DE2436874C3

DE2436874C3 - Verfahren zur Herstellung von Drähten und Profilen aus verstärkten Kunststoffen

Info

Publication number: DE2436874C3
Application number: DE2436874A
Authority: DE
Inventors: Gerhard 6701 Altrip Grimm; Karl Heinz Dipl.-Ing. Dr. 6715 Lambsheim Scholl
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1974-07-31
Filing date: 1974-07-31
Publication date: 1980-03-06
Also published as: JPS5137967A; GB1506445A; DE2436874B2; DE2436874A1; BE831820A; FR2280497A1; NL7509043A; LU73090A1; FR2280497B3

Description

Verfahren der Kaltverfestigung und Kaltverformung haben bislang auf dem Gebiet der Kunststoffverarbeitung noch keine Bedeutung erlangt, während solche J5 Verfahren bei der Metallverarbeitung eine überragende Rolle spielen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Drähten und Profilen auf der Basis von thermoplastischen Kunststoffen zu entwickeln, die durch Kaltverformung zu hochwertigen Formkörpern, beispielsweise zu Schrauben, weiterverarbeitet werden können.

Als wichtigste Verfahren der Kaltverformung sind das Kaltstauchen, Ziehen und Fließpressen zu betrach- 4^r> ten oder Kombination aus den genannten Verfahren. Die herausragenden Merkmale der Verfahren sind deren hohe Wirtschaftlichkeit bei optimaler Materialausnutzung.

Die Anforderungen, die die Verfahren der Kaltverfor- w mung an die Qualität des umzufordernden Werkstoffs stellen, sind unter anderem:

1. Grundsätzliche Verformbarkeit,

2. hohe Maßtoleranzen in bezug auf den Querschnitt des Halbzeugs und über dessen Länge, "

3. Verformbarkeit auch bei hohen Umformgeschwindigkeiten,

4. geringe Rückdeformation nach erfolgter Verformung,

5. Formtreue des durch Verformung hergestellten ^b0 Fertigteils.

Von den genannten Kriterien erfüllen die für eine Kaltverformung in Frage kommenden Kunststoffe allenfalls Punkt I.

Die fehlenden Voraussetzungen zur Erfüllung der Punkte 2 bis 5 sind letztlich die Ursache dafür, daß die Verfahren der Kaltverformung in der Kunststoffverar-

beitung kaum Eingang gefunden haben.

Bekanntlich lassen sich unverstärkte Thermoplaste zwar durch Kaltverformung verarbeiten, die Fertigteile sind jedoch nicht formbeständig. Mit üblichen verstärkenden Füllstoffen, wie Glasfasern, versehene Thermoplaste erleiden bei der Kaltverformung Gefügezerstörungen.

Die GB-PS 6 73 367 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von platten- oder streifenförmigen Materialien aus verstärkten Kunststoffen, bei dem der Kunststoff mit der Verstärkung dienenden faserförmigen Teilchen vermischt und das Gemisch extrudiert wird, wobei die Teilchen in Extrusionsrichtung ausgerichtet werden. Die verstärkenden Fasern bestehen vorzugsweise aus Asbest Die Fasern werden mit einem flüssigen Material, das als »Schmiermittel« wirkt, imprägniert Für dieses Material kommen u. a. solche Kunststoffe in Frage, die abgebunden oder gehärtet werden können, beispielsweise teilweise pplymerisierte Harze, wie Phenol-Kondensationsprodukte.

In der GB-PS 8 44 939 ist ein plastisches Material beschrieben, das auch aus thermoplastischem Kunststoff bestehen kann, der mit Fäden oder Fasern aus Gußmetall vermischt ist, die parallel zueinander angeordnet sein können. Als Metall für die Fäden oder Fasern kann u. a. Aluminium verwendet werden und unter der Vielzahl der als verwendbar angegebenen Kunststoffe sind auch Polyamide und Polyäthylen genannt. Das plastische Material nach dieser Druckschrift wird in Form von Folien und Platten hergestellt und vor allem zu Laminaten verarbeitet.

Die GB-PS 9 26 566 betrifft vor allem das Herstellen von flächigen Gebilden, d. h. von Folien und Bändern, und zwar von solchen großer Festigkeit. Sie werden unter anderem vor allem aus Polytetrafluorethylen hergestellt, das mit Glas- oder Asbestfasern verstärkt sein kann. Es ist beschrieben, daß die Festigkeit der flächigen Gebilde durch Verstrecken erhöht werden kann. Dieses Verstrecken erfolgt in zwei Richtungen und soll nach den Angaben der Druckschrift nur bei Polytetrafluorethylen, nicht aber bei Polyamiden und Polyäthylen wirksam sein. Schließlich ist bekannt, daß bei Polyamid-Folien und -Fasern die Festigkeit durch Recken erhöht werden kann. Dieses Recken wird im allgemeinen oberhalb der Einfriertemperatur vorgenommen und hat eine Molekülorientierung zur Folge, die durch Wärmebehandlung wieder rückgängig gemacht werden kann.

Es wurde nun gefunden, daß mit Aluminiumnadeln verstärkte Thermoplaste in hervorragender Weise für die Herstellung von kaltverfestigten Drähten und Profilen geeignet sind. Derartige Drähte und Profile können dann nach üblichen, für die Metallverarbeitung gebräuchlichen Kaltverformungsverfahren zu hochwertigen Formkörpern, wie Schrauben, weiterverarbeitet werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Drähten und Profilen aus verstärkten Kunststoffen, bei dem der Kunststoff mit der Verstärkung dienenden faserförmigen Teilchen vermischt und das Gemisch zu einem Profil extrudiert wird, in dem die Teilchen in Längsrichtung des Profils axial ausgerichtet sind, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Polyamid oder Polyäthylen in der Schmelze mit 5 bis 40 Gew.-% (bezogen auf die Mischung) Aluminium-Nadeln verarbeitet wird, und daß die extrudierten Drähte oder Profile auf Temperaturen unterhalb von 6O⁰C abgekühlt und anschließend durch Verstrecken in

Längsrichtung in ihrer Festigkeit erhöht werden.

Von besonderer Bedeutung ist das neue Verfahren für das Verarbeiten von Kunststoffen wie Polyamiden und Polyäthylen, die einen Elastizitätsmodul zwischen 100 N/mm² bis 2000 N/mm² aufweisen und eine Dichte zwischen 0,94 bis 1,50 g/cm³, insbesondere für das Verarbeiten von Nylon 6, Nylon 6,6, Nylon 6,10 und Nylon 12, sowie von Polyäthylen, das einen E-Modul von 240 N/mm² bis 300 N/mm² aufweist und eine Dichte von 0,94 bis 0,97 hat

Als Verstärkungsmittel werden Aluminiumnadeln verwendet, die eine Länge von 0,3 bis 6 mm, vorzugsweise 1 bis 6 mm, einen mittleren Durchmesser von 0,02 bis 0,1 mm und ein Verhältnis Länge zu mittlerem Durchmesser zwischen 3 und 100, vorzugsweise zwischen 40 und 80 aufweisen. Man verwendet die Aluminiumnadeln in einer Menge von 5 bis 40 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gemisch, vorteilhaft in einer Menge von 10 bis 30 Gewicntsprozent Mit besonderem Vorteil werden Aluminiumnadeln verwendet, die weitgehend frei von Oxidschichten sind. Zweckmäßig behandelt man daher handelsübliche Aluminiumnadeln mit Säuren, beispielsweise etwa 20%iger Salzsäure, um die Oxidschicht zu entfernen.

Der thermoplastische Kunststoff wird in der Schmelze mit den Aluminiumnadeln vermischt Hierzu bedient man sich zweckmäßig eines üblichen Extruders, dessen Schnecke so gewählt wird, daß während des Aufschmelz- und Mischgangs die Form der Aluminiumnadel weitestgehend erhalten bleibt In der Regel verwendet man eine flach geschnittene Schnecke, die in der Einzugszone (Aufschmelzzone) eine Gangtiefe von 1,2-bis 1,5fachen der Länge der Aluminiumnadeln aufweist.

Bei der anschließenden Extrusion zu einem Draht oder Profil sollen zur Erzielung der vorteilhaften Eigenschaften die Aluminiumnadeln weitgehend axial ausgerichtet werden. Zu diesem Zweck wählt man zweckmäßig eine Schnecke, die in der Austragszone eine Gangtiefe aufweist, die kleiner ist als die Länge und größer ist als die Dicke der Aluminiumnadeln. Beispielsweise wählt man eine Gangtiefe vom 0,4- bis 0,8fachen der Länge der Aluminiumnadeln.

Die Schneckenspitze bildet zusammen mit dem Extruderflanschgehäuse einen konischen Ringspalt, dessen engste Stelle größer ist als der mittlere Durchmesser der zugemischten Aluminiumnadeln, jedoch kleiner als deren Länge.

Nach dem Konus öffnet sich der Kanal zur Austragsdüse, deren Formgebung durch die Anforde-

Tabelle 1

10

15

20 rungen an das herzustellende Halbzeug bestimmt ist Um einen störungsfreien Extrusionsdblauf zu gewährleisten, empfiehlt es sich, im Übergang vom konischen Ringspalt zur Düse eine Drosselstelle einzubauen.

Die aus dem Extruder austretende plastische Formmasse wird einer Kühlstrecke zugeführt Zur Vermeidung von Mikrolunkern, die sich um die eingelagerten Aluminiumnadeln in den thermoplastischen Fonnmassen bilden können, ist es zweckmäßig, diese Kühlstrecke in mehrere getrennt temperierbare Zonen aufzuteilen. Die Temperatur der ersten Temperierzone sollte ca. 20° unterhalb des Kristallitschmelzpunktes der verwendeten thermoplastischen Formmasse liegen. Die Temperaturen der folgenden Kühlzonen sollen so gewählt werden, daß das extrudierte Halbzeug der Volumenkontraktion beim Abkühlen folgen kann. Am Austritt der Kühlstrecke soll das Halbzeug auf Temperaturen unterhalb von 60° C abgekühlt sein. Bei diesen Temperaturen läßt sich das extrudierte Halbzeug durch Kaltumformung weiterverarbeiten.

Bei der Drahtherstellung auf Basis von Nylon 6 wählt man beispielsweise in der ersten Temperierzone eine Temperatur von etwa 160° bis 180° C; der Draht wird dann auf etwa 80 bis 100° C gekühlt (zweite Temperierzone) und soll schließlich auf etwa 40 bis 60° C abgekühlt werden (dritte Temperierzone).

Zum Zweck der Verfestigung wird anschließend der extrudierte Draht bzw. das extrudierte Profil durch Verstrecken kaltverformt Vorteilhaft führt man den jo Verstreckungsvorgang nach der für das Ziehen von Metalldrähten üblichen Weise durch, indem man beispielsweise in einer Ziehdüse den Draht auf das 2- bis lOfache der Länge, entsprechend dem 0,5- bis 0,1 fachen Querschnitt verstreckt. Unter Verfestigen ist eine Erhöhung der Festigkeit des Drahtes bzw. Profils zu verstehen.

Für den Fall einer Drahtherstellung ist die Ziehdüse konzentrisch ausgelegt mit einem konischen Einlaufspalt. Der Konus liegt zweckmäßigerweise zwischen 30 und 90 Winkelgraden. Die Umfangszone der Düse ist zylindrisch mit einer Kantenlänge des Zylinders von 0,1-bis 0,4mal Drahtdurchmesser. Hinter der Umformzone öffnet sich die Düse konisch mit ca. 3 bis 10 Winkelgraden. Der Durchmesser der Umformzone wird bestimmt von der Höhe des gewünschten Reduktionsgrades bzw. von der Höhe der gewünschten Verfestigung. Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, sind schon bei mittleren Längsformänderungen erhebliche Verfestigungen zu erzielen.

35

40

Längsformänderung (%)

5 10

20

30

35

Nylon 6 + 15 Gew.-% Alu-Nadeln Zugfestigkeit (kp/mm²) Bruchdehnung (%)	6,2 5	6,3 4,2	6,5 3,8	6,8 3,1	7,4 2,8	9,2 2,5
Längsrückformänderung (%) 8 Std. nach Verformung	0,3	0,7	1	1,3	1,6	1,9
Nylon 6 ungefüllt Zugfestigkeit (kp/mm²) Bruchdehnung (%)	6 32	6,5 45	6,8 52	7,9 57	9,7 60	10,2 61
Längsrückformänderung (%) 8 Std. nach Verformung	0,8	1,4	2	2,6	3,2	3,8

11,5
2,3

10,5
63

Die für das Ziehen erforderlichen Zugkräfte werden von einer geeigneten Abzugseinrichtung aufgebracht.

Zur Stabilisierung der aufgebrachten Verfestigung ist es zweckmäßig, das umgeformte Halbzeug unter Spannung durch eine Temperstrecke zu führen. Man ordnet hierzu die Temperstrecke zweckmäßigerweise zwischen Umformmatrize und Abzugsvorrichtung an. Dies hat den Vorteil, daß weiterer erhöhter apparativer Aufwand vermieden werden kann. Eine Zusammenstellung des Verfahrensablaufs ist in der Figur gezeigt. Hierin bedeuten

A = Extruder,
Tabelle 2

B = konischer Ringspalt,

C = Drossel,

D = Werkzeugdüse,

E = Kühlring,

F = Kühlstrecke,

G = Ziehdüse für Kaltverformung,

H = Temperierstrecke,

/ = Wickler bzw. Profilabzug.

Die vorteilhaften Eigenschaften der Drähte bzw Profile gemäß dieser Erfindung ergeben sich aus dei nachstehenden Eigenschaftstabelle

Nylon 6	Nylon 6 mit	Nylon 6 mit 15 Gew.-%
unverstärkt	15 Gew.-%	Alu-Nadeln durch
	Alu-Nadeln	Verstrecken um etwa 50%
		in einer Ziehdüse kaltver
		festigt

Zugfestigkeit a_B 5,8

(Kp/mm^T)

Reißdehnung ε 120%

Elastizitätsmodul E 185

(Kp/mm²)

Relaxation 5,8%

(Längsrückformänderung)

beim Stauchversuch mit

50% Längsformänderung 7,3

5%
284

2,5%

16

1,8% 345

1,4%

Kaltverfestigte Drähte bzw. Profile gemäß der Dehnung bis auf 60% erhöhen. Das Kaltwalzen dei Erfindung zeigen zudem die überraschende Eigenschaft, 35 Drahts bzw. des Profils kann nicht nur nach, sonderr

daß sich durch Kaltwalzen ihre Duktilität verändern läßt. So läßt sich bei einem kaltverfestigten Draht, dessen Dehnung bei 1,8% liegt, durch Kaltwalzen die auch vor dem Kaltverfestigen durch Verstrecken ir einer Ziehdüse erfolgen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Drähten oder Profilen aus verstärkten Kunststoffen, bei dem der Kunststoff mit der Verstärkung dienenden faserförmigen Teilchen vermischt und das Gemisch zu einem Profil extrudiert wird, in dem die Teilchen in Längsrichtung des Profils axial ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Polyamid oder Polyäthylen in der Schmelze mit 5 bis 40 Gew.-% (bezogen auf die Mischung) Aluminium-Nadeln verarbeitet wird, und daß die extrudierten Drähte oder Profile auf Temperaturen unterhalb von 60° C abgekühlt und anschließend durch Verstrecken in Längsrichtung in ihrer Festigkeit erhöht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man vor oder nach dem Verfestigen durch Verstrecken den Draht bzw. das Profil einer Kaltwalzung unterwirft.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Polyamid-6 als Kunststoff verarbeitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminium-Nadeln eine Länge von 0,3 bis 6 mm, einen mittleren Durchmesser von 0 002 bis 0,1 mm und ein Verhältnis Länge zu mittlerem Durchmesser zwischen 3 und 100 aufweisen.

JO