DE3436592A1 - Verfahren zum herstellen eines syntaktischen schaumkunststoffes - Google Patents

Description

• Verfahren zum Herstellen eines syntaktischen
• Schaumkunststoffes Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines syntaktischen Schaumkunststoffes mit einem Kunststoffpolymer als Trägersubstanz.
• Schaumkunststoffe werden in der Technik in sehr vielfältiger Form und für sehr viele Zwecke verwendet. Fast immer spielen dabei die besonderen physikalischen Eigenschaften eine Rolle, die durch die Kammerung von Gas in einem Schaumstoff erzielbar sind, wie z. B. geringe Dichte, gute Wärmeisolationseigenschaften oder auch gute dielekterische Eigenschaften. Solche Schaumkunststoffe sind in großer Zahl bekannt.
• Im allgemeinen werden die Schaumkunststoffe auf physikalischem oder chemischem Wege hergestellt, z. B.
• dadurch, daß einer Trägersubstanz, oft ein Kunststoffpolymer, geeignete Treibgase - z. B. in Form einer bei Wärmezufuhr gas abgebenden Verbindung - beigemengt oder zu Beginn des Aufschäumprozesses zugeführt werden.
• Dabei bildet sich im Inneren des Kunststoffes eine Zellstruktur aus, die bei Verwendung geeigneter Keimbildner und Basiswerkstoffe bei niedrigen Verschäumungsgraden (etwa bis zu 50 Volumen%) geschlossenzellig sein kann. Jedoch reißen mit zunehmendem Verschäumungsgrad (50 Volumen% und mehr) beim Schäumen sehr viele Zellwände auf, so daß dann zunehmend eine offenporige Verzellung erhalten wird. Durch das Aufreißen von Zellwänden bilden sich teilweise große, unregelmäßige Gasnester, die außerdem auch häufig nicht in sich geschlossen sind, sondern über interzelluläre Kanäle und über kleine Löcher in den Zellwänden miteinander in Verbindung stehen. Solche Schäume sind daher: 1. nicht wasserdicht, 2. bei freiem Aufschäumen nicht formgenau und 3. von geringer und ungleichmäßiger mechanischer Festigkeit.
• Aus diesen Gründen verbietet sich für eine Reihe von Anwendungsgebieten, z. B. als Adereisolierung, der Einsatz physikalisch oder chemisch hochverzellter Schaumkunststoffe.
• Die Erfindung geht davon aus, daß feinpulvrige Kunststoffpolymere auf dem Markt sind, deren Partikel expandierbare Hohlkörper darstellen, die nach dem Aufschäumen eine Volumenvergrößerung etwa um das 40 bis 60fache ihres Ausgangsvolumens erfahren und eine elastische Wandung besitzen.
• Zur Lösung der Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß das Kunststoffpolymer in Granulat- oder Pulverform mit expandierbaren Mikrohohlkörpern (räumliche Ausdehnung kleiner 10 pm) in Pulverform gemischt, in einem Extruder homogenisiert, dabei mindestens auf die Expansionstemperatur der Hohikörper erwärmt und mittels geeigneter Spritzköpfe in die gewünschten Formen extrudiert wird.
• Während der Homogenisierung der Mikrohohlkörper in der Trägersubstanz erreichen die Hohlkörper eine Temperatur, die im allgemeinen über der Expansionstemperatur der Hohlkörper bei Atmosphärendruck liegt. Die Expansion wird aber durch den hohen Druck im Extruder unterdrückt. Nach dem Verlassen des Extrusionswerkzeuges expandieren die Hohlkörper in der noch warmen, plastisch verformbaren Schmelze. Dadurch entsteht ein verschäumter Kunststoff aus einem geschlossenzelligen, syntaktischen Schaum. Die Zellwände der Hohlkörper, die weitgehend Kugelform annehmen, bleiben fast durchweg erhalten. Verschäumungsgrade bis zu 80 Volumenprozent sind so erreichbar.
• Die Struktur eines so hergestellten hoch verzellten Schaumes ist sehr gleichmäßig, und die Festigkeit der einzelnen, expandierten, aber trotzdem elastischen Hohlkörper bedingt eine sehr gute mechanische Stabilität. Die Elastizität des Schaumes kann außerdem über die Trägersubstanz beeinflußt werden, ist aber allein deshalb schon sehr zufriedenstellend, weil jeder der Mikrohohlkörper in sich verformbar ist.
• Die Geschlossenporigkeit des Schaumes ergibt außerdem einen ausreichenden elektrischen Isolationswidersand und eine genügende Spannungsfestigkeit. Daneben ist der Schaum wegen seiner Geschlossenzelligkeit auch wasserdicht.
• Hochverzellte syntaktische Schaumkunststoffe gemäß der Erfindung können für sehr verschiedene Zwecke verwendet werden. Man kann den Schaumkunststoff z. B. in Bahnen ausformen oder rohr- oder schlauchartige Gebilde (z. B. für die Isolierung von Flüssigkeitsleitungen oder auch Isolierungen für elektrische und/oder optische Kabel oder Leitungen) herstellen; es sind aber auch kompaktere Formen denkbar, wie z. B. für Garnituren zum Verbinden elektrischer Leitungen oder Kabel. Mit dieser Aufzählung von Anwendungsmöglichkeiten ist der Anwendungsbereich der syntaktischen Schaumkunststoffe nach der Erfindung aber keineswegs beschränkt.
• In Ausgestaltung der Erfindung kann man das Verfahren so führen, daß als Material für die Mikrohohlkörper vernetzte Polymere verwendet werden. Auf diese Weise erreicht man eine besonders große Gleichmäßigkeit der Verzellung, weil durch die Vernetzung der Wandungen der Hohlkörper eine Dehnungsbegrenzung bei der Expansion der Hohlkörper bewirkt werden kann, d. h. alle Hohlkörper expandieren - bedingt durch die Dehnungsgrenze - nur bis zu einer gewissen Größe und sind daher insbesondere im Gegensatz zu physikalisch oder chemisch hochverzellten Kunststoffen praktisch gleich groß, z. B. alle etwa 40 um.
• Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Einsatzes expandierbarer Hohlkörper aus einem vernetzten Polymer ist die Möglichkeit, die Schaumstruktur durch Auswahl bestimmter expandierbarer Hohlkörperkollektive vorher zu bestimmen. So kann man z. B. eine bestimmte Porengröße vorwegbestimmen oder aber auch eine besonders große Packungsdichte dadurch erzielen, daß man eine Mischung von expandierbaren Hohlkörpern wählt, die auf unterschiedliche, aber definierbare Durchmesseer expandieren.
• Als weiterer Vorteil ist auch der Umstand zu nennen, daß bei einem solchen Schaum im Gegensatz zu den bekannten auf physikalisch oder chemischem Wege verzellten Kunststoffen ein außerordentlich geringer Regelaufwand zur Erzielung eines Schaumes mit einer bestimmten Schaumstruktur erforderlich ist.
• Eine Erhöhung des Verzellungsgrades eines syntaktischen Schaumes über die dichteste Kugelpackung (etwa 80 Volumen%) hinaus kann man dadurch erreichen, daß die als Trägersubstanzen verwendeten Kunststoffpolymere physikalisch oder chemisch verzellbare Kunststoffpolymere sind, weil dabei die die Zwickel der dichtesten Kugelpackung ausfüllende Trägersubstanz ebenfalls noch zum Verzellungsgrad beiträgt.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann man das Verfahren so durchführen, daß der syntaktische Schaumkunststoff unmittelbar auf Drähte, Leiter o. dgl.
• extrudiert wird. Entgegen dem Stand der Technik (DE-AS 15 15 808) sind hierbei besondere Maßnahmen zum Sicherstellen einer geschlossenen und glatten Oberfläche auf keinen Fall erforderlich. Die so hergestellte Isolierung hat eine sehr niedrige Dielektrizitätszahl, die unter einem Wert von 1,3 liegt. Werden derartig isolierte Adern bei einem Nachrichtenkabel verwendet, dessen Seele zum Zwecke der Längswasserdichtigkeit mit einer entsprechenden Füllmasse gefüllt wird, empfiehlt es sich, Hohlkörper aus einem gegenüber der Füllmasse resistenten Material zu wählen, um ein allmähliches Vollaufen der Hohlkörper durch Diffusion der Füllmasse weitgehend zu vermeiden.
• Man kann den neuen expandierbare Mikrohohlkörper enthaltenden syntaktischen Schaumkunststoff auch zur Herstellung von Spritzgußteilen verwenden, weil hier wesentlich höhere Verschäumungsgrade als bei dem herkömmlichen Thermoplastschaumguß erzielbar sind. Außerdem kann man mit dem neuen Schaum eine sehr große Formgenauigkeit und eine sehr hohe Homogenität erreichen. Der beim Spritzgießen aufgewendete Druck bewirkt u. a., daß die expandierbaren Hohlkörper mit einer gewissen Verzögerung aufschäumen. Besonders vorteilhaft ist es auch, daß man durch die Wahl der Verfahrensparameter die Qualität und die Formstabilität des Schaumes bestimmen kann. Eine wesentliche Qualitätsverbesserung wird dadurch erzielt, daß man mit dem neuen Schaumkunststoff so verfahren kann, daß die elastischen expandierten Hohlkörper nach ihrer Expansion, also nach dem Ende des Spritzvorganges, wieder ein wenig zusammengepreßt werden.
• Man kann ferner den expandierbare Mikrohohlkörper enthaltenden neuen syntaktischen Schaumkunststoff auch zur Herstellung von dielektrisch hochwertigen Vergußmassen verwenden. Der hohe Verzellungsgrad und die Geschlossenzelligkeit sind auch in diesem Falle vielfach von besonderem Vorteil, z. B. sind diese Eigenschaften bei der Verwendung eines solchen Schaumes als Muffenfüllung, für Sperrstopfen in Kabeln oder bei der Abdichtung zwischen ungefüllten Muffen und Kabeln wichtig. Besonders geschätzt wird dabei, daß durch die Verwendung elastischer Kunststoffhohlkörper der Schaum sehr flexibel ist. Dadurch wird die Vergußmasse in ihrem Endzustand sehr widerstandsfähig gegenüber mechanischen Be- lastungen wie Druck, Zug, Stoß oder Erschütterungen. Auch die Spannungsrißbeständigkeit, insbesondere bei größeren Temperaturschwankungen, wird erheblich verbessert.
• Vergußmassen schrumpfen im allgemeinen beim Aushärten, dadurch können unerwünschte Lunker entstehen. Durch die Zugabe von Mikrohohlkörpern wird in der Vergußmasse gewissermaßen ein Gerüst eingebaut, das den Schrumpfungsprozeß zum größten Teil auffängt und ihn kompensiert. Viele reine Vergußmassen sind auch sehr teuer. Durch die Zugabe der relativ billigen Hohlkörper kann der Preis der Vergußmasse beträchtlich reduziert werden.
• Durch die große Variationsbreite bei der Zusammensetzung des neuen syntaktischen Schaumes werden die Vergußmassen außerordentlich anpassungsfähig. Will man z. B. bei Muffen eine hohe Abdichtwirkung erzielen, so kann man die Masse unter Druck in die auszufüllende Form einfüllen und unter einem gewissen Restdruck darin aushärten lassen.
• Bevorzugt kann man auch unverschäumte Mikrohohlkörper in die Vergußmassen einarbeiten. Dies wird man insbesondere dann tun, wenn man Füllungen mit hohem Hohlkörperanteil realisieren will. Das Einbringen unverschäumter Hohlkörper in die Vergußmasse hat den Vorteil, daß der Volumenanteil der Hohlkörper an der Vergußmasse anfangs sehr klein ist und damit die Fließtätigkeit der Vergußmasse kaum beeinträchtigt wird.
• Die Expansion der Hohlkörper in der Vergußmasse vor deren Aushärten wird durch Wärmezufuhr erreicht. Hier gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bei dünnen Schichten der Vergußmasse, etwa bis 2 mm Schichtdicke, kann die Wärme von außen zugeführt werden, z. B. durch Befächeln mit einer Flamme, durch Infrarotstrahler oder dergl. Verwendet man Ver- gußmassen mit kleinem Verlust faktor und Hohlkörper mit hohem Verlustfaktor, kann die Expansionswärme z. B. durch HF-Energie aufgebracht werden. Man kann aber auch so vorgehen, daß man eine mehrkomponentige Vergußmasse verwendet, deren Komponenten beim Mischen miteinander reagieren und dabei Reaktionswärme freisetzen, die ausreicht, um die Hohlkörper in der noch plastischen Vergußmasse zu expandieren.
• Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Beispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem syntaktischen Schaumkunststoff in stark vergrößerter Darstellung, Fig. 2 in weiterer Vergrößerung eine Einzelheit A aus Fig. 1 und Fig. 3 einen Ausschnitt eines syntaktischen Schaumkunststoffes in einem höchstverzellten Zustand, ebenfalls in stark vergrößerter Darstellung.
• Fig. 1 zeigt einen syntaktischen Schaumkunststoff mit einem Verzellungsgrad von etwa 80 Volumenprozent, bei dem die einzelnen Hohlkörper 10, deren Wandung 11 aus einem vernetzten, elastischen Kunststoff besteht, praktisch die dichteste Kugelpackung aufweisen, bei der sich die einzelnen, nahezu kugelförmigen Hohlkörper 10 untereinander berühren und bei der sich die Trägersubstanz 13 nur in den von Kugeln gebildeten Zwickeln 12 befindet.
• Fig. 2 zeigt als Einzelheit A aus Fig. 1 in weiterer Vergrößerung einen Zwickel 12 mit Teilen der ihn begrenzenden kugelförmigen Hohlkörper 10. Die in diesem Zwickel befindliche Trägersubstanz 13 befindet sich ebenfalls in einem verzellten Zustand. Die einzelnen von der Trägersubstanz umschlossenen Gasblasen sind mit 14 bezeichnet. Man erkennt, daß dadurch der Gasanteil des Schaumkunststoffes und damit der Verzellungsgrad noch gegenüber dem Zustand der dichteste Kugelpackung (Fig. 1) vergrößert ist. Auf diese Weise ist ein Verzellungsgrad von nahezu 90 Volumenprozent erzielbar, wobei der Schaumkunststoff weiterhin als geschlossenporig angesehen werden kann, also auch wasserdicht ist.
• Fig. 3 zeigt in einer ähnlichen Vergrößerung wie in der Figur 1 einen Ausschnitt aus einem Schaumkunststoff, bei dem der Verzellungsgrad über 90 Volumenprozent hinausgeführt wurde. Die Wasserdichtigkeit dieses Schaumes ist zwar nicht mehr gewährleistet, aber der Schaum besitzt gegenüber physikalisch oder chemisch hochverzellten Kunststoffen immer noch eine sehr gleichmäßige Struktur, weil der größte Teil des Gases immer noch in quasi gleich großen kugelförmigen Hohlkörpern 10 gekammert ist. Der Trägerkunststoff 13 dient in diesem Falle nur noch als Bindemittel für die kugelförmigen Hohlkörper untereinander.
• Zwischen den Hohlkörpern haben sich durch den hohen Verschäumungsgrad teilweise Gasnester 15 gebildet. Als Oberflächenschutz für solche Schäume ist im allgemeinen eine besondere Schutzschicht 16 erforderlich.
• 3 Figuren 6 Ansprüche

Claims (6)

1. Patentansprüche Verfahren zum Herstellen eines syntaktischen Schaumnststoffes mit einem Kunststoffpolymer als Trägersubstanz, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Kunststoffpolymer in Granulat- oder Pulverform mit expandierbaren Mikrohohikörpern (räumliche Ausdehnung kleiner 10 um) in Pulverform gemischt, in einem Extruder homogenisiert, dabei mindestens auf die Expansionstemperatur der Hohlkörper erwärmt und mittels geeigneter Spritzköpfe in die gewünschten Formen extrudiert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Material für die Mikrohohikörper (10) aus vernetzten Polymeren besteht.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die als Trägersubstanzen verwendeten Kunststoffpolymere physikalisch oder chemisch verzellbare Kunststoffpolymere (13) sind.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der syntaktische Schaumkunststoff unmittelbar auf Drähte, Leiter o. dgl. als elektrische Isolierung extrudiert wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der expandierbare Mikrohohlkörper enthaltende syntaktische Schaumstoff zur Herstellung von Spritzgußteilen verwendet wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der expandierbare Mikrohohlkörper enthaltende syntaktische Schaumkunststoff zur Herstellung von dielektrischen hoch wertigen Vergußmassen verwendet wird.