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Die
Erfindung betrifft eine bimodale alkenylaromatische Polymerschaumstruktur
mit verbesserten Biegeeigenschaften und/oder verbesserten Wärmeisolierungseigenschaften.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner alkenylaromatische Polymerschaumstrukturen,
die unter Verwendung eines halogenfreien Treibmittels aus Kohlendioxid,
einem C1-C6-Alkohol
und Wasser hergestellt wurden.
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Bei
einer bimodalen Schaumstruktur handelt es sich um eine Schaumstruktur
mit einer bimodalen Zellgrößenverteilung
von relativ größeren Primärzellen
und relativ kleineren Sekundärzellen.
Die meisten herkömmlichen
Schaumstrukturen haben nur eine unimodale Zellgrößenverteilung. Eine unimodale
Verteilung hat eine gleichmäßige bzw.
nur primäre
Zellgrößenverteilung.
Verschiedene bimodale Schaumstrukturen sind offenbart in US-A-4,455,272
und US-A-4,559,367 und in EP-A-0,353,701 (EP-Anmeldung Nr. 89114160.8).
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Die
US-A-4,559,367 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer bimodalen
Schaumstruktur durch Aufnahme fein verteilter, wasserhaltiger organischer
pflanzlicher Stoffe in ein polymeres Einsatzmaterial, Schmelzen
des resultierenden Feststoffgemisches, Aufnahme eines flüchtigen
Schaumbildners in die Schmelze des Feststoffgemisches, um eine schäumbare Mischung
zu bilden, und Extrudieren der schäumbaren Mischung durch eine
Düse, um
die Schaumstruktur zu bilden.
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Die
US-A-4,455,272 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer bimodalen
Schaumstruktur durch Einspritzen von Wasser und einem physikalischen
Treibmittel in eine Polymerschmelze und Extrudieren der resultierenden
Mischung durch eine Düse,
um die Struktur zu bilden.
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Die
EP-A-0,353,701 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer bimodalen
Schaumstruktur durch Aufnahme eines feinen, wasserabsorbierenden
Gesteinsmehls in das polymere Einsatzmaterial, Schmelzen des resultierenden
Feststoffgemisches, Aufnahme eines flüchtigen Schaumbildners in die
Schmelze des Feststoffgemisches, um eine schäumbare Mischung zu bilden,
und Extrudieren der schäumbaren
Mischung durch eine Düse,
um die Schaumstruktur zu bilden.
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Bimodale
Schaumstrukturen bieten Vorteile gegenüber herkömmlichen unimodalen Schaumstrukturen.
Zu den Vorteilen gehören
größere Zähigkeit
und verbessertes Wärmeisolierungsvermögen. Ferner
werden bimodale Strukturen normalerweise mit Wasser als Treibmittelkomponente
hergestellt, unimodale Strukturen dagegen normalerweise nicht. Da
die Verwendung von Wasser als Treibmittelkomponente aus Gründen des
Umweltschutzes wünschenswert
ist, ist dementsprechend auch die Herstellung bimodaler Strukturen
wünschenswert.
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Es
wäre wünschenswert,
das Wärmeisolierungsvermögen der
bimodalen Schaumstrukturen weiter zu verbessern. Es wäre ferner
wünschenswert,
dieses Isolierungsvermögen
zu erhöhen,
ohne die physikalischen Eigenschaften der Schaumstruktur nachteilig
zu beeinflussen bzw. deren Herstellung oder Verarbeitung nachteilig
zu beeinflussen.
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Ein
Nachteil bimodaler Schaumstrukturen ist ihre mangelnde Biegsamkeit.
Es wäre
wünschenswert, eine
bimodale Schaumstruktur zu haben, die die verbesserte Zähigkeit
und das verbesserte Wärmeisolierungsvermögen einer
bimodalen Schaumstruktur bietet, aber dennoch eine verbesserte Biegsamkeit
bietet.
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Aus
Gründen
des Umweltschutzes wäre
es wünschenswert,
eine alkenylaromatische Polymerschaumstruktur niedriger Dichte mit
einem halogenfreien Treibmittel aus kostengünstigen Komponenten bereitzustellen.
Es wäre
ferner wünschenswert,
die Zellgröße des Schaumstoffs über die
Auswahl von Art und Menge des Treibmittels steuern zu können.
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gibt es eine biegsame
alkenylaromatische Polymerschaumstruktur mit einem Schaumstoff aus
einer thermoplastischen Polymerzusammensetzung von mehr als 50 Gew.-%
alkenylaromatisches Polymer. Der Schaumstoff hat relativ größere Primärzellen
mit einem durchschnittlichen Zellgrößenbereich von 0,05 bis 1,2
mm und relativ kleinere Sekundärzellen
mit einer durchschnittlichen Zellgröße im Bereich von 5 Prozent
bis 50 Prozent der durchschnittlichen Zellgröße der Primärzellen. Die Primär- und Sekundärzellen
bilden mindestens 90 Prozent des gesamten Zellvolumens der Schaumstruktur.
Die Primär-
und Sekundärzellen
haben nadelfeine Löcher
bzw. Nadelstichporen in einer Zahl zwischen 1 und 30 Prozent der
Gesamtzahl dieser Zellen. Das Vorhandensein der Nadelstichporen
verbessert die Biegsamkeit der Schaumstruktur im Vergleich zu einer
entsprechenden Schaumstruktur ohne Nadelstichporen.
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Bezugnehmend
auf die erste Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gibt es ein
Verfahren zur Herstellung der obengenannten Schaumstruktur mit den
folgenden Schritten: a) Erwärmen
eines thermoplastischen Polymermaterials, das mehr als 50 Gew.-%
alkenylaromatisches Polymer umfaßt, um ein geschmolzenes Polymermaterial
zu bilden, b) Aufnahme eines flüssigen
oder gasförmigen
Treibmittels in das geschmolzene Polymermaterial bei erhöhtem Druck,
wobei das Treibmittel bezogen auf das Gesamtgewicht des Treibmittels
mindestens 3 Gew.-% Wasser umfaßt,
um ein schäumbares
Gel in einer Menge von mindestens 0,3 Gewichtsteilen auf hundert
Teile Polymermaterial zu bilden, und c) Aufschäumen des schäumbaren
Gels bei vermindertem Druck, um die Schaumstruktur zu bilden. Vorzugsweise
wird das schäumbare
Gel aufgeschäumt,
indem es durch eine Düse
in eine Zone mit niedrigerem Druck extrudiert wird, um die Schaumstruktur zu
bilden.
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Die
Schaumstrukturen umfassen mehr als 50 Gew.-% und mehr bevorzugt
mehr als 70 Gew.-% eines alkenylaromatischen Polymers. Der Begriff
alkenylaromatisches Polymer schließt Polymere ein, die aus einer oder
mehreren alkenylaromatischen Verbindungen wie zum Beispiel Styrol,
Methylstyrol, Ethylstyrol, Vinylbenzol, Divinylbenzol, Chlorstyrol
und Bromstyrol gewonnen wurden, und kleinere Mengen (d.h. 5 Gew.-%)
copolymerisierbarer Verbindungen wie zum Beispiel C1-C4-Methacrylate
und -Acrylate, C1-C8-Olefine
und C4-C8-Diene.
Geeignete Verbindungen umfassen Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Acrylnitril,
Maleinsäureanhydrid,
Vinylacetat, Butadien, Pentadien, Hexadien, Ethylen, Propylen, Butylen,
Hexen und Octen.
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Das
alkenylaromatische Polymermaterial kann noch andere thermoplastische
Materialien enthalten, solange das alkenylaromatische Polymer mehr
als 50 Gew.-% alkenylaromatische monomere Einheiten umfaßt. Geeignete
Kunststoffe können
ausgewählt
werden aus allen, die mit dem alkenylaromatischen Polymer gemischt
und zu einem Schaum aufgetrieben werden können. Geeignete Kunststoffe
umfassen Polyolefine, Polyvinylchlorid, Polystyrol, kautschukmodifizierte
alkenylaromatische Polymere, Cellulosepolymere, Polycarbonate, Polyamide,
Polyester und Polyvinylidenchlorid. Geeignete Polyolefine umfassen
Polyethylen, Polypropylen und Polybutylen. Bevorzugte Strukturen
bestehen im wesentlichen (d.h. zu mehr als 95 Prozent) und am meisten
bevorzugt ganz aus Polystyrol, weil Polystyrolschaum kostengünstig ist
und normalerweise als wärmeisolierender
Schaumkunststoff verwendet wird.
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Die
Schaumstrukturen werden im allgemeinen gebildet durch Schmelzen
und Mischen des alkenylaromatischen Polymers selbst oder, falls
vorhanden, mit anderen Polymeren, um eine Kunststoffschmelze zu bilden,
Aufnahme eines Treibmittels in die Kunststoffschmelze, um ein schäumbares
Gel zu bilden, und Extrudieren des schäumbaren Gels durch eine Düse, um die
Schaumstruktur zu bilden. Beim Schmelzen und Mischen werden die
Polymere auf eine Temperatur im Bereich oder über der Glasübergangstemperatur
und vorzugsweise über
dem Schmelzpunkt des Polymers erwärmt. Das Schmelzen und Mischen
der Polymere und jeglicher Zusätze
wird durch in der Technik bekannte Mittel erreicht, zum Beispiel
mit einem Extruder, einem Rührwerk
oder einer Mischmaschine. Ebenso wird das Treibmittel, einschließlich Wasser,
durch eines derselben oben beschriebenen Mittel in die Kunststoffschmelze
aufgenommen bzw. eingemischt. Das Treibmittel wird mit der Kunststoffschmelze
bei einem erhöhten
Druck vermischt, der ausreicht, um eine größere Expansion des resultierenden
Kunststoffgels oder den Verlust der insgesamt homogenen Verteilung
des Treibmittels in dem Gel zu verhindern. Wenn nicht anders angegeben,
wird das Treibmittel geeigneterweise in einem Gewichtsanteil von
1 bis 30 Teilen und vorzugsweise von 3 bis 15 Teilen auf hundert
Teile des aufzuschäumenden Polymers
in die Schmelze aufgenommen. Das schäumbare Gel wird vorzugsweise
durch eine Kühlvorrichtung bzw.
Kühlzone
geleitet, um die Geltemperatur auf eine optimale Schäumtemperatur
zu senken. Für
Polystyrol liegen die typischen optimalen Schäumtemperaturen im Bereich von
110°C bis
135°C. Das
Schmelzen, Mischen und Kühlen
kann in einem einzigen Extruder, in Tandem-Extrudern oder in einem
oder mehreren mit separaten Misch- oder Kühlvorrichtungen in Reihe geschalteten
Extrudern erfolgen. Das gekühlte
Gel wird dann durch die Düse
in eine Zone mit vermindertem bzw. niedrigerem Druck geleitet, um
die Schaumstruktur zu bilden. Die Zone mit geleitet, um die Schaumstruktur
zu bilden. Die Zone mit niedrigerem Druck hat einen Druck, der niedriger
ist als der, unter dem das schäumbare
Gel vor Extrusion durch die Düse
gehalten wird. Der niedrigere Druck kann superatmosphärisch oder
subatmosphärisch
(Vakuum) sein, befindet sich aber vorzugsweise auf Atmosphärenniveau.
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Wenn
nicht anders angegeben, umfassen die Treibmittel, die in Kombination
mit Wasser verwendet werden können,
anorganische Mittel, flüchtige
organische Mittel und chemische Mittel, die zu Gas oder anderen
Nebenprodukten zerfallen. Geeignete gasförmige Treibmittel umfassen
unter anderem Stickstoff, Kohlendioxid, Luft und Argon. Geeignete
flüchtige
organische Mittel umfassen halogenierte und nichthalogenierte aliphatische
Kohlenwasserstoffe. Geeignete nichthalogenierte aliphatische Kohlenwasserstoffe
umfassen C1-C9-Alkene
und -Alkane wie zum Beispiel n-Butan, Isobutan, n-Pentan, Ethan,
Propan, Isopentan, n-Hexan und Isohexan. Geeignete halogenierte
aliphatische Kohlenwasserstoffe umfassen Methylchlorid, Ethylchlorid, Perfluormethan,
Chlortrifluormethan, Dichlordifluormethan, Trichlorfluormethan,
Difluormethan, Perfluorethan, 1-Chlor-1,1-difluorethan, 1,1-Difluorethan, 1,1,1,2-Tetrafluorethan,
1,1,1-Trifluorethan, Pentafluorethan, Chlortetrafluorethan, 2-Chlor-1,1,1,2-Tetrafluorethan,
Chlorpentafluorethan, Dichlortetrafluorethan, Trichlortrifluorethan,
Perfluorpropan, Chlorheptafluorpropan, Dichlorpropan, Difluorpropan,
Dichlorhexafluorpropan, Perfluorbutan, Chlornonafluorbutan und Perfluorcyclobutan.
Geeignete chemische Treibmittel umfassen Azodicarbonamid, Azodiisobutyronitril,
Benzolsulfonhydrazid, 4,4-Oxybenzolsulfonylsemicarbazid,
p-Toluolsulfonylsemicarbazid, Bariumazodicarboxylat, N,N'-Dimethyl-N,N'-dinitrosoterephthalamid
und Trihydrazinotriazin.
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Bevorzugte
Treibmittel sind jene, bei denen eine Kombination von Wasser und
einem anorganischen Treibmittel wie zum Beispiel Stickstoff, Kohlendioxid
oder Argon verwendet wird. Ein höchst
bevorzugtes Treibmittel umfaßt
Wasser und Kohlendioxid. Wenn nicht anders angegeben, umfaßt das Treibmittel
vorzugsweise von 3 bis 80 Gew.-% Wasser und vorzugsweise zwischen
5 und 60 Gew.-% Wasser, bezogen auf das Gesamtgewicht des Treibmittels.
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Die
vorliegende Struktur kann weitere Zusätze wie zum Beispiel Pigmente,
Füllstoffe,
Antioxidantien, Extrusionshilfen, Keimbildner, Stabilisierungsmittel,
Antistatika, feuerhemmende Mittel und Säurefänger enthalten.
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Die
Schaumkomponente der vorliegenden Struktur hat vorzugsweise eine
Dichte von 16 bis 80 Kilogramm pro Kubikmeter.
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Bimodale
Schaumstrukturen bestehen aus relativ größeren primären Schaumstoffzellen mit einem durchschnittlichen
Zellgrößenbereich
von 0,05 mm bis 1,2 mm und relativ kleineren sekundären Schaumstoffzellen
mit einer Zellgröße im Bereich
von 5 Prozent bis 50 Prozent der durchschnittlichen Zellgröße der Primärzellen.
Die Zellgröße wird
ermittelt durch das auf dem Gebiet der Analyse und Charakterisierung
bimodaler Schaumstrukturen normalerweise verwendete Lichtmikroskopieverfahren.
Die relativ größeren Zellen
in der Zellverteilung werden gemittelt, um die durchschnittliche
Zellgröße der Primärzellen
zu ermitteln, und die relativ kleineren Zellen in der Zellverteilung
werden gemittelt, um die durchschnittliche Zellgröße der Sekundärzellen
zu ermitteln. Die Sekundärzellen
können
sich innerhalb der Zellwände
oder Verstrebungen der Primärzellen
befinden, oder können
sich einzeln oder in Gruppen von zwei oder mehr außerhalb
oder angrenzend an die Primärzellen
befinden. Eine Verstrebung ist eine Verbindung von drei oder mehr
Zellwänden.
Vorzugsweise sind die Primärzellen
insgesamt über
die Sekundärzellen
verteilt, so daß der
Schaumstoff der vorliegenden Schaumstruktur durchwegs eine insgesamt
heterogene Verteilung der beiden Zelltypen aufweist. Weitere Lehren,
die Schaumkunststoffe mit bimodaler Zellverteilung betreffen, sind
offenbart in US-A-4,455,272 und US-A-4,559,367 sowie in EP-A-0,353,701.
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Bimodale
Schaumstrukturen können
mit "Nadelstichporen" zwischen einem Teil
der Schaumstoffzellen ausgebildet sein. Die Nadelstichporen sind
mikroskopisch kleine Löcher,
die innerhalb der Zellwände
zwischen benachbarten Primärzellen,
benachbarten Sekundärzellen
oder benachbarten Primär-
und Sekundärzellen
gebildet sind. Die Nadelstichporen haben keine materielle Auswirkung
auf die in ASTM D-2856 definierte geschlossenzellige Beschaffenheit
des Schaumstoffs, weil die Nadelstichporen nur zwischen einem relativ kleinen
Anteil oder Teil der Schaumstoffzellen vorhanden sind. Die Nadelstichporen
sind vorzugsweise in einer Zahl zwischen 1 und 30 Prozent und mehr
bevorzugt in einer Zahl zwischen 5 und 20 Prozent der Gesamtzahl der
primären
und sekundären
Schaumstoffzellen Schaumstoffzellen vorhanden. Schaumstrukturen
können
mit oder ohne Nadelstichporen gebildet werden.
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Bimodale
Schaumstoffe mit Nadelstichporen zeigen ein höheres Maß an Biegsamkeit als entsprechende
bimodale Schaumstoffe ohne Nadelstichporen. Die größere Biegsamkeit
resultiert in einer Schaumstruktur, die weniger spröde ist und
sich leichter verarbeiten, fertigen und im Gebrauch handhaben läßt, ohne dabei
einen Bruch zu erleiden. Die größere Biegsamkeit
verleiht auch eine größere Beständigkeit
gegen Rißbildung
beim Gebrauch in Stuckanwendungen.
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Die
Primär-
und Sekundärzellen
bimodaler Schaumstrukturen machen mindestens 90 Prozent und vorzugsweise
mindestens 95 Prozent des gesamten Zellvolumens in der Schaumstruktur
aus. Zellen, die größer sind
als die Primärzellen
und kleiner als die Sekundärzellen
sollten nur einen relativ kleinen Anteil (weniger als 10 Prozent)
des verdrängten
Volumens ausmachen, um sicherzustellen, daß die gewünschte bimodale Verteilung
der Zellgrößen in der
Struktur vorhanden ist. In der Schaumstruktur vorhandene Blasen
und Hohlräume,
die nicht die Beschaffenheit einer Schaumstoffzelle haben, werden
nicht als Bestandteil des gesamten Zellvolumens innerhalb der Schaumstruktur
angesehen.
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Wenngleich
wir nicht an eine bestimmte Theorie gebunden sind, ist doch anzunehmen,
daß es
zu bimodalen Zellgrößenverteilungen
kommt, wenn schäumbare
Gele eine Wasserkonzentration enthalten, die größer ist als die Löslichkeit
von Wasser in der Polymerschmelze bei den bestehenden Verarbeitungsbedingungen
(zum Beispiel Temperatur, Druck, mechanisches Rühren, etc.). Das überschüssige Wasser
manifestiert sich in Form von Sekundärzellen, wenn das schäumbare Gel
zu einer Schaumstruktur aufgeschäumt
wird.
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Die
Verwendung wäßriger Treibmittelsysteme,
die 1 oder mehr Gewichtsprozent Wasser bezogen auf das Gesamtgewicht
des Treibmittels umfassen, resultiert normalerweise in bimodalen
Zellgrößenverteilungen in
Schaumstrukturen aus handelsüblichen
alkenylaromatischen Polymeren, insbesondere Polystyrol.
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Die
vorliegenden Schaumstrukturen sind vorzugsweise mindestens 90 Prozent
geschlossenzellig gemäß ASTM D-2856.
Solche geschlossenzelligen Schaumstoffe sind besonders wirksam bei
Wärmeisolierungsanwendungen.
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Das
zur Herstellung bimodaler Schaumstrukturen mit Nadelstichporen verwendete
Treibmittel umfaßt mindestens
3 Gew.-% Wasser bezogen auf das Gesamtgewicht des Treibmittels.
Der Wasseranteil des Treibmittels muß außerdem mindestens 0,3 Gewichtsteile
auf hundert Teile bezogen auf das Gewicht der alkenylaromatischen
und nicht alkenylaromatischen Polymere in der vorliegenden Struktur
umfassen. Die notwendigen Wasseranteile beziehen sich auf Treibmittel,
das durch externe Mittel wie zum Beispiel Injektion in einen Extruder,
ein Rührwerk
oder eine Mischmaschine und nicht wie im Stand der Technik durch
wasserführende
oder wassererzeugende Feststoffe, die in die Kunststoff- bzw. Polymerschmelze
aufgenommen werden, als Flüssigkeit
oder Gas (einschließlich
Dampf) direkt in die Kunststoff- bzw. Polymerschmelze aufgenommen
wird. Die Verwendung korrekter Anteile von Wasser in dem Treibmittel,
das der Polymerschmelze von außen
als Flüssigkeit
oder Gas zugesetzt wird, und die richtige Wahl der Schäumtemperatur
führen
zu einer Schaumstruktur mit der gewünschten bimodalen Zellgrößenverteilung
mit Nadelstichporen. Die vorliegende Erfindung läßt auch die Aufnahme wasserführender
oder wassererzeugender Feststoffe in die Polymerschmelze zu, aber
mit Hilfe solcher Feststoffe aufgenommenes Wasser gilt nicht als
entscheidend für
die Bildung von Nadelstichporen; mit Hilfe solcher Feststoffe aufgenommenes
Wasser wird also bei der Berechnung der korrekten Wasseranteile
der als Flüssigkeit
oder Gas in die Polymerschmelze aufgenommenen Treibmittel nicht
berücksichtigt. Mit
der richtigen Wahl der Schäumtemperatur
wird eine feine, homogene Verteilung von Wasser in dem schäumbaren
Gel sichergestellt.
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Wenngleich
es sich bei dem hierin gelehrten bevorzugten Verfahren zur Herstellung
der verschiedenen Schaumstrukturen um ein Extrusionsverfahren handelt,
versteht es sich, daß die
Strukturen durch Aufschäumen
von Granulat gebildet werden können,
aus dem zum Zeitpunkt des Aufschäumens
verschieden geformte Strukturen geformt werden können. Aus geformtem, schaumfähigem Granulat
gebildete Isolierplatten werden allgemein als Popcorn-Schaumstoffplatten
(Bead Board) bezeichnet.
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Die
verschiedenen Schaumstrukturen können
zum Isolieren einer Oberfläche
verwendet werden, indem sie in Form von Platten hergestellt und
auf die Oberfläche
aufgebracht werden. Solche Platten sind nützlich bei allen herkömmlichen
Isolieranwendungen wie zum Beispiel beim Dachdecken, für Gebäude und
für Kühlschränke.
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Die
verschiedenen Schaumstrukturen können
zu einer Vielzahl einzelner Schaumstoffpartikel für herkömmliche
Polster- und Verpackungsanwendungen als lose Schüttung geformt werden.
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Es
folgen nun Beispiele der vorliegenden Erfindung, die nicht als einschränkend zu
verstehen sind. Wenn nicht anders angegeben, sind alle Prozentsätze, Teile
oder Anteile gewichtsmäßig zu verstehen.
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BEISPIELE
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Beispiel 1
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Eine
bimodale Schaumstruktur mit Nadelstichporen gemäß der vorliegenden Erfindung
wurde hergestellt und auf ihr Wärmeisolierungsvermögen (R-Wert)
und ihre mechanische Reaktion im Kompressions- und Biegemodus untersucht.
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Allzweckpolystyrolharz
mit einem durch Größenausschlußchromatographie
ermittelten Molekulargewicht von 200.000 und weitere Zusätze zum
Steuern der Verarbeitung und der Keimbildung wurden in einen Extruder
von 2 1/2 Inch (6,4 cm) eingespeist und mit einer Treibmittelmischung
innig vermischt, um ein schäumbares
Gel zu bilden. Bei dem Treibmittel handelte es sich um eine Mischung
von 4 Teilen auf Einhundert (pph) Kohlendioxid und 0,5 pph Wasser
bezogen auf das Harzgewicht. Das Gel wurde auf eine Schäumtemperatur
von 127°C
abgekühlt
und durch eine Düse
extrudiert, um den Polystyrolschaum zu bilden. In den Tabellen sind
die gemessenen physikalischen Eigenschaften des Schaumstoffs und
die mechanischen Tests zusammengefaßt. Der R-Wert wurde gemäß ASTM C518-85
gemessen. Die Konzentration der Zusätze betrug 0,05 pph Talkum,
0,05 pph Calciumstearat, 0,05 pph Magnesiumoxid, 0,1 pph Polyethylen
und 0,01 pph blauer Farbstoff, bezogen auf das Gewicht des Harzes.
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Die
Tests zur Druckfestigkeit wurden nach den Verfahren von ASTM D 1621-79
durchgeführt,
und die Biegeversuche wurden nach ASTM C 20391 vorgenommen. Die
Messungen wurden auf einem Materialprüfungssystem vom Typ Instron
4204 durchgeführt.
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Die
Zellmorphologie der Schaumstruktur war bimodal, eine Verteilung
von Primär- und Sekundärzellen.
Nadelstichporen waren in Zellwänden
eines Teils der Primärzellen
vorhanden.
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Die
Ergebnisse der mechanischen Tests zeigten einen verbesserten Grad
der Biegsamkeit und Zähigkeit,
wie er bei bimodalen Schaumstrukturen normalerweise nicht zu sehen
ist. Diese Verbesserung war auf das Vorhandensein von Nadelstichporen
in der Zellstruktur der Schaumstruktur zurückzuführen. Tabelle
A Physikalische
Eigenschaften der Schaumstruktur
Tabelle
B Ergebnisse
der mechanischen Tests der Schaumstruktur
- σY
- ist die Reißspannung.
- εY
- ist die Reißdehnung.
- EY
- ist der Modul im Kompressionsmodus.
- T
- ist die Zähigkeit
des Schaumstoffs bis zur Bruchgrenze.
- σP
- ist die Spannung am
Maximum der Biegespannungs-Dehnungs-Kurve.
- εP
- ist die Dehnung bei
der maximalen Spannung.
- EF
- ist der Modul im Biegemodus.
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In
den Beispielen 2 und 3 wurden bimodale Schaumstrukturen mit Kohleschwarz
gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt.
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Beispiel 2
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Schaumstrukturen
wurden mit einer Vorrichtung hergestellt, bei der ein Extruder von
2 1/2 Inch (6,4 cm), eine Mischvorrichtung, eine Kühlvorrichtung
und eine Düse
hintereinandergeschaltet waren. Polystyrolharz mit einem durch Größenausschlußchromatographie
ermittelten Molekulargewicht von 200.000 wurde zusammen mit 10 Prozent
Kohleschwarz, 0,05 pph Magnesiumoxid, 0,05 pph Calciumstearat und
1,0 pph Hexabromcyclododecan dem Extruder zugeführt, um eine Polymerschmelze
zu bilden. Eine Mischung von 1,5 pph Wasser und 4 pph Kohlendioxid
wurde der Polymerschmelze in der Mischvorrichtung zugegeben, um
ein schäumbares
Gel zu bilden. Das schäumbare
Gel wurde auf 125°C
abgekühlt
und durch die Düse
extrudiert und zwischen im wesentlichen parallelen Formungsplatten
aufgeschäumt.
Der Düsendruck
betrug 1100 psig (7,6 Mpa). Die Schaumstruktur hatte 0,2 Millimeter
(mm) große
Primärzellen
und eine Dichte von 2,3 pcf (36 kg/m3).
Der Schaumstoff hatte eine bimodale Zellstruktur mit Sekundärzellen
in den Verstrebungen und Zellwänden,
wobei die Sekundärzellen
ein Fünftel
der Größe der Primärzellen
hatten. Ferner hatte die Schaumstruktur Nadelstichporen zwischen
Schaumstoffzellen und dem Inneren des Schaumstoffs. Nadelstichporen waren
in einer Zahl zwischen 1 Prozent und 30 Prozent der Zellen vorhanden.
Der K-Faktor bzw. die Wärmeleitfähigkeit
des Schaumstoffs nach einer Alterung von 180 Tagen betrug 0,202
Btu-in/F°-ft2-hr (0,0291 W/m.K.)).
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Beispiel 3
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Unter
Verwendung der Vorrichtung und des Verfahrens von Beispiel 2 wurden
7 Gew.-% Kohleschwarz, 0,05 pph Calciumstearat, 0,05 pph Magnesiumoxid
und 0,2 pph lineares Polyethylen niedriger Dichte auf hundert Teile
Polystyrolharz (Dichte = 0,915–0,93
g/cm3; Schmelzindex 2,0–2,5) in dem Extruder gemischt, um
eine Polymerschmelze zu bilden. Eine Treibmittelmischung von 0,5
pph Wasser und 4 pph Kohlendioxid wurde der Polymerschmelze zugegeben,
um ein schäumbares
Gel zu bilden. Das schäumbare
Gel wurde auf 128°C
gekühlt
und durch eine Düse
zwischen parallelen Formungsplatten auf Atmosphärendruck aufgeschäumt. Der
Düsendruck
betrug 1200 psig (8,3 MPa). Die Schaumstruktur hatte eine bimodale
Zellverteilung mit einer Durchschnittsgröße der Primärzellen von 0,22 mm. Die Schaumstruktur
hatte innen verbundene Nadelstichporen zwischen Zellen und Sekundärzellen
in den Verstrebungen und Zellwänden.
Nadelstichporen waren in einer Menge zwischen 1 Prozent und 30 Prozent
der Zellen vorhanden. Die Dichte der Schaumstruktur betrug 3,2 pcf
(51 kg/m3) (mit Häuten). Der K-Faktor (Btu-in/F°-ft2-hr) nach einer Alterung von 3 Tagen betrug
0,212 (0,0306 W/(m.K)), was einem R/inch von 4,7 entsprach (32 (m.K)/W;
R/cm = 13 (m.K)/W)).
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Beispiele 6–11
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Kleinzellige
Schaumstrukturen wurden nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung
unter Verwendung eines Extruders mit einem Durchmesser von 2 Inch
(6,1 cm) hergestellt, der einen Kreiselmischer speist. Der Austrag
des Kreiselmischers wurde durch drei Wärmetauscher geleitet. Der Austrag
aus den Wärmetauschern
wurde wiederum durch mehrere Grenzflächengeneratoren oder statische
Mischer geleitet. Der Austrag aus den statischen Mischern wurde
zu einer Schlitzdüse
geleitet. Schaum wurde mit einer Geschwindigkeit von 60 kg/h (130
lbs. pro Stunde) aus der Schlitzdüse ausgeleitet. Kleinzellige
Schaumstoffe mit verschiedenen Mengen Wasser in der Treibmittelmischung
wurden gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt. Die Zusammensetzungen jeder Schaumstoffprobe
und die jeweiligen Treibmittelanteile sind in Tabelle C aufgeführt. Die
Ergebnisse der Auswertung der kleinzelligen Schaumstoffe sind in
der nachstehenden Tabelle D angegeben.
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Vergleichsbeispiele 6–9
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Schaumstoffproben
(Vergleichsbeispiele 6–9)
wurden nach dem Verfahren der Beispiele 6–11 hergestellt, nur daß Wasser
aus dem Treibmittel weggelassen wurde. Die anderen Bestandteile
der Treibmittelmischung sind in der nachstehenden Tabelle C angegeben.
Die Ergebnisse der Schaumstoffauswertung sind in der nachstehenden
Tabelle D angegeben.
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Wie
aus den in Tabelle D aufgeführten
Daten ohne weiteres ersichtlich ist, zeigen die kleinzelligen Schaumstoffe
der vorliegenden Erfindung, die mit einer Treibmittelmischung aus
CO2, Ethanol und Wasser hergestellt wurden,
eine verbesserte Hautqualität
und ein verbessertes Aussehen der Oberfläche. Ferner geht aus einem
Vergleich des in Beispiel 8 hergestellten Schaumstoffs mit dem in
Vergleichsbeispiel 7 hergestellten Schaumstoff, die beide mit derselben
Menge Kohlendioxid in der Treibmittelmischung hergestellt wurden,
eindeutig hervor, daß der
Schaumstoff aufgrund der Aufnahme von Wasser in die Treibmittelmischung
(Beispiel 8) nicht nur eine verbesserte Hautqualität zeigt,
sondern auch eine niedrigere Dichte hat als der ohne Beisein von
Wasser hergestellte Schaumstoff (Vergleichsbeispiel 7).
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Beispiele 12 und 13
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Großzellige
alkenylaromatische Polymerschaumstrukturen wurden mit verschiedenen
Mengen Wasser in der Treibmittelmischung gemäß der vorliegenden Erfindung
unter Verwendung derselben Verfahrensweise und derselben Art von
Geräten
wie in Beispiel 6–11
beschrieben hergestellt. Der großzellige Schaumstoff wurde
mit einer Geschwindigkeit von 200 lbs./Stunde (91 kg/h) aus der
Schlitzdüse
ausgestoßen.
Die Zusammensetzungen jeder Schaumstoffprobe und die jeweiligen
Treibmittelanteile sind in Tabelle E aufgeführt. Die Ergebnisse der Auswertung
der großzelligen
Schaumstoffe sind in der nachstehenden Tabelle F angegeben.
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Vergleichsbeispiele 12
und 13
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Schaumstrukturen
12 und 13 wurden nach dem Verfahren von Beispiel 12 und 13 hergestellt,
nur daß hier
die Alkohol- oder Wasserkomponente weggelassen wurde. Die anderen
Komponenten der Treibmittelmischung sind in der nachstehenden Tabelle
E angegeben. Die Ergebnisse der Schaumstoffauswertung sind in der
nachstehenden Tabelle F angegeben.
Tabelle
F – Eigenschaften
großzelliger
Schaumstoffe
- * kein Beispiel der Erfindung
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Die
Daten in Tabelle F zeigen, daß die
Zellgröße der mit
einer Treibmittelmischung gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Schaumstoffe (Beispiele 12 und 13) um 70
Prozent oder mehr gesteigert werden kann gegenüber den in den Vergleichsbeispielen
12 und 13 hergestellten Schaumstoffen, wo entweder Ethanol oder
Wasser aus der Treibmittelmischung wegglassen wurde.
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Es
wurden zwar Ausführungsformen
der Schaumstrukturen der vorliegenden Erfindung und Verfahren zu
ihrer Herstellung anhand spezifischer Einzelheiten dargestellt,
doch versteht es sich, daß die
vorliegende Erfindung je nach dem Herstellungsverfahren und den
gewünschten
physikalischen Eigenschaften durch verschiedene Änderungen modifiziert werden
kann, wobei sie dann immer noch mehr oder weniger im Rahmen der
hierin dargelegten neuen Lehren und Prinzipien liegt.
