DE19500198A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Schaumherstellung mittels unter Druck gelöstem Kohlendioxid - Google Patents

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 Polyurethanschaumstoffen 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 verdam­ pfende Flüssigkeiten wie niedermolekulare Chlorfluorkohlenwasserstoffe, Methy­ lenchlorid, Pentan usw. eingesetzt, die aus der noch flüssigen Reaktivmischung verdampfen und Bläschen bilden (physikalische Schaumerzeugung). Ferner kann in die Reaktivmischung bzw. in eine der Komponenten Luft eingeschlagen werden (mechanische Schaumerzeugung) und schließlich wird bei Polyurethanschäumen Wasser als Treibmittel der Polyolkomponente zugesetzt, das nach Vermischung mit der der Isocyanatkomponente durch Reaktion mit dem Isocyanat Kohlendioxid als Schäumgas freisetzt (chemische 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 (GB-A 803 771, US-A 3 184 419). Jedoch hat Kohlendioxid bisher keinen Eingang in die Technik gefunden, offenbar aufgrund der Schwierigkeiten, bei der erforderlichen Entspannung der Reaktivmischung von Drücken zwischen 10 und 20 bar gleichmäßige Schäume zu erzeugen. Dabei besteht das Problem einerseits darin, daß unmittelbar nach der Entspannung 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 Reaktivmischung 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 Kohlendioxidfreisetzungen kommt, mit der Folge, daß große Blasen oder Lunker in den Schaumstoff eingeschlossen sind.

Gemäß DE-A 26 28 785 wurde daher offenbar zur Bereitstellung von Keimen für die Kohlendioxidfreisetzung bereits vorgeschlagen, in die Polyolkomponente Luft einzubringen, bevor in dieser Kohlendioxid gelöst wird.

Gemäß EP-A 145 250 wird die Fähigkeit des Kohlendioxids zur Bildung von Addukten mit Wasser und anderen niedrigmolekularen Flüssigkeiten ausgenutzt, um eine verzögerte Freisetzung des Kohlendioxids aus der Reaktivmischung zu erzielen, so daß die Schaumbildung durch Freisetzung des Kohlendioxids erst nach der Entspannung der Reaktivmischung verzögert einsetzt. Nach Zerstörung des Adduktes steht das Wasser als zusätzliches chemisches Treibmittel zur Verfügung. Allerdings wird die Beherrschbarkeit der Schaumbildung im großtechnischen Prozeß hierdurch kaum verbessert, da sowohl die Adduktbildung als auch deren Zerfall äußerst labil gegenüber den sonstigen in der Reaktivmischung herrschenden Bedingungen sind, außer man würde die dort ebenfalls beschriebenen, in einem separaten Schritt hergestellten Addukte unter Mitwirkung niedermolekularer tertiärer Amine einsetzen, die offenbar gegenüber spontan gebildeten Wasser/CO₂- Addukten eine erheblich verlängerte Zerfallszeit aufweisen.

Kombinationen von physikalisch gelöstem Kohlendioxid und anderen bei niedriger Temperatur siedenden physikalischen oder chemischen Treibmitteln wie Wasser oder Chlorfluorkohlenwasserstoffe werden auch bereits gemäß EP-A 89796 vorge­ schlagen.

All diese Vorschläge haben nicht zu technisch anwendbaren Lösungen für den Einsatz von physikalisch unter Druck gelöstem CO₂ als Treibmittel für die Polyurethanschaumherstellung geführt.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Untersuchungen gehen von der Vorstellung aus, daß die Bedingungen, unter denen die unter Druck stehende, CO₂ enthaltende Polyurethan-Reaktivmischung entspannt wird, wesentlichen Einfluß auf die Schaumbildung hat.

Gemäß US-A 3 184 419 wird die aus der Mischvorrichtung austretende, unter Druck stehende, Kohlendioxid enthaltende Reaktivmischung durch ein Ventil offenbar plötzlich entspannt. Gemäß EP-A 145 250 sollte die Entspannung allmäh­ lich ("gradually") erfolgen, wobei der allmähliche Druckabbau beim Durchströmen der Kohlendioxid enthaltenden Reaktivmischung durch einen Schlauch erfolgen kann. Dabei wird die noch im Schlauch erfolgende Freisetzung eines Teils des Gases nicht notwendigerweise als Nachteil angesehen, da hierdurch die Blasenkeimbildung unterstützt werden kann. Im Rahmen der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Untersuchungen hat sich jedoch gezeigt, daß eine solche vorzeitige, d. h. spontane und nicht induzierte Blasenkeimbildung für die Porenstruktur des Schaumes eher nachteilig ist, da aus einer solchen spontanen Blasenkeimbildung regelmäßig ein Schaum resultiert, der nicht nur eine stark unterschiedliche Porenstruktur aufweist, sondern auch größere Lunker und Voids.

Das Konzept der verzögerten Kohlendioxidfreisetzung, d. h. der Freisetzung erst nach Aufbringung der Reaktivmischung auf das Formgebungsmittel (Transport­ band oder Form) durch Adduzierung des Kohlendioxid an hydroxylgruppenhaltige Verbindungen führt auch deswegen nicht zu einer kontrollierten Schaumbildung, weil die Addukte unter Verschäumungsbedingungen extrem instabil sind und daher immer auch größere Mengen von nicht adduziertem Kohlendioxid vorhanden sind, die bei entsprechender Anwesenheit von Blasenkeimen spontan vorzeitig freige­ setzt werden.

Aufgrund dieser und anderer Beobachtungen wurden folgende Forderungen für die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von Schaumstoffen aus Zweikom­ ponentenreaktivkunststoffen unter Einsatz von physikalisch unter Druck gelöstem Kohlendioxid als Treibmittel aufgestellt:

• 1. Die Ausbildung von Blasenkeimen in der flüssigen Zweikomponenten- Reaktivmischung muß derart kontrolliert erfolgen, daß jeder erzeugte Blasenkeim in gleicher Weise an der Freisetzung des Kohlendioxids aus der Reaktivmischung teilnehmen kann, so daß möglichst gleichmäßige Poren erzeugt werden.
• 2. Bei der induzierten Blasenkeimbildung sollen bereits so viele Blasenkeime erzeugt werden, wie der Porenzahl im ausgehärteten Schaumkunststoff entspricht.
• 3. Die kontrollierte, induzierte Erzeugung von Blasenkeimen muß im Augen­ blick des Übergangs der flüssigen Reaktivmischung aus einem an gelöstem Kohlendioxid untersättigten Zustand in einen an Kohlenstoff übersättigten Zustand erfolgen, d. h. im Augenblick der Entspannung von einem Druck, der oberhalb des Sättigungsdruckes für das gelöste Kohlendioxid liegt, auf einen Druck, der unterhalb des Sättigungsdruckes für das gelöste Kohlendioxid liegt.
• 4. Unmittelbar im Anschluß an die Keimbildung soll eine möglichst große Übersättigung der Reaktivmischung an gelöstem Kohlendioxid herbei­ geführt werden, d. h. die Entspannung von einem Druck oberhalb des Gleichgewichtsdrucks für das gelöste Kohlendioxid auf Umgebungsdruck soll möglichst vollständig instantan erfolgen.

Es wurde gefunden, daß die obengenannten Forderungen erfüllt werden können, wenn die Kohlendioxid unter Druck gelöst enthaltende Reaktivmischung unter Erzeugung hoher Schergeschwindigkeiten in der Reaktivmischung entspannt wird.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffen aus Zweikomponenten-Reaktivkunststoffen unter Einsatz von Kohlendioxid als Treibmittel durch Vermischung mindestens einer der Reaktivkomponenten mit Kohlendioxid unter Druck, Vermischen der Reaktions­ komponenten unter Aufrechterhaltung eines Druckes, der größer ist als der Sättigungsdruck des Kohlendioxids in der Mischung, Entspannen der Kohlendioxid enthaltenden Reaktivmischung und Aushärten, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Entspannung plötzlich unter Erzeugung von hohen Schergeschwindigkeiten durchgeführt wird.

Vorzugsweise sollen die bei der Entspannung erzeugten Schergeschwindigkeiten mindestens 10⁴/Sekunde, besonders bevorzugt mindestens 10⁵/Sekunde betragen. Insbesondere bevorzugt sind Schergeschwindigkeiten oberhalb 10⁶/Sekunde.

Als Mittel zur Entspannung und Erzeugung der hohen Schergeschwindigkeiten ist mindestens eine Durchtrittsöffnung für das Reaktionsgemisch mit einer Abmessung in mindestens einer Dimension von unter 1 mm, insbesondere 0,05 bis 0,5 mm, bevorzugt 0,1 bis 0,3 mm, geeignet.

Die mindestens eine Durchtriftsöffnung kann in Form eines feinmaschigen Siebes, einer Lochplatte, eines Spaltgifters oder eines langgestreckten Spaltes ausgebildet sein. Die Differenz des Druckes der Reaktivmischung vor und hinter dem Spalt beträgt typischerweise zwischen 5 und 20 bar, bevorzugt 7 bis 15 bar, besonders bevorzugt 8 bis 12 bar.

Als Zweikomponenten-Reaktivkunststoffe werden vorzugsweise Polyurethankunst­ stoffe nach dem Polyisocyanat-Polyadditionsverfahren hergestellt.

Dabei werden als Komponente A aliphatische, cycloaliphatische, araliphatische, aromatische und heterocyclische Polyisocyanate, wie sie z. B. von W. Siefken in Justus Liebigs Ahnalen der Chemie, 562, Seiten 75 bis 136, beschrieben sind, eingesetzt.

Bevorzugt eingesetzt werden aromatische Polyisocyanate, besonders bevorzugt werden in der Regel die technisch leicht zugänglichen Polyisocyanate, z. B. das 2,4- und 2,6-Toluylendiisocyanat sowie beliebige Gemische dieser Isomeren ("TDI"), Polyphenyl-polymethylen-polyisocyanate, wie sie durch Anilin-Form­ aldehyd-Kondensation und anschließende Phosgenierung hergestellt werden ("rohes MDI") und Carbodiimidgruppen, Urethangruppen, Allophanatgruppen, Isocyanuratgruppen, Harnstoffgruppen oder Biuretgruppen aufweisende Polyiso­ cyanate ("modifizierte Polyisocyanate"), insbesondere solche modifizierten Polyisocyanate, die sich vom 2,4- und/oder 2,6-Toluylendiisocyanat ableiten.

Als zweite Komponente B ("Polyolkomponente") werden Verbindungen mit mindestens zwei gegenüber Isocyanaten reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit Molekulargewichten von in der Regel zwischen 60 und 5000, vorzugsweise zwischen 100 und 2000, besonders bevorzugt zwischen 200 und 800. Hierunter versteht man neben Aminogruppen, Thiolgruppen oder Carboxylgruppen aufweisenden Verbindungen vorzugsweise Hydroxylgruppen aufweisende Verbin­ dungen, insbesondere 2 bis 8 Hydroxylgruppen aufweisende Verbindungen, speziell solche mit Molekulargewichten zwischen 200 und 2000, vorzugsweise 300 bis 1200, z. B. mindestens 2, in der Regel 2 bis 8, vorzugsweise aber 2 bis 6, Hy­ droxylgruppen aufweisende Polyester, Polyether, Polythioether, Polyacetale, Polycarbonate und Polyesteramide, wie sie für die Herstellung von Poly­ urethanschäumen an sich bekannt sind; ganz besonders bevorzugt sind Polyetherpolyole.

Für den Einsatz als Polyolkomponente geeignete Verbindungen sind auf den Seiten 6 bis 9 der EP-B 121 851 beschrieben.

Ferner können zur Herstellung der Reaktivmischung gegebenenfalls Wasser, weitere Treibmittel, Schaumstabilisatoren, Katalysatoren sowie sonstige an sich bekannte Hilfs- und Zusatzstoffe eingesetzt werden. Diese an sich bekannten, weiter einsetzbaren Mittel sind auf Seiten 9 bis 11 der EP-B 121 850 offenbart.

Insbesondere bevorzugt wird erfindungsgemäß Wasser als zusätzliches Treibmittel in einer Menge von besonders bevorzugt 1 bis 7 Gew.-%, bezogen auf die Reaktivmischung mitverwendet. Bevorzugt wird Wasser in einer Menge von 2 bis 5 Gew.-% mitverwendet.

Die zusätzlich einsetzbaren Mittel können dem Mischaggregat zur Vermischung von Isocyanatkomponente und Polyolkomponente getrennt zugeführt werden oder aber bereits vor der Vermischung von Isocyanat mit Polyol einer der beiden Hauptkomponenten zugeführt werden, wobei das mitverwendete Wasser und weitere eventuell mit Isocyanat reagierende Zusatzkomponenten nur der Polyol­ komponente zugemischt werden dürfen.

Die Verfahrenstechnik zur Herstellung von Polyurethanschäumen ist prinzipiell in Becker/Braun, Kunststoff-Handbuch, Band 7: Polyurethane, 1993, Seiten 143 bis 149, insbesondere in Bild 4.8 und Bild 4.9 auf Seite 148 dargestellt.

Vorzugsweise werden die Komponenten in einer sogenannten Niederdruck- Rührwerksmischkammer vermischt, wobei erfindungsgemäß in der Mischkammer ein Druck herrscht, der oberhalb des Sättigungsdruckes für das gelöste Kohlendioxid liegt.

In einer oder mehreren der Komponenten, insbesondere der Polyolkomponente, wird vor der Einleitung der Komponenten in den Mischkopf Kohlendioxid gelöst. Vorzugsweise wird Kohlendioxid in einer Menge von 1 bis 7 Gew.-%, vorzugsweise 2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamt-Reaktivmischung gelöst. Die Auflösung des Kohlendioxids, vorzugsweise nur in der Polyolkomponente, kann auf beliebige Weise erfolgen, z. B.

• a) gasförmiges Kohlendioxid wird in einen die Polyolkomponente enthal­ tenden Behälter, der bei einem Druck von 15 bis 25 bar gehalten wird, in das Polyol mittels eines Rührwerks eingemischt;
• b) flüssiges Kohlendioxid wird bei Raumtemperatur z. B. in einem Statik­ mischer bei einem Druck von 70 bis 80 bar mit dem Polyol vermischt und anschließend vor der Einführung in den Niederdruck-Rührwerksmischkopf auf einen Druck von 15 bis 25 bar entspannt;
• c) flüssiges, auf z. B. -20°C abgekühltes Kohlendioxid wird bei einem Druck von 15 bis 25 bar mit der bei Raumtemperatur befindlichen Polyolkompo­ nente vermischt, wobei die Vermischung derart erfolgt, daß das Kohlen­ dioxid in der Polyolkomponente gelöst wird, bevor es verdampfen kann.

Es wurde gefunden, daß insbesondere die bevorzugte Alternative c) aufgrund der hohen Neigung des Kohlendioxids, in Lösung zu gehen, mittels eines schnellaufenden Durchflußrührers, der in der Polyolleitung an der Einleitstelle für das flüssige Kohlendioxid angeordnet ist, gelingt.

Die Komponenten des Reaktivkunststoffs, von denen mindestens eine das gelöste Kohlendioxid enthält, werden nun dem Mischkopf zugeführt, hier vermischt und beim Austritt aus dem Mischkopf unter Erzeugung der erfindungsgemäß hohen Schergeschwindigkeiten entspannt. Zu diesem Zweck ist am Ausgang des Misch­ kopfes die mindestens eine Durchtrittsöffnung mit in mindestens einer Dimension geringer Querschnittsabmessung angeordnet. Vorzugsweise ist die Austrittsöffnung mit geringer Querschnittsabmessung ein Spalt oder eine Siebplatte. Die durch den Spalt hindurchtretende Kohlendioxid enthaltende Reaktivmischung schäumt unmittelbar nach dem Durchtritt durch den Spalt innerhalb kürzester Zeit, die im Bereich von 1/10 bis 1/1000 Sekunden liegen kann, auf. Dabei wird im wesentlichen das gesamte, gelöst vorliegende Kohlendioxid freigesetzt, wobei ein Schaum mit relativ gleichmäßiger Schaumstruktur entsteht.

Sofern die Zusammensetzung der Reaktivmischung die spontane Ausbildung von CO₂-Addukten z. B. an hydroxylgruppenhaltigen Verbindungen begünstigt, wird verzögert um die erforderliche Zerfallszeit der Addukte zusätzlich CO₂ freigesetzt, das im wesentlichen zur Vergrößerung des bereits vorhandenen Schaumblasen führt. Bei Mitverwendung von Wasser als chemisches Treibmittel "steigt" der Schaum weiter beim Beginn der Isocyanatreaktion mit dem Wasser.

Die plötzlich mit einem Druckgefälle von 5 bis 15 bar unter Erzeugung hoher Schergeschwindigkeiten entspannte Reaktivmischung weist eine relativ hohe Geschwindigkeit von 10 bis 50 m/Sekunde auf. Sie ist in dieser Form für die Spritzbeschichtung von z. B. textilen Flächengebilden oder Formteilen geeignet.

Zur Herstellung von Blockschaum größerer Dicke wird die hohe Strö­ mungsgeschwindigkeit der aus der mindestens einen Öffnung mit in mindestens einer Richtung geringer Abmessung austretende Reaktionsmischung vorzugsweise reduziert, besonders bevorzugt auf 1/5 bis 1/100 der Austrittsgeschwindigkeit.

Die Reduktion der Austrittsgeschwindigkeit soll innerhalb so kurzer Zeiträume nach dem Austreten aus der mindestens einen Öffnung mit geringer Abmessung in mindestens einer Richtung erfolgen, daß eine wesentliche Freisetzung des Kohlen­ dioxids noch nicht stattgefunden hat. Vorzugsweise erfolgt die Geschwindig­ keitsreduktion innerhalb von 0,01 Sekunden nach dem Durchtritt durch die mindestens eine Öffnung mit geringer Abmessung, besonders bevorzugt innerhalb weniger als 0,003 Sekunden, insbesondere bevorzugt innerhalb weniger als 0,001 Sekunde.

Die Geschwindigkeitsreduktion kann dadurch herbeigeführt werden, daß der aus der mindestens einen Öffnung mit mindestens in einer Richtung geringer Querschnittsabmessung austretende Strahl der Kohlendioxid gelöst enthaltenden Reaktivmischung auf eine Prallfläche gerichtet wird, an der der Strahl um einen Winkel von mindestens 70°, vorzugsweise etwa 90° umgelenkt wird. Beim Aufprall auf die Prallfläche wird die lineare hohe Strömungsgeschwindigkeit des gerichteten Strahls zerstört und in eine hochturbulente, im wesentlichen ungerichtete Strömung aufgelöst.

Der Abstand der Prallfläche vom Ausgang der mindestens einen Öffnung mit geringer Querschnittsabmessung kann weniger als 2 cm, bevorzugt weniger als 1 cm betragen, so daß die Strömungsreduktion innerhalb der erfindungsgemäß kurzen Zeiten nach Erzeugung der hohen Scherkräfte erfolgen kann.

Besonders bevorzugt wird die nach dem Aufprall auf die Prallfläche herrschende hochturbulente Strömung in der Reaktivmischung beruhigt, bevor eine wesentliche Freisetzung des gelösten Kohlendioxids erfolgt. Die Beruhigung der turbulenten Strömung kann dadurch bewirkt werden, daß diese durch ein Beruhigungssieb hindurch tritt. Dabei soll das Beruhigungssieb eine so große freie Durchtrittsfläche aufweisen, daß die gelöstes Kohlendioxid enthaltende Reaktivmischung beim Durchtritt durch das Beruhigungssieb einen minimalen Druckabfall erfährt. Insbesondere soll das Beruhigungssieb eine freie Querschnittsfläche, d. h. eine Summe der Querschnittsflächen aller Durchtriftsöffnungen, aufweisen, die 5- bis 100-mal größer ist, als die Gesamtquerschnittsfläche der mindestens einen Öffnung mit geringer Querschnittsabmessung in mindestens einer Richtung zur Erzeugung der hohen Schergeschwindigkeiten.

Bevorzugte Mittel zur Realisierung der erfindungsgemäß besonders bevorzugten Kombination der Schritte

• a) Erzeugung hoher Schergeschwindigkeiten
• b) Strömungsreduktion, und
• c) Beruhigung

können wie folgt gestaltet sein:

• 1. Die mindestens eine Öffnung mit geringer Querschnittsabmessung in mindestens einer Richtung ist ein Spalt mit einer Spaltbreite von unter 1 mm. Hieran schließt sich ein Strömungsreduktionsraum an, der parallel zur Durchtrittsrichtung durch den Spalt ein Sieb bzw. eine Lochplatte aufweist. Dabei ist der Strömungsreduktionsraum vorzugsweise so bemessen, daß die mittlere Verweilzeit im Strömungsreduktionsraum weniger als 0,1 Sek., vorzugsweise weniger als 0,02 Sek., insbesondere zwischen 0,005 und 0,02 Sek. beträgt.
• 2. Zur Erzeugung der hohen Schergeschwindigkeiten wird ein Sieb bzw. eine Lochplatte mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen mit einem Durchgang von vorzugsweise unter 1 mm eingesetzt. Das Beruhigungssieb bzw. die Lochplatte zur Strömungsberuhigung ist parallel zu dem Sieb bzw. der Lochplatte zur Erzeugung der hohen Schwergeschwindigkeiten im Abstand von unter 2 mm, vorzugsweise unter 1 mm angeordnet. Dabei kann die freie Querschnittsfläche, d. h. die Summe der Querschnitte aller Durchtrittsöffnungen durch das Sieb zur Erzeugung der Schergeschwindig­ keiten zwischen 0,5 und 5% der Siebfläche betragen. Die freie Quer­ schnittsfläche des Beruhigungssiebes kann vorzugsweise das 10- bis 50- fache der freien Querschnittsfläche des Sieb es zur Erzeugung der hohen Scherkräfte betragen.

Die geringe Querschnittsabmessung in mindestens einer Richtung der mindestens einen Öffnung zur Erzeugung der hohen Scherkräfte, der Druckabfall beim Durchgehen durch die Öffnung, die Viskosität der Reaktivmischung und die erzeugte hohe Schergeschwindigkeit sind keine unabhängigen Größen. Insbesondere muß ein solcher Druckabfall gewährleistet sein, daß vor dem Durchgang durch die Öffnung der Druck der Reaktivmischung über dem Sättigungsdruck für das gelöste Kohlendioxid liegt. Obwohl es im Prinzip möglich ist, durch Verkleinerung der geringen Abmessung der mindestens einen Durchtrittsöffnung ein ausreichendes Druckgefälle zu gewährleisten, stößt die Verkleinerung dieser Abmessung an technologische Grenzen, insbesondere nimmt die Verstopfungsneigung der Öffnung mit geringer werdender Querschnittsab­ messung zu. Gegenüber einer Verkleinerung der geringen Abmessung der Öffnung wird es daher erfindungsgemäß vorgezogen, mehrere Siebe oder Spalte hintereinander anzuordnen, um den erforderlichen Mindestdruckabfall zu gewährleisten. Dabei werden die mehreren Spalte oder Siebe so dicht beieinander angeordnet, daß eine im wesentlichen vollständige Entspannung innerhalb eines Zeitraumes von weniger als 10^-3 Sek., vorzugsweise weniger als 10^-4 Sek. erfolgt.

Vorzugsweise sind die Durchtrittsöffnungen derart ausgebildet, daß sie sich auf der Austrittsseite düsenförmig erweitern, so daß die Strömung der Reaktivmischung sich an die Kontur der Düse anlegt und aufgefächert wird. Auf diese Weise werden Strömungs-Toträume zwischen den Sieben bzw. Lochplatten vermieden und größere Abweichungen von der mittleren Verweilzeit zwischen den Sieben bzw. Lochplatten vermieden. Ferner werden sowohl die Durchtrittsgeschwindigkeit als auch die Schergeschwindigkeit im engsten Lochquerschnitt um ein Vielfaches erhöht.

Zur Vermeidung der Verstopfung der mindestens einen Öffnung zur Erzeugung hoher Scherkräfte kann zwischen Mischkammeraustritt und der mindestens einen Durchtrittsöffnung ein Sieb angeordnet sein, auf dem mit der Reaktivmasse aus der Mischkammer mitgeförderte Feststoffteilchen abgefangen werden. Dabei soll die Maschenweite des "Reinigungssiebes" zumindest nicht wesentlich größer sein als die geringe Querschnittabmessung der mindestens einen Öffnung zur Erzeu­ gung hoher Scherkräfte. Die freie Querschnittfläche des Siebes, d. h. die Summe der Querschnittsflächen aller Siebmaschen, soll so groß sein, daß der Druckabfall beim Durchtritt durch das Reinigungssieb vernachlässigbar ist, z. B. weniger als 1 bar beträgt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert:

Fig. 1 zeigt das Prinzip der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte.

Fig. 2 zeigt eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung hoher Scherkräfte in einem Spalt und Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit der Reaktivmischung mittels Prallfläche.

Fig. 2a zeigt eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 2.

Fig. 3 zeigt eine verbesserte Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 2.

Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung gemäß Fig. 2, bei der zusätzlich ein Beruhigungs­ sieb vorgesehen ist.

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Lochplatte zur Erzeugung hoher Schergeschwindigkeiten und einem Sieb, das gleichzeitig als Prallfläche und zur Strömungsberuhigung dient.

Fig. 5a zeigt eine vergrößerte Detaildarstellung der Ausführungsform gemäß Fig. 5.

Fig 5b zeigt eine Darstellung entsprechend Fig. 5a, jedoch mit bevorzugter Kontur der Durchtrittsöffnungen.

Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit veränderlicher Spaltbreite.

Fig. 7 zeigt das prinzipielle Verfahren zur Blockschauinherstellung unter Einsatz einer Schaumbildungsvorrichtung gemäß Fig. 6.

Fig. 8 zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 7 mit pneumatisch verstellbarem Spalt.

Fig. 8a zeigt eine zweite Ansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 8.

Fig. 8 und Fig. 9a zeigen Schnitte durch in ein Magazin integrierte mehrere Schäumvorrichtungen gemäß Fig. 5.

Fig. 10, Fig. 10a, Fig. 10b und Fig. 10c zeigen ein Magazin mit zwei Schäumvor­ richtungen gemäß Fig. 5, wobei die effektive Lochplattenfläche kontinuierlich veränderbar ausgebildet ist.

Fig. 1 zeigt schematisch vier Zustände I, II, III und IV der Reaktivmischung. Nach der Vermischung der Komponenten der Reaktivmischung in einem geeigneten Mischaggregat tritt diese in einen durch die Wand 1 angedeuteten Verteilraum ein. Sie befindet sich im Zustand I, bei einem Druck, der größer oder zumindest gleich ist als bzw. wie der Sättigungsdruck des gelösten Kohlendioxid. Der Sättigungsdruck des Kohlendioxids liegt bei einem Kohlendioxidgehalt von 3% bei etwa 7,5 bar. Der Druck im dem Verteilraum im Zustand I ist daher größer oder gleich als 7,5 bar. Er kann z. B. 8 bis 12 bar betragen. Die Wand 1 des Verteilraums weist eine Öffnung 2 mit geringer Querschnittsabmessung d in mindestens einer Dimension auf. Auf der anderen Seite der Öffnung 2 herrscht ein Druck P_II, der kleiner ist als der Sättigungsdruck für das gelöste CO₂, vorzugsweise etwa Atmosphärendruck von 1-2 bar absolut. Aufgrund des Druckunterschiedes auf beiden Seiten der Öffnung 2 wird die Reaktivmischung durch die Öffnung unter Erzeugung hoher Scherkräfte hindurchgedrückt. Am Ausgang der Öffnung 2 ist das Geschwindigkeitsprofil V₀ der z.Zt. t₀ aus der Öffnung 2 austretenden Reaktivmischung über der Abmessung d dargestellt (Zustand II). Innerhalb einer kurzen Zeit, während der noch keine Freisetzung des Kohlendioxids aus der an Kohlendioxid übersättigten Reaktivmischung erfolgt, wird der aus der Öffnung 2 austretende Strahl der Reaktivmischung wie durch den Funktionspfeil 3 angedeutet unter Geschwindigkeitsreduzierung umgelenkt, wobei die Kohlendioxid noch gelöst enthaltende Reaktivmischung in den Zustand III übergeht, der in Form eines schematisierten Geschwindigkeitsprofiles v₁ über die Breite des Reaktivsmischungsstromes zum Zeitpunkt t₁ nach der Umlenkung dargestellt ist. Im Zustand IV schließlich wird das gelöste Kohlendioxid unter Ausbildung von Blasen freigesetzt.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die perspektivische Darstellung gemäß Fig. 2a durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Schaumerzeugung dar. Die Reaktivmischung wird von dem nicht dargestellten Mischkopf über die Zuleitung 10 in den langgestreckten Verteilraum 11 eingeleitet. Die Öffnung geringer Abmessung ist in Form eines langgestreckten Spaltes 12 senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 2 ausgebildet. Aus dem Spalt 12 tritt ein durch den Pfeil II angedeuteter senkrecht zur Zeichnungsebene flächig ausgebildeter Strahl der Reaktivmischung aus und trifft auf die dem Spalt 12 gegenüberliegende Prallfläche 13 auf. Dabei wird die hohe Strömungsgeschwindigkeit der Reaktivmasse turbulent abgebaut. Das Volumen des Umlenkraumes 14 ist so bemessen, daß sich eine Verweilzeit der Reaktivmischung darin ergibt, während der im wesentlichen noch keine Kohlendioxidfreisetzung erfolgt. Erst nach dem Austritt aus dem Umlenkvolumen 14 erfolgt die Kohlendioxidfreisetzung aus der Reaktivmischung unter Ausbildung des Schaumes 15.

Ein verbesserter turbulenter Abbau der hohen Austrittsgeschwindigkeit der Reaktivmasse aus dem Spalt 12 wird erreicht, wenn Begrenzungskanten 16 und 17 des Umlenkraums 14 gemäß Fig. 3 vorgesehen werden. Im übrigen entspricht die Darstellung gemäß Fig. 3 derjenigen gemäß Fig. 2.

Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Schaumbildungsvorrichtung, bei der der Umlenkraum 14 durch eine Lochplatte 18 als Beruhigungselement begrenzt ist.

Fig. 5 zeigt eine analoge Vorrichtung zu den vorhergehenden Figuren, wobei eine Lochplatte 22 als Element zur Erzeugung der hohen Schergeschwindigkeiten vorgesehen ist. Das Beruhigungssieb 18 dient, wie aus dem in Fig. 5a dargestellten vergrößerten Detail "A" aus Fig. 5 ersichtlich, gleichzeitig als Prallfläche und zur Beruhigung der Strömung der Reaktivmischung. Fig. 5b zeigt das Auffächern der Materialströme bei sich auf der Austrittsseite erweiternder Kontur der Durchtrittsöffnungen.

Fig. 6 zeigt eine kreissymmetrische erfindungsgemäße Schaumbildungsvorrichtung mit einem Ringspalt 12 zur Erzeugung der hohen Schergeschwindigkeiten. Die obere Begrenzung des Ringspaltes 12 wird durch einen Zentralkörper 30 gebildet, der von einem ringförmigen Verteilraum 11 umgeben ist. Der Ringraum 11 ist durch einen mit dem Zentralkörper 30 verbundenen Kolben 32 dichtend gegen das Gehäuse 35 abgeschlossen. Der Kolben 32 kann durch Einführung einer Hydraulikflüssigkeit 34 in den oberhalb des Kolbens 32 befindlichen Raum 31 vertikal zur Verstellung der Breite des Ringspaltes 12 bewegt werden. Der Kolben 32 kann ferner mit einem Führungskolben 33 zur Verhinderung des Verkantens des Kolbens 32 im Gehäuse 35 versehen sein.

Fig. 7 zeigt eine Anlage zur Herstellung von Blockschaum. Dabei werden dem Mischaggregat 40 die Polyolkomponente 41, die Isocyanatkomponente 42 sowie weitere Hilfs- und Zusatzstoffe über Leitung 43 zugeführt. Vorzugsweise die Polyolkomponente 41 enthält unter Druck gelöstes Kohlendioxid. Aus dem Mischaggregat 40 treten die nunmehr vermischten Komponenten in den Verteilungsraum 11 der Schaumbildungsvorrichtung 44 ein. Die beispielhaft dargestellte Schaumbildungseinrichtung 44 entspricht der Darstellung gemäß Fig. 6. Der aus der Schaumbildungsvorrichtung 44 austretende Schaum 15 wird auf einer unteren Kaschierfolie 51, die auf einem Transportband 50 von der Schaumbildungsvorrichtung 44 weg bewegt wird, abgelegt. Ferner kann von oben eine obere Kaschierfolie 52 zugeführt werden.

Fig. 8 enthält einen alternativen Vorschlag für eine erfindungsgemäße Schaumbil­ dungsvorrichtung mit einem langgestreckten, justierbaren Spalt. Dabei wird die eine Begrenzungsfläche des Spaltes 12 durch einen elastischen Polymerschlauch 80 gebildet, der zur Verstellung des Spaltes 12 pneumatisch oder hydraulisch gedehnt werden kann. Fig. 8a zeigt einen Schnitt AA durch Fig. 8. Fig. 8 stellt einen Schnitt B-B durch die Darstellung gemäß Fig. 8a dar.

Fig. 9 und Fig. 9a zeigen einen Quer- und einen Längsschnitt durch eine erfin­ dungsgemäße Schäumvorrichtung, bei der 4 Schäumvorrichtungen a, b, c und d, wie sie prinzipiell in Fig. 5 dargestellt sind, in Form eines Magazins in einem im wesentlichen zylindrischen Trägerkörper 61 integriert sind. Der Trägerkörper 61 ist um seine Achse in einem zylindrischen Käfig 62 drehbar angeordnet. Der zylindrische Käfig 62 weist entlang einer achsenparallelen Mantellinie eine Öffnung 63 auf, durch die der Schaum aus der jeweils einen in Betrieb befindlichen Schäumvorrichtung austreten kann. Über eine Zufuhrleitung 10, die den Käfig 62 durchtritt, wird ferner der jeweils zur in Betrieb befindlichen Schäumvorrichtung (in der Zeichnung Schäumvorrichtung a) gehörende Vertei­ lungskanal 11 mit der Reaktivmischung beaufschlagt. Ferner sind Zufuhrleitungen 64 zumindestens zu einer der nicht in Betrieb befindlichen Schäumvorrichtungen (b, c und/oder d), die von dem Käfig 62 eingeschlossen sind, vorgesehen, durch die Reinigungsflüssigkeit zugeführt wird. Entsprechend sind Ableitungskanäle 65 für die Reinigungsflüssigkeit vorgesehen. Das in Fig. 9 und Fig. 9a dargestellte Schäumvorrichtungsmagazin erlaubt es, die Schäumvorrichtung während des Betriebes innerhalb kürzester Zeit zu wechseln, wenn die Lochplatte 22 der in Betrieb befindlichen Schäumvorrichtung durch in der Polyurethan-Reaktiv­ mischung enthaltende Fremdpartikel oder durch an den Rohrleitungswänden ausge­ härtetes und abgelöstes Polyurethan verstopft. Vorzugsweise wird die Spülflüssig­ keit (üblicherweise Polyol) in entgegengesetzter Richtung (im Vergleich zur Reaktivmischung während des Schäumens) durch die außer Betrieb genommene Schäumvorrichtung geführt.

Für die Realisierung der Betriebszustände "schäumen" und "spülen mit Reini­ gungsflüssigkeit" wäre es ausreichend, ein Magazin mit nur 2 Schäumvorrich­ tungen vorzusehen. Erfindungsgemäß bevorzugt werden jedoch 4 bis 12 Schäum­ vorrichtungen in einem Magazin integriert, wobei sich die Schäumvorrichtungen hinsichtlich des Lochdurchmessers der Lochplatten 18 und 22 und/oder der Loch­ anzahl (freie Durchtrittsfläche) unterscheiden, wobei jeweils 2 Schäumvorrich­ tungen identisch ausgebildet sind. Auf diese Weise kann zu Beginn des Betriebes die für die jeweilige Reaktivmischung (Viskosität, Temperatur, Kohlendioxidge­ halt) optimal angepaßte Schäumvorrichtung ausgewählt werden und im Weiteren zwischen dieser und der hierzu identischen Schäumvorrichtung alternierend ge­ schäumt werden. In Fig. 9 ist angedeutet, daß die Distanzstücke 66 zwischen den Lochplatten 22 und 18 als Blenden ausgebildet sind, die den wirksamen Quer­ schnitt der Lochplatten 18 und 22 begrenzen. In der dargestellten Ausführungs­ form ist der wirksame Querschnitt bei den Schäumvorrichtungen c und d durch die Blenden 66 gegenüber den Schäumvorrichtungen a und b eingeengt. Typischer­ weise kann der wirksame Querschnitt der Lochplatte 22 zwischen 3 und 15 mm liegen (Querabmessung gemäß Fig. 9) und die Längsausdehnung der Lochplatte 22 zwischen 150 und 800 mm liegen (Längsabmessung gemäß Fig. 9a).

Fig. 10 und Fig. 10a zeigen ein erfindungsgemäßes Schäumvorrichtungsmagazin analog Fig. 9 und Fig. 9a, wobei doch nur zwei Schäumvorrichtungen a und b vorgesehen sind. Die Zufuhr der Reaktivmischung 10 erfolgt im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß Fig. 9a nicht über den Kopf des zylindrischen Käfigs 62, sondern in der Mitte der Längsausdehnung des zylindrischen Käfigs, so daß sich der Strömungsweg der Reaktivmischung in dem Verteilungskanal 11 nur über die Hälfte der Längsausdehnung des zylindrischen Käfigs erstreckt. Erfindungsgemäß ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10 und 10a vorgesehen, das Distanzstück 66 zwischen den Lochplatten 22 und 18 als kontinuierlich einstellbare Blende aus­ zubilden, so daß die effektive Fläche der Lochplatten 22 und 18 kontinuierlich verändert werden kann. Dies wird in Fig. 10b und 10c näher erläutert. Fig. 10b zeigt einen Schnitt B-B durch die Darstellung gemäß Fig. 10 und 10a, so daß eine Aufsicht auf die Blende 66 (nach Entfernung der Lochplatte 18) sichtbar wird. Der Distanzhalter 66 zwischen Lochplatten 18 und 22 besteht aus 3 Teilen 66a, 66b und 66c, die in der Darstellung der Fig. 10b die Lochplatte 22 bis auf den noch sichtbaren effektiven Querschnitt abdecken. Die Distanzbleche 66a und 66c sind ortsfest. Sie sind gemeinsam mit den Lochplatten 22 und 18 gegen den zylindrischen Körper 61 verschraubt und nehmen den Druck der Reaktivmischung auf die Lochplatte 22 auf. Der justierbare Teil der Blende 66b weist mit der Distanzplatte 66a sägezahnförmige Gleitflächen 89 auf, die die Blendenkante 70 der Blende 66b bei Verschieben in Richtung des Pfeils 71 quer über die Lochplatte 22 verschieben. Die Blende 66b weist zur Verschiebung Verlänge­ rungen auf, die unter dem Winkel der Gleitflächen 69 aus dem zylindrischen Körper 61 herausgeführt wird und mit einer Schraube 73 verbunden ist. Die Schraube 73 wird in einer Hülse 72 geführt und kann mittels Mutter 74 in Richtung des Pfeils 71 bewegt werden. Die Distanzbleche 66a und 66c können erfindungsgemäß eine Dicke von 0,5 bis 4 mm, vorzugsweise 1 bis 2 mm, aufweisen. Die verschiebbare Blende 66b weist vorzugsweise eine um 0,01 bis 0,05 mm geringere Dicke auf. Vorzugsweise wird der Schäumprozeß mit der größtmöglichen effektiven Lochplattenfläche 22 begonnen und beim Anfahren die effektive Lochplattenfläche 22 kontinuierlich verkleinert, bis ein optimaler Schaum erhalten wird.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffen aus Zweikomponenten- Reaktivkunststoffen unter Einsatz von Kohlendioxid als Treibmittel durch Vermischen von mindestens einer der Reaktivkomponenten mit Kohlen­ dioxid unter Druck, Vermischen der Komponenten, von denen mindestens eine Kohlendioxid unter Druck enthält, Entspannen der durch Vermischen erhaltenen Kohlendioxid enthaltenden Reaktivmischung und Aushärten, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung plötzlich unter Erzeugung von hohen Schergeschwindigkeiten durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung der Reaktivmischung unter Erzeugung hoher Scherkräfte beim Durchtritt durch mindestens eine in mindestens einer Richtung weniger als 1 mm ausgedehnte Öffnung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktiv­ mischung durch einen Spalt, oder ein Sieb entspannt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Reaktivmischung nach der Entspannung reduziert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungs­ richtung der Reaktivmischung zur Geschwindigkeitsreduktion um einen Winkel von mindestens 70° umgelenkt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Verweilzeit der Reaktivmischung zwischen Entspannung und Beruhigung weniger als 100 msec beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung der Reaktionsmischung nach der Geschwindigkeitsreduktion beruhigt werden.

8. Vorrichtung zur Herstellung von Schaumstoffen aus Zweikomponenten- Reaktivkunststoffen unter Einsatz von Kohlendioxid unter Druck, enthaltend ein Mischaggregat zum Vermischen der Komponenten, wobei mindestens eine Komponente Kohlendioxid unter Druck enthält, und am Ausgang des Mischaggregates mindestens eine in mindestens einer Quer­ schnittsabmessung weniger als 1 mm ausgedehnte Austrittsöffnung.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, enthaltend eine quer zur Durchtrittsrichtung der Reaktivmasse durch die mindestens eine in mindestens einer Quer­ schnittsabmessung weniger als 1 mm ausgedehnten Austrittsöffnung angeordnete Prallfläche.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, enthaltend ein Sieb zur Strö­ mungsberuhigung im Anschluß an die mindestens eine in mindestens einer Querschnittsabmessung weniger als 1 mm ausgedehnte Austrittsöffnung, wobei die freie Querschnittsfläche des Siebes das 5- bis 100-fache der freien Querschnittsfläche aller Austrittsöffnungen beträgt.