DE10208644A1 - Verfahren zur Herstellung und Verarbeitung von Epoxidharz-Formmassen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und Verarbeitung von Epoxidharz-Formmassen aus Epoxidharzen, Härtern, Füll- und Zusatzstoffen, bei dem die Epoxidharze mit den übrigen Bestandteilen der Masse in einem Mischer mit schnellaufenden Mischwerkzeugen vermischt und granuliert werden und das erhaltene rieselfähige Granulat kurz vor der Formgebung und Härtung unter Druck homogenisiert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung und Verarbeitung von Formmassen auf Basis von Epoxidharzen.
• Epoxidharz-Formmassen sind Granulate aus Epoxidharz, Härter sowie Füll- und Zusatzstoffen, die man ohne Beimischung eines Zusatzstoffes zu thermisch härtbaren Formteilen verarbeiten kann. Die so hergestellten Formkörper zeichnen sich durch gute mechanische und elektrische Eigenschaften aus.
• Zur Herstellung von Epoxidharz-Formmassen gibt es verschiedene Verfahren (vergl. Kunststoff Handbuch Band 10 "Duroplaste", 2. Auflage, Hanser Verlag 1988, Seiten 338-342):
  
• - In ein flüssiges Gemisch aus Epoxidharz und Härter werden die übrigen Füll- und Zusatzstoffe eingemischt. Bei mäßig gesteigerter Temperatur läßt man die Epoxidharze soweit vorreagieren, bis die Masse bei Raumtemperatur klebfrei und rieselfähig ist. Trotz guter Benetzung der Füllstoffe hat dieses Verfahren den Nachteil, daß die Einstellung der Vorreaktion nicht exakt reproduzierbar ist, so daß die entsprechenden Formmassen sich in ihrer Reaktivität von Charge zu Charge unterscheiden. Außerdem sind diese Formmassen nicht lagerstabil.
• - Beim sogenannten Trockenmischverfahren werden bei Raumtemperatur feste Epoxidharze und Härter mit den übrigen Bestandteilen der Formmasse gemahlen und innig vermischt. Danach muß das Pulver mechanisch verdichtet und granuliert Werden. Harz und Härter liegen in dieser Masse als kleine Partikel nebeneinander vor. Dies ergibt eine gute Lagerstabilität der Massen. Allerdings ist bei diesem Verfahren die Benetzung der Füllstoffe nicht zufriedenstellend, so daß nur Formmassen mit relativ niedrigem Füllstoffanteil herstellen lassen, die zudem nur Formkörper mit wenig zufriedenstellenden mechanischen Eigenschaften ergeben.
• - Zur besseren Benetzung der Füllstoffe wird daher im Schmelzverfahren ein Vorgemisch aus festem Epoxidharz, Härter, Füll- und Zusatzstoffen als Schmelze homogenisiert und anschließend abgekühlt und granuliert. Allerdings treten bei diesem technologisch aufwendigen Verfahren mittels Schmelzhomogenisierung bereits wieder Härtungsreaktionen auf, die die Lagerstabilität der Formmasse reduzieren und sehr schnell zu einer überlagerten Masse führen. Dies kann vermieden werden, wenn Harz und Härter jeweils mit Füll- und Zusatzstoffen separat in Schmelzen homogenisiert und anschließend als Pulver vermischt werden. Dann sinken allerdings wieder die mechanischen Eigenschaften der damit hergestellten Formkörper.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches, schnell durchzuführendes Verfahren zur Herstellung von Epoxidharz-Formmassen bereitzustellen, mit dem sich lagerstabile Formmassen mit hohem Füllstoffanteil herstellen lassen, die nach der Formgebung und Aushärtung Formkörper mit sehr guten mechanischen und elektrischen Eigenschaften ergeben.
• Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur Herstellung und Verarbeitung von Epoxidharz-Formmassen gemäß der Ansprüche 1 bis 7. Die gemäß dem Verfahren hergestellten Formmassen eignen sich insbesondere zur Herstellung von Formteilen im Reaction-Injection-Molding-Verfahren, zur Umhüllung von elektronischen oder elektrischen Bauteilen oder Bauteilkomponenten sowie zur Herstellung von Mechatronik- Bauteilen, wie dies in den Ansprüchen 8 bis 10 beansprucht ist.
• Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dadurch, daß alle Bestandteile der Formmasse zusammen in einem schnellaufenden Mischer vermischt und zu einem lockeren, rieselfähigen Granulat verarbeitet werden. Die direkte Weiterverwendung dieses Granulats als Formmasse zur Herstellung von Formteilen in der bekannten Weise durch Verpressen in einer Form führt nicht zu hochwertigen Formkörpern, da die Homogenisierung nicht ausreichend ist. Es wurde aber gefunden, daß das Granulat die Eigenschaft hat, unter Druck eine fließfähige Masse zu bilden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch genutzt, daß das Granulat kurz vor der Formgebung und Härtung unter Druck homogenisiert wird. In der praktischen Durchführung wird das noch nicht ausreichend homogene Granulat, kurz bevor es dem Formwerkzeug zugeführt wird, unter Druck und gegebenenfalls unter Erwärmung durch einen dem Formwerkzeug vorgeschalteten Durchlaufmischer gepreßt und dabei homogenisiert. Überraschenderweise funktioniert dies auch bei Formmassen, deren Füllstoffgehalt bis zu 95 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse, beträgt.
• Die Herstellung des Granulats erfolgt sehr schnell und einfach. Das Granulat ist lagerfähig und klumpt bei normaler Lagerung im Gebinde nicht zusammen, sondern bleibt rieselfähig. Erst bei Anwendung von Drucken > 5 bar, wie sie sich bei Durchgang durch Transportvorrichtungen wie Extruderschnecken oder Kolbenpumpen ergeben, werden diese Mischungen plastifiziert und lassen sich in Durchlaufmischern homogenisieren. Danach wird die erhaltene homogene Formmasse direkt in das Formwerkzeug eingespritzt. Es ist dabei ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß sowohl die Mischmaschinen, wie auch die Vorrichtungsbausteine wie die zur Druckerzeugung notwendigen Geräte und Durchlaufmischer in der kunststoffverarbeitenden Industrie gebräuchliche Maschinen sind, die in einfacher Weise einem Formwerkzeug vorgeschaltet werden können. Die bislang übliche Fertigung von Formkörpern wird dadurch nicht wesentlich verändert.
• Der Aufbau der erfindungsgemäß hergestellten Epoxidharz-Formmassen entspricht im wesentlichen dem bislang üblicher Epoxidharz-Formmassen.
• Als Epoxidharze können alle Epoxidverbindungen mit mindestens zwei Epoxidgruppen pro Molekül eingesetzt werden, deren Schmelzbereich unter 70°C liegt. Bevorzugt sind Epoxidverbindungen, die bei Raumtemperatur flüssig sind, wie Diglycidylether von Bisphenolen oder vorverlängerte Harze auf Basis von Bisphenol-A-Diglycidylethern. Insbesondere bevorzugt sind niedrigviskose Harze wie Epoxidharze auf Basis von Cycloolefinen oder Tetraglycidyldianilin oder aber auch Mischungen fester Epoxidharze wie z. B. epoxidierter Novolake mit sog. Reaktiwerdünnern. Die Epoxidharze können gegebenenfalls mit anderen Polymeren wie z. B. Polyestern, Acrylaten, Siliconpolymeren oder Polyvinylderivaten modifiziert sein.
• Als Härter werden an sich bekannte latente Härter eingesetzt, wie z. B. alkylsubstituierte aromatische Amine, Polycarbonsäuren und -anhydride, BCl₃- oder BF₃-Komplexe, latente Heteroverbindungen auf Basis Stickstoff oder Phosphor oder Metallkomplexverbindungen. Latente Härter sind aber auch mikroverkapselte Härter. Dabei sind Härter, die in freier Form bereits bei Raumtemperatur zu einer Härtung der Epoxidharze führen, wie z. B. aliphatische oder aromatische Amine oder Polyamine, Novolake oder Imidazolderivate, mit einem inerten Material verkapselt. Unter den Verarbeitungsbedingungen des Granulats werden die Kapselwände entweder durch die eingebrachte thermische Energie oder durch die bei der Homogenisierung auftretenden Scherkräfte, zerstört und der Härter freigesetzt und mit dem Rest der Formmassenmischung homogenisiert. Die Menge der eingesetzten Härter wird in an sich bekannter Weise so gewählt, daß sie zur vollständigen Aushärtung der Epoxidverbindungen ausreicht.
• Als Füllstoffe können alle für derartige Formmassen üblichen anorganischen und/oder organischen Füllstoffe mit den üblicherweise gebrauchten Korngrößen eingesetzt werden. Beispiele sind hydrophobierte oder unbehandelte Kreiden, Dolomit, gefällte oder gemahlene Kieselsäure, Wollastonit, Glimmer, Talkum, Silikate, Clays, Titandioxid, Lithopone, Aluminiumoxidhydrat, Antimontrioxid aber auch Cellulose- oder Polyamidpulver. Als besonders verstärkende Füllstoffe können aber auch Fasern, insbesondere Kurzfasern mit einer durchschnittlichen Länge von 0,5 bis 4 mm eingesetzt werden. Beispiele für derartige Fasern sind Glas-, Keramik-, Aramid-, Cellulose-, Polyester-, Polyamid- oder C-Fasern. Die Menge der eingesetzten Füllstoffe beträgt bis zu 95 Gew.-%, bevorzugt bis zu 85 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Formmasse.
• Auch übliche Zusatzstoffe wie Gleit- oder Trennmittel wie z. B. Wachse, Metallseifen oder substituierte Fettsäureamide, Pigmente, Flexibilatoren, Kupplungsreagentien, Beschleuniger oder Flammschutzmittel können in die erfindungsgemäß hergestellten Epoxidharz-Formmassen in an sich gebräuchlichen Mengen eingemischt werden.
• Alle Bestandteile der Epoxidharz-Formmassen werden möglichst gleichzeitig miteinander vermischt. Aus praktischen Gründen werden dabei bevorzugt die flüssigen Bestandteile der Massen vorgelegt und die festen Ingredientien in beliebiger Reihenfolge zugegeben.
• Der Mischvorgang erfolgt in einem Mischer mit schnell rotierenden Mischwerkzeugen, wie z. B. einem Mehrfachwellendissolver, einem Wirbelbett-, Turboinnen- oder Hochleistungsschleudermischer. Bevorzugt sind solche schnellaufenden Mischer, bei denen die Möglichkeit besteht, das Mischgut auch zu temperieren, damit der durch den Energieeintrag erfolgende Temperaturanstieg so begrenzt wird, daß die Temperatur der Mischung unter dem Anspringpunkt der Härtungsreaktion des Epoxidharzes gehalten werden kann. Gegebenenfalls kann dem Mischer ein Kühlmischer nachgeschaltet werden. Innerhalb einer kurzen Mischzeit, bei Einsatz von Wirbel- oder Hochleistungsschleudermischern innerhalb einer Mischzeit von weniger als einer Minute, wird die noch nicht homogene Formmasse als lockeres, für die Handhabung ausreichend druckstabiles Granulat erhalten und kann als solches bei Raumtemperatur mehrere Monate lang gelagert werden. Der Mischvorgang ist zu beenden, wenn sich das Granulat gebildet hat, denn bei verlängerter Mischzeit verklumpt die Mischung.
• Theoretisch kann dieses Granulat als Formmasse zur Herstellung von Formteilen eingesetzt werden. Da aber durch den Mischvorgang die Füllstoffe nicht intensiv benetzt wurden und die Mischung nicht ausreichend homogen ist, sind die mechanischen Eigenschaften der daraus hergestellten Formkörper nicht zufriedenstellend. Erfindungsgemäß wird daher das Granulat kurz vor der Formgebung und Härtung unter Druck homogenisiert. Dies erfolgt dadurch, daß das Granulat, gegebenenfalls unter Erwärmung auf eine Temperatur, die unterhalb der Anspringtemperatur der Härtung des Epoxidharzes, bzw. unter der Schmelztemperatur des Kapselwandmaterials eventuell eingesetzter verkapselter Härter liegt, mittels einer Druck aufbauenden Fördervorrichtung, etwa einer Kolbenpumpe oder einer Schnecke durch einen dem Formwerkzeug vorgeschalteten Durchlaufmischer gepreßt wird. Durchlaufmischer mit eingebauter Schnecke sind kontinuierlich laufende Einwellen- oder Mehrwellenmischer oder Cokneter. Eine einfachere aber ebenso effektive Homogenisierung kann erzielt werden, wenn der dem Formwerkzeug vorgeschaltete Durchlaufmischer ein statischer Mischer ist, dem eine Druck aufbauende Fördervorrichtung vorgeschaltet ist, die das Granulat plastifiziert und durch den statischen Mischer preßt.
• Die erfindungsgemäß hergestellten Formmassen eignen sich für alle Anwendungen, bei denen Epoxidharz-Formmassen werden. Insbesondere aber eignen sie sich zur Herstellung von Formteilen im Reaction-Injection-Molding-Verfahren, zur Umhüllung von elektronischen oder elektrischen Bauteilen oder Bauteilkomponenten sowie zur Herstellung von Mechatronik-Bauteilen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung und Verarbeitung von Epoxidharz-Formmassen aus Epoxidharzen, Härtern, Füll- und Zusatzstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß Epoxidharze mit den übrigen Bestandteilen der Masse in einem Mischer mit schnellaufenden Mischwerkzeugen vermischt und granuliert werden und das erhaltene rieselfähige Granulat kurz vor der Formgebung und Härtung unter Druck homogenisiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzten Epoxidharze bei Raumtemperatur flüssig sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzten Härter latente Epoxidharz-Härter sind.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung der Bestandteile in einem Wirbelbett-, Turboinnen- oder Hochleistungsschleudermischer erfolgt.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Homogenisierung der Masse in einem dem Formwerkzeug vorgeschalteten Durchlaufmischer erfolgt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Homogenisierung der Masse in einem dem Formwerkzeug vorgeschalteten statischen Mischer erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Durchlaufmischer eine Schnecke oder Kolbenpumpe vorgeschaltet ist, mit deren Hilfe das Granulat verdichtet und durch den Durchlaufmischer gepreßt wird.

8. Verwendung der gemäß der Ansprüche 1 bis 7 hergestellten Formmassen zur Herstellung von Formteilen im Reaction-Injection-Molding-Verfahren.

9. Verwendung der gemäß der Ansprüche 1 bis 7 hergestellten Formmassen zur Umhüllung von elektrischen oder elektronischen Bauteilen oder Bauteilkomponenten.

10. Verwendung der gemäß der Ansprüche 1 bis 7 hergestellten Formmassen zur Herstellung von Mechatronik-Bauteilen.