulat für die Verarbeitung

- sehr gute isolierende Eigenschaften, Thermoschockbeständigkeit und Une pfindlichkeit gegen Feuchtigkeit.

Außerdem sind für das Verfahren zur Herstellung der Formmassen folgende Anforderungen zu erfüllen:

- Herstellung im Fluidmischer

- reproduzierbare Imprägnierung von Fasern und Füllstoffen, das heißt homogenes Produkt

- Abstimmung der mechanischen Stabilität durch Faser-, mineralische Füllstoff- und/oder Gewebemassen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine plastifizierbare, asbestfreie Formmasse auf der Basis von Phenolharzen, speziell von flüssigen Resolharzen und Resolharz mit Cashewnußölharz und Resolharz mit Novolakharzen in einem Fluidmischer herzustellen, die das oben genannte Eigenschaftsprofil zur Fertigung von Kollektoren für Elektromotoren erfüllen.

Die Aufbereitung der Formmasse in Übereinstimmung mit den Rezepten der Erfindung in einem Fluidmischer liefert Granulate mit enger Korngrößenverteilung ohne Überkorn bei guter Plastifizierbarkeit. Derartige Phenoplaste auf Resolharzbasis sind begrenzt lagerfähig, weisen aber sehr vorteilhafte Adhäsionseigenschaften gegenüber be¬ kannten Metallen und Metallegierungen auf. Gute Adhäsion an Kupfer¬ bauteilen, wie zum Beispiel Kollektoren von Elektromotoren, wird erreicht bei gleichzeitig guter Entfor barkeit des Formteils im Herstellprozeß. Die Formmassen ziehen gut ein in dem Plastifizier- gerät und spleißen beim Extrudieren nicht auf, womit sich ein homogen verdichteter Vorformling ergibt.

Durch die Herstellung feinkörniger Formmassengranulate, die keine Staubpartikel aufweisen, verringert sich der Herstellungsaufwand und Verarbeitungsaufwand durch Einsparung der Staubfilterung und des Atemschutzes. Zusätzlich entfällt der Mahlvorgang. Die Vermeidung von Asbest trägt dem gesetzlichen Asbestverbot und der Vermeidung carcinogener Substanzen Rechnung.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen und Ver¬ fahrenseinzelheiten sind Verbesserungen gegenüber den im Hauptan¬ spruch gegebenen allgemeinen Merkmalen erreichbar. Es ist möglich, eine homogene Durchmischung und zuverlässige Imprägnierung der Form¬ masse, insbesondere von deren Fasern, bei der Formmassenherstellung zu erreichen. Die mechanische Stabilität läßt sich durch

das Verhältnis der langfaserigen zu den kurzfaserigen Faser-Anteilen sowie durch Art und Menge der mineralischen Füllstoffe und die je¬ weiligen Anteile aller dieser Substanzen an der Gesamtmasse der Formmasse einstellen. Die sehr kurzen Mischungszeiten entsprechen den Anforderungen an eine moderne, automatisierte Fertigung und ermöglichen die Produktion einer vorteilhaft granulierten, fein¬ körnigen Formmasse, die plastifizierbar und verpreßbar ist und Vor¬ produkte zum Beispiel Tabletten als Ausgangsbasis für die Fertigung von elektrotechnischen Endprodukten liefert.

Ausführungsbeispiele

Geeignete Resolharze und Novolakharze sind im Handel erhältlich. Das Massenverhältnis der Harzkomponenten für Resolharz:Cashewnußölharz, Resolharz:Novolakharz ist in Grenzen variierbar. Der Anteil der Harz-Komponente, beziehungsweise eine entsprechende Mischung der Phenolharzkomponenten, an der Gesamtmasse der Formmasse beträgt minimal 20 bis maximal 35 Gewichtsprozent.

Vorteilhafte eingesetzte Trennmittel sind Stearate, insbesondere Zink- und Calciumstearat, deren Mischungen oder chemisch verwandte Stearate mit einem Anteil von 0.3 bis 3.5 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse der Formmasse.

Als Beschleuniger sind Oxide zweiwertiger Kationen, insbesondere die Erdalkalioxide MgO, CaO, SrO, BaO mit einem Anteil von 0.1 bis 0.5 Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtmasse der Formmasse, geeignet.

Für Glasfasern wurden Faserlängen entsprechend den unten gegebenen Tabellen 1 und 2 verwendet. Die Glasfasern sind aus üblichem Sili- katglas, insbesondere E-Glas in verschiedenen Faserlängen von zum Beispiel 3, 4.5, 6, 12 und 30 Millimeter über den Handel

verfügbar. Kurze Glasfasern erhält man durch geeignete Zer¬ kleinerung, beispielsweise durch das Mahlen der Glasfasern bei definierten, reproduzierbaren Mahlbedingungen. Besonders gut ge¬ eignet als Langfasern waren Glasfasern mit einer Faserlänge von 4,5 Millimetern und Kurzfasern mit einer Faserlänge von überwiegend 0,2 Millimetern für Kommutatoren der Startermotoren von Anlassern für Kraftfahrzeuge. Diese Auswahl der Glasfaserlängen erwies sich bei einem Massenverhältnis von Langfasern:Kurzfasern = 2:1 als besonders vorteilhaft für das gewünschte Eigenschaftsprofil und Herstellver¬ fahren. Es war ferner möglich, durch kurze Glasfasern von zum Bei¬ spiel überwiegend 0.5 Millimeter Faserlänge Formmassen mit dem ge¬ wünschten Eigenschaftsprofil zu erhalten. Vereinzelt erwies es sich als vorteilhaft die Glasfasern durch Polyacrylnitrilfasern oder Mischungen von Glasfasern und Polyacrylnitrilfasern zu ersetzen. Der Anteil der Fasern an der Gesamtmasse der Formmasse liegt vorzugs¬ weise bei 20 bis 35 Gewichtsprozent und einem Masseverhältnis von Kurzfasern:Langfasern von 4:1 bis 1:0.

Als Füllstoffe wurden Kreide, Blattsilikate, Glimmer, Wollastonit und Aluminiumhydroxid mit 20 bis 40 Gewichtsprozent der Gesamtmasse der Formmasse eingesetzt. Denkbar sind als Füllstoffe auch Alu- miniumoxid, Oxide der Seltenen Erden und deren Mischungen. Eine Mischung von 13 Gewichtsprozent Kreide und 20 Gewichtsprozent Blatt¬ silikat erfüllte das Eigenschaftsprofil sehr gut. Eine Mischung von 10 Gewichtsprozent Blattsilikat und 20 Gewichtsprozent Kreide ermög¬ lichte eine sehr gute Herstellung eines granulatförmigen Produktes. Zusätzlich sind Holzmehl, Zellstoffe, Textilfasern, Textilgewebe, Furnierschnitzel als Füllstoffe verwendbar.

Auch kann man gewünschtenfalls die Formmasse einfärben, indem man einen färbenden anorganischen oder organischen Stoff als Pigment, Farbpaste oder -lösung, einarbeitet. Der färbende Stoff wird gege _¬ benenfalls in Mengen zugesetzt, die zwischen 0,1 bis 2,5 Gewichts¬ prozent, bezogen auf die Summe der Komponenten der Formmassse liegen.

Durch das Weiterverarbeiten der Formmasse bei 60 bis 80 Grad Celsius ist eine Plastifizierung der Formmasse aus den höchstens erbsen¬ großen Granulatkörnern zu Tabletten oder Strängen möglich. Ein Ver- pressen der Tabletten oder Stränge in automatischen Fertigungsan¬ lagen ist problemlos.

Ferner ist es möglich, Phenol durch modifizierte Phenole wie zum Beispiel Cresole oder thermoplastisch modifizierte Phenole ganz oder teilweise zu ersetzen und in Verbindung mit Resolharzen in Form von Mischungen einzusetzen. Es ist auch denkbar Cashewnußölharz durch verwandte Stoffe teilweise zu ersetzen. Weiterhin ist es möglich, Glasfasern mit mehr als zwei verschiedenen Faserlängen zu mischen.

In einem zylindrischen Behälter eines Fluidmischers, insbesondere einem Heiz/Kühlmischers in offener Bauweise, wird das Aufbereitungs¬ verfahren durchgeführt. Das Trennmittel, der Beschleuniger, die Glasfasern, die Füllstoffe, sowie eventuell der Farbstoff werden abgewogen im Mischer vorgelegt und gemischt. Resolharz mit bis zu 6 Gewichtsprozent Cashewnußölharz oder Resolharz mit Novolakharz werden unter Rühren zugegeben. Cashewnußöl wird in "Römpp Chemie¬ lexikon", Band 1, 8. Auflage, 1985, Seite 614 beschrieben. Durch die rotierenden, ringförmig oder flügelartig ausgebildeten Werkzeuge des Mischers wird das eingebrachte Mischgut vermischt, infolge der Zentrifugalkräfte an die Wand geschleudert und hochgedrückt. Es verläßt den Einfluß der Rotoren und kehrt unter dem Einfluß der Schwerkraft in der Behältermitte zum Behälterboden zurück. Durch die hohen Relativgeschwindigkeiten der einzelnen Mischgutteilchen tritt infolge der Reibung eine intensive Erwärmung und dadurch Konden¬ sation auf. Die Temperatur des Mischgutes wird bei 120 Grad Celsius gehalten, was meist durch das Kühlen des Behälters erreicht wird. Der Leistungsverbrauch des Rührers wird aufgezeichnet, um die Änderung der viskosen Eigenschaften des Mischgutes zu erfassen. Das

Harz imprägniert bei ausreichender Mischzeit, die meist zwischen 2 und 15 Minuten liegt, die Füllstoffe, so daß eine homogene Formmasse erhalten wird. Die Energieaufnahme des Mischers ändert sich infolge Änderung der viskosen Eigenschaften des Mischgutes. Ist der gefor¬ derte Kondensationsgrad erreicht, wird dies durch einen Schwellwert der Rührerleistung angezeigt.

Die Formmasse wird in den Kühlmischer abgelassen, um eine weitere Kondensation der Formmasse abzubrechen. Man erhält ein homogenes, feinkörnig aufgebautes Granulat, das im Gegensatz zu gemahlenen Formmassen gemäß dem Stand der Technik nur wenig Staubpartikel aufweist. Die Staubfreiheit wird durch einen Siebetest der Formmasse überprüft. Ebenso läßt sich auch die Masse an Überkorn feststellen und gegebenenfalls in einem weiteren Verfahrensschritt beseitigen. Der durchschnittliche Korndurchmesser der Vorprodukt-Granulate liegt bei 1 bis 5 Millimeter. Eine Korngröße von 0.7 Millimeter oder kleiner definiert man als Staub der ausgesiebt wird. Die Formmasse enthält maximal bis zu 5 Gewichtsprozent, vorzugsweise weniger als 3 Gewichtsprozent Staub. Diese Formmassen sind sehr gut rieselfähig.

Alternativ zur obigen Weiterbehandlung kann eine Formmasse die der stofflichen Zusammensetzung der Erfindung entspricht auch über Walzenstühle oder Kneter aufbereitet werden, wobei jedoch das Mahlen und der dadurch entstandene Staub in Kauf genommen werden müssen.

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Beispiele zur Materialauswahl von Phenoplasten mit den Vorteilen der Erfindung sind in den Tabellen 1 und 2 aufgelistet. Die Zahlenan¬ gaben beziehen sich auf Gewichtsprozente bezogen auf 100 Gewichts¬ prozent Formmasse.

Tabelle 1

Beispiele

Formmasse 1 2 3

Harze Resol Resol Resol

22 22 27 Novolak Novolak Cashewnußöl 6 3 1

Trennmittel Calciumstearat Calciumstearat Calciumstearat 2,5 2,5 2,5

Beschleuniger CaO CaO CaO 0,5 0,5 0,5 kurze Glasfasern E-Glas E-Glas E-Glas 20 17 24 lange Glasfasern E-Glas E-Glas E-Glas 10 17 6

Füllstoff Al-Hydroxid Kreide Kreide

20 14 25 Blattsilikat Blattsilikat Blattsilikat

17 24 14

Farbstoff Ruß ^— 2 ^"

Gesamtmasse 100 100 100

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Tabelle 2

Beispiele

Formmasse 4 5 6

Resol Resol Resol

Harze 22 22 27 Cashewnußöl Cashewnußöl Cashewnußöl 6 6 6

Trennmittel Zinkstearat Zinkstearat Zinkstearat

1 4 2,5

Beschleuniger MgO MgO MgO

0,1 0,5 0,5 kurze Glasfasern E-Glas E-Glas E-Glas 30 10 30 lange Glasfasern E-Glas

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Füllstoff Kreide Blattsilikat Al-Hydroxid

15 35,5 17,5 Blattsilikat Blattsilikat

25,9 16,5

Farbstoff Farbpigment

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Gesamtmasse 100 100 100