DE3017752C2

DE3017752C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines pulverförmigen Gemisches aus thermoplastischem Kunststoff und mineralischem oder organischem Füllstoff

Info

Publication number: DE3017752C2
Application number: DE3017752A
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr.-Ing. 4030 Ratingen Baller; Hans Dipl.-Ing. 5000 Köln Grigull; Wolfgang Dr.rer.nat. 4006 Erkrath Schoenfelder; Bernhard Dr.rer.nat. 4000 Düsseldorf Weßling
Original assignee: Sapco Systemanalyse und Projektcontrol 4000 Duesseldorf De GmbH
Current assignee: Sapco Systemanalyse und Projektcontrol 4000 Duesseldorf De GmbH
Priority date: 1980-05-09
Filing date: 1980-05-09
Publication date: 1984-08-23
Also published as: WO1981003144A1; ZA813026B; KR850001468A; RO86050A; JPS57500552A; HU182749B; ES8202504A1; KR850000530B1; GB2075353B; IT8121589A0; GB2075353A; DD158526A5; FR2481991A1; SE8200079L; ES502035A0; GR74899B; NL8120135A; AR225809A1; RO86050B; KR830006378A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines pulverförmigen Gemisches aus thermoplastischem

Kunststoff und mineralischem oder organischem Füllstoff, bei dem zumindest der teilchenförmige Füllstoff vor dem Vermischen einer unter Vakuum und ständigem Umwälzen stattfindenden Vorbehandlung unterzogen und anschließend ebenfalls unter Vakuum mit dem pulverförmigen Kunststoff durch intensives Umwälzen vermischt wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 23 34 189 bekannt

Mit der Beimischung von mineraLschen oder organischen Füllstoffen zu Kunststoffen werden einerseits eine Verbilligung des Rohstoffes und andererseits die Erzielung gewünschter Eigenschaften des späteren Produktes bezweckt

Die besondere Schwierigkeit dabei ist darin zu sehen, dem Verarbeiter des Kunststoff-Füllstoff-Gemisches ein homogenes, transportables und gegen Entmischung stabiles Polymer-Ausgangsmaterial zu liefern, wenn keine sofortige Verarbeitung des Gemisches vorgesehen ist Außerdem muß das Gemisch als Rohstoff für die Weiterverarbeitung bestimmten, jeweils festgelegten Festigkeitsansprüchen genügen. Zur Erreichung dieser Ziele sind bislang verschiedene Wege beschritten worden, die mehr oder weniger auf eine thermische Behandlung der Kunststoffgrundiage hinauslaufen, welche ein Aufschmelzen oder Erweichen der Thermoplaste verursacht

Bei den bekannten Verfahren werden die Komponenten Kunststoff und Füllstoff zusammengebracht und durch Walzen, Kneten, Plastifizieren oder Extrudieren vermischt Dabei ist bekannt, daß zur Ausbildung entsprechend großer Haftkräfte zwischen Kunststoff und Füllstoff die Poren beider Komponenten möglichst frei sein müssen von Wasser und Luft denn mit geringerem Abstand der Molekülketten zwischen Kunststoff und Füllstoff nehmen die van-der-Waalschen Kräfte zu, welche für eine Verbindung beider Komponenten sorgen. Wenn etwaige den Zusammenhalt hindernde Gas- oder Feuchtigkeitshüllen entfernt werden sollen, wird die Compoundierung unter Vakuum in Ein- oder Doppelschneckenextrudern durchgeführt, in denen die Stoffe kontinuierlich gefördert, vermischt und verdichtet werden. Hierzu ist die Verwendung von entsprechenden Trichtern mit Entgasungseinrichtungen für die Komponentenzugabe erforderlich.

Auf dieser Erkenntnis baut das eingangs genannte, durch die DE-OS 23 34 189 bekanntgewordene Verfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Füllstoff-Gemisches auf. Danach werden die Füllstoffe zunächst einer intensiven Vortrocknung unterzogen, wobei diese Vortrocknung unter Vakuum erfolgt, und anschließend findet die Mischung mit dem Kunststoff ebenfalls unter Vakuum statt um einen Ausschluß von Feuchtigkeit zu gewährleisten. Während des Mischvorganges muß die Prozeßtemperatur so gesteuert werden, daß die in Pulverform zugegebenen Kunststoffpartikel an der Oberfläche angelieren, so daß die Füllstoffteilchen daran ansintern, wodurch sich die so entstandenen Agglomerate nachträglich nicht mehr entmischen können.

Bei diesem und anderen bekannten Verfahren, die sich aufgrund ihrer physikalischen Wirkungsweise unter dem Oberbegriff »thermische Verfahrensweisen« zusammenfassen lassen, sind die notwendigen maschinellen Anlagen mit hohen Investitions- und Betriebskosten verbunden und lassen dabei häufig nur geringe Durchsatzmengen zu. Die damit hergestellten Mischungen sind darüber hinaus nicht homogen, d. h. der Füllstoffanteil in den einzelnen Granulatkörnern ist unterschiedlich hoch. Damit gehen in der Regel schlechtere Eigenschaften des Gemisches wie auch des späteren Produktes aufgrund zu schwacher Haftkräfte zwischen Kunststoffmatrix und Füllstoffteilchen einher. Die Kunststoff-Füllstoff-Mischungen neigen zur Sprödigkeit bzw. zu hohem E-Modul, gleichzeitig mit wachsendem Anteil an Füllstoff auch zu geringerer Festigkeit. Zwar sollen diese Wirkungen nach dem Stand der Technik durch Zugabe von sogenannten Haftvermittlern überwunden oder wenigstens eingeschränkt werden, jedoch ist dies mit hohem verfahrenstechnischem Aufwand und demzufolge hohen Kosten verbunden, so daß diese Möglichkeit allenfalls der Herstellung von Spezialprodukten vorbehalten ist.

Es ist darüber hinaus zwar aus der US-PS 40 34 966 ein Verfahren zur Herstellung von Mischungen zweier fester Stoffe bekannt, bei dem der eine Stoff mit einer positiven elektrischen Ladung und der andere Stoff entsprechend mit einer negativen Ladung versehen wird, wonach die beiden aufgeladenen Stoffe anschließend im freien Fall zusammengeführt werden und sich dabei vermischen sollen. Dieses Verfahren ist jedoch auf ein Verfahren zur Herstellung eines pulverförmigen Gemisches aus thermoplastischem Kunststoff und mineralischem oder organischem Füllstoff nicht übertragbar, da die dielektrischen Eigenschaften der Füllstoffe und die Abhängigkeit dieser Eigenschaften von Druck und Temperatur zur Folge haben, daß die mit einer Aufladung nach dem bekannten Verfahren erreichbare Ladung der Füllstoffteilchen nur sehr schwach ausfällt und auch schnell wieder abgebaut wird. Darüber hinaus kann auch allein das Zusammenführen der beiden Teilströme in einem einzigen Materialstrom im freien Fall überhaupt keine geregelte und vollständige Mischung der Teilchen miteinander gewährleisten, womit ein wesentlicher Nachteil der thermischen Verfahren nicht beseitigt wird, bei denen der Füllstoffanteil in den einzelnen Granulatkörnern der Mischungen unterschiedlich hoch, die Mischung also nicht homogen ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die Herstellung eines pulverförmigen Gemisches aus thermoplastischem Kunststoff und mineralischem oder organischem Füllstoff anzugeben, welches in Abkehr von den sogenannten thermischen Verfahrensweisen zu Gemischen führt, die bereits in pulverförmigem Zustand und auch schon ohne eine aufwendige Granulierung gegen Entmischung stabil und zu Handelsprodukten verarbeitbar sind. Darüber hinaus sollen die nach dem Verfahren hergsstelllen Werkstoffe eine deutlich höhere Steifigkeit aufweisen, jedoch ohne die sonst damit verbundene Sprödigkeit, und gleichzeitig m> Festigkeitswerte erzielen, die denen reiner Kunststoff-Werkstoffe nahekommen. Schließlich soll das Verfahren mit geringeren Kosten als nach dem Stand der Technik verbunden sein.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannten Maßnahmen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 8.

Bei der erfint'ungsgemäßen Vorgehensweise wird der Füllstoff einer elektrischen Aufladung unterzogen. Je nach Art des Füllstoffes ist diese Aufladung über Monate hinweg stabil. Damit ist auch eine vom Misch Vorgang

zeitlich wie örtlich getrennte Vorbehandlung des Füllstoffes einschließlich etwa nötiger Zwischenlagerung möglich.

Bei der anschließenden Vermischung von Kunststoff und Füllstoff erfolgt durch die auftretende Reibung eine

Ladungstrennung, wobei sich der Kunststoff mit einer dem Füllstoff entgegengesetzten Polarität auflädt. Von besonderer Bedeutung für die erfinderische Lösung ist dabei die Einstellung der Mischungstemperatur, die in jedem Fall unterhalb der Erweichungstemperatur des jeweiligen Kunststoffes liegen muß, um ein Anschmelzen der Kunststoffteilchenoberfläche und ein Ansintern der Füllstoffteilchen zu verhindern.

Weiterhin kann es bezüglich bestimmter Kombinationen von Füllstoff und Kunststoff je nach deren Stellung zueinander in der elektrostatischen Reihe erforderlich sein, daß auch der Kunststoff seinerseits einer vorherigen ίο Aufladung unterzogen wird und dabei eine der Ladung des Füllstoffes entgegengesetze Ladung erhält.

Während des Mischvorganges bildet sich nun lediglich aufgrund der entgegengesetzten Ladungen der beiden Komponenten eine fest anliegende Schicht von Füllstoffpartikeln rund um das gesamte Kunststoffkorn aus; ein Ansintern oder Angelieren der Füllstoffpartikel an der etwa aufgeweichten Oberfläche der Kunststoffteilchen findet im Unterschied zu den im Stand der Technik geschilderten Verfahren nicht statt. Dies ist dadurch nachweisbar, daß sich bei Dispersion des Kunststoff-Füllstoff-Gemisches in Wasser die Füllstoffhülle von dem Kunststoffkorn ablöst, weil im Wasser die elektrostatischen Bindungskräfte aufgehoben werden. Mittels anschließender elektronenmikroskopischer Untersuchung des wieder »nackten« Kunststoffpulverkorns ist seine nahezu unbeschädigte Oberfläche feststellbar.

Die Dicke der Füllstoffhülle ist abhängig vom gewünschten Füllstoffanteil. Die gesamte zugegebene Füllstoffmenge ist dabei in der Füllstoffhülle gebunden und bildet keine eigenen, vom Kunststoff getrennten oder von diesem leicht abtrennbaren Agglomerate oder Zusammenballungen. Infolgedessen ist die nach der erfindungsgemäßen Vorgehensweise erzeugte Füllstoffhülle gegen normale mechanische Beanspruchung, z. B. durch Druck, Stoß, Scherkräfte oder Reibung unempfindlich. Außerdem ergibt sich durch die ebenmäßige Gestalt der Füllstoffhülle eine in der Weiterverarbeitung erwünschte gute Rieselfähigkeit des Pulvers.

Das Kunststoff-Füllstoff-Gemisch ist damit auch schon in Pulverform gegen Entmischung stabil. In der Regel wird das Gemisch entweder noch granuliert, wenn der Abnehmer dies wünscht, oder unmittelbar der Verarbeitung zu einem Endprodukt zugeführt. Dabei ist es von besonderem Vorteil, daß die Endprodukte nachträglich färbbar sind, was sich insbesondere bei aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff hergestellten Fasern günstig auswirkt

Die durch die elektrische Aufladung der Komponenten bewirkten Haftkräfte zwischen Kunststoff und Füllstoff haben ferner wesentlich bessere Werkstoffeigenschaften der gefüllten Thermoplaste zur Folge, die von nach dem Stand der Technik hergestellten Kunststoff-Füllstoff-Gemischen nicht erreicht werden.

Vor allem zeigen sich deutlich ein niedrigerer F-Modul und eine erheblich bessere Reißfestigkeit und Schlagzähigkeit

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen sich Vorrichtungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 bzw. 14, die nach der Erfindung durch die in den kennzeichnenden Teilen dieser Patentansprüche angegebenen Merkmale gekennzeichnet sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Vorrichtungen ergeben sich aus den Patentansprüchen 10 bis 13 und 15 bis 17.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung durch Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schemaiische Darstellung der Anordnung von Aggregaten für die Aufladung der Komponenten durch Reibung und deren anschließende Vermischung,

F i g. 2 eine schematische Darstellung der Anordnung von Aggregaten für die Aufladung der Komponenten in einem elektrischen Feld und deren anschließende Vermischung,

F i g. 3 in schematisch-schaubildlicher Darstellung ein kombiniertes Aufladungs- und Mischgitter,

F i g. 4 eine schematische Darstellung der Anordnung von Aggregaten für die Aufladung der Komponenten in einem elektrischen Feld für eine kontinuierliche Durchführung des Verfahrens,

F i g. 5 ein aufgeschnittenes Teilchen der Mischung mit Kunststoffkern und Füllstoffhülle,
F i g. 6 die Vergrößerung eines Ausschnitts der Phasengrenze in F i g. 5,

F i g. 7 die Vergrößerung eines Ausschnitts der Phasengrenze in F i g. 6,

F i g. 8 ein Schaubild einer Gegenüberstellung der mechanischen Kennwerte einer handelsüblicher, und einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Mischung.

Beispiel I

20 kg eines Füllstoffes, z. B. Kreide, Talkum, Kaolin oder Glimmer mit einer Feuchte von weniger als 3Gew.-%, werden unter Vakuum in einem Schnellmischer bei einem Druck von 10 Millibar durchmischt, wodurch es zu einer intensiven Reibung der Füllstoffteilchen aneinander und an den innenliegenden Reaktortei-

len kommt Infolgedessen findet eine elektrische Aufladung der Teilchen statt, wobei Kreide eine negative,

Talkum, Kaolin und Glimmer eine positive Ladung von jeweils mehreren kV erhalten. Die Ladungen sind

besonders stabil, wenn die Mischung bei kurzzeitigen (z. B. 04 s) Spitzentemperaturen über 200° C erfolgt, die entweder durch Reibungswärme oder durch Zusatzheizung hervorgerufen werden.

Danach muß der so vorbehandelte Füllstoff zunächst wieder abkühlen. Anschließend wird der elektrostatisch aufgeladene Füllstoff mit der gewünschten Kunststoffmenge, z. B. 20 bis 30 kg Polyäthylen, Polypropylen oder anderen pulverförmigen Thermoplasten, in einen evakuierten Schnellmischer gegeben. Die Masse wird bei einem Druck von weniger als eintausend Pascal durchmischt wobei eine bestimmte Maximaltemperatur nicht überschritten werden darf, die als Indikator für die stattgefundene Reibung und damit für das Ausmaß der

Ladungstrennung von Füllstoff und Kunststoff anzusehen ist. Diese Maximaltemperatur liegt niedriger als die Erweichungstemperatur des Kunststoffes und richtet sich in ihrem Betrag sowohl nach der Kombination von verwendetem Kunststoff und Füllstoff wie auch nach deren Mengenverhältnis, und zwar beispielsweise gemäß der nachstehenden Tabelle:

Andes	Füllstoffanteil	25%	40%	>40%	An des
Kunststoffes	10%				Füll
		95⁰C	13O⁰C	13O⁰C	stoffes
Polyäthylen	85° C	100°C	140° C	145° C	Talkum
Polyropylen	80° C	105⁰C	135° C	14O⁰C	Kreide
	80° C	95°C	14O⁰C	145° C	Glimmer
	80° C	80° C	80" C	ου ^	Talkum
Polyvinylchlorid	80^s C			Kreide

Das nun vorliegende Kunststoff-Füllstoff-Gemisch wird entweder in Pulverform gelagert, auf Wunsch bzw. bei Bedarf in einem Extruder granuliert oder direkt der Verarbeitung zu einem Endprodukt zugeführt. Granulierung und Verarbeitung müssen unter Vakuum erfolgen, damit die intensive Benetzung des Füllstoffes durch die Thermoplaste nicht durch die in Höhlen oder nischenartigen Unregelmäßigkeiten der rauhen Hüllenoberfläche adsorbierten Luftschichten oder dort eingeschlossenen Blasen behindert wird und sich so die Haftkräfte vorteilhaft auswirken können.

Die infolge der elektrischen Aufladung bewirkten Anziehungskräfte führen zu wesentlich besseren Eigenschaften der gefüllten Thermoplaste, insbesondere zu guter Schlagzähigkeit bei niedrigem £-Modul.

Dies zeigt die in F i g. 8 gezeigte Gegenüberstellung der mechanischen Kennwerte einer handelsüblichen, 40 Gew.-% Talkum enthaltenden Polypropylenmischung mit denen einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten gleichfalls 40 Gew.-% Talkum enthaltenden Polypropylenmischung.

Zur Durchführung des Verfahrens nach Beispiel I ist eine Vorrichtung geeignet, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist.

Diese Vorrichtung enthält einen kombinierten Aufladungs- und Mischreaktor 10 mit zwei Speisetrichtern 11, 12. Der Reaktor 10 hat an seinem Boden zwei Ausgänge 13,14, von denen der Ausgang 14 mit einem kühlbaren Zwischenbehälter 15 verbunden ist, von dem eine Leitung 16 zu einem Kühlreaktor 17 führt. Vom Kühlreaktor 17 ist eine Leitung 18 zurück zum kombinierten Aufladungs- und Mischreaktor 10 gelegt.

Der kombinierte Aufladungs- und Mischreaktor 10 besteht aus einem Reaktorkörper 19 und einem Deckel 20, welcher gegen den Reaktorkörper 19 elektrisch isoliert ist, vorzugsweise durch eine Schicht 21 aus Polytetrafluoräthylen. Zur Herstellung des erforderlichen Vakuums ist der Reaktor 10 über seinen Deckel 20 mit einer Vakuumpumpe 22 verbunden. Am Deckel 20 ist eine Druckanzeige 23 vorgesehen.

Der Deckel 20 des Reaktors 10 ist an einen Hochspannungsgenerator 24 angeschlossen, welcher Spannungen von 0 bis 10 kV liefern kann und stufenlos regelbar ist Der Reaktorkörper 19 ist über eine Erdungsleitung 25 geerdet an die auch das im Reaktorkörper 19 befindliche Mischwerk 26 angeschlossen ist. Dabei kann die Erdung des Reaktorkörpers samt Mischwerk durch einen Schalter 27 unterbrochen werden. Ferner ist der Reaktorkörper 19 mit einem Temperaturfühler 28 sowie einem Ladungsmesser 29 ausgestattet. Außen um den Reaktorkörper 19 herum sind ringförmig Kühlschlangen 30 angeordnet.

Die Speisetrichter 11,12 sind ebenfalls an die Vakuumpumpe 22 angeschlossen und mit je einer Druckanzeige 31, 32 versehen. Beide Trichter sind jeweils über vakuumdichte Schließorgane 33, 34 mit dem Reaktor 10 verbunden.

Vom Ausgang 14 des kombinierten Aufladungs- und Mischreaktors 10 führt eine Leitung 35 zum kühlbaren Zwischenbehälter 15, welcher an eine Vakuumpumpe 36 angeschlossen ist und über einen Druckanzeiger 37 verfügt Außen ist der Zwischenbehälter von ringförmigen Kühlmittelleitungen 38 umgeben.

Über die Leitung 16 sind der kühlbare Zwischenbehälter 15 und der Kühlreaktor 17 miteinander verbunden. Der Kühlreaktor 17 ist ebenfalls an die Vakuumpumpe 36 angeschlossen und verfügt über eine Druckanzeige 39. Der Kühlreaktor besteht aus einem Kühlreaktorkörper 40 mit Deckel 41, wobei der Kühlreaktorkörper 40 im Innern mit einer nicht-leite nden Schicht 42, vorzugsweise aus Polytetrafluorethylen, versehen ist. Außen um den Kühlreaktorkörper 40 herum sind ringförmig Kühlmittelleitungen 43 angeordnet Im Innern befindet sich eine aufrechtstehende Welle 44, an der drei Rührarme 45 angebracht sind, wobei sich zwischen den einzelnen Rührarmen noch Abstreifer 46 befinden.

Die Herstellung eines Kunststoff-Füllstoff-Gemisches nach dem im Beispiel I geschilderten Verfahren geht in der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung wie folgt vor sich:

Eine Charge Füllstoff, z. B. 30 kg Kreide oder ähnliches Mineral, wird über den evakuierten Trichter 11 und das Schließorgan 33 in den kombinierten Aufladungs- und Mischreaktor 10 eingespeist Hier wird der Füllstoff von dem schnell laufenden Mischwerk 26 intensiv durchmischt, wobei sich der Füllstoff erwärmt und elektrisch auflädt Die Aufladung wird über den Temperaturfühler 28 und den Ladungsmesser 29 ständig kontrolliert Damit sich keine Schicht des aufzuladenden Füllstoffes an dem Deckel 20 des Reaktors 10 ablagert, wird dieser seinerseits etwa ab einer Temperatur des Füllstoffes von 70 bis 8O⁰C vom Hochspannungsgenerator 24 elektrisch aufgeladen, und zwar mit einer Ladung, die zur Ladung des Füllstoffes ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweist Demgegenüber sind Reaktorkörper 19 und Mischwerk 26 geerdet, wobei die Erdung im Bedarfsfalle während des Aufladungsvorganges über den Schalter 27 unterbrochen werden kann, damit konstante Potentiale

aufgebaut werden können.

Ist der Füllstoff genügend aufgeladen, wird er durch den Ausgang 14 über die Leitung 35 in den kühlbaren Zwischenbehälter 15 gefördert. Dort wird der Füllstoff durch in den Kühlmitlelleitungen 38 fließendes Wasser abgekühlt, bevor er über die Leitung 16 in den Kühlreaktor 17 weitergefördert wird. Während dieses Abkiihlvorganges wird auch der Reaktor 10 durch Kühlwasser, welches in den Kühlschlangen 30 fließt, soweit abgekühlt, daß eine neue Charge Füllstoff über den Trichter 11 in den Reaktor 10 gegeben werden kann. Hier vollzieht sich nun die Aufladung des Füllstoffes in gleicher Weise wie beschrieben.

Der Kühlreaktor 17 verfügt über das vierfache Volumen des Reaktors 10, so daß in ihm vier Chargen Füllstoff abgekühlt und gelagert werden können. Dies ist deswegen zweckmäßig, weil die Aufladung des Füllstoffes ίο weniger Zeit in Anspruch nimmt als seine Abkühlung und die nun folgende Vermischung von Füllstoff und Kunststoff.

Ist der Kühlreaktor 17 gefüllt, so hat sich die zuunterst gelegene erste Charge Füllstoff soweit abgekühlt, daß davon ein Teil über die Leitung 18 und den Trichter 11 wieder dem Reaktor 10 zugeführt werden kann. Gleichzeitig wird eine entsprechende Menge Kunststoff über den Trichter 12 in den Reaktor 10 gegeben. Hier findet nun in gleicher Weise wie bei der elektrischen Aufladung des Füllstoffes eine intensive Durchmischung von Kunststoff und Füllstoff statt. Dabei wird die Temperatur ständig über den Temperaturfühler 28 überwacht. Hat sich während des Mischens eine ausreichende Ladungstrennung vollzogen, wird der Mischvorgang beendet. Die fertige pulverförmige Mischung kann nun über den Ausgang 13 entweder einer Verpackung zugeführt werden oder einem Granulierextruder bzw. einer anderen Verarbeitungsmaschine.

Beispiel II

In Abwandlung von der in Beispiel I beschriebenen Verfahrensweise kann die Aufladung des Füllstoffes oder, falls erforderlich auch des Kunststoffes auch dadurch erfolgen, daß die Teilchen einem entsprechend starken elektrischen Feld ausgesetzt werden. Hierzu wird zwischen Rührwerk und Außenwand eines dazu ausgebildeten Reaktors eine entsprechend hohe Spannung angelegt Besonders vorteilhaft ist dabei die Gestaltung des Rührwerks als Gitter mit aufgesetzten Spitzen, da bei der sogenannten Spitzenentladung schon verhältnismäßig kleine Spannungen ausreichen, um örtlich ein starkes elektrisches Feld zu erzeugen. Die Vorrichtung ist damit einem Kondensator vergleichbar, wobei die zunächst elektrisch neutralen Festkörperkomponenten als Dielektrikum wirken.

Bei einer an den Spitzen des Rührwerkgitters anliegenden negativen Spannung senden die Spitzen freie Elektronen aus, die von den Füllstoff- bzw. Kunststoffmolekülen aufgenommen werden. Es ergibt sich ein Elektronenüberschuß, wodurch die Komponententeilchen negativ aufgeladen werden. Die Teilchen werden damit selbst zu Ladungsträgern, und es kommt zu einer virtuellen Verschiebung des spannungsführenden Gitters in Richtung auf die Außenwand des Reaktors so lange, bis alle Teilchen im gewünschten Umfang elektrisch aufgeladen sind. Eine Entladung der Teilchen an der Gegenelektrode, nämlich der Außenwand, wird dadurch verhindert, daß die Innenwandung des Reaktorbehälters mit einer elektrisch isolierenden Schicht ausgekleidet ist.

Sollen die Teilchen positiv aufgeladen werden, so sind Rührwerksgitter und Außenwand entsprechend umzupolen. Ein starkes elektrisches Feld mit Gitterspitzen als (positive) Anode löst aus den Komponentenmolekülen Elektronen heraus, wodurch es zu einem Mangel an Elektronen, also positiver Aufladung kommt

In beiden Fällen wird die eingebrachte Ladungsmenge über die Höhe der Spannung und die Dauer des Vorganges kontrolliert. Eine gleichmäßige Ladungsverteilung wird dabei durch ständiges langsames Umwälzen des Materials mittels Drehung des Rührwerksgitters erzeugt.

Nach der Aufladung gelangen die Komponenten in einen Mischreaktor und werden dort in gleicher Weise, wie in Beispiel I ausgeführt, gemischt und anschließend einer weiteren Verwendung zugeführt

Gegenüber der elektrischen Aufladung in einem Schnellmischer gemäß Beispiel I ist mit der vorstehend in Beispiel II geschilderten Aufladung in einem elektrischen Feld der Vorteil verbunden, daß eine Abkühlung, insbesondere des Füllstoffes, nach der Aufladung nicht mehr notwendig ist Damit kann der umfangreiche Maschinenpark zur Abkühlung des Materials und Rückführung in den Mischreaktor eingespart werden. Ferner läßt sich der Aufladungsprozeß infolge wählbarer Polarität und Ladungsmenge besser steuern und somit durch die damit bewirkten Anziehungskräfte bei der Vermischung von Kunststoff und Füllstoff eine besonders gute Umhüllung des Kunststoffkorns erreichen.

Die Aufladung der Komponenten in einem elektrischen Feld ist in einer Vorrichtung durchführbar, wie sie in den F i g. 2 und 3 schematisch dargestellt ist

Auf einen Vakuumbehälter 49 sind zwei übereinstimmend ausgebildete Reaktoren 50,51 für die elektrische Aufladung gesetzt, wobei nachfolgend nur einer der beiden Reaktoren beschrieben ist Der Reaktor 50 wird über eine Vakuumpumpe 52 evakuiert, wobei der Unterdruck über den Druckanzeiger 53 kontrollierbar ist Der Reaktor hat einen Reaktorkörper 54 und einen gegen den Körper 54 elektrisch isolierten Reaktordeckel 55. Der Reaktorkörper 54 ist in seinem Innern mit einer Schicht 56 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff ausgekleidet

In den Reaktordeckel 55 ist vakuumdicht und elektrisch isoliert ein Rührwerkszylinder 57 eingeführt der aus einem elektrisch isolierenden Material und einem leitenden Kern 58 besteht Der Rührwerkszylinder 57 reicht nur etwa bis zur Hälfte des Reaktorkörpers 54. Wie aus Fig.3 ersichtlich, hat der leitende Kern 58 des Rührwerkszylinders Anschluß an ein Rührwerk 59, welches als ein zweiarmiges Gitter 59a ausgebildet ist, bei dem die einander gegenüberliegenden Gitterflächen jeweils um 30° aus der Senkrechten gekippt sind. Auf den Kreuzungspunkten der einzelnen das Gitter 59a bildenden Gitterstäbe sind senkrecht zur Gitterebene kurze Spitzen 59b aus leitendem Material angebracht, und zwar nur auf der oberen Seite sowie in die Drehrichtung des

Gitters zeigend.

An dem leitenden Kern 58 und der aus leitendem Material hergestellten Außenwand 60 des Reaktorkörpers 54 liegt eine Spannung zwischen 0 und 100 kV an, welche von einem stufenlos regelbaren Hochspannungsgenerator 61 erzeugt wird. Dabei wird die Spannung an den sich drehenden leitenden Kern 58 mittels einer Schleifelektrode 62 übertragen.

Der Reaktor 50 ist ferner mit einer vakuumdichten Zuführungsschleuse 63 sowie einem Ausgang 64 versehen, wobei der letztgenannte mit dem vakuumdichten Schließorgan 33 des Vakuumbehälters 49 verbunden ist. Dieser Vakuumbehälter 49 ist im übrigen mit allen seinen Bestandteilen so ausgebildet wie der Mischreaktor im Beispiel 1. Es fehlen hier der kühlbare Zwischenbehälter und der Kühlreaktor, die bei dem geschilderten Verfahrensgang nicht benötigt werden. '

In der vorstehend beschriebenen Vorrichtung geht das Verfahren gemäß Beispiel Il wie folgt vor sich:

Eine Charge des benötigten Füllstoffes wird über die vakuumdichte Materialschleuse 63 in den Reaktor 50 gegeben. Der Füllstoff wird hier von dem Rührwerk 59 ständig umgerührt und bewegt. Zwischen dem Rührwerk 59 und der aus leitendem Material hergestellten Außenwand 60 liegt eine Spannung von etwa 80 kV an, welche vom Hochspannungsgenerator 61 erzeugt ist. Die Polung der beiden leitenden Bestandteile, Rührwerk und Außenwand, richtet sich dabei nach der gewünschten Ladungspolarität des Füllstoffes. Unter Vakuum bleibt der Füllstoff unter ständigem Drehen des Rührwerks so lange in dem Reaktor, bis alle Teilchen die gewünschte Ladung erreicht haben. Danach wird der Füllstoff über den Ausgang 64 und das vakuumdichte Schließorgan 33 in den Vakuumbehälter 49 abgeleitet. Gleichzeitig wird über das Schließorgan 34 eine äquivalente Menge an Kunststoff in den Vakuumbehälter 49 gegeben, wobei der Kunststoff ebenfalls elektrisch aufgeladen sein kann.

Im Vakuumbehälter 49 vollzieht sich nun durch schnelles Vermischen beider Komponenten eine Ladungstrennung in gleicher Weise wie in Beispiel 1 beschrieben, so daß es aufgrund der elektrostatischen Anziehungskräfte zur Bildung der gewünschten Mischung kommt.

Beispiel III

Während es sich in den vorhergehend geschilderten Beispielen I und II um Vorrichtungen handelt, die nur eine diskontinuierliche, also chargenweise Herstellung des gewünschten Kunststoff-Füllstoff-Gemisches zulassen, ist die in F i g. 3 gezeigte Vorrichtung für einen kontinuierlichen Herstellungsprozeß eingerichtet. Hierbei muß die Aufladung der Komponenten mittels der in Beispiel II erläuterten Verfahrensweise in einem elektrischen Feld vorgenommen werden, da dann auf Abkühlung und somit Zwischenlagerung der Komponenten verzichtet werden kann.

Demzufolge besteht die Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines Kunststoff-Füllstoff-Gemisches nach F i g. 4 aus einer Mischsäule 65, auf die zwei Aufladungsreaktoren 50, 51 aufgesetzt sind, welche den in Beispiel II beschriebenen Reaktoren entsprechen, so daß die darin aufgeladenen Komponenten über die Schleusen 66,67 in die Mischsäule 65 gelangen. Zur Herstellung des erforderlichen Vakuums ist die Mischsäule 65 an eine Vakuumpumpe 68 angeschlossen, wobei der Druck in der Mischsäule über eine Druckanzeige 69 kontrolliert wird.

Die Mischsäule 65 ist als Zylinder 70 ausgebildet, der in einen sich trichterförmig nach unten verjüngenden Kegel 71 übergeht. Die Innenwand des Zylinders 70 der Mischsäule 65 ist mit wendelartig nach oben ansteigenden Riefen 72 versehen. Im Innern der Mischsäule sind an einer senkrecht stehenden Antriebswelle 73 insgesamt drei Rotoren 74 angeordnet, von denen sich einer mit kleinem Durchmesser in der Spitze des Kegels 71 befindet, während die beiden anderen mit entsprechend größerem Durchmesser am unteren Ende des Zylinders 70 der Mischsäule 65 angebracht sind. Die Drehrichtung der Rotoren 74 ist dabei so gewählt, daß das Material in der aufsteigend geführten Wendel nach oben gefördert wird. Schließlich befindet sich am Fußpunkt des Kegels 71 noch ein Auslaß 75, welcher mit einer Vorrichtung 76 zur Weiterverarbeitung des Kunststoff-Füllstoff-Gemisches, vorzugsweise einem Extruder, verbunden ist

Das Verfahren geht in der in F i g. 4 dargestellten Vorrichtung wie folgt vor sich:

Die in den Reaktoren 50 und 51, wie in Beispiel Il beschrieben, entgegengesetzt aufgeladenen Komponenten werden dosiert über die Schleusen 66,67 in die evakuierte Mischsäule 65 eingespeist In der Mischsäule treffen sie auf die am Ende des Zylinders 70 angeordneten Rotoren 74, werden dort vermischt und in der an der Innenwand des Zylinders 70 angebrachten Wendel nach oben gefördert Während der dadurch aufgezwungenen aufwärts gerichteten Wanderungsbewegung findet eine intensive Vermischung der beiden Komponenten, nämlich Kunststoff und Füllstoff, statt

Die Aufwärtsförderung des Materials in der Wendel und damit die Vermischungsdauer werden gesteuert über die Dosierung der Zufuhr von Komponenten in die Mischsäule 65 sowie über die Drehzahl der Rotoren 74, so daß jeweils eine entsprechende Menge fertiger Mischung in den Kegel 71 fällt Hier wird sie unter ständigem weiteren Vermischen durch den in der Kegelspitze angeordneten Rotor zum Auslaß 75 gefördert und kontinuierlich der unter Vakuum stehenden, zur Weiterverarbeitung vorgesehenen Vorrichtung zugeführt Dabei sollte die gesamte Verweilzeit in der Mischsäule 65 wenigstens fünf Minuten betragen.

F i g. 5 zeigt ein vergrößertes Foto eines einzelnen Teilchens 80 eines Kunststoff-Füllstoff-Gemisches, welches nach einem der vorstehend beschriebenen Verfahrensbeispiele hergestellt wurde. Zur besseren Verdeutlichung ist das Teilchen 80 aufgeschnitten und aufgeklappt so daß ein Einblick in den Aufbau des Teilchens mit Kunststoffkern 81 und Füllstoffhülle 82 gewinnbar ist Dabei ist die scharfe Trennungslinie 83 zwischen Kunststoffkern 81 und Füllstoffhülle 82 deutlich erkennbar. Die Füllstoffpartikel sind also nicht in den Kunststoffkern eingedrungen bzw. der Kunststoffkern ist nicht an- oder aufgeschmolzen und hat sich mit dem Füllstoff nicht vermengt

Dies wird noch deutlicher sichtbar in den F i g. 6 und 7, welche einen Ausschnitt der Trennungslinie 83

zwischen Kunststoffkern 81 und Füllstoffhülle 82 in zwei verschieden stark vergrößerten Rasterelektronenmikroskopaufnahmen zeigen. Zwischen den einzelnen Füllstoffteilchen 84 finden sich keine Bestandteile von Kunststoff 85, wie dies bei einem Ansinter- oder Angeliervorgang zwischen Kunststoff und Füllstoff der Fall wäre. Die Haftung zwischen Kunststoff und Füllstoff gellt also lediglich auf die durch die entgegengesetzten elektrischen Ladungen bewirkten Anziehungskräfte zurück.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines pulverförmigen Gemisches aus thermoplastischem Kunststoff und mineralischem oder organischem Füllstoff, bei dem zumindest der teilchenförmige Füllstoff vor dem Vermisehen einer unter Vakuum und ständigem Umwälzen stattfindenden Vorbehandlung unterzogen und anschließend ebenfalls unter Vakuum mit dem pulverförmigen Kunststoff durch intensives Umwälzen vermischt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbehandlung des Füllstoffes im Aufbringen einer elektrischen Ladung auf die Füllstoffteilchen besteht, und daß die anschließende Vermischung der Ausgangsstoffe bei Temperaturen unterhalb der Erweichungstemperatur des jeweiligen Kunststoffes vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Kunststoff getrennt von dem Füllstoff mit einer elektrischen Ladung versehen wird, wobei die Ladung derjenigen des Füllstoffes entgegengesetzt ist

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladung der Ausgangsstoffe durch starke Reibung der Partikel aneinander und an Vorrichtungsteilen erfolgt

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstoffe beim Aufladen durch Reibung und/oder Heizung kurzzeitig auf Temperaturen oberhalb 200 Grad Celsius erwärmt und nach ihrer Aufladung vor dem Vermischen abgekühlt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladung der Ausgangsstoffe in einem elektrischen Feld vorgenommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgebrachte Ladungsmenge durch die Höhe der Spannung und die Aufiadedaaer bestimmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 —6, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff mit einer Feuchte von weniger als drei Gewichtsprozent und unter einem Druck von ungefähr eintausend Pascal zur Aufladung gebracht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—7, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgebrachten elektrischen Ladungen zwischen ungefähr eins und zehn Kilovolt betragen.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprucn 3 mit einem kühlbaren Vakuumreaktor und einem darin schnell umlaufenden Mischwerk zur Erzeugung heftiger Reibung der Teile des Reaktorinhalts sowie mit vakuumdichten Zufuhr- und Entnahmeorganen, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorkörper (19) mit Mischwerk (26) isoliert aufgestellt sowie über eine mittels eines Schalters (27) zu unterbrechende Erdungsleitung (25) geerdet ist, und daß der Deckel (20) des Reaktors (10) an einen stufenlos regelbaren Hochspannungsgenerator (24) angeschlossen ist, wobei Deckel (20) und Reaktorkörper (19) des Reaktors (10) gegeneinander durch eine Schicht (21) aus nicht leitendem Material elektrisch isoliert sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß im Reaktor (10) ein Temperaturfühler (28) und ein Ladungsmesser (29) angebracht sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Reaktor (10) ein kühlbarer Zwischenbehälter (15) und diesem wiederum ein mit einer Umwälzeinrichtung (44, 45, 46) versehener Kühlreaktor (17) nachgeordnet sind, wobei Zwischenbehälter (15) und Kühlreaktor (17) jeweils an eine Vakuumpumpe (36) angeschlossen sind, und daß der Kühlreaktor (17) über eine Leitung (18) mit dem Reaktor (10) verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorkörper (40) des Kühlreaktors (17) in seinem Inneren mit einer Schicht (42) aus nicht leitendem Material versehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlreaktor (17) ein mehrfaches Volumen, vorzugsweise das vierfache Volumen, des Reaktors (10) aufweist.

14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, mit einem kühlbaren Vakuumbehälter und einem darin schnell umlaufenden Mischwerk sowie mit vakuumdichten Zufuhr- und Entnuhmeorganen, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vakuumbehälter (49) an eine Vakuumpumpe (52) angeschlossene Aufladungsreaktoren (50, 51) vorgeschaltet sind, deren aus leitendem Material bestehende Reaktorkörper (54) innenseitig mit einer Schicht (56) aus elektrisch isolierendem Material ausgekleidet und gegen den jeweiligen Reaktordeckel (55) elektrisch isoliert sind, und daß ein aus einem leitenden Kern (58) und einer elektrisch isolierenden Ummantelung bestehender Rührwerkszylinder (57) bis ungefähr zur Hälfte des Reaktorkörpers (54) von oben in diesen eintaucht, wobei die Außenwand (60) des Reaktorkörpers (54) sowie der leitende Kern (58) des Rührwerkszylinders (57) an einen stufenlos regelbaren Hochspannungsgenerator (61) angeschlossen sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der leitende Kern (58) des Rührwerkszylinders (57) mit einem Rührwerk (59) verbunden ist, welches als ein mehrarmiges elektrisch leitendes Gitter (59a,) ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflächen des Gitters (59a,) um einen Winkel von ungefähr dreißig Grad zur Längssenkrechtachse der Rührwerkswelle angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gitterfläche des Gitters (59a) mit zur Rührwerkswelle gerichteten, in Drehrichtung des Gitters weisenden und senkrecht zur Gitterfläche abstehenden Spitzen aus elektrisch leitendem Material versehen ist.