DE2455736A1

DE2455736A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines polyurethanschaums

Info

Publication number: DE2455736A1
Application number: DE19742455736
Authority: DE
Inventors: Sen Robert J Stalter
Original assignee: Goodyear Tire and Rubber Co
Current assignee: Goodyear Tire and Rubber Co
Priority date: 1973-12-20
Filing date: 1974-11-25
Publication date: 1975-06-26
Also published as: FR2255328A1; FR2255328B1; IT1024437B; GB1462146A; DE2455736C2; JPS5095368A; JPS573488B2; CA1032324A; US3927162A

Description

DR. MÜLLE R-B ORE · DIPL.-ING. GROENING 2455736 DIPL.-CHEM. DR. DEUFEL · DIPL.-CHEM. DR. SCHÖN

DIPL.-PHYS. HERTEX.

S/G 17-181

The Goodyear Tire & Rubber Co., Ohio/USA

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Polyurethanschaums

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Polyurethanschaumprodukten.

Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur gleichmässigen Verteilung eines Polyurethanschaums in flüssiger Phase auf der Giessoberflache (Platte, Band, Form etc.), wobei eine einzige Bewegung entweder des Giesskopfes oder der Giessoberflache vorgesehen ist.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen;

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer unter Druck setzbaren Schäumungsvorrichtung sowie einer Transporteinrichtung zum Bewegen einer Giessoberfläche unterhalb der Polyurethan-.schäumungsvorrichtung.

509826/0879

MÜNCHEN 8β, SIEBEMSIH. t, POSTFACH 860 720, KABEIi: EHEINPAIEKT, XEI.: (030) 471070/79 TELEX 5-22659

Fig. 2 eine vergrösserte Seitenansicht der Einrichtung zur Verteilung der Schauiranischung aus dem Mischer auf der Giessoberflache.

Fig. 3 eine vergrösserte Querschnittsansicht längs der Linie 3-3 von Fig. 2.

In der Fig. 1 wird durch die Bezugszahl 3 ein Lagerungstank für organisches Polyxsocyanatmaterial, durch die Bezugszahl 4 ein Aktivatortank und durch die Bezugszahl 5 ein Harztank gekennzeichnet. Die Lagerungsbehälter 3, 4 und 5 sind durch entsprechende Rohre miteinander verbunden, und zwar die Rohre 6, 7 und 8, welche über die Pumpen 9, 10 und 11 zu dem Polyurethanmischkopf 12 führen. Der Mischkopf 12 weist vorzugsweise einen motorgetriebenen Rührer 13 mit Rührflügeln 14 auf und dient zur Erleichterung des Vermischens des Polyisocyanats mit dem Aktivator und dem Harz, während diese unter einem Druck in dem Mischkopf 12 gehalten werden. Die Reaktionsmischung gelangt von dem Mischkopf 12 in das Verteilerrohr 15 mit einer Fächerdüse 16, die einen fächerartigen Giesstrom erzeugt, woraus sich ihr Name "Fächerdüse" ableitet. Die Teile 1 bis 14 sind typisch für eine übliche Polyurethanschäumungsvorrichtung.

Aus der Fächerdüse 16 wird die flüssige Polyurethanmischung in die Form 21 gesprüht. Die Höhe der Fächerdüse oberhalb der Form wird derartig eingestellt, dass eine bestimmte Charge der flüssigen Polyurethanmischung in einem Giessmuster auf die gewünschte Breite aufgebracht wird, die sich über die volle Breite der Form erstrecken kann. Wird auf die ganze Giessoberflache, d.h. auf die ganze Oberfläche einer Form, die Charge im wesentlichen gleichzeitig aufgebracht, dann beginnt das Schäumen gleichzeitig ■ in der ganzen Form oder über den ganzen Querschnitt einer Platte hinweg.. Daher ist die Neigung gering, dass der Schaum in weichem Zustand infolge eines Druckunterschiedes, der sich infolge eines

509826/0879

ungXeichmässigen Schäumens sowie eines Fliessens von einer Zone zu einer anderen entwickelt, zusammenfällt. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Form Staukörper oder Eingussstellen aufweist, welche dem Schaum besondere Konturen verleihen, so wie dies beispielsweise bei einem geformten Einzelsitz der Fall ist.

Wie aus der Fig. 1 zu ersehen ist, bewegt sich die Form 21 in der Weise unterhalb des Giesskopfes, dass die flüssige Polyurethanmischung zuerst in das vordere Ende der Form eingebracht wird. Passiert das hintere Ende der Form den Giesskopf, dann werden durch das Ventil 25 die Öffnungen verschlossen, durch welche die Leitungen 6, 7 und 8 in den Mischer 12 eintreten. Sobald die Form 21 sich unterhalb der Vorrichtung 15 bewegt, wird durch eine Betätigung des Ventils 25 die Zufuhr der Bestandteile der flüssigen Polyurethanmischung in den Mischer abgestoppt, während die Öffnung geöffnet wird, welche den Mischer 12 mit der' Leitung 26 verbindet. Ist das Ventil 25 zu der Leitung 26 offen, dann wird Methylenchlorid, Methyläthylketon oder ein ähnliches Lösungsmittel aus dem Lagerungstank in die Mischkammer 12 gepumpt, um noch eine in dem Mischer vorhandene restliche flüssige Polyurethanmischung herauszuspülen, wodurch der Mischer 12 und die Düse 16 in einen sauberen Zustand versetzt werden. Der Mischer ist nunmehr dazu bereit, nach einer entsprechenden Einstellung des Ventils 25, das die Öffnung zwischen der Leitung 26 und dem Mischer 12 verschliesst und die Öffnungen zwischen dem Mischer 12 und den Leitungen 6, 7 und öffnet, eine zweite Form zu begiessen.

Die Verwendung dieser Vorrichtung zur Herstellung einer Schaumplatte geschieht im wesentlichen in der beschriebenen Weise, mit der Ausnahme, dass die Giesszeit länger ist oder das Giessen mit einer gewissen Kontinuität durchgeführt werden kann, und zwar je nach den herzustellenden Platten. Die Produktionszeit kann von einigen Minuten bis zu einer Stunde oder darüber schwanken.

5G9826/0879 '

Durch die Fig. 2 wird die Fächerdüse 16 näher erläutert. Die Fächerdüse wird in diesem Falle als T-förmige Rohrverbindung gezeigt, welche Öffnungen 17, 18 und 19 aufweist. Die Öffnung 17 der T-förmigen Rohrverbindung ist mit dem Ende des Rohres 15 in der in Fig. 1 gezeigten Weise verschraubt. Die Öffnungen 18 und 19 sind durch Absperrelemente 22 und 23 verschlossen, die an der Rohrverbindung zur Verschliessung dieser Öffnungen angeschweisst oder anderweitig befestigt sind. Das Rohrverbindungsstück besitzt eine Öffnung 20, die in der in den Figuren 2 und 3 gezeigten Weise exakt eingeschnitten oder eingesägt worden ist. Gemäss Fig. 3 bildet der Einschnitt 20 einen Bogen von 140°. Ein 100°-Bogen liefert bei einer entsprechenden Einstellung des Abstandes zwischen der Düse und der Giessoberflache einen gewünschten Sprühwinkel oder ein gewünschtes Sprühmuster.

Die Breite des Giesstromes richtet sich nach einer Vielzahl von Parametern, und zwar der Bogenlänge und der Breite des Schlitzes sowie der geometrischen Form des Schlitzes (in diesem Falle kreisförmig) , es kommt jedoch jede geometrische Form in Frage, wobei jede ihre eigene einzigartige Wirkung auf den Giesstrom und die Verteilung des Materials quer zu dem Giesstrom ausübt. Von Bedeutung sind ferner der Druck in der Mischkammer sowie axe Höhe der Fächerdüse oberhalb der Giessoberflache. Im allgemeinen wird unter den Standardbetriebsbedingungen bei einer gegebenen Giessmaschine im wesentlichen ein konstanter Druck eingehalten. Es ist gewöhnlich zweckmässig, wenn der Fächerwinkel derartig ist, dass ein Giessmuster mit einer solchen Breite erzielt wird, dass ein minimales Fliessen erforderlich ist, um die Form zu füllen. Verstärkungselemente, wie beispielsweise grobe Leinwand oder andere Tücher, können in die Form an den Seiten eingebracht werden. Das Aufprallen der Flüssigkeit trägt zu einem Festhalten der jeweiligen Gewebe an der gewünschten Stelle in der Form bei. Auf diese Weise kann ein verstärkter geformter Gegenstand hergestellt werden.

509826/0 8 79

..■■.■■.- - 5 - ' .

Ein weiterer Vorteil, der unter Einsatz dieser Giessverteilungsvorrichtung erzielt werden kann, besteht darin, dass ein Spritzen sowie eine Hohlraumbildung infolge des Aufprallens eines Stromes mit einem relativ hohen Druck auf die Giessoberflache vermieden wird. Formen mit Stegen, Staukörpern oder anderen Teilerelementen können in zufriedenstellender Weise gefüllt werden. Da die Bewegung nur in einer Richtung erfolgt, wird durch eine derartige Verteilung das Einschliessen von Luft in der Giessoberflache oder ein Überlappen von Schaum durch den Giessstrom herabgesetzt. Das erhaltene Produkt besitzt gleichmässige Eigenschaften längs einer Linie, die senkrecht zu der Giessbewegung steht, da die Verteilung ohne Hin- und Herbewegung erfolgt. Eine entsprechend ausgestaltete Vorrichtung kann direkt an dem Auslassende einer Polyurethanschäumungsvorrichtung angebracht werden, ohne dass dabei merklich der Staudruck erhöht wird. Sie ist besonders geeignet zu einem Anbringen an eine sogenannte Niedrigdruck-Polyurethanschäumungsvorrichtung, sie kann jedoch auch an Hochdruck-Schäumungsvorrichtungen angebracht werden, um die üblichen Druckreduziereinrichtungen zu ersetzen.

Während des Betriebs der Schäumungsvorrichtung werden das PoIyisocyanat, der Aktivator und das Harz in den Mischkopf 12 mit einer solchen Geschwindigkeit sowie unter einem solchen Druck eingepumpt, dass ein Druck in dem Kopf erzeugt wird, der oberhalb Atmosphärendruck liegt und vorzugsweise 0,03 bis 4,2 atü (0,5 bis 60 psi) beträgt und gewöhnlich unterhalb ungefähr 14 atü (200 psi) liegt. Normalerweise treten bei Drucken von ungefähr 0,35 bis 5,6 atü (5 bis 80 psi) die nachteiligen Wirkungen eines relativ hohen Druckes in Form eines Verdampfens oder Spritzens deutlich in Erscheinung. Nimmt die Druckänderung quer zu der Düse oder dem Auslass zu, dann besteht die Wahrscheinlichkeit, dass flüchtige Komponenten (wie beispielsweise Blähmittel) schnell verdampfen.

509826/0 879

Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung.

Toluoldiisocyanat wird in den Tank 3 eingefüllt. Eine Mischung aus 100 Teilen Polypropylenätherpolyol mit einem Molekulargewicht von ungefähr 2000 bis 3000, 0,15 Teilen Triäthylendiamin, 0,5 Teilen N-Äthylmorpholin, 4 Teilen Wasser und 2,5 Teilen eines im Handel erhältlichen Silikons, welches ein Blockcopolymeres ist, das Äthylen- und Propylenreste enthält, wird in den Tank 5 eingefüllt. Als Hilfsmittel wird eine Mischung aus 0,15 Teilen Zinn(IV)-octoat und 2 bis 12 Teilen Difluordichlormethan in einer solchen Menge Polypropylenätherpolyol, die dazu ausreicht, eine leicht pumpfähige Mischung zu ergeben, in den Hilfsmitteltank 4 eingeleitet. Methylenchlorid wird in den Tank 24 eingefüllt. Die Pumpen 9, 10 und 11 werden in Betrieb gesetzt, um die Bestandteile in den Tanks 3, 4 und 5 in den Mischer 12 zu pumpen, wenn das synchronisierte Ventil 25 betätigt wird. Der Rührer 13 wird in betrieb gesetzt, bevor die Bestandteile in den Mischer 12 eingeleitet werden. Die Polyurethanreaktionsmischung wird in dem Mischer 12 unter einem Druck von ungefähr 0,7 atü gebildet und in das Rohr 15 zu der Verteilervorrichtung 16 fliessen gelassen, um die Form in einem fächerartigen Muster zu füllen.

Anstelle eines Polypropylenätherpolyols kann ein Hydroxylterminierter Polyester oder ein Polyesteramid zur Herstellung von Polyurethanschäumen verwendet werden. Die Polyester werden durch Veresterung von Dicarbonsäuren mit Glykolen hergestellt. Beispielsweise kann ein Polypropylenglykol mit einem Molekulargewicht von ungefähr 750 bis 6500 oder ein Polypropylenadipat mit einem Molekulargewicht von ungefähr 750 bis 6500, einer Säurezahl von weniger als ungefähr 5 und einer Hydroxylzahl von ungefähr 20 bis 150 zur Herstellung eines Polyurethan-

509826/0879

schaums verwendet werden. Die zur Herstellung der Polyurethanschäume geeigneten Materialien können als reaktiven Wasserstoff enthaltende polymere Materialien definiert werden, wie sie sich nach der Zerewitinoff-Methode bestimmen lassen und ein Molekulargewicht von ungefähr 550 bis 6500 besitzen.

Jedes der üblicherweise zur Herstellung eines Polyurethan-? schaums eingesetzten organischen Polyisocyanate kann erfindungsgemäss eingesetzt werden. Ein repräsentatives Beispiel für ein derartiges technisch eingesetztes Diisocyanat ist Toluoldiisocyanat, welches ferner in Mischung mit höher funktioneilen Isocyanaten eingesetzt werden kann, welche durch Phosgenierung der Reaktionsprodukte erzeugt werden, die durch Umsetzung von Aldehyden mit aromatischen Aminen hergestellt werden, beispielsweise durch Umsetzung von Formaldehyd mit Anilin.

Die flüssige Polyurethanreaktionsmischung wird normalerweise durch Vermischen der Bestandteile bei Umgebungstemperatur, d.h. etwa 24°C (75°F) hergestellt, dies bedeutet jedoch nicht, dass nicht auch Temperaturen von 10 oder 38°C (50 oder 100°F) eingehalten werden können.

Die Fächerdüse kann an dem Auslass einer Polyurethanschäumungsvorrichtung angebracht werden und einen fächerähnlichen Giessstrom mit einer gewünschten Breite erzeugen, der mit der Breite der Form oder der Giessoberflache zusammenfällt. Dabei wird eine gleichmässige öder nicht-gleichmässige Verteilung des Materials quer zu dem Strom erzielt, und zwar abhängig von der gewählten geometrischen Ausgestaltung. Es wird eine minimale Zunahme des Staudruckes festgestellt, so dass die Vorrichtung entweder an einer Niederdruck- oder Hochdruck-Schäumungsvorrichtung angebracht werden kann. Die Strömungs-

509826/0879

geschwindigkeit ist so gering, dass ein Spritzen vermieden wird und auch keine weiteren Probleme auftreten, beispielsweise das Problem der eingeschlossenen Luft oder des Zusammenbrechens des Schaums. Ferner ist es möglich, eine rechtwinklige Form entweder durch Bewegung des Giesskopfes oder der Form in einer Richtung auszugiessen. Die Vorrichtung eignet sich besonders zum Begiessen von Formen mit ungleichmassiger Oberfläche oder mit Hervorhebungen, welche Abteile bilden, in denen Luft eingeschlossen werden kann. Erfindungsgemäss erzeugte Produkte besitzen gleichmässige Eigenschaften über ihren ganzen Querschnitt hinweg, und zwar sowohl während der Verarbeitung als auch nach der Herstellung.

Die Erfindung eignet sich besonders zum Formen von stark federnden Schäumen, zu deren Herstellung die verwendete Polyurethanreaktionsmischung eine Viskosität bei 25°C zwischen und 3000 Centistokesaufweist, ferner eignet sie sich zur Her" stellung von heissen Polyurethanschäumen unter Einsatz einer Reaktionsmischung mit einer Viskosität zwischen 300 und 800 Centistokes. Die Geschwindigkeit der Form oder der Giessoberflache, die sich unterhalb der Giessvorrichtung bewegt, beträgt vorzugsweise 180 cm pro Minute, sie kann jedoch zwischen 60 und 360 cm pro Minute schwanken, beispielsweise bei der Erzeugung eines stark federnden Schaumes. Die Schaumablegegeschwindigkeit schwankt zwischen einigen Kilogramm und mehr als 80 Kilogramm pro Minute. Zur Herstellung von Automobilsitzen liegt eine geeignete Geschwindigkeit zwischen 22,5 und 40,5 kg pro Minute, und zwar je nach der Formgrösse und der Tiefe des Formhohlraumes.

5 09826/0879

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Polyurethanschaums, dadurch gekennzeichnet, dass

1) eine flüssige Polyurethanreaktionsmischung aus wenigstens einem organischen Polyisocyanat, einem reaktiven Wasserstoff enthaltenden polymeren Material mit einem Molekulargewicht zwischen ungefähr 550 und 6500 und einem Blähmittel unter einem Druck von wenigstens 0,03 bis 14 atü (0,5 bis 200 psi) gebildet wird, und

2) das Polyurethan in einem fächerartigen planularen Muster mit einer gewünschten Breite quer in einen Formhohlraum unter einer relativen Bewegung der Form und des Giesskopfes zueinander zur Bedeckung der Oberfläche des Formhohlraumes eingesprüht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck bei der Durchführung der Stufe (1) auf einen Wert zwischen 0,35 und 5,6 atü (5 bis 80 psi) eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete organische Polyisocyanat aus Toluoldiisocyanat und das verwendete reaktiven Wasserstoff enthaltende polymere Material im wesentlichen aus einem Polypropylenätherpolyol besteht.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Fächerdüse (16) aus einem T-förmigen Rohrverbindungsstück, dessen sich gegenüberliegende Öffnungen verschlossen sind, und das einen Schlitz (20) in der Ebene aufweist, die parallel zu den Ebenen der verschlossenen Öffnungen (18 und 19) liegt und mit der Mittel-

509826/0879

linie durch die öffnung (17) zusammenfällt, an welcher die Rohrverbindung an einem Rohr (15) angeschraubt ist, das zu einem Mischkopf (12) zum Mischen der Reaktanten führt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fächerdüse (16) eine darunter in einer Richtung bewegliche Form (21) zugeordnet ist, welche das fächerartig aus dem Schlitz (20) austretende Giessmaterial aufnimmt.

509826/0879