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Verfahren zum Modifizieren von Polystyrolschaumstoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Modifizieren, insbesondere Elastifizieren von Polystyrolschaumstoffen, die nach an sich bekannten Verfahren mit Hilfe von niedrigsiedenden Treibmitteln und/oder sonstigen, Gase abspaltenden Hilfsstoffen im thermoplastischen Temperaturbereich dieses Kunststoffes hergestellt werden.
Schaumstoffe bzw. zellige Formkörper aus Kunststoffen werden heute in grossen Mengen hergestellt.
Man kennt harte, weiche und elastische Schaumstoffe, welche in Abhängigkeit von der Art des verwendeten Kunststoffes, dem Herstellungsverfahren und der Art der erzeugten Zellenstruktur entstehen.
Sie können beispielsweise direkt bei der Herstellung der Kunststoffe durch chemische Reaktion bestimmter Zusätze mit den Ausgangsmaterialien gewonnen werden ; man kann aber auch in die hochmolekularen Kunststoffe unter Druck Gase einarbeiten, die dann bei Druckentlastung den auf den thermoplastischen Temperaturbereich erwärmten Kunststoff schaumförmig auftreiben. Eine weitere Möglichkeit zur Schaumstofferzeugung besteht durch Zusetzen von unter geeigneten Bedingungen wirksam werdenden Treibmitteln zu kunststoffhaltigen Ausgangsmischungen, wie z. B. zu Polyvinylchlorid enthaltenden Plastisolen.
Für thermoplastisch zu verarbeitende Kunststoffe werden unter anderem als Treibmittel auch niedrigsiedende, inerte Substanzen verwendet, die-gegebenenfalls unter Druck - den Kunststoffen beigemischt werden und nach Erweichen des Kunststoffes bei der Verarbeitung in höheren Temperaturbereichen durch ihren Dampfdruck das Kunststoffmaterial expandieren.
Auf diese Weise werden z. B. viele Erzeugnisse auf Basis von Polystyrol hergestellt, wobei als Treibmittel vorzugsweise niedrigsiedende Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Das noch nicht geschäumte Ausgangsmaterial ist in Perl- oder Granulatform auf dem Markt. Es enthält in diesem Zustand bereits das Treibmittel. Die Verarbeitung erfolgt in der Regel so, dass das Ausgangsmaterial unter Wärmeeinwirkung, z. B. in Warmluft, Dampf oder vorzugsweise im Wasserbad in einer ersten Stufe zunächst bis zu einem gewissen Grad, d. h. bis zu einem gewünschten Raumgewicht, vorgeschäumt wird. Dieses bereits mehr oder weniger voluminöse vorgeschäumte Material wird nach dem Abkühlen und gegebenenfalls Trocknen bis zur endgültigen Formgebung gelagert.
Dabei sind je nach dem Grad der Vorschäumung Lagerzeiten von 1/2 bis zu 6 Tagen notwendig, um einen Ausgleich zwischen den Aussenbedingungen und dem Inneren des vorgeschäumten Kornes zu erreichen und ein ausreichendes Nachschäumen des Kornes durch das noch eingeschlossene Treibmittel und die eingewanderte Luft bei der endgültigen Formgebung zu gewährleisten. Kürzere Zwischenlagerzeiten sind nur dann möglich, wenn das vorgeschäumte Material nur bis zu einem Schüttgewicht von etwa 100 g/dm 3 oder darüber vorgeschäumt wurde.
Das gelagerte vorgeschäumte Material, dessen Schüttgewicht für das Raumgewicht des Fertigteiles
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massgebend ist, wird zur Endausschäumung und Formgebung in entsprechende Formen eingefüllt, ge- gebenenfalls eingerüttelt und einer nochmaligen Wärmeeinwirkung unterworfen. Bei kleineren Formen bedient man sich zur Erwärmung wieder eines Wasserbades, bei grösseren wird Dampf angewendet.
Bei diesem Fertigschäumen wachsen die Schaumpartikel gegeneinander, verschweissen unteren- ander an den Komgrenzen und ergeben nach dem Abkühlen ein festes, in den Aussenabmessungen der verwendeten Form entsprechendes zelliges Gebilde. Die Raumgewichte können je nach Schüttgewicht des vorgeschäumten Materials und Füllungsgrad der Formen zwischen etwa 0, 015 und 0, 3 variiert werden.
Ausser der oben beschriebenen Art der diskontinuierlichen Polystyrolschaumherstellung sind in der letzten Zeit auch verschiedene Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Folien oder Platten aus diesem Schaummaterial bekanntgeworden. Man extrudiert dabei das plastifizierte Material aus Breit- schlitzdüsen oder arbeitet nach dem Folienblasverfahren unter Beachtung besonderer maschinentech- nischer und verfahrensmässiger Bedingungen.
Wie schon erwähnt, haben die Polystyrolschäume wegen ihrer Leichtigkeit und der guten Isolier- wirkung eine weite Verbreitung gefunden. Sie besitzen aber auch einige Eigenschaften, die ihre An- wendungsmöglichkeiten für verschiedene Zwecke einschränken oder sogar unmöglich machen.
In der Regel sind Polystyrolschäume in stärkeren, zum Teil aber auch in dünnen Schichten sehr wenig flexibel bzw. elastisch und brechen leicht bei stärkeren Biegebeanspruchungen. Das gilt vor allem für Materialien mit höheren Dichten. Für kleinere Formteile, bei denen eine gewisse Elastizität und Flexibilität notwendig ist, hat man die Verwendung von Polystyrolschaum dadurch möglich ge- macht, dass man ein vorgeschäumtes Material mit sehr geringer, einheitlicher Korngrösse und ganz be- stimmte Vorschäumgrad einsetzt und dadurch die z. B. für Trinkbecher geforderte Biegeelastizität bei gleichzeitiger Formsteifigkeit erzielt.
Weiterhin ist das Schaumgefüge der üblichen Polystyrolschaumstoffe sehr locker und die Oberflächen sind ohne besonderen Folien- oder Furnierüberzug leicht einzudrücken und zu verletzen. Während bei direktgeschäumten Formteilen und Platten die der Formwand anliegenden Oberflächen des Formlings eine glatte und relativ dichte Oberfläche besitzen, bröckelt auf die Dauer bei geschnittenen Platten oder Formteilen das Material unter mechanischer, vor allem reibender Beanspruchung leicht aus. Bei ständiger mechanischer Wechselbelastung kann das Material bleibend zusammengedrückt oder zerrieben werden.
Das Verbinden von Polystyrolschaumstoffteilen mit andern Materialien, wie z. B. Folien und Platten, Geweben usw., bereitet insofern manche Schwierigkeiten, als die Schaumstruktur, insbesondere bei geschnittenen Platten mit offener Zellstruktur, gegen den Einfluss organischer Lösungsmittel besonders anfällig ist. Für solche Verklebungen sind deshalb Spezialkleber und/oder Spezialklebeverfahren notwendig, damit nicht bei der Verklebung die Schaumstruktur zerstört wird und das Material zusammenfällt. Das Ablösen aufgeklebter Deckschichten ist aber auch bei an sich guten Verklebungen durch Abtrennen mitsamt den darunter befindlichen Schaumschichten leicht möglich.
Manche dieser Nachteile treten bei extrudiertem Schaummaterial nicht so stark auf. Es gilt dies besonders bei der Betrachtung der Elastizität und Biegsamkeit in dünnen Schichten. Dieses Verhalten ist aber nicht in allen Materialrichtungen gleichmässig ; es scheint durch eine Orientierung des Materials in der Extrusions- bzw. Blasrichtung bedingt zu sein, was in mancher Weise nachteilig für das Erzeugnis ist.
Eine Elastifizierung von zelligem Material auf Styrolbasis, vor allem gegen Druckeinwirkung, erreicht man durch freies Ausschäumen vorgepresster bzw. vorgesinterter Blöcke oder Platten aus ungeschäumten, aber Treibmittel enthaltenden Polystyrolperlen oder-granulaten in Heissluft oder Dampf, wobei den dabei sehr stark ausgeschäumten Produkten nachträglich ein freies Schrumpfen bei der Abkühlung ermöglicht wird. Solche derart hergestellte geschäumte Platten oder Blöcke haben bei guter Druckelastizität stets eine wellige und in Abhängigkeit von der Kornstruktur unruhige Oberfläche. Das spez. Gewicht ist niedrig und die mechanische Widerstandsfähigkeit gering.
Die Blöcke oder Platten müssen in jedem Fall zur Erzielung massgenauer und ebener Oberflächen geschnitten werden und haben dann eine offene, leicht verletzliche Aussenschicht. Die Biegeelastizität ist jedoch gegenüber normalem Polystyrolschaum verbessert.
Einen ähnlichen Effekt und ähnlich elastisches Material erhält man in technisch einfacherer Weise beim Nachschäumen von auf übliche Art hergestellten Schaumstoffblöcken und-platten in Dampf oder Heissluft mit nachträglichem freiem Abkühlen.
Presst man nach den vorstehend beschriebenen üblichen Verfahren hergestellte Polystyrolschaum-
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stoffplatten oder -blöcke zwischen Pressplatten oder Walzen auf etwa die Hälfte des Ausgangsvolumens zusammen, so erhält man nach der Entlastung ein Material, das eine etwa 25 bis 30% höhere Dichte besitzt als das Ausgangsmaterial, nun aber ebenfalls in gewissen Grenzen biegeelastisch geworden ist.
In stärkeren Schichten ist das Material allerdings bei energischer Biegebeanspruchung immer noch brüchig. Höhere Verdichtungen als oben angegeben sind bei nach üblichen Methoden hergestellten Polystyrolschaumstoffen nicht zu erreichen.
Es wurde nun gefunden, dass man bei geeigneter Kombination zum Teil an sich bereits bekannter Verfahrensschritte ein ausserordentlich biegeelastisches zelliges Material auf Polystyrolbasis, vorzugsweise ein solches höherer Dichte, bei gleichzeitig guter Druckelastizität aus Polystyrolschäumen erhalten kann, die mit Hilfe von niedrigsiedenden Treibmitteln und/oder sonstigen, Gase erzeugenden Hilfsstoffen im thermoplastischen Temperaturbereich dieses Kunststoffes hergestellt werden, wenn man ein die Hilfsmittel enthaltendes, gegebenenfalls vorgeschäumtes Polystyrolvorprodukt nach an sich bekannten Verfahren unter Wärmeeinwirkung, gegebenenfalls in Formen oder Behältern, unter Druck oder auch unter Anwendung von Druckunterschieden ausschäumt, direkt anschliessend rasch, vorzugsweise im Wasserbad, mindestens auf Zimmertemperatur abkühlt und innerhalb der folgenden 2 h,
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Man erhält auf diese Weise unabhängig von der Art des Polystyrolausgangsmaterials und gegebenen- falls ebenfalls unabhängig von der Kornverteilung eines vorgeschäumten Polystyrols ein korkähnliches
Material mit Zellenstruktur, dessen Dichte abhängig ist vom angewendeten Verdichtungsdruck und dem
Vor- bzw. Ausschäumgrad des Polymeren. Das Verfahren kann sowohl mit Polystyrolschaumperlen, die nach bekannten diskontinuierlichen Vorschäumverfahren im Wasser-, Dampf- oder Heissluftbad gewonnen wurden, ausgeführt werden, als auch mit Formkörpern aus zelligem Polystyrol, die z. B. kontinuierlich in Band- oder Profilform durch Extrusion geeigneter Mischungen gewonnen werden.
Als besonders zweckmässig hat es sich erwiesen, für das erfindungsgemässe Verfahren vorgeschäumtes Polystyrolmaterial zu verwenden, wobei alle Vorschäumgrade angewendet werden können. Im Hinblick auf das Endprodukt werden insbesondere Materialien mit Schüttgewichten von 30 bis 150 g/l bevorzugt. Sie liefern, soweit bisher ersichtlich ist, die besten Ergebnisse.
Das Material muss möglichst rasch nach dem Vorschäumen weiterverarbeitet werden und darf im Gegensatz zu den bisherigen Anschauungen, über die Herstellung von Polystyrolschaumstofferzeugnissen keine längere Zwischenlagerung erfahren. Die Weiterverarbeitung soll zweckmässig innerhalb von 2 h, spätestens aber 6 h nach dem Vorschäumen erfolgen, um den Gasaustausch bzw. die Auffüllung des Druckunterschiedes zwischen Aussenatmosphäre und Korninnerem möglichst gering zu halten. Wenn ein wesentlicher Teil des beim Abkühlen nach dem Vorschäumen im Schaumkom entstandenen Vakuums durch Lufteintritt ausgeglichen ist, lässt sich durch das Verdichten nach dem Aus- und Zusammenschäumen eine Elastifizierung des Endproduktes nicht mehr in vollem Umfange erzielen.
Eine merkbare Verschlechterung der gewünschten Eigenschaften des Endproduktes tritt bereits ein, wenn ein Material verwendet wird, das 4 bis 5 h zwischengelagert wurde.
Ein Trocknen der im Dampf- oder Wasserbad vorgeschäumten Partikeln vor dem Ausschäumen ist nicht erforderlich. Es genügt ein gegebenenfalls grobes Abschleudern des anhaftenden Wassers, wenn nicht aus Gründen der besseren Rieselfähigkeit und eines besseren Formfüllungsvermögens doch eine Trocknung vorgenommen wird, in diesem Falle zweckmässig mit Warmluft von maximal 500 C während kurzer Zeit. Für sehr feuchtes Material erhöhen sich die oben angegebenen möglichen Lagerzeiten, u. zw. dann, wenn auf den Schaumstoffkörnern ein geschlossener Wasserfilm zurückbleibt, der so stark ist, dass ein Gasaustausch zwischen Atmosphäre und Korninnerem vermieden wird.
Bereits länger lagerndes Material, bei welchem eine gewisse Auffüllung des Komvakuums stattgefunden hat, kann in untergeordneter Menge zusammen mit frisch vorgeschäumtem Material noch verwendet werden.
Zum Fertigschäumen wird das vorgeschäumte Material z. B. in Form von Perlen, Granulat od. dgl. wie üblich in Formen gefüllt und Temperaturen zwischen 85 und 1100 C ausgesetzt, wobei als Heizmedien sowohl Dampf als auch Heisswasser oder unter Umständen Heissluft dienen, oder die Temperatur mittels elektrisch erzeugter Wärme oder auch durch induktive Erwärmung hervorgerufen werden kann. Beim Ausschäumen in nicht zu grossen Einzelformen werden der Wirtschaftlichkeit wegen mit Vorteil Heisswasserbäder angewendet, durch welche die mit dem vorgeschäumten Material gefüllten Formen an Ketten oder auf Bändern geführt werden.
Für die Dichte und die übrigen mechanischen Eigenschaften des Endproduktes ist, wie schon er-
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wähnt, der Schäumungsgrad des vorgeschäumten Materials, d. h. dessen Schüttgewicht, von grosser Bedeutung, wie auch in gewissem Masse die Korngrössenverteilung, von der die Packungsdichte abhängig ist. Daneben wird durch den Füllungsgrad der Formen der durch das verdampfende, restliche Treibmittel hervorgerufene Innendruck und damit die Verschweissung der Schaumkömer sowie die mechanische Festigkeit des Endproduktes beeinflusst. Zu geringe Füllung bedingt naturgemäss geringen Druck und ein sehr lockeres Endmaterial, das geringe Festigkeit besitzt, auch nach dem anschliessenden Pressen leicht auseinanderbricht und wenig elastisch ist.
Ein hoher Füllungsgrad gibt bereits vor dem Verpressen Formteile mit hoher, dem vorgeschäumten Material ähnlicher Dichte und guter Verschweissung der Teilchen ; die Teile besitzen dann allerdings auch eine höhere Biegesteifigkeit.
Die notwendigen Ausschäumzeiten richten sich bekanntlich nach der auszuschäumenden Schichtdicke, dem angewendeten Heizverfahren und der Höhe der angewendeten Temperatur. Sie sind durch Vorversuche leicht zu ermitteln.
Nach dem Ausschäumen wird das Polystyrolmaterial sofort möglichst rasch und weitgehend abgekühlt. Bei diskontinuierlichem Arbeiten erreicht man dies zweckmässig dadurch, dass man die Formen sofort nach der Entnahme aus dem Heisswasserbad in einem Kaltwasserbad abkühlt und dabei gewissermassen den ausgeschäumten Zustand einfriert. Ein Zusammenfallen des Schaumes erfolgt dabei nicht.
Noch ehe eine Auffüllung des durch die Abkühlung der Treibgase im einzelnen Korn entstandenen Vakuums erfolgen kann, wird zweckmässig sofort bis etwa 1/2 h nach der Entnahme aus dem Kühlbad,
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solange das Wasser aus dem Kühlbad auf dem Schaumstoff noch nicht abgetrocknet ist. Der Verdichtungsgrad ist abhängig von der Ausgangsdichte und dem Pressdruck, die Volumsverminderung beträgt in der Regel mindestens 50 bis 7 Wo.
Das Verdichten kann noch in der Ausschäumform erfolgen, soweit diese auch als Pressform ausgebildet ist. Der Pressvorgang kann aber auch nach dem Entfernen aus der Form beim Durchgang von z. B.
Blöcken oder Platten zwischen Presswalzen oder Profilwalzen vorgenommen werden, ebenso wie in diskontinuierlich arbeitenden Flächenpressen. Bei diesem Verfahrensschritt ist es möglich, in bestimmten Grenzen zwei-oder dreidimensionale Verformungen, sowie die Prägung von Oberflächenstrukturen vorzunehmen. Man kann bei dieser Arbeitsweise weiterhin sogleich oder nachträglich mit oder ohne zusätzliche Hilfsmittel Oberflächenschichten aufkaschieren oder auflaminieren, wie z. B. Kunststofffolien, Metallfolien, Furniere, Papiere, Gewebe, Gewirke, Vliese od. dgl., soweit solche Oberflächenschichten nicht bereits durch Einlegen von entsprechenden Einlagen in die Formen beim Ausschäum- vorgang direkt aufgebracht wurden.
Platten und Bänder des erfindungsgemäss modifizierten bzw. elastifizierten Polystyrolschaumes kann man auch in kontinuierlicher Arbeitsweise erhalten, wenn man sich zur Herstellung des Schaumes z. B. eines an sich bekannten Verfahrens bedient, bei welchem vorgeschäumtes Material stetig einem z. B.
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wird. Im Anschluss an den Vorgang in der Heizzone wird das Material gekühlt und dadurch die Schaumstruktur verfestigt. Nach dem Ausstossen aus dem Kanal wird das Schaumstoffband erfindungsgemäss sofort zwischen Walzen verdichtet.
Platten und Bahnen können aber auch aus grösseren geschäumten Körpern, z. B. Blöcken oder Walzen dadurch gewonnen werden, dass man Bänder oder Platten sofort nach oder noch während des Abkühlens der genannten Körper von ihnen abtrennt und diese dann möglichst sofort anschliessend z. B. in einem Walzenspalt verdichtet. Das Abtrennen kann mittels Sägen, Bandmessem oder Glühdrähten erfolgen. Durch das kontinuierliche Abschälen, z. B. von einem geschäumten walzenförmigen Körper noch während des Kühlens, kann die Gesamtabkühlzeit von solchen stärkeren Schaumkörpem wesentlich vermindert werden.
Es muss allerdings besonders darauf geachtet werden, dass die Schälgeschwindigkeit mit der Kühlgeschwindigkeit in der Weise abgestimmt ist, dass stets eine genügend stark gekühlte und stabile Aussenschicht vorhanden ist, die den im Inneren des noch warmen Körpers herrschenden Druck aufnehmen kann, so dass ein Aufreissen oder Auftreiben der Aussenschicht vermieden wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich mit besonderem Vorteil auch auf nach bekannten kontinuierlichen Extrusionsverfahren hergestellte zellige Folien oder Platten aus Polystyrol anwenden, die-wie bereits ausgeführt-oftmals bereits eine gewisse richtungsgebundene Biegsamkeit und Elastizität besitzen können. Hiebei wird direkt nach der Extrusion oder aber nach einem der Extrusion un-
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