DE1629368A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Formen von zelligen Kunststoffteilen - Google Patents

Description

DIPL.-ING. F.Weickmann, Dr. Ing. A-Weickmann, DIPL-ING-Dipl.-Phys, Dr. E. FiNCKE Patentanwälte

8 MÜNCHEN 27, MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 483921/22

The Eiovj Chemical Company, iiidland». Michigan, USA -

Verfahren und Vorrichtung zum Formen von. ■ zelligen Kunststoffteilen :

Lie -vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Formen von Kunststofftexian·aus ■ aufschäumbaren Thermoplasten,, wie Jz.B, aus Polystyrol*

Aufschäumbare thermoplaaten werden oft in Form von kleinen Körnern.,angeliefert, die dann durch Erhitzen auf ein Vielfaches-xtirWs normalen Volumens expandiereni Qeschieht dfe Expansion in einer geschlossenen-lOrrn» dann drücken die ■ expandierten Körner gegen die Wand dieser P¹Ormiärid man j 009884/1758

erhält Formteile mit einer gewünschten Form·

Ein bekanntes Verfahren zum Erhitzen und Aufschäumen von thermoplastischen Körnern besteht darin» daß man in eine Form» in der vorexpandierte Körner eines Polymers, wie z.B, Polystyrol eingefüllt sind, Dampf einspritzt. Der Dampf gibt direkte Wärme an die Körner weiter, so daß diese expandieren und die gewünschte Form annehmen. Danach wird das geformte Teil im Allgemeinen durch Kühlen der Form mit einem Kühlmittel abgekühlt. Ein besonderes Merkmal von expandierten Polystyrej&teilen ist deren - ausgezeichnete wärmeisolierende Eigenschaft» Dadurch nimmt . das Abkühlen der geformten Teile eine verhältnismäßig lange Zeit in Anspruch. Bevor das geformte Teil aus der Form genommenwerden kann, muß im allgemeinen bis zu zwanzig Minuten und: mehr gekühlt werden*

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, diesen Nachteil auszuräumen. Zu diesem Zweck bringt sie Mittel zum Abkühlen des geformten Teiles nach dessen Expansion in Vorschlag, indem man ein Vakuum in den Wänden der Form aufrechterhält, um den Kühlvorgang zu beenden. Dieses Vakuum bewirkt,, daß das bei der Dampfeinspeisung gebildete Kondenswasser von dem Formteil abgezogen wird. Gleichzeitig wird Luft durch die Form gesofcei?_% was den Abzug das Was.» sers von dem Formteil weiter begünstigt» Die Verdampfung das Kondenswasser nimmt schnell die Wärme von, der Form weg, so daß das geformte Teil schneller als gewöhnlich aus der Form herausgenommen werden kann· Gemäß dem vor-

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liegenden Verfahren fcaan das Koiiäeiiswasser aus: den Fugen abgezogen w.orden. Dadureiiliuilt das geformte Teil einheitlich ab and der Wassergehalt des geformten Teiles wird ■wesentlich reduziert./ . _. · .-. _ ■ "--. .;.. - V .... , - _: -

■3iii Merkmal und Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Formteil herausgenommen werden kann» ohne daß eine Kühlung der Form nötig ist» da die Kühlung im wesentlichen durch adiabatische Expansion und Verdampfung innerhalb äer Form und nicht durch v/ärmeabfuhr über den Formkörper vor sich geht. Dies ist sehr wichtig für die Verkürzung des ürbeitszyklusyBuf einanderf olge-ider Arbeu tsgänge, da der Formkörper auf einer relativ hohen Temperatur gehalten werden kann und nicht für jeden Formvorgang wieder aufgeheizt werden,muß. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das geformte Teil also schneller herausgenommen werden als bisher bekannt. Darüber hinaus kann die Form fast nahezu auf Formtemperatür gehalten werden» so daß die Aufeinanderfolge der einzelnen '.Cxpansionsvorgänge seitlich schneller vor sich gehen kann als bisher. ' .-,

Dievorliegende Erfindung betrifft ebenso ein Futter an I ■■der··-Innenseite der Form, das porös ist und ausreichend hart, um dem Druck des expandierten PolystyriL zu widerstehen ohne zusammenzufallen und das an den Oberflächen des geformten Teiles Luftwege bildet, durch die Luft strö-

■ inen kann« . . . . . ■■ ι

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Bin weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Futter an der Forminnenfläche eine Wärmeisolierung zwischen dem Formkörper und dem expandierten Erzeugnis bildet. Das poröse Futter wirkt also wie eine Wärmeisolierung zwischen der warmen Form und dem auskühlenden Erzeugnis, so daß währenddes Kühlena zwischen diesen beiden ein minimaler Wärmeaustausch stattfindet.

Die Erfindung sieht weiter ein Verfahren zur Expandierung von Polystyrol oder anderem schäumbaren thermoplastischen Material in einer Form-vor, bei dem der injizierte Dampf zunächst so eingestellt wird, daß ein erster vorbestlTnmteT Druck in der Form entsteht, erster Druck, welcher größer ist, vorziigsweise zweimal so groß, als der in dem Endprodukt erwünschte Druck. Hierauf wird der Dampfdruck auf ein solches Maß herabgesetzt, daß der Druck des Produktes gegen die Formwandung auf das gewünschte Maß absinkt. Durch diese Methode wird eine verstärkte Wanderung des Flüssigkeits gehaltes innerhalb des ausgeformten Erzeugnisses in Richtung auf die Formwandung hin erzielt, verstärkt, gegenüber der auf andere Weise erzielbaren Flüssigkeitswandelrung. Erfindungsgemäß kann so ein größerer Prozentsatz des Dampf- · kondensates aus dem ausgeformten Produkt mit Kühlwirkung; verdampft werden, wenn das Vakuum und die Luftspülung eingesetzt werden. Auch hat das Endprodukt, dann einen geringeren Wassergehalt und ein günstigeres Diohteverhaltnis, So wurde gefunden , daß das unter Beachtung vorstehend erwähnter Verfahrenschritte hergestellte Produkt in seinem Zentralbereich eine wesentlich geringere Dichte hat als in dön peri'pheren Bereichen.

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■Weitere Einzelheiten und Vorteile- der Erfindung gehen aus der nachfolgenden BeSchreibung in Verbindung mit' äeti -freiliegenden Zeichnungen hervor«■ Die Zeichnungen stellen darί

Pig. 1 ist eine raumMldliche Darstellung einer-."Portttmaächine gemäß der Erfindung. ;

Pig. 2 ist eine Seitenansicht der Formmaschine nach Pig. t. ','.-"■■'.'■■-

Pig. 3 stellt einen !Geil der Innenfläche der form Mt den [Dampfzuleitungen dar. .

Pig-. 4 ist eine Sehnittansiöht einer iiuftzufuhr und Zuleitung in der Pormwand gemäß r3er Erfindung*

Pig. 5 ist eine Detailschnittaiisioht und zeiget das poröse Putter zwisehen dem geformten ieil und der ■ Porta sowie die in die sera Putter eingeiagBrten Kanäle,

Pig/ 6 1st eine schematisehe Darstellung der Steuervörrichtung der Ponnmasqhinei gemäß der Srfiiidung* ^

Pig. 7 ist eine raiimfrildliohe Darstellung eines;mittels der Maschine nach Pig. iund 2 hergestellten Porm* teiles*

In fg. 1 und 2 tat als ""Beispiel eine Porrnrnasohine A mit-

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zwei Formkästen· 16* 15 "dargestellt, die in 18 aneinandergelenkt sind, so daß sie in geschlossenem Zustand einen quaderförmigen Hohlraum bilden« in dem ein Formteil B-ausgeformt werden kann* Die Stirnwände der Formkästen I5«l6 sind in. 19 bzw· 20 diagonal zugeschnitten, so daß bei auseinandergeklappten Formkästen 15« 16 eine große Öffnung gebildet wird. Diese große Öffnung ist günstig für das

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Herausnehmen.der Formteile B* Zum Schließen und ffnen der Formmaschine sind pneumatische Zylinder 23, 2h vorgesehen. Die Seitenwand-28 des Formkasten 15 ist in 29 gelenkig gelagert und kann nach oben geöffnet werden. Durch diese so gebildete Einfüllklappe 28 können thermoplastische ι aufschäümbare teilchen 30 aus einer Dosier-Vorrichtung 31 eingefüllt werdent Zum Öffnen und Schließen der Klappe 28 ist eine Hydraulik 32 vorgesehen.

Die so beschriebene Formmaschine ist an sich bekannt und dient nur zur Erläuterung der Erfindung· Gemäß dieser .Erfindung sind an der·Außenseite ^l der beiden Formkästen 15* 16 mehrere DampfZuleitungen ^O ängeOrdnet· Jede dieser Dampfzuleitungen ^Q ist über ein Ventil ^3 an eine Dampf- ■ Sammelleitung kh angeschlossen« Wie in Fig· 3 und h dargestellte weisen die Dampfzuleitungen kö in der Außenwand j+l eingearbeitete Dampf düsen 45 auf. In die Dampfsainmelleitungen kk wird von einer Dampfquelle kB über ein Steuerventil "If9' C^ig· 6) Dampf unter Druck eingespeist· Dieser _ Dampf gelangt danni über die Zuleitungen ¹I-O und die Dampfdüsen ^5 in den Formrcnim»

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Die gesamte Inneiiflache" $0 des Forinraumes der Formmaschine A ⁴st mit einem Futter j~L> aus gewobenen Glasfasern ausgekleidet, . das. an der Inaenf lache"50 ""mittels eines Harzes. 52 oder cdiäere-'i Binders ausreichender Dichte befestigt ist, der aber nicht die Zwischenräume zwischen den. Fasern: anfüllt und das Futter- auch nicht impermeabilisiert· Zu diesem Zweck sind Epoxyharze ganz besonders gut ge- . .eignet» Ip. der Viand k 1 sind ferner Luf teinlaßöffnungen vorgesehen, die vorzugsweise in regelmäßigem Abitänd von den Dampfdüsen h5 entfernt angeordnet sind« Ebenso weist das Futter 51 Öffnungen 56»57 auf,- die sich jeweils: mit den Öffnungen *+5» 55 decken, «.n das ßteuervehtil ^9 ist ferner eine Valiuumpumpe 60. auge schloss en, die somit auch an die DampfSammelleitung hh und an die Zuleitungen angeschlossen werden kann. Das Steuerventil ^stallt wahlweise eine Verbindung der DampfSammelleitung hk mit der Dampfquelle ^S oder mit der Vakuumpumpe 60 her. ■

Die Arbeitsweise der Formmaschine gemäß der Erfindung ist am besten anhand der Fig. 2 vers-tändlich· Bei geschlossenen Formkästen 15» 16 und bei· offener Klappe 28 werden Teilchen 30 einer aufschäumbafenThermoplaste, wie .z.B. .Polystyrol, mittels einer loslervorrichtuiig eingefüllt. Die Klappe 28 wird geschlossen, und das Steuerventil ^9 laßt Dampf aus der Dampf quelle ^8 in, die Dampf Sammelleitung kk und von dort aus in die Zuleitungen ^O und Dampfdüsen h5 strömen· Der Dampf erwärmt die Teilchen 30 und

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"bewirkt, ,daß sie expandieren -und einen Druck auf die Wände der form ausüben. Die einzelnen Teilcüezi agglomerieren zu einem zelligen Körper, und zwar wegen des Druckes zwischen den Teilchen und der hohen Temperatur, bei der die Teilchen der .Thermoplaste aneinanderhaften. Die Dampfmenge wird durch das Steuerventil 49 in Einklang mit einer noch zu beschreibenden Regelmethode geregelte

Sobald das geformte Teil B sich um den gewünschten Betrag expandiert hat, wird die Vakuumpumpe 60 mittels des Steuerventils 49 an die Zuleitungen 40 angeschlossen. Dadurch kann jetzt Luft durch die Öffnungen 55 durch das Putter 51 hindurch ein- und durch die Dampfdüsen 45 abströmen. Dabei nimmt äie Kondenzwasser und Wasserdampf aus der Form mit· Dieses Abziehen des Kondenswassers und des Wasserdampfes aus der Form bewirkt ein schnelles Abkühlen der Polymere auf eine Temperatur unterhalb ihres Wärmeverzuges ο -

In den Sammelleitungen 44 wird vorzugsweise ein-solches Vakuum erzeugt, daß ein Druckabfall von 12,5 bis 25 cm (5 10 in) Quecksilbersäule zwischen den Öffnungen 55 und 45 entsteht, wodurch das restliche, von der Dampfinjektion herrührende Wasser verdampft wird. Es hat sich gese-igt, daß bei zu großem Vakuum das geformte Brzeufnis in nioh Kunammenfallen kann. Ist das Druckgefalle größer als 25 cm Quecksilbersäule (10in), ·

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dann hat man einen Energie verlast ohne ein entsprechend besseres Ergebnis. ,

Das Glasfaserfutter soil eine ausreichend starre Struktur haben» so daß- es dem Druck des expandierten Teiles B standhält und die Luftlöcher 55 in dem Futter beibehalten werden. Dieser Druck schwankt im allgemeinen' zwischen 0*77 und 1,75 kg/cm² (11 - 25 lb/sq in). Auf diese Weise ist das aus den Glasfasern gebildete Futter sowohl als Formfläche als auch als Leitung für die Luft durch es hindurch wirksam. Die "Vaporisationswärme in Verbindung mit dem Wasserabzug bewirkt ein schnelles Abkühlen der Oberflächen des geformten Teiles B. Gleichzeitig ist es wegen der adiabaten Expansion nicht notwendig, die Formwand 1+1 zu kühlen.»Gemäß der Erfindung wird das geformte Teil B in einer Zeit von ca. zwei bis drei Minuten soweit abgekühlt, daß es aus der Form herausgenommen werden kann. Demgegenüber ist bei den herkömmlichen Verfahren eine Abkühlzeit £von ca. zwanzig Minuten bei gleicher Grö& des Teiles B nötig. Das fertig geformte Teil B wird dann aus der Form A herausgenommen, wenn seine Temperatur ent^· sprechend gesunken ist.

Bisher ist nur beschrieben worden, daß die Dampfzuleitungen Mo an den großen Seitenwänden ^l der Form vorge- _; sehen sind. Es ißt aber gemäß der Erfindung ebenfalls vorteilhaft, solche Zuleitungen §70,71 an #en Stirn-

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und Seitenwänden vorzusehen» um eine bessere Dampf- und Vakuumverteilung in der Form zu erzielen.

Für das Futter 51 ist vorzugsweise eine gewobene Glasfasermatte vorgesehen worden. Zur'Ausfütterung der Form können aber auch zahlreiche andere, poröse. Stoffe v3rwer.cK.-werden. Das Hauptmerkmal dieses Stoffes muß nur sein» daß er Kanäle in der Fläche zwischen den Lufteinlaß- und auslaßöffnungen unter dem Druck des expandierten Polymers erhält. Ein solcher Stoff kann Sintermetalle oder gewebte Fasern oder andere poröse Stoffe aufweisen. Für ein störungsfreies Arbeiten der Formmastoine ist es wünschenswert, daß die Oberfläche des Futterstoffes nicht mit cfem geformten Teil B-verhaftet. Gespannte Glasfasern, haben sich dafür als geeignet erwiesen_o

Gemäß der vorliegenden Erfindung können bessere Formteile B dadurch erzeugt werden, daß man das Steuerventil k'9 während des Dampfeinströmens steuert. Dies kann z»B» so durchgeführt werden, daß man den von dem Formteil B ausgeübten Druck mittels eines Druckmessers 80 mißt» am somit den Druck des Polystyr©» gegen die Forminnenwände festzustellen. Ein großes Dampfvclumen wird durch das Steuerventil *+9 in die Form eingespeist, bis der Druck des Formteiles B gegen die Formwand größer ist (normalerweise ungefähr . zweimal so groß) als der gewünschte Druck des Teiles B. Dann wird das Steuerventil teilweise geschlossen» so daß

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äer Dampfstrom in die Form verringert wird und der Druck auf eine Höhe dm Bereich des gewünschten Enddruekes abfallen-l:annο Während dieses Verfahrensabschnittes expandiert das Polymer vom Mittelpunkt ,des Teiles B aus "nach außen,so daß die Dichte des Teiles B in seinen Handbereichen vom Mittelpunkt zum Rand hin das Wasser in die-Randbereiche des Teiles B treibt, wodurch ein schnelleres Abkühlen infolge, des niedrigen Druckes in dem futter 51 während der Evakuierung ermöglicht wird. Beim Formen von Polystyroltafeln hat es sich ζ «Β« herausgestellt', daß es wünsehenswert ist, den, Dampfdruck bis auf 1,75kg/cm zu bringen, wobei ein Enddruck ■ gegen die Formwäiide von 0.77 kg,/cm erreicht werden soll. Danach wird der Dampf strom vermindert, bis der Druck des lOrmteiles B gegen die Formwände bis auf ca. 0*77 kg/cm^abfällt. Schließlich wird zum.Abkühlen ein Vakuum gebildet und das fertige Teil B-. dann aus der Formmaschine A herausgenommen ο

Wenn die Erfindung aücli am Beispiel des Polystyrols erläutert worden is't, so Icöimeii dbcl: viele andere aufsehäumbare Thermoplasten verv/endet '.-»'erden," die bei großer '.Tarne auf sehi'umen und einen se lügen Körper bilden. Das Verfahren gemäß der Ei· fin dung' kann verwendet werden für das Formen von zelligen Körpern a.us Polystyrol, Polyvinylchlorid, Viii7l-Vin7;3 idenchloriuuischpolj^neren, Polyacrylester, Poiynie th^orylest^r, Styrpl-i.IethyliiiethaGrylatmiQOnpolymeren, Styrol-AcrylnitrilmischTJGlymeren oder Stjrrol-Kautschuk-

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misehpolymeren (Natur-· oder Syntheselmutselrafc).; Thermoplastische HarjzpOlymere und Copolymere von alkenylaromatisehen Verbindungen der Benzolreihe sind ganz "besonders gut geeignet. Beispiele für solche alkenylaromatisehe Harze sind feste Homopolymeren von Styrol, Yinyltoluol, Vinylxylol, ar-Äthylvinylbenzol, Isopropylstyrol, tert-Butylstyrol, ar- Chlorstyrol, ar-Dichlorstyrol, ar-Fluorstyrol, ar-Bromstyrol, ferner-die festen Mischpolymeren von zwei oder mehr solcher monoviny!aromatischer Verbindungen und festen Ilischpolymeren von einem oder mehreren solcher monOvinylaromatischer Yerbindungen und einem geringen Zusatz von beispielsweise 1 bis 30 Gew.-73 anderer, leicht mit ihnen mischpolymeri- . sierbarer olefinischer Verbindungen, wie. 2.B₀ /Icrylnitril, Methylmethacrylat oder Äthylacrylat,

Die Polymere können durch einen Zusatz eines Schaumbildners aufschäumend gemacht werden. Dies kann dadurch geschehen, daß man das Monomer in Gegenwart eines Schaumbildners polymerisiei't oder daß man die Polymerköriaer mit ennora Schaumbildner unter Druck imprägniert. Geeignete Bchnumbildner 'Rind flüchtige, organische Stoffe, wie z.B. gesättigte,. •■•31-phatische Kohlenwasserstoffe mit 4 bis 7 KohlenstOffatomen in Molekül. Darunter fallen Butan, Pentim, Bocm, Heptan, Zyklohexan, PerchlorfluorkohlenWasserntoffe, wie ¹IChI or-· difluormethan, Trichlorfluormethn.n, lioiioalilortrifluorrnethan, Tetrachlordifluoriithan, Dioiilori-etra.fluoräthan oder l.Ionochlorpentafluoräthan. Das aiifjichöumbare Polymer

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enthält -vorzugsweise zwischen -3 und:. E5 §ewieftt;spr&2ieniJ eines

Oftmals irann es viüHsoiienswert aein, PolyraerfcÖrner zu τθγ-wendeii, a±e schon "teilweise expandiert sind^ "beTror. sie in die Iqrmmaseiiiiie eingefüllt werdert_o Solohe:\yoV3m£gßschäumte Kö2?ner !tonnen erzeugt werden durch Iriiitzeii de*r KÖriier, die einen Schaurabildner enthalten, auf .eine^ Temperatur olaevhaTb ihres Schmelzpunktes und über dem Siedepunkt des Schauxabildners*

.- Patentansprüche —

Claims (8)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Ausformen von Kunststoffgegenständen mit Zeilstruktur durch Einfüh ren von Dampf in eine form,,welche eine Aufschüttung schaumfähiger, thermoplastischer Polymerkörner enthält zwecks Erhitzens und Expandieren^ der Polymerkörner und durch anschliessendes Anlegen eines Vakuums an die Form und Einsaugen von-luft.in die Form zwecks Kühlung und Trocknung des ausgeformten Kunststoffgegenstands, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfzufuhr zunächst so eingestellt wird, daß ein erster vorbestimmter formdruok entsteht, 3?ormdruck, welcher größer ist flL^s der gewünschte End— formdruok und daß hierauf die Dampfzufuhr in dem Maße reduziert wird, daß der Gewünschte Endformdruck sich, einstellte

2. Verfahifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet;, daß Polystyrol verarbeitet wird«

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3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste vorbeetimnte Forffldruek ungefähr zweimal so groß ist ale der gewünschte Endformdruck.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daS der erste vorbestimmte Pormdruck

ca. 1,75 kg/cm und der Endforadruok ca. 0,77 kg/cm ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß torgesohäumte Körner in die Form eingefüllt werden.

6. Einrichtung zur Durchführung dee Yerfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an einem auf-schließbaren Formgehäuse (15» 16) außenseitig eine Vielzahl von DampfSammelleitungen (40) angeordnet sind, daß Dampföffnungen (45) die Wand des Formgehäuses durchsetzen und dessen Inneres mit den Dampfsammelleitungen (40) verbinden, daß eine Vielzahl von?LufteinlaSoffnungen an dem Formgehäuse (15, 16) vorgesehen sind und daß die Innenwandung dee Formgehäuses, mit einer porösen Auskleidung (51) versehen X3t_r welche Kanäle sowohl zwischen den Luftöffnungen (55) und den Dampföffnungen (45), als auch zwischen

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den Luft- und Mmp£9ffnungen (45» 55) und dem Ismen« raum des formgehäuees(15» 16J freilassen.

7. Einsiöbtung aaos Anspruch 6, gekemazeichnet Auren eine Uttsohaltvorriehtung (49)» we !ehe wahlweise den AnschlaS

Sa@@f«ai3aelIeituQ$en (40) am oine Dampf quelle und gestattet.

8. Sins-ieiitung ^acih einem der Imprüälie 6 und 7» gekennseictoet durch eine Dosiereinrichtung (31) f&r die 2u£a"b@ der ESm*r (30) in das

9» Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bie 8, dadurch gekennzeichnet. daS die Ausklelduag (51) τοη einer Glasfasermatte gebildet ist.

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