DE3921108C1

DE3921108C1 -

Info

Publication number: DE3921108C1
Application number: DE3921108A
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Otto 3008 Garbsen De Behrens; Ulrich Dipl.-Ing. 3162 Uetze De Proessler
Original assignee: Hermann Berstorff Maschinenbau GmbH
Current assignee: KraussMaffei Extrusion GmbH
Priority date: 1989-06-28
Filing date: 1989-06-28
Publication date: 1990-06-07
Anticipated expiration: 2009-06-29
Also published as: GB2233929B; GB9013391D0; JPH0338321A; JPH0794141B2; US5089193A; GB2233929A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß der Gattung des Oberbegriffs des Verfahrensanspruchs 1 und einen Extruder ge mäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 9.

Aus der DE-OS 33 10 751 ist ein Verfahren zur Herstellung eines extrudierten Polystyrolschaumes bekannt. In einen Extruder wird ein Gemisch aus Polystyrol und einem Keimbil dungsmittel eingespeist und aufgeschmolzen. In die Schmelze wird anschließend ein Treibmittel und Wasser eingespritzt. Anschließend wird das Gemisch aus einer ringförmigen Düse zu einem Schlauch extrudiert, der aufgeschnitten, flachgelegt und aufgewickelt wird.

Dieses Verfahren hat sich die Aufgabe gestellt, einen Polysty rolschaum mit einer Kombination von großen und kleinen Zellen zu schaffen.

Gleichmäßige Zellen können durch die Anwendung dieses Verfah rens nicht hergestellt werden, weil eine gleichmäßige Vertei lung des eingedüsten Wassers in die heiße, etwa 150-250°C aufweisende Kunststoffschmelze nach diesem Verfahren nicht durchführbar ist.

Aus der DE-AS 15 69 412 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffes bekannt, bei dem die Schmelze über ein rundes Blisterteil der Schnecke zu dünnen Schichten ausgeformt wird, die in eine Treibmitteleinspritzzone hineinextrudiert werden. Der Schmelzedruck stieg vor dem Blisterteil an, um in Arbeitsrichtung hinter dem Blisterteil abzufallen.

Weiterhin ist aus der US-PS 39 02 704 bekannt, ein Treibmittel durch Bohrungen in der Schnecke in die Schmelze einzudüsen. Der Ausdüsungsvorgang des Treibmittels erfolgt in einem Extru derbereich, in dem der Schmelzedruck gesenkt wurde.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen extrudierbaren, aufge schäumten Kunststoff unter Verwendung von umweltverträglichen Treibmitteln herzustellen. Insbesondere soll eine sehr feine und gleichmäßige Verteilung von als zusätzliches Treibmittel eingesetztem Wasser in eine Kunststoffschmelze erreicht wer den.

Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruchs beanspruchten Merkmale gelöst. Weiterbildungen dieser Merkmale werden in den Unteransprüchen zu dem ersten Verfahrensanspruch offenbart.

Ein für die Durchführung des Verfahrens besonders geeigneter Extruder wird in Patentanspruch 9 aufgezeigt.

Durch die Eindüsung von Satt- oder überhitztem Dampf anstelle von Wasser in einen Extrusionsbereich abgesenkten Schmelze druckes wird erreicht, daß der Dampf ohne Kondensatbildung in das Extrudergehäuse eingedüst werden kann und somit als Dampf mit der Schmelze vermischbar ist.

Die feine Verteilung des Dampfes wird erreicht, wenn die Schmelze in dem Bereich des abgesenkten Druckes bzw. im druck losen Bereich des Extrudergehäuses zu dünnen Schichten, Strän gen oder dergleichen in eine Dampfatmosphäre hineinextrudiert wird. Da die Schmelze bereits die Porenreglersubstanz, z. B. Talkum, enthält, lagern sich jeweils an den feinverteilten Talkumteilchen aber auch an der Schmelzeoberfläche Wasser dampfmoleküle an. Bei einer erneuten Vermischung der dünnen Schichten oder Stränge in den nachfolgenden Schneckengängen erfolgt somit eine sehr feine Verteilung eines Dampfes in der Schmelze.

Durch den erneuten Druckaufbau des mit der Schmelze vermisch ten Dampfes, kondensiert der Dampf. Da Dampf ein gegenüber Wasser sehr großes spezifisches Volumen aufweist (1673 dm³/kg Dampf besitzt im kondensierten Zustand ein Volumen von 1,0437 dm³/kg bei 373 K), entstehen durch die Rückkondensierung winzig kleine Wassertröpfchen, die somit mikroskopisch fein verteilt in der Schmelze und an den Porenreglerteilchen ange lagert vorliegen.

Diese superfeine Verteilung des Wasserdampfes wird durch Bil dung von dünnen Schmelzeschichten bzw. Strängen usw. erheblich begünstigt, die in die Wasserdampfatmosphäre hineinextrudiert werden.

Auf diese Weise wird es erstmalig ermöglicht, Wasser in eine Kunststoffschmelze äußerst homogen und sehr fein zu verteilen, so daß eine sehr gleichmäßige Bläschenstruktur beim Aufschäu men der Schmelze durch die Verdampfung der Wassertropfen bei dem eintretenden Druckabfall am Düsenaustritt erreicht wird.

Der Aufschäumvorgang selbst wird durch ein Treibmittel, z. B. Stickstoff (N₂) unterstützt.

Nachdem der Wasserdampf in der druckverminderten Injektions zone des Extrudergehäuses eingedüst und eingemischt und er neut ein Schmelzedruck, z. B. durch eine Verringerung des Gangvolumens der Schneckengänge, aufgebaut und die Konden sierung des Wasserdampfes zu mikroskopisch kleinen Tröpfchen durchgeführt worden ist, wird in die Schmelze das eigentliche Treibmittel, z. B. N₂, mit einem den Schmelze- und Dampfdruck übersteigenden Druck, eingedüst. Der Stickstoff lagert sich bevorzugt an die winzigen Wassertröpfchen an. Die Schmelze wird anschließend mit dem Treibmittel homogen vermischt, ge kühlt und zu einem Schlauch extrudiert.

Beim Austritt aus der Ringdüse verdampft das in der Schmelze vermischte Wasser aufgrund der Druckreduzierung, so daß wie der Wasserdampf mit einem, um ein zigfach vergrößertes Volumen entsteht und die kleinen Zellen gebildet werden. Durch das Verdampfen des Wassers wird den durch das Treibmittel und den Verdampfungsvorgang gebildeten winzigen Zellen Wärme entzogen, so daß ein Verfestigungsvorgang der Zellwände einsetzt. Die Zellen werden stabilisiert, was ein weiterer Vorteil des ein gesetzten Dampfes als zusätzliches Treibmittel ist.

Der Stickstoff als Treibmittel hilft die Zellen stabil zu hal ten, da der Dampf bzw. das Wasser nach dem Verdampfungsvorgang beim Austritt des Schaumes aus der Düse erneut in den Zellen kondensiert und wiederum nur ein winziges Volumen für sich be ansprucht (1673 dm³/kg Dampfvolumen wird reduziert auf 1,0437 dm³/kg Wasservolumen).

Gleichzeitig expandiert der Stickstoff beim Austritt aus der Düse. Die durch den Verdampfungsvorgang des Wassers (ebenfalls beim Düsenaustritt) entstandenen Zellen werden durch den eben falls expandierenden Stickstoff davor bewahrt, zusammenzufal len. Der Stickstoff wirkt somit als Innendruckstabilisator der gebildeten Zellen.

Ein weiterer Vorteil eines nach dem erfindungsgemäßen Verfah ren hergestellten Schaumes besteht darin, daß durch die mikroskopisch kleinen, wieder kondensierten Wassertröpfchen in dem aufgeschäumten und bereits verfestigten Kunststoff ein Nachschäumvorgang durch eine erneute Aufheizung des Schaumes auf über 100°C durchführbar ist. In einem solchen Fall werden die winzigen Wassertröpfchen, z. B. durch Beaufschlagung des Schaumes mit Mikrowellenenergie, erneut in die Dampfphase um gewandelt, wodurch der Innendruck in den Zellen sich erhöht. Wenn dann die Zellwände auf den Erweichungspunkt des Kunst stoffes erwärmt werden, expandieren die Zellen ohne zu plat zen.

Durch diese Maßnahme wird nochmals das Raumgewicht des Schau mes auf sehr einfache Weise verringert, wodurch die Anwen dungsmöglichkeiten des Schaumes erheblich erweitert werden. Außerdem werden durch den Nachschäumvorgang Spannungen in dem extrudierten Kunststoff aufgehoben, die beim Extrudieren des Schaumstoffschlauches in den Kunststoff eingefroren wurden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand eines in der Zeich nung schematisiert dargestellten, eine Aufschmelzzone 1, eine Druckaufbauzone 1 a, eine Injektionszone 2, eine Treibmittel einspritzzone 3 und eine Kühl- und Austragszone 4 aufweisenden Extruders 5 erläutert.

Die mit einem Porenregler bzw. Nukleierungsmittel angereicher ten Polystyrolgranulate werden in einen Trichter 6 eingegeben, und durch die in dem Extrudergehäuse 7 rotierende Schnecke 8 aufgeschmolzen. Der Aufschmelzvorgang ist etwa in dem Extru derabschnitt 1 beendet. In der Zone 1 a wird dann ein Schmelze druck bis max. 400 bar aufgebaut.

Danach wird die Schmelze über den Blister 9, der einen dünnen Ringspalt 10 zwischen seinem Rand und der Zylinderinnenfläche bildet, gepreßt, so daß sehr dünne Schmelzeschichten in die Injektionszone 2 gelangen, die tiefe Schneckengänge 11 auf weist. Der Schmelzedruck wird soweit abgesenkt, daß trocken gesättigter oder überhitzter Dampf eingespritzt werden kann.

In der druckreduzierten Injektionszone 2 wird durch nicht im Detail dargestellte Einspritzdüsen 12 Wasserdampf mit einer Temperatur von kleiner oder gleich 260°C in die Schmelze eingedüst, der sich sofort an die freigelegten hygroskopischen Talkumteilchen (Porenreg ler) in den dünnen, durch den Ringspalt 10 gebildeten Schmel zeschichten anlagert.

In der Injektionszone 2 werden dann die Schmelzeschichten durch die rotierende Schnecke mit dem Dampf vermischt und es wird in der Treibmitteleinspritzzone 3 erneut ein Schmelze druck von etwa 280 bar aufgebaut.

Durch diesen Druckaufbau und/oder durch eine geringe Schmelze temperaturabsenkung kondensieren die an die Porenreglerteil chen (Talkum) und der Schmelzeoberfläche angelagerten Wasser dampfmoleküle, wodurch eine enorme Volumenreduzierung des Dampfes eintritt und wodurch somit eine mikroskopisch feine Verteilung des zu Wasser kondensierten Dampfes in der Schmelze erreicht wird.

In die Schmelze wird dann durch angedeutete Düsen 13 Stick stoff als Treibmittel mit einem den Dampfdruck des Wassers und des Schmelzedruckes übersteigenden Druck von etwa 170-300 bar eingedüst, der sich vorzugsweise an die winzigen Wasser tröpfchen anlagert, so daß auch die Verteilung des Stickstof fes noch verbessert wird.

Die mit Stickstoff und Wasser angereicherte Schmelze wird in der Kühl- und Austragszone 4 einem durch die Schneckenrotation bewirkten intensiven Misch- und Kühlvorgang unterworfen und in den Extrusionskopf 14 gefördert.

In der Zone 4 wird das Gemisch auf ca. 150°C durch eine Schneckenkühlung abgekühlt, die unterstützt wird durch die Kühlung des Extrudergehäuses in diesem Bereich. Im Kopf 14 herrscht etwa ein Druck von 100 bar.

Aus dem Kopf 14 tritt dann die Schmelze aus der Ringdüse 15 aus und schäumt unmittelbar nach dem Austritt zu einer, einen Schlauch 16 bildenden Schicht auf.

Durch das sofortige Entspannen der Schmelze am Düsenaustritt 15 verdampfen aufgrund der Schmelzetemperatur von etwa 150°C die winzigen Wassertröpfchen, so daß eine enorme Volumenver größerung eintritt. Der Stickstoff dehnt sich ebenfalls aus und bildet Zellen. Bei der Verdampfung von Wasser wird jeder Zelle Wärme entzogen und die Zellwände somit verfestigt.

Durch das Herunterkühlen des Schlauches 16 beim Austritt aus der Düse kondensiert unter erheblicher Volumenskontraktion das am Düsenaustritt erneut verdampfte Wasser und der Stickstoff übernimmt die Funktion der Zellwandstabilisierung.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung beschrieben.

Es wurden 99,5 kg Polystyrol mit 0,5 kg Talkum homogen ver mischt und in den Extruderabschnitt 1 eindosiert und konti nuierlich aufgeschmolzen. Es wurden 237 dm³ H₂O-Dampf mit 10 bar und 250°C in die Injektionszone 2 kontinuierlich durch die Düsen 12 eingedüst. In der Injektionszone stellte sich ein Druck von 10 bar ein. Die Schmelze wurde über den Blister 9 zu dünnen Schichten ausgepreßt und in die Wasserdampfatmosphäre in der Injektionszone 2 hineinextrudiert.

Nach erfolgter Vermischung der dünnen Schmelzeschichten mit dem eingedüsten Dampf wurde 0,5 kg/h Stickstoff mit einem Druck von 300 bar durch die Düse 13 in die Schmelze eindo siert. In der Zone 4 wurde ein Druck von 100 bar und durch eine Zylinder- und Schneckenkühlung eine Temperatur von 150° C eingestellt. Anschließend wurde die Schmelze durch den Ringspalt 15 aufgeschäumt.

Das Raumgewicht des Schaumstoffes betrug 81 kg/m³, was als ein sehr guter Wert angesehen werden muß. Derartige Raum gewichte ließen sich auch mit anderen Polystyrolsorten erzie len, was durch eine Versuchsserie mit unterschiedlichen PS- Sorten, jeweils geschäumt mit N₂ und Wasserdampf, bestätigt wurde.

Noch bessere Ergebnisse hinsichtlich des erzielten Raumgewich tes wurden erzielt, wenn anstelle des den Ringspalt 10 bilden den Blisters 9 eine Lochscheibe 18 mit sehr kleinen Löchern eingesetzt wurde, wodurch eine noch bessere Dampfverteilung an die winzigen Schmelzestränge erreicht wurde.

Bezugszeichenliste

1 Aufschmelzzone
1 a Druckaufbauzone
2 Injektionszone
3 Treibmitteleinspritzzone
4 Kühl- und Austragszone
5 Extruder
6 Trichter
7 Extrudergehäuse
8 Schnecke
9 Blister
10 Ringspalt
11 Schneckengangvolumen
12 Einspritzdüsen
13 Düsen
14 Extrusionskopf
15 Ringdüse (Düsenaustritt)
16 Schlauch
17 Gangvolumen
18 Lochscheibe

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines extrudierten, thermoplastischen Kunststoffschaumes durch Ein speisen des Kunststoffes zusammen mit einer Porenreglersubstanz in einen, eine Aufschmelz zone, eine Druckaufbauzone, eine Injektionszone, eine Treibmitteleinspritzzone und eine Kühl- und Austragszone aufweisenden Extruder, Aufschmelzen des Kunststoffes und Eindüsen eines Treibmittels und Wasser in die Kunststoffschmelze, dadurch gekennzeichnet,
daß in der, in Arbeitsrichtung hinter einem Stau teil angeordneten Injektionszone durch die Wandung des Extruderzylinders Sattdampf oder überhitzter Dampf mit einer Temperatur in etwa gleich der Schmelzetemperatur eingedüst wird,
daß die Schmelze in dünne Schichten oder Stränge über das Stauteil in die Dampfatmosphäre in der Injektionszone hineinextrudiert wird,
daß der Schmelzedruck in Arbeitsrichtung vor dem Stauteil höher eingestellt wird als der Dampf druck des überhitzten Dampfes in Arbeitsrichtung hinter dem Stauteil und
daß der Druck des Schmelzedampfgemisches in der anschließenden Treibmittelinjektionszone auf einen Druck oberhalb des Kondensationsdruckes des Dampfes eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Injektionszone der injizierte, ge sättigte oder überhitzte Wasserdampf eine Tempe ratur von 120-300°C und die Kunststoffschmelze eine Temperatur von 115-290°C aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze durch Extrudieren über einen, einen freien Ringspalt bildenden, zwischen Schneckenförderteilen angeordneten Blister zu dünnen Schichten ausgeformt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze durch Extrudieren durch eine zwischen Schneckenförderteilen angeordnete Loch scheibe zu dünnen Strängen ausgeformt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzedruck in Arbeitsrichtung vor dem Stauteil auf 200-400 bar und der Dampfdruck in Ar beitsrichtung hinter dem Stauteil auf 1 bis 60 bar eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzedruck in der Injektionszone bei der Verarbeitung von Polystyrol mit 200-280°C auf unter 60 bar je nach Temperatur der Schmelze abgesenkt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzedruck in der Injektionszone bei der Verarbeitung von Polyäthylen mit 130-200°C auf unter 16 bar je nach Temperatur der Schmelze abgesenkt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Polystyrolschmelze-Dampfge misches in der in Arbeitsrichtung nachfolgenden Treibmitteleinspritzzone auf 150-280 bar erhöht wird, und daß der Druck in der Kühl- und Austragszone höher eingestellt wird als der Dampfdruck in dieser Zone.

9. Extruder zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, aufgeteilt in eine Aufschmelzzone (1), eine Druckaufbauzone (1 a), eine Injektionszone (2), eine Treibmitteleinspritzzone (3) und eine Kühl- und Austragszone (4), bestehend aus einer in einem Hohlzylinder angeordneten, antreibbaren, aus ver schiedenen Schneckenabschnitten in den einzelnen Zonen (1, 1 a, 2, 3, 4) sich zusammensetzenden Homo genisierschnecke (8) und mit in den Hohlzylinder ge führten Einspritzdüsen (12, 13) für verschiedene Treibmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionszone (2) als Dampfinjektions zone mit Einspritzdüsen (12) für Wasserdampf und mit einem, gegenüber dem Extrusionsvolumen in der Druck aufbauzone (1 a) vergrößerten freien Extrusions volumen ausgebildet ist.

10. Extruder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Extrusionsvolumen in der Injek tionszone (2) etwa um das 2- bis 5fache gegen über dem freien Extrusionsvolumen in der Druck aufbauzone (1 a) vergrößert ausgebildet ist.

11. Extruder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung des freien Volumens in der Injektionszone (2) durch eine Schneckengangtie fenvergrößerung (17, 11) gebildet wird.

12. Extruder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erhöhte Schmelzedruck in der Druckaufbau zone (1 a) gebildet wird durch Schneckenteile mit Schneckengängen (17), die gegenüber den Schnec kengängen (11) in der nachfolgenden Injektions zone eine um das 2- bis 5fache verminderte Gang tiefe aufweisen, und daß zwischen beiden Schneckenabschnitten ein Stau teil (9) angeordnet ist.

13. Extruder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Arbeitsrichtung unmittelbar vor der In jektionszone (2) ein als Blister (9), als Loch scheibe (18), als Rückfördergewinde mit eingekerbten Schneckenstegen oder dergleichen ausgebildetes, dünne Schmelzeschichten oder Stränge formendes Stauteil angeordnet ist.

14. Extruder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Extruder als gleich- oder gegensinnig ro tierender, kämmender Doppelschneckenextruder aus gebildet ist.