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Verfahren zur Herstellung von Schaumkunststofferzeugnissen durch Strangverpressen
von blähmittelhaltigem, thermoplastischem Material Die Erfindung bezieht sieh auf
ein Verfahren zur Herstellung von Schaumkunststofferzeugnissen durch kontinuierliches
Strangverpressen einer wärmeplastifizierten Mischung aus thermoplastischem Material,
insbesondere Polystyrol, vergasbarem Blähmittel und Porenreglersubstanz, bei dem
man zunächst durch Wärme- und Druckeinwirkung eine fließfähige Vormischung aus thermoplastischem
Material und Porenreglersubstanz herstellt, diese Vorniischung mit dem Blähmittel
vermischt und die Gesamtmischung abgekühlt unter Temperatur- und Druckverhältnissen,
bei denen sie fließfähig ist und das Blähmittel nicht vergast, in die Strangpreßdüse
einspeist und nach dem Austritt aus ihr in einer Zone niedrigen oder atmosphärischen
Druckes aufschäumt.
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Es ist ein ohne Porenreglersubstanz arbeitendes Verfahren bekannt,
bei dem als Endprodukt zwar ebenfalls ein Schaumkunststoff entsteht, das aber vor
allem wegen der Verwendung eines gasförmigen Blähmittels einen Spezialmischer, nämlich
eine Doppelschneckenpresse, sowie eine umfangreiche Gasspeicher- und -zumeßapparatur
erfordert. Es gewährleistet außerdem nicht die Ausbildung von größeneinheitlichen,
geschlossenen Zellen in dem Kunststoffprodukt. Da bei diesem Verfahren sowie einem
ähnlichen Verfahren vor Austritt aus der Strangpresse das Gemisch abgekühlt und
demzufolge der Druck gesenkt wird, sind teure und umständliche Schraubenpumpen bzw.
spezielle Mischvorrichtungen erforderlich, um jegliche Druckerhöhung vor Austritt
des Gemisches aus der Düse zu vermeiden. überdies ergibt ein derartiges Verfahren
nur dicke Stangen, Stäbe oder Barren; zur Herstellung dünner, glattflächiger Kunstschaumstreifen
mit brauchbarer Orientierung ist es wegen der Verwendung von unter Normalbedingungen
gasförmigen Blähmitteln, welche nur Produkte mit rauher Oberfläche und aufgeweiteten
Zellen zulassen, nicht geeignet.
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Man kennt auch noch ein Verfahren zur Herstellung eines festen Polymerprodukts,
das kein Zellengefüge besitzt, sondern lediglich infolge seines Gehalts an gelöstem
Blähmittel die latente Eigenschaft aufweist, sich bei geeigneter Aufarbeitung, nämlich
Wiederverflüssigung unter Druck, Zugabe von Porenreglersubstanz und Auspressen aus
einer Düse in eine Zone niedrigeren, z. B. atmosphärischen Drucks, in eine Schaummasse
umzuwandeln. Dieses Verfahren liefert demnach nur ein Zwischenprodukt, das einem
zusätzlichen Arbeitsprozeß unterworfen werden muß, und liegt der Verfahrenskategorie,
der das Verfahren gemäß der Erfindung angehört, infolgedessen ferner. Die der Erfindung
zugrunde liegende Aufgabe besteht nunmehr darin, ein Verfahren des eingangs erwähnten
Typs zu schaffen, welches einerseits eine praktisch verlustfreie und infolgedessen
gefahrenlose Verarbeitung von normalerweise flüssigem Blähmittel, beispielsweise
Pentan, und andererseits die Herstellung von Schaumkunststoffprodukten mit verbesserten
Struktureigenschaften gewährleistet. Außerdem soll das Verfahren in einer vergleichsweise
einfachen Vorrichtung durchführbar sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, dessen
Besonderheit darin besteht, daß man die Vormischung vor der Blähmittelzugabe unter
niedrigeren Druck und die abgekühlte Gesamtmischung vor Austritt aus der Düse unter
erhöhten Druck setzt.
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Die Druckminderung vor der Blähmittelzugabe schließt aus, daß Blähmitteldämpfe
entgegen der Materialförderrichtung nach dem Einfülltrichter hin und dort zusammen
mit eingeschleppter Luft entweichen. Das Verfahren gemäß der Erfindung verhindert
aber auch, daß beim Strangpreßvorgang selbst Blähmitteldämpfe in nennenswertem Maß
auftreten. Dadurch, daß die Dampfbläschen erst durch
Entspannung
an der Düsenöffnung gebildet worden, wird durch die Strangverpressung ein Schaumkunststoffprodukt
gebildet, welches je nach Düsenquerschnitt als Strang oder Folie anfällt und mit
unzähligen, in sich geschlossenen Poren durchsetzt ist, die mit Blähmitteldampf
gefüllt und in ihrer Größe durch an sich bekannte Zusätze einregelbar sind. Das
mit der Schmelzmasse aus der Düse austretende Blähmittel bleibt de rimach praktisch
vollständig in dem Schaumprodukt zurück und diffundiert im Laufe der Zeit nur ganz
allmählich durch die praktisch gasundurchlässigen, inneren Zellwände hindurch, wobei
ein partieller Austausch gegen Außenluft stattfindet. Mit .diesen Vorgängen nach
Produktaustritt- .aus .der Düse beschäftigt sich die Erfindung nicht. Die Blähmittelabwanderung
nach draußen erfolgt jedoch so unendlich langsam, beispielsweise im Laufe von Monaten,
daß explosionsauslösende Konzentrationen davon - selbst .an der Produktgrenzfläche
- niemals auftreten können.
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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin,
daß man überraschenderweise Schaumkunststoffprodukte mit kleinen Poren einheitlicher
Größe, glatter Oberfläche und verbesserten mechanischen Eigenschaften, wie Biege-
und Zugfestigkeit sowie Widerstandsfähigkeit erhält, welche sich auf Grund dieser
ausgezeichneten Struktur- und mechanischen Eigenschaften zur Herstellung von Schaumstoffstreifen
eignen. Brauchbare, dünne Schaumstoffstreifen stellen auch erhöhte Anforderungen.
an. den Orientierungsgrad, welche durch das Verfahren gemäß der Erfindung gleichfalls
erfüllt werden. Möglicherweise ist die Unmöglichkeit, Schaumstreifen von der gleichförmigen
Qüälität des Erfindungsproduktes nach den diskutierten bekannten Verfahren, d. h.
mit normalerweise gasförmigem Blähmittel und Druckminderung vor der --Düsenöffnung,
zu erzielen, - dadurch zu erklären, daß. die Expansionsabkühlung des Blähgases ein
überschnelles Erstarren des schaumbildenden Feststoffs ohne inneren Strukturausgleich
hervorruft.-Schließlich ist das vorliegende Verfäliren auch insofern fortschrittlich,
als es in einer vergleichsweise einfachen Vorrichtung, nämlich einer gewöhnlichen
Schneckenpresse, durchführbar ist.'- -. .
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Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung lassen sich :beliebige strangverpreßbare,
thermoplastische Materialien bekannter -Art, vorzugsweise aber Polystyrol oder -Polymere
anderer aromatischer Monovinylverbindungen oder Halogenderivate= davon verarbeiten.
Als niedrigsiedende, normalerweise flüssige Substanzen sind die hierfür bekannten
verwendbar, zu: denen unter anderem die zwischen 26 und 94° C siedenden aliphatischen
Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Pentan oder Hexaü, gehören. Zu den porengrößeregelnden
Zusätzen gehören die: Carbonate und Bicarbonate, z. B. des Natriums, im Gemisch
mit einer organischen Säu-e,-wie Zitronensäure; -öder mit BöYSäure, sowie kristalline,-
anorganische Verbindungen, z. B. Pigmente, die der Fachwelt als. Sogernannte Keimbildner
bekannt sind.
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-- Die Einzelheiten des Verfahrens gemäß der Erfindüng ergäben sich
aus der nachfolgenden Schilderung von zur Verfahrensdurchführung geeigneten Vorrichtungen,
welche an' Hand der Zeichnungen nähererläutert werden. Es zeigt' --- Fig. -1 einen
Längsschnitt durch eint zur.Erfindungsdurchführung' geeignete Apparatur, . -Fi g.
2 einen Teillängsschnitt 'durch eine abgewandelte Ausführungsform der Misch- und
Kühlzone der Apparatur nach Fig. 1 und Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine weitere
erfindungsgemäß verwendbare Apparatur.
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Fig. 1 zeigt im Längsschnitt eine Strangpresse, die eine Eingabe-
und Entlüftungszone 1, eine wärmeplastifizierende Zone 2, eine Einspritzzone 3,
eine Misch- und Kühlzone 4 und eine Strangpreßzone 5 aufweist. Die Strangpresse
besteht im allgemeinen aus einem Zylinder 6 mit darin befindlicher Förderschnecke
7, die einfüllseitig_ in einem Lager 8 ruht und über einen schematisch dargestellten
Antrieb 9 gedreht wird, und einem dem Zylinder auf der lagerfernen Seite vorgesetzten
Spritzkopf 10. Am lagerseitigen Zylinderende ist ein Einfülltrichter 11 und in der
Zylindermitte ein Einspritzrohr 12 angebracht. Der zwischen Einfülltrichter und
Einspritzrohr befindliche Zylinderabschnitt ist mit elektrischen Heizbändern 13
und der zwischen Einspritzrohr und Spritzkopf befindliche Zylinderabschnitt ist
mit einem Mantel 14 nebst Zu- und Ablaufrohren 15 für ein temperaturregelndes Fluidum
umgeben. Im Betrieb werden thermoplastisches Material und die Porengröße regelnder
Zusatz in den Einfülltrichter 11 eingegeben, die Heizbänder 13 eingeschaltet, der
Mantel 14 wird mit erwärmtem Fluidum beschickt und der Antrieb 9 eingerückt, damit
die Förderschnecke die eingegebenen Materialien im Zylinder vorschiebt. In der wärmeplastifizierenden
Zone 2 wird das thermoplastische Material durch die von den Heizbändern 13 gelieferte
Wärme auf gewünschte Temperatur erhitzt und periodisch mit den die Porengröße regeln=
den. Zusätzen vermischt, so daß 'in die Einspritzzone 3 eine homogene, plastische
Schmelze gewünschter Temperatur eingegeben wird. Während ihres Durchgangs durch
die Eingabe- und- Entlüftungszone 1 und die plastifizierende Zone 2 wird die Mischung
durch die verdichtende und vorschiebende Einwirkung der Schnecke 7- von Luft-und
sonstigen, flüchtigen Stoffen befreit, die nach dem Eirifülltrichter hin und aus
ihm heraus entweichen.
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Die ' homogene Schmelze aus' thermoplastischem Material und Zusätzen
wird beim-Eintritt in die Einspritzzbue dadurch etwas druckentlastet, daß der Kerndurchmesser
-der -Schnecke hier. schwächer ist. Durch das- Einspritzrohr 12 wird -'eine . niedrigsiedende,
normalerweise flüssige - Substanz unter Druck -und in vorbestimmter Menge: in den
Zylin@ der 6 eingegeben. Um ein Rückwärtsströmen dieser Substanz in die wärmeplastifizierende
Zone.2 und/ oder Eingabe- und Entlüftungszone 1 und' damit Un:-regelmäßigkeiten
:in der Zufuhr-zu vermeiden, wird zweckmäßigerweise -bei Betriebsbeginn und vor-Zumessurig
der normalerweise flüssigen Substanz die Mischung aus thermoplastischen Material
und porengrößeregelnden Zusätzen bis in die Misch- und Kühjzone 4 und womöglich
noch weiter vorgeschoben. Außerdem -wird vorzugsweise bei Betriebsbeginn das eingegebene
Material in der Miseh-m und Kühlzone-4 dadurch im Schmelzzustand gehalten; daß der
Mantelraum 14 mit heißem Fluidum beschickt wird. Irn allgemeinen schäumt bei Betriebsbeginn
-,das thermdplastische Material meist - schon in dieser Zone 4, also vor der Strangverpressung,
auf -und liefert dadurch ein minder gutes Strangpreßprodukt: So',bald--das._thermoplaetischc
Material aber den Zy-
linder frei durchfließt, wird Kühlmittel :durch
--den
Mantelraum 14 geschickt, um das Material zu kühlen und dadurch
am Aufschäumen vor Austritt aus dem Spritzkopf 10 zu hindern. Zu -diesem Zweck werden
Temperatur und Druck in der Zone 4 sowie Eingabegeschwindigkeit und Konzentration
der normalerweise flüssigen Substanz in geeigneter Weise aufeinander abgestimmt.
Die Abkühlung darf nicht so weit gehen, daß etwa die Produktionsgeschwindigkeit
ernsthaft absinkt oder im Zylinder 6 und im Spritzkopf 10 übermäßige, die Anlage
beschädigende Drücke entstehen. Die Misch- und Kühlzone 4 besitzt eine solche Länge,
daß thermoplastisches Material, porengrößeregelnde Zusätze und niedrigsiedende,
normalerweise. flüssige Substanz homogen vermischt werden und diese Mischung gleichzeitig
so weit abgekühlt wird, daß im Zylinder 6 oder im Spritzkopf 10 kein Aufschäumen
eintritt.
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Um die Misch- und Kühlleistung der Zone 4 zu verbessern, kann der
in diesem Gebiet befindliche Abschnitt der Schnecke 7 in der Weise verschieden geformt
sein, daß ihr Kerndurchmesser ein- oder mehreremal wechselt und dadurch Druckschwankungen
in der diese Zone passierenden thermoplastischen Mischung erzeugt werden. Dies zeigt
Fig. 2, in der der Kerndurchmesser der Schnecke in der Zone 4 zunächst zunimmt,
danach abnimmt und schließlich vor Ablieferung der thermoplastischen Mischung an
den Spritzkopf 10 nochmals stärker wird. Die so erzeugten Druckschwankungen
erhöhen den Mischeffekt dieser Zone 4.
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In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform einer Strangpreßanlage dargestellt,
die bezüglich Raumersparnis und besserer Antriebs- und Kühlmittel Vorteile bietet.
Diese Anlage eignet sich vor allem für hohe Durchsatzleistung, die bei Anlagen mit
nur einer Förderschnecke wegen ihrer übermäßigen Torsionsbelastungen nicht erreichbar
wäre. Gemäß F i g. 3 sind zwei Zylinder 16 und 17 vorgesehen, die durch ein Kniestück
18 verbunden sind, das sich in Axialrichtung an das Abgabeende des ersten Zylinders
16 anschließt und seitlich und oben in das Einlaßende des zweiten Zylinders 17 einmündet.
Die erste Förderschnecke 19 im ersten Zylinder ruht einseitig in einem Lager 20
und wird von einem Motor 21 angetrieben. Auf dieser Lagerseite ist auch der Eingabetrichter
22 vorgesehen. An einem Zwischenpunkt längs des ersten Zylinders 16 ist ein bis
ins Zylinderinnere reichendes Einspritzrohr 23 angesetzt. Vom Trichter 22 über das
Einspritzrohr 23 hinweg bis zum Abgabeende hin ist der erste Zylinder 16 mit elektrischen
Heizbändern 24 umgeben. Um den hohen Druck zu schaffen, der zum Durchpressen des
thermoplastischen Materials durch das Kniestück 18
hindurch und in den zweiten
Zylinder 17 hinein erforderlich ist, kann das Abgabeende der Schnecke 19 einen stärkeren
Kerndurchmesser besitzen.
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Der zweite Zylinder 17 ist mit einem Mantel 25 nebst Ein- und Auslässen
26 für umlaufendes, temperaturregelndes Fluidum versehen. Am Abgabeende dieses zweiten
Zylinders sitzt ein Spritzkopf 27, und im Zylinderinneren befindet sich eine zweite
Förderschnecke 28, die am spritzkopffernen Ende einseitig in einem Lager 29 ruht
und von der Antriebsvorrichtung 30 angetrieben wird. Sie ist mit Kanälen 31 für
Kühlmittelzirkulation versehen. In ihrer Gewalt entspricht sie praktisch dem Schneckenabschnitt
in der Misch- und Kühlzone 4 gemäß Fig. 1, kann aber auch gemäß F i g. 2 ausgebildet
sein.
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Die Strangpreßanlage gemäß F i g. 3 arbeitet im allgemeinen ebenso
wie die in F i g. 1 dargestellte. Ersichtlicherweise werden aber die beiden Förderschnecken
19 und 28 gesondert voneinander angetrieben und erleiden daher keine übermäßigen
Torsionsbeanspruchungen. Außerdem sind zwecks Erzielung wirksamer Kühlung noch zusätzliche
Kühlmittel, nämlich die Kanäle 31 in der zweiten Förderschnecke 28, vorgesehen.
Um die Drehzahlen der beiden Förderschnecken 19 und 28 aufeinander abzustimmen,
ist ein Druckmesser P am Kniestück 18 angebracht. Dadurch lassen sich im System
übermäßige Drücke, beispielsweise bei zu schnell umlaufender, erster Förderschnecke,
vermeiden. An Stelle des Druckmessers kann auch ein druckabhängiger Grenzschalter
vorgesehen werden, durch den die Drehzahl des Motors 21 und der Schnecke 19 und
dadurch wiederum der Abgabedruck nach dem zweiten Zylinder 17 hin erhöht oder vermindert
wird. Eine geeignete Anordnung dieser Art würde aus zwei druckgesteuerten Mikroschaltern
bestehen, von denen der eine bei Erreichen der unteren und der andere bei Erreichen
der oberen Druckgrenze betätigt würde. Diese Mikroschalter würden dann ein Vierwegeventil
derart steuern, daß der Kolben eines Druckluftzylinders entweder in der einen oder
in der anderen Richtung verlagert würde. Der Kolben ist mit Verstellriemenscheiben
verbunden, die den Motor mit der Förderschnecke 28 verbinden, wodurch die Riemenscheibenübersetzung
geändert und damit die Drehzahl der Förderschnecke erhöht oder herabgesetzt wird.
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Als günstige Betriebstemperaturen haben sich Temperaturen zwischen
177 und 273° C in der wärmeplastifizierenden Zone, zwischen 93 und 149° C und vorzugsweise
zwischen 107 und 135° C in der Misch- und Kühlzone und unter 163° C bei der Strangverpressung
erwiesen.