WO1995002013A2 - Polymerwerkstoff - Google Patents

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    • C08L61/28—Condensation polymers of aldehydes or ketones with only compounds containing hydrogen attached to nitrogen of aldehydes with heterocyclic compounds with melamine

Definitions

  • the invention relates to a polymer material for the manufacture of arcing chambers for low-voltage switchgear and a method for the production thereof.
  • the shutdown arc should originate, i.e. the separating contacts, quickly into the eraser, i.e. the quenching plate package, hike.
  • This arc movement is decisively influenced by the properties of the material of the switching or arcing chamber.
  • gaseous products are split off from the chamber material due to the short-term high temperature of the arc. These gases are desirable for the rapid extinguishing of the arc if they have the required chemical composition and - in the correct amount - arise per switching operation, so that excessive pressure is avoided inside the switch.
  • the object of the invention is to provide a polymer material which enables the cycle times in the manufacture of arcing chambers for low-voltage switching devices to be substantially reduced.
  • thermoplastic polymer matrix made of polyamide or polyolefin, which contains a cellulose material encased by hardened melamine-formaldehyde resin.
  • the polymer material according to the invention is a thermoplastic material, i.e. a thermoplastic compound.
  • a thermoplastic material i.e. a thermoplastic compound.
  • the advantages of this compound - compared to thermoset compounds - are improved processability. While, for example, a thermosetting material has to be kept in a 75 s cycle during injection molding, cycle times down to 3 s can be achieved with the thermoplastic compound according to the invention. However, this enables a much more economical production.
  • the thermoplastic material is at least equal to the thermoset in electrical terms, the mechanical properties are - due to a higher flexibility - even better.
  • thermoplastic compound shows better arc quenching behavior than the material used hitherto. It is also superior in terms of switching capacity, since the pressure load is much lower (reduction of the maximum pressure up to 50%).
  • thermoplastic compound preferably present in the following ratio: polymer, i.e. Polyamide or polyolefin, to melamine-formaldehyde resin / cellulose material: 6: 1 to 1: 1, preferably 2: 1; Melamine-formaldehyde resin to cellulose material: 3: 2 to 1: 2, preferably 1: 1.
  • the polymer material is produced according to the invention in such a way that cellulose material and polymer coated with melamine-formaldehyde resin are homogeneously mixed with one another at temperatures above 150 ° C.
  • the temperature depends on the processing temperature of the polymer used. They may be at the polyamide is between about 190 and 300 ° C, wherein the polyolefin it is spielmud 150 ⁇ C (polyethylene) or 200 ° C (polypropylene).
  • the problem that has arisen in the development of the polymer material according to the invention consists in the non-destructive incorporation of temperature-sensitive materials in thermoplastics.
  • the use of CeUulose in high-melting thermoplastic systems, with temperatures> 150 ° C. being necessary during the incorporation or processing, is in fact not possible because of the theroxidative sensitivity of the CeUulose.
  • the invention now solves this problem in such a way that the cellulose material is encased in situ with a protective layer which, in the case of briefly higher thermal loads, prevents oxidation or decomposition.
  • a protective layer which, in the case of briefly higher thermal loads, prevents oxidation or decomposition.
  • the CeUulose can be easily incorporated into higher melting thermoplastics, such as polyamide.
  • melamine resin for short
  • CeUulose a commercially available pre-reacted melamine-formaldehyde resin
  • the melamine resin mold hardens in the polymer melt, i.e. crosslinking takes place, thus protecting the cellulose material from a thermo-oxidative attack.
  • the resulting cellulose-filled melamine resin molding material which is homogeneously distributed in the polymer matrix, simultaneously takes on the function of a filler, which is equivalent to mechanical reinforcement.
  • Another important advantage of the invention is that there is the possibility of recycling. This applies both to waste that arises in the injection molding of arc chambers, for example in the form of sprues, and to the thermoplastic compound sprayed into molded parts as a whole. Used molded parts can namely be shredded, and the material obtained in this way can be used - directly or in combination with fresh material - to spray new arc chambers.
  • the previously used thermosetting material is not accessible for recycling because it is three-dimensionally networked. The invention will be explained in more detail using exemplary embodiments.
  • PA 6 polyamide from (f-caprolactam) is mixed in a ratio of 2: 1 with an uncrosslinked melamine resin (MF), which is filled with CeUulose in a ratio of 1: 1. This mixture is mixed into one at a temperature of 230 to 240 ° C
  • the uncrosslinked thermosetting material ie the MF / cellulose compound, is crosslinked and, at the same time, the CeUulose is encased.
  • thermoplastic compound produced in this way - composition 66.6% polyamide, 16.7% melamine-formaldehyde resin, 16.7% CeUulose - has good arc extinguishing properties and can be sprayed perfectly (cycle time: approx. 25 s).
  • the CeUulose acts both as a water reservoir for arc quenching and - together with the cross-linked melamine resin - as a filler to reinforce the polyamide.
  • Example 3 The procedure is as in Example 1, but a counter-rotating twin-screw extruder is used. The residence time (reaction time) is only 5 to 6 minutes, so that a continuous process is possible. The thermoplastic compound obtained is fully cured.
  • Example 3 The procedure is as in Example 1, but a counter-rotating twin-screw extruder is used. The residence time (reaction time) is only 5 to 6 minutes, so that a continuous process is possible. The thermoplastic compound obtained is fully cured. Example 3
  • thermoplastic compound obtained has a high continuous heat resistance.
  • PA 66 is melted in countercurrent directly after the filling zone at a temperature of 275 to 280 ° C. Immediately afterwards - in a ratio of 2: 1 - an MF / cellulose compound is introduced into the polyamide melt by means of a metering device.
  • the melamine resin which immediately crosslinks at the high temperature of approx. 280 ⁇ C, covers the CeUulose and protects it from thermal decomposition. Adequate crosslinking of the melamine resin and a homogeneous distribution in the polymer matrix are achieved during a speed-dependent residence time of 4 to 8 minutes.
  • the melt emerging from the die head of the extruder is drawn off as a strand, cooled and granulated.
  • the thermoplastic compound produced in this way is homogeneous and can be sprayed into perfect moldings at temperatures of 275 to 280 ° C.
  • thermoset waste For processing thermoset waste based on
  • Melamine resin which is filled with a wide variety of cellulose-containing materials, is in a twin-screw extruder, in the same or in the opposite direction is operated, PA 6 or PA 66 or another
  • Polyamide such as PA 12 (from ⁇ -Laurinlacta) or PA 610 (from 1,6-hexanediamine and sebacic acid), melted and mixed with the ground waste material in a ratio of 6: 1 to 1: 1; the grain size of the powdered waste material should be ⁇ 0.1 mm.
  • the thermoplastic compound obtained by a procedure according to Example 4 is granulated and dried and can then be sprayed directly into arc chambers.
  • a corresponding procedure can be used with cellulose-containing urea-formaldehyde resins, which are then incorporated into polyolefin.

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Abstract

Ein Polymerwerkstoff zur Herstellung von Lichtbogenkammern für Niederspannungsschaltgeräte ist gekennzeichnet durch eine thermoplastische Polymermatrix aus Polyamid oder Polyolefin, die ein durch ausgehärtetes Melamin-Formaldehyd-Harz umhülltes Cellulosematerial enthält.

Description

Beschreibung
Polymerwerkstoff
Die Erfindung betrifft einen Polymerwerkstoff zur Herstel¬ lung von Lichtbogenkammern für Niederspannungsschaltgeräte sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
In Niederspannungsschaltgeräten, wie Niederspannungslei- stungsschalter, soll der Abschaltlichtbogen vom Entste¬ hungsort, d.h. den sich trennenden Kontakten, schnell in die Löscheinrichtung, d.h. das Löschblechpaket, wandern. Diese Lichtbogenbewegung wird, insbesondere bei Kurz¬ schlußabschaltungen, maßgeblich durch die Eigenschaften des Materials der Schalt- bzw. Lichtbogenkammer beein¬ flußt. Bei der Lichtbogenbewegung kommt es nämlich, be¬ dingt durch die kurzfristig auftretende hohe Temperatur des Lichtbogens, zur Abspaltung gasförmiger Produkte aus dem Kammermaterial. Diese Gase sind zur raschen Löschung des Lichtbogens erwünscht, wenn sie die erforderliche che¬ mische Zusammensetzung besitzen und - pro Schaltvorgang - in der richtigen Menge entstehen, so daß im Innern des Schalters ein zu hoher Druck vermieden wird.
Als Material für Lichtbogenkammern dienen bislang im all¬ gemeinen Formstoffe auf der Basis von cellulosefaser- gefüllten Melamin-Formaldehyd-Harzen (siehe dazu bei¬ spielsweise: Hansjürgen Saechtling "Kunststoff-Taschen¬ buch", 24. Auflage, Carl Hanser Verlag, München 1989, Seite 452). Dies sind aber duroplastische Materialien, und deshalb ist die Herstellung der Kammern - wegen der hohen Formbelegungszeit und der erforderlichen Nachvernetzung - aufwendig und teuer, obwohl sie spritzgußanalog erfolgt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Polymerwerkstoff anzu¬ geben, der eine wesentliche Verkürzung der Taktzeiten bei der Herstellung von Lichtbogenkammern für Niederspannungs¬ schaltgeräte ermöglicht.
Dies wird erfindungsgemäß durch einen Werkstoff mit einer thermoplastischen Polymermatrix aus Polyamid oder Poly- olefin erreicht, die ein durch ausgehärtetes Melamin-Form- aldehyd-Harz umhülltes Cellulosematerial enthält.
Der Polymerwerkstoff nach der Erfindung ist ein thermo¬ plastisches Material, d.h. ein Thermoplastcompound. Die Vorteile dieses Compounds - im Vergleich zu Duroplast- compounds - liegen in einer verbesserten Verarbeitbarkeit. Während nämlich bei duroplastischem Material beim Spritz¬ gießen beispielsweise ein 75 s-Takt eingehalten werden muß, sind beim Thermoplastcompound nach der Erfindung Taktzeiten bis herab zu 3 s erreichbar. Damit ist aber eine wesentlich wirtschaftlichere Fertigung möglich. Darüber hinaus ist das thermoplastische Material dem Duroplast in elektrischer Hinsicht zumindest ebenbürtig, die mechanischen Eigenschaften sind - aufgrund einer höheren Flexibilität - sogar besser.
Das aus dem Thermoplastcompound hergestellte Kammermate¬ rial zeigt ein besseres Lichtbogenlöschverhalten als das bislang eingesetzte Material. Es ist ferner auch hinsicht- lieh des Schaltvermögens überlegen, da die Druckbelastung wesentlich niedriger ist (Reduzierung des Maximaldruckes bis zu 50 %). Beim Thermoplastcompound nach der Erfindung besteht die
Polymermatrix aus Polyamid oder Polyolefin; Polyamid wird dabei bevorzugt verwendet. Als Cellulosematerial, das vor¬ teilhaft in Form von Fasern eingesetzt wird, kann insbe- sondere reine CeUulose, Holzmehl, Papier oder Zellwolle dienen; CeUulose wird dabei bevorzugt.
Die einzelnen Komponenten des Thermoplastcompound liegen vorzugsweise in folgendem Verhältnis vor: Polymer, d.h. Polyamid bzw. Polyolefin, zu Melamin-Formaldehyd-Harz/ Cellulosematerial: 6:1 bis 1:1, vorzugsweise 2:1; Mel¬ amin-Formaldehyd-Harz zu Cellulosematerial: 3:2 bis 1:2, vorzugsweise 1:1.
Der Polymerwerkstoff wird erfindungsgemäß in der Weise hergestellt, daß mit Melamin-Formaldehyd-Harz umhülltes Cellulosematerial und Polymer bei Temperaturen oberhalb 150βC homogen miteinander vermischt werden. Die Temperatur ist dabei abhängig von der Verarbeitungstemperatur des eingesetzten Polymers. Sie kann bei Polyamid zwischen etwa 190 und 300°C liegen, bei Polyolefin beträgt sie bei¬ spielsweise 150βC (Polyethylen) bzw. 200°C (Polypropylen).
Das Problem, das sich bei der Entwicklung des Polymer- materials nach der Erfindung gestellt hat, besteht in der zerstörungsfreien Einarbeitung temperaturempfindlicher Materialien in Thermoplaste. Der Einsatz von CeUulose in hochschmelzenden thermoplastischen Systemen, wobei beim Ein- bzw. Verarbeiten Temperaturen > 150°C erforderlich sind, ist nämlich - aufgrund der ther ooxidativen Empfind¬ lichkeit der CeUulose - an sich nicht möglich.
Die Erfindung löst dieses Problem nun in der Weise, daß das Cellulosematerial in situ mit einer Schutzschicht umhüllt wird, die - bei kurzzeitig höherer thermischer Belastung - eine Oxidation bzw. Zersetzung verhindert. Dadurch läßt sich die CeUulose problemlos in höher schmelzende Thermoplaste, wie Polyamid, einarbeiten.
Bei der Herstellung des Polymerwerkstoffs nach der Er¬ findung wird vorzugsweise von unvernetztem Melamin-Form¬ aldehyd-Harz ausgegangen; dabei gelangt im allgemeinen ein handelsübliches vorreagiertes Melamin-Formaldehyd-Harz (kurz Melaminharz) , das mit CeUulose gefüllt ist, zum Einsatz. Während des Einarbeitungs- bzw. Mischvorgangs härtet die Melaminharz-Form asse in der Polymerschmelze aus, d.h. es erfolgt eine Vernetzung, und schützt so das Cellulosematerial vor einem thermooxidativen Angriff. Der dabei gebildete cellulosegefüllte Melaminharz-Formstoff, der in der Polymermatrix homogen verteilt ist, übernimmt gleichzeitig die Funktion eines Füllstoffs, was gleich¬ bedeutend ist mit einer mechanischen Verstärkung.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt dar¬ in, daß die Möglichkeit eines Recycling besteht. Dies gilt sowohl für Abfall, der bei der Spritzgußherstellung von Lichtbogenkammern beispielsweise in Form von Angüssen an- fällt, als auch für den zu Formteilen verspritzten Thermo¬ plastcompound insgesamt. Gebrauchte Formteile können näm¬ lich zerkleinert werden, und das dabei erhaltene Material kann - direkt oder in Ab ischung mit frischem Material - zum Abspritzen neuer Lichtbogenkammern dienen. Das bislang verwendete duroplastische Material dagegen ist - für sich - einem Recycling nicht zugänglich, weil es dreidimensio¬ nal vernetzt ist. Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
Beispiel 1
PA 6 (Polyamid aus (f-Caprolactam) wird im Verhältnis 2:1 mit einem unvernetzten Melaminharz (MF) gemischt, das mit CeUulose im Verhältnis 1:1 gefüllt ist. Dieses Gemisch wird bei einer Temperatur von 230 bis 240βC in einen Kne- ter eingebracht und ca. 10 min geknetet. Bedingt durch die Verarbeitungstemperatur des PA 6 von ca. 240°C wird das unvernetzte duroplastische Material, d.h. der MF/Cellulose- Compound, vernetzt und gleichzeitig wird die CeUulose um¬ hüllt.
Der auf diese Weise hergestellte Thermoplastcompound - Zusammensetzung: 66, 6 % Polyamid, 16,7 % Melamin-Form¬ aldehyd-Harz, 16,7 % CeUulose - weist gute Lichtbogen¬ löscheigenschaften auf und kann einwandfrei verspritzt werden (Taktzeit: ca. 25 s). Die CeUulose wirkt dabei sowohl als Wasserreservoir für die Lichtbogenlöschung als auch - zusammen mit dem vernetzten Melaminharz - als Füll¬ stoff zur Verstärkung des Polyamids.
Beispiel 2
Es wird entsprechend Beispiel 1 vorgegangen, aber ein gegensinnig drehender Zweiwellenextruder verwendet. Die Verweilzeit (Reaktionszeit) beträgt hierbei lediglich 5 bis 6 min, so daß ein kontinuierliches Verfahren möglich ist. Der dabei erhaltene Thermoplastcompound ist vollstän¬ dig ausgehärtet. Beispiel 3
Es wird entsprechend Beispiel 1 vorgegangen, wobei als Polymer PA 66 (Polyamid aus 1,6-Hexandiamin und Adipin- säure) eingesetzt wird; die Verarbeitungstemperatur be¬ trägt ca. 275βC. Der erhaltene Thermoplastcompound weist eine hohe Dauerwärmebeständigkeit auf.
Beispiel 4
In einem Zweiwellenextruder wird PA 66 direkt nach der Einfüllzone im Gegenlauf bei einer Temperatur von 275 bis 280°C aufgeschmolzen. Unmittelbar danach wird - im Ver¬ hältnis 2:1 - ein MF/Cellulose-Compound mittels einer Dosiereinrichtung in die Polyamidschmelze eingebracht.
Dabei umhüllt das bei der hohen Temperatur von ca. 280βC sofort vernetzende Melaminharz die CeUulose und schützt sie vor thermischer Zersetzung. Während einer drehzahl¬ abhängigen Verweilzeit von 4 bis 8 min wird eine aus- reichende Vernetzung des Melaminharzes und eine homogene Verteilung in der Polymermatrix erreicht. Die aus dem Düsenkopf des Extruders austretende Schmelze wird als Strang abgezogen, gekühlt und granuliert. Der auf diese Weise hergestellte Thermoplastcompound ist homogen und kann bei Temperaturen von 275 bis 280βC zu einwandfreien Formkörpern verspritzt werden.
Beispiel 5
Zur Verarbeitung von Duroplastabfällen auf Basis von
Melaminharz, die mit den unterschiedlichsten cellulose- haltigen Materialien gefüllt sind, wird in einem Zwei¬ wellenextruder, der im Gleichlauf oder im Gegenlauf betrieben wird, PA 6 oder PA 66 oder auch ein anderes
Polyamid, wie PA 12 (aus ^-Laurinlacta ) oder PA 610 (aus 1,6-Hexandiamin und Sebacinsäure), aufgeschmolzen und über eine Dosiereinrichtung mit dem gemahlenen Abfallmaterial im Verhältnis von 6:1 bis 1:1 versetzt; die Korngröße des pulverför igen Abfallmaterials soll < 0,1 mm sein. Der - nach einer Vorgehensweise entsprechend Beispiel 4 - erhal¬ tene Thermoplastcompound wird granuliert und getrocknet und kann dann unmittelbar zu Lichtbogenkammern verspritzt werden.
In entsprechender Weise kann mit cellulosehaltigen Harn¬ stoff-Formaldehyd-Harzen verfahren werden, die dann in Polyolefin eingearbeitet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Polymerwerkstoff zur Herstellung von Lichtbogenkammern für Niederspannungsschaltgeräte, g e k e n n z e i c h - n e t d u r c h eine thermoplastische Polymermatrix aus Polyamid oder Polyolefin, die ein durch ausgehärtetes Melamin-Formaldehyd-Harz umhülltes Cellulosematerial ent¬ hält.
2. Polymerwerkstoff nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Polymer und Melamin- Formaldehyd-Harz/Cellulosematerial im Verhältnis von 6:1 bis 1:1, vorzugsweise 2:1, vorliegen.
3. Polymerwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ver¬ hältnis von Melamin-Formaldehyd-Harz zu Cellulosematerial 3:2 bis 1:2, vorzugsweise 1:1, beträgt.
4. Polymerwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Cellulosematerial in Faserform vorliegt.
5. Verfahren zur Herstellung des Polymerwerkstoffs nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mit Melamin-Form¬ aldehyd-Harz umhülltes Cellulosematerial und Polymer bei Temperaturen oberhalb 150°C homogen miteinander vermischt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß unvernetztes Melamin-Form¬ aldehyd-Harz eingesetzt wird.
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