DE4019202A1

DE4019202A1 - Verfahren zum herstellen eines schaumstoffes aus thermoplastischem kunststoff

Info

Publication number: DE4019202A1
Application number: DE4019202A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl Ing Meyke; Gerhard Dr Ing Martin
Original assignee: Hermann Berstorff Maschinenbau GmbH
Current assignee: KraussMaffei Extrusion GmbH
Priority date: 1990-06-15
Filing date: 1990-06-15
Publication date: 1991-12-19

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Schaumstof fes aus einem thermoplastischen Kunststoff in einem Extruder, wobei der Schaumstoff gebildet wird durch eine Mischung aus dem Kunststoff, einer Porenregulierungssubstanz sowie zwei Treibmitteln, die in dem Extruder miteinander vermischt, plastifiziert und homogenisiert wer den.

Die Markteinführung der extrudierten Schaumprodukte ist Mitte der 60er-Jahre durch den Gebrauch der Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) als Ersatz für die brennbaren Treibmittel Pentan aus der Familie der Kohlenwasserstoffe entscheidend begünstigt worden. Mit Beginn des Einsatzes der FCKW-Typen R11, R12, R113 und R114 bei der Schaumextrusion, ließen sich Halbzeuge und Produkte herstellen, die den Marktansprüchen sowohl in bezug auf Qualität als auch Handhabung entsprachen.

Aufgrund wissenschaftlicher Erkenntnis wurde festgestellt, daß die FCKW-Gase, die auch in der Aerosol- und Kältetechnik als Sprüh- und Kältemittel und in der Elektronikindustrie als Reinigungsmittel sowie bei der Polyurethanverschäumung als Treibmittel eingesetzt werden, den Abbau der Ozonschicht in der oberen Erdatmosphäre wesentlich beschleunigen.

Es wurde in jüngster Zeit auf den Gebrauch des sehr leicht entzünd lichen, ursprünglich eingesetzten Pentans zurückgegangen, das nicht Ozongürtel schädigend ist.

Die dafür einzusetzenden Anlagen unterscheiden sich nicht wesentlich von den herkömmlichen Systemen. Es sind jedoch Dosiersysteme für die Treibmittelzugabe einzusetzen, die sicherstellen, daß das Treibmittel aufgrund von Verschleiß in Druckaufbausystem der Pumpe nicht austre ten kann, wodurch die Feuergefahr erheblich erhöht würde. Außerdem ist es empfehlenswert, die Treibmitteldosiersysteme getrennt von der Anlage aufzustellen. Weitere zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen, die unbedingt notwendig sind, sind die intensive Belüftung in Form von Lufterneuerung am Aufstellungsplatz der Schaumextrusionsanlage, im Folien-Zwischenlager, im Tiefziehbereich und im Bereich der Reextru sion der Schaumabfälle sowie das zusätzliche Anbringen von Einrich tungen, die die statische Aufladung der Schaumhalbzeuge und der Pro dukte ableiten.

Für das Extrusionsschäumen von thermoplastischen Kunststoffen sind daher bestimmte Forderungen an die Treibmittel zu stellen.

Das Treibmittel muß in der Kunststoffschmelze löslich sein, darf aber seine Viskosität und seinen Glaspunkt nicht zu stark verändern. Das Treibmittel muß während der Expansion eine hohe Verdampfungsgeschwin digkeit aufweisen, damit die Restgaskonzentration gering bleibt. Es darf keine Permeation auftreten, da sie ein Zusammenbrechen der Zel len vor dem Erstarren zur Folge hätte.

Physikalische Treibmittel, die diese Eigenschaften besitzen und in der Praxis angewendet werden, sind Pentan, Trichlorfluormethan, Dichlordifluormethan und in Ausnahmefällen Stickstoff.

Stickstoff ist erfolgreich als Treibmittel einsetzbar, wenn eine ge nügend hohe Lösungskonzentration erreicht werden kann, was bisher nur mit einem sehr hohen und nicht vertretbaren maschinellen Dosier aufwand durchführbar ist. Die geringe Affinität des Stickstoffes zur Kunststoffschmelze erfordert hierfür einen sehr hohen Lösungsdruck, der im Vergleich zu Dichlordifluormethan um ein Mehrfaches höher liegt.

Aus der DE-OS 19 14 584 ist bekannt, einen Kernbildner aus festen Stoffen bei der Herstellung von Schaumpolystyrol einzusetzen. Verhin dert werden soll der Nachteil, feste Kernbildner mit einem aufge schmolzenem Granulat vermischen zu müssen, weil sehr kostenintensive Mischanlagen dafür erforderlich sind. Aufgrund dessen wird vorge schlagen, flüssige Kernbildner, z. B. Stickstoff, in die ein Treibmit tel, z. B. einen halogenierten Kohlenwasserstoff, aufweisende Schmelze einzuspritzen. Mit dieser Maßnahme wird eine gezielte Beeinflussung der Zellbildung bzw. der Zellgröße angestrebt.

Auch die in der DE-OS 17 78 104 offenbarte Lehre geht davon aus, einen sehr feinzelligen Schaum niedriger Dichte herzustellen. Zu die sem Zweck wird ein niedrigsiedendes Treibmittel zusammen mit einem Inertgas in die Kunststoffschmelze eingedüst. Durch das gemeinsame Einspritzen des Treibmittels und des Inertgases wird der feinzellige Schaumstoff erhalten. Eingesetzt werden sehr umweltschädigende Treib mittel, wie Trifluortrichloräthan.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Treibmittelsystem vorzuschla gen, welches gute Aufschäumeigenschaften hat, sich ohne Brandgefahr verarbeiten läßt und bei dessen Einsatz die Ozongürtelschädigung weiter herabgesetzt wird.

Das Treibmittel selbst soll trotzdem zu sehr geringen Schaumdichten führen, um im Verpackungsbereich wenig Gewicht darzustellen und um möglichst wenig des relativ teuren Kunststoffes einsetzen zu müssen.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan spruchs gelöst.

In überraschender und nicht zu erwartender Weise wurde gefunden, daß die Eindüsung eines Treibmittelsystems, bestehend aus zwei verschie denen Treibmitteln, nämlich 0,2 bis 0,5 Gew.-% N₂ und 0,5 bis 2 Gew.-% teilhalogenierte Verbindungen (siehe Anspruch 1), bezogen auf einen mit Talkum vermischten thermoplastischen Kunststoff, dann zu äußerst geringen Raumgewichten des Schaumstoffes führt, wenn in eine Kunststoffschmelze zunächst ein gasförmiger Stickstoff eingearbeitet und in einem festgelegten Abstand zur ersten Einspritzstelle eine flüssige teilhalogenierte Verbindung eingedüst wird, wobei die gün stigen Raumgewichte auch nur dann erhalten werden, wenn zusätzlich im Bereich des Extrusionskopfes, d. h. bis kurz vor den Austritt, ein Material Treibmittelgemischdruck von mindestens 55 bar aufrechterhal ten werden. Zusätzlich mußte eine Temperatur im Kopfbereich von min destens 130°C beim Einsatz von Polystyrol und von mindestens 128°C beim Einsatz von Polyäthylen eingehalten werden.

Die Extruderanlage für die Durchführung des Verfahrens weist in vor teilhafter Weise stromabwärts zunächst eine Einspritzeinrichtung für ein gasförmiges Treibmittel und in einem Abstand von mindestens 2 D (D = Schneckendurchmesser) eine Einspritzeinrichtung für ein flüs siges Treibmittel auf. Dieser Abstand ist sehr vorteilhaft, um eine gute und homogene Einmischung des gasförmigen Treibmittels zu errei chen. In die das gasförmige Treibmittel bereits enthaltende Kunst stoffschmelze läßt sich in nicht zu erwartender Weise dann eine weitere Treibmittelanreicherung erreichen, wenn ein flüssiges Treib mittel eingesetzt wird, ohne daß es beim Einmischen des zweiten flüs sigen Treibmittels zu nachteiligen Auswirkungen (Entmischung usw.) kommt.

In der Zeichnung wird ein Extruder gezeigt, der für die Versuchs durchführung eingesetzt wurde.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung des Extruders,

Fig. 2 einen schematisierten Längsschnitt des Ex truders.

In dem Extruder 1 ist eine Schnecke 2 angeordnet, die durch ein Ge triebe 3 in Drehbewegung gesetzt wird und das durch den Trichter 4 eingefüllte Material in Richtung des Kopfes 5 fördert.

Durch die Treibmitteleinspritzdüse 6 wird gasförmiger N₂ und durch die Einspritzdüse 7 flüssiges R22 in den Extrusionsraum B eingedüst mit einem den Druck in Raum 8 übersteigenden Druck.

Sowohl für den Stickstoff (N₂) als auch für das Chlordifluormethan (R22), werden bekannte Dosiereinrichtungen 9 eingesetzt.

In dem Kopf sind Temperaturkanäle 10 angeordnet, die an ein nicht gezeigtes Temperiergerät angeschlossen sind.

Mittels Drucksensoren 11 wird der Druck im Raum 12 des Kopfes 5 ge messen. Auf den Druck im Raum 12 kann durch eine entsprechende Ge staltung der Fließkanäle und durch eine axiale Verstellung des Dornes 13, entsprechend des Pfeiles, eingewirkt werden.

Der Druck im Extrusionsraum 8 wird durch Drucksensoren 14 erfaßt und weitergegeben.

Bei der Durchführung der in den Beispielen 3-12 beschriebenen Ver suche herrschte im Extrusionsraum 8 im Bereich der Einspritzdüsen 6 und 7 ein Druck von 150 bis 350 bar. Am Ende der Schnecke 2 wurde der Druck auf etwa 100-200 bar eingestellt. Im Kopf wurden im Mit tel 80-180 bar Material-Treibmittelgemischdruck eingestellt. Wenn dieser Druckbereich im Kopf verlassen wird, sind die Schaumergebnis se, d. h. der Aufschäumungsgrad der hergestellten Folie, unzurei chend.

Die Temperatur des Gemisches betrug im Extrusionsraum B im Bereich der Einspritzdüsen max. 240°C. Danach wurde die Temperatur zur Schneckenspitze hin auf 130°C eingestellt. Wenn diese Temperatur verringert wurde, war die erzielte Qualität des Schaumes nicht nehr vertretbar.

Nachfolgend werden Vergleichsbeispiele aufgeführt.

Beispiel 1 (Stand der Technik)

Es wurden 99,5 kg Polystyrol vermischt mit 0,5 kg Talkum als Poren reglersubstanz in einen Extruder, wie gezeigt in Fig. 1, eindosiert und aufgeschmolzen.

In die Polystyrolschmelze wurden 0,3 Gew.-% Stickstoff (N₂) in Gasform (Gasvolumen 0,327 m³) durch die Einspritzdüse 6 eindosiert und homogen damit vermischt.

Dann wurde die Mischung zu einem Schlauch extrudiert.

Das Raumgewicht betrug bei einer Dicke der Schlauchwandung von 1 mm 350 kg/m³. Das erzielte Raumgewicht ist zu groß, so daß der Schaum stoff nur bedingt einsetzbar ist.

Beispiel 2 (Stand der Technik)

Bei einem Vergleichsversuch mit 0,5 Gew.-% Stickstoff (N₂) (Gasvo lumen 0,545 m³) wurde, bei ansonsten gleichen Verfahrensbedingungen ein Raumgewicht von 200 kg/m³, bei einer Dicke der Schlauchwandung von 2 mm, erzielt.

Auch dieser Wert ist nur begrenzt vertretbar.

Wenn der Stickstoffanteil noch weiter erhöht wurde, verschlechterte sich das Raumgewicht rapide, weil vermutlich eine Treibmittelsät tigung vorliegt (d. h. der Kunststoff nahm das Treibmittel nicht mehr auf).

Beispiel 3 (gemäß der Erfindung)

Es wurden wiederum 99,5 kg Polystyrol in Granulatform in einen Extru der zusammen mit 0,5 kg Talkum als Porenreglersubstanz eingegeben und aufgeschmolzen.

In die Schmelze wurden,
0,5 Gew.-% gasförmiger Stickstoff (N2), welches ein Gasvolumen von ca. 0,545 m³ bei 373 K ergibt und welches 61% des Gesamt gasvolumens der Gesamttreibmittelmenge (1,5 Gew.-%) ausmacht,
eindosiert.
Anschließend wurde 1 Gew.-% flüssiges Chlordifluormethan (R22), welches ein Gasvolumen von 0,355 m³ bei 373 K ergibt und 39% des Gesamtgasvolumens der Gesamttreibmittelmenge ausmacht,
eindosiert und im folgenden Teil des Extruders homogen damit ver mischt.

Im Extruderkopf wurde durch eine axiale Verstellung des Dornes 13 und durch die Gestaltung der Fließkanäle ein Material-Treibmittel druck von 60 bar eingestellt.

Gleichzeitig wurde duch die Temperierung des Kopfes mittels eines Öl-Temperiergerätes eine Temperatur des Material-Treibmittelgemi sches von 163°C gehalten.

Anschließend wurde das Gemisch zu einem Schlauch extrudiert, der aufgeschnitten und flachgelegt wurde.

Die Schlauchdicke betrug 1,5 mm. Es wurde ein Raumgewicht von 161 kg/m³ erzielt, was als vertretbarer Wert für viele Anwendungsfälle anzusehen ist.

Durch weitere Versuche wurde festgestellt, daß beim Einsatz eines anderen thermoplastischen Kunststoffs, nämlich Polyäthylen, die Kopf temperatur bis knapp unter 130°C gesenkt werden konnte, ohne die Er gebnisse merklich zu beeinflussen.

Beispiel 4 (gemäß der Erfindung)

Der Versuch wie in Beispiel 3 beschrieben, wurde wiederholt, jedoch mit dem Unterschied, daß,
1,5 Gew.-% flüssiges Chlordifluormethan (R22) (Gasvolumen 0,532 m³ bei 373 K) und einem Anteil von 49% vom Gesamtgas volumen der Gesamttreibmittelmenge von 2 Gew.-%,
eingesetzt wurde.

Die Dicke der Schaumstoffwandung war 1,7 mm jedoch betrug das Raumge wicht 132 kg/m³, was schon als ein guter Wert angesehen werden muß.

Beispiel 5 (gemäß der Erfindung) beide Treibmittel max. Zugabe

Es wurde ein weiterer Versuch, wie beschrieben im Beispiel 3, gefah ren, jedoch wurde der Anteil des R22 erhöht.

Es wurden 2 Gew.-% flüssiges Chlordifluormethan (R22) (Gasvolumen 0,710 m³ bei 373 K) Gasvolumenanteil 57% von der Gesamt treibmittelmenge von 2,5 Gew.-%,
eindosiert.

Die Wandungsdicke der Schaumbahn betrug 2 mm.

Das erzielte Raumgewicht betrug,
90 kg/m³,
was als ein absolut guter Wert anzusehen ist.

Beispiel 6 (N₂-Zugabe maximal, R22 minimal)

Der Versuch, wie in Beispiel 5 beschrieben, wurde wiederholt, jedoch mit dem Unterschied, daß,
0,5 Gew.-% CHClF₂ (R22), welches ein Gasvolumen von ca. 0,177 m³ bei 373 K ergibt und welches 25% des Gesamtgas volumens der Gesamttreibmittelmenge von 1,0 Gew.-% ausmacht,
eindosiert wurde.

Die Schaumfoliendicke betrug 1,5 mm und das Raumgewicht 145 kg/m³.

Beispiel 7 (N₂-Zugabe minimal, R22 maximal)

Der Versuch, wie in Beispiel 5 beschrieben, wurde wiederholt, jedoch mit dem Unterschied, daß,
0,2 Gew.-% Stickstoff (N₂), Gasvolumen 0,218 m³ bei 373 K, was einem Anteil von 24% vom Gesamtgasvolumen der Gesamttreib mittelmenge von 2,2 Gew.-% entspricht,
eindosiert wurde.

Als Werte für die Schaumstoffdicke ergaben sich 1,4 mm und für das Raumgewicht 180 kg/m³.

Beispiel 8 (N₂-Zugabe minimal, R22 minimal)

Es wurde ein weiterer Versuch, wie in Beispiel 7 beschrieben, gefah ren, jedoch wurde der Anteil R22 heruntergesetzt. Es wurden 0,5 Gew.-% CHClF₂ (R22), Gasvolumen 0,177 m³ bei 373 K, was einem Anteil von 45% vom Gesamtgasvolumen der Gesamttreibmit telmenge von 0,7 Gew.-% entspricht,
eindosiert.

Es ergab sich ein sehr schwerer Schaum, der hart und spröde war und eine Schaumstoffdicke von 0,7 mm und ein Raumgewicht von ca. 500 kg/m³ aufwies.

Beispiel 9 (gemäß der Erfindung)

Der Versuch, wie in Beispiel 3 beschrieben, wurde wiederholt, jedoch mit dem Unterschied, daß,
1,0 kg flüssiges CHCl₂-CF₃ (R123) (1 Gew.-%), welches ein Gasvolumen von ca. 0,200 m³ bei 373 K ergibt und welches 27 % des Gesamtgasvolumens der Gesamttreibmittelmenge von 1,5 Gew.-% ausmacht,
eindosiert wurde.

Die Dicke der Schaumstoffwandung betrug 1,3 mm und das Raumgewicht 160 kg/m³. Der Schaum war insgesamt etwas härter und spröder als in Beispiel 3.

Beispiel 10 (gemäß der Erfindung)

Der Versuch, wie in Beispiel 3 beschrieben, wurde anstatt mit R22 mit,
1,0 kg flüssiges CH₂F-CF₃ (R134a) (1 Gew.-%), welches ein Gasvolumen von ca. 0,301 m³ bei 373 K ergibt und welches 35 % des Gesamtgasvolumens der Gesamttreibmittelmenge von 1,5 Gew.-% ausmacht,
wiederholt.

Bei einer Schaumstoffdicke von 1,5 mm wurde ein Raumgewicht von 148 kg/m³ erzielt, was als guter Wert anzusehen ist.

Beispiel 11 (gemäß der Erfindung)

Der Versuch, wie in Beispiel 3 beschrieben, wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß für das R22,
1,0 kg flüssiges CH₃-CCl₂F (R141b) (1 Gew.-%), welches ein Gasvolumen von ca. 0,263 m³ bei 373 K ergibt und welches 33% des Gesamtgasvolumens der Gesamttreibmittelmenge (1,5 Gew.-%) ausmacht,
eindosiert wurde.

Bei einer Schaumstoffdicke von 1,4 mm wurde ein Raumgewicht von 155 kg/m³ erhalten. Die Schaumqualität ist ähnlich der aus Beispiel 3 mit R 22, jedoch mit verbessertem Raumgewlcht.

Beispiel 12 (gemäß der Erfindung)

Es wurde ein weiterer Versuch, wie in Beispiel 3 beschrieben, durch geführt, jedoch mit dem Unterschied, daß anstelle des R22,
1,0 kg flüssiges CH₃CClF₂ (R142b) (1 Gew.-%), welches ein Gasvolumen von ca. 0,304 m³ bei 373 K ergibt und welches 36% des Gesamtgasvolumens der gesamttreibmittelmenge (1,5 Gew.-%) ausmacht,
eindosiert wurde.

Es wurde eine Schaumstoffwandung von 1,6 mm erhalten mit einem Raum gewicht von 155 kg/m³, was als guter Wert zu betrachten ist.

Bezugszeichenliste

1 Extruder
2 Schnecke
3 Getriebe
4 Trichter
5 Extruderkopf
6 Treibmitteleinspritzdüse
7 Einspritzdüse
8 Extrusionsraum
9 Druckaufbaueinrichtung
10 Temperaturkanal
11 Drucksensor
12 Raum
13 Dorn
14 Drucksensor

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffs aus einem thermoplastischen Kunststoff, umfassend folgende Verfah rensschritte:

- Vermischen des Kunststoffs mit einer Porenregulierungs substanz;
- Einfüllen dieser Mischung in einen Extruder;
- Plastifizieren, vermischen und homogenisieren dieser Mischung im Extruder;
- Eindüsen eines ersten Treibmittels in Form von gasför migem Stickstoff in die homogenisierte Mischung in den Extruder, wobei die zugeführte Stickstoffmenge 0,2% bis 0,5% des Gewichtes der Mischung aus dem Kunst stoff und der Porenregulierungssubstanz entspricht;
- Vermischung und Homogenisieren der Mischung mit dem Stickstoff zur Bildung einer homogenisierten stick stoffhaltigen Mischung;
- Eindüsen eines zweiten Treibmittels in Form einer flüs sigen, teilhalogenierten Verbindung in die homogeni sierte, stickstoffhaltige Mischung, wobei die zugeführ te zweite Treibmittelmenge 0,5% bis 2% des Gewichts der Mischung aus dem Kunststoff und der Porenregulie rungssubstanz entspricht;
- Vermischen und homogenisieren der Mischung aus dem Kunststoff, der Porenregulierungssubstanz und den bei den Treibmitteln im Extruder;
- Extrudieren dieser Mischung durch einen Extrusionskopf des Extruders, wobei der Schaumstoff entsteht,
- wobei der Druck dieser Mischung im Extrusionskopf min destens 55 bar beträgt, und
- wobei die Temperatur dieser Mischung im Extrusionskopf über einer zuvor ermittelten und vom thermoplastischen Kunststoff abhängigen unteren Grenztemperatur gehalten wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zweites Treibmittel flüssige, teilhalogenierte Verbindungen der Gruppe CHClF₂ (R22), CHCl₂-CF₃ (R123), CH₂F-CF₃ (R134a), CH₃-CCl₂F (R141b) oder CH₃-CClF₂ (R142b) verwendet werden.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Porenregulierungssubstanz Talkum verwendet wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als thermoplastischer Kunststoff Polystyrol verwen det wird, und daß die Temperatur der Mischung im Extrusionskopf größer oder gleich 130°C ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als thermoplastischer Kunststoff Polyäthylen verwen det wird, und daß die Temperatur der Mischung im Extrusionskopf größer oder gleich 128°C ist.

6. Extruderanlage zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1, bestehend aus einem hohlzylinrischen, zwei stromabwärts hintereinander angeordnete Einspritzbereiche aufweisenden Gehäuse, in dem eine rotierende, antreibbare Homogenisierschnecke angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Einspritzbereich, mit einer Einspritzein richtung (6) für ein gasförmiges Treibmittel und der zweite Einspritzbereich mit einer Einspritzeinrichtung (7) für ein flüssiges Treibmittel ausgebildet ist, und daß zwischen beiden Bereichen ein Abstand von mindestens 2 D (D = Schneckendurchmesser) eingehalten wird.

7. Extruderanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Druckeinstellung im Kopf (5) der Dorn (13) axial verstellbar ausgebildet ist.

8. Extruderanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Extrusionskopf Drucksensoren (11) aufweist.

9. Extruderanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf (5) und der Austrittsdüsenspalt mittels Tem perierkanäle (10) temperierbar ausgebildet ist.