PL172334B1 - Sposób wytwarzania ksztaltek ze sproszkowanego ultrawielkoczasteczkowego polietylenu PL PL - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania ksztaltek ze sproszkowanego ultrawielkoczasteczkowego polietylenu, znamienny tym, ze polimer ogrzewa sie w luzno zamknietej przez stempel formie, w prasie, bezcisnieniowo albo pod cisnieniem do 0,5 MPa do temperatury 160 do 280 C i nastepnie pod cisnieniem 4 do 20 MPa oziebia sie do temperatury pokojowej. PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kształtek ze sproszkowanego ultrawielkocząsteczkowego polietylenu (PE-UHMW).

Pod pojęciem ultrawielkocząsteczkowy polietylen rozumie się otrzymany w procesie niskociśnieniowym liniowy polietylen o mierzonych wiskosymetrycznie średnich masach molowych wynoszących co najmniej 1xl0⁶ g/mol w szczególności 2,5x10⁶ g/mol do więcej niż 1x10⁷ g/mol. Sposób zastosowany do oznaczenia wyżej wymienionych mas molowych jest opisany np. w CZ-Chemische Technik 4 (1974), 129 i następne.

PE-UHMW zajmuje wśród polietylenów szczególne miejsce. Odznacza się on szeregiem parametrów fizycznych, co otwiera mu różnorodne możliwości zastosowania. Podkreślić należy jego wysoką odporność na ścieranie, bardzo niski współczynnik tarcia w porównaniu z innymi tworzywami i jego doskonałą ciągliwość. Ponadto jest on niepospolicie odporny wobec licznych chemikaliów.

Ze względu na swe korzystne właściwości mechaniczne, termiczne i chemiczne znalazł PE-UHMW zastosowanie w najróżniejszych dziedzinach jako wysokogatunkowe tworzywo specjalne. Przykłady stanowią przemysł włókienniczy, budowa maszyn, przemysł chemiczny i górnictwo.

Różnorodne możliwości zastosowania ultrawielkocząsteczkowego polietylenu mają jednak granice, które polegają na trudnościach przy jego obróbce. W przeciwieństwie do małocząsteczkowych typów polietylenu wielkocząsteczkowe produkty z powodu ich skrajnie wysokiej lepkości w stanie stopionym dają się mianowicie przerabiać tylko przez prasy i wytłaczarki ślimakowe lub taranowe. Przeróbka przez prasowanie i wytłaczanie dostarcza w wielu przypadkach tylko półwyroby, z których muszą być wykonywane potrzebne kształtki przez obróbkę skrawaniem.

Sposób wytwarzania przedmiotów stałych z PE-UHMW jest opisany w opisie patentowym dE-A-24 25 396. Wychodzi się przy tym ze sproszkowanego materiału wsadowego, którego cząstki mają średnią wielkość cząstek mniej niż 100 urn przy funkcji rozdziału (którą można wyznaczyć z przeliczenia cząstek przy liczbie przedziałów wielkości cząstek) mniej niż 0,8. Proszek sprasowuje się pod ciśnieniem, co najmniej 140 kg/cm² w temperaturze poniżej krystalicznej temperatury krzepnięcia polietylenu na stałą tabletkę.

Po obniżeniu ciśnienia spieka się tabletkę w temperaturze powyżej krystalicznej temperatury krzepnięcia. Ponieważ ultrawielkocząsteczkowy polietylen z procesu

172 334 polimeryzacji zawiera zwykle cząstki o wielkości powyżej 100 μ m, potrzebne jest przy tym sposobie pracy rozdrobnienie materiału wyjściowego za pomocą odpowiednich środków. np. przez mielenie. Dodatkowa wada znanego sposobu postępowania polega na tym, że kształtki nie są przeplastyfikowane jednorodnie. Mogą one dlatego rozszerzać się podczas procesu spiekania w zależności od zastosowanej temperatury. To zjawisko należy przypisać temu, że pastylka jest spiekana poza formą prasowniczą. Wskutek tego właściwości fizyczne nie są odtwarzalne i silnie się rozpraszają. Poza tym nie jest zapewnione rygorystyczne zachowywanie wymiarów kształtek.

Inny sposób wytwarzania kształtek ze sproszkowanych poliolefin o masach cząsteczkowych wynoszących co najmniej 1 milion g/mol jest przedmiotem wynalazku DE-C-26 34 537. Sproszkowane polimery przeprowadza się do zamkniętej luźno za pomocą stempla formy w temperaturze 150 do 250°C, korzystnie 190 do 210°C w stan o elastyczności gumy. Bezpośrednio potem zagęszcza się w formie pod ciśnieniem od 2,5 do 25 N/mm² w pierwszym etapie co najmniej 2 minuty, potem pod ciśnieniem od 40 do 100 N/mm2 w drugim etapie co najmniej 1 minutę i pozostawia potem kształtkę w formie do oziębienia bezciśnieniowo. Ten sposób przyjął się dobrze w praktyce, umożliwia on jednak jedynie wytwarzanie kształtek o prostej geometrii.

Istniało dlatego zadanie dostarczenia sposobu, który umożliwia wykonanie kształtek również o złożonej postaci ze sproszkowanego ultrawielkocząsteczkowego polietylenu, bez obciążenia wadami i granicami znanych sposobów. W szczególności musi on spełnić wymaganie dostarczenia produktów, które są całkowicie jednorodne i mają bez wyjątku jednakowe właściwości fizyczne.

Wynalazek rozwiązuje wyżej opisane zadanie przez opracowanie sposobu wytwarzania kształtek ze sproszkowanego ultrawielkocząsteczkowego polietylenu. Polega on na tym, że polimer ogrzewa się w zamkniętej luźno przez stempel formie w prasie bezciśnieniowo albo pod ciśnieniem do 0,5 MPa do temperatury 160 do 280°C i następnie pod ciśnieniem 4 do 20 MPa oziębia się do temperatury pokojowej.

Korzystnie ultrawielkocząsteczkowy polietylen ogrzewa się do temperatury 220°C do 250°C, przy czym korzystnie ogrzewanie przeprowadza się w atmosferze gazu obojętnego. Oziębianie polimeru przeprowadza się korzystnie w prasie pod ciśnieniem 8 do 14 MPa.

Nowy sposób pozwala na wytwarzanie kształtek o różnej, a także wymaganej geometrii z PE-UHMW. Kształtki odznaczają się wysoką jednorodnością i dokładnością wymiarową.

Jako środki wsadowe nadają się wszystkie rodzaje sproszkowanego ultrawielkocząsteczkowego polietylenu, niezależnie od jego wytwarzania. Stosownie do tego można przerabiać polimery, które otrzymano według procesu Zieglcr'a przez polimeryzację etylenu w obecności metali przejściowych 4-ej do 6-ej grupy układu okresowego pierwiastków razem ze związkami metaloorganicznymi pierwiastków 1-ej do 3-ej grupy układu okresowego pierwiastków. Tak samo można jednak również stosować ultrawielkocząsteczkowy polietylen, którego wytwarzanie przeprowadzono z bezwodnego i nie zawierającego tlenu etylenu, w fazie gazowej w obecności tlenku chromu i katalizatorów na nośniku, zawierających metaloalkil. Szczególnie godne uwagi jest to, że mogą być stosowane polimery o wielkości cząstek otrzymanej przy syntezie.

Przeciętna wielkość cząstek wynosi, w zależności od procesu polimeryzacji, około 100 do 400 μm, może być jednak również mniejsza albo większa.

Sposób według wynalazku można zrealizować w prosty sposób.

Przykład: Sproszkowanym polimerem napełnia się dowolnie ukształtowaną formę, która jest luźno zamknięta za pomocą pasującego jednak nie nałożonego hermetycznie (w sposób nie przepuszczający powietrza) stempla. W tym etapie procesu stempel wywiera na proszek tylko nieznaczne ciśnienie (ciśnienie kontaktowe), które wynosi do 0,5 MPa.

172 334

Następnie proszek znajdujący się w formie ogrzewa się do temperatury 160 do 280°C, korzystnie 220 do 250°C. Ten proces może następować bezpośrednio w prasie, przy czym dopływ ciepła zachodzi od dolnej i górnej powierzchni prasowania. Można jednak również stosować formę ogrzewaną. Wreszcie możliwe jest ogrzewanie w oddzielnym urządzeniu, np. w piecu elektrycznym. Z powodu złego przewodzenia ciepła tworzy się w zasypie proszku gradient temperatury z tym skutkiem, że temperatura maleje od warstw brzegowych do wnętrza formy. Aby uniknąć niejednorodności w gotowym produkcie prasowania, należy uważać na to, aby we wszystkich częściach zasypu proszku występowały temperatury w obrębie wyżej wymienionych zakresów. Przegrzewań, również ograniczonych miejscowo, należy unikać, aby materiał nie został uszkodzony termicznie. Utleniającemu uszkodzeniu ogrzewanego PE-UHMW można przeciwdziałać przez utrzymywania atmosfery gazu obojętnego, np. azotu. Czas trwania ogrzewania jest zależny od objętości proszku i od geometrii kształtki. Przez ogrzewanie ultrawielkocząsteczkowy polietylen, który nie ma właściwej temperatury topnienia lecz zakres mięknienia krystalitu (około 130 do 135°C), przechodzi w stan lepkosprężysty. Ciężar luźno nałożonego stempla formy prowadzi do nieznacznego sprężania zasypu proszku, jak również do znacznego odgazowania tłoczywa.

Skoro tylko temperatura obróbki wynosząca 160 do 280°C, w szczególności 220 do 250°C jest osiągnięta, polimer znajdujący się w formie poddaje się działaniu ciśnienia do 20 MPa, korzystnie 8 do 14 MPa. Przewidziane do stosowania ciśnienie jest w szczególności zależne od przeznaczonej do przeróbki ilości polimeru i geometrii kształtki. Wyższe ciśnienia należy stosować przy dużych ilościach polimeru i formach, które składają się z zakresów o różniących się silnie od siebie grubościach ściany. Temperaturę obróbki utrzymuje się dotąd aż stempel w formie przy niezmiennym ciśnieniu zajął swoje położenie końcowe. Ten proces jest ogólnie biorąc zakończony w ciągu 1 do min. Przy utrzymywaniu ciśnienia oziębia się teraz kształtkę do temperatury pokojowej. Oziębianie można przeprowadzić przez wymianę ciepła z otaczającą atmosferą, można je przyspieszyć przez zastosowanie środków chłodzących w górnej i dolnej płycie do prasowania albo w formie. Czas trwania oziębiania zależy od wielkości kształtki i od rodzaju wymiary ciepła.

W każdej fazie procesu przed oziębianiem pod ciśnieniem możliwe jest dodatkowe napełnianie do formy sproszkowanego PE-UHMW, jeśli potrzebna do wytwarzania żądanej kształtki ilość materiału musi być uzupełniona w trakcie procesu. Należy przy tym' uwzględniać to, że objętość nasypowa proszku polietylenu jest około 2 do 2,5 razy większa, niż objętość wytworzonej z niego kształtki. Oczywiście nowodoprowadzony proszek należy poddać tej samej obróbce termicznej i ciśnieniowej jak zastosowany pierwotnie. Bardziej celowe jest jednak umieszczenie przed formą komory, z której można dozować dodatkowo w sposób ciągły proszek polimeru w tej mierze, w jakiej jest on potrzebny do wypełnienia formy, i drogę przesuwu tak wymierzyć, aby proszek dał się sprężać w jednej operacji. Oziębiona bryła jest całkowicie uplastyczniona i pozbawiona jam usadowych; może być bez trudu wyjęta z formy.

Sposób według wynalazku umożliwia wytwarzanie zachowujących wymiary kształtek z ultrawielkocząsteczkowego polietylenu przez prasowanie. Materiałochłonna, następcza obróbka skrawaniem nie jest potrzebna. Obróbka ciśnieniowa plastyfikowanych kształtek wymaga tylko niewiele czasu, tak że można wykorzystać w wysokiej mierze zdolność wytwórczą prasowania. Ponadto obróbka ciśnieniowa może następować po nagrzewaniu w temperaturze pokojowej, przebiega ona zatem z niewielkim nakładem energii. Nowa metoda pracy zapewnia wysoką szybkość zmian wypychania przez zastosowanie pras wielokrotnych albo używanie automatycznych procesów przeróbki. Nadaje się ona do produkcji kształtek o dowolnej postaci. Tak można wytwarzać skomplikowanie uformowane części maszyn jak obudowy pomp, koła wirnikowe pomp i elementy zamykające, np. do aparatury chemicznej o wysokiej jakości. Można jednak produkować również

172 334 płyty z PE-UHMW o grubości około 10 mm i mniej, które dotychczas można było otrzymać tylko przez rozcinanie bloków poliolefinowych.

172 334

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania kształtek ze sproszkowanego ultrawielkocząsteczkowego polietylenu, znamienny tym, że polimer ogrzewa się w luźno zamkniętej przez stempel formie, w prasie, bezciśnieniowo albo pod ciśnieniem do 0,5 MPa do temperatury 160 do 280°C i następnie pod ciśnieniem 4 do 20 MPa oziębia się do temperatury pokojowej.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ultrawielkocząsteczkowy polietylen ogrzewa się do temperatury 220 do 250°C.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że ogrzewanie przeprowadza się w atmosferze gazu obojętnego.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że oziębianie polimeru przeprowadza się w prasie pod ciśnieniem 8 do 14 MPa.