DE102022128814A1 - Ready Mix für die Erzeugung mikroporöser Strukturen - Google Patents

Abstract

Es wird eine einfach handhabbare Fertigmischung einer Polymerzubereitung, insbesondere zur Herstellung poröser oder mikroporöser Strukturen vorgestellt, umfassend ein Polymersubstrat und ein Diluent, wobei die Bestandteile der Polymerzubereitung in einem Auslieferungszustand der Fertigmischung so ineinandergreifen, dass sie miteinander untrennbar verbunden sind.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Fertigmischung sowie dessen Verwendung zur Herstellung von mikroporösen Strukturen bzw. Elementen, die mikroporöse Strukturen aufweisen.
• Hintergrund und allgemeine Beschreibung der Erfindung
• Mikroporöse Polymermembranen können in vielen Trennprozessen eingesetzt werden. Beispielsweise bei der Herstellung von Milchpulver zur Aufkonzentrierung von Molkeprotein vor der Sprühtrocknung, in der Biotechnologie zur Abtrennung von Zellen und Zellbruchstücken aus Fermentationsbrühen, zur Keimabtrennung bei der Trinkwasseraufbereitung oder zur Reinigung von Prozessmedien in technischen Prozessen.
• Es gibt bereits etablierte Verfahren zur Herstellung von Polymermembranen. Beim NIPS-Verfahren (Non solvent Induced Phase Separation) wird beispielsweise ein Polymer in einem organischen Lösemittel gelöst, auf einem Vlies als dünne Schicht aufgebracht oder als Hohlfaden oder dünnes Rohr gesponnen. Im Kontakt mit einem Nichtlösemittel, häufig Wasser, fällt das Polymer als mikroporöse Struktur aus. Im Gegensatz dazu erfolgt beim TIPS-Verfahren (Thermal Induced Phase Separation) die Fällung durch Temperaturabsenkung der Polymerlösung. Das Polymer ist bei erhöhter Temperatur, z.B. 200°C, vollständig gelöst. Die Löslichkeit des Polymers im Lösemittel/Diluent ist bei niedrigeren Temperaturen, z.B. 160°C stark reduziert, so dass es bei der Abkühlung zur Phasenseparation, bei Erreichen des Trübungspunktes, mit der Ausbildung mikroporöser Strukturen kommt. Die porösen Bereiche sind dabei miteinander verbunden.
• Beispielsweise zeigt die Patentschrift DE 2 833 493 C3 die Herstellung mikroporöser Hohlfäden nach dem TIPS-Verfahren. Dabei wird aufgeschmolzenes Polymer mit einem flüssigen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch in einem Dynamikmischer im weiterhin flüssigem Zustand gemischt. Eine Dosierpumpe fördert das Gemisch zu einer Extrusionsdüse, mittels welcher ein Hohlfaden oder ein dünnes Rohr formbar ist. Diesem Ansatz sind mehrere Aspekte nachteilig. So ist das Mischungsverhältnis zwischen Polymer und Lösungsmittel manuell einzustellen und unterliegt insbesondere auch Abweichungen der jeweiligen Pumpen. Diese Pumpenabweichungen addieren sich typischerweise zu einem Förderfehler, so dass das fertige Produkt relativ großen Schwankungen hinsichtlich der Porenanzahl, Porengröße und Porenzusammensetzung aufweisen kann, denn bei der Ausprägung mikroporöser Strukturen können bereits kleine Abweichungen bei der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials erhebliche Veränderungen nach sich ziehen. Exakte Spezifizierungen der Filterleistung sind damit nicht möglich. Diese Abweichungen treten besonders stark hervor, wenn nur kleine Fördermengen gefragt sind, denn die Größe der Pumpenfehler ist in absoluter Größe stets bezogen auf die maximale Fördermenge, so dass der Relativfehler bei kleineren Fördermengen überdurchschnittlich ansteigt.
• Ein weiterer Nachteil der in DE 2 833 493 C3 gezeigten Lösung betrifft die Komplexität der Anlage, die - auch aufgrund der regelmäßig abweichenden Fördermengen der Pumpen - zu deren Betrieb ein hohes Maß an Verfahrens-Know-How bedarf, so dass eine solche Anlage nur von wenigen geschulten Mitarbeitern betrieben werden kann und stete Beobachtung und Nachführung der Prozessparameter bedarf.
• Es sind andererseits Filamente auf der Basis von Polypropylen (PP) im Handel erhältlich, das mit Polyvinylalkohol (PVA) versetzt ist. Die beiden Polymere bilden auch im geschmolzenen Zustand keine homogene Lösung und bilden eine Art Emulsion. Im erstarrten Zustand bei Raumtemperatur liegt diese Zubereitung als Compound oder Polymerblend vor. Mit einem geeigneten 3D-Drucker lassen sich nach dem FDM-Verfahren Rohrabschnitte drucken. Die wasserlöslichen Anteile aus PVA lassen sich mit heißem Wasser extrahieren. Dabei ist zu beobachten, dass die Rohrabschnitte in der axialen Richtung (z-Achse, senkrecht zur Druckerebene) unter der Extraktion bis zu 20 % expandieren. Dieses Verhalten kann bei komplexen Bauteilen, die z.B. aus zwei Materialen bestehen, zu Problemen wie Verzug bzw. Bruch des Bauteils führen. In Kombination mit reinem PP, das bei Kontakt mit heißem Wasser praktisch nicht expandiert, können sich Bauteilbereiche aus diesen beiden Materialien ungewollt voneinander lösen. In der Folge sind diese Bauteile meist unbrauchbar.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann also darin gesehen werden, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit welchen eine verbesserte oder veränderte Herstellung von Bauteilen bzw. Objekten mit porösen bzw. mikroporösen Bereichen ermöglicht ist.
• In einem Teilaspekt bzw. Weiterbildung der Erfindung kann als Aspekt der Aufgabe angesehen werden, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, bei welchen die vorgenannten Nachteile berücksichtigt oder ausgeräumt sind.
• So kann in noch einem weiteren Teilaspekt bzw. Weiterbildung der Erfindung die Aufgabe gestellt sein, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchen eine Konstanz der Bauteileigenschaften hinsichtlich der Filterleistung bzw. der Porengrößen erreicht werden kann. In einem weiteren Teilaspekt kann die vorliegende Erfindung das Problem lösen, dass es ggf. nicht mehr notwendig ist, die Anlage unter ständiger Überwachung von geschultem Fachpersonal zu bedienen. In noch einem weiteren Teilaspekt kann die Erfindung das Problem lösen, unter geringem Aufwand bzw. kostengünstig(er) zu sein als bekannte Anlagen, so dass sich Vorteile auch hierdurch ergeben.
• Das Problem wird gelöst durch die in den unabhängigen Ansprüchen definierte Erfindung. Abhängige Ansprüche geben Weiterbildungen und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
• Zur Lösung eines der, mehrerer oder aller vorgestellten Aspekte der Aufgabe wird eine einfach handhabbare Fertigmischung einer Polymerzubereitung vorgeschlagen, insbesondere zur Herstellung poröser oder mikroporöser Strukturen. Die Fertigmischung umfasst ein Polymersubstrat und einen Diluenten. Der Diluent ist beispielsweise vorgesehen als Lösemittel oder Verdünnungsmittel. In einem Auslieferungszustand der Fertigmischung sind die Bestandteile der Polymerzubereitung so bereitgestellt, dass diese ineinandergreifen, so dass sie miteinander untrennbar verbunden sind. Beispielsweise wird die Fertigmischung so bereitgestellt, dass in vergleichsweise großer Charge flüssiges Polymersubstrat mit flüssigem Diluent gemischt und eine homogene Lösung hervorgerufen wird. Die homogene Lösung kann dann erkaltet werden, so dass ohne Aufseparation aus der Lösung eine homogene feste Masse in einem Reservoir bereitstellbar ist. Diese erkaltete feste Masse kann dann in einer gewünschten Form verkleinert werden, beispielsweise granuliert. Es kann die homogene feste Masse auch beispielsweise als Filament bereitgestellt werden.
• Die Polymerzubereitung der Fertigmischung liegt insgesamt in dem Auslieferungszustand besonders vorteilhaft im festen Zustand vor. Somit ist eine einfache Handhabung gewährleistet, sie kann transportiert und für die spätere Verarbeitung in handlichen Portionsgrößen für eine Fertigungsanlage bereitgestellt werden. Somit steht für die Fertigungsanlage ein vorgemischtes Produkt zur Verfügung. Da die Fertigmischung vorgemischt und somit als einkomponentige Basis direkt für die Herstellung einsetzbar ist, ohne dass zunächst in der Fertigungsanlage eine Vormischung stattfinden muss, können in der Fertigungsanlage die entsprechenden Prozessschritte des getrennten Aufheizens, Regelns und Einstellens der entsprechenden Pumpen und Fördereinrichtungen sowie die entsprechenden Einrichtungen entfallen. Auch das zugehörige Prozess-Know-How ist dann vom Anwender der Fertigungsanlage nicht mehr vorzuhalten. Vielmehr kann die Fertigmischung der Fertigungsanlage zugeführt werden und der Anwender kann sich darauf verlassen, dass die gewünschten Fertigungstoleranzen eingehalten werden können.
• Beispielsweise ist das Polymersubstrat in der Fertigmischung bereits so eingestellt, dass darin poröse oder mikroporöse Bereiche ausgebildet sind, die mit diluentreicher Phase gefüllt sind. Dies verbessert die „Verzahnung“ des Polymersubstrats mit dem Diluenten zu einem stabilen - auch mechanischen - Verbund, der erst mit dem Überführen der Fertigmischung in eine Lösung aufgehoben wird. Dabei ist die aus der Fertigmischung erhaltene Lösung stets unmittelbar homogen ausgebildet, da sich der Diluent zwischen dem Polymersubstrat befindet und beim Aufschmelzen direkt in die Lösung eingeht. Eine aufwändige Mischung der Lösung kann daher ggf. auch entfallen.
• Die Polymerzubereitung kann so eingestellt sein, dass sie bei Raumtemperatur, insbesondere im Bereich unter 50 °C, bevorzugt im Bereich bis 75 °C oder weniger, weiter bevorzugt im Bereich bis 100 °C oder weniger, im festen Zustand vorliegt. Die Polymerzubereitung kann ferner so eingestellt sein, dass sie bei erhöhter Temperatur eine, insbesondere homogene, Lösung ausbildet, wobei die erhöhte Temperatur insbesondere 70 °C oder mehr beträgt, weiter bevorzugt 90 °C oder mehr, noch weiter bevorzugt 120 °c oder mehr.
• Die porösen oder mikroporösen Bereiche der Polymerzubereitung in der Fertigmischung weisen eine mittlere Porengröße auf. Die mittlere Porengröße der porösen oder mikroporösen Bereiche liegt bevorzugt bei 5 µm oder kleiner, weiter bevorzugt 1 um oder kleiner, noch weiter bevorzugt 0,5 µm oder kleiner.
• Das Polymersubstrat und/oder die Polymerzubereitung der Fertigmischung ist bevorzugt hydrophob eingerichtet und/oder derart, dass Wasser nur in geringfügiger Menge einlagert. Beispielsweise ist die Verbindung mit Polypropylen und Polyvinylidenfluorid hydrophob eingestellt. Polyethersulfon mit ε-Caprolactam ist hingegen per se typischerweise hydrophil eingestellt und wird typischerweise mit Wasser extrahiert. Wie beobachtet werden konnte ist die Wassereinlagerung dennoch nur gering und resultiert nur in einer geringen Ausdehnung des Bauteils.
• Ferner kann das Polymersubstrat und/oder die Polymerzubereitung der Fertigmischung so eingestellt sein, dass eine Überführung der fertig platzierten Fertigmischung in ein Endprodukt eine Quellung der Polymerzubereitung in zumindest eine Richtung, bevorzugt in allen Richtungen, von insbesondere höchstens 10 % der Ursprungsgröße oder weniger hervorruft, bevorzugt 5 % oder weniger, weiter bevorzugt 3 % oder weniger. Hierdurch können Spannungen und ggf. damit einhergehende Risse während der Herstellung vermieden werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Diluent nach dem Aushärten des Produkts ausgewaschen wird. Dabei kann der Diluent ggf. zunächst das Auswaschmittel in geringem Maße aufnehmen. Es ist allerdings nicht erwünscht, dass der Diluent in großem Maße das Auswaschmittel aufnimmt, da dies zu einer enormen Längenänderung bzw. Quellung in eine oder mehrere Richtungen führen kann. Dies kann durch das Vorhalten der erfindungsgemäßen Fertigmischung für den jeweiligen Prozess abgestimmt ideal verhindert werden, da die Quellung auch von dem exakten Mischungsverhältnis zwischen Polymersubstrat und Diluent abhängig sein kann.
• Ein Trocknen eines aus der aus der Fertigmischung hergestellten Gegenstands kann ferner eine Schrumpfung des Gegenstands bewirken, welche insbesondere höchstens 10 % der Ursprungsgröße oder weniger beträgt, bevorzugt 5 % oder weniger, weiter bevorzugt 3 % oder weniger. Beispielsweise kann die Schrumpfung eine ähnliche Größenordnung aufweisen wie die zuvor beschriebene Quellung des Gegenstands, so dass der aus der Fertigmischung hergestellte Gegenstand in etwa dasselbe Materialvolumen bzw. Körpervolumen aufweist wie die in der Fertigmischung bereitgestellte Polymerzubereitung und Volumen- oder Längenänderungen im gesamten Herstellungsprozess kleiner sind als höchstens 10 % oder weniger bemessen am Materialvolumen, bevorzugt 5 % oder weniger, weiter bevorzugt 3 % oder weniger.
• Die Polymerzubereitung kann ferner ein organisches oder anorganisches Additiv umfassen.
• Das Polymersubstrat kann Polypropylen, Polyethersulfon oder Polyvinylidenfluorid, oder eine Mischung daraus umfassen, wobei die Aufzählung nicht abschließend ist. Der Diluent kann Sojaöl, Rizinusöl, Carnaubawachs, ε-Caprolactam, oder eine Mischung daraus umfassen, wobei die Aufzählung nicht abschließend ist.
• Die Polymerzubereitung kann Polypropylen als Polymersubstrat in einem Massenanteil von zumindest 20 m%, bevorzugt zumindest 35 m%, weiter bevorzugt zumindest 50 m%, und/oder von bis zu 40 m%, bevorzugt von bis zu 55 m%, weiter bevorzugt von bis zu 65 m% umfassen. Die Polymerzubereitung kann alternativ oder kumulativ Polyethersulfon in einem Massenanteil von zumindest 10 m%, bevorzugt zumindest 20 m%, weiter bevorzugt zumindest 30 m%, und/oder von bis zu 25 m%, bevorzugt von bis zu 35 m%, weiter bevorzugt von bis zu 45 m% umfassen. Die Polymerzubereitung kann alternativ oder kumulativ Polyvinylidenfluorid in einem Massenanteil von zumindest 15 m%, bevorzugt zumindest 25 m%, weiter bevorzugt zumindest 35 m%, und/oder von bis zu 30 m%, bevorzugt von bis zu 40 m%, weiter bevorzugt von bis zu 50 m% umfassen.
• Der Diluent kann eine Mischung aus Sojaöl mit Rizinusöl in einem Massenanteil von zumindest 50 m%, bevorzugt zumindest 65 m%, weiter bevorzugt zumindest 80 m%, und/oder von bis zu 85 m%, bevorzugt von bis zu 70 m%, weiter bevorzugt von bis zu 55 m% umfassen. Der Diluent kann alternativ oder kumulativ Carnaubawachs in einem Massenanteil von zumindest 50 m%, bevorzugt zumindest 65 m%, weiter bevorzugt zumindest 80 m%, und/oder von bis zu 85 m%, bevorzugt von bis zu 70 m%, weiter bevorzugt von bis zu 55 m% umfassen. Der Diluent kann alternativ oder kumulativ ε-Caprolactam als Diluent in einem Massenanteil von zumindest 65 m%, bevorzugt zumindest 80 m%, weiter bevorzugt zumindest 90 m%, und/oder von bis zu 95 m%, bevorzugt von bis zu 85 m%, weiter bevorzugt von bis zu 75 m% umfassen.
• Die vorliegende Beschreibung deckt auch das Bereitstellen der wie vorstehend beschriebenen Fertigmischung in einer der folgenden vorteilhaften Formen ab. Beispielsweise kann die Fertigmischung als Granulat, Pulver, Flocken, Filament, Schmelzpatrone, einer Kartusche oder zur Verwendung in einem Fassschmelzer bereitgestellt sein. Mit anderen Worten erlaubt die Bereitstellung der vorgemischten Fertigmischung insbesondere in festem Phasenzustand eine Vielzahl an Bereitstellungsformen, die jeweils angepasst werden kann an eine besonders gut geeignete oder besonders kostengünstig realisierbare Form. Beispielhaft sei die Form des Fassschmelzers herausgegriffen, bei welchem das feste Produkt sogar im Zubereitungstopf aus der Zubereitung der Fertigmischung belassen sein kann, es kann unmittelbar dort erstarrt sein. Die Fertigmischung wird sodann mittels einer von oben in das Fass eingetauchten Heizeinrichtung portionsweise bzw. scheibenweise von der Heizeinrichtung aufgeschmolzen und der Fertigungsanlage zugeführt. Dabei ist sogar lediglich nur die Menge an Fertigmischung aufzuschmelzen, oder nur ein geringfügig überschießender Teil davon, der für die tatsächliche Fertigung benötigt wird. Der Rest verbleibt in fester Phase in dem Fass, so dass dies auch besonders energiesparend ist.
• Die vorliegende Beschreibung deckt auch ein Verfahren zum Herstellen einer einfach handhabbaren Fertigmischung einer Polymerzubereitung ab. Das Verfahren umfasst die Schritte Mischen eines Polymersubstrats mit einem Diluenten zur Bereitstellung einer Polymer-Diluent-Mischung, Aufheizen der Polymer-Diluent-Mischung auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Diluenten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt die Schmelztemperatur des Diluenten niedriger als die Schmelztemperatur des reinen Polymersubstrats, wobei der Diluent geeignet ist, das Polymersubstrat bei seiner Schmelztemperatur, oder zumindest unterhalb der Schmelztemperatur des Polymersubstrats, aufzuschmelzen. Dies ermöglicht weitere Energieeinsparungen bereits bei der Herstellung der Fertigmischung, da eine Aufheizung lediglich auf die Schmelztemperatur erforderlich ist. Selbstverständlich deckt die vorliegende Beschreibung allerdings auch das Aufheizen der Polymer-Diluent-Mischung auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Polymersubstrats ab.
• Das Verfahren weist ferner das Lösenlassen der Polymer-Diluent-Mischung zur Bereitstellung einer homogen gelösten Polymerzubereitung auf. Typischerweise bedeutet dies, dass die Polymer-Diluent-Mischung erhitzt wird auf eine Temperatur höher als die Schmelztemperatur des Diluenten und/oder des Polymersubstrats.
• Das Abkühlen der Polymerzubereitung unterhalb einer Erstarrungstemperatur erfolgt bevorzugt im Anschluss, also wenn die homogene Lösung eingestellt ist, so dass die homogene Lösung erstarrt.
• Hernach kann die erstarrte Polymerzubereitung portioniert werden, beispielsweise mittels Granulieren, oder indem daraus ein Pulver gemahlen wird, oder indem Flocken geflockt werden, indem das Filament aufgerollt und in handhabbaren Größen vereinzelt wird, indem die jeweilige Schmelzpatrone fertiggestellt wird, oder auch indem eine Kartusche verschlossen oder anderweitig fertig gestellt wird. Bei der Verwendung für einen Fassschmelzer erfolgt die Portionierung beispielsweise bereits mit oder vor dem Mischen bzw. dem Lösenlassen, da hier bereits in dem Fass die vorbereitete Mischung voreingestellt werden kann und eine handhabbare Menge in dem Fass eingelassen wird.
• Die vorliegende Beschreibung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer Fertigmischung umfassend die Schritte Bereitstellen einer Fertigmischung, insbesondere wie sie zuvor beschrieben worden ist, das Aufheizen jedenfalls einer Portion der Fertigmischung auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Diluenten und/oder der Fertigmischung und somit Bereitstellen einer homogen gelösten Polymerzubereitung, die Extraktion der homogen gelösten Polymerzubereitung und dabei Aufbau des Bauteils, insbesondere in monolithischer Bauweise, weiter insbesondere mittels additiver Fertigung.
• Bei dem Aufbau des Bauteils bis zu dessen Fertigstellung kann eine fremdstoffbewirkte Volumen- oder Längenänderung von höchstens 10 % der Ursprungsgröße, bevorzugt von höchstens 5 % oder weniger, weiter bevorzugt von 3 % oder weniger eingestellt sein.
• Die vorliegende Beschreibung umfasst ferner auch eine Anlage zur Herstellung von Bauteilen aus einer Fertigmischung, insbesondere wie vorstehend beschrieben oder unter Anwendung eines der vorstehend beschriebenen Verfahren, umfassend ein Fertigmischungsreservoir zur einfachen Bereitstellung der festförmigen Fertigmischung, eine Aufheizeinrichtung zum Aufheizen jedenfalls einer Portion der Fertigmischung oberhalb der Schmelztemperatur des Diluenten. Die Anlage umfasst ferner eine Platziereinrichtung zum Aufbau des Bauteils. Beispielsweise kann dies ein Extruder sein, oder auch eine Filamenttransporteinrichtung.
• Die Fertigmischung kann in der Anlage als Granulat und/oder als Schmelzkartusche bereitgestellt sein. Das Fertigmischungsreservoir kann als ein Fass bereitgestellt sein. Die Aufheizeinrichtung kann hergerichtet sein in das Fertigmischungsreservoir als Fassschmelzer einzutauchen. Es kann auch die Fertigmischung als Filament bereitgestellt sein und die Aufheizeinrichtung als Durchlaufschmelzer bereitgestellt sein.
• Die vorliegende Beschreibung deckt auch ein Bauteil ab, welches hergestellt ist aus der zuvor beschriebenen Fertigmischung und/oder gemäß einem der zuvor beschriebenen Verfahren und/oder mit der zuvor beschriebenen Anlage.
• Die hier gezeigte Erfindung vermag also die Bereitstellung einer fertigen Mischung (Zubereitung) aus Polymer(en) und Diluent(en), die bei Raumtemperatur in fester Form vorliegen und damit einfach zu handhaben sind.
• Die Zubereitungen können in verschiedenen Formen hergestellt werden, wobei die Folgenden besonders interessant erscheinen:
• ◯ Granulat
• ◯ Pulver
• ◯ Flocken
• ◯ Schmelzpatrone
• ◯ Schmelzkartusche für Fassschmelzer
• ◯ Filament
• Denn in diesen Formen sind die Materialien mit derzeit verfügbaren Technologien gut zu verarbeiten. Es genügt beispielsweise ein einfacher Extruder, oder Fassschmelzer, um durch geeignete Extrusionswerkzeuge Hohlfäden oder Flachmembranen herzustellen. Es entfällt die aufwändige Herstellung der Mischung aus mindestens zwei Bestandteilen. Das An- und Abfahren der Extrusionsanlage ist dadurch ebenfalls stark vereinfacht. Die Bereitstellung als Filament oder Granulat macht die leichte Verwendung in der Additiven Fertigung erst möglich. In allen Fällen ist die Extraktion der Diluentphase einfach und mit minimaler Quellung verbunden, da die Diluentsysteme aus überwiegend niedermolekularen Komponenten bestehen. Die entstehende mikroporöse Struktur besteht aus miteinander verbundenen Poren.
• Bei den in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Zubereitungen handelt es sich um homogene Lösungen bei Temperaturen, bei denen die Mischung flüssig vorliegt. Die Komponenten der Fertigmischung bilden also keine Emulsion bzw. einen Blend aus, sondern mischen homogen und vollständig. Hierdurch lassen sich kleinere Poren herstellen. Auch die Quellung während der Extraktion fällt mit weniger als typischerweise 3% erheblich kleiner aus als bei dem eingangs beschriebenen Polymerblend aus PP/PVA. Weiterhin tritt keine anisotrope Quellung, oder gar Unterschiede in verschiedenen Richtungen auf bzw. liegen bei 3% oder kleiner, während der Extraktion /Quellungsverhältnis. Hierbei spielt auch das niedrigere Molekulargewicht der mit der vorliegenden Beschreibung verwendeten Diluenten in die Karten.
• Konkrete Beispiele für verwendbare, getestete und sehr brauchbar befunden Stoffsysteme umfassen erstens eine Mischung mit Polypropylen (Polymersubstrat) und Sojaöl/Rizinusöl (Diluent), typisch im Verhältnis 35% Polypropylen und 65 % Sojaöl/Rizinusöl. In einem zweiten Beispiel kann dies umfassen Polypropylen (Polymersubstrat) mit Carnaubawachs (Diluent) mit typisch 35 % Polypropylen und 65 % Carnaubawachs. In einem dritten Beispiel kann dies umfassen Polyethersulfon mit ε-Caprolactam mit typisch 20% PES und 80 % ε-Caprolactam. In einem vierten Beispiel kann dies umfassen Polyvinylidenfluorid mit ε-Caprolactam mit typisch 25 % PVDF und 75 % ε-Caprolactam. Der guten Ordnung halber sei ergänzt, dass der Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird, dass die in diesem Absatz beschriebenen konkreten Beispiele nicht auf die jeweilige konkrete Zahl beschränkt ist, sondern Abweichungen in der Zusammensetzung möglich sind und von der vorliegenden Beschreibung mit umfasst sind. An anderer Stelle dieser Beschreibung sind Beispiele für Unter- und Obergrenzen von Stoffzusammensetzungen aufgeführt, die auch auf diesen Absatz übertragbar sind.
• Ein weiterer Vorteil ist die höhere Genauigkeit der Zusammensetzung beziehungsweise die verbesserte Reproduzierbarkeit von Mischungsergebnissen. So ergibt sich die Diluentmenge nicht als Differenz von verschiedenen Fördermengen beispielsweise einer Schmelzepumpe und einer Dosierpumpe. Diese Fehler können vor allem bei kleinen Dosiermengen zu unerwünschten Abweichungen bei der Zusammensetzung der Polymer-Diluent-Mischung führen. Bei der Ausprägung mikroporöser Strukturen, können schon kleinen Abweichungen bei der Zusammensetzung der Mischung erhebliche Veränderungen der mikroporösen Struktur nach sich ziehen. Bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist die Herstellung der Polymer-Diluent-Mischung zeitlich und räumlich von der Dosierung beziehungsweise dem Auftrag der geschmolzenen Mischung getrennt. Das erlaubt die optimale Einstellung der Mischungsverhältnisse ohne Rücksicht auf einen nachfolgenden Extrusions- oder Spinnprozess nehmen zu müssen.
• Kurzbeschreibung der Figuren
• Es zeigt:
• 1 Einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Verarbeitung der Fertigmischung,
• 2 ein schematisches Verfahrensdiagramm zeigend die Herstellung der Fertigmischung, deren anschließende Verwendung und das Herstellen eines Bauteils aus der Fertigmischung.
• Detaillierte Beschreibung der Erfindung
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
• Die 1 zeigt ein Beispiel einer Spinnanlage 1 für die erfindungsgemäße Herstellung eines Objekts 20. Aus einem Vorratsbehälter 12 wird eine erfindungsgemäße Zubereitung bzw. Fertigmischung 30, z.B. auf Polypropylenbasis, hier als Granulat 32, einem Extruder 14 zugeführt und dort aufgeschmolzen. Im Extruder 14 kann eine Förderschnecke 15 angeordnet sein, die beispielsweise die Heizeinrichtung 17 umfasst, so dass eine inline-Heizung gebildet ist. Alternativ oder kumulativ kann der Extruder 14 auch außenseits bzw. an seinen Außenwänden eine Heizeinrichtung 17a aufweisen. In noch einer weiteren Alternative, der Vollständigkeit halber, kann die Fertigmischung 30 auch im Vorratsbehälter 12 aufgeheizt werden und dem Extruder 14 flüssig zugeführt werden. Spätestens im Extruder 14 bildet sich somit aus der Fertigmischung 30 eine Lösung aus. Diese Lösung fördert eine Dosierpumpe 16 zu einer Extrusionsdüse 18, die so hergerichtet ist, einen Hohlfaden oder ein dünnes Rohr 20 zu formen. Ein über einen Durchflussmesser 22 kontrolliert zugeführtes Stützfluid, hier N₂, verhindert ein Kollabieren des extrudierten Hohlfadens oder Röhrchens 20. Durch Abkühlung erfolgt die Entmischung (Phasenseparation) in der Wandung des extrudierten Hohlfadens oder Röhrchens 20.
• 2 zeigt einen schematischen Verfahrensüberblick über einen Verfahrensablauf. Zunächst werden das Polymersubstrat 102 und der Diluent 104 zusammengeführt zur Bildung einer Polymer-Diluent-Mischung 105. Wärmeenergie 106 wird der Polymer-Diluent-Mischung 105 zugeführt, beispielsweise mittels einer Heizeinrichtung, und die Polymer-Diluent-Mischung 105 allmählich einem Aufschmelzschritt 107 zugeführt. Alternativ kann auch das Polymersubstrat 102 getrennt vom Diluenten 104 aufgeschmolzen werden und beide Komponenten in flüssiger Form gemischt werden. Es kann allerdings Vorteile haben, die Polymer-Diluent-Mischung 105 aufzuschmelzen, beispielsweise wenn sich für die Mischung insgesamt ein niedrigerer Schmelzpunkt ausbildet. Dies kann der Fall sein, wenn der Diluent 104 niedrigschmelzender ausgebildet ist als das Polymersubstrat 102 und der aufgeschmolzene Diluent 104 das Polymersubstrat 102 bereits bei niedrigerer Temperatur zu lösen vermag als die Schmelztemperatur des Polymersubstrats 102.
• Mit Schritt 110 ist eine homogene Lösung aus der Polymer-Diluent-Mischung als Fertigmischung gebildet. Diese kann nun bereits in flüssiger Form portioniert werden, oder aber, beispielsweise im Falle der späteren Verwendung im Fassschmelzer, direkt zunächst erkaltet werden. Hierfür wird Wärmeenergie im Schritt 108 entzogen. Der Wärmekreislauf kann beispielsweise mittels Wärmetauschern und einem Rückführungsschritt 109 geschlossen werden, so dass insgesamt wenig Wärmeenergie bei der Herstellung benötigt wird. Schließlich bildet sich die Fertigmischung in fester Phase in Schritt 112 aus und kann in einem Portionierungsschritt 115 in eine versandfertige Fertigmischung 120 überführt werden. Die versandfertige Fertigmischung 120 liegt in einer sehr einfach zu handhabenden Form vor, kann verschickt werden, verfüllt etc. Im Besonderen ist die Fertigmischung 120 jedenfalls über eine gesamte Charge gleichmäßig verteilt und homogenisiert, aber auch durch den Produktionsprozess sehr gleichmäßig verteilbar, so dass der spätere Anwender nicht erst Polymersubstrat 102 und Diluent 104 einzeln in seiner Anlage dosieren muss und entsprechende Dosierfehler berücksichtigen muss.
• Vielmehr kann der Anwender mit Schritt 125 die Fertigmischung 120 in seine Anlage Einfüllen, mit Schritt 130 Aufheizen bzw. Aufschmelzen und mit Schritt 135 ein entsprechendes Bauteil bzw. Objekt 20 extrudieren beziehungsweise additiv herstellen. Anschließend wird das Bauteil 20 noch im Schritt 140 getrocknet. Insgesamt sind für die Bauteilherstellung somit erheblich geringere Prozesskenntnisse nötig, so dass die Herstellung nun einem wesentlich breiteren Anwenderkreis zur Verfügung steht.
• Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind. In allen Figuren stellen gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände dar, so dass Beschreibungen von Gegenständen, die gegebenenfalls nur in einer oder jedenfalls nicht hinsichtlich aller Figuren erwähnt sind, auch auf diese Figuren und Ausführungsbeispiele übertragen werden können, hinsichtlich welchem der Gegenstand in der Beschreibung nicht explizit beschrieben ist.
• Bezugszeichenliste

1

Spinnanlage

12

Vorratsbehälter

14

Extruder

15

Förderschnecke bzw. Fördereinrichtung

16

Dosierpumpe

17, 17a

Heizeinrichtung

18

Extrusionsdüse

20

Hohlfaden, dünnes Rohr, Objekt

22

Durchflussmesser

30

Fertigmischung

32

Granulat

100

Verfahren

102

Polymersubstrat

104

Diluent

105

Polymer-Diluent-Mischung

106

Zufuhr von Wärmeenergie

107

Aufschmelzschritt

108

Entzug von Wärmeenergie

109

Rückführungsschritt

110

homogene Lösung aus Fertigmischung

115

Portionieren

120

Fertigmischung, versandfertig bzw. für das Einfüllen in eine Anlage

125

Einfüllen

130

Aufschmelzen der Fertigmischung

135

Herstellung eines Bauteils (z.B. Extrusion, Additive Fertigung)

140

Trocknung des Bauteils

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 2833493 C3 [0004, 0005]

Claims (16)

1. Einfach handhabbare Fertigmischung (30, 120) einer Polymerzubereitung, insbesondere zur Herstellung poröser oder mikroporöser Strukturen (20) oder eines Bauteils (20), umfassend ein Polymersubstrat (102); und ein Diluent (104), wobei die Bestandteile der Polymerzubereitung in einem Auslieferungszustand der Fertigmischung so ineinandergreifen, dass sie miteinander untrennbar verbunden sind.
2. Fertigmischung (30, 120) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Polymerzubereitung in dem Auslieferungszustand im festen Zustand vorliegt, und/oder wobei im Polymersubstrat (102) poröse oder mikroporöse Bereiche ausgebildet sind, die mit diluentreicher Phase gefüllt sind.
3. Fertigmischung (30, 120) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Polymerzubereitung bei Raumtemperatur, insbesondere im Bereich unter 50 °C, bevorzugt im Bereich bis 75 °C oder weniger, weiter bevorzugt im Bereich bis 100 °C oder weniger, im festen Zustand vorliegt, und/oder wobei die Polymerzubereitung bei erhöhter Temperatur eine, insbesondere homogene, Lösung ausbildet, wobei die erhöhte Temperatur insbesondere 70 °C oder mehr beträgt, weiter bevorzugt 90 °C oder mehr, noch weiter bevorzugt 120 °c oder mehr.
4. Fertigmischung (30, 120) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, die porösen oder mikroporösen Bereiche aufweisend eine mittlere Porengröße, wobei die mittlere Porengröße der porösen oder mikroporösen Bereiche bevorzugt 5 um oder kleiner ist, weiter bevorzugt 1 um oder kleiner, noch weiter bevorzugt 0,5 µm oder kleiner.
5. Fertigmischung (30, 120) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymersubstrat (102) und/oder die Polymerzubereitung hydrophob eingerichtet ist und/oder Wasser nur geringfügig einlagert, und/oder dass eine Überführung der fertig platzierten Fertigmischung in ein Endprodukt (20) eine Quellung der Polymerzubereitung in zumindest eine Richtung, bevorzugt in allen Richtungen, von insbesondere höchstens 10 % der Ursprungsgröße oder weniger hervorruft, bevorzugt 5 % oder weniger, weiter bevorzugt 3 % oder weniger.
6. Fertigmischung (30, 120) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trocknen (140) eines aus der aus der Fertigmischung hergestellten Bauteils (20) eine Schrumpfung bewirkt, welche insbesondere höchstens 10 % der Ursprungsgröße oder weniger beträgt, bevorzugt 5 % oder weniger, weiter bevorzugt 3 % oder weniger, und/oder wobei die Schrumpfung ähnlich groß ist wie die Quellung nach dem vorstehenden Anspruch, so dass das aus der Fertigmischung hergestellte Bauteil in etwa dasselbe Materialvolumen aufweist wie die in der Fertigmischung bereitgestellte Polymerzubereitung und Volumen- oder Längenänderungen im gesamten Herstellungsprozess kleiner sind als höchstens 10 % oder weniger bemessen am Materialvolumen, bevorzugt 5 % oder weniger, weiter bevorzugt 3 % oder weniger.
7. Fertigmischung (30, 120) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die Polymerzubereitung ferner umfassend ein organisches oder anorganisches Additiv.
8. Fertigmischung (30, 120) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das Polymersubstrat (102) umfassend Polypropylen, Polyethersulfon oder Polyvinylidenfluorid, oder eine Mischung daraus, und/oder der Diluent (104) umfassend Sojaöl, Rizinusöl, Carnaubawachs, ε-Caprolactam, oder eine Mischung daraus.
9. Fertigmischung (30, 120) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die Polymerzubereitung umfassend - Polypropylen als Polymersubstrat (102) in einem Massenanteil von zumindest 20 m%, bevorzugt zumindest 35 m%, weiter bevorzugt zumindest 50 m%, und/oder von bis zu 40 m%, bevorzugt von bis zu 55 m%, weiter bevorzugt von bis zu 65 m%, und/oder - Polyethersulfon als Polymersubstrat (102) in einem Massenanteil von zumindest 10 m%, bevorzugt zumindest 20 m%, weiter bevorzugt zumindest 30 m%, und/oder von bis zu 25 m%, bevorzugt von bis zu 35 m%, weiter bevorzugt von bis zu 45 m%, und/oder - Polyvinylidenfluorid als Polymersubstrat (102) in einem Massenanteil von zumindest 15 m%, bevorzugt zumindest 25 m%, weiter bevorzugt zumindest 35 m%, und/oder von bis zu 30 m%, bevorzugt von bis zu 40 m%, weiter bevorzugt von bis zu 50 m%, und/oder - eine Mischung aus Sojaöl mit Rizinusöl als Diluent (104) in einem Massenanteil von zumindest 50 m%, bevorzugt zumindest 65 m%, weiter bevorzugt zumindest 80 m%, und/oder von bis zu 85 m%, bevorzugt von bis zu 70 m%, weiter bevorzugt von bis zu 55 m%, und/oder - Carnaubawachs als Diluent (104) in einem Massenanteil von zumindest 50 m%, bevorzugt zumindest 65 m%, weiter bevorzugt zumindest 80 m%, und/oder von bis zu 85 m%, bevorzugt von bis zu 70 m%, weiter bevorzugt von bis zu 55 m%, und/oder - ε-Caprolactam als Diluent (104) in einem Massenanteil von zumindest 65 m%, bevorzugt zumindest 80 m%, weiter bevorzugt zumindest 90 m%, und/oder von bis zu 95 m%, bevorzugt von bis zu 85 m%, weiter bevorzugt von bis zu 75 m%.
10. Bereitstellen der Fertigmischung (30, 120) nach einem der vorstehenden Ansprüche in einer der folgenden Formen: als Granulat (32), Pulver, Flocken, Filament, Schmelzpatrone, einer Kartusche oder zur Verwendung in einem Fassschmelzer.
11. Verfahren (100) zum Herstellen einer einfach handhabbaren Fertigmischung (30, 120) einer Polymerzubereitung, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend die Schritte Mischen eines Polymersubstrats (102) mit einem Diluenten (104) zur Bereitstellung einer Polymer-Diluent-Mischung (105), Aufheizen (106) der Polymer-Diluent-Mischung auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Diluenten, Lösenlassen (107) der Polymer-Diluent-Mischung zur Bereitstellung einer homogen gelösten Polymerzubereitung (110), Abkühlen (108) der Polymerzubereitung unterhalb einer Erstarrungstemperatur, Portionieren (115) der erstarrten Polymerzubereitung, beispielsweise mittels Granulieren.
12. Verfahren (100) zur Herstellung eines Bauteils (20) aus einer Fertigmischung (30, 120) umfassend die Schritte Bereitstellen einer Fertigmischung, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, Aufheizen (130) jedenfalls einer Portion der Fertigmischung auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Diluenten und/oder der Fertigmischung und somit Bereitstellen einer homogen gelösten Polymerzubereitung, Aufbau (135) des Bauteils, insbesondere mittels Extraktion der homogen gelösten Polymerzubereitung, insbesondere in monolithischer Bauweise, weiter insbesondere mittels additiver Fertigung.
13. Verfahren (100) zur Herstellung nach dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet dadurch, dass bei dem Aufbau des Bauteils (20) bis zu dessen Fertigstellung eine fremdstoffbewirkte Volumen- oder Längenänderung von höchstens 10 % der Ursprungsgröße, bevorzugt von höchstens 5 % oder weniger, weiter bevorzugt von 3 % oder weniger bewirkt.
14. Anlage (1) zur Herstellung von Bauteilen (20) aus einer Fertigmischung (30, 120), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche oder unter Anwendung eines der vorstehenden Verfahren (100), umfassend ein Fertigmischungsreservoir (12) zur einfachen Bereitstellung der festförmigen Fertigmischung (30, 32), eine Aufheizeinrichtung (17, 17a) zum Aufheizen jedenfalls einer Portion der Fertigmischung oberhalb der Schmelztemperatur des Diluenten, sowie eine Platziereinrichtung (18) wie einen Extruder zum Aufbau des Bauteils (20) .
15. Anlage (1) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Fertigmischung (30, 120) als Granulat (32) und/oder als Schmelzkartusche bereitgestellt ist, und/oder wobei das Fertigmischungsreservoir (12) als ein Fass bereitgestellt ist, und wobei die Aufheizeinrichtung (17, 17a) hergerichtet ist in das Fertigmischungsreservoir als Fassschmelzer einzutauchen, oder wobei die Fertigmischung als Filament bereitgestellt ist und die Aufheizeinrichtung als Durchlaufschmelzer bereitgestellt ist.
16. Bauteil (20) hergestellt aus der Fertigmischung (30, 120) und/oder gemäß einem Verfahren (100) und/oder mit der Anlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.

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