<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft ein stossdampfendes Verpackungsteilchen aus formbarem thermoplastischen Kunststoff, in Form eines Abschnittes eines extrudierten Stranges, welcher von einem gemeinsamen Zentrum ausgehende Arme hat, die jeweils nach der gleichen Richtung gekrümmt sind.
Solche Verpackungsteilchen sind unter der Bezeichnung "Verpackungschips" seit längerer Zeit bekannt. Eine Vielzahl solcher Verpackungsteilchen bildet eine schüttbare
Masse, welche aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften das Verpackungsgut vor Transportschäden bewahren soll. Gewünscht sind zur Erhaltung dieses Effektes eine ausreichende mechanische Stabilität der Teilchen, aber in Kombination mit einer genügenden Elastizität ihres Querschnittes, weiters eine gute Fliessfähigkeit der von den Teilchen gebildeten Masse und ein genügender Widerstand der einzelnen Teilchen, gegen die Neigung, sich aneinander zu verhaken
Die Herstellung solcher Verpackungsteilchen erfolgt zumeist im Extrusionsverfahren.
Dabei wird in einem Extruder die thermoplastische Formmasse aufgeschmolzen und mit einem Treibmittel und Additiven vermischt, gekühlt und durch eine Düse mit gewünschter Lochgeometrie gedrückt und hierauf in die einzelnen Partikel zerteilt. Der Querschnitt der Düse ist vom Einfluss auf die Gestalt des endgültigen Verpackungsteilchens.
Nach dem Austritt aus der Düse können die erhaltenen Formmassepartikel entweder sofort expandieren gelassen werden oder es werden die Partikel zunächst durch Kühlung in einem Wasserbad in ihrer Form fixiert und später in einer Vorschäumanlage expandiert, wobei durch Bedampfung der Partikel mit Wasserdampf die Formmasse erweicht und durch das vorhandene Treibmittel weiter aufgebläht wird.
Als Formmassen kommen vorzugsweise thermoplastische Homo- und Copolymere in Frage. Beispiele für diese Polymere sind Polystyrol und Mischpolymerisate des Styrols mit anderen Verbindungen, wie z.B. a-Methylstyrol, Acrylnitril, Maleinsäureanhydrid, Butadien, Divinylbenzol.
Als Treibmittel kommen vorzugsweise unter Normalbedingungen gasförmige oder flüssige Kohlenwasserstoffe in Frage, die einen Siedepunkt unterhalb des Erweichungspunktes des Polymerisates haben . Typische Vertreter dieser Verbindungen sind Propan, Butan, Pentan und Hexan.
Weiters können alle üblichen Hilfsstoffe wie Nukleierungsmittel, Flammschutzmittel, UV-Stabilisatoren, Weichmacher, Pigmente, Antioxidantien und Säurefänger eingesetzt werden.
Als Coatingmaterialien, welche beim Vorschäumprozess ein Verkleben der einzelnen Partikel verhindern sollen, kommen z. B. Stearate des Glycerins oder des Zinks zum Einsatz.
Die beschriebenen Vorgangsweisen bedingen somit auch Anforderungen an die Expandierbarkeit der Partikel.
<Desc/Clms Page number 2>
Diesen Anforderungen konnten die bisher bekannten Verpackungsteilchen der eingangs beschriebenen Art nicht völlig genügen. Insbesondere war die erhaltene
Schüttdichte der von den Partikeln gebildeten schüttbaren Masse unbefriedigend, da es sich gezeigt hat, dass die bekannten Querschnittsformen der Partikel (S-Form, E-Form,
Biskottenform usw. ) dazu neigen, dass sich benachbarte Partikel in der Masse verhaken bzw. so aneinander zur Anlage kommen, dass nur ungenügend Hohlraum zwischen benachbarten Verpackungsteilchen verbleibt. Dies reduziert die Elastizität der von einer
Vielzahl solcher Verpackungsteilchen gebildeten Masse und erhöht deren Schüttgewicht.
Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, diese Nachteile zu vermeiden und stossdämpfende Verpackungsteilchen der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, dass bei Erhaltung guter Eigenschaften hinsichtlich mechanischer Stabilität,
Expandierbarkeit, Elastizität und Fliessfähigkeit der einzelnen Teilchen deren
Verhakungseigenschaften im Vergleich zu den bekannten Ausführungsformen wesentlich verbessert werden. Weiters wird ein sehr niedriges Schüttgewicht der von den Teilchen gebildeten Masse angestrebt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass am stossdämpfenden Verpackungsteilchen zumindest drei jeweils nach der gleichen Richtung gekrümmte Arme vorhanden sind und dass der Endabschnitt jedes Armes und der ihm benachbarte Arm eine Ausnehmung des Querschnittes begrenzen und zugleich eine Sperre gegen Einschieben eines Armes eines gleichartigen anderen Verpackungsteilchens in diese
Ausnehmung bilden. Durch diese Einschubsperre werden benachbarte Verpackungsteilchen an einer gegenseitigen Verhakung gehindert, auch wenn diese Teilchen durch Stösse oder das Gewicht des verpackten Gutes belastet werden.
Auf diese Weise werden zwischen benachbarten Teilchen und auch innerhalb der Querschnittsform jedes Teilchens Hohlräume auch bei Belastung gewahrt, welche die Elastizität der von den Teilchen gebildeten Verpackungsmasse erhöhen und zugleich das Schüttgewicht der Verpackungsmasse gering halten. Hiebei kommt es bei mechanischer Belastung zur Abstützung jedes Armes am Rücken des benachbarten Armes. Nach Entlastung federn die Arme wieder in ihre ursprüngliche Position zurück. Mit geringen Wandstärken und somit geringem Materialverbrauch lässt sich somit eine hohe mechanische Stabilität erreichen. Die Vermeidung eines gegenseitigen Ineinanderhakens benachbarter Teilchen verbessert weiters sowohl die Fliessfähigkeit des Materiales als auch das erreichbare Schüttgewicht.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jeder Arm U-förmig gekrümmt. Weiters ist es zweckmässig, wenn die Arme einander gleiche Gestalt und Grösse haben. Beide Massnahmen bringen Vorteile bei der Herstellung der zur Erreichung des gewünschten Teilchenquerschnittes erforderlichen Düsengestalt. Aus den gleichen Grünen ist es zweckmässig, wenn erfindungsgemäss die Wandstärke der Arme überall gleich ist, wenngleich auch Arme mit nach aussen abnehmender Wandstärke denkbar wären. Natürlich
<Desc/Clms Page number 3>
sind hiebei durch Ungleichmässigkeiten der Aufschäumung bedingte
Herstellungsungenauigkeiten zu vernachlässigen.
Es hat sich gezeigt, dass sich mit einfachen Mitteln eine günstige Ausführung der
Sperre gegen Verhakung ergibt, wenn erfindungsgemäss die Krümmung der Arme unmittelbar nach dem Zentrum beginnt und die Arme vorzugsweise um gleiche Winkel relativ zueinander versetzt sind. Hiebei besteht eine besonders günstige Ausführungsform im
Rahmen der Erfindung darin, dass das freie Ende jedes Armes gegen den Rücken des benachbarten Armes zu gerichtet ist, diesen Rücken jedoch nicht berührt und im Abstand von diesem Rücken endet, wobei eine gedachte Verlängerung der Innenkontur dieses freien
Endes einen Abstand von der Aussenkontur dieses benachbarten Rückens hat, der 0 bis 1/3 der Wandstärke des Armes beträgt oder diese Aussenkontur geringfügig schneidet. Dies ergibt bestmöglichste Ergebnisse bei der Verhinderung eines Verhakens benachbarter Teilchen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch veranschaulicht. Fig. 1 zeigt ein einzelnes Verpackungsteilchen in axonometrischer Darstellung. Fig.2 zeigt mehrere aneinander anliegende Teilchen, ebenfalls in axonometrischer Darstellung. Fig.3 zeigt die elastische Verformung eines Teilchens bei Belastung und Fig.4 zeigt an Hand unregelmässig aneinandergefügter Querschnitte mehrerer Verpackungsteilchen die Verhinderung der Verhakung.
Das einzelne Verpackungsteilchen 1 nach Fig. 1 besteht aus thermoplastischem Kunststoff und ist von einem Abschnitt eines durch eine Düse extrudierten Stranges gebildet.
Der Querschnitt des Partikels hat drei sternförmig um gleiche Winkel relativ zueinander versetzt angeordnete Arme 2, die von einem gemeinsamen Zentrum 3 ausgehen und jeweils nach der gleichen Richtung gekrümmt sind, und zwar in der Form eines U. Dadurch entsteht zwischen dem Endabschnitt 4 jedes Armes 2 und dem Rücken 5 des benachbarten Armes 2 eine Öffnung 6, welche zu einer Ausnehmung 7 innerhalb der beiden Schenkel des U des Armes 2 führt. Im unbelasteten Zustand des Verpackungsteilchens 1 bleibt diese Öffnung 6 offen.
Wird jedoch das Verpackungsteilchen durch Druck von aussen belastet, wie dies Fig.3 zeigt, etwa durch Druck in Richtung der Pfeile 8, dann bewirkt dies eine elastische Verformung der Arme 2 derart, dass sich die Öffnung 6 ganz oder teilweise dadurch schliesst, dass sich der Endabschnitt 4 des betreffenden Armes 2 dem Rücken 5 des benachbarten Armes nähert oder an diesen Rücken 5 zur Anlage kommt. Es entstehen dadurch mehr oder weniger abgeschlossene Ausnehmungen 7, welche das Schüttgewicht aneinander anliegender Teilchen 1 (Fig.2) gering halten und für eine weitere Reserve an Elastizität des Teilchens sorgen. Hört der Druck auf das Teilchen 1 auf, so gehen die Teilchen elastisch wieder in die Ausgangslage (Fig.1) zuruck.
Benachbarte Teilchen liegen bei regelmässiger Anordnung etwa so aneinander an, wie dies Fig.2 zeigt. Dadurch werden in der so gebildeten Verpackungsmasse sowohl
<Desc/Clms Page number 4>
Hohlräume innerhalb einzelner Teilchen als auch zwischen diesen gewahrt, welche das
Schüttgewicht gering halten und für Elastizität der Verpackungsmasse und damit für gute stossdämpfende Eigenschaften sorgen. Hiebei kann es nicht zu Verhakungen benachbarter
Teilchen und damit zu einer Verringerung der Schüttfähigkeit der von den Teilchen gebildeten Masse oder einer Erhöhung des Schüttgewichtes kommen, da jedes Teilchen 1 eine Sperre gegen Einschieben eines Armes 2 eines anderen Teilchens hat.
Diese Sperre ist bei der dargestellten Ausführungsform dadurch gebildet, dass die U-förmige Krümmung der Arme 2 unmittelbar nach dem Zentrum 3 beginnt und der freie Endabschnitt 4 jedes
Armes 2 derart gegen den Rücken 5 des benachbarten Armes 2 gerichtet ist, dass er im entspannten bzw. unbelasteten Zustand des Teilchens 1 diesen Rücken 5 nicht berührt und in Abstand von diesem Rücken 5 endet, so dass die Öffnung 6 verbleibt. Eine gedachte
Verlängerung 11der Innenkontur (Innenwand) 9 dieses Endabschnittes 4 hat hiebei einen
Abstand von der Aussenkontur (Aussenwand) 10 des benachbarten Rückens 5, welcher in Fig. 1 in drei Varianten dargestellt ist : den links unten liegenden Arm 2 beträgt dieser
Abstand 0, so dass also diese gedachte Verlängerung 11 die Aussenkontur 10 des Armes 2 tangiert.
Für den in Fig. 1 oben dargestellten Arm 2 läuft die gedachte Verlängerung 11 in geringem Abstand an der Aussenkontur 10 vorbei, für den rechts unten dargestellten Arm 2 schneidet die gedachte Verlängerung 11 die Aussenkontur 10 geringfügig. Ähnliche
Verhältnisse sind in Fig.4 dargestellt, wobei mehrere Teilchen 1 in unregelmässiger
Anordnung aneinander liegen, so dass bei einzelnen Teilchen 1 die Arme 2 nach rechts gekrümmt sind, bei einem anderen Teilchen 1' hingegen nach links.
Die beschriebene Sperre hat zusammen mit der Krümmung der Arme 2 den Effekt, dass die Formgebung der Teilchen 1 eine Verhakung benachbarter Teilchen verhindert, selbst wenn die Öffnung 6 eine Weite hat, die grösser ist als die Wandstärke eines Armes 2, welche aus Herstellungsgründen in der Regel nicht nur für jeden Arm 2 gleich ist, sondern sich auch, ausgehend vom Zentrum 3 bis zum Endabschnitt 4 des Armes nicht ändert. Wie aus Fig.4 insbesondere bei Betrachtung der beiden rechts oben liegenden Teilchen 1 ersichtlich ist, bewirkt die Krümmung des Armes 2, dass der Arm 2 des benachbarten Teilchens 1 nicht durch die Öffnung 6 in die Ausnehmung 7 eingeführt werden kann, da sich zuvor zwei Arme 2 des einen Teilchens 1 an zwei Arme 2 des anderen Teilchens anlegen.
Dadurch bleiben auch bei enger Packung der einzelnen Teilchen 1 sowohl die von jedem einzelnen Teilchen 1 begrenzten Ausnehmungen 7 gewahrt, als auch die zwischen aneinander anliegenden Teilchen 1 verbleibenden Hohlräume 12. Dies erhöht einerseits die Elastizität der von den aneinander anliegenden Teilchen gebildeten Verpackung und vermindert anderseits deren Schüttgewicht.
Die Teilchen 1 müssen in der Verpackungsmasse selbstverständlich nicht mit ihrer Achsrichtung ausgerichtet nebeneinander liegen, wie dies Fig. 2 zeigt, vielmehr wird sich durch die Schüttung der Teilchen in der Verpackung eine unregelmässige Lage benachbarter
<Desc/Clms Page number 5>
Teilchen ergeben. Es können jedoch auch ausgerichtete Teilchen miteinander verbunden werden, etwa durch Verschweissung
Jedes Teilchen 1 ist von einem Abschnitt eines extrudierten Kunststoffstranges gebildet. Die Länge dieses Stranges ist im Prinzip gleichgültig, es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich besonders günstige Schüttverhältnisse ergeben, wenn die in
Längsrichtung des Stranges gemessene Abmessung des Teilchens in derselben Grössenordnung liegt wie seine quer zu dieser Richtung gemessenen Abmessungen.
Bei einer praktischen Ausführungsform betrug die in Stranglängsrichtung gemessene Teilchenabmessung 9 mm, seine quer zu dieser Richtung gemessenen grössten Abmessungen etwa 6 mm.
Wenn - was aus Herstellungsgründen und um überall die gleiche Sicherheit gegen Verhakung zu erreichen, zweckmässig ist - die Gestalt und Grösse aller Arme 2 gleich ist, dann lässt sich, wie dies in Fig.4 für das links unten liegende Teilchen gezeigt ist, in den Querschnitt des Teilchens 1 ein gleichseitiges Dreieck einschreiben, das in Fig.4 mit strichpunktierten Linien in das Teilchen 1 eingezeichnet ist. Die Seitenlänge a dieses gleichseitigen Dreieckes betrug bei einer praktischen Ausführungsform 5 mm.
Wie ersichtlich, ergeben sich im wesentlichen gleiche Vorteile, wenn das Teilchen 1 mehr als drei Arme hat, etwa vier oder fünf Arme. Da die Kosten der Düse jedoch mit der Armanzahl steigen, empfiehlt es sich, die Armanzahl nicht zu gross zu machen.
Beispiel:
Polystyrol mit einem Molekulargewicht von etwa 220 000 wurde in einem Extruder aufgeschmolzen, mit 6,3 Gew. -% Pentan versetzt, auf etwa 120 C abgekühlt und durch eine Lochdüse gepresst, deren Form der in den Fig. 1 bzw. 4 dargestellten Form der Teilchen 1 entsprach. Die entstehenden Stränge, deren Querschnittabmessung etwa 5 mm betrug, wurden in einem Wasserbad unter die Erstarrungstemperatur gekühlt und anschliessend mittels Stranggranulator auf eine Länge von 9 mm granuliert.
Das entstandene Granulat wurde mitfür diesen Zweck üblichen Coatingmaterialien beschichtet, um ein Verkleben während des Aufschäumvorganges zu verhindern und anschliessend in einem diskontinuierlichen Vorschäumer auf eine Dichte von 9 g/1 vorgeschäumt.Nach einer Zwischenlagerung von 24 Stunden wurde das vorgeschäumte Granulat in einem kontinuierlichen Vorschäumer nachgeschäumt. Nach weiteren 24 Stunden wurde dieser Vorgang nochmals wiederholt.
Die erreichte Schüttdichte betrug 3,2 g/1
Zum Vergleich betrug die Schüttdichte bei Teilchen, die in der gleichen Weise wie oben hergestellt wurden, deren Form jedoch einem E entsprach, 5,0 g/1 Die durch die erfindungsgemässe Querschnittsform erzielte Verbesserung der Schüttdichte betrug also, bezogen auf die zuvor erwähnte bekannte Ausführungsform, etwa 36%.
<Desc/Clms Page number 6>
Wie eingangs erwähnt, lassen sich Verpackungspartikel der einschlägigen Art in zwei grundsätzlichen Verfahrenvarianten herstellen. Die eine Variante sieht eine Aufschäumung der extrudierten Strangpartikel schon an der Extrusionsdüse vor. Die andere Verfahrensvariante fixiert die extrudierten Strangpartikel zunächst in ihrer Form und führt eine Aufschäumung erst später durch sogenannte Vorschäumung durch, wobei diese Aufschäumung mehrstufig erfolgen kann. Die bisher angegebenen Massangaben für die Verpackungsteilchen gelten für die zuletzt erwähnte Verfahrensvariante, also für noch aufschäumbare Verpackungsteilchen. Für die erstgenannte Verfahrensvariante sind die Abmessungen grösser, das Ausmass der Vergrösserung hängt ab vom Grad der Expansion, wobei eine etwa 50fache Vergrösserung durchaus erreichbar ist.
Die beschriebene Gestalt der Teilchen gilt jedoch für beide Verfahrensvarianten, denn die beschriebene Form der Teilchen ändert sich durch auf Aufschäumung nicht wesentlich.