DE4220998C1 - Verfahren zum Herstellen von Integralschaumstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Integralschaumstoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 32 26 818 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren werden zur Gasmessung und Gasbeladung übliche Einrichtungen verwandt. Nach einer Dichtemessung an einer Mischungsprobe, die aus einem Maschinenbehälter entnommen wurde, oder in einem Bypass wird aufgrund dieser Mischung die an anderer Stelle erfolgte Gasbeladung gesteuert. Das Zudosieren des Gases erfolgt ebenfalls in einem Bypass, beispielsweise parallel zu einer von einem Mischkopf kommenden Rücklaufrohrleitung in der Nähe eines Maschinentanks. Die Gaszuführung im Bypass erfolgt durch ein in die Rohrleitung eingeführtes Kapillarrohr und ein Venturi-Rohr. Die Steuerung der Gasbeladung kann von Hand oder mittels Computer erfolgen. Die Anwendung des Venturi-Prinzipes macht dieses bekannte Verfahren schwierig beherrschbar, weil das Ausmaß der Gasbeladung stark von einer Grenzschichtspannung zwischen Flüssigkeit und Gas abhängig ist, wobei hohe Grenzschichtspannung kleine Bläschen des aufgenommenen Gases in der Flüssigkeit bedeutet und wobei geringe Grenzschichtspannung große Bläschen des aufgenommenen Gases bedeutet. Darüber hinaus ist das nach dem Venturi-Prinzip arbeitende bekannte Verfahren energetisch aufwendig, weil die Strömung in dem Rohr, in welchem die Venturi-Vorrichtung angeordnet ist, eine hohe Geschwindigkeit haben muß, damit die nach Art einer Wasserstrahlpumpe erfolgende Gasbeladung überhaupt funktionieren kann. Schließlich ist bei dem bekannten Verfahren nachteilig, daß relativ große Mengen an Treibmittel, unter anderem Kohlenwasserstofffluide, benötigt werden.

Ein weiteres bekanntes Verfahren ist z. B. das Schaumschlagverfahren, bei dem einem als Gerüstsubstanz dienenden Kunststoff Treibmittel, Luft und Geliermittel zugeführt werden und durch einen Mischer ein homogenes Gemisch erzeugt wird (vgl. A. M. Wittfoth , Kunststofftechnisches Wörterbuch, Carl Hanser Verlag München Wien, Teil 3, S. 146, 1978). Das Gemisch wird dann in eine Form gegossen. In einem anschließenden Heizprozeß expandiert das Gemisch und verfestigt sich, so daß ein geschäumtes Formteil entsteht. Es wird dabei immer Treibmittel in Form von Azo- oder Diazoverbindungen zugeführt, die N₂ oder CO₂ freisetzen, wenn sich in dem an das Mischen anschließenden Heizprozeß das Treibmittel unter Gasbildung zersetzt und so zum Aufschäumen der Gerüstsubstanz und zur Schaumstoffbildung führt. Bei einigen Treibmitteln ist kein Heilprozeß nötig, da sie schon bei Zimmertemperatur zerfallen. Jedoch wird auch hier normalerweise ein Heizprozeß nachgeschaltet, um den Schaumstoff auszuhärten.

Wieder andere Verfahren zur Herstellung von Schaumstoff aus Kunststoff sind z. B. das Einstufenverfahren, auch Direktverfahren genannt, oder das Zweistufenverfahren. Dabei werden entweder Treibmittel oder flüssige Lösungsmittel einem aufzuschäumenden Kunststoff beigemengt. Die Treibmittel zersetzen sich bei einer bestimmten Temperatur unter Gasbildung und schäumen somit den Kunststoff auf, indem sie in dem Kunststoff Hohlräume bilden. Bei der Herstellung von Schaumstoffen durch Zusatz von flüchtigen Lösungsmitteln werden diese während der Polymerisation dem Kunststoff beigemengt, wobei mit Lösungsmittel gefüllte Räume entstehen, die nach Verflüchtigungen des Lösungsmittels zu Hohlräumen werden.

Schaumstoffe werden z. B. aus Polystyrol, Polycarbonaten oder Polyurethanen hergestellt, wobei die Herstellung von Schaumstoff aus Polyurethanen die größte technische Bedeutung besitzt und solche Schaumstoffe z. B. in Polstermöbeln, Matratzen oder Verpackungen Verwendung finden.

Die meisten bekannten Verfahren besitzen den Nachteil, daß sich bei Verwendung von FCKW-freien Treibmitteln, wie z. B. n-Pentan, mit Luft sehr leicht entzündbare Luft-Gasgemische ergeben. Diese Luft-Gasgemische entstehen nicht nur in der Produktionsphase der Schaumstoffe, sondern auch beim nachträglichen Auslagern der Schaumstoffe, bei dem restliches Treibmittel aus den Schaumstoffen frei wird. Herstellungsbetriebe für Schaumstoffe, welche derartige Treibmittel verarbeiten, unterliegen somit extrem hohen Sicherheitsvorschriften. Dies gilt auch für das nachträgliche Auslagern in Räumen, in denen die zulässige Gasdichtekonzentration permanent kontrolliert und durch ständiges Belüften der Räume reguliert werden muß. Dies setzt nicht nur eine teuere, ausgereifte Technologie innerhalb des Herstellungsbetriebes voraus, sondern führt auch zu einer sehr hohen Emissionsbelastung der Atmosphäre.

In der nicht vorveröffentlichten DE 41 13 578 A1, die auf die Anmelderin zurückgeht, ist eine Einrichtung zur Beladung von viskosen Flüssigkeiten mit Gasen, insbesondere von Polyolen für die Herstellung von Polyurethan mit vorzugsweise Kohlendioxid beschrieben. Wenn als Gas zum Aufschäumen des Kunststoffes bei der Herstellung von Schaumstoff allein Kohlendioxid eingesetzt wird, kann es zur Bildung von Harnstoff kommen, der zur Versprödung des Schaumstoffs führt. Integralschaumstoff läßt sich mit dieser bekannten Einrichtung, bei der allein CO₂ oder ein anderes ähnliches Gas zum Schäumen eingesetzt wird, nicht herstellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 die Art der Gasbeladung der flüssigen Gerüstsubstanz zu verbessern, das heißt, einfacher beherrschbar und energetisch weniger aufwendig zu machen, auch hinsichtlich des Einsetzens an Kohlenwasserstofffluid.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Schritte gelöst.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung erfolgt die Gasbeladung nicht nach dem Venturi-Prinzip, also nicht durch einen mechanischen Prozeß, sondern durch einen sonochemischen Prozeß. Unter Sonochemie, auch Ultraschallchemie genannt, versteht man einen Teil der Chemie, der sich mit den chemischen Wirkungen des Ultraschalls befaßt. Dabei hat es sich herausgestellt, daß die Haupteffekte der nur in flüssiger Phase durchführbaren sonochemischen Reaktion auf Kavitation zurückgehen und die beobachtbaren Produkte denen der Hochtemperaturchemie entsprechen, da die hohen Temperaturen in kollabierenden Kavitäten zur Molekül-Dissoziation (Sonolyse) führen, unter anderem zur Bildung von freien Radikalen (Römpp-Chemie-Lexikon, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, Band 5, Seiten 4802 und 4803). Bei dem sonochemischen Prozeß, der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren benutzt wird, nehmen in einer flüssigen Gerüstsubstanz enthaltene Vakuumbläschen Gas auf. Das dann in der flüssigen Gerüstsubstanz dispergierte Gas geht mittels Ultraschall in der Flüssigkeit in Lösung, und zwar bereits bei niedrigem Druck, unterhalb des Löslichkeitsdruckes. Der sonochemische Prozeß ist energetisch weniger aufwendig und macht das erfindungsgemäße Verfahren einfacher beherrschbar als das aus der oben erwähnten DE 32 26 818 A1 bekannte Verfahren. Im übrigen ermöglicht der Einsatz von Cyclobutan, Cyclohexan, Cyclopentan oder eines Gemisches derselben mit weniger Kohlenwasserstofffluid auszukommen als im Stand der Technik nach der vorgenannten DE 32 26 818 A1.

Aus der DE-OS 19 17 962 ist es zwar an sich bekannt, eine Schalldruckpumpe zu benutzen, bei der ein in eine Flüssigkeit einzumischendes Medium, wie zum Beispiel Luft, gezwungen wird, sehr feine Düsen, Löcher oder Siebmaschen zu passieren, wobei dann dadurch in der Flüssigkeit erzeugte feine Luft- oder Gasströmungsfäden durch anschließende Einwirkung von Druckwellen in einzelne sehr kleine Teilchen aufgeteilt oder zerhackt werden, dabei wird jedoch mit Schall gearbeitet, nicht mit Ultraschall. Ferner können grob in die Flüssigkeit eingemischte Luft- oder Gasblasen mit Hilfe des in der DE-OS 19 17 962 beschriebenen Prinzips nachträglich in feine Luft- oder Gasbläschen aufgeteilt werden. Dabei werden aber wiederum nur große, in der Flüssigkeit schwimmende Luft- oder Gasblasen zusammen mit der Flüssigkeit mittels Druckstößen durch Düsen, Löcher oder Siebmaschen hindurchgepumpt und dadurch in kleinere Bläschen aufgeteilt. Da die bekannte Schalldruckpumpe lediglich im Schallbereich arbeitet, erfolgt auf Gas und Flüssigkeit auch nur eine rein mechanische und nicht etwa eine sonochemische Einwirkung wie bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung. Bei letzterem wird eine flüssige Gerüstsubstanz, die durch wenigstens ein inertes, nicht brennbares Gas aufgeschäumt wird, das zusammen mit Kohlenwasserstofffluid in die flüssige Gerüstsubstanz eingebracht wird, in eine Kammer eingebracht, also als bereits fertige Mischung, auf die dann mit Ultraschall eingewirkt wird, um den sonochemischen Prozeß hervorzurufen. Im Gegensatz dazu wird gemäß der DE-OS 19 17 962 immer zuerst auf Flüssigkeit, Luft oder Gas gesondert eingewirkt, und anschließend sind feinmaschige Siebe, Düsen oder Löcher zur mechanischen Verkleinerung der Luft- oder Gasbläschen erforderlich.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Kohlenwasserstofffluid in Verbindung mit einem inerten, nichtbrennbaren Gas unter Hervorrufung eines sonochemischen Prozesses läßt sich Integralschaum mit optimaler Dichteverteilung herstellen. Dem Integralschaumstoff wird bei dem Verfahren nach der Erfindung zwar brennbarer Kohlenwasserstoff zugesetzt, jedoch in derart geringem Ausmaß (vorzugsweise unter 1 Vol.-% des inerten Gases und der flüssigen Gerüstsubstanz), daß keine brennbaren Ausgasungen entstehen können. Eine Versprödung des Schaumstoffes wird vermieden und die Umwelt wird geschont.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen teilweisen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.

Die gezeigte Vorrichtung besitzt einen Resonanzraum 10, der aus vier kleeblattförmigen, sich paarweise gegenüberliegenden Kammern 12 besteht, die jeweils eine konkave gewölbte, schüsselförmige Rückseite 12 aufweisen und zum Mittelpunkt des Resonanzschaums 10 offen sind. In jeder der Kammern 12 ist ein Ultraschallschwinger 14 so angeordnet, daß er von einer zu behandelnden flüssigen Gerüstsubstanz frei umströmt werden kann. Die flüssige Gerüstsubstanz ist im vorliegenden Fall z. B. Polyol. Die Ultraschallschwinger 14 bestehen aus Membranplatten aus Barium-Blei-Titanat, wie sie für konventionelle Wasservernebler verwendet werden. Die Ultraschallschwinger 14 stehen über Elektroden 18 und 20 mit einem prozeßrechnergesteuerten Frequenzgenerator in Verbindung. Dieser wird verwendet, da die geometrische Form der Ultraschallschwinger 14, deren Schwingungsfrequenz bestimmt und eine Frequenzänderung an sich sonst nur durch den Austausch der Ultraschallschwinger 14 erreicht würde. Der Resonanzraum 10 weist eine bestimmte Größe auf, die von der Bandbreite der möglichen Schwingungsfrequenzen der Ultraschallschwinger 14 und dem gewünschten Ausstoß an Integralschaumstoff bestimmt wird.

Der Resonanzraum 10 wird über eine Vorkammer 22 mit einem feinen Gemisch aus der flüssigen Gerüstsubstanz, inertem nichtbrennbaren Gas und einem Kohlenwasserstofffluid, vorzugsweise einem azeotropen Gemisch aus mehreren Kohlenwasserstoffen, versorgt. Die Vorkammer 22 wird über eine Zuleitung 24 mit der flüssigen Gerüstsubstanz beschickt. Das azeotrope Gemisch aus Kohlenwasserstoffen und das inerte, nichtbrennbare Gas, im vorliegenden Fall Kohlendioxid, werden über eine weitere Zuleitung 26 eingespeist. Darüber hinaus ist es auch denkbar, sowohl für das azeotrope Gemisch aus Kohlenwasserstoffen als auch für das inerte, nichtbrennbare Gas jeweils eine eigene Zuleitung vorzusehen.

In der Vorkammer 22 werden die zugeführten Stoffe durch ein schnell rotierendes Kavitationselement 28 in ein extrem gleichmäßiges Gemisch aus der flüssigen Gerüstsubstanz, dem azeotropen Gemisch aus Kohlenwasserstoffen und dem inerten, nichtbrennbaren Gas verwandelt. Dieses Vermischen wird durch die Ultraschallschwinger 14 noch weiter verbessert, so daß kleinste Bläschen des inerten, nichtbrennbaren Gases in der flüssigen Gerüstsubstanz ebenso wie kleinste Bestandteile des azeotropen Gemisches aus Kohlenwasserstoffen gleichmäßig verteilt werden, wodurch die Kohlenwasserstoffe und das inerte, nichtbrennbare Gas in der flüssigen Gerüstsubstanz gelöst sind.

Über einen Auslaß 32 wird dieses Gemisch in eine Schaumstofform gegossen. Bei Energiezufuhr, vorzugsweise z. B. Erwärmung, wird das in der flüssigen Gerüstsubstanz gelöste, inerte, nichtbrennbare Gas wieder freigesetzt. Dies ist vergleichbar mit einem Dispergieren von Kohlensäure beim Öffnen einer Mineralwasserflasche. Das freigesetzte, inerte, nichtbrennbare Gas schäumt somit die flüssige Gerüstsubstanz auf, wodurch Schaumstoff entsteht. Durch den zusätzlich eingebrachten Kohlenwasserstoff wird die für Integralschaumstoff übliche dichte hautartige Oberfläche erzielt. Ein derartiger Integralschaumstoff besitzt eine glatte, dichte Oberfläche, wie sie bei Auto-Lenkrädern oder Auto-Armaturenbrettern geschätzt wird.

Bei einem anschließenden Aushärtevorgang wird kein brennbares Gas mehr frei, so daß ein Auslagern in speziell kontrollierten und belüfteten Räumen entfällt.

Versuche haben ergeben, daß das Kohlenwasserstofffluid aus Cyclobutan, Cyclohexan oder Cyclopentan oder aus einem Gemisch aus diesen Stoffen bestehen kann. Neben Kohlendioxid kann als inertes, nichtbrennbares Gas auch Stickstoff, Argon und Helium oder aber auch ein azetropes Gemisch derselben benutzt werden, um die flüssige Gerüstsubstanz aufzuschäumen. Die Gerüstsubstanz selbst kann neben Kunststoff auch aus anorganischem Material bestehen. Darüber hinaus ist es auch möglich, Hartschaum, beispielsweise solchen zum Isolieren von Fenstern, durch das beschriebene Verfahren in einen Integralschaumstoff mit harter Deckschicht umzuwandeln.

Die Werte der Reaktionstemperaturen und dgl. gleichen den üblicherweise bei der Schaumstoffherstellung benutzten.

Claims (3)

1. Verfahren zum Herstellen von Integralschaumstoff aus einer flüssigen Gerüstsubstanz wie Kunststoff oder anorganischem Material, die durch wenigstens ein inertes, nichtbrennbares Gas aufgeschäumt wird, das durch Energiezufuhr freigesetzt wird, wobei das inerte, nichtbrennbare Gas zusammen mit einer geringen Menge an Kohlenwasserstofffluid in die flüssige Gerüstsubstanz eingebracht wird und wobei allein das inerte, nichtbrennbare Gas bei Energiezufuhr zur Aufschäumung der Gerüstsubstanz dient und das Kohlenwasserstofffluid die Ausbildung einer dichten Außenhaut des Integralschaumstoffes fördert, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Gerüstsubstanz in eine Kammer eingebracht und ein sonochemischer Prozeß hervorgerufen wird, um die Gase in der flüssigen Gerüstsubstanz zu lösen, und daß der Zusatz an Kohlenwasserstofffluid weniger als 1 Vol.-% des inerten Gases und der flüssigen Gerüstsubstanz beträgt und aus Cyclobutan, Cyclohexan, Cyclopentan oder aus einem Gemisch derselben besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenwasserstofffluid ein azeotropes Gemisch aus mehreren Kohlenwasserstoffen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte, nichtbrennbare Gas Kohlendioxid, Stickstoff, Argon, Helium oder ein azeotropes Gemisch derselben ist.