DE1504573A1

DE1504573A1 - Verfahren zur Herstellung eines geschaeumten,thermoplastischen,synthetischen Harzes und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1504573A1
Application number: DE19641504573
Authority: DE
Inventors: Samuel Baxter; Gilbert John Harold
Original assignee: Monsanto Chemicals Ltd
Current assignee: Monsanto Chemicals Ltd
Priority date: 1963-06-24
Filing date: 1964-06-19
Publication date: 1969-10-09
Also published as: US3406230A; DE1504573B2; DE1504573C3; GB1034120A

Description

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Neue Unterlagen

Anwaltsakte 12 342

ÜONSANTO CHEMICALS LIMITED 10-18 Victoria Street, London, S.W. 1 / England

Verfahren zur Herstellung eines geschäumten, thermoplastischen, synthetischen Harzes und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Geschäumte Harze sind brauchbare industrielle Produkte, weil sie ausgezeichnete wärmeisolierende Eigenschaften haben. Sie werden oft durch Formpressen hergestellt, doch ist beschrieben worden, geschäumte Harze nach einem Extrudierverfahren herzustellen, bei welchem mit einem Gas oder Dampf

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gemischtes Harz unter Druck durch beispielsweise eine runde Form gezwungen wird, so daß die Expansion des Gases oder Dampfes die Schaumbildung des Harzes verursacht. Derartige Verfahren sind jedoch nicht für alle Zwecke vollkommen erfolgreich, und es ist beispielsweise schwierig, durch Extrudieren geschäumte Polystyrolplatten herzustellen, weil beispielsweise die extrudierte Platte eine faltige bzw. unebene Oberfläche hat und dazu neigt, sich zu verziehen.

Aus der französischen Patentschrift 1 314 365 ist ein Extrudierverfahren bekannt, bei dem schon beim Austritt des schäumbaren Kunstharzgemischs aus Kanälen eine Verschäumung einsetzt, die mit einer schnellen Abkühlung verbunden ist. Sollen die bereits schäumenden Sträge gut haften, so ist ein sehr hoher Druck erforderlich, der Schwierigkeiten innerhalb des dort beschriebenen Formkastens mit sich, bringt. Demgegenüber werden beim nachstehend beschriebenen Verfahren der Erfindung die durch Extrudieren durch Kanäle der Strangpreßform erhaltenen Stränge im weichen, unverschäumten Zustand vereinigt, wobei erst dann die Formgebung unter Entspannung und damit Verschäumung erfolgt; dabei wird eine hervorragende Verbindung der Stränge erzielt, wie sie durch daa Verfahren der französischen Patentschrift 1 3H 365 nicht erreicht werden kann. Beim Verfahren der

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Erfindung werden also Schaumstofformkörper aus verschäumbaren, thermoplastischen Kunststoffen hergestellt, wobei der Kunststoff in erweichtem, unverschäumtem Zustand in eine Mehrzahl von Strängen übergeführt wird, diese unverschäumt vereinigt werden und dann formgebend unter Entspannung und damit Verschäumung extrudiert werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines geschäumten, thermoplastischen, synthetischen Harzes durch Extrudieren des Harzes durch eine Strangpreßform, welche am Ende ihrer Einlaßöffnung eine Mehrzahl getrennter Kanäle besitzt; das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man eine Strangpreßform verwendet, deren Kanäle mit einem Schlitz am Ende der Auslaßöffnung der Form in Verbindung stehen, wobei der Druck innerhalb der Form ausreichend ist, das Harz an der Schaumbildung zu hindern, bevor es den Schlitz verläßt und das Verhältnis zwischen den Abmessungen der Kanäle und den Abmessungen des Schlitzes derart ist, daß die Harzströme, welche aus den Kanälen herausfließen, sich ausdehnen, um den Schlitz zu füllen und sich zu vereinigen, während sie noch in nichtverschäumtem Zustand sind.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; die Vorrich-

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tung ist gekennzeichnet durch eine Strangpreßform mit Kanälen runden Querschnitts, die in symmetrischer Weise hinter dem Schlitz angeordnet sind.

In der Strangpreßform ist die Form der Kanäle normalerweise derart, daß sie der Richtung dee Harzflussee angepaßt ist und die formgebende Innenfläche (land) der Kanäle ist. Jedoch müssen die Kanäle nicht notwendigerweise im Querschnitt rund sein, und sie können beispielsweise irgendeine Form aufweisen, die im wesentlichen rund ist, und es ist durchaus möglich, daß sie beispielsweise einen hexagonalen oder vielleicht sogar rechteckigen bzw. quadratischen Querschnitt besitzen. Vorzugsweise sind die Kanäle im Querschnitt rund und in symmetrischer Weise hinter dem Schlitz angeordnet.

Die Abmessungen des Schlitzes werden durch die formgebende Innenfläche (welche, wie oben erwähnt, der Größe und Form des Harzflusses angepaßt ist) und den Querschnitt bestimmt, welcher sich aus der Höhe und Breite ergibt, wobei die Breite die größere dieser beiden linearen Dimensionen ist. Im allgemeinen ist die Höhe des Schlitzes geringer als der Durchmesser der Kanäle, die hinter dem Schlitz gelegen sind; beispielsweise ist der Durohmesser der Kanäle oft das 1,3- bis 10-fache, insbesondere das 2- bis 5-fache, der Höhe des Schlitzes. Obgleich ein gerader Schlitz oftmals

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verwendet wird, so daß das Harz in der Form einer Platte extrudiert wird, ist dies notwendigerweise nicht so erforderlich, und es kann ein gebogener Schlitz verwendet werden, wobei der gebogene Teil bzw. Abschnitt des so hergestellten geschäumten Harzes für solche Zwecke wie Deckenwölbungen oder Rohrisolierungen brauchbar ist. Vorzugsweise ist mehr als ein Schlitz in der Ctran^prebf jrrc, oeispielsweise ist eine Anzahl parallel zueinander oaer in der Form eines G-eflechts angeordnet, wobei _deder Sci.xi t seine ihm zugehörige Reihe von Kanälen hat. Ein Geflecht von Schlitzen kann beispielsweise in der Form eines rechteckigen oder dreieckigen Gitters sein, beispielsweise einer Reihe von Quadraten oder ein sechszackiger Stern in einem Hexagon. Ein !Netzwerk von Schlitzen kann angeordnet werden, um ein hohles Produkt herzustellen. Die Breite des Schlitzes kann so groß wie gewünscht sein, beispielsweise 0,635 bis 152,4 cm oder sogar mehr, je nach den gewünschten Dimensionen des endextrudierten geschäumten Harzes. Die Höhe des Schlitzes steht ebenso in gewissem Verhältnis zu der Dioke bzw. Stärke des extrudierten Harzes, wird aber ebenso in gewissem Ausmaß durch die maximale praktische Extrudierungsgeschwindigkeit vorgeschrieben. Im allgemeinen wurde eine Schlitzhöhe von 0,025 bis 0,635 cm, beispielsweise 0,05 bis 0,25 cm und insbesondere von ungefähr 0,0635 om, als geeignet befunden. Die formgebende Innenfläche des

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Schlitzes kann beispielsweise 0,127 bis 5,08 cm, insbesondere 0,25 bis 1,27 cm, groß sein.

Vorzugsweise sind die Kanäle und der Schlitz so angelegt, daß die Verweilzeit des Harzes im Schlitz verhältnismäßig kurz im Vergleich zu derjenigen in den Kanälen ist. Solche Bedingungen können beispielsweise durch geeignete Auswahl der Länge der formgebenden Innenflächen der Kanäle und des Schlitzes erreicht werden. Oftmals ist die formgebende Innenfläche der Kanäle zwischen dem 2- und 20-fachen der formgebenden Innenfläche des Schlitzes, und wenn beispielsweise Polystyrol extrudiert werden soll, können beispielsweise die formgebenden Innenflächen der Kanäle das 4- bis 15-fache der formgebenden Innenfläche des Schlitzes sein. Wo Polyäthylen extrudiert werden soll, kann beiapielsweise die formgebende Fläche der Kanäle das 2- bis 6-fache der formgebenden Innenfläche des Schlitzes sein. Bei anderen Harzen kann das Verhältnis größer oder kleiner als diese Werte sein, was davon abhängt, ob das viskoelastieche Verhalten des Harzes niedrig oder hoch ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Herstellung eines geschäumten Harzes in Form einer Platte besondere brauchbar, deren Abmessungen natürlich von denen der Strangpreßform und dem Ausmaß des Schäumens abhängt, welches erfolgt, wenn das Harz die Strangpreßform verläßt. Im allgemeinen

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findet eine größere Expansion über die Höhe des Schlitzes als in Richtung seiner Breite statt, und beispielsweise kann eine Platte mit einer Stärke von 2,5 oder 5,1 cm aus einem engen Schlitz hergestellt werden.

Das Harz ist vorzugsweise ein Polymerisat oder Copolymerisat eines Vinyl- oder Vinylidenmonomers, beispielsweise ein Kohlenwasserstoffmonomer, wie beispielsweise Äthylen, Propylen, Butadien, Styrol, Vinyltoluol oder OC-Methylstyrol oder ein substituiertes Monomer, wie beispielsweise Acrylnitril, Vinylchlorid, Vinylacetat, Methylacrylat, Methylmethacrylat oder Äthylacrylat. Ausgezeichnete Ergebnisse wurden bei Verwendung von entweder Polyäthylen oder Polystyrol erhalten, und diese sind die bevorzugten Harze. Zähgemachtes Polystyrol kann ebenso verwendet werden.

Das in dem Verfahren verwendete Harz ist natürlich schäumbar und das heißt, daß es mit einem Treibmittel vermischt ist, welches vorzugsweise eine normalerweise gasförmige Substanz ist, aber auch eine flüchtige Flüssigkeit sein kann. In manchen Fällen ist das Treibmittel ein solches, welches normalerweise gasförmig ist, aber welches, solange es unter Druck vor dem Extrudieren steht, in flüssigem Zustand vorliegt. Beispiele für verwendbare flüchtige Substanzen sind niedrigmolekulare aliphatische Kohlenwasser-

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stoffe wie Ätiian, Propan, Butan oder Pentan, niedrigmolekulare Alkylhalogenide wie Methylchlorid, Triohlormethan oder 1,2-Dichlortetrafluoräthan und anorganische Gase wie Kohlendioxyd oder Stickstoff. Die niedrigmolekularen aliphatischen Kohlenwasserstoffe, insbesondere Butan, werden vorgezogen. Das Treibmittel kann auch ein chemisches Treibmittel sein, beispielsweise ein Hydrogenoarbonat wie Natriumhydrogencarbonat oder Ammoniumhydrogencarbonat, oder eine organische Stickstoffverbindung, die Stickstoff bei Erhitzen abgibt, wie beispielsweise Dinitrosopentamethylendiamin oder Bariumazodicarboxylat. 3 bis 3O?6, insbesondere 7 bis 2096, bezogen auf das Gewicht des Harzes, ist oft ein geeigneter Treibmittelgehalt; beispielsweise hat die Verwendung von 7 bis 15 Gew.$> Butan, zusammen mit Polystyrol, ausgezeichnete Ergebnisse erbracht.

Extrudierstrangpreßformen der Erfindung werden in beispielhafter Weise (nicht im Größenverhältnis) in den die vorläufige Beschreibung begleitenden Zeichnungen dargestellt, in welchen
Zeichnung 1 eine Vorderansicht einer Konstruktion der Strepgpreßform ist;

Zeichnung 2 ein Schnitt entlang der Linie II-II in Zeichnung 1 ist;

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• Zeichnung 3 eine Vorderansicht einer zweiten Konstruktion der Strangpreflform ist;

Zeichnung 4 ein Sohnitt entlang der Linie IV-IV in der Zeichnung 3 ist;

Zeichnung 5 eine Vorderansicht einer dritten Konstruktion der Strangpreßform ist, und

Zeichnung 6 ein Schnitt entlang der Linie VI-VI in Zeichnung 5 ist.

Die in den Zeichnungen 1 und 2 aufgezeigte Strangpreßform besteht aus einem Flußstahlblock (1), welcher in sich hineinreichend von einer Seite eine Reihe von 16 zylindrischen Kanälen in gleichen Abständen von 0,635 cm nebeneinander hat, wer ei jeder Kanal 2,10 cm lang und 0,1016 cm im Durohmesser ist. Die Kanäle sind mit einem Schlitz/(3) von 0,0381 cm Höhe, 10,16 cm Breite und einer formgebenden Innenfläche von 0,3175 cm und mit der gegenüberliegenden Seite des Blocks verbunden. Die Strangpreßform ist (nicht aufgezeigt) zur Befestigung derselben an dem Vorderende einer Strangpresse (extruder) vorgesehen, so daß, wenn die Strangpreßform in Verwendung ist, ein schäumbares Harz, wie beispielsweise schäumbares Polystyrol, in die Kanäle in der Richtung des Pfeils und von hier in den Schlitz gebraoht wird.

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In der in den Zeichnungen 3 und 4 aufgezeigten Strangpreßform sind drei parallele Schlitze (4» 5 und 6), wobei jeder Schlitz demjenigen ähnlich ist, wie er in den Zeichnungen 1 und 2 aufgezeigt ist, und jeder seine ihm zugeordnete Reihe von Kanälen (7) in einer versetzten Anordnung, wie aufgezeigt, hat. Die Schlitze haben einen Abstand von 0,635 om voneinander.

Die Zeichnungen 5 und 6 zeigen eine Strangpreßform, die ein rechtwinkliges Netzwerk von in Verbindung miteinander stehenden Schlitzen hat, beispielsweise die ala (8), (9), (10) und (11) gekennzeichnet sind. Die Schlitze haben insgesamt 0,0381 cm Höhe und eine formgebende Innenfläche von 0,3175 cm. Die drei horizontalen Schlitze (8), (9) und (10) sind jeder 10,16 cm lang und haben Abstände von 0,635 cm voneinander und siebzehn vertikale Schlitze von 1,27 cm Breite, sind mit Abständen von 0,635 cm voneinander längs der Länge der horizontalen Schlitze angebracht. Jeder Schlitz ist mit einer ihm zugehörenden Reihe von Kanälen (12) mit Abständen von 1,27 cm voneinander und einem Durchmesser von 0,1016 cm und einer formgebenden Innenfläche von 2,10 om verbunden, wobei die horizontalen Schlitze sechzehn Kanäle und die vertikalen deren zwei haben.

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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in besonderer Weise für die Herateilung geschäumter Harze anwendbar wie PoIy-

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styrol, welche eine Dichte von 0,008 bis 0,16 g/cm und insbesondere 0,016 bis 0,08 g/cm haben.

Die Extrudiertemperatur (d.h. die Temperatur der Strangpreßform und des Harzes in derselben) hängt in gewissem Ausmaß von dem Erweichungspunkt des Harzes ab, aber im allgemeinen sind Temperaturen zwischen 95⁰C und 180 C, vorzugsweise zwischen 100⁰C und 160⁰C, geeignet. Beispielsweise kann, wenn ein schäumbares Polystyrol extrudiert werden soll, eine Temperatur im Bereich von 130 C bis 160⁰C verwendet werden, während für Polyäthylen etwas niedrigere Temperaturen, beispielsweise 100 bis 120 C, oftmals sehr geeignet sind·

Der Druck innerhalb der Strangpreßform ist ausreichend, um das Harz daran zu hindern, vor dem Verlassen des Schlitzes zu schäumen, und wo die flüchtige Substanz kondensierbar ist ist der Druck vorzugsweise größer als der gesättigte Dampfdruck der flüchtigen Substanz bei der Extrudierungstemperatur. Drücke, beispielsweise größer als 17,6 at, besonders zwischen 17,6 at und 35,2 at, können verwendet werden. Vorzugsweise liegt der Druck zwischen 21,1 und 70,3 at.

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Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die nachfolgenden Beispiele erläutert.

Beispiel 1

Dieses Beispiel beschreibt ein erfindungegemäßes Verfahren zur Herstellung von geschäumtem Polystyrol.

Schäumbares Polystyrol in Tablettenform, welches 7 Butan enthält, wurde mit einem Druck von 35,2 at und bei einer Temperatur von 15O⁰O durch die oben beschriebene und in den Zeichnungen 5 und 6 erläuterte Strangpreßform mit einer Fließgeschwindigkeit von 15,6 kg pro Stunde extrudiert, wobei das extrudierte Polystyrol zwischen einem Walzenpaar, das 1,9 cm Abstand voneinander hatte, durchgeleitet wurde.

Auf diese Weise wurde eine Platte von geschäumtem Polystyrol von 15,24 cm Breite , 1,9 cm Stärke und einer Dichte von 0,024 g/oBr hergestellt. Die Platte hatte gute Festigkeit sowohl in den Quer- wie Längsrichtungen, und obgleich die Wirkung der Kanäle in der Platte wahrnehmbar war, waren die Oberflächen zufriedenstellend glatt bzw. eben.

Für Vergleiohszweoke wurde ein ähnlich sohäumbareB PoIystyrolgemisoh durch eine Strangpreßform extrudiert, die

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eine Anzahl von Kanälen ohne irgendeinen Schlitz hatte| es wurden Versuche unternommen, die so erhaltenen, geschäumten Stränge durch Durchleiten derselben zwischen Walzen oder durch Durchleiten derselben durch einen Ytrformungskasten mit verringertem Ausmaß zu verdichten bzw. zu vereinigen. Die Ergebnisse waren in Jedem Fall vollkommen unbefriedigend wegen der Schwächelinien, welche entlang der Verbindungsnaht zwischen den gepreßten Strängen bestanden. Versuche,geschäumtes Polystyrol durch Schlitzdüsen (ohne irgendwelche Kanäle in Verbindung mit denselben) zu extrudieren, führten ebenso zu einem nichtbefriedigenden Produkt, wobei die Platte stark faltig und verzogen war.

Beispiel, 2

Dieses Beispiel beschreibt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines geschäumten Polyäthylen.

Schäumbares Polyäthylen, welohee 15 Gew.$> Butan und 3# fein verteiltes Siliziumdioxyd (um als kernbildendee Mittel zu wirken) enthielt, wurde mit einem Druck von 28,1 at und bei einer Temperatur von 110⁰C duroh eine ähnliche Strangprtflform wie oben beschrieben extrudiert, die in den Ztiohnungen 5 und 6 erläutert ist, aber drei horizontale und drei vertikale Sohlitz· in gltiohtn Abständen hattt, wobei jedtr Schlitz eint Breite von 1,016 o*, tint Höht von 0*0635 em

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und eine formgebende Innenfläche von 0,3175 cm hatte, und wobei jeder Schlitz mit zwei Kanälen verbunden war, die einen Durchmesser von 0,279 cm und eine formgebende Innenfläche von 1,27 cm hatten. Die Fließgeschwindigkeit betrug 4,54 kg Harz pro Stunde.

Auf diese Weise wurde ein hohles, geschäumtes Polyäthylen-Teilstück hergestellt, das in der Form dem Querschnitt des Schlitzes ähnlich war, aber äußere Abmessungen von ungefähr 2,54 cm zum Quadrat und eine Dichte von 0,048 g/cm hatte. Es war federnd, aber von guter Festigkeit sowohl in Querwie in Längsrichtung, und es war schwierig, die Wirkung der Kanäle bei dem geschäumten Produkt festzustellen.

Vergleichsversuche, die den in Beispiel "!beschriebenen ähnlich waren, ergaben wegen der in jenem Beispiel ausgeführten Gründen kein brauchbares Produkt.

Patentansprüche ι

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Claims

Pat entansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines geschäumten, thermoplastischen, synthetischen Harzes durch Extrudieren des Harzes durch eine Strangpreßform, welche am Ende ihrer Einlaßöffnung eine Mehrzahl getrennter Kanäle besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Strangpreßform verwendet, deren Kanäle mit einem Schlitz am Ende der Auslaßöffnung der Form in Verbindung stehen, wobei der Druck innerhalb der Form ausreichend ist, das Harz an der Schaumbildung zu hindern, bevor es den Schlitz verläßt und das Verhältnis zwischen den Abmessungen der Kanäle und den Abmessungen des Schlitzes derart ist, daß die Harzströme, welche aus den Kanälen herausfließen, sich ausdehnen, um den Schlitz zu füllen und sich zu vereinigen, während sie noch in nichtverschäumtem Zustand sind.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit des Harzes kürzer ist als die Verweilzeit in den Kanälen.

3. Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man als Harz Polystyrol oder Polyäthylen verwendet.

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4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 3> gekennzeichnet durch eine Strangpreßform mit Kanälen runden Querschnitts, die in symmetrischer Weise hinter dem Schlitz angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4> gekennzeichnet durch eine Strangpreßform, bei welcher der Durchmesser der Kanäle das 2- bis 5-fache der Höhe des Schlitzes beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Strangpreßform eine Anzahl von Schlitzen in der Form eines Netzwerks angeordnet ist, wobei jedem Schlitz eine Reihe von Kanälen zugeordnet ist.

7. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die formgebende Innenfläche der Kanäle der Strangpreßform das 4- bis 15-fache der formgebenden Innenfläche des Schlitzes beträgt, sofern Polystyrol extrudiert wird und das 2- bis 6-fache der formgebenden Innenfläche des Schlitzes beträgt, sofern Polyäthylen extru-r diert wird.

ORIGINAL