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Die vorliegende Erfindung betrifft expandierbare Polystyrolpartikel zur Herstellung eines elastischen Partikelschaums, ein Verfahren zu deren Herstellung, ein Verfahren zur Herstellung eines elastischen Partikelschaums und einen elastischen Partikelschaum.
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Polystyrol ist ein thermoplastisches Polymer aus Styrolmonomeren, welches üblicherweise als Granulat mit einer Dichte von ca. 1050 kg/m3 erhältlich ist. Polystyrolgranulat wird häufig in bekannter Weise für verschiedene Anwendungen weiterverarbeitet. Dabei wird nach der Verarbeitungsart zwischen expandiertem Polystyrol (EPS) und extrudiertem Polystyrol (XPS) unterschieden.
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XPS wird in bekannter Weise mit einem Extruder durch Schmelzen des Rohgranulates und Pressen der Schmelze insbesondere mit einem Treibmittel durch eine Düse hergestellt. Das homogene Material schäumt dabei auf und kann als kontinuierliches Teil dem Prozess entnommen werden.
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EPS wird in bekannter Weise durch Expandieren eines mit einem Treibmittel beladenen Rohgranulates (beispielsweise mit Pentan) bei Temperaturen über 90°C erhalten. Üblicherweise wird in einem ersten Schritt das Granulat vorexpandiert. In einem zweiten Schritt wird das vorexpandierte Granulat in einer Hohlform weiter expandiert. Dabei verschweißen die expandierten Granulatpartikel zu einem zusammenhängenden Formkörper und bilden einen Partikelschaumstoff.
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XPS und EPS Formkörper werden häufig zur Wärmedämmung oder Trittschalldämmung verwendet oder als passgenaue Transportverpackung für empfindliche Gegenstände. Ferner werden Formkörper aus EPS für Spezialanwendungen verwendet, beispielsweise für Helme. Zudem können derartige Formkörper als Positivmodell in Metallgießverfahren eingesetzt werden.
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Ein Nachteil von EPS Formkörpern kann insbesondere sein, dass sie vergleichsweise leicht bei mechanischer Belastung brechen oder eingedrückt werden können. Die Form einmal verformter EPS Formkörper aus herkömmlichem EPS kann dabei nicht ohne weiteres wiederhergestellt werden. Auf Grund der mechanischen Eigenschaften von EPS findet EPS trotz seiner exzellenten Formgebungsmöglichkeiten und anderen vorzugswürdigen Materialeigenschaften, wie beispielsweise einer geringen Dichte, in vielen Bereichen noch keine Anwendung.
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Die mechanischen Eigenschaften von EPS bieten deswegen noch Verbesserungspotential. Insbesondere kann sich Verbesserungspotential in den elastischen Eigenschaften von EPS und der Herstellbarkeit elastischer Partikelschäume bieten.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte elastische Partikelschäume bereitzustellen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die expandierbaren Polystyrolpartikel zur Herstellung eines elastischen Partikelschaums gemäß Anspruch 1, durch das Verfahren zur Herstellung expandierbarer Polystyrolpartikel nach Anspruch 8, durch das Verfahren zur Herstellung eines elastischen Partikelschaums nach Anspruch 9 und den elastischen Partikelschaum nach Anspruch 10.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder dem Beispiel angegeben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder dem Beispiel beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
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Mit der Erfindung werden expandierbare Polystyrolpartikel zur Herstellung eines elastischen Partikelschaums vorgeschlagen.
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Die expandierbaren Polystyrolpartikel enthalten, bezogen auf die expandierbaren Polystyrolpartikel:
- - größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 90 Gew.-% eines Styrolpolymers, bevorzugt größer oder gleich 35 Gew.-% bis kleiner oder gleich 75 Gew.-%,
- - größer oder gleich 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich 100 Gew.-%, bevorzugt größer oder gleich 25 Gew.-% bis kleiner oder gleich 50 Gew.-%, besonders bevorzugt größer oder gleich 35 Gew.-% bis kleiner oder gleich 45 Gew.-%, eines Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol (SEBS) Copolymers, und
- - größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 5 Gew.-% eines Nukleierungsmittels
wobei das Styrolpolymer und/oder das SEBS Copolymer ein physikalisches Treibmittel aufweisen, zusammen in einer Menge bezogen auf die expandierbaren Polystyrolpartikel, in einem Bereich von größer oder gleich 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich 10 Gew.-%,
wobei die expandierbaren Polystyrolpartikel einen Styrolanteil bezogen auf die expandierbaren Polystyrolpartikel aufweisen in einem Bereich von größer oder gleich 35 Gew.-% bis kleiner oder gleich 98 Gew.-%, bevorzugt größer oder gleich 40 Gew.-% bis kleiner oder gleich 90 Gew.-%, besonders bevorzugt größer oder gleich 60 Gew.-% bis kleiner oder gleich 80 Gew.%.
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Unter expandierbaren Polystyrolpartikeln werden vorliegend Partikel aufweisend Polystyrol verstanden, welche durch Expansion zu expandiertem Polystyrol umgesetzt werden können. Unter expandiertem Polystyrol wird dabei ein Schaumstoff aufweisend Polystyrol verstanden, welches durch Expansion eines Polystyrolgranulates erhalten wurde. Dabei wird darunter verstanden, dass das expandierte Polystyrol im Wesentlichen die gleichen festen Bestandteile aufweist wie das entsprechende Polystyrolgranulat oder wie ein entsprechendes vorexpandiertes Polystyrolgranulat. Das expandierte Polystyrol weist dabei zusätzlich Hohlräume auf, die mit Gas gefüllt sein können, beispielsweise mit einem Treibgas oder mit Luft. Die Hohlräume können dabei geschlossen sein oder mit der Umgebung strömungsmäßig verbunden sein. Unter expandiertem Polystyrol ist im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Partikelschaum zu verstehen.
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Unter einem elastischen Partikelschaum wird vorliegend ein Partikelschaum verstanden, der elastisch verformbar ist.
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Unter einem Nukleierungsmittel wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Mittel verstanden, welches die Keimzahl bei der Kristallisation von Polymeren erhöht.
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Unter dem Begriff Styrolanteil wird im Sinne der vorliegenden Erfindung der Anteil an Styrol verstanden, der gebunden oder optional auch frei in der entsprechenden Zusammensetzung vorliegt. Insbesondere bezieht sich der Styrolanteil nicht nur auf den Anteil freier Styrolmoleküle an sich, sondern umfasst auch die Teile eines Polymers, die aus einem Styrolmolekül bzw. Styrolmonomer durch chemische Reaktion erhalten wurden.
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Vorteilhafterweise kann durch die vorbeschriebenen expandierbaren Polystyrolpartikel erreicht werden, dass ein daraus hergestellter Partikelschaum verbesserte elastische Eigenschaften aufweist. Es konnte insbesondere überraschenderweise gezeigt werden, dass Styrolpolymer und SEBS Copolymer mit den vorbeschriebenen Anteilen homogen miteinander aufgeschmolzen werden können, so dass die vorbeschriebenen expandierbaren Polystyrolpartikel eine homogene Polymermischung aufweisen. Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass die expandierbaren Polystyrolpartikel einfach herstellbar sind und bei einer Verarbeitung zu einem Partikelschaum besonders gleichmäßig expandieren. Überraschenderweise konnte gezeigt werden, dass durch den vorbeschriebenen Anteil an SEBS Copolymer in den expandierbaren Polystyrolpartikeln ein aus den Polystyrolpartikeln erhaltener Partikelschaum zudem besonders gute elastische Eigenschaften aufweist. Zugleich kann der erhaltene Partikelschaum auf Grund der homogenen Zusammensetzung der Polystyrolpartikel die gleichen vorteilhaften Eigenschaften wie herkömmlicher EPS Partikelschaum aufweisen. Dazu gehören insbesondere gute Wärmedämmeigenschaften.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Styrolpolymer Standard-Polystyrol (General Purpose Polystyrene; GPPS) aufweist, vorzugsweise daraus besteht.
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Es konnte überraschenderweise gezeigt werden, dass GPPS in den expandierbaren Polystyrolpartikeln verwendet werden kann und zugleich gute elastische Eigenschaften eines aus den Partikeln erhaltenen Partikelschaums erhalten werden können. Somit können die expandierbaren Polystyrolpartikel besonders gut herstellbar sein.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Polystyrol ein Massenmittel der Molmasse Mw aufweist in einem Bereich von größer oder gleich 70 000 g/mol bis kleiner oder gleich 350 000 g/mol, bevorzugt von größer oder gleich 120 000 g/mol bis kleiner oder gleich 270 000 g/mol, besonders bevorzugt von größer oder gleich 180 000 g/mol bis kleiner oder gleich 220 000 g/mol.
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Vorteilhafterweise kann dadurch erreicht werden, dass das Polystyrol besonders gut mit dem SEBS Copolymer kompatibel ist und sich die Polymere besonders gut miteinander vermischen lassen. Ferner konnte gezeigt werden, dass sich die expandierbaren Polystyrolpartikel mit dem vorbeschriebenen Polystyrol besonders gut expandieren lassen.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Polystyrol eine Dispersität (PDI) des Massenmittels der Molmasse zum Zahlenmittel der Molmasse (Mw/Mn) aufweist in einem Bereich von größer oder gleich 1,5 bis kleiner oder gleich 3,5, bevorzugt von größer oder gleich 2,0 bis kleiner oder gleich 3,0, besonders bevorzugt von größer oder gleich 2,4 bis kleiner oder gleich 2,6.
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Durch eine Dispersität in dem vorgenannten Bereich kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass die expandierbaren Polystyrolpartikel mit besonders gleichmäßigem Partikeldurchmesser herstellbar sind.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das physikalische Treibmittel ein aliphatischer Kohlenwasserstoff mit 2 bis 7 Kohlenstoffatomen, ein Alkohol, ein Keton, ein Ether oder ein halogenierter Kohlenwasserstoff ist, oder eine Mischung davon. Mehr bevorzugt kann das physikalische Treibmittel iso-Butan, n-Butan, iso-Pentan, n-Pentan oder eine Mischung davon sein. Ganz besonders bevorzugt kann das physikalische Treibmittel n-Pentan sein.
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Dadurch kann erreicht werden, dass sich die expandierbaren Polystyrolpartikel besonders gut expandieren lassen. Insbesondere konnte überraschenderweise festgestellt werden, dass sich die expandierbaren Polystyrolpartikel trotz ihres hohen Anteils an SEBS Copolymer gut mit den vorgenannten Treibmitteln expandieren lassen.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Nukleierungsmittel ein anorganisches Salz, eine Modifikation von Kohlenstoff oder eine Mischung davon ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Nukleierungsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus anorganischen Silikaten, Carbonaten, Phosphaten, Oxiden, Nitraten, Halogeniden, Hydroxiden und Mischungen davon. Alternativ oder zusätzlich kann das Nukleierungsmittel beispielswese ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Ruß, Koks, Graphit, Aktivkohle und Mischungen davon. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Nukleierungsmittel ausgewählt ist aus Talkum, Kaolin, Ruß und Graphit. Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Nukleierungsmittel Kaolin und/oder Graphit ist.
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Dadurch kann erreicht werden, dass die expandierbaren Polystyrolpartikel bei der Herstellung besonders schnell verfestigen und somit eine besonders homogene Partikelform und Partikelgrößenverteilung aufweisen, sowie dass die expandierbaren Polystyrolpartikel besonders gleichmäßig expandierbar sind..
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das SEBS Copolymer einen Styrolanteil in einem Bereich von größer oder gleich 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich 80 Gew.-% aufweist, bezogen auf das SEBS Copolymer, bevorzugt in einem Bereich von größer oder gleich 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich 35 Gew.-%.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das SEBS Copolymer einen Schmelzflussindex (MFI) aufweist in einem Bereich von größer oder gleich 10 g/10 min bis kleiner oder gleich 50 g/10 min, gemessen nach ASTM D1238 bei 230 °C und 2160 g.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die expandierbaren Polystyrolpartikel einen mittleren Äquivalenzdurchmesser aufweisen in einem Bereich von ≥ 0,1 mm, bevorzugt ≥ 0,3, beispielsweise ≥ 0,5 oder ≥ 1, bis ≤ 5 mm, bevorzugt ≤ 3 mm.
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Dadurch kann erreicht werden, dass sich aus den expandierbaren Polystyrolpartikeln besonders gut Formteile herstellen lassen. Zudem kann dadurch erreicht werden, dass die Formteile besonders homogene mechanische Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise kann durch einen vergleichsweise kleineren mittleren Äquivalenzdurchmesser erreicht werden, dass dünnwandige Teile besonders gut damit geformt werden können. Ferner kann durch mittlere Äquivalenzdurchmesser in diesem Bereich eine homogene Füllung von Hohlformen bei der Herstellung von Formteilen erreicht werden, wodurch sich eine homogene Verschweißung der Partikel ergibt und im Ergebnis besonders homogene mechanische Eigenschaften erreicht werden können.
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Mit der Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen expandierbaren Polystyrolpartikel vorgeschlagen.
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Das Verfahren weist auf die Verfahrensschritte:
- Einbringen in den Einzugsbereich eines Extruders, insbesondere eines Doppelschneckenextruders, einer Mischung enthaltend, bezogen auf die Mischung,
- - größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 90 Gew.-%, bevorzugt größer oder gleich 35 Gew.-% bis kleiner oder gleich 75 Gew.-%, eines Styrolpolymers,
- - größer oder gleich 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich 100 Gew.-%, bevorzugt größer oder gleich 25 Gew.-% bis kleiner oder gleich 50 Gew.-%, besonders bevorzugt größer oder gleich 35 Gew.-% bis kleiner oder gleich 45 Gew.-%, eines Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol (SEBS) Copolymers, und
- - größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 5 Gew.-% eines Nukleierungsmittels,
- wobei das Styrolpolymer und/oder das SEBS Copolymer ein physikalisches Treibmittel aufweisen, zusammen in einer Menge bezogen auf die Mischung in einem Bereich von größer oder gleich 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich 10 Gew.-%,
- wobei die Mischung einen Styrolanteil bezogen auf die Mischung aufweist, in einem Bereich von größer oder gleich 35 Gew.-% bis kleiner oder gleich 98 Gew.-%, bevorzugt größer oder gleich 40 Gew.-% bis kleiner oder gleich 90 Gew.-%, besonders bevorzugt größer oder gleich 60 Gew.-% bis kleiner oder gleich 80 Gew.-%;
- Aufschmelzen der Mischung in dem Extruder zu einer Schmelze; und Granulieren der Schmelze, bevorzugt mit einem druckbeaufschlagten Unterwassergranulierer.
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Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass die erfindungsgemäßen expandierbaren Polystyrolpartikel auf Anlagen hergestellt werden können, die sonst für die Herstellung herkömmlicher expandierbarer Polystyrolpartikel verwendet werden. Somit kann durch die erfindungsgemäßen Polystyrolpartikel ein besonders einfach herstellbarer elastischer Partikelschaum erhalten werden.
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Des Weiteren können der Mischung im Extruder Additive, Keimbildner, Füllstoffe, Weichmacher, lösliche und unlösliche anorganische und/oder organische Farbstoffe und Pigmente, z.B. IR-Absorber, wie Ruß, Graphit oder Aluminiumpulver, gemeinsam oder räumlich getrennt, z.B. über Mischer oder Seitenextruder, zugegeben werden. In der Regel werden die Farbstoffe und Pigmente in Mengen im Bereich von 0,01 bis 30 Gew.-% bezogen auf die Mischung, bevorzugt im Bereich von 1 bis 10 Gew.-%, zugesetzt. Zur homogenen und mikrodispersen Verteilung der Pigmente in der Mischung kann es insbesondere bei polaren Pigmenten zweckmäßig sein, ein Dispergierhilfsmittel, z.B Organosilane, epoxygruppenhaltige Polymere oder Maleinsäureanhydrid-gepfropfte Styrolpolymere, einzusetzen. Bevorzugte Weichmacher sind Mineralöle, Phthalate, die in Mengen von 0,05 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Vinylpolymer, eingesetzt werden können.
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Mit der Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Herstellung eines elastischen Partikelschaums aus den erfindungsgemäßen expandierbaren Polystyrolpartikeln vorgeschlagen.
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Das Verfahren weist auf die Verfahrensschritte:
- Einbringen von erfindungsgemäßen expandierbaren Polystyrolpartikeln in eine Form,
- Expandieren und Versintern der expandierbaren Polystyrolpartikel in der Form,
- vorzugsweise durch Einbringen von Wasserdampf oder mit elektromagnetischer Strahlung,
- wobei die expandierbaren Polystyrolpartikel optional vor dem Einbringen in die Form vorexpandiert werden.
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Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass der elastische Partikelschaum besonders homogene elastische Eigenschaften aufweist. Ferner kann erreicht werden, dass die Dichte des elastischen Partikelschaums einfach kontrollierbar ist. Zudem kann durch das vorbeschriebene Verfahren erreicht werden, dass insbesondere geschlossenzellige Partikelschäume erhalten werden und erhaltene Formkörper eine geschlossenzellige Oberfläche aufweisen.
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Mit der Erfindung wird ferner ein elastischer Partikelschaum vorgeschlagen, wobei der elastische Partikelschaum mit dem vorbeschriebenen Verfahren hergestellt wurde.
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Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass der Partikelschaum vergleichbare Eigenschaften zu anderen EPS Partikelschäumen aufweist, zugleich aber verbesserte elastische Eigenschaften aufweist. Somit kann der erfindungsgemäße elastische Partikelschaum besser für Anwendungen mit mechanischer Beanspruchung geeignet sein.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der elastische Partikelschaum eine Dichte aufweist in einem Bereich von größer oder gleich 10 g/L bis kleiner oder gleich 600 g/L, bevorzugt in einem Bereich von größer oder gleich 20 g/L bis kleiner oder gleich 80 g/L.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der elastische Partikelschaum eine Biegefestigkeit gemessen nach DIN EN ISO 178 (2019-08) aufweist in einem Bereich von größer oder gleich 150 kPa bis kleiner oder gleich 1000 kPa, bevorzugt größer oder gleich 200 kPa bis kleiner oder gleich 500 kPa.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der elastische Partikelschau eine Druckfestigkeit gemessen nach DIN EN ISO 604 (2003-12) aufweist in einem Bereich von größer oder gleich 50 kPa bis kleiner oder gleich 250 kPa, bevorzugt größer oder gleich 70 kPa bis kleiner oder gleich 150 kPa.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels weiter erläutert.
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Einem Styrolpolymer (SUNPOR EPS-SE: 6 Gew.-% Pentan, Kettenlänge Mw = 200 000 g/mol, Dispersität Mw/Mn = 2,5) wurde im Einzugsbereich eines Doppelschneckenextruders mit 40 Gew.-% eines Styrol-Etylen-Butylen-Styrol (SEBS) Copolymer und mit 3 Gew.% Graphit als Nukleierungsmittel versetzt, bezogen auf die Gesamtmenge des erhaltenen EPS-Granulates. Die so erhaltene Polymerschmelze wurde mit einem Durchsatz von 15 kg h-1 durch eine Düsenplatte gefördert und mit einem druckbeaufschlagten Unterwassergranulierer zu kompaktem EPS-Granulaten granuliert.
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Die erhaltenen EPS-Granulate wurden in eine Form eingebracht und unter Zugabe von Wasserdampf zu einem elastischen Partikelschaum expandiert und versintert. Im Detail wurden die erhaltenen EPS-Granulate mittels Wasserdampfs auf eine Dichte von 10-600 g/L, bevorzugt 20-80 g/L vorgeschäumt und für 24 h abgelagert. Die vorgeschäumten Partikel werden in eine Formteilmaschine eingebracht (Formdimension 280 × 280 × 50 mm3) und mit einem dem Fachmann gängigen Verfahren für EPS mit Wasserdampf (0.1-1 bar Dampfdruck) so verschweißt, dass die Schaumstruktur erhalten blieb.