DE4445789A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Schaumherstellung mittels unter Druck gelöstem Kohlendioxid - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Schaumherstellung mittels unter Druck gelöstem KohlendioxidInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Herstellung von Schäumen mittels unter Druck gelöstem Kohlendioxid als
Treibmittel, wobei die zu verschäumende Masse unter Druck mit vorzugsweise
flüssigem Kohlendioxid vermischt und anschließend unter Schaumbildung ent
spannt wird. Als verschäumbare Massen werden insbesondere flüssige Ausgangs
produkte für Kunststoffe eingesetzt, die aufgrund einer nach dem Verschäumen
einsetzenden Polyadditions- oder Polykondensationsreaktion zum Schaum-Kunst
stoff aushärten. Speziell bezieht sich die Erfindung auf Polyurethan-Schaumstoffe.
Bei der Herstellung von Polyurethan-Schaumstoffen wird mindestens eine der
Reaktivkomponenten (Polyisocyanat und Isocyanat-reaktive Wasserstoffatome
aufweisende Verbindungen, insbesondere Polyole) mit einem flüssigen oder gas
förmigen Treibmittel versetzt, danach mit der anderen Komponente vermischt und
die erhaltene Mischung entweder diskontinuierlich in eine Form oder kontinuier
lich auf ein Transportband gefördert, wo die Mischung aufschäumt und aushärtet.
Zur Erzeugung des Schaums haben eine Reihe von Verfahren breite Anwendung
in der Technik gefunden. Einerseits werden bei niedriger Temperatur verdamp
fende Flüssigkeiten, wie niedermolekulare Chlorfluorkohlenwasserstoffe, Methy
lenchlorid, Pentan usw. eingesetzt, die aus der noch flüssigen Reaktivmischung
verdampfen und Bläschen bilden. Ferner kann in die Reaktivmischung bzw. in
eine der Komponenten Luft eingeschlagen werden (mechanische Schaumerzeu
gung) und schließlich wird bei Polyurethanschäumen Wasser als Treibmittel der
Polyolkomponente zugesetzt, das nach Vermischung der Isocyanatkomponente
durch Reaktion mit dem Isocyanat Kohlendioxid als Schäumgas freisetzt (chemi
sche Schaumerzeugung).
Aus Gründen der Umweltverträglichkeit, der Arbeitshygiene und aufgrund der ver
gleichsweise hohen Löslichkeit von flüssigem Kohlendioxid in der Polyolkompo
nente wurde flüssiges Kohlendioxid bereits vielfach als Treibmittel vorgeschlagen.
Jedoch hat Kohlendioxid bisher keinen Eingang in die Technik gefunden, offenbar
aufgrund der Schwierigkeiten, bei der erforderlichen Entspannung der Reaktiv
mischung von Drücken zwischen 10 und 20 bar gleichmäßige Schäume zu er
zeugen. Dabei besteht das Problem einerseits darin, daß unmittelbar nach der Ent
spannung das Kohlendioxid relativ plötzlich verdampft, so daß eine sehr starke
Volumenvergrößerung der Reaktionsmischung um einen Faktor von beispielsweise
ca. 10 erfolgt, die schwer zu beherrschen ist, und andererseits die Reaktiv
mischung zu Freisetzungsverzügen des Kohlendioxids neigt, die 3 bis 6 bar
unterhalb des Gleichgewichtsdampfdrucks von CO₂ bei der jeweiligen Temperatur
liegen können, so daß es zu plötzlichen explosionsartigen Kohlendioxidfrei
setzungen kommt, mit der Folge, daß große Blasen oder Lunker in den
Schaumstoff eingeschlossen sind.
Gemäß einer Firmenschrift der Cannon-Group soll das Problem der Verschäumung
mittels flüssigem Kohlendioxid dadurch gelingen, daß der Reaktivmischung
zusätzlich Stickstoff als Blasenkeimbildner zugesetzt wird, die Entspannung
stufenweise durchgeführt wird und ferner eine besondere Ablagevorrichtung für
den Schaum geschaffen wird. Einzelheiten des Verfahrens wurden bisher nicht
bekannt.
Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß es gelingt, eine
Vielzahl von mikroskopischen Blasenkeimen zu erzeugen, wenn die Reaktiv
mischung während der Entspannung vielfach wechselnden Schergeschwindigkeiten
mit einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Schergeschwindigkeitsmaxima
oberhalb von 200/sec, vorzugsweise oberhalb von 5000/sec, insbesondere
bevorzugt oberhalb von 10⁵/sec, ausgesetzt wird. Erfindungsgemäß wird daher
vorgeschlagen, die flüssiges Kohlendioxid enthaltende Reaktivmischung durch eine
Siebpackung zu drücken und dabei zu entspannen.
Vorzugsweise sollen die Schergeschwindigkeitsmaxima zwischen 10⁵ und 10⁸/sec
betragen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von
Schaumstoffen aus Mehrkomponentenkunststoffen, insbesondere Zweikomponen
tenkunststoffen, unter Einsatz von Kohlendioxid als Treibmittel durch Vermischen
mindestens einer der Reaktivkomponenten mit Kohlendioxid unter Druck, Ver
mischen der Kohlendioxid enthaltenden Komponente mit den weiteren Reaktiv
komponenten bzw. der zweiten Reaktivkomponente unter Druck, Entspannen der
Mischung und Aushärten, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kohlendioxid
enthaltende Mischung der Reaktivkomponenten unter vielfach wiederholter Auf
teilung in eine Vielzahl von Einzelströmen unter Aufprägung von vielfach
wechselnder Schergeschwindigkeit entspannt wird.
Im folgenden wird unter "flüssiges Kohlendioxid enthaltende Mischung" eine unter
erhöhtem Druck stehende homogene Flüssigkeit verstanden, aus der nach
Entspannen unter den vom Kohlendioxidgehalt abhängigen Gleichgewichtsdruck
oberhalb Umgebungsdruck Kohlendioxid freigesetzt wird. Die flüssiges
Kohlendioxid enthaltende Mischung kann durch Auflösen von gasförmigem oder
festem Kohlendioxid in der mindestens einen Reaktivkomponente oder durch
Vermischen mit flüssigem Kohlendioxid hergestellt worden sein.
Beim Durchgang durch die Packung wird der Reaktivmischung ein ständig
wechselndes Geschwindigkeitsprofil aufgeprägt, das die geforderte vielfache hohe
Scherung zur Blasenkeimerzeugung bewirkt.
Gleichzeitig wird dadurch eine sehr homogene Blasenkeimdichte erzeugt, daß der
Strom der Reaktivmischung erfindungsgemäß beim Durchgang durch die Packung
wiederholt in eine Vielzahl von Einzelströmen aufgeteilt wird.
Vorzugsweise beträgt die Verweilzeit der Mischung in der Packung zwischen 10-4
und 10-2 sec, besonders bevorzugt 10-4 bis 10-3 sec.
Ferner hat sich für die erfindungsgemäß vorteilhafte Blasenkeim- und Schaumbil
dung als vorteilhaft erwiesen, daß durch die Packung selbst 70 bis 90% der
Packungsebene abgedeckt sind, d. h. die lichte Weite der Packung lediglich 10 bis
30% beträgt, so daß nach Austritt aus der Packung ein hinreichend großer
Zwischenraum zwischen den einzelnen Materialströmen besteht, daß eine auch
explosionsartige plötzliche seitliche Ausdehnung des Materialstroms aufgrund der
Ausbildung von Gasblasen ohne wesentliche plötzliche Erhöhung der Vorwärtsge
schwindigkeit erfolgen kann.
Als Siebpackung geeignet sind Schüttungen aus regelmäßigen oder unregel
mäßigen organischen oder anorganischen Füllkörpern, bevorzugt aus Kugeln. Die
Füllkörper können zwischen zwei Siebe, Netze oder Lochplatten gepackt werden,
wobei die Maschenweite kleiner ist als der Durchmesser bzw. die kleinste
Querschnittsabmessung der Füllkörper. Geeignet sind ferner übereinander
geschichtete Siebe oder Lochplatten. Ferner sind als Siebpackung
Sintermetallplatten bzw. Sinterglasplatten geeignet, die entsprechend porös
versintert sind. In diesem Falle erübrigen sich Netze oder Lochplatten zur
Abstützung.
Die Abmessungen der Füllkörper werden vorzugsweise so gewählt, daß sich
engste Durchtrittskanäle mit Querschnittsflächen von weniger als 0,5 mm², vor
zugsweise weniger als 0,2 mm², besonders bevorzugt zwischen 0,02 bis 0,2 mm²,
für die Packung ergeben.
Im Falle einer Kugelpackung werden bevorzugt Kugeln eines Durchmessers von 1
bis 3 mm eingesetzt, wobei (bei dichter Kugelpackung) engste Durchtrittskanäle
von ca. 0,04 bis 0,35 mm² realisiert -werden.
Die Schichtdicke der Packung in Durchtrittsrichtung beträgt vorzugsweise 10 bis
500 mm, besonders bevorzugt 10 bis 400 mm. Besonders bevorzugt ist die
Packung mit in Durchtrittsrichtung sich erweiternder Querschnittsfläche um einen
Faktor 2 bis 4 ausgebildet, so daß Volumenvergrößerungen der Mischung aufgrund
bereits gebildeter Mikro-Schaumblasen aufgefangen werden.
Die Viskosität der flüssiges Kohlendioxid enthaltenden Reaktiv-Mischung kann 50
bis 2000 mPa·s, vorzugsweise 70 bis 800 mPa·s, insbesondere bevorzugt 70 bis
120 mPa·s, betragen. Unter Berücksichtigung der Viskosität beträgt die maximale
Scherspannung der Mischung beim Durchgang durch die Packung vorzugsweise
mindestens 100 bis 1000 Pa. Insbesondere bevorzugt sind maximale
Scherspannungen zwischen 10⁷ und 10¹⁰ Pa.
Der erforderliche Druck der Reaktivmischung vor dem Eintritt in die Packung ist
abhängig von der gelösten Menge an flüssigem Kohlendioxid. So liegt der Gleich
gewichtsdruck bei einem Gehalt von 2 Gew.-% Kohlendioxid in der Reaktiv
mischung bei 7 bar, bei einem Gehalt von 4 Gew.-% Kohlendioxid in der Reaktiv
mischung bei 11 bar (Temperatur des Reaktivgemisches ist gleich Umgebungs
temperatur). Erfindungsgemäß bevorzugt soll der Druck der Reaktivmischung vor
dem Durchtritt durch das Sieb das 1,1fache bis 1,8fache, besonders bevorzugt
das 1,3fache bis 1,6fache, des Gleichgewichtsdrucks betragen. Gleichgewichts
druck bezeichnet dabei denjenigen Druck, bei dem eine über der Reaktivmischung
herrschende Kohlendioxid-Atmosphäre im Gleichgewicht mit dem gelösten Koh
lendioxid steht. Der Gleichgewichtsdruck hängt auch von der Zusammensetzung
der Reaktivmischung (ohne CO₂) ab.
Ein oberhalb des Gleichgewichtsdrucks liegender Druck vor dem Eintritt in die
Packung ist erforderlich, damit die Mischung beim Eintritt in die Packung noch
homogen ist, d. h., daß vor dem Eintritt in die Packung noch keine Bildung von
Gasblasen erfolgt. Jedoch kann auch unmittelbar vor dem Eintritt der Mischung in
die Packung eine Drosselung des Druckes von oberhalb Gleichgewichtsdruck auf
einen Druck unterhalb des Gleichgewichtsdruckes erfolgen. Die Drosselung kann
durch eine Loch- oder Schlitzplatte erfolgen, die im Abstand von 0,5 bis 3 mm
vor der Packung angeordnet ist, wobei die Weite der Durchtrittsöffnungen 3 bis
15 mm und die freie Durchtrittsfläche 1 bis 10% der Fläche der Lochplatte
beträgt. Vorzugsweise beträgt der Druck der Mischung vor dem Eintritt in die
Packung 0,6 bis 0,9 des Gleichgewichtsdrucks.
Aufgrund der hervorragenden Wirkung der Entspannung der Reaktivmischung
durch die Packung im Hinblick auf die Blasenkeimbildung ist die Mitverwendung
von Luft oder Stickstoff erfindungsgemäß nicht erforderlich.
Erfindungsgemäß gelingt es, unmittelbar nach Durchtritt der Reaktivmischung
durch die Packung einen Flüssig-Polyurethan-Schaum (Froth) mit einer Dichte von
50 bis 200 kg/m³ bei Einsatz von 1 bis 4 Gew.-% CO₂ bezogen auf die Reaktiv
mischung zu erzeugen. Zur Erzeugung von Schäumen mit noch geringerer Dichte
wird vorzugsweise zusätzlich Wasser als Treibmittel eingesetzt, das in Reaktion
mit dem Isocyanat ebenfalls Kohlendioxid als Treibgas erzeugt. Auf diese Weise
gelingt es, Weichschäume mit einer Rohdichte von unter 15 kg/m³ zu erzeugen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert:
Fig. 1 erläutert das erfindungsgemäße Prinzip der Erzeugung hoher vielfach
wechselnder Schergeschwindigkeiten beim Durchgang durch die Packung.
Dargestellt ist der vergrößerte Querschnitt durch drei Schichtebenen A, B und C
einer idealen dichten Kugelpackung. Ferner sind qualitative Geschwindigkeits
profile 1 bis 5 der Reaktivmischung in den Durchtrittsflächen I bis V dargestellt.
Fig. 2 zeigt schematisch in allgemeiner Form das Verfahren zur Herstellung von
Polyurethanschaum. Dabei wird aus einem Vorratsbehälter 1 über die Dosier
pumpe 2 Polyol in den Statikmischer 3 gepumpt. Aus dem Behälter 4 wird
flüssiges Kohlendioxid über den Wärmeaustauscher 5 ebenfalls dem Statikmischer
zugeführt und hier mit dem Polyol vermischt. Vorzugsweise erfolgt die Ver
mischung im Statikmischer 3 bei einem am Ausgang des Statikmischers gemesse
nen Druck P von 60 bis 150 bar. Mittels Wärmeaustauscher 5 wird sichergestellt,
daß die Reaktivmischung auch nach evtl. Wärmeaufnahme aus Pumpen und
Mischaggregaten usw. unterhalb der kritischen Temperatur von 31°C bleibt. Die
Mischung aus Polyol und flüssigem Kohlendioxid wird dem Mischkopf 6
zugeführt, wo die Vermischung mit dem Isocyanat (Pfeil 7) und weiteren
Additiven wie Schaumstabilisatoren usw. (Pfeil 8) erfolgt. Am Ausgang 9 des
Mischkopfes 6 ist die erfindungsgemäße Entspannungsvorrichtung 10 angeflanscht.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Entspannungsgerätes
10. Das Entspannungsgerät besteht aus einem Rohr 18, das gegebenenfalls eine
konische Erweiterung aufweisen kann und in dem zwischen den Sieben 11 und 12
die Packung 13 fixiert ist. Die Siebe werden mittels Distanzkonusrohr 14 gegen
die Schulter 15 mittels Mutter 16 verschraubt. Die flüssiges Kohlendioxid
enthaltende Reaktivmischung trifft in Richtung Pfeil 17 auf die Siebe und tritt als
flüssiger Schaum entlang Pfeilen 19 aus. Das Entspannungsgerät 10 kann auch
einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Das Distanzkonusrohr 14 ist
vorzugsweise auf seiner Innenseite mit einem elastischen Polymer belegt, in das
sich die benachbarten Packungs-Kugeln eindrücken können, so daß vergrößerte
freie Durchtrittsquerschnitte am Rand der Packung vermieden werden.
Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Anlage zur Herstellung von Blockschaum
unter Einsatz des erfindungsgemäßen Schaumbildungsgerätes. Aus dem Mischkopf
6 tritt die Reaktivmischung durch das Siebe enthaltende Schaumbildungsgerät 10
als Flüssigschaum 30 aus und wird auf die untere Kaschierfolie 31, die auf einem
nicht gezeichneten Transportband läuft, abgelegt. Die obere Kaschierfolie 32 wird
über eine Walze 33 geführt, die in den auf der unteren Kaschierfolie 31 abgelegten
und damit geförderten Schaum eintaucht, so daß sich eine Barriere 34 bildet, die
der Verteilung des Schaums über die Breite und der Verhinderung des Lufteintritts
in den Zwischenraum zwischen den Kaschierfolien 31 und 32 dient. Nach
Durchgang unter der Walze 33 beginnt der Schaum aufgrund der nun einsetzenden
chemischen Reaktion weiter zu expandieren (35).
Fig. 5 zeigt eine Anlage zur Herstellung von Blockschaum gemäß Fig. 4, wobei
jedoch eine Hilfskaschierfolie 50 von oben in Richtung auf die untere
Kaschierfolie 31 zugeführt wird. Die Hilfskaschierfolie 50 wird mittels einer Rolle
51 gegen die untere Kaschierfolie 31 schleifend geführt und umgelenkt und wieder
aufgewickelt 52. Der Flüssigschaum 30 wird in den aus im wesentlich senkrecht
verlaufender oberer Kaschierfolie 32 und Hilfskaschierfolie 50 gebildeten Trog 54
gefördert.
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffen aus Zweikomponenten-Reak
tivkunststoffen unter Einsatz von Kohlendioxid als Treibmittel durch Ver
mischen mindestens einer der Reaktivkomponenten mit Kohlendioxid unter
Druck unter Erzeugung einer flüssiges Kohlendioxid enthaltenden Mi
schung, Vermischen mit der anderen Reaktivkomponente, Entspannen und
Aushärten des Kunststoffs, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlendioxid
enthaltende zweite Mischung unter vielfach wiederholter Aufteilung in eine
Vielzahl von Einzelströmen unter Aufprägung von vielfach wechselnden
Schergeschwindigkeiten mit Maximalwerten von mindestens 200/sec
entspannt wird.
2. Vorrichtung zum Austrag einer zu verschäumenden Zweikomponenten-
Reaktivkunststoffmischung, die flüssiges Kohlendioxid enthält, in eine
Form oder auf ein Transportband, enthaltend eine in der Austragsöffnung
angeordnete Siebpackung.
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