DE60021602T2

DE60021602T2 - Verfahren zur herstellung von geschäumten kunststoffen und vorrichtung zur durchführung des verfahrens

Info

Publication number: DE60021602T2
Application number: DE60021602T
Authority: DE
Inventors: Renato Crana
Original assignee: L M P IMPIANTI Srl; Lmp Impianti Srl
Current assignee: L M P IMPIANTI Srl; Lmp Impianti Srl
Priority date: 1999-11-09
Filing date: 2000-11-03
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2020-11-04
Also published as: AU777984B2; IT1308870B1; NZ518636A; DE60021602D1; KR100699202B1; JP2003513829A; CA2389438A1; KR20030031877A; EP1230296B1; EP1230296A1; ITTO990959A1; NO20022159L; AU1391501A; NO20022159D0; CN1387548A; ES2246252T3; ATE300577T1; WO2001034687A1; ITTO990959A0

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung von geschäumten polymeren Polyolefin-Materialien mit niedriger Dichte, die einen geschlossenen Zellenaufbau besitzen, durch das Extrudieren des Polymers mit einem beigegebenen physikalischen Schäummittel sowie einen Extruder, um das Verfahren auszuführen.
Bei der Herstellung von Polyolefin-Schäumen niedriger Dichte werden am gebräuchlichsten Schäummittel verwendet, bei denen es sich um organische Verbindungen handelt, einschließlich von Fluorkohlenwasserstoffen, im Besonderen von gesättigten Chlorfluorkohlenwasserstoffen (CFC) und Hydrochlorfluorkohlenwasserstoffen (HCFC), sowie von anderen halogenierten Kohlenwasserstoffen. Diese Chlorfluorkohlenwasserstoffe werden, da sie die Umwelt negativ belasten, und besonders deshalb als unerwünscht angesehen, weil vermutet wird, dass sie für die Zerstörung der Ozonschutzschicht der Erdatmosphäre verantwortlich sind, wobei sie deswegen allmählich aus dem Verkehr genommen werden. Es stehen andere halogenierte Kohlenwasserstoffe in Verwendung, die die Ozonschicht nicht zerstören, doch führt deren Verwendung als Schäummittel zu anderen Problemen, da sie sehr leicht entflammbar sind.
Es wurden anorganische Schäummittel vorgeschlagen, um die Chlorfluorkohlenwasserstoffe und die Hydrochlorfluorkohlenwasserstoffe zu ersetzen, beispielsweise Kohlendioxid, Stickstoff, Argon und Wasser, die nicht entflammbar sind und wenig oder keine Belastung für die Umwelt darstellen. Wenn diese Mittel jedoch für sich selbst als einziges Schäummittel verwendet werden, ist es üblicherweise nicht möglich, Schäume mit der gewünschten Dichte zu erhalten, wie dies bei der Verwendung von herkömmlichen Schäummitteln der Fall wäre. Untersuchungen auf diesem Gebiet waren auf die Verwendung von bestimmten Schäumsystemen, die auf einer Kombination von mehreren Schäummitteln beruhen, auf die Auswahl von polymeren Materialien mit bestimmten physikalischen Eigenschaften sowie auf die Verwendung von Zusatzstoffen gerichtet.
Die US-Patentschrift 5 244 927 beschreibt Polystyrolschäume mit niedriger Dichte, die unter Verwendung eines Schäumsystems hergestellt werden, das von einer Kombination von Kohlendioxid, einem niedrigen Alkohol und Wasser gebildet wird.
Die US-Patentschrift 5 554 661 beschreibt geschäumte Äthylenpolymere mit geschlossenen Zellen, die eine Dichte von weniger als 150 kg/m³ besitzen, wobei ein Äthylenpolymer, das einen bestimmten Schmelzindex und Schmelzspannungseigenschaften besitzt, sowie Kohlendioxid und/oder Argon als Schäummittel verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft andererseits ein Verfahren für die Herstellung von geschäumten Polyolefin-Materialien, die die gewünschten Eigenschaften einer niedrigen Dichte und einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit auch dann besitzen, wenn einzelne Schäummittel, beispielsweise Kohlendioxid, inerte Gase oder Wasser verwendet werden, wobei dies mit einem Extrusionsverfahren geschieht, das besondere physikalische und mechanische Eigenschaften besitzt.
Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren für die Herstellung eines geschäumten Materials sowie den zugehörenden Extruder, die jene Merkmale besitzen, die im Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 7 geoffenbart sind. WO-A-98 51 467 offenbart ein derartiges Verfahren und eine Vorrichtung.
Weiters offenbart US-A-4 352 892 eine Vorrichtung zum Extrudieren von thermoplastischen Schäumen und GB-A-1 231 535 offenbart ein Verfahren sowie eine Vorrichtung für die Herstellung von Gegenständen aus einem geschäumten thermoplastischen Harz.
Ein Gegenstand der Erfindung besteht darin, ein Verfahren für die Herstellung von geschäumten Polyolefin-Materialien zu liefern, das jene Merkmale besitzt, die im Anspruch 1 angeführt sind. Bevorzugte Merkmale eines derartigen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angeführt.
Die Polyolefin-Polymere, die bei dem Verfahren der Erfindung verwendet werden, enthalten Polyolefine, beispielsweise Polyäthylen, Polypropylen und deren Copolymere sowie aromatische Alkenylpolymere. Letztere enthalten Polymere von aromatischen Alkenylverbindungen, beispielsweise Styrol, α-Methylstyrol, Äthylstyrol, Vinylbenzol, Vinyltoluol, Chlorstyrol und Brombenzol. Polymere, die verwendet werden können, enthalten kleine Mengen von ungesättigten Monoäthylen-Verbindungen, beispielsweise C₂-C₆ alkylische Säuren oder C₄-C₆ Diene, die mit der aromatischen Alkenylverbindung copolymerisiert werden können, beispielsweise Akrylsäure, Methakrylsäure, Akrylonitril, Maleinsäureanhydrid, Methylakrylat, Äthylakrylat und Vinylacetat. Die Verwendung von derartigen Copolymeren ist jedoch nicht besonders wünschenswert, da sie die Rohmaterialkosten beträchtlich erhöht.
Das Verfahren der Erfindung ist besonders vorteilhaft, wenn Schäummittel wie beispielsweise Kohlendioxid, Stickstoff, Argon und Helium verwendet werden. Der Bereich der Erfindung erstreckt sich jedoch auch auf die Verwendung von aliphatischen Verbindungen, beispielsweise Methan, Äthan, Propan, n-Butan, Isobutan und n-Pentan, sowie aliphatische Alkohole mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen. Im Bereich der Erfindung ist auch ein Verfahren eingeschlossen, das herkömmliche Chlorfluorkohlenwasserstoffe und Hydrochlorflurkohlenwasserstoffe verwendet. Das polymere Material kann auch die üblichen Zusatzmittel enthalten, die beim Extrudieren von geschäumten Materialien verwendet werden, beispielsweise Nukleierungsmittel, Brandverzögerer und Farbstoffe. Nukleierungsmittel, die dazu verwendet werden, um die Abmessungen der Zellen im Schaum zu steuern, enthalten im Besonderen Talk, Magnesiumoxid, Kalziumsilikat, Kalziumstearat sowie Gemische von Zitronensäure und Natriumbikarbonat.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht darin, einen Extruder zu liefern, um das oben beschriebene Verfahren auszuführen, wobei er jene Merkmale besitzt, die im Anspruch 7 angeführt sind. Bevorzugte Merkmale eines derartigen Extruders sind in den Unteransprüchen 8 und 9 angeführt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung von bestimmten Ausführungsformen anhand eines nicht einschränkenden Beispiels und im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen zeigt:
1 einen vereinfachten Schnitt, in dem eine Reihe von Bauelementen einer Extruderanlage dargestellt ist, um die Erfindung auszuführen;
2 eine geschnittene Seitenansicht einer Pressdüse, die stromabwärts der Bauelemente der Extrudervorrichtung von 1 angeordnet ist;
3 und 4 Schnitte entlang der Achsen III-III bzw. IV-IV von 2;
5 die Vordersicht der Pressdüse von 2;
6 den Schnitt entlang der Achse VI-VI von 2; und
7 die Seitenansicht von einer der Schnecken der Extruderanlage, um die Erfindung auszuführen.
Im Zusammenhang mit 1 trägt ein rohrförmiger Körper eines Extruders allgemein die Bezugsziffer 10, wobei er zwei gemeinsam rotierende, ineinander eingreifende Schnecken 12 besitzt, die die oben beschriebenen Merkmale aufweisen und im inneren Hohlraum des Körpers angeordnet sind. Das polymere Material wird in den Hohlraum des Extruders in einem am Anfang angeordneten Beschickungsbereich 14 der Schnecke mit einer Beschickungseinrichtung zugeführt, die nicht dargestellt ist. Die Schnecken 12 weisen (siehe 7) vier Transportbereiche 16a, b, c und d auf, die von drei Rückmischbereichen 18a, b und c beabstandet sind.
Stromabwärts des ersten Transportbereichs 16a (siehe die Bezugsziffer 17) besitzen die Schnecken 12 vorzugsweise eine Zunahme im Kerndurchmesser zwischen 7 und 14% sowie eine Abnahme im Außendurchmesser zwischen 4 und 8%. Weiters besitzen sie stromabwärts des Endmischbereichs 18c (siehe die Bezugsziffer 19) eine Zunahme im Kerndurchmesser zwischen 2 und 5% sowie eine Abnahme im Außendurchmesser zwischen 1 und 3%. Diese Veränderungen sind in 1 bis 7 infolge des Maßstabs der Zeichnungen sowie deshalb nicht unmittelbar zu sehen, weil sie relativ klein sind.
Das Material wird im Anfangsbeschickungsbereich 14 und im Transportbereich 16a geschmolzen. Das Schäummittel wird in den Extruderkörper vorzugsweise mit einer Einspritzeinrichtung, die nicht dargestellt ist, im Strömungsbereich 16b unmittelbar stromabwärts des ersten Rückmischbereichs 18a eingeführt.
Der Druck am Kopf des Extruders liegt zwischen 200 und 280 bar, vorzugsweise zwischen 240 und 280 bar. Es ist ersichtlich, dass die Temperatur innerhalb des Extruders von der Bedienungsperson in Abhängigkeit von bestimmten Eigenschaften des verwendeten Polymers eingestellt wird.
Beim Verlassen des Strömungs/Transport-Endbereichs 16d wird das geschmolzene polymere Material einer statischen Misch/Homogenisier-Einheit 20 zugeführt. Diese Einheit kann herkömmlich aufgebaut sein und besteht vorzugsweise aus jener Einrichtung, die in der US-Patentschrift A-4 222 729 im Namen des Anmelders beschrieben wurde.
In jedem Fall ist es dann, wenn das Verfahren der Erfindung verwendet wird, vorzuziehen, dass die Eigenschaften der statischen Mischeinheit so ausgelegt sind, dass sie einen Druckabfall zwischen 30 und 80 bar erzeugt.
Beim Verlassen des statischen Mischers 20 wird das Material schließlich einer Pressdüse 22 (siehe 2 bis 6) im Allgemeinen unter einem Druck zwischen 100 und 200 bar zugeführt.
Die Pressdüse 22 besitzt einen Körper 24 mit einem inneren Kanal 26, durch den das Material strömen kann, wobei sich der Querschnitt des ersten Teils 28 des Kanals (siehe 4, 5 und 6) fortschreitend von einem kreisförmigen Querschnitt 30 zu einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt 32 ändert, bei dem ein Paar von Seiten 34 wesentlich länger als das andere Paar von Seiten 36 ist.
Der Kanal 26 besitzt einen zweiten Teil 38, der stromabwärts des ersten Teils 28 angeordnet ist, wobei sich sein Querschnitt (siehe 3) fortschreitend so ändert, dass die Seiten 34 länger und die Seiten 36 kürzer werden.
Schließlich sind zwei einander gegenüber liegende Lippen 40 (siehe 2) am externen Auslass des Auslasskanals 26 angeordnet, die eine Einengung im Strömungsquerschnitt des Kanals 28 bilden.
Beispiel I
Es wurde ein gemeinsam rotierender Doppelschnecken-Extruder mit Schnecken verwendet, die jene Merkmale besitzen, die oben beschrieben wurden, wobei sie ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D-Verhältnis) von 24 aufweisen. Weiters besitzen die Schnecken folgende Merkmale:

– axialer Abstand I: 100 mm
– Schneckendurchmesser D: 132 mm
– verfügbare Leistung: 75 kW

Beim verwendeten polymeren Material handelte es sich um Polystyrol mit einem Schmelzindex zwischen 1,7 und 1,8 g/10 min mit einem Vicat-Erweichungspunkt über 100°C.
Das verwendete Material wies auch 0,5 bis 1,5 Gewichtsprozente Talk als Nukleierungsmittel, 4 bis 5% eines Brandverzögerungsmittels sowie einen Farbstoff auf. Als Schäummittel wurde reines Kohlendioxid verwendet, wobei beim Versuch unterschiedliche Prozentsätze des Schäummittels verwendet wurden, die von 2 bis 5% für 100 Teile des festen Materials reichten.
Die Drehzahl der Schnecken wurde während des Versuchs zwischen 18 und 25 UpM verändert.
Der Druck am Kopf des Extruders wurde zwischen 200 und 280 bar gehalten, wobei der Druck in der Pressdüse zwischen 100 und 200 bar lag.
Man erhielt Tafeln aus geschäumten Material mit:

– einer Breite, die sich zwischen 600 und 800 mm änderte;
– einer Dicke zwischen 20 und 60 mm;
– einer Dichte, die sich zwischen 35 und 50 kg/m³ änderte;
– einer Zellengröße, die sich zwischen 0,150 und 0,250 mm änderte.

Es wurde entdeckt, dass sich der Wärmeleitungskoeffizient unmittelbar nach dem Extrudieren zwischen Werten von 26,5 und 28,2 mW/°K*m änderte.
Diese Änderungen wurden durch die unterschiedlichen Prozentsätze des Schäummittels und des Nukleierungsmittels hervorgerufen, die verwendet wurden.
Zumindest 95% der geschäumten Tafeln, die man erhielt, besaßen einen geschlossenen Zellenaufbau, der nach ASTM D 2856-A bestimmt wurde.
Das Produktivitätsverhältnis (verfügbare Leistung/Kilogramm des Produkts) lag zwischen 0,4 und 0,6 kW/kg.
Beispiel II
Es wurde ein gemeinsam rotierender Doppelschnecken-Extruder mit Schnecken verwendet, die so aufgebaut waren, wie dies oben beschrieben wurde, und die zusätzlich folgende Merkmale besaßen:

– axialer Abstand I: 66 mm
– Schneckendurchmesser D: 82 mm
– verfügbare Leistung: 18 kW

Es wurde das gleiche polymere Material wie im Beispiel I verwendet, wobei die Menge des Schäummittels wiederum zwischen 2 und 5% verändert wurde.
Der Druck am Extruderkopf wurde zwischen 200 und 280 bar verändert, während der Druck an der Pressdüse zwischen 100 und 120 bar lag.
Man erhielt Tafeln aus geschäumtem Material mit:

– einer Breite zwischen 200 und 450 mm;
– einer Dicke zwischen 10 und 25 mm;
– einer Dichte zwischen 35 und 50 kg/m³;
– einer Zellengröße zwischen 0,150 und 0,250 mm.

Claims

Verfahren für die Herstellung von geschäumten Materialien durch das Extrudieren eines polymeren Materials unter Beigabe eines physikalischen Schäummittels, wobei die Extrusion in einem Doppelschnecken-Extruder mit gemeinsam rotierenden und ineinander eingreifenden Schnecken (12) mit einem Verhältnis zwischen dem axialen Abstand (I) und dem Durchmesser (D) zwischen 0,7 und 0,8 und einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D) zwischen 22 und 30 ausgeführt wird, und wobei die Schnecken (12) mit einer Drehzahl unter 50 UpM in Drehung versetzt werden, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es für die Herstellung von geschäumten Polyolefin-Materialien vorgesehen ist, die einen Wärmeleitungskoeffizienten unter 40 mW/°K*m und eine Dichte unter 50 kg/m³ besitzen, und die Schnecken (12) eine Vielzahl von Mischbereichen (18a– c) sowie eine Vielzahl von abwechselnden Transportbereichen (16a–d) besitzen, wobei das Längenverhältnis zwischen den Mischbereichen (18a–c) und den Transportbereichen (16a–d) zwischen 65% und 75% liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des ersten Transportbereichs (16a) der Durchmesser des Kerns der Schnecken (12) zwischen 7 und 14% zunimmt, während der Außendurchmesser zwischen 4 und 8% abnimmt.
Verfahren gemäß irgendeinem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Mischendbereichs (18c) der Durchmesser des Kerns der Schnecken (12) zwischen 2 und 5% zunimmt, während der Außendurchmesser zwischen 1 und 3% abnimmt.
Verfahren gemäß irgendeinem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pressdüse (22) stromabwärts des Extruders angeordnet ist, die einen Körper (24) mit einem inneren Kanal (26), damit das Material durchströmen kann, besitzt, wobei sich der Querschnitt des ersten Teils (28) des Kanals von einem kreisförmigen Querschnitt (30) zu einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt (32) ändert, bei dem ein Paar von Seiten (34) wesentlich länger als das andere Paar von Seiten (36) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (26) einen zweiten Teil (38) besitzt, der stromabwärts des ersten Teils (28) angeordnet ist, wobei sich sein Querschnitt weiter ändert, wobei die Seiten (34) länger und die Seiten (36) kürzer werden.
Verfahren gemäß irgendeinem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei einander gegenüber liegende Lippen (40) am Auslass des Durchlasskanals (26) ausgebildet sind, die den Strömungsquerschnitt dieses Kanals (26) einengen.
Extruder für das Ausführen eines Verfahrens gemäß irgendeinem der bisherigen Ansprüche, wobei der Extruder zwei gemeinsam rotierende, ineinander eingreifende Schnecken (12) aufweist, wobei das Verhältnis zwischen dem axialen Abstand (I) und dem Durchmesser (D) der Schnecken (12) zwischen 0,7 und 0,8 und das Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D) zwischen 22 und 30 liegt, wobei der Extruder dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schnecken eine Vielzahl von Mischbereichen (18a–c) sowie eine Vielzahl von abwechselnden Transportbereichen (16a-d) besitzen, wobei das Längenverhältnis zwischen den Mischbereichen (18a–c) und den Transportbereichen (16a–d) zwischen 65% und 75% liegt.
Extruder gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des ersten Transportbereichs (16a) der Durchmesser des Kerns der Schnecken (12) zwischen 7 und 14% zunimmt, während der Außendurchmesser zwischen 4 und 8% abnimmt.
Extruder gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Mischendbereichs (18c) der Kerndurchmesser der Schnecken (12) zwischen 2 und 5% zunimmt, während der Außendurchmesser zwischen 1 und 3% abnimmt.