DE1919748A1 - Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffen aus AEthylenpolymerisaten - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffen aus AEthylenpolymerisaten

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Description

Badische Anilin- & Soda-Fabrik AG - *j 9 1 9 7 4 8
Unser Zeichen: O.Z. 26 139 Ks/GP 6700 Ludwigshafen, 17.4.1969
Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffen aus Äthylenpolymerisaten
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffen und Schaumstoff-Formkörpern, bei dem Äthylenpolymerisate, die ein Treibmittel und ein Vernetzungsmittel enthalten, in Formen erhitzt^und expandiert werden.
Bei der bisher allgemein üblichen Methode zur Herstellung von Schaumstoffen aus Äthylenpolymerisaten verwendet man als Treibmittel gasabspaltende Substanzen, die den Äthylenpolymerisaten " bei einer Temperatur zugemischt werden, bei der sich die gasabspaltenden Treibmittel noch nicht zersetzen. Die Äthylenpolymerisate können außer dem Treibmittel auch Vernetzungsmittel enthalten. Aus dem Gemisch werden dann in gasdichten, druckfest schließenden Formen bei einer Temperatur, bei der sich die Treibmittel zersetzen, Vorformling hergestellt, in welchen die Gase gelöst sind, die bei Zersetzung des Treibmittels entstehen. Das Gemisch muß dann unter Aufrechterhaltung des Druckes abgekühlt werden. Man erhält einen blähfähigen Vorformling, der duch Erwärmen auf mäßig erhöhte Temperatur, z.B. 30 Min. auf 1300C, aufgeschäumt wird. Die so erhaltenen Schaumstoffe sind sehr feinzellig. · M
Ein wesentlicher Nachteil dieser häufig als Hochdruck-Preßverfahren bezeichneten Methode besteht darin, daß man den Vorformling bei 170 - 200 C in einer gasdichten Form herstellen und ihn auch in der Form abkühlen muß, damit die aus .dem Treibmittel stammenden Gase im Vorformling gelöst bleiben. Man ist also gezwungen, in einer Form periodisch die Gemische aus Äthylenpolymerisaten und
o Gase im Vorformling gelöst bleiben. Man ist also gezwungen, in
•c- Treibmitteln zu erwärmen und abzukühlen. Dieses Verfahren bedarf
^. daher eines relativ hohen Zeltaufwandes.
OT Aus der deutschen Auslegeschrift 1* 208 488 ist ein Verfahren zur Herstellung von vernetzten Schaumstoffen aus Olefinpolymerisaten bekannt, bei dem als Vernetzungsmittel Peroxide verwendet werden, 504/68 - 2 -
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deren Zerfallstemperatur höher liegt als der Zersetzungspunkt der Treibmittel. Da hierbei das Verschäumen bei einer Temperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur des Vernetzungsmittels vorgenommen wird, laufen der Verschäumungs- und der Vernetzungsvorgang· weitgehend getrennt voneinander ab. Man erhält zunächst einen Schaumstoff, der einen sehr engen Schmelzbereich aufweist und erst durch Erhitzen auf höhere Temperatur vernetzt wird. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß die Schaumstoffe im allgemeinen beim Vernetzen schrumpfen.
Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren aufzuzeigen,nach dem man Schaumstoffe aus Äthylenpolymerisaten in technisch einfacher , Weise in einer Preßform herstellen kann. Die genannten Nachteile der bekannten Verfahren, wie Abkühlen des Vorformlings in der gasdicht schließenden Form sowie ein getrenntes Expandieren des vorgeschäumten Materials sollten dabei vermieten werden.
Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe gelöst wird, wenn man Treibmittel verwendet, deren Zersetzungspunkte höher liegen als die Zersetungspunkte der als Vernetzungsmittel verwendeten Peroxide, die Äthylenpolymerisate in einer gasdicht schließenden und zunächst praktisch keinen Gasraum aufweisenden Form auf Temperaturen oberhalb des Erweichungsbereiches der Äthylenpolymerisate und oberhalb des Zersetaingspunktes der Treibmittel und der Vernetzungsmittel erhitzt, das Volumen der Form auf das j5-t>is 20 fache des Volumens der entstandenen blähfähigen Schmelze vergrößert und den Schaumstoff in der Form außerhalb der Presse abkühlen läßt.
Unter Äthylenpolyraerisaten im Sinne der Erfindung sollen kristalline Polymerisate verstanden werden, deren· Röntgenkristallinität bei 25°C über 25 % liegt. Für das Verfahren eignen sich Hpmoo polymerisate des Äthylens bzw. Copolymerisate, die mindestens ° 50 Gew.% Äthylen einpolymerisiert enthalten. Man verwendet z.B. Copolymerisate des Äthylens mit anderen Olefinen, wie Propylen cn oder η-Buten oder mit anderen äthylenisch ungesättigten Monomeren. __> Geeignet sind außerdem Copolymerisate des Äthylens mit 5 bis ^ 30 Gew.% Estern der Acryl- oder Methacrylsäure oder Vinylcarbonsäureestern, ferner Copolymere, die durch Copolymerisation von Äthylen und tert.-Butyl- bzw. Isopropylester der Acryl- oder Methacrylsäure erhalten werden. Die Hersteliungsbedingungen der
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Polymerisate werden so gewählt, daß ein Teil der einpolymerisierten Acrylsäureester z.B.im Falle des Acrylsäure-tert.-butylesters unter Isobutylenabspaltung zur Bildung eingebauter freier Säuregruppen führt. Die Äthylencopolymeren enthalten dann 0,1 bis 7 Mol$, vorzugsweise 0,2 bis 5 Mol#, Carbonsäuregruppen in einpolymerisierter Form. Geeignet sind ebenso auch chlorierte Äthylenpolymerisate mit einem Chlorgehalt von ca. 15 - 45 Gew.#.
Als Vernetzungsmittel kommen vor allem organische Peroxide in Betracht. Man wählt jedoch nur solche Peroxide aus, die bei der vorgesehenen Temperatur des Vermlschens von Äthylenpolymerisaten, Treibmitteln und Vernetzungsmitteln noch keine oder nur eine sehr geringfügige Vernetzung des Äthylenpolymerisates hervorrufen. Hierfür eignen sich besonders Produkte, die erst bei relativ hoher Temperatur, vorzugsweise bei Temperaturen von 10 bis 80°C über dem Erweichungsbereich des Polymeren die Vernetzung bewirken, z.B. l,3-Bis-(tert.-Butylperoxy-isopropyl)-benzol, Di-Cumylperoxid und tert.-Butylcumylperoxid. Im allgemeinen werden 0,05 bis 2,5 Gew.%, vorzugsweise 0,1 bis 1,5 Gew.% Vernetzungsmittel, bezogen auf das Polymerisat, verwendet.
Als Treibmittel haben sich insbesondere die chemischen Treibmittel bewährt. Es handelt sich dabei vor allem um feste Verbindungen, die sich bei höheren Temperaturen unter Bildung gasförmiger Spaltprodukte zersetzen oder Gase abgeben. Vorteilhaft wählt man solche Treibmittel, deren Zersetaingspunkt ungefähr 15 bis 1500C oberhalb des Erweichungsbereiches des Kthylenpolymerisates liegt. Die Zersetzungstemperatur des Treibmittels soll zweckmäßig 5 bis TO C über der Zersetzungstemperatur des Vernetzungsmittels liegen.
Unter dem Erweichungsbereich von Äthylenpolymerisaten wird auch. der Kristallitschmelzpunkt oder Erweichungspunkt eines PoIymerisates verstanden, wobei als Bezugstemperatur die Urtergrenze ^ des Erweichungsbereiches gilt.
\ Für das erfindungsgemäSe Verfahren können beispielsweise als I^ . Trei.mittel verwendet werden: Azodicarbonamid, p-Carbomethoxy- !I-nitroso-N-methylbenzamid, Azoisobutyronltril, N,N!-Dinitrosooo
pentamethyletitetramin, N-Nitroso-N-alkylamide von aromatischen Γι car cons Kurer., trans-N,N! -Γΐπΐ troso-Μ,Ν' -dimethylhexahydrotpre-
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phthalamid, N,N1-Dinitroso-Ν,Ν'-dimethylterephthalamid und N,N1-Dimethyl-Ν,Ν'-dinitrosoterephthalamid und Diphenylsulfon- ~5,y -disulfohydrazid.
Die Treibmittel sind in den Teilchen in Mengen zwischen 2 und 25, vorteilhaft 5 bis 15 Gew.%, bezogen auf das Polymerisat, enthalten.
Bei der Herstellung der blähfähigen Partikel kann man die verschiedenste! Zusätze beifügen, z.B. Farbstoffe, Füllstoffe, Gleitmittel, Pigmente, Flammschutzmittel, Fasern (Glasfasern), inerte Füllstoffe, Blähtonpartikel und Polymerisat wie Isobutylen.
Äthylenpolymerisate, Vernetzungsmittel, Treibmittel und gegebenenfalls Zusätze werden in den üblichen in der Kunststofftechnik angewendeten Mischaggregaten homogenisiert. Die Gemische, die zur Weiterverarbeitung zu Schaumstoffen vorliegen, können Walzfelle von 1 bis 10 mm Dicke darstellen, wie sie beim Abnehmen von Kalandern oder Mischwalzwerken erhalten werden. Man kann aber auch von Gemischen ausgehen, die in Form von Granulatteilchen, Strängen oder Teilchen unregelmäßiger Gestalt vorliegen. Bei Herstellung der Mischungen ist in jedem Fall die Voraussetzung zu erfüllen, daß die Äthylenpolymerisate genügend plastisch erweicht sind, so daß eine homogene Durchmischung möglich ist. Für diesen Mischvorgang wählt man eine möglichst niedrige Temperatur, bei der die Voraussetzung erfüllt wird, daß noch keine oder-nur geringfügige Zersetzung des Vernetzungsmittels eintritt. Da der Zersetzungspunkt des Treibmittels, das für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird, höher als der Zersetzungspunkt des Peroxides liegt, beobachtet man beim Mischen noch keine Gasabspaltung aus dem Treibmittel.Die Mischungen können besonders rationell im Extruder hergestellt werden, weil man sie sehr leicht in Granulatform erhalten kann. Die Komponenten werden im allgemeinen bei Temperaturen zwischen 100 und 1200C gemischt.
Ein wesentlicher \eriahrsTB3chritt fetdasErhitzen der Gemische in gasdicht schließenden Formen.
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Die Abbildung zeigt das Prinzip der Wirkungsweise einer derartigen Vorrichtung. Sie besteht aus einer losen Bodenplatte (2) und aus einem kastenförmigen oder zylindrischen Mittelstück (I)* In dieses Mittelstück kann ein beheizbarer Stempel (j5) bis zu Höhe der vorgesehenen Einfüllung mit dem Äthylenpolymerisat (4) eingeführt werden. In diesem Zustand ist die Form (l) gasdicht verschlossen. Der Stempel ist im Oberteil der Presse (5) befestigt. Die heizbare Bodenplatte (2) liegt auf dem Unterteil der Presse (6) auf.
Zur Durchführung des Verfahrens füllt man das Äthylenpolymerisatgemisch, das ein Vernetzungsmittel und ein Treibmittel in homogener Verteilung enthält, in einer Schütthöhe bis zu ca. 5 cm in der Form (l) der Vorrichtung ein. Hierauf wird der heizbare Stempel (j5) durch Annähern des Oberteils der Presse so in die Form (l) eingeführt, daß praktisch kein Luftraum zwischen der Aufschüttung oder den aufgeschichteten Walzfellen bzw dem Granulat in der Form vorhanden ist. Die Presse wird soweit gesenkt, bis die Form gasdicht schließt. Hierauf erwärmt man die Mischung auf eine Temperatur oberhalb des Zersetzungspunktes des Vernetzungsmittels und oberhalb des Zersetzungspunktes des Treibmittels. Die hierzu notwendige Temperatur hängt von der Zusammensetzung der Äthylenpolymerisate ab. Sie liegt im allgemeinen zwischen l60 bis 220 C vorzugsweise zwischen 170 bis 195 C. Wach genügender Erwärmung des Walzfells bzw. des Granulats, für die man im allgemeinen H-O bis 90 Sekunden pro Millimeter Aufschichtung benötigt, wird der Preß stempel gehoben· Dadurch erhöht sich das Volumen des Innenraumes der Form um ein Vielfaches. Die Art der Volumengrößerung richtet sich nach dem gewünschten Raumgewicht, das der Schaumstoff haben soll. Das Volumen des Innenraumes der Form wird um das 3-bis 20-fache, vorzugsweise um das 5-bis 10-fache des Volumens der blähfähigen
ο Schmelze vergrößert. Die blähfähige Schmelze füllt dann inner-
q
co halb von 1 bis 10 Sekunden den so gebildeten Hohlraum der Form j^ (l) aus. Die Form (l) kann nun aus der noch heißen Presse entnommen werden und bei Raumtemperatur oder durch zusätzliche -* Kühlung, beispielsweise in einem Luftstrom, abgekühlt werden.
Man entnimmt der Form nach dem Abkühlen auf etwa 50 bis 80°C einen sehr homogenen, feinporigen, geschlossenzelligen Schaumstoff vom Raumgewicht 15 bis 150 g/l, vorzugsweise 25 bis 60 g/l. Das Raumgewicht des Schaumstoffs hängt weitgehend.von der Menge -6-
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des zugeführten Treibmittels ab.
Es war überraschend, daß man durch öffnen der Form bei hoher Temperatur einen formstabilen Schaumstoff erhält, weil die Schmelze wegen des hohen Zersetzungspunktes des Treibmittels auf Temperaturen erhitzt wird, bei denen die Schaumstoffe gewöhnlich schrumpfen. Da die Äthylenpolymerisate bei höherer Temperatur geschäumt werden als bei den bekannten Verfahren, benötigt man für das erfindungsgemäße Verfahren nur einen Arbeitsgang und außerdem weniger Treibmittel, um Schaumstoffe mit gleichem Raumgewicht herzustellen.
Ein besonderer Vorteil des Verfahrens liegt darin, daJ3 man bei der Herstellung von Schaumstoffen den Schaumstoff nicht unter Druck in der Presse abkühlen lassen muß. Nach dem Verschäumungsvorgang kann die Form (1) direkt der Presse entnommen werden. In der noch heißen Presse wird in einer anderen Form eine Mischung aus Äthylenpolymerisat, Treibmittel und Vernetzungsmittel erhitzt und geschäumt. Wenn 20 bis jJO Formen zur Verfügung stehen, kann man mit Hilfe einer Presse in wesentlich kürzeren Intervallen als bei den bekannten Verfahren Schaumstoffe, bzw. Schaumstoff-Formkörper herstellen. Die Verweilzeit der Formen in der Presse wird im wesentlÜEn durch die Aufheizgeschwindigkeit der zu verschäumenden Mischung bestimmt.
In der Abbildung ist nur das Prinzip der möglichen Volumenvergrößerung des Forminnenraumes dargestellt. Man kann die Ausführung auch so lenken,daß die Volumenvergrößerung seitlich angeordnet ist oder seitlichunlnadioben. In manchen Fällen kann der Innenraum der Form auch etwas komplizierter gebaut sein, z.B. die Konturen einer Tierfigur, eines Rettungsringes, eines zylindrischen Formkörpers oder eines Verpackungsteiles mit Aus-Q buchtungen haben.
*» Es ist auch möglich, in die Schaumstoffe Gerüstsubstanzen einen
^ zuarbeiten, z.B. Drahtgeflechte, Sfcahleinlagen und Rohre. In ,die ^t Form kann man auch Folien einlegen, die nach dem Aufschäumen cn auf dem Schaumstoff verbleiben, z.B. Metalfolien, bei denen sich ein fester Verbund mit dem Schaumstoff ausbildet. Andererseits können die Sohaumstoffkörper auch nachträglich mit zu-
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sätzlichen Beschichtungen versehen werden. Man kann sie z.B. auch färben, bedrucken, schneiden, bohren, verkleben, beplanken und in Gewebe nähen.
Die Schaumstoffe haben eine hohe Flexibilität, sind biegsam, weich, nicht verrottend, chemikalienfest und gegen die meisten Lösungsmittel beständig.
Aufgrund der geschilderten Eigenschaften ergaben sich sehr weite Anwendungsgebiete. Dabei kann man die bekannten günstigen Eigenschaften von Schaumstoffen ausnützen, z.B. als Isoliermaterial, Einbau von Wandisolierungen, Ausfüllen von Dehnungsfugen, Isolierung von Wasserleitungsrohren, Herstellung von schalldämmenden Zwischenwänden, Fassadenelementen oder Schwimmkörpern aller Art, wie Rettungsflößen. Weitere Anwendungsgebiete sind das Verpackungswesen und Polsterungen bestimmter Art, bei denen eine hohe Energieabsorption erwünscht ist. Außerdem können diese Schaumstoffe im Kraftfahrzeugbau verwendet werden.
Die in den Beispielen genannten Teile sind Gewichtsteile.
Beispiel 1
Aus 6000 Teilen Polyäthylen der Dichte 0,918, mit dem Schmelzindex 1,2, das einen kristallinen Schmelzpunkt von 105 C hat, 24 Teilen l,3-Bis-(tert.-Butylperoxy-isopropyl)-benzol (Zersetzungspunkt 150°c), 15 Teilen Stearinsäure, 200 Teilen Azo- * dicarbonamid (Zersetzungspunkt 18O-2OO°C) und 100 Teilen Talkum wird auf dem -Mischwalzwerk bei 1200C ein homogenes Gemisch hergestellt und in Form von Walzfellen von 2 mm Dicke abgezogen. Drei Walzfelle werden auf dem Boden einer gasdicht schließenden
Metallform gemäß der Abbildung übereinander geschichtet. Die ο
ο Form wird so geschlossen, daß der Abstand des geheizten Stempels ο-, von der Bodenplatte der Form 7 mm beträgt. In diesem Zustand 4^ schließt die Form gasdicht. Man erhitzt die Form 10 Minuten auf ^ 200°C. Dann hebt man den oberen Press-Stempel plötzlich, so daß" -j der Abstand des unteren Teils des Stempels von der Bodenplatte ^ innerhalb von 20 Sekunden auf 100 mm vergrößert wird. Dadurch wird das Volumen des Innenhohlraumes der Form um ein Vielfaches vergrößert. In diesem vergrößerten Hohlraum bildet sich spontan ein sehr gleichmäßiger feiner Schaumstoff vom Raumgewicht 60 g/l
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aus. Die Form wird aus der Presse entnommen und 10 Minuten durch Aufblasen von Kaltluft gekühlt.
Der entstandene,sehr homogene Schaumstoff eignet sich beispielsweise als stoßdämpfendes Material, als Dichtungsmasse, zur thermischen Isolierung von Behältern, als Polstermaterial und im Bauwesen zum Ausfüllen von Dehnungsfugen.
Beispiel 2 · ·
Auf einem Zweiwalzenmischwerk wird bei 1200C eine Mischung aus folgenden Bestandteilen hergestellt : 1 000 Teile chloriertes ^ Polyäthylen, das einen Erweichungspunkt von 850C und ein durchschnittliches Molekulargewicht von 35 000 hat, 25 Gewichtsprozent. Chlor enthält und durch Einwirkung von gasförmigem Chlor auf feinteiliges Hochdruckpolyäthylen hergestellt wurde, 5 Teile 1,3-Bis-(tert.-Butylperoxy-isopropyl)-benzol (Zersetaingspunkt 1500C), 100 Teile N,Nf-Dinitroso-Ν,Ν1-dimethylterephthalamid und 25 Teile Stearinsäure. Das homogene Gemisch wird als Walzfell von 5 mm Stärke abgezogen. ' ■
Zwei Walzfelle werden in eine Form gemäß der Abbildung auf dem Boden übereinander geschichtet. Der heizbare Stempel der Presse wird hierauf bis auf einen Abstand von 1 mm an die Walzfelle angenähert. Dadurch beträgt der Abstand des geheizten Stempels A von der Bodenplatte etwa 1 mm. Die Form wird nun durch Erhitzen « der Bodenplatte (2) und des heizbaren Stempels (3) 12 Minuten auf 1900C erwärmt. Während der Erwärmung ist die Form druckfest verschlossen, so daß keine Gase entweichen können. Nach 12 Minuten wird der Stempel bis auf eine Entfernung von 80 mm von der Bodenplatte gehoben und dadurch das Volumen des Innenhohlraumes erheb o lieh vergrößert. In diesem vergrößerten Hohlraum bildet sich aus der blähfähigen Schmelze der Schaumstoff aus. Der heizbare
σο Press-Stempel wird nun völlig aus der Form eitfernt, die Form (J1 aus der Presse entnommen und an der Luft belassen. Nach 20 Minu- · ^ ten kann man einen sehr gleichmäßigen, feinzelligen Schaumstoff -J entnehmen, der ein Raumgewicht von 40 g/l hat. Er ist flexibel ei ■.-."'
und verlöscht nach Wegnahme einer Zündflamme. Der Schaumstoff eignet sich vorzüglich als Schwimmkörper, z.B. in Rettungsringen oder z-jr P'iilung von Bojen·. . ; . :
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Beispiel 3
Aus 3 000 Teilen eines Copolymerisates aus 88 % Äthylen und 12 % Vinylacetat und 15 Teilen Dicumylperoxid (Zersetaangspunkt l60°C), 15 Teilen Stearinsäure, 450 Teilen p-Carbomethoxy-N-nitroso-N-methyl-benzamid (Zersetzungspunkt l80 bis 2000C), 50 Teilen Talkum, 150 Teilen Benzylbutylphthalat, wird in einem Extruder bei 110 C eine homogene Mischung hergestellt, die durch Zerteilen des austretenden Stranges granuliert wird.
Man erhält auf diese Art unvernetzte blähfähige Partikel von 5 mm Durchmesser. In der gasdicht schließenden Form, von welcher λ zwei seitliche Begrenzungsteile beweglich sind, werden 15Ο g des Granulates in der Weise eingebracht, daß der obere und untere heizbare Abschluß der Form dicht anliegt und der Hohlraum der Form in einer Schichthöhe von 6 mm völlig mit den Granulatteilchen gefüllt ist. Die Form wird 8 Minuten auf 195°C erwärmt. Hierauf werden die zwei seitlichen Wände voneinander entfernt, so daß das Volumen des Hohlraumes um das achtfache vergrößert wird. Es bildet sich durch Austritt der blähfähigen Schmelze in dem vergrößerten Hohlraum ein Schaumstoff aus. Die Form wird an der Luft gekühlt.
Man erhält einen Schaumstoff vom Raumgewicht 50 g/l, der sich durch sehr hohe Flexibilität und hohe Energieabsorption bei % Schlag- und Druckbeanspruchung auszeichnet. Er findet als Puffermateiial im Bauwesen, als Unterlage von maschinellen Teilen und dergleichen Anwendung,
- 10 -
009845/1758

Claims (2)

  1. - 10 - . O.Z. 26 139
    Patentansprüche
    1/ Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffen durch Erhitzen von Äthylenpolymerisaten, die ein Peroxid als Vernetzungsmittel und ein Treibmittel enthalten, in Formen, dadurch gekennzeichnet, daß man Treibmittel verwendet, deren Zersetzungspunkte höher liegen als die Zersetzungspunkte der Peroxide, die Äthylenpolymerisate in einer gasdicht schließenden und zunächst praktisch keinen Gasraum aufweisenden Form auf Temperaturen oberhalb des Erweichungsbereiches der Äthylenpolymerisate und oberhalb des Zersetzungspunktes der Treibmittel und der Vernetzungsmittel erhitzt, das Volumen der Form schnell auf das J5 bis 20-fache des Volumens der entstandenen blähfähigen Schmelze vergrößeret und den Schaumstoff in der Form, außerhalb der Presse , abkühlen läßt.
  2. 2. Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Äthylenpolymerisat, Vernetzungsmittel und Treibmittel auf 170 bis 220°C erhitzt wird.
    3· Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Innenraumes der Form um das 5-bis 10-rfache des Volumens der blähfähigen Schmelze vergrößert wird.
    Badische Anilin- & Soda-Fabrik AG Zeichn.
    009845/1758
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