EP1097034A1 - Verfahren und vorrichtung zum schäumen von kunststoffen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum schäumen von kunststoffen

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Publication number
EP1097034A1
EP1097034A1 EP99911684A EP99911684A EP1097034A1 EP 1097034 A1 EP1097034 A1 EP 1097034A1 EP 99911684 A EP99911684 A EP 99911684A EP 99911684 A EP99911684 A EP 99911684A EP 1097034 A1 EP1097034 A1 EP 1097034A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
carbon dioxide
pressure
plastic
increasing
temperature
Prior art date
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Ceased
Application number
EP99911684A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Claude Beauge
Michel Le Moual
Christophe Ducellier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Messer France SAS
Original Assignee
Messer France SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Messer France SAS filed Critical Messer France SAS
Publication of EP1097034A1 publication Critical patent/EP1097034A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C44/00—Shaping by internal pressure generated in the material, e.g. swelling or foaming ; Producing porous or cellular expanded plastics articles
    • B29C44/34—Auxiliary operations
    • B29C44/3442—Mixing, kneading or conveying the foamable material
    • B29C44/3446—Feeding the blowing agent

Definitions

  • the invention relates to a method and device for foaming plastics using carbon dioxide.
  • Plastics in viscous, flowable processing states can be gassed in such a way that real foams are formed from coalesced gas bubbles or structures with pores of typically 0.2 to 3 mm in diameter, the walls of which become stable through chemical crosslinking and cooling.
  • Most foams of plastics, hereinafter referred to as "foams”, are porous with a continuous plastic structure (Saechtling-Zebroswki, "Kunststoff Taschenbuch", 19th edition, Carl Hanser Verlag 1974, page 47, chapter 3.2.1 .: general information about Foams).
  • Foams are made by fumigation.
  • chlorinated hydrocarbons such as methyl chloride, methylene chloride, trichlorethylene or chlorine-fluoroalkanes, used (Saechtling-Zebroswki, "plastic paperback", 19th edition,
  • Chemical blowing agents that decompose at higher temperatures with the formation of inert gases and odorless and tasteless, non-toxic residues are also used. Chemical blowing agents are common to all processes Pore formation can be used at higher temperatures (Saechtling-Zebroswki, "Kunststoff Taschenbuch", 19th edition, Carl Hanser Verlag 1974, page 50, chapter 3.2.2.3 .: types of fumigation, chemical blowing agents).
  • Rigid polyurethane foam can be foamed chemically, by eliminating carbon dioxide gas when water is added to the reaction mixture, and with haloalkanes as physical blowing agents which evaporate through the heat of reaction.
  • the second method mainly used gives more uniform and thermally better products. With free foaming, densities of 23 to 26 kg / m 3 are achieved , and under counter pressure (molded foaming) greater than 100 kg / m 3 .
  • the "one-shot” process turns off the polyol, isocyanate, catalyst, blowing agent and emulsifier produced a reaction mixture and the polyurethane foam obtained.
  • a prepolymer with free isocyanate groups is produced from polyol and isocyanate in excess, and a polyol component is produced from polyol, catalyst, emulsifier and blowing agent, which is mixed with that of the prepolymer to form a reaction mixture
  • a reaction mixture Saechtling-Zebroswki, "Kunststoff Taschenbuch", 19th edition, Carl Hanser Verlag 1974, pages 399-402, chap. 4.6.1.9.3.1.: Polyurethane (PUR) foams, PUR hard foam).
  • Polyurethane soft foam is free, mainly foamed with water as a chemical blowing agent. This creates open-pore, air-permeable, highly elastic, soft polyether foams, which are used in particular as seat upholstery, packaging, insulation and for many household items (Saechtling-Zebroswki, "Kunststoff Taschenbuch", 19th edition, Carl Hanser Verlag 1974, page 402, chapter 4.6 .1.9.3.2 .: Polyurethane (PUR) foams, PUR soft foam).
  • plastic here means all conceivable types of plastic and their mixtures which are suitable for being foamed.
  • the process according to the invention means that it is no longer necessary to use chlorofluorocarbonate or hydrocarbonate or isocyanate as a foaming agent.
  • Carbon dioxide is comparatively inexpensive and - in contrast to, for example, isocyanate - not toxic.
  • plastics with a relatively small pore size can be produced with the method according to the invention.
  • liquid or supercritical carbon dioxide is brought to an elevated temperature and fed to the plastic in order to foam the plastic.
  • the increased pressure of the carbon dioxide is 150 to 300 bar, but preferably 220 to 280 bar.
  • the elevated temperature of the carbon dioxide is 30 to 50 ° C, preferably approximately 40 ° C.
  • the carbon dioxide has a viscosity of 12x10 "4 to 35x10 " 4 poise after increasing the pressure or the pressure and the temperature.
  • viscosity is to be understood here as the dynamic viscosity.
  • the carbon dioxide has a density of 300 to 1000 g / l after increasing the pressure or the pressure and the temperature.
  • the carbon dioxide After increasing the pressure or the pressure and the temperature, the carbon dioxide is preferably in the supercritical state. According to the invention, the volume flow of carbon dioxide is 0.5 to 5 g / sec before the carbon dioxide is fed to the plastic.
  • the pressure is increased in at least two stages, the pressure in a first stage preferably being increased to a value between 20 and 80 bar, then the pressure in a second stage being increased to a value between 200 and 300 bar and then the temperature is increased to a value between 30 to 50 ° C.
  • the carbon dioxide is fed to the plastic discontinuously, preferably intermittently at a frequency of 1 to 10 times per minute.
  • the intermittent feeding can take place, for example, with the aid of a control valve, for example with electronic or pneumatic control.
  • the discontinuous supply of the carbon dioxide takes place synchronously with a discontinuous supply of the plastic in a device for its further processing or shaping.
  • the object underlying the invention is further achieved by a device for foaming plastic using carbon dioxide as a foaming agent, in which a source of liquid or supercritical carbon dioxide is connected to at least one device for increasing the pressure of the carbon dioxide, which is connected to a device for foaming the plastic.
  • a pump preferably a pneumatic pump
  • This pump has the advantage of a relatively safe and reliable mode of operation and is also relatively inexpensive.
  • the device for increasing the pressure is preferably also operated with gaseous carbon dioxide. This has the advantage that in principle no compressed air for Operation of the device and the method is necessary. The use of compressed air is also conceivable and is not excluded by the invention.
  • a device for increasing the pressure of the carbon dioxide at least one device for increasing the
  • Temperature of the carbon dioxide is connected downstream.
  • a heating device with the associated temperature control device is preferably used.
  • a heat exchanger in an oil bath and a device for thermostatting the oil bath can be used.
  • the device for increasing the pressure of the carbon dioxide is followed by at least one device for regulating the volume flow of the carbon dioxide.
  • a throttle orifice is preferably used as the device for regulating the volume flow of the carbon dioxide.
  • the device has two devices for increasing the pressure of the carbon dioxide in two stages. According to the pressure is increased in a first stage with the aid of a suitable pressure increasing unit, e.g. B. a pneumatic pump, and then the pressure in a second stage further increased with the help of a further pressure increasing unit as a high pressure pump.
  • a suitable pressure increasing unit e.g. B. a pneumatic pump
  • the method and device according to the invention is advantageously used for producing a foam from a polypropylene, a polyurethane or a polystyrene.
  • the method and the device according to the invention are advantageously used to replace the usual foaming agents, such as pentane, methylene chloride or other hydrocarbons or solvents.
  • foaming agents such as pentane, methylene chloride or other hydrocarbons or solvents.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a device with a two-stage pressure increase
  • Fig. 2 is a schematic representation of a device with a single-stage pressure increase for the production of polyurethane
  • Liquid carbon dioxide with a pressure of approx. 20 bar and a temperature of approx. -20 ° C. is fed from a storage tank 1 through a line 2 with shut-off device 3 and measuring device 4 to a first pressure increasing unit 5, for example a feed pump (see arrow A) and brought to a pressure of approx. 80 bar (first stage of increasing the pressure).
  • the carbon dioxide which is increased in pressure in the first stage is fed via line 6 to a second stage of pressure increase (see arrow B) and with a second stage
  • Pressure increasing unit 7 for example a second feed pump.
  • a partial flow of the carbon dioxide which has been increased in pressure in the first stage can be recycled if necessary (see arrows C and D) into the storage tank 1 via a line 8 and shut-off devices 9 and 10.
  • the carbon dioxide is at a pressure of approximately 250 bar compressed and then fed via line 11 to a device for increasing the temperature 12 (see arrow E).
  • a shut-off device 13 with measuring device 14 and pressure vessels 15 and 16 are arranged in line 11.
  • the pressure vessels 15 and 16 have the task of damping or eliminating the pulsations occurring due to the high compression.
  • the carbon dioxide is fed to the plastic at a pressure of approx. 250 bar and a temperature of approx. 40 ° C. via a line 17 with shut-off devices 18 and 19 and via a throttle valve 20 in order to foam it (not shown here).
  • the temperature and the pressure via a device, for example one
  • Pressure build-up device 21 and lines 22 and 23 connected therewith set with shut-off devices 24 and 25.
  • the removal and return of carbon dioxide into and from the storage tank 1 is set in a line 28 via shut-off devices 26 and 27 arranged in the storage tank 1.
  • FIG. 2 schematically shows a device with a one-stage pressure increase for the production of polyurethane foam.
  • liquid carbon dioxide is removed from a storage tank 1 here.
  • the carbon dioxide is via a line 2, via a
  • a shut-off device 3 with a measuring device 4 is arranged in the line 26 in front of the filter device 29.
  • the pressure increasing unit 7 is operated via a pressure storage tank 31 connected to the line 30, a heater 32 and subsequent blocking devices 33 and 34. It is also possible to use a pressure increasing unit 7 which is operated with compressed air.
  • the carbon dioxide compressed in the pressure increasing unit 7 to a pressure of approx. 250 bar is then sent to a device via a line 11
  • Temperature increase 12 becomes, for example, a heat exchanger in an oil bath and a device for thermostatting the oil bath.
  • a heat exchanger tube through which the carbon dioxide is passed for example, a copper tube with an outer diameter of approximately 10 mm and an inner diameter of approximately 5 mm can be used.
  • the copper tube is placed in an oil bath, for example with a volume of 10 to 15 l, which can be set and maintained with a heater and a temperature measuring and regulating device to a certain temperature with an accuracy of approx. +2 ° C.
  • the carbon dioxide is then fed via a line 36, which is advantageously thermally insulated, to a device for regulating the carbon dioxide flow 37.
  • the carbon dioxide is then fed to the plastic at a pressure of approximately 250 bar and a temperature of approximately 40 ° C. via further lines 38 and 39, which are also advantageously thermally insulated and are provided with shut-off devices 18 and 19 and a throttle plate 20 in order to foam it in a device 40 and, if necessary, in a device 41 for shaping into a certain external one
  • a particular advantage of the device and the method according to the invention results from the fact that already existing plants for the production of polyurethane foam with a line for the polyol 42 and a line for the isocyanate 43 operate in a relatively simple and inexpensive manner with the method according to the invention can be converted, wherein foam formation by isocyanate can be replaced in whole or in part by the foam formation process according to the invention.

Landscapes

  • Manufacture Of Porous Articles, And Recovery And Treatment Of Waste Products (AREA)
  • Processing And Handling Of Plastics And Other Materials For Molding In General (AREA)

Abstract

Bei einem Verfahren zum Schäumen von Kunststoff unter Verwendung von Kohlendioxid als Schäumungsmittel wird flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid auf einen erhöhten Druck gebracht und dem Kunststoff zugeführt, um den Kunststoff zu schäumen. Bei einer Vorrichtung zum Schäumen von Kunststoff unter Verwendung von Kohlendioxid als Schäumungsmittel steht eine Quelle für flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid in Verbindung mit mindestens einer Einrichtung zur Erhöhung des Druckes des Kohlendioxids.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Schäumen von Kunststoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zum Schäumen von Kunststoffen mit Hilfe von Kohlendioxid.
Kunststoffe in zäh fließbaren Verarbeitungszuständen kann man derart begasen, daß echte Schäume aus zusammengewachsenen Gasblasen oder Strukturen mit Poren von typisch 0,2 bis 3 mm Durchmesser entstehen, deren Wandungen durch chemisches Vernetzen und Abkühlen standfest werden. Die meisten Schäume von Kunststoffen, in folgenden als „Schaumstoffe" bezeichnet, sind porig mit durchgehendem Kunststoffgerüst (Saechtling-Zebroswki, "Kunststoff Taschenbuch", 19. Auflage, Carl Hanser Verlag 1974, Seite 47, Kap. 3.2.1.: Allgemeines über Schaumstoffe).
Schaumstoffe werden durch Begasungen hergestellt.
Es sind Verfahren bekannt, bei denen permanete Gase, meist Stickstoff, unter ca. 200 atü Druck in heißplastische Kunststoffmassen eingebracht werden (Saechtling-Zebroswki, "Kunststoff Taschenbuch", 19. Auflage, Carl Hanser Verlag 1974, Seite 48, Kap. 3.2.2.1.: Begasungsarten, permanente Gase).
Bei anderen Verfahren werden als physikalische Treibmittel leicht verdampfende Kohlenwasserstoffe, z. B. Pentan bis Heptan, Chlorkohlenwasserstoffe, wie Methylchlorid, Methylenchlorid, Trichlor-Aethylen oder Chlor-Fluor-Alkane, eingesetzt (Saechtling-Zebroswki, "Kunststoff Taschenbuch", 19. Auflage,
Carl Hanser Verlag 1974, Seite 48, Kap. 3.2.2.2.: Begasungsarten, physikalische Treibmittel).
Auch chemische Treibmittel, die sich bei höheren Temperaturen unter Bildung inerter Gase und geruch- und geschmackloser, nicht-toxischer Rückstände zersetzen, werden verwendet. Chemische Treibmittel sind für alle Verfahren der Porenbildung bei höheren Temperaturen brauchbar (Saechtling-Zebroswki, "Kunststoff Taschenbuch", 19. Auflage, Carl Hanser Verlag 1974, Seite 50, Kap. 3.2.2.3.: Begasungsarten, chemische Treibmittel).
Es ist bekannt, Schäum-Mischungen mit physikalischen oder chemischen Treibmitteln geringe Mengen feinteiliger Feststoffe oder Kohlendioxyd abspaltende Mischungen von Natriumhydrogencarbonat und festen organischen Säuren zuzusetzen (Saechtling-Zebroswki, "Kunststoff Taschenbuch", 19. Auflage, Carl Hanser Verlag 1974, Seite 50, Kap. 3.2.2.4.: Begasungsarten, Keimbildner und Porenregler).
Ferner sind Verfahren bekannt, um Polyamid-Schaumstoff durch Kohlendioxyd- Abspaltung bei der Syntese aus Caprolactam herzustellen. Hierzu wird Isocyanat-haltiges und Natrium-Borhydrid-haltiges Caprolactam bei einer Temperatur zwischen 100 bis 140° C unter Druck vermischt. Auch bei der Polyurethan-Schaumbildung wird die Wirkung der Kohlendioxid -Abspaltung ausgenutzt, wobei für bestimmte Produkte eine Ergänzung oder Ersetzung durch Schäumen mit leicht flüchtigen, physikalischen Treibmitteln vorgenommen wird (Saechtling-Zebroswki, "Kunststoff Taschenbuch", 19. Auflage, Carl Hanser Verlag 1974, Seiten 50-15, Kap. 3.2.2.5.: Begasungsarten, Kohlendioxid- Abspaltung bei der Synthese).
Polyurethan-Hart-Schaum kann chemisch, durch Kohlendioxid-Gasabspaltung bei Zugabe von Wasser zum Reaktionsgemisch, und mit Halogenalkanen als physikalische, durch die Reaktionswärme verdampfende Treibmittel geschäumt werden. Das zweite überwiegend angewandte Verfahren gibt gleichmäßigere und wärmetechnisch bessere Produkte. Beim freien Schäumen werden Raumgewichte von 23 bis 26 kg/m3, unter Gegendruck (Formschäumen) von größer 100 kg/m3 erreicht. Billiger arbeitet man durch unmittelbares Vermischen der Komponenten in "One Shot"-Verfahren, bessere Produkte mit mehr geschlossenen Zellen erhält man mit Hilfe des Prepolymer-Verfahrens. Beim "One-Shot"-Verfahren wird aus dem Polyol, Isocyanat, Katalysator, Treibmittel und Emulgator ein Reaktiongemisch hergestellt und daraus der Polyurethan-Schaum gewonnen. Beim Prepolymer-Verfahren wird aus Polyol und Isocyanat im Überschuß ein Prepolymer mit freien Isocyanat-Gruppen hergestellt und aus Polyol, Katalysator, Emulgator und Treibmittel wird eine Polyol-Komponente hergestellt, welche mit dem dem Prepolymer zur einem Reaktionsgemisch vermischt wird (Saechtling- Zebroswki, "Kunststoff Taschenbuch", 19. Auflage, Carl Hanser Verlag 1974, Seiten 399-402, Kap. 4.6.1.9.3.1. : Polyurethan (PUR)-Schaumstoffe, PUR- Hart-Schaum).
Polyurethan-Weich-Schaum wird frei, überwiegend mit Wasser als chemischem Treibmittel geschäumt. Es entstehen offenporig luftdurchlässig, hochelastisch weiche Polyäther-Schäume, die insbesondere als Sitzpolsterungen, Verpackungen, Isolierungen sowie für viele Haushaltsartikel eingesetzt werden (Saechtling-Zebroswki, "Kunststoff Taschenbuch", 19. Auflage, Carl Hanser Verlag 1974, Seite 402, Kap. 4.6.1.9.3.2.: Polyurethan (PUR)-Schaumstoffe, PUR-Weich-Schaum).
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schäumen von Kunststoff bereitzustellen, mit welchem die Porengröße und Porengrößenverteilung in dem geschäumten Kunststoff optimiert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit Verfahren unter Verwendung von Kohlendioxid als Schäumungsmittel, bei dem flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid auf einen erhöhten Druck gebracht wird und dem Kunststoff zugeführt wird, um den Kunststoff zu schäumen.
Unter dem Begriff "Kunststoff" sind hier alle denkbaren Arten von Kunststoff sowie deren Mischungen zu verstehen, die geeignet sind, geschäumt zu werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Einsatz von Chlor-Fluor-Carbonat oder -Hydrocarbonat oder von Isocyanat als Schäumungsmittel nicht mehr notwendig. Kohlendioxid ist vergleichsweise kostengünstig und -im Gegensatz zu beispielsweise Isocyanat- nicht giftig.
Durch den relativ hohen Duck des Kohlendioxids, der vorzugsweise deutlich höher ist als der Druck des Volumenstroms des zu schäumenden Kunststoffs, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Kunststoffe mit einer relativ geringen Porengröße hegestellt werden.
Es ist nach der Erfindung vorgesehen, daß das flüssige oder überkritische Kohlendioxid auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird und dem Kunststoff zugeführt wird, um den Kunststoff zu schäumen.
Nach der Erfindung beträgt der erhöhte Druck des Kohlendioxids 150 bis 300 bar, vorzugsweise aber 220 bis 280 bar.
Erfindungsgemäß beträgt die erhöhte Temperatur des Kohlendioxids 30 bis 50 °C, vorzugsweise ca. 40°C.
Nach der Erfindung ist es vorgesehen, daß das Kohlendioxid nach Erhöhung des Drucks oder des Drucks und der Temperatur eine Viskosität von 12x10"4 bis 35x10"4 poise aufweist. Unter dem Begriff "Viskosität" ist hier die dynamische Viskosität zu verstehen.
Nach der Erfindung weist das Kohlendioxid nach Erhöhung des Drucks oder des Drucks und der Temperatur eine Dichte von 300 bis 1000 g/l auf.
Vorzugsweise befindet sich das Kohlendioxid nach Erhöhung des Drucks oder des Drucks und der Temperatur im überkritischen Zustand. Erfindungsgemäß beträgt der Volumenstrom des Kohlendioxids 0,5 bis 5 g/sec, bevor das Kohlendioxid dem Kunststoff zugeführt wird.
Es ist nach der Erfindung vorgesehen, daß der Druck in mindestens zwei Stufen erhöht wird, wobei vorzugsweise der Druck in einer ersten Stufe erhöht wird auf einen Wert zwischen 20 und 80 bar, anschließend der Druck in einer zweiten Stufe erhöht wird auf einen Wert zwischen 200 und 300 bar und anschließend die Temperatur erhöht wird auf einen Wert zwischen 30 bis 50 °C.
Nach der Erfindung ist es vorgesehen, daß das Kohlendioxid dem Kunststoff diskontinuierlich, vorzugsweise intermittierend mit einer Frequenz von 1 bis 10 mal pro Minute, zugeführt wird. Die intermittierende Zuführung kann zum Beispiel mit Hilfe eines Steuerventils, beispielsweise mit elektronischer oder pneumatischer Steuerung erfolgen.
Erfindungsgemäß erfolgt die diskontinuierliche Zufuhr des Kohlendioxids synchron mit einer diskontinuierlichen Zufuhr des Kunststoffs in eine Vorrichtung zu dessen Weiterverarbeitung oder Formgebung.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung zum Schäumen von Kunststoff unter Verwendung von Kohlendioxid als Schäumungsmittel gelöst, bei der eine Quelle für flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid in Verbindung steht mit mindestens einer Einrichtung zur Erhöhung des Druckes des Kohlendioxids, die in Verbindung steht mit einer Einrichtung zum Schäumen des Kunststoffs. Als Einrichtung zur Erhöhung des Druckes wird gemäß der Erfindung eine Pumpe, vorzugsweise eine pneumatische Pumpe, eingesetzt. Diese Pumpe hat den Vorteil einer relativ sicheren und zuverlässigen Arbeitsweise und ist zudem relativ kostengünstig. Vorzugsweise wird die Einrichtung zur Erhöhung des Druckes ebenfalls mit gasförmigem Kohlendioxid betrieben. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß im Grundsatz keine Druckluft zum Betreiben der Vorrichtung und des Verfahrens notwendig ist. Ein Einsatz von Druckluft ist aber ebenso denkbar und durch die Erfindung nicht ausgeschlossen.
Nach der Erfindung ist es vorgesehen, daß einer Einrichtung zur Erhöhung des Drucks des Kohlendioxids mindestens eine Einrichtung zur Erhöhung der
Temperatur des Kohlendioxids nachgeschaltet ist. Mit Hilfe der Einrichtung zur Erhöhung der Temperatur des Kohlendioxids wird vorzugsweise eine Heizeinrichtung mit dazugehöriger Temperaturregeleinrichtung verwendet. Beispielsweise kann ein Wärmetauscher in einem Ölbad und eine Einrichtung zur Thermostatisierung des Ölbads eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß ist der Einrichtung zur Erhöhung des Drucks des Kohlendioxids mindestens eine Einrichtung zur Regelung des Volumenstroms des Kohlendioxids nachgeschaltet. Als Einrichtung zur Regelung des Volumenstroms des Kohlendioxids wird vorzugsweise eine Drosselblende eingesetzt.
Nach der Erfindung weist die Vorrichtung zwei Einrichtung zur Erhöhung des Drucks des Kohlendioxids in zwei Stufen auf. Erfindungsgemäß wird der Druck in einer ersten Stufe erhöht mit Hilfe einer geeigneten Druckerhöhungseinheit, z. B. einer pneumatischen Pumpe, und anschließend der Druck in einer zweiten Stufe weiter erhöht mit Hilfe einer weiteren Druckerhöhungseinheit als Hochdruckpumpe.
Das er indungsgemäße Verfahren und Vorrichtung wird vorteilhaft zur zur Herstellung eines Schaumes aus einem Polypropylen, einem Polyurethan oder einem Polystyrol verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung wird vorteilhaft verwendet, um die üblichen Schäumungsmittel, wie Pentan, Methylenchlorid oder andere Kohlenwasserstoffe oder Lösungsmittel, zu ersetzen. Die Erfindung ist beispielhaft anhand von Zeichnungen (Fig. 1 und Fig. 2) dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einer zweistufigen Druckerhöhung und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einer einstufigen Druckerhöhung zur Herstellung von Polyurethan
Schaumstoff.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung mit einer zweistufigen Druckerhöhung dargestellt. Aus einem Vorratstank 1 wird flüssiges Kohlendioxid mit einem Druck von ca. 20 bar und einer Temperatur von ca. -20 °C durch eine Leitung 2 mit Absperr- einrichtung 3 und Meßeinrichtung 4 einer ersten Druckerhöhungseinheit 5, beispielsweise einer Förderpumpe, zugeführt (siehe Pfeil A) und auf einen Druck von ca. 80 bar gebracht (erste Stufe der Druckerhöhung). Das in der ersten Stufe druckerhöhte Kohlendioxid wird über eine Leitung 6 einer zweiten Druckerhöhungsstufe zugeführt (siehe Pfeil B) und mit einer zweiten
Druckerhöhungseinheit 7, beispielsweise einer zweiten Förderpumpe. Ein Teilstrom des in der ersten Stufe druckerhöhten Kohlendioxids kann im Bedarfsfall rückgeführt werden (siehe Pfeile C und D) in den Vorratstank 1 über eine Leitung 8 und Absperreinrichtungen 9 und 10. In dem zweiten Verdichter wird das Kohlendioxid auf einen Druck von ca. 250 bar verdichtet und anschließend über eine Leitung 11 einer Einrichtung zur Temperaturerhöhung 12 zugeführt (siehe Pfeil E). In der Leitung 11 sind eine Absperreinrichtung 13 mit Meßeinrichtung 14 sowie Druckbehälter 15 und 16 angeordnet. Die Druckbehälter 15 und 16 haben die Aufgabe, die durch die hohe Verdichtung auftretenden Pulsationen zu dämpfen bzw. zu eliminieren. Mit Hilfe der Einrichtung zur Temperaturerhöhung 12 wird eine Temperatur des Kohlendioxids von ca. 40 °C eingestellt und gehalten 8
und anschließend wird das Kohlendioxid mit einem Druck von ca. 250 bar und einer Temperatur von ca. 40 °C über eine Leitung 17 mit Absperreinrichtungen 18 und 19 und über eine Drosselbiende 20 dem Kunststoff zugeführt, um diesen zu schäumen (hier nicht dargestellt). In dem Vorratstank 1 für flüssiges Kohlendioxid wird die Temperatur und der Druck über eine Einrichtung, zum Beispiel eine
Druckaufbauvorrichtung 21 und damit in Verbindung stehende Leitungen 22 und 23 mit Absperreinrichtungen 24 und 25 eingestellt. Die Entnahme und die Rückführung von Kohlendioxid in und aus dem Vorratstank 1 wird über im Vorratstank 1 angeordnete Absperreinrichtungen 26 und 27 in einer Leitung 28 eingestellt.
In Fig. 2 ist schematisch eine Vorrichtung mit eine einstufigen Druckerhöhung zur Herstellung von Polyurethan-Schaumstoff dargestellt. Analog zu der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wird hier aus einem Vorratstank 1 flüssiges Kohlendioxid entnommen. Das Kohlendioxid wird über eine Leitung 2, über eine
Filtereinrichtung 29 und über eine Leitung 30 einer Druckerhöhungseinheit 7 zugeführt. In der Leitung 26 ist vor der Filtereinrichtung 29 eine Absperreinrichtung 3 mit Meßeinrichtung 4 angeordnet. Mit Hilfe der Druckerhöhungseinheit 7 wird das Kohlendioxid auf einen Druck von ca. 250 bar verdichtet. Über einen mit der Leitung 30 verbundenen Druckspeichertank 31 , einen Erhitzer 32 und nachfolgenden Ansperreinrichtungen 33 und 34 wird die Druckerhöhungseinheit 7 betrieben. Es ist ebenso möglich, eine Druckerhöhungseinheit 7 einzusetzen, welche mit Druckluft betrieben wird. Das in der Druckerhöhungseinheit 7 auf einen Druck von ca. 250 bar verdichtete Kohlendioxid wird anschließend über eine Leitung 11 einer Einrichtung zur
Temperaturerhöhung 12 zugeführt. In der Leitung 11 sind Absperreinrichtung 13 mit Meßeinrichtung 14 und Absperreinrichtung 35 sowie ein Druckbehälter 15 angeordnet. Mit Hilfe des Druckbehälters 15 werden die Pulsationen abgedämpft bzw. eliminiert. Durch die Einrichtung zur Temperaturerhöhung 12 wird die Temperatur des Kohlendioxids auf ca. 40 °C eingestellt. Als Einrichtung zur
Temperaturerhöhung 12 wird beispielsweise ein Wärmetauscher in einem Ölbad und eine Einrichtung zur Thermostatisierung des Ölbads eingesetzt. Ais Wärmetauscherrohr, durch welches das Kohlendioxid geleitet wird, kann beispielsweise ein Kupferrohr mit einem Außendurchmesser von ca. 10mm und einem Innendurchmesser von ca. 5 mmm verwendet werden. Das Kupferrohr wird in einem Ölbad, beispielsweise mit einem Volumen von 10 bis 15 I, angeordnet, welches mit einem Erhitzer und einer Temperaturmeß und -regeleinrichtung auf eine bestimmte Temperatur mit einer Genauigkeit von ca. +2 °C eingestellt und gehalten werden kann. Anschließend wird das Kohlendioxid über eine Leitung 36, die vorteilhaft thermisch isoliert ist, einer Einrichtung zur Regelung des Kohlendioxid-Durchflusses 37 zugeführt. Danach wird das Kohlendioxid mit einem Druck von ca. 250 bar und einer Temperatur von ca. 40 °C über weitere Leitungen 38 und 39, die ebenso vorteilhaft thermisch isoliert sind und mit Absperreinrichtungen 18 und 19 und einer Drosselblende 20 versehen sind, dem Kunststoff zugeführt, um diesen in einer Einrichtung 40 zu schäumen und im Bedarfsfall in einer Einrichtung zur Formgebung 41 in eine bestimmte äußere
Form zu bringen. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens ergibt sich daraus, daß bereits bestehende Anlagen zur Herstellung von Polyurethan-Schaumstoff mit einer Leitung für das Polyol 42 und einer Leitung für das Isocyanat 43 auf relativ einfache und kostengünstige Weise auf einen Betrieb mit dem erfindungsgemäßen Verfahren umgerüstet werden können, wobei eine Schaumbildung durch Isocyanat ganz oder teilweise durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Schaumbildung ersetzt werden kann.

Claims

10Patentansprüche
1. Verfahren zum Schäumen von Kunststoff unter Verwendung von Kohlendioxid als Schäumungsmittel, bei dem flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid auf einen erhöhten Druck gebracht wird und dem Kunststoff zugeführt wird, um den Kunststoff zu schäumen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid auf eine erhöhte
Temperatur gebracht wird und dem Kunststoff zugeführt wird, um den Kunststoff zu schäumen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erhöhte Druck des Kohlendioxids 150 bis 300 bar beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der erhöhte Druck des Kohlendioxids 220 bis 280 bar beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die erhöhte Temperatur des Kohlendioxids 30 bis 50 °C beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Kohlendioxid nach Erhöhung des Drucks oder des Drucks und der Temperatur eine Viskosität von 12x10"4 bis
35x10"4 poise aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Kohlendioxid nach Erhöhung des Drucks oder des Drucks und der Temperatur eine Dichte von 300 bis 1000 g/l aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Volumenstrom des Kohlendioxids 0,5 bis 5 g/sec beträgt, bevor das Kohlendioxid dem Kunststoff zugeführt wird. 11
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Druck in mindestens zwei Stufen erhöht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Druck in einer ersten Stufe erhöht wird auf einen Wert zwischen
20 und 80 bar, bei dem anschließend der Druck in einer zweiten Stufe erhöht wird auf einen Wert zwischen 200 und 300 bar und bei dem anschließend die Temperatur erhöht wird auf einen Wert zwischen 30 bis 50 °C.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Kohlendioxid dem Kunststoff diskontinuierlich zugeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , bei dem das Kohlendioxid dem Kunststoff intermittierend zugeführt mit einer Frequenz von 1 bis 10 mal pro Minute.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die diskontinuierliche Zufuhr des Kohlendioxids synchron erfolgt mit einer diskontinuierlichen Zufuhr des Kunststoffs in eine Vorrichtung zu dessen Weiterverarbeitung oder Formgebung.
14. Vorrichtung zum Schäumen von Kunststoff unter Verwendung von Kohlendioxid als Schäumungsmittel, bei der eine Quelle für flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid (1 ) in Verbindung steht mit mindestens einer Einrichtung zur Erhöhung des Druckes des Kohlendioxids (7), die in Verbindung steht mit einer Einrichtung zum Schäumen des Kunststoffs (40).
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der einer Einrichtung zur Erhöhung des Drucks des Kohlendioxids (7) mindestens eine Einrichtung zur Erhöhung der Temperatur des Kohlendioxids (12) nachgeschaltet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, bei der der Einrichtung zur Erhöhung des Drucks des Kohlendioxids (7) mindestens eine Einrichtung zur Regelung des Volumenstroms des
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