AT508685B1 - COMPOSITE MATERIAL AND A METHOD OF MANUFACTURING THEREOF - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff und ein Verfahren zu dessen Herstellung, wobei der Verbundwerkstoff auf der Basis von ultrahochmolekularem Polyethylen beruht und für auf Verschleiß beanspruchte Werkzeuge bzw. Werkzeugteile für die landwirtschaftliche Bodenbearbeitung vorgesehen ist.Neben ultrahochmolekularem Polyethylen enthält der Verbundwerkstoff auch Mikroorganismen und/oder Stoffe, die beim Sintern eines Kunststoffpulvers in welchem Mikroorganismen beigemischt sind, aus den beigemischten Mikroorganismen entstehen.The invention relates to a composite material and a method for its production, wherein the composite based on ultra high molecular weight polyethylene and is provided for wear-stressed tools or tool parts for agricultural tillage. In addition to ultra-high molecular weight polyethylene, the composite material also contains microorganisms and / or substances , which are formed during the sintering of a plastic powder in which microorganisms from the admixed microorganisms.

Description

österreichisches Patentamt AT508 685B1 2013-03-15Austrian Patent Office AT508 685B1 2013-03-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff ist besonders vorteilhaft als Material für auf Verschleiß beanspruchte Werkzeuge und Gegenstände anwendbar.Description: The invention relates to a composite material and to a method for the production thereof. The composite material according to the invention is particularly advantageously applicable as a material for tools and articles subject to wear.

[0002] Es gibt eine Vielzahl von Vorschlägen dazu, Kunststoffe, mit Mitteln anzureichern, welche das Wachstum von Mikroorganismen wie Bakterien und Pilzen an der Oberfläche von Kunststoff körpern verhindern sollen. Beispiele dazu sind in den Schriften DE 2830633 A1, DE 2408192 C3, EP 606762 B1, EP 1441068 B1, DE 2931838 A1, EP 390765 B1, EP 980402 B1, EP 588020 A1, WO 200100720 A1, DE 1494347 A1, DE 19654347 C2 zu entnehmen.There are a variety of proposals to enrich plastics with agents that should prevent the growth of microorganisms such as bacteria and fungi on the surface of plastic bodies. Examples thereof are given in DE 2830633 A1, DE 2408192 C3, EP 606762 B1, EP 1441068 B1, DE 2931838 A1, EP 390765 B1, EP 980402 B1, EP 588020 A1, WO 200100720 A1, DE 1494347 A1, DE 19654347 C2 remove.

[0003] Die DE 10 2006 029 829 A1 beschreibt einen Konstruktionswerkstoff, welcher ein Verbundstoff aus einem Kunststoff und Mikroorganismen wie beispielsweise Milchsäurebakterien bzw. deren Abbauprodukten besteht. Der Konstruktionswerkstoff wird vorwiegend für die Herstellung von Rahmen für Bienenwaben eingesetzt. Die Mikroorganismen bzw. deren Abbauprodukte sollen als Biozid wirken.DE 10 2006 029 829 A1 describes a construction material, which consists of a composite of a plastic and microorganisms such as lactic acid bacteria or their degradation products. The construction material is mainly used for the production of frames for honeycombs. The microorganisms or their degradation products should act as a biocide.

[0004] Die DE 43 41 757 A1 beschreibt das Herstellen von Formkörpern aus ultrahochmolekularem Polyethylen durch Sintern.DE 43 41 757 A1 describes the production of moldings from ultra-high molecular weight polyethylene by sintering.

[0005] Die DE 43 06 593 A1 beschreibt Herstellen eines festen Verbundmaterials aus einer Massenmischung aus ultrahochmolekularem Polyethylen, Antioxidantien wie insbesondere Tocopherol und optional weiteren Zuschlagstoffen wie Glas, Graphit, Metall Gleitstoffen. Das Material eignet sich gut für Implantate.DE 43 06 593 A1 describes producing a solid composite material from a mass mixture of ultra-high molecular weight polyethylene, antioxidants such as tocopherol and optionally other additives such as glass, graphite, metal lubricants. The material is well suited for implants.

[0006] Auch die DE 60 2004 005 640 T2 befasst sich mit der Herstellung von medizinischen Implantaten aus einem Verbundmaterial, welches aus ultrahochmolekularem Polyethylen und weiteren Stoffen besteht.The DE 60 2004 005 640 T2 is concerned with the production of medical implants made of a composite material which consists of ultra-high molecular weight polyethylene and other substances.

[0007] Bei der landwirtschaftlichen Bodenbearbeitung gibt es das Bestreben, schon durch die Auswahl des Werkstoffes für jene Werkzeuge bzw. Werkzeugteile, welche mit Boden in Kontakt kommen, das Wachstum von erwünschten Mikroorganismen positiv zu stimulieren, da durch diese in weiterer Folge das Wachstum von Nutzpflanzen gefördert wird. Beispielsweise werden deshalb mancherorts Gartenhandwerkzeuge aus Kupfer solchen aus Stahl vorgezogen.In agricultural tillage, there is a desire to positively stimulate the growth of desired microorganisms already by the selection of the material for those tools or tool parts which come into contact with soil, as a result of this growth of Crops. For example, in some places gardening tools made of copper are preferred to those made of steel.

[0008] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verschleißfesten Werkstoff für auf Verschleiß beanspruchte Werkzeuge und Gegenstände bereit zu stellen, welcher an seiner Oberfläche, sowie an Teilen bzw. Substanzen die mit dieser Oberfläche in Kontakt kommen, das Gedeihen von erwünschten Mikroorganismen fördert.The object of the present invention is to provide a wear-resistant material for tools and objects subject to wear, which promotes the growth of desired microorganisms on its surface, as well as on parts or substances which come into contact with this surface.

[0009] Zum Lösen der Aufgabe wird vorgeschlagen, den Werkstoff als Verbundmaterial aus ultrahochmolekularem Polyethylen und erwünschten Mikroorganismen bzw. deren Abbauprodukten auszubilden.To solve the problem it is proposed to form the material as a composite material of ultra-high molecular weight polyethylene and desired microorganisms or their degradation products.

[0010] Ultrahochmolekulares Polyethylen (Abgekürzt PE-UHMW oder ÜHMW-PE, wobei "UHMW" für "ultra high molecular weight" steht) weist gegenüber üblichem Polyethylen sehr, sehr viel länger verkettete Moleküle auf, was in seiner hohen mittleren Molmasse von bis zu 6000 kg/mol zum Ausdruck kommt. PE-UHMW ist bekanntermaßen sehr gut verschleißbeständig. Es wird auch jetzt schon als Werkstoff für auf Verschleiß beanspruchte Werkzeuge bzw. Werkzeugteile, wie beispielsweise Pflugscharen eingesetzt. Da PE-UHMW sehr hochviskos ist, kann es nicht wie übliche Kunststoffe spritzgegossen oder extrudiert werden. Im Normalfall werden Gegenstände aus PE-UHMW gebildet, indem sie aus einem typischerweise plattenförmigen Halbzeug spanabhebend herausgearbeitet werden. Das Halbzeug wird im Normalfall durch Sintern eines feinen PE-UHMW-Pulvers mit einem mittleren Teilchendurchmesser von typischenweise 100 bis 200 pm gebildet.Ultra high molecular weight polyethylene (abbreviated PE-UHMW or ÜHMW-PE, where " UHMW " stands for " ultra high molecular weight ") has very, much longer chainlinked molecules than conventional polyethylene, resulting in its high average molecular weight of up to 6000 kg / mol is expressed. PE-UHMW is known to be very resistant to wear. It is also already used as a material for wear-stressed tools or tool parts, such as plowshares. Since PE-UHMW is very highly viscous, it can not be injection molded or extruded like conventional plastics. Normally, articles made of PE-UHMW are formed by machining them out of a typically plate-shaped semifinished product. The semifinished product is normally formed by sintering a fine PE-UHMW powder having an average particle diameter of typically 100 to 200 μm.

[0011] Gemäß der Erfindung wird nun nicht dieses Material in reiner Form verwendet, sondern als Teil eines Verbundstoffes, wobei der weitere Teil durch erwünschte Mikroorganismen bzw. deren Abbauprodukten gebildet ist. 1 /3 österreichisches Patentamt AT508 685B1 2013-03-15 [0012] Um den Verbundwerkstoff herzustellen werden dem Pulver, aus welchem ein Körper zu sintern ist, erwünschte Mikroorganismen, typischenweise Hefe, Milchsäurebakterien und Photosynthesebakterien, typischerweise in einer wässrigen Trägersubstanz, beigemengt. Im Fall dass das Beimengen in einer wässrigen Trägersubstanz erfolgte, wird das Gemenge etwa 20 Stunden bei bis zu 90 °C getrocknet.According to the invention, this material is now not used in pure form, but as part of a composite material, wherein the further part is formed by desired microorganisms or their degradation products. In order to produce the composite material, the powder from which a body is to be sintered is added with desired microorganisms, typically yeast, lactic acid bacteria and photosynthetic bacteria, typically in an aqueous vehicle. In the case where the admixing was carried out in an aqueous vehicle, the mixture is dried for about 20 hours at up to 90 ° C.

[0013] Das trockene Gemenge wird zu einem kompakten Körper gesintert, typischerweise 4 bis 10 Stunden bei einer Temperatur von maximal 250°C und einem Druck von 3,5 N/mm2.The dry batch is sintered to a compact body, typically for 4 to 10 hours at a temperature of at most 250 ° C and a pressure of 3.5 N / mm 2.

[0014] Die Mikroorganismen bzw. deren Abbauprodukte (beim Sintervorgang werden die Mikroorganismen abgetötet) verbleiben unlöslich in dem so gebildeten kompakten Material.The microorganisms or their degradation products (in the sintering process, the microorganisms are killed) remain insoluble in the compact material thus formed.

[0015] Der Anteil an Mikroorganismen bzw. wässriger Lösung, welche Mikroorganismen enthält am Kunststoffrohmaterial beträgt zwischen 0,5 Gewichtsprozent und 10 Gewichtsprozent.The proportion of microorganisms or aqueous solution containing microorganisms on the plastic raw material is between 0.5 weight percent and 10 weight percent.

[0016] Die Mikroorganismen können dem zu sinternden Granulat auch in reiner getrockneter Pulverform zugesetzt werden. Bevorzugt handelt es sich dabei um reine Mikroorganismen ohne Nährstoffzusätze wie z.B. Steinmehl oder andere Mineralien.The microorganisms can be added to the granules to be sintered in pure dried powder form. Preferably, these are pure microorganisms without nutrient additives such. Stone meal or other minerals.

[0017] Unter reinen Mikroorganismen kann man typischerweise eine Kolonie von z.B.: Photo-sysnthesebakterien, Milchsäurebakterien, Hefen, Aktinomyzeten usw. verstehen.Pure microorganisms may typically be understood to mean a colony of, for example, photosynthesis bacteria, lactic acid bacteria, yeasts, actinomycetes, and the like.

[0018] Obwohl nach dem Produktionsprozess von kompakten Körpern die eingebetteten Mikroorganismen überwiegend oder gänzlich abgetötet sind, unterstützen sie doch durch ihre Anwesenheit die Aktivitäten anderer Mikroorganismen. Mechanismen können sein: Abbau von Redoxpotential, Fördern von Fermentationen, Unterdrücken degenerativer Mikroorganismen, Nützliches Substrat für weitere Mikroorganismen.Although after the production process of compact bodies, the embedded microorganisms are mostly or completely killed, they support by their presence, the activities of other microorganisms. Mechanisms may be: reduction of redox potential, promotion of fermentations, suppression of degenerative microorganisms, useful substrate for other microorganisms.

[0019] Im Allgemeinen fördern erwünschte Mikroorganismen bzw. deren Abbauprodukte wiederum erwünschte Mikroorganismen, wenn sie in den Kunststoff eingearbeitet sind. Sie beeinflussen alleine durch den Kontakt mit der Umgebung (Wasser, Erde, Luft, ...) die dort vorhanden Mikroorganismen positiv und ermöglichen eine schnellere und bessere Entfaltung und Aktivierung.In general, desirable microorganisms or their degradation products in turn promote desirable microorganisms when incorporated into the plastic. They only influence the microorganisms present there positively through the contact with the environment (water, earth, air, ...) and allow a faster and better unfolding and activation.

[0020] Besonders vorteilhaft sind erfindungsgemäße Verbundstoffe als Material von landwirtschaftlichen Bodenbearbeitungswerkzeugen anzuwenden, welche bestimmungsgemäß mit Erde in Kontakt kommen. In Erde, welche mit diesen Werkzeugen in Kontakt kommt, wird das Wachstum von erwünschten Mikroorganismen gefördert und in weiterer Folge auch der landwirtschaftliche Ertrag aus dieser Erde. Vor allem kommt das erwünschte Pflanzenwachstum schneller in Gang. Typische Werkzeuge dazu sind Pflugscharen, Hauen, Gartenkrallen etc..., also Werkzeuge mit denen Erde umgepflügt oder gelockert wird oder welche dazu dienen Pflanzen bzw. Pflanzenteil auszugraben.Composite materials according to the invention are particularly advantageous to use as a material of agricultural tillage tools, which come into contact with earth as intended. In soil, which comes into contact with these tools, the growth of desirable microorganisms is promoted and subsequently also the agricultural yield from this earth. Above all, the desired plant growth starts faster. Typical tools for this are plowshares, hewing, garden claws etc ..., ie tools with which soil is plowed or loosened or which serve to dig out plants or plant parts.

[0021] Um die genannten Werkzeuge bzw. Werkzeugteile, wie beispielsweise Pflugscharen oder Beschichtungsplatten dafür zu bilden, werden Zuschnitte aus dem gesinterten Block Verbundmaterial bei erhöhter Temperatur (etwa 130^0) in die gewünschte Form gepresst, abgekühlt und erforderlichenfalls spanabhebend endbearbeitet.In order to form said tools or tool parts, such as plowshares or coating plates for it, blanks of the sintered block composite material at elevated temperature (about 130 ^ 0) are pressed into the desired shape, cooled and, if necessary, machined.

[0022] Erfindungsgemäße Werkstoffe sind auch vorteilhaft für Wasserleitungsarmaturen bzw. Teile davon einsetzbar. Es wurde ein vorteilhafter Effekt auf die Qualität des durchgeleiteten Wassers empfunden, wenn Wasserleitungsteile wie Düsen etc. aus erfindungsgemäß hergestellten Verbundstoffteilen bestehen.Materials according to the invention are also advantageously usable for water line fittings or parts thereof. It was felt an advantageous effect on the quality of the water passed through when water pipe parts such as nozzles, etc. consist of composite parts according to the invention.

[0023] Ebenso wird eine Verbesserung der Luftqualität empfunden, wenn Teile von Luftbehandlungsgeräten, wie von Lüftern oder Klimaanlagen aus erfindungsgemäß hergestellten Verbundstoffteilen bestehen. 2/3Likewise, an improvement in the air quality is felt when parts of air handling equipment, such as ventilators or air conditioners consist of composite parts according to the invention. 2.3