DE69906478T2

DE69906478T2 - Verfahren zum herstellen von polyurethanschaum

Info

Publication number: DE69906478T2
Application number: DE69906478T
Authority: DE
Inventors: James Brian Blackwell; John James Blackwell; Stephen William Blackwell; Geoffrey Buckley
Original assignee: Beamech Group Ltd
Current assignee: Beamech Group Ltd
Priority date: 1998-01-09
Filing date: 1999-01-08
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2019-01-09
Also published as: EP1045753A1; US6326413B1; WO1999034965A1; AU1977599A; DE69906478D1; EP1045753B1

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Polyurethanschaum und besonders ein Apparat und Verfahren für die kontinuierliche und nicht kontinuierliche Herstellung von Polyurethanschaum unter Verwendung eines Gases als das Hilfstreibmittel.
Die Herstellung von Polyurethanschäumen erfordert herkömmlicherweise das Mischen mehrerer Komponenten, welche zum Bilden einer geschäumten Masse härten. Die Komponenten schließen typischerweise ein Polyol, ein Isocyanat, einen Katalysator oder Katalysatoren, ein oberflächenaktives Mittel, Aktivatoren und Wasser ein. Wenn diese Komponenten in den richtigen Proportionen zusammengemischt werden, reagiert das Wasser mit dem Isocyanat zur Bildung von Kohlendioxid zur Expansion des Polyurethans.
Durch Abgabe einer Schicht des Gemischs auf ein sich bewegendes Förderband (mit einer beweglichen Basis und verstellbaren gegenüberliegenden Seitenwänden) reagieren die Komponenten des Gemischs und führen kontinuierlich einen Polymerschaumblock herbei.
In jüngerer Zeit hat die kontinuierliche Herstellung von Schäumen niedriger Dichte und Weichschäumen hoher Dichte die Verwendung einer relativ inerten Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt beinhaltet, die unter Druck in einem flüssigen Zustand mit den anderen chemischen Komponenten gemischt wird, um eine Hilfstreib-/Schäumungswirkung an dem Gemisch vorzusehen, bevor das Gemisch durch Bildung von Kohlendioxid aus der Isocyanat/Wasser-Reaktion expandiert. Das Gemisch wird auf das Förderband abgegeben, und die verdampfte Flüssigkeit von niedrigem Siedepunkt expandiert das Reaktionsgemisch, welches dann anschließend durch die chemische Bildung von Kohlendioxid aus dem Reaktionsgemisch zur Bildung eines Polymerschaumes expandiert.
Zuvor haben geeignete Treib-/Schaummittel verschiedene Chlorfluorkohlenstoffe (CFK) enthalten. Obwohl CFK die gewünschte Trägheit und einen relativ niedrigen Siedepunkt aufweisen, wurde ihre Verwendung in jüngerer Zeit aus umweltrelevanten Überlegungen entmutigt, da angenommen wird, dass CFK zum Abbau der Ozonschicht beitragen. Ein geeigneter Ersatz für CFK ist Kohlendioxid, da Kohlendioxid jedoch bei einer viel niedrigeren Temperatur verdampft als CFK und in der Tat unter Druck gesetzt werden muss, um als eine Flüssigkeit zu existieren, mussten relativ hohe Drücke im gesamten Apparat und während des gesamten Verfahrens aufrechterhalten werden.
Sofern die Expansion des Kohlendioxids jedoch nicht unter kontrollierten Bedingungen auftritt, kann etwas von ihm verloren gehen und die Effizienz der Schaumexpansion wird reduziert, und es könnte ein Schaum von schlechter Qualität mit ungleichmäßiger Zellstruktur und Fehlstellen oder "Pinholes" herbeigeführt werden.
Der in EP-A-0645226 beschriebene Apparat versucht, das Reaktionsgemisch unter kontrollierten Bedingungen durch Abgabe des Gemischs durch eine längliche Druckabfallzone zur Initiierung von Schäumung, Fließen des Schäumungsgemischs entlang einer Schäumungskavität und durch eine Auslassöffnung und anschließend Abgabe des Schäumungsgemischs auf ein Substrat abzugeben. Sie offenbart auch, dass relativ große Mengen von Nukleierungsgasen zugefügt werden, um die Bläschenbildung zu unterstützen.
In dem veröffentlichten WO-A-9600644 und WO-A-9602377 wird vorgeschlagen, ein homogenes schäumbares reaktives Einphasen-Gemisch, das aufgelöstes flüssiges CO&sub2; enthält, in einer großen Anzahl individueller Ströme bei Scherraten über 500 pro Sekunde zu expandieren.
Das "reaktive Gemisch", das in den offenbarten Verfahren verwendet und sowohl in WO-A9600644 als auch WO-A-9602377 beansprucht wird, wird wie folgt erhalten: unter Verwendung von mindestens zwei reaktiven Komponenten und Kohlendioxid als Expandiermittel durch Mischen von mindestens einer der reaktiven Komponenten mit Kohlendioxid unter Druck, wodurch ein Gemisch herbeigeführt wird, das flüssiges Kohlendioxid enthält und anschließendes Mischen des resultierenden Gemischs mit den anderen reaktiven Komponenten zur Bildung des homogenen schäumbaren reaktiven Einphasen-Gemischs. Die letzteren sequenziellen Mischschritte werden in der Regel in einem konventionellen statischen Mischer bzw. einem Mischtrommelkopf durchgeführt. Wie weithin bekannt ist, inkorporieren konventionelle "statische Mischer" eine Vielzahl abgewinkelter Schaufeln, die in einer Innenkammer dergestalt angeordnet sind, dass sie Turbulenz und Mischen von dort hindurch geleiteten, einen Bestandteil bildenden Flüssigkeiten fördern.
Folglich basieren das Verfahren und der Apparat von EP-A-0645226, WO-A-9600644 und WO-A-9602377 alle auf einem Dreistufenverfahren von:
(1) Vormischen unter Druck von mindestens einem der Reaktionsteilnehmer und flüssigem CO&sub2;;
(2) Mischen der Komponente, welche das flüssige Kohlendioxid enthält, mit den weiteren reaktiven Komponenten oder mit der zweiten reaktiven Komponente unter Druck; und dann
(3) Durchleiten der gemischten homogenen reaktiven Einzelphasen-Komponenten, die das flüssige CO&sub2; enthalten, durch eine druckreduzierende Vorrichtung.
Die letzteren Systeme verlassen sich alle darauf, dass sie vollständig gemischte homogene "reaktive Einphasen-Gemische" oberstromig von dem/den feinmaschige(n) Sieb(en) oder der Siebpackung aufweisen, da ein unzureichendes oder unzureichend gleichmäßiges Mischen in den Sieböffnungen selbst stattfindet.
Andere Verfahren unter Verwendung von flüssigem CO&sub2; erfordern das Zufügen einer höheren als normalen Menge von ergänzenden Nukleierungsgasen. Wir haben entdeckt, dass die Verwendung unseres hierin nachstehend beschriebenen permeablen Austragkopfes diese ergänzenden Nukleierungsgase größtenteils eliminiert.
Es wurden zahlreiche Patente über die Verwendung von flüssigem CO&sub2; in Polyurethanschaum erteilt. US-A-4906,672 verweist auf Verfahren des Zufügens und Auflösens von gasförmigem CO&sub2; unter Druck zu den schäumenden Reaktionsteilnehmern, aber offenbart kein Verfahren zur Kontrolle der endgültigen Druckreduktion und Expansion.
Die Probleme des Verarbeitens mit einer nicht homogenen Kombination von Schaum-Reaktionsteilnehmern und CO&sub2; vor der Austragvorrichtung werden in WO-A-9600644 beschrieben. Die durch dieses Patent abgedeckte Austragvorrichtung erfordert, "dass noch immer keine Bildung von Gasbläschen vor der Passage durch das Sieb auftritt".
Die veröffentlichten WO-A-9600644, US-A-3,108,976 und US-A-3,256,218 schlagen alle die Verwendung von mehreren flachen perforierten Platten für den Zweck des Erreichens des endgültigen Austrags von das Treibmittel enthaltenden Schaum-Reaktionsteilnehmern unter kontrolliertem Druck und kontrollierter Zellexpansion vor. WO-A-9600644 verweist auf die Verwendung von Kohlendioxid in der Flüssigphase, während US-A-3,108,976 und US-A-3,256,218 auf CO&sub2; sowohl in der gasförmigen als auch der flüssigen Phase verweisen. Aus dem in WO-A-9600644 gegebenen Grund ist bei Verwendung der bekannten mehreren flachen perforierten Platten in der Austragvorrichtung die Qualität des herbeigeführten Schaumes von keiner gewerblich akzeptierbaren Qualität, sofern kein homogenes Gemisch, d. h. ein in einem (flüssigen) Einphasen-Zustand vorhandenes Gemisch aus Schaum-Reaktionsteilnehmern und Kohlendioxid vor der Passage durch die Austragvorrichtung vorliegt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren vorzusehen, das unter Verwendung eines gasförmigen Hilfstreibmittels, besonders gasförmigem CO&sub2;, einen guten Polyurethanschaum ergibt.
In unserer eigenen früheren Veröffentlichung von WO-A-9702938 ist ein Verfahren und Apparat zum Herstellen von Polyurethanschaum beschrieben, worin reaktive Schaumkomponenten und ein Schaummittel von niedrigem Siedepunkt unter ausreichendem Druck zusammengebracht werden, um das Schaummittel in einem flüssigen Zustand aufrechtzuerhalten, und dann durch einen permeablen Austragkopf zu leiten, aus dem das sich ergebende Gemisch ausgetragen wird, wobei der Druck reduziert und Schaum gebildet wird, wobei der permeable Austragkopf mindestens ein Diffusorelement mit einer Struktur umfasst, welche Strömungspfade in drei Dimensionen in der Axialdicke des Diffusor-Elementes wiederholt aufteilt und mischt, die in der Richtung des Stromes dort hindurch berücksichtigt wird, wobei das Diffusorelement zwei oder mehr Drahtgewebeschichten umfasst, die dergestalt zusammengesintert wurden, dass Kontaktpunkte der Maschengewebeschichten durch das Sinterverfahren zusammengeschweißt werden.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass die Verwendung unseres speziellen permeablen Austragkopfes in der Form von mehren individuellen Drahtgeweben, die zur Bildung von mindestens einem Verbundelement zusammengesintert werden, welches die Ströme wiederholt mischt, wenn sie dort hindurch passieren, die Herstellung eines Schaumes guter Qualität ermöglicht, wenn die Schaumkomponenten und das gasförmige CO&sub2; Treibmittel so angeordnet sind, damit sie vor der Expansion immer in einem nicht homogenen Zustand bleiben. Dies bedeutet deshalb, dass es nicht notwendig ist, das vollständige Auflösen des gasförmigen CO&sub2; sicherzustellen (d. h. es ist nicht notwendig, vor der Expansion ein homogenes Gemisch zu haben oder zu erreichen), und das CO&sub2; kann nur eine kleine Distanz von dem Austragkopf entfernt eingebracht werden, was nur einer kurzen Zeit entspricht, bevor es den Austragkopf erreicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung in ihrem breitesten Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung von Polyurethanschaum vorgesehen, das Folgendes umfasst: Zusammenbringen unter Druck einer reaktiven Schaumkomponente oder mehrerer reaktiver Schaumkomponenten und eines gasförmigen, nicht reaktiven Hilfstreibmittels und Austragen der Kombination durch einen permeablen Austragkopf in der Form mehrerer individueller Drahtgewebe, die zur Bildung von mindestens einem Verbundelement zusammengesintert sind, welches die Kombination in mehrere Ströme aufteilt und die Ströme wiederholt mischt, wenn sie dort hindurch passieren, und an welchem der Druck zur Bildung eines Schaumes, der zu einer geschäumten Masse härtet, reduziert ist. Die Kombination der Schaumkomponenten und des gasförmigen Hilfstreibmittels ist bevorzugt dergestalt angeordnet, dass sie sich vor der Passage durch den Austragkopf in einem nicht homogenen Zustand befindet.
Das Hilfstreibmittel ist bevorzugt gasförmiges CO&sub2;, es könnte aber andere nicht reaktive Gase, wie zum Beispiel Luft, Stickstoff oder eine nicht reaktive flüchtige Verbindung mit niedrigem Siedepunkt sein.
Die Schaumkomponenten und das Hilfstreibmittel werden vorteilhafterweise oberstromig von dem Austragkopf der Zerkleinerung dergestalt unterworfen, dass einzelne in der Kombination vorliegende Gasbläschen größenmäßig reduziert werden.
Die Struktur des Austragkopfes ist bevorzugt dergestalt, dass sie wiederholte Teilung, Divergenz, Konvergenz, Richtungsänderung und Zusammenstoß der einzelnen Ströme mit dem gesinterten Drahtgewebe und den Strömen durch benachbarte Poren in drei Dimensionen in ihren axialen Dicken, die in der Richtung des Stromes dort hindurch berücksichtigt werden, erforderlich macht.
Im Gegensatz zu den oben beschriebenen bekannten Verfahren unter Verwendung von Kohlendioxid als das Treibmittel ermöglichen das vorliegende Verfahren und das Austragsystem deshalb die Verwendung eines nicht homogenen Gemischs aus Schaum-Reaktionsmitteln und CO&sub2; vor der Austragvorrichtung.
Es gibt zahlreiche Vorteile, indem man dazu fähig ist, gasförmiges Kohlendioxid als das Hilfstreibmittel zu verwenden, einschließlich:
(a) Die für flüssiges Kohlendioxid erforderliche Ausrüstung bei hohem Druck und niedriger Temperatur ist nicht erforderlich.
(b) Die gasförmiges CO&sub2; enthaltenden Gefäße können bei Umgebungstemperaturen gelagert werden.
(c) Ein technisch fortschrittliches Dosiersystem für CO&sub2; bei hohem Druck/niedriger Temperatur kann vermieden werden.
(d) Das Polyol- oder Polyolmischungssystem kann bei erheblich niedrigeren Drücken dosiert werden.
(e) Die für flüssiges Kohlendioxid erforderliche Notwendigkeit, Gefäße und Verteiler isolieren zu müssen, wird vermieden.
(f) Für flüssiges CO&sub2; notwendige Kühleinheiten sind für die Lagerung von gasförmigem CO&sub2; nicht erforderlich.
Wie hierin verwendet, bedeutet die Phrase "ein nicht homogener Zustand" in Bezug auf eine Kombination aus Schaumkomponenten und "gasförmigem Hilfstreibmittel", dass Gasbläschen in der Kombination vorliegen.
Die Kombination aus Schaumkomponenten und CO&sub2;-Hilfstreibmittel wird vorteilhafterweise oberstromig von dem Austragkopf der Zerkleinerung dergestalt unterwerfen, dass einzelne in der Kombination vorliegende Gasbläschen größenmäßig reduziert werden.
Die Zerkleinerung kann zum Beispiel mittels Durchleiten der Kombination aus den Schaumkomponenten und CO&sub2; durch einen mechanischen Rührer, eine Mischtrommel, einen statischen Mischer oder eine perforierte Platte erreicht werden.
In einigen Ausführungsformen wird bevorzugt, das CO&sub2; durch ein poröses Septum in eine der Schaumkomponenten, gewöhnlich Polyol, zu spülen. In der Regel weist das poröse Septum eine Porengröße in dem Bereich von 0,1 bis 30 Mikron auf Das gasförmige CO&sub2; Hilfstreibmittel wird vorteilhafterweise bei einem Druck unter dem, der erforderlich ist, um es bei der Temperatur des Verfahrens in der Flüssigphase zu halten, eingeführt.
Die Schaumkomponenten sind gewöhnlich reaktive Komponenten und können ein oberflächenaktives Mittel einschließen, in welchem Fall es für das oberflächenaktive Mittel vorteilhaft sein kann, vor dem CO&sub2; in eine reaktive Komponente der Schaumkomponenten eingeführt zu werden.
In einigen Ausführungsformen können die Schaumkomponenten und das gasförmige CO&sub2;-Hilfstreibmittel zusammen in einen gemeinsamen Verteiler gebracht werden.
Die Geschwindigkeit des Schaumes am Austritt aus dem Austragkopf wird vorteilhafterweise gemäß der Darcy-Formel dergestalt angepasst, um eine glatte und laminare Strömung zu erzielen.
In einigen Ausführungsformen kann aus dem permeablen Austragkopf austretender Schaum in einen Schaumkörper mit einem im Wesentlichen runden Querschnitt geformt werden.
In bevorzugtem Apparat zum Durchführen des vorstehenden erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Permeabilitätskoeffizient von mindestens einem genannten Verbundelement so angeordnet, dass er in dem Bereich von 1 · 10~ bis 200 · 10&supmin;&sup6; cgs-Einheiten liegt.
Die Dicke von genanntem mindestens einem Verbundelement liegt bevorzugt in dem Bereich von 0,4 bis 25 mm.
Genanntes mindestens eine Verbundelement weist im Wesentlichen bevorzugt eine gleichmäßige Porengröße und Tortuosität auf.
Die einzelnen Drahtgewebe, die genanntes mindestens eine Verbundelement bilden, können die gleichen oder unterschiedliche Porengrößen haben.
In einigen Ausführungsformen kann genanntes mindestens eine Verbundelement zwei oder mehr Tressengewebe oder jedwede Variation von Tressengewebe, einschließlich in glatter, Köper-, doppelter und umgekehrter Bindung umfassen.
In einigen anderen Ausführungsformen kann genanntes mindestens eine Verbundelement zwei oder mehr Tressengewebe und mindestens ein Gewebe in glatter Bindung umfassen.
Einige Ausführungsformen können einen gemeinsamen Verteiler einschließen, der mit dem Austragkopf verbunden ist und in den alle Komponenten des Schaumes unter Druck eingespeist werden.
Das Austraggemisch aus dem permeablen Austragkopf wird vorteilhafterweise auf eine transversale Platte abgegeben, die bei einem Winkel zwischen 20º und 70º zu der Horizontalen liegt.
Es wird bevorzugt, dass die Querschnittsfläche, Porengröße und der Permeabilitätskoeffizient von genanntem mindestens einem Verbundelement ausgewählt werden, um einen Gegendruck vor dem Verbundelement in dem Bereich von 0,5 bis 80 bar aufrechtzuerhalten.
Der permeable Austragkopf umfasst vorteilhafterweise, aber nicht ausschließlich, ein einzelnes genanntes Verbundelement, das so angeordnet ist, um ausreichend stark zu sein, um die erforderliche Druckreduktion in einem einzelnen Durchgang dort hindurch zu erlauben.
Die Verwendung eines Austragkopfes der vorliegenden Charakteristika ermöglicht, dass die in den Schaumkomponenten enthaltene Druckenergie gleichmäßig über den gesamten Strömungsquerschnitt des Elementes verwendet werden kann, um Mischen der Schaumkomponenten bei ihrer Passage durch das Verbundelement zu erhalten. Innerhalb der Gesamtdicke von jedwedem dünnen einzelnen Vorrichtungselement (das so klein wie 1,3 mm sein kann) prallt jeder einzelne Flowstrom bevorzugt mindestens sechsmal an den Strängen des gesinterten Drahtgewebes wie auch dem ähnlichen Strom durch benachbarte Poren auf und ändert mit jedem Aufprall die Richtung. Die Richtungsänderung und der Aufprall setzen die Energie frei, die für den für das Verfahren benötigten sehr hohen Nukleierungsgrad erforderlich ist. Es wurde gefunden, dass es nicht notwendig ist, ergänzende Nukleierungsgase zuzufügen, die für perforierte Platten erforderlich sind.
In einigen Ausführungsformen werden reaktive Schaumkomponenten und ein gasförmiges CO&sub2;-Hilfstreibmittel durch den permeablen Austragkopf geleitet, die unter Druck und ohne Vormischen zusammengebracht werden.
Der vorliegende Austragkopf ermöglicht das Vorsehen eines äußerst kontrollierten Druckabfalls und ermöglicht dadurch die Herstellung von Schaum von gleichbleibend hoher Qualität mit einer verbesserten Zellstruktur.
Der gesinterte Drahtgewebeverbundstoff, der in allen den vorstehenden Aspekten der vorliegenden Erfindung verwendet wird, mischt wiederholt die Ströme, wenn sie durch das einzelne Verbundelement oder die einzelnen Verbundelemente passieren. Die Druckenergie in den Reaktionsteilnehmern wird vorteilhafterweise verwendet, um Mischen beim Passieren durch den gewundenen dreidimensionalen Pfad des permeablen Elementes bereitzustellen.
Das Verfahren zum Erreichen des notwendigen Mischungsgrades und der Tortuosität des permeablen Austragkopfes erfolgt durch die Lamination und das Zusammensintern mehrerer Schichten bestimmter Drahtgewebetypen.
Das Diffusorelement sollte bevorzugt Kombinationen der folgenden distinkten Charakteristika aufweisen: Porengrößenkontrolle, Gleichmäßigkeit der Permeabilität, des Mischens und der Tortuosität, Festigkeit und im Wesentlichen Blockierungsfreiheit.
Porengrößenkontrolle kann durch eine glatte Bindung, d. h. eine Bindung von Drähten gleichen Durchmessers in sowohl Ketten- (Warp) als auch Schussdrähten (Weft) und in einem im Wesentlichen "quadratischen" Muster gewebt, ohne weiteres und genau vorgesehen werden. Ein einzelnes derartiges Maschengewebe würde eine gute Aufteilung in die erforderliche Anzahl von Strömen vorsehen. Es wäre jedoch gewöhnlich für die vorliegenden Zwecke nicht zufriedenstellend, weil es nicht die Mischung/Tortuosität geben würde, die erforderlich ist, und es könnte eine zu hohe Permeabilität aufweisen. Ein Gleichgewicht zwischen Strömungsrate, Porengröße, Viskosität und Druckabfall wäre deshalb für die Herstellung guter Schäume ohne Vormischen nicht erreichbar. Andere Bindungstypen, die entweder zusammen miteinander oder zusammen mit einer glatten Bindung verwendet werden, um die für die Herstellung von gutem Schaum erforderlichen Charakteristika zu geben, wurden als nützlich befunden.
Eine geeignete Bindung ist das Tressengewebe in glatter Bindung, in dem die Drähte in einer Richtung im Wesentlichen größer sind als die in rechten Winkeln verwendeten Drähte. Das Charakteristikum dieser Bindung besteht darin, dass der größere Draht gerade und ausgerichtet bleibt, während der kleinere Draht über und unter den größeren Draht gewoben wird. Das Tressengewebe in glatter Bindung sieht einen viel gewundeneren Strömungspfad als die glatte Bindung vor, weil der Eintrittsstrom durch eine rechteckige Öffnung unterteilt wird, um bei 90ºdurch zwei kleinere dreieckige (oder schräge dreieckige) Öffnungen zu passieren, bevor er wieder bei 90º durch eine rechteckige Austragöffnung passiert, alles in einer Dicke des einzelnen Maschengewebes.
Eine weitere Variation des Bindungsmusters ist das Tressengewebe in Köperbindung, worin die kleineren Drähte unter und über zwei der großen Drähte verlaufen. Diese Bindung sieht einen noch gewundeneren Pfad mit folglich mehr Mischen, Aufprallen und Richtungsänderung vor.
Es gibt viele andere Variationen von Bindungsmustern, die verwendet werden können, wie zum Beispiel Tressengewebe in Doppelköperbindung, bei dem es sich um ein sehr dicht gewebtes Muster handelt.
Es wurde gefunden, dass zur Herbeiführung guter Ergebnisse bei der Herstellung von Schäumen eine gesinterte Kombination verschiedener gewebter Drahtgewebe im Allgemeinen notwendig ist. Vier der zuvor definierten Charakteristika können wie folgt erhalten werden.

1. Porengrößenkontrolle

Porengrößenkontrolle kann zum Beispiel entweder durch den Einschluss einer glatten Bindungsschicht in den gesinterten Verbundstoff oder durch Auswahl geeigneter Tressengewebeschichten vorgesehen werden. Bei der praktischen Ausführung wird in der Regel gefunden, dass der Einschluss eines Maschengewebes in glatter Bindung eine gleichmäßige Kontrolle über die Porengröße vorsieht. Es wird bevorzugt, dass dieser Bindungstyp mit anderen Bindungstypen gesintert wird.

2. Mischen und Tortuosität

Die glatte Bindung allein gibt gewöhnlich kein(e) angemessene(s) Mischen oder Tortuosität. Dies kann durch den Einschluss einer Tressengewebeschicht (die auch alle Variationen an dem Tressengewebe einschließt) vorgesehen werden.
Die Tortuosität kann, wie zuvor beschrieben, durch die Notwendigkeit der einzelnen Ströme, die Richtung zu ändern und die Energie freizusetzen, die für den von dem Verfahren geforderten hohen Nukleierungsgrad notwendig ist, vorgesehen werden. Dieses gesamte Verfahren kann mehrmals wiederholt werden, bevorzugt mehr als 4-mal, abhängig von der Anzahl und dem Typ der Tressengewebeschichten, die in den gesinterten Verbundstoff inkorporiert werden.

3. Steifheit

Es wurde gefunden, dass es in einigen Fällen, in Bezug auf die Qualität des sich ergebenden Schaumes, für die gesinterten Verbundelemente vorteilhaft sein kann, dünn zu sein und eine Gesamtdicke zwischen 0,4 und 25 mm, bevorzugt zwischen 0,5 und 3 mm aufzuweisen. Die effektive Fläche (d. h. der Durchmesser, wenn die Vorrichtung rund ist) wird relativ groß sein, um die notwendigen Strömungscharakteristika vorzusehen. Dies erfordert, dass die Vorrichtung eine sehr hohe Festigkeit und Steifheit für ein derartiges dünnes Element aufweist.
Die Steifheit kann durch die Auslegungsaspekte, die Auswahl von Bindungen, die Ausrichtung aufeinanderfolgender Laminationen in dem gesinterten Verbundstoff und die Endverarbeitung des gesinterten Verbundstoffes vorgesehen werden.
Durch Inkorporieren des Tressengewebes werden große steife Drähte mit einer viel größeren Steifheit als durch Gewebe mit glatter Bindung vorgesehen. Die Verwendung eines Tressengewebes mit einem hohen Drahtdurchmesser-Verhältnis erhöht die Steifheit noch weiter. Wenn diese Maschengewebe mit den Drähten mit großem Durchmesser bei 90º aneinander in benachbarten Schichten zusammengesintert werden, wird die Steifheit in allen Ebenen weitgehend erhöht. Die Gesamtfestigkeit des Verbundmaterials wird verbessert, indem die Tressengewebe an den äußeren Häuten des Verbundstoffes dergestalt platziert werden, dass das Trägheitsmoment des Verbundstoffes erhöht wird und die Hautspannungen (d. h. die höchsten Biegespannungen) durch die größten Drähte getragen werden.
Die Gesamtfestigkeit kann durch Formen des Verbundsinters in eine konvexe Schüsselform (in Strömungsrichtung) durch Kaltformen weiter verbessert werden. Dies hat den Effekt der Richtungsänderung der Spannungen, von rechten Winkeln zu der Ebene des Maschengewebes zu einer mehr tangentialen Spannung von reduzierter Größenordnung.

4. Blockierungsfreiheit

Mit einem gesinterten gewebten Drahtverbundstoff gibt es im Wesentlichen keine Blindpassagen.
Dieses Phänomen kann bei der Konstruktion des gesinterten Verbundstoffes durch Inkorporation einer größenmäßig geeigneten Tressengewebeschicht vor jedweder Schicht in glatter Bindung genutzt werden, wobei folglich größere Partikel vom Blockieren der Schicht in glatter Bindung abgehalten werden.
Der gesinterte Verbundstoff sieht ein System vor, wodurch die Variation der Öffnungsgröße über die gesamte Fläche in einem sehr engen Bereich kontrolliert wird. Ein weiterer Vorteil dieses dünnen gesinterten Drahtgewebes besteht darin, dass wenig oder keine Schäumung in dem Sinterelement stattfindet Der Schaum wird größtenteils nach dem Passieren durch das Sinterelement gebildet. Andere Vorrichtungen, wie zum Beispiel die in WO-A-9600644 beschriebenen, die mehrfache Siebe aufweisen oder WO-A-9602377, die eine Packungsdicke zwischen 10 und 400 mm aufweisen, können erlauben, dass während der Passage durch die Vorrichtungen Schäumung stattfindet. Dies könnte sich nachteilig auf den Schaum auswirken und die Bläschen in dem Schaum veranlassen zu koaleszieren, was wiederum Löcher in dem Schaum verursachen kann.
Die effektive Fläche von jedwedem Diffusorelement kann aus einer modifizierten Darcy-(D'Arcy)-Formel/Gleichung berechnet werden:
A = v.l.n/981 .p.t
Worin:
v = das Flüssigkeitsvolumen ist, das in ml in einer Zeit von t Sekunden fließt.
p = der Druckabfall ist, der über das Element hinweg in g/cm² ausgedrückt wird.
A = die effektive Fläche des Elements in cm² ist.
n = die absolute Viskosität in Centipoise ( = absolute Viskosität in Pa.s.10&supmin;³) ist
1 = die Dicke des Elements in cm ist.
der Permeabilitätskoeffizient (d. h. Messung des Stroms durch das Element in cgs-(cm.g.Sekunde)-Einheiten) ist.
Das oder jedes permeable Element kann auf Wunsch in ein konvexes Profil (wenn von der Austragseite angesehen) über seine effektive Fläche zur Erhöhung seiner Festigkeit geformt werden.
Das permeable Element wird vorteilhafterweise in ein konvexes Profil mit einem Verhältnis von konvexer Tiefe zu Durchmesser zwischen 1 : 4 und 1 : 20 geformt.
Das permeable Element wird vorteilhafterweise mit einem gestauchten Rand an oder in der Nähe seiner Peripherie vorgeformt, der durch zusammenpassende Formen in Dosierungsringen, die an jeder Seite festgeklemmt sind, eingespannt ist, wodurch die Retention des permeablen Elementes gegen hohe Drücke verbessert wird.
Die Erfindung wird hierin nachstehend ferner lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, worin: -
Fig. 1 eine diagrammatische Schnittansicht von einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen permeablen Austragkopfes ist;
Fig. 2-5 Beispiele von Tressengeweben zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung zeigen und
Fig. 6 eine diagrammatische Illustration einer möglichen Ausführungsform eines Schaumherstellungsapparates zum Durchführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist.
Unter Bezugnahme erstens auf Fig. 6 wird ein Beispiel eines Systems gezeigt, das die vorliegende Erfindung unter Verwendung von CO&sub2; als Hilfstreibmittel verkörpert. Der Apparat umfasst einen ersten Tank 10 zum Halten eines Polyols oder einer Polyolmischung, einer Flasche 12 zum Aufbewahren von gasförmigem Kohlendioxid, einen zweiten Tank 14 zum Halten von TDI (einem Isocyanat) und einen dritten Tank 16 zum Halten eines Zinnkatalysators. Das Polyol aus Tank 10 wird über eine Pumpe 20 an einen Block 21 dosiert, wo das gasförmige Kohlendioxid durch ein poröses Septum 22 gespült wird. Das gasförmige Kohlendioxid wird über einen Druckregler 24, einen Strömungsmesser 28, ein Rückschlagventil 29 und das poröse Septum 22 gespeist. Das Polyol und gasförmiges Kohlendioxid werden unter Druck (möglicherweise über ein Druckbegrenzungsventil 32) an eine Zerkleinerungsvorrichtung TDI (ein Isocyanat) und einen dritten Tank 16 zum Halten eines Zinnkatalysators gespeist [sic]. Das Polyol aus Tank 10 wird über eine Pumpe 20 an einen Block 21 dosiert, wo das gasförmige Kohlendioxid durch ein poröses Septum 22 gespült wird. Das gasförmige Kohlendioxid wird über einen Druckregler 24, einen Strömungsmesser 28, ein Rückschlagventil 29 und das poröse Septum 22 gespeist. Das Polyol und das gasförmige Kohlendioxid werden unter Druck (möglicherweise über ein Druckbegrenzungsventil 32) an eine Zerkleinerungsvorrichtung 34, wie zum Beispiel eine Mischtrommel gespeist, wo das Polyol und das Kohlendioxid dem Isocyanat und dem Zinnkatalysator zugefügt werden, die von den Tanks 14 bzw. 16 über Pumpen 35, 37 eingespeist werden, während die Kombination in einem nicht homogenen Zustand aufrechterhalten wird. Eine Funktion der Zerkleinerungsvorrichtung besteht darin, die Größe von in der Kombination aus den Schaumkomponenten und dem CO&sub2; Hilfstreibmittel vorliegenden Gasbläschen zu reduzieren. Dieses Gas kann andere Gase als CO&sub2; einschließen, die aus den Schaumkomponenten freigesetzt werden können oder die den Schaumkomponenten zugefügt wurden.
Die sich ergebende Kombination aus Schaumkomponenten und Hilfstreibmittel wird über eine Verbindung 40, noch unter Druck, an ein Expansionssystem in der Form eines Austragkopfes 38 gespeist, der in Fig. 1 lediglich schematisch veranschaulicht ist.
Die Polyolmischung kann Polyol, Wasser, Katalysator und Aktivatoren umfassen. Es wurde für die Stabilisierung des Schaumes und zum Vorsehen des richtigen Grades der Oberflächenspannung für die Bläschen als vorteilhaft befunden, entweder vor oder unmittelbar nach dem Injektorblock 21, ein oberflächenaktives Mittel in das Polyol zu spritzen.
Das CO&sub2; kann entweder in den Polyol- oder Polyolmischungsstrom eingeführt werden.
Wenn der Apparat von Fig. 6 verwendet wird, dosiert die Pumpe 20 nicht nur genaue Mengen des Poyols oder der Polyolmischung, sondern erhöht den Druck auf ca. 30 bar. In einigen praktischen Anwendungen ist es vorteilhaft, den Aktivator bei niedrigem Druck (ca. 2 bis 10 bar) zu dosieren, und dies kann durch Einführen der Aktivatoren vor der Polyol-Pumpe erreicht werden.
In Fig. 6 wurden Umlaufsysteme an allen Strömen, die gewöhnlich bei der praktischen Ausführung vorliegen könnten, zur Klarheit ausgelassen.
Fig. 1 ist eine diagrammatische Querschnittsansicht von einem möglichen permeablen Austragkopf für einen erfindungsgemäßen Apparat und umfasst ein im Allgemeinen glockenförmiges Gehäuse 50 mit einer Kupplung 52 an einem Ende zum Anschluss an ein Einlassrohr 54, das im Gebrauch die Schaumkomponenten und gasförmiges CO&sub2; Hilfstreibmittel trägt, die sich in Richtung A in einem nicht homogenen Zustand bewegen. Befestigt an dem unterstromigen Auslassende des Gehäuses 50 ist mindestens ein Verbundelement 56, das aus einer Anzahl einzelner scheibenförmiger Drahtgewebe konstruiert ist, die zur Bildung eines unitären Körpers zusammengesintert wurden. Das/Die Element(e) 56 wird/werden zwischen Flanschen 58a, 58b, möglicherweise mit dem Zusatz runder Abdichtungen (nicht gezeigt) festgeklemmt, um bei der Verhinderung des Stromes von Schaumkomponenten um die Peripherie des Elementes 56 herum zu helfen.
Während in der veranschaulichten Ausführungsform das Element 56 rund ist, könnte es in anderen Ausführungsformen aus verschiedenen Formen, wie zum Beispiel rechteckig sein. Wie hierin zuvor erklärt, ist das Element 56 aus gesinterten Drahtgeweben aufgebaut, die in der Regel, aber nicht unbedingt aus Metall sind.
Obgleich die Erfindung nicht auf die Verwendung derartiger Bindungen begrenzt ist, zeigen Fig. 2-5 Beispiele von Tressengeweben zur Verwendung bei der Bildung des Verbundelementes 56.
Fig. 2 zeigt eine Einzelschicht aus Tressengewebe in glatter Bindung. Fig. 3 zeigt drei Schichten aus Tressengewebe in glatter Bindung, wobei benachbarte Schichten bei 90º ausgerichtet sind. Fig. 4 ist eine Endansicht des Aufbaus von Fig. 3. Der Aufbau von Fig. 3 und 4 weist eine Verbunddicke "t" auf.
Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Anordnung zur Bildung des Verbundelementes 56, das zwei sich außen befindende Tressengewebe in glatter Bindung 60a, 60b, die bei 90º zueinander ausgerichtet sind und eine sich innen befindende glatte Bindung 62 umfasst. In dem Tressengewebe in glatter Bindung 60a verlaufen die größeren Drähte, wie gesehen, von Osten nach Westen. In dem Tressengewebe in glatter Bindung 60b verlaufen die größeren Drähte von Norden nach Süden.
Ein inhärentes Charakteristikum von gesintertem Drahtgewebeverbundstoff, wie hierin verwendet, besteht darin, das er ausgelegt und hergestellt werden kann, um einen breiten Permeabilitätsbereich bei einem konstanten Porengrößenbemessungswert zu geben. Dieses Charakteristikum kann nicht unter Verwendung gesinterter, aus Partikeln hergestellten Platten erreicht werden, wie in unserer früheren Anmeldung WO-A-9830376 besprochen wird, auf die Bezug genommen wird.
Es ist möglich, einen breiten Bereich von Permeabilitäts- versus Porengrößenkombinationen herzustellen, welcher die genaue Auswahl eines geeigneten permeablen Austragkopfes für einen breiten Bereich chemischer Formulierungen und Systemen erlaubt.
Der Vorteil der Verwendung von gesintertem Drahtgewebeverbundstoff trifft auf die Mischung/Tortuosität des Systems zu. Durch Inkorporation glatter Bindungen wird die Tortuosität reduziert und durch Inkorporation von Tressengeweben (und Variationen, wie zum Beispiel Tressengewebe in Köper- und umgekehrten Bindungen) wird die Tortuosität erhöht.
Gesinterte Drahtgewebeverbundstoffe lassen die Möglichkeit zur unabhängigen Kontrolle der Permeabilität, Porengröße, Mischen und Tortuosität zu.
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Beispiel zur Verwendung eines gesinterten Drahtgewebes in einem Verfahren des in Fig. 6 veranschaulichten Typs unter Verwendung von gasförmigem CO&sub2; als das Hilfstreibmittel beschrieben.

Beispiel 1

Es wurde ein Schaumdurchlauf mit einem Gesamtaustrag von 23 kg pro Minute von reaktiven Materialien basierend auf 100 Teilen Polyol, 4,5 Teilen Wasser, 3 Teilen gasförmigem CO&sub2; und einem TDI-Index von 110 durchgeführt. Der Austragkopf 38 umfasste einen gesinterten Drahtgewebeverbundstoff von 18 Mikron, mit einem Durchmesser von 30 mm. Alle die Reaktionsteilnehmer, einschließlich des gasförmigen CO&sub2; Treibmittels wurden in die Zerkleinerungsvorrichtung 34 bei einem Druck dergestalt eingespeist, dass sich die Kombination der Schaumkomponenten und des gasförmigen CO&sub2; Hilfstreibmittels vor der Passage durch den Austragkopf 38 in einem nicht homogenen Zustand, die CO&sub2;-Bläschen enthielt, befand und blieb. Es wurde ein guter Schaum von einer feinen offenzelligen Struktur mit einer Dichte von 17,3 kg pro Kubikmeter hergestellt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Polyurethanschaum, das Folgendes umfasst: Zusammenbringen unter Druck einer reaktiven Schaumkomponente oder mehrerer reaktiver Schaumkomponenten und eines gasförmigen, nicht reaktiven Hilfstreibmittels und Austragen der Kombination durch einen permeablen Austragkopf in der Form mehrerer individueller Drahtgewebe, zusammengesintert zur Bildung von mindestens einem Verbundelement, welches die Kombination in mehrere Ströme aufteilt und die Ströme wiederholt mischt, wenn sie dort hindurch passieren, und an welchem der Druck zur Bildung eines Schaumes, der zu einer geschäumten Masse härtet, reduziert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Kombination aus den Schaumkomponenten und des gasförmigen Hilfstreibmittels dergestalt angeordnet ist, dass sie sich vor der Passage durch den Austragkopf in einem nicht homogenen Zustand befindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Hilfstreibmittel gasförmiges CO&sub2; ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Hilfstreibmittel Luft, Stickstoff oder eine nicht reaktive, flüchtige Verbindung mit niedrigem Siedepunkt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, worin die Schaumkomponenten und das Hilfstreibmittel oberstromig von dem Austragkopf dergestalt der Zerkleinerung unterworfen werden, dass einzelne in der Kombination vorliegende Gasbläschen größenmäßig reduziert werden.

6 Verfahren nach Anspruch 5, worin die Zerkleinerung mittels Durchleiten der Kombination aus den Schaumkomponenten und CO&sub2; durch einen mechanischen Rührer oder Ultraschall-Rührer erreicht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, worin die Zerkleinerung mittels Durchleiten der Kombination aus den Schaumkomponenten und CO&sub2; durch eine Mischtrommel erreicht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, worin die Zerkleinerung mittels Durchleiten der Kombination aus den Schaumkomponenten und CO&sub2; durch einen statischen Mischer erreicht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 5. worin die Zerkleinerung mittels Durchleiten der Kombination aus den Schaumkomponenten und CO&sub2; durch ein perforiertes Element erreicht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin das CO&sub2; durch ein poröses Septum in eine der Schaumkomponenten gespült wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, worin genannte eine der Schaumkomponenten ein Polyol ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, worin das poröse Septum eine Porengröße in dem Bereich von 0,1 bis 30 Mikron aufweist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, worin das gasförmige Hilfstreibmittel bei einem Druck unter dem eingeführt wird, der notwendig ist, um es bei der Temperatur des Verfahrens in der flüssigen Phase zu halten.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, worin die reaktiven Komponenten ein oberflächenaktives Mittel einschließen, wobei das oberflächenaktive Mittel in eine reaktive der Schaumkomponenten vor dem gasförmigen Hilfstreibmittel eingeführt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, worin die Schaumkomponenten und das gasförmige Hilfstreibmittel in einem gemeinsamen Verteiler zusammengebracht werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, worin die Geschwindigkeit des Schaumes am Ausgang des Austragkopfes gemäß der Darcy-Formel zum Erreichen einer glatten und laminaren Strömung angepasst wird.

17. Verfahren zur Herstellung von Polymerschaum nach einem der Ansprüche 1 bis 16, worin Schaum, der aus dem permeablen Austragkopf austritt, in einen Schaumkörper mit einem im Wesentlichen runden Querschnitt geformt wird.