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Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern aus schäumbaren Styrolpolymerisaten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern aus schäumbaren Styrolpolymerisaten durch Erhitzen von Gemischen aus feinteiligen treibmittelhaltigen Styrolpolymerisaten in Gegenwart von Wasser und gegebenenfalls in Gegenwart von Bindemitteln und/oder weiteren Zusatzstoffen mittels elektrischer Hochfrequenzenergie zwischen Deckschichten aus Kunststoff oder Metallen in gasdurchlässige Stützformen.
Es ist bekannt, dass Formkörper aus zelligen Styrolpolymerisaten erhalten werden, wenn feinteilige Styrolpolymerisate, die ein gasförmiges oder flüssiges Treibmittel enthalten, in nicht gasdicht schlie- ssenden Formen auf Temperaturen oberhalb des Siedepunktes des Treibmittels und des Erweichungspunktes des Polymerisates erhitzt werden, so dass die Teilchen aufschäumen und versintern. Als Wärmequelle verwendet man dabei meistens Dampf.
Es ist auch bekannt, das Beheizen im elektrischen Hochfrequenzfeld vorzunehmen. Dabei werden Mischungen, die feinteilige, expandierbare Styrolpolymerisate und Wasser sowie gegebenenfalls Bindemittel enthalten, in eine Form aus einem möglichst unpolaren Werkstoff eingefüllt und die Form in ein Hochfrequenzenfeld eingebracht. Nach diesem Verfahren kann man plattenförmig oder beliebig gestaltete, z. B. profilierte oder gewölbte, Formkörper herstellen, die sich durch besonders gute mechanische Eigenschaften auszeichnen.
Es ist so besonders einfach möglich, feinteilige verschäumbare Styrolpolymerisate zwischen Platten oder innerhalb vorgeformter Teile aus thermoplastischen Kunststoffen oder Metallen zu erhitzen und aufzuschäumen, so dass Verbundkörper aus einem Schaumstoffkern mit kompakten Aussenflächen aus den thermoplastischen Kunststoffen bzw. dem Metall erhalten werden. Bei dieser Arbeitsweise hat es sich gezeigt, dass der durch Einwirkung der Hochfrequenzenergie auf das Wasser entstehende Wasserdampf zum Teil an den Deckschichten kondensiert. Hiedurch kann das Versintern der expandierbaren Teilchen in den Aussenschichten des Formkörpers bzw. das Abbinden mit den Deckschichten verhindert werden. Die so erhaltenen Verbundkörper haben nur geringe Festigkeiten.
Es wurde nun gefunden, dass Verbundkörper aus schäumbaren Styrolpolymerisaten nach dem eingangs genannten Verfahren besonders vorteilhaft dadurch hergestellt werden können, wenn die Deckschichten vor dem Einbringen in die Form auf der dem Schaumstoff zugekehrten Seite mit einem thermisch isolierenden Stoff beschichtet werden.
Unter Styrolpolymerisaten versteht man Polystyrol und Copolymerisate des Styrols, die mindestens 50 Gel.-% Styrol einpolymerisiert enthalten. Als Comonomere kommen z. B. substituierte Styrole, wie a-Methylstyrol, Kernmethylstyrole, wie o-oder p-Methylstyrol, halogenierte Styrole, wie o-oder p-Chlorstyrol, Acrylnitril, Ester der Acryl- oder Methacrylsäure von Alkoholen mit 1 - 8 C-Atomen,
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Acryl- oder Methacryh1iureamid, Vinylester, wie Vinylacetat oder Vinylpropionat, Vinyläther, wie Vinylmethyläther, Vinylmethylketon oder Vinylcarbazol sowie Vinylidenchlorid, in Frage.
Es können auch geringe Mengen, z. B. 0, 001-0, Gew.-%, an Vernetzungsmitteln als Comonomere verwendet werden.
Geeignete Vernetzungsmittel sind z. B. Polyvinylverbindungen, wie Divinylbenzol, Butandioldiacrylat undMethylen-bis-acrylamid. Zu den Styrolpolymerisaten sind ausserdem schlagzähe Styrolpolymerisate zu rechnen, wie sie beispielsweise durch Polymerisieren von Styrol in Gegenwart von natürlichem oder synthetischem Kautschuk oder durch Mischen von Styrolpolymerisaten mit kautschukelastischen Polymerisaten, die in sich oder mit den Styrolpolymerisaten vernetzt sein können, erhalten werden.
Als Treibmittel eignen sich unter Normalbedingungen gasförmige oder flüssige Verbindungen, welche die Polymerisate nicht lösen oder nur quellen und deren Siedepunkte unter den Erweichungspunkten der Polymerisate liegen. Solche Verbindungen sind z. B. aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie Propan, Butan, Pentan, Hexan, cycloaliphatische Kohlenwasserstoffe, wie Cyclohexan, weiterhin Halogenkohlenwasserstoffe, wie Dichlordifluormethan oder 1, 2, 2-Trifluor-1, 1, 2-trichloräthan. Auch Mischungen der genannten Verbindungen können verwendet werden. Man verwendet das Treibmittel im allgemeinen in Mengen von i bis 15 Gew. -0/0, bezogen auf das Polymerisat.
Der durchschnittliche Teilchendurchmesser der treibmittelhaitigen Styrolpolymerisate liegt im allgemeinen zwischen 0, 4 und 3 mm. Die Teilchen können z. B. in Form von Perlen oder Brocken, wie sie durch Vermahlen von Substanzpolymerisaten erhalten werden oder als Granulat vorliegen.
Vorteilhaft verwendet man Styrolpolymerisate, die bereits unvollständig aufgeschäumt sind und deren Zellen neben Treibmittelresten Luft enthalten.
DenfeinteiligenStyrolpolymerisatenwirdWasserzweckmässiginMengenzwischen5und 60 Gew.-%, bezogen auf die treibmittelhaltigen Polymerisate, zugesetzt. Das Wasser kann Netzmittel, Salze oder Bindemittel gelöst oder in dispergierter Form enthalten.
Wasser hat bekanntlich im Vergleich zu Styrolpolymerisaten einen bedeutend höheren dielektrischen Verlust, so dass unter der Einwirkung von Hochfrequenzenergie vor allem das Wasser erhitzt wird, wobei es verdampft. Wasserdampf bewirkt das gleichförmige Erhitzen der Polymerisatteilchen, so dass sie auf- schäumen und versintern
Als Bindemittel, die gegebenenfalls zusammen mit dem Wasser in den Gemischen enthalten sein können, kommen z. B. härtbare Harze, wie Harnstoff-Formaldehyd-Kondensate oder Polymerisatdispersionen, z. B solche aus Acrylsäureester- oder Vinylesterpolymerisaten sowie Bitumenemulsionen, in Frage. Besonders vorteilhaft verwendet man Polyvinylpropionatdispersionen sowie Polyacrylsäureesterdispersionen, gegebenenfalls vermischt mit Harnstofformaldehydkondensaten.
Die Mischungen aus Styrolpolymerisaten und Wasser können ausserdem weitere Zusatzstoffe, wie Füllstoffe oder Verstärkungsmaterialien bzw. Flammschutzmittel, enthalten. Als Verstärkungsmaterialien eignen sich z. B Fasern aus Natur- oder Synthesestoffen, wie Asbest- oder Mineralfasern. Als Füllstoffe kommen z. B. feinteiliger Kork, Holz oder feinteilige anorganische Stoffe, wie Bims, in Frage. Besonders eignen sich Holzspäne, wie sie z. B. für die Herstellung von Spanplatten Verwendung finden.
Das Erhitzen der expandierbaren Mischung wird derart vorgenommen, dass z. B. die Stützform, welche die Deckschichten und die expandierbare Mischung enthält, einem elektrischen Hochfrequenzfeld ausgesetzt wird. Für das Verfahren eignen sich z. B. hochfrequente Wechselströme von etwa 3 bis 100, vorzugsweise von 5 bis 13,7 MHz.
Die Deckschichten können aus Kunststoffen oder Metallen bestehen. Zum Beispiel kommen Deckschichten aus thermoplastischen Kunststoffen, wie Styrolpolymerisaten, insbesondere schlagfesten Styrolpolymerisaten, Polyvinylchlorid, Melaminharzplatten, in Frage.
Metalldeckschichten können z. B. aus Aluminium- oder Aluminiumlegierungen sowie andern Metallen bestehen. Die Schichten sind im allgemeinen zwischen 0,2 und 2 mm dick.
Die Deckschichten sind auf der Innenseite, d. h. der Seite, die den Styrolpolymerisaten bzw. dem daraus entstehenden zelligen Stoff zugekehrt ist, mit einem Gemisch aus feinteiligen zelligen thermisch isolierenden Stoffen und thermoplastischen Bindemitteln beschichtet.
Die thermisch isolierenden Stoffe können z. B. in Form von Folien oder Platten verwendet werden.
Ausserdem sind in gleicher Weise Mischungen aus feinteiligen zelligen isolierenden Stoffen und einem Bindemittel geeignet. Man verwendet vorteilhaft solche Isolierstoffe, die eine Wärmeleitzahl zwischen 0,02 und 0,08 Kcal/mh C haben.
Besonders eignen sich solche Folien oder Platten thermisch isolierender poröser Stoffe, die Wasser
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aufsaugen. In Frage kommen z. B. Hartfaserplatten, Matten aus Faservliesen, z. B. aus Glasfasern oder Mineralwolle. Die Platten werden beidseitig mit einem Bindemittel beschichtet, so dass beim Erhitzen der Styrolpolymerisate unter dem Druck der aufschäumenden Teilchen eine feste Verbindung zwischen den Deckschichten und den Isolierplatten einerseits und dein geschäumten Styrolpolymerisat anderseits entsteht.
Als Bindemittel eignen sich z. B. Klebstoffe auf der Grundlage thermoplastischer Kunststoffe, wie
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z. B.plastischer Kunststoffe, wie Lösungen vonPolychloropren oder künstlichen und natürlichen Kautschuk- arten, die auch vulkanisierbar sein können, oder Bitumendispersionen bzw.-lösungen. Mankann auch mit loungsmitte1freien Bindemitteln arbeiten, z. B. mit Heissbitumen bzw. solchen Bindemitteln, die in der Wärme härtbar sind, z. 130 mit Epoxyharzen Die Auswahl des Bindemittels richtet sich nach der Art des Isolierstoffes und der Deckschicht.
Man bringt zweckmässig das Bindemittel in Form einerLösung oder Dispersion auf die Isolierschicht auf. lässt das Lösungs-bzw. Dispergiermittel abdampfen und setzt die Platte zwischen Deckschicht und das aufzuschäumende Styrolpolymerisat in die Form ein.
Als zellige thermisch isolierende Stoffe kommen z. B. in Frage : Zellige Kunststoffe aus z. B. ther- moplastischen Kunststoffen, wie Styrolpolymerisaten oder Polyäthylen oder auch zellige HarnstoffFormaldehyd-Kondensate. Weiterhin eignen sich Korkmehl oder Balsaholz oder Bimsstein, Vermiculit und zellige keramische Massen. Die Teilchen können Durchmesser zwischen 0,5 und etwa ! mm ha- ben.
Als Bindemittel für die Isolierstoffe eignen sich die gleichen Stoffe, wie sie zum Verkleben der Isolierfolien oder-platten verwendet werden können. Die Auswahl des Bindemittels richtet sich auch hiehei nach der Art des Isolierstoffes und der Deckschicht. Die Mischungen enthalten etwa zwischen 10 bis 30 g Bindemittel/1 an zelligen Isolierstoffen. Im allgemeinen wird eine Schicht von 2 bis 5 mm der Mischungen auf die Deckschichten aufgebracht. Vorteilhaft beschichtet man die Deckschichten durch Aufstreichen oder mittels einer Sprühvorrichtung.
Als Stützformen kommen solche aus Werkstoffen mit geringem dielektrischem Verlust in Frage, z. B. Formen aus Holz oder vorteilhaft aus gehärteten mit Hartfasern verstärkten ungesättigten Poly- esterharzen. Die Stützformen sollen so beschaffen sein, dass Gase, z. B. die in der Form enthaltene Luft oder der entstehende Wasserdampf, während des Aufschäumens der expandierbaren Teilchen aus der Form entweichen können. Die Formen müssen verschliessbar sein, so dass die aufschäumenden Teilchen unter dem Druck des Treibmittels aufschäumen und versintern können, wobei sie einen Druck auf die Formwände ausüben.
Man bringt zunächst bei der Ausführung des Verfahrens die Deckschichten in die Form ein, füllt den Raum zwischen den Deckschichten mit dem verschäumbaren Material, verschliesst die Form und lässt anschliessend Hochfrequenzenergie einwirken.
Nach dem Verfahren werden Verbundkörper erhalten, worin der Kern aus zelligen Styrolpolymerisaten fest an den Deckschichten haftet. So können z. B. nach dem Verfahren Verbundplatten hergestellt werden. Es eignet sich insbesondere zur Herstellung von Verbundkörpern, wie Kühlschrankgehäusen oder Bauteilen, die im Haus-oder Schiffshau Verwendung finden.
Die in den Beispielen genannten Teile sind Gewichtsteile.
Beispiel l : Periförmiges Polystyrol mit einem Teilchendurchmesser von etwa 0, 5 bis 1, 5 mm, das 7 Gel.-% Pentan als Treibmittel enthält, wird in Dampf von etwa 1000C soweit verschäumt, dass das Schüttgewicht der Teilchen etwa 30 g/l beträgt. Nach 24 stündiger Lagerung werden 30 Teile der vorgeschäumten Teilchen mit 4 - 6 Teilen Wasser, dem 0, 3 Gel.-% eines Netzmittels zugesetzt w urde, vermischt.
Zwei Platten aus Aluminium der Grösse 40 X 40 cm werden mit einem Gemisch, das pro vorgeschäumte Polystyrolteilchen 30 g einer 500/oigen wässerigen Dispersion, die ein Acrylesterpolymerisat enthält, beschichtet, so dass nach dem Trocknen eine Schicht von etwa 2 bis 5 mm Dicke auf der Platte vorhanden ist.
Die Platte wird in den Boden einer Form aus glasfaserverstärktem Polyesterharz der Grösse 40 x 40 x 5 cm, die Perforierungen enthält, derart eingelegt, dass die beschichtete Seite nach oben gerichtet ist. Hierauf wird die Form mit dem Gemisch aus vorgeschäumtem Polystyrol, Wasser und Netzmittel gefüllt und anschliessend mit einer Polystyrolplatte von 1 mm Stärke, die, wie oben beschrieben, mit vorgeschäumte Polystyrol beschichtet wurde, bedeckt. Nach dem Verschliessen wird die Form in ein Hochfrequenzfeld von 13,6 MHz mit einer Feldstärke von 500 bis 1000 V/cm eingebracht. Nach 2 min ist der Schäumvorgang beendet.
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Man erhält eine Verbundplatte, die auf der einen Seite eine Metall- und auf der andern Seite eine Polystyrolplatte enthält. Der Schaumstoffkern ist fest mit den Deckplatten verbunden. Arbeitet man in gleicher Weise, wie oben beschrieben, mit unbeschichteten Metall- bzw. Polystyrolplatten, so wird eine Verbundplatte erhalten, von der sich Deckplatten leicht abtrennen lassen.
B eispiel 2 : Man arbeitet in gleicher Weise wie in Beispiel 1 beschrieben, jedoch mit Metallbzw. Polystyrolplatten, die mit einer Schicht aus Korkmehl und einem Klebemittel auf der Grundlage einer Mischung aus Kautschuk und Bitumen beschichtet wurde. Es wird eine Verbundplatte mit guten mechanischen Eigenschaften erhalten.
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ten, gemischt.
Zwei Hartfaserplatten der Grösse 40 x 40 cm mit einer Dicke von 0,25 cm werden beidseitig mit einer Mischung aus 90 Teilen einer Sorgen wässerigen Polyvinylpropionatdispersion und 10 Teilen Roggenmehl beschichtet. Man lagert die Platten so lange bei Raumtemperatur, bis das Dispersionswasser weitgehend verdunstet ist.
In eine Form aus glasfaserverstärktem Polyesterharz der Grösse 40 x 40 x 7 cm, die Perforierungen in den Seitenwänden enthält, wird auf den Boden eine Platte aus Polyvinylchlorid von 2 mm Dicke eingelegt, die vorher mit Polyvinylpropionatdispersion bestrichen worden ist, deren Dispersionswasser man verdunsten liess.
Hierauf wird eine beschichtete Hartfaserplatte aufgebracht, sodann wird die Form mit dem oben beschriebenen Gemisch aus geschäumtem Polystyrol, Holzspänen und Harnstoffharz gefüllt. Auf dieses Gemisch legt man die zweite Hartfaserplatte auf und deckt mit einer vorbeschichteten PVC-Platte von 2 mm Dicke ab. Nach dem Verschliessen wird die Form im Hochfrequenzfeld, wie in Beispiel 1 beschrieben, für die Dauer von 3 min erhitzt.
Man erhält eine Verbundplatte, deren Deckschicht fest mit dem Schaumstoffkern verbunden ist.
Stellt man in gleicher Weise, wie oben beschrieben, eine Verbundplatte lediglich mit Deckschichten aus Polyvinylchlorid her, so lassen sich die Deckschichten von dieser Platte wesentlich leichter abtrennen.