Verfahren zur Herstellung von Zellkörpern.
Es sind verschiedene Verfahren vorge- schlagen worden, um Zellkörper mit geschlos- senen Zellen herzustellen. Diese umfassen grundsätzlieh zwei Gruppen :
Die erste Gruppe betrifft Verfahren, nach welchendasAufblähendurchExpansion von Gasen erfolgt, die durch Zersetzung von Treibmitteln in der Masse selbst erzeugt und darin gelöst wurden ; die zweite Gruppe betrifft solche Verfahren, bei welehen die Gase von aussen unter Druck in die Masse hineingepresst von dieser aufgenommen wurden und dann unter Zellbildung zur Expansion gebraeht werden.
Die Verfahren der ersten Gruppe haben den Naehteil, dass Treibmittel benötigt werden, welche nicht nur teuer sind, sondern auch fremde unerwünschte Bestandteile in der Masse hinterlassen, und dass ferner bei deren Verarbeitung hohe Temperaturen zur Zersetzung des Treibmittells erforderlich sind.
Man hat daher in der Praxis hauptsäeh lich Verfahren der zweiten Gruppe durch- geführt. Auch sie weisen jedoch noeh versehiedene Nachteile auf, nämlich : 1. Man benötigt sehr hohe Drucke, z. B. bis 500 Atm, um die Gase in der Masse zur Aufnahme zu bringen. Dies erfordert entsprechend dickwandige Autoklaven. Diese sind nicht nur sehr teuer, sondern haben auch den Nachteil, dass darin keine Formkörper auf praktisehe Art hergestellt werden können.
2. Stoffe, wie Kautsehukmisehungen, besonders aber Kunststoffe, haben nur eine geringe Aufnahmefähigkeit für Gase. Daher ist in der Masse die Eindringtiefe der von aussen einwirkenden Gase gering. Man kann infolgedessen entweder nur verhältnismässig dünne Zellkörper herstellen, oder man erhält, will man dickere Zellkörper herstellen, solche mit einer unregelmässigen Struktur, die im Innern massive unaufgeblähte Stellen besitzen.
3. Der Gasaufnahmevorgang erfordert lange Zeiten. Selbst bei Kautschuk, der noch eine bessere Aufnahmefähigkeit als Kunststoffe für Gase hat, dauert er bei dünnen Platten in der Praxis etwa 2 Stunden. Will man jedoch dickere Platten herstellen und auch im Innern eine genügende Aufnahme von Gasen erreichen, so muss man die Gaseinwirkung auf sehr lange Zeiten, z. B. bis auf 24 Stunden, ausdehnen. Nach einem besonderen Verfahren, bei dem die Zellkorper aus Kunststoffen hergestellt werden, dauert der Gasaufnahmevorgang etwa 6 Stunden.
Die Expansion soleher Kunststoffmassen zu Zellkörpern gelingt infolge der geringen aufgenommenen Gasmenge nur unter besonders schwierigen Umständen. Wan erhält dabei infolge der geringen Gasaufnahme nur verhältnismässig sehwere und daher unbefriedigende Zellkörper.
Es wurde gefunden, dass man unter gewissen Bedingungen mit Gasen arbeiten kann, ohne die oben genannten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Dieses Verfahren betrifft die Herstellung von Zellkörpern a. us da. f r geeigneten Kunststoffen, wie z. B.
Polyvinylchlorid, Polystyrol, Celluoseacetat und dergleichen, und beruht auf folgender Beobachtung und folgenden neuen Erkenntnissen.
Die in den bisherigen Verfahren genannte Gasaufnahme ist in der Praxis effektiv eine Gaslösung. Es ist bekanntlich sehr schwierig, grössere Mengen von Gasen, wie z. B. 1 bis 3 Gew. /e bezogen auf die Ausgangsmisehung, in einem festen Körper in Lösung zu bringen.
Es war daher die allgemeine Meinung, man n müsse den Korper durch Erwärmen in den pastig-flüssigen Zustand überführen, um die Gaslosung zu erleichtern oder überhaupt zu ermöglichen. Mit solch heissen pastig-flüssi- gen Massen war die Gaslosung aber immer noch sehr träge, da die Oberfläche der Masse, auf welche die Gase einwirken können, ver hä. ltnismässig klein ist, und bekanntlich sich der Gaslösevorgang an der Oberfläche abspielt. Auch ist die Gasl¯sung in der Wärme schwieriger und erfordert viel höhere Drucke als in der Kälte.
Der gefundene neuf reg geht nun dahin, die Masse in einen solchen Zustand zu bringen, der für die Aufnahme von Gasen besonders geeignet ist, und gleichzeitig eine mög- lichst grosse Oberfläche ergibt, welche eine Gaslösung in grösserem Umfange in der ganzen Masse rasch zustandekommen lässt.
Das Verfahren kann wie folgt durchgeführt werden : a) Mit Hilfe von Lösungs-oder Weichmachungsmitteln und sonstiger geeigneter Ma- nipulationen, wie Rühren, ErwÏrmen usw., wird aus dem Kunststoff ein trockenes, krümeligkömiges Pulver hergestellt, das dem Gasdurchgang mechanisch keinen Widerstand entgegensetzt und durch eine m¯glichst. ausgedehnte Oberfläche eine sehnelle Gasauf- nahme in grosser Menge gestattet. b) Einfüllen des lockeren, krümeligkörnigen Pulvers in eine bewegliche zusam menpressbare Form und vorzugsweise Ein- pressen eines indifferenten Gases in dieselbe bei höheren Drüeken, z.
B. et. wa 10 bis 30 Atm. c) Zusammenpressen der Form auf ein kleineres Volume. Hierdureh steigt der Gasdruck in der Form stark an, vorzugsweise bis auf 100 bis 300 Atm,unter Verdichtung des lockeren, krümeligen Pulvers. d) Erwärmen der Form zur GTelatinierung und Homogenisierung der Masse. e) Abkühlen der Form mit der Masse, entlasten vom Druck und Expansion der geformten Masse durch ErwärmungunterBildung des Zellkörpers.
In diese Kombination sind die Merkmale a, b und c durchaus neu, während die Merkma. le d und e an sich bekannt sind. Neu ist jedenfalls die Anwendung der genannten Merkmale in der dargelegten Kombination und Reihenfolge. Im folgenden werden nun die einzelnen Merkmale eingehender besprochen :
Merkmal a :
Ein wesentliches und für die Herstellung von Zellkörpern aus geeigneten Kunststoffen neues Merkmal besteht darin, dass man die Kunststoffe in Mischung mit L¯sungs- oder Welchmaehungsmitteln im Zustande eines trockenen, krümeligkornigen Pulvers behandelt.
Es wurde nämlich gefunden, dass dieser lockere, körnige Zustand der Lösungs-oder Weiehmaehungsmittel enthaltenden Masse von massgebender Bedeutung ist, um eine gleichmässige hohe Gasl¯sung in der ganzen Masse zu erha. lten.
Da die Kunststoffe an und für sich keine oder nur geringe Gaslosfähigkeit besitzen, ist es für das vorliegende VeWahren wesentlich, dieselben mit L¯sungs- und/oder Weichmachungsmitt. el zu vermisehen, welehe bereits bei gew¯hnlicher Temperatur unter hohem Druck ermöglichen, eine Gaslosung herbei zuführen. Wichtig ist, dass nur solehe Zu- sÏtze verwendet werden, welche eine gewisse minimale L¯se- bzw. Quellfähigkeit für den Kunststoff aufweisen. Nichtl¯semittel sind für das vorliegende Verfahren nicht geeig- net.
Bei deren Verwendung scheidet sich der Kunststoff wÏhrend der Verarbeitung als kompakte Masse aus. Die Lösungs-und Weichmachungsmittel können allein oder als Gemische verwendet werden. Ihre Art und die Zusammensetzung der Gemische wird jeweils derart gewÏhlt, da¯ sie f r den Fabrika- tionsprozess und für das gewünschte Endpro- dukt am geeignetsten sind.
Zur Herstellung von harten Zellkörpern vermischt man einen zur Herstellung von Zellkörpern geeigneten Kunststoff mit Lö sungs-und/oder Weiehmachungsmittel mit relativ niedrigem Siedepunkt, die aus dem fertigen Zellkörper wieder entfernt werden können. Bei der Herstellung von weichen Kunststoffen verwendet man Lösungs-und/ oder Weiehmaehungsmittel mit hohem Siedepunkt, die nieht flüehtig sind und im Zellkörper erhalten bleiben. CTleiehzeitig können jedoch auch flüchtige Lösungsmittel mitverwendet und dann aus dem weichen Zellkörper verflüehtigt werden.
Versuehe zeigten, dass es möglich ist, die meisten Kunststoffe zusammen mit Lösungs- und/oder Weichmachungsmitteln durch richtige Auswahl der Stoffe und der Mengenver- hältnisse in die gewünsehte loekere, krümelig- körnige Form überzuführen. Massgebend ist dabei, dass die Mischung in keinem Fall einen pastigen, breiigen Zustand annehmen darf, wie dies normal beim Verarbeiten der meisten Kunststoffe mit Weiehmachungsmitteln der Fall ist, und auch bisher für die Herstellung von Zellkörpern als zweckmässig vorgeschla- gen wurde.
Niedrigsiedende Lösungsmittel werden bei riehtiger Dosierung von den Kunststoffen aufgesaugt und ergeben damit direkt troekene, gequollene Körner. Verwendet man dagegen höher siedende Lösungs- mittel, allgemein als Weichmacher bezeichnet, so ergeben dieselben bei dem übliehen Vermi schen oft eine breiige oder pastige Masse, be- sonders wenn der Gehalt an Weichmachungs- mittel relativ hoeh ist.
Erfindungsgemäss gelingt es nun regelmässig auch Mischungen mit grösseren Mengen an sogenannten Weich- maehungsmitteln in einem körnigen Zustand herzustellen, wenn man zunäehst eine Mi schung unter Zusatz leicht flüchtiger Lösungs- mittel vornimmt und erst dann das hoehsiedende Lösungsmittel (Weichmachungsmittel) naehträglieh zusetzt. Das fl chtige Lösungs- mittel kann dann verfl chtigt werden, ohne dass die lockere, krümeligkornige oder kleinfloekige Masse ihre Konsistenz verändert. Es tritt kein pastenartiger Zustand ein. Wird dagegen die Masse in Form grösserer kompakter Floeken oder Klumpen erhalten, so ist sie für das vorliegende Verfahren nicht geeignet.
Man erhält unregelmässige, zusam mengesinterte Zellkörper mit grösseren Lunkern.
Das lockere, krümeligkörnige Pulver wird in diesem lockeren Zustande in die Form eingefüllt und muss nun auf eine ganz bestimmte Weise gemäss den Punkten b und e weiter verarbeitet werden, damit daraus ein hoehwertiger Zellkörper entsteht.
. 3Ies7emal b :
Die Gasdruekerhöhung wird in erster Linie durch das Zusammenpressen der Form lerbeigeführt. Dies erfolgt vorzugsweise, indem man in die Form. einen beweglichen Stempel einführt, wobei man durch eine zweekentspreehende Abdichtung das Gas am Entweichen verhindert. Arbeitet man n ohne zusätzliche Einführung von Pressgas in die Form, so wird die Crasdruekerhöhung durch Zusammenpressen der in der Form bei gewohnlichem Druck befindlichen Gasmenge, meistens der in der Form befindlichen Luft, herbeigeführt. In diesem Falle wird die Form nur teilweise mit dem lockeren Material gefüllt und es ist dann das freie Gasvolumen im Innern der Form für den Kompressionsgrad massgebend.
Vorteilhafterweise wird man je- doch zur Verringerung der Abmessung der Form vorkomprimiertes Gas in dieselbe einführen. In diesem Fall genügt es, mit ganz geringen freien Gasvolumina zu operieren, so class man die Form fast vollständig mit dem lockeren Material ausfüllen kann. Man kann z. B. zu diesem Zweck ein Gas mit 10 bis 30 Atm in die Form einführen. Um das Gas am Entweichen durch die Zuführungsleitung für das Pressgas beim Zusammenpressen der Form zu verhindern, ist ein Rückschlagventil in die Leitung eingebaut.
Die Verwendung einer zusammenpress- baren Form, wonach das Zusammenpressen durch Einführen eines beweglichen gegen die Form gut abgedichteten Stempels in die Form erfolgt, ist eine neuartige Ausführungs- form zur Durchführung der vorliegenden Erfindung. Das Zusammenpressen der Form selbst kann vorteilhafterweise in einer hydraulischen Presse erfolgen. ller7cmal c :
Nachdem die zur Verwendung gelangende Form mehr oder weniger mit dem lockeren, krümeligen Material gefüllt wurde, wird vor Beginn der Heizung der Stempel der Form soweit heruntergeführt, bis die in der Form vorhandenen Gase auf den gewünschten hohen Druck zusammengepresst sind und ausserdem eine mechanische Verdichtvmg des Materials stattfindet.
Die Gasmenge, die sich zwischen dem fein verteilten pulverigen Material befindet, wird beim weiteren Vorschub des Kolbens durch Erhöhung des Gasdruckes und der immer stärkeren Verdiehtung des Materials automatisch im Kunststoffgemisch gelöst. Die Verdichtung des Materials soll soweit erfolgen, dass, wenn das verdichtete Material ohne Gas auf Geliertemperatur erwärmt wurde, daraus ein fester Korper entstehen würde.
Wesentlich ist, wie gefunden und bereits s weiter vorne beschrieben wurde, dass infolge des herbeigeführten lockeren, krümeligen Zustandes der Lösungs-und/oder Weichma chungsmittel enthaltenden Masse das Gas, um dessen Lösung zu bewirken, nicht durch einen, mehrere 100 Atm betragenden Gasdruck, wie in allen früheren Veröffentlichungen und Verfahren angegeben, von aussen durch die kompakte Masse hindurch eingepresst werden muss, sondern die Gaslösung in sehr grossem Umfange auch bereits bei viel niederen Drukken durch Kompressionsarbeit in der Form stattfindet. Man kann z. B.
Zellkörper aus Polyvinylehlorid nach vorstehendem Verfahren mit einem spezifischen Gewicht von 0, 025 herstellen mit einer äussern Gaszuführung von nur 20 Atm und einem Gasdruck durch Kompressionsarbeit von etwa 100 Atm.
Jler70mal d :
Man erwärmt nun die Form mit der unter Druck stehenden Masse auf die erforderliche Gelatinierungstemperatur, bis die gewünschte Verfestigung der Masse stattgefunden hat.
Die Masse wird dabei homogen bzw. gleichmä- ssig konsistent und enthält die Gase in allen Teilen gleichmässig gelöst.
Uer7. ms6l c :
Hierauf wird die Form in bekannter Veise unter Druck abgekühlt und dann vom Druck entlastet. Der Körper hat dabei die Gestalt der Form angenommen und ist nicht oder nur sehr wenig expandiert. Er wird nun aus der Form herausgenommen und durch Erwärmung zur Expansion gebracht.
Es ist bekannt, zerkleinerte Kautschuk- mischungen in Formen unter äussern Gasdrucken von 100 bis 300 Atm bei Temperaturen von etwa 140 C zu vulkanisieren und nach etwa einstündiger Vulkanisationszeit die Masse zusammenzupressen, wobei nach Ablassen des Gashoehdruckes beim Ausein- andergehen der Form die Masse unter Ausfüllen derselben expandieren kann. Gegen über diesen Verfahren unterseheidet sieh die vorliegende Erfindung, wie bereits dargelegt, u. a. durch Verwendung bedeutend geringerer äusserer Casdrueke, z.
B. von 20 bis 30 Atm, an Stelle von 100 bis 500 Atm, dass ferner die Masse nicht in der Wärme, sondern bei gewöhnlieher Temperatur zusammengepresst wird, und dass der für die Gaslösung erforderliche hohe Druck nieht von aussen in die Form eingepresst wird, sondern durch Zusammen- pressen der Form erzeugt wird.
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, aus Kunststoffen Zellkörper herzustellen.
Diese Verfahren unterscheiden sieh ausser der Verwendung hoher äusserer Gasdrueke von mehr als 100 Atm prinzipiell von dem vorliegenden Verfahren dadurch, dass sie die Kunststoffe in pastiger oder kompakter Form ver wenden und dass kein Zusammenpressen in der Form vor dem Erwärmen stattfindet.
Dickere, sehr leiehte Zellkörper mit regelmϯigem Zellenaufbau konnten naeh diesen Verfahren nicht hergestellt werden.
Zur Herstellung'harter Zellkörper können an Stelle oder neben von sogenannten flüehtigen l, ösungs-oder Weichmaehun± smitteln auch solche flüssige Substanzen als Zusätze Verwendung finden, die nach Herstellung der Zellkörper darin verbleiben. Diese wirken auf den Kunststoff zuerst lösend oder quellend, verändern oder verlieren aber ihre weiehmaehende Wirkung oder ihren Aggregatzustand durch entspreehende Zusammensetzung oder äussere Einwirkung. Solche Stoffe sind z. B.
Isoeyanate.
Beispiel :
300 g Polyvinylehlorid werden mit einem flüehtigen Lösungsmittel, z. B. mit 200g Tetrahydrofuran, zusammengebracht und derart miteinander vermischt, dass eine lockere krümeligkörnige Pulvermasse entsteht. Diese hat das gesamte Lösungsmittel aufgenommen, ohne dass die einzelnen kleinen Körnehen zu einem pastigen Brei zusammenkleben und hat t ein Volumengewicht (Sehüttgewieht) von etwas mehr als 500 g pro Liter. Diese Pulvermenge wird in eine Form gebracht, deren Füllraum die ganze Menge aufnehmen kann, i. h. etwa 1000 em3 beträgt. Die Form besteht aus einem starkwandigen Gefäss, in das ein Kolben eindringen kann, und der gegen die Gefässwand gut abgedichtet ist.
Die Form soll sich durch den Kolben derart zusammenpres- sen lassen, dass die eingefüllten gesamten 500 g völlig oder nahezu völlig auf ihre Ge wichtsmasse verdichtet werden. Sie wird also praktisch im zusammengepressten. Zustande etwa 500 emS Fassungsvermögen haben. Der Kolben der Form muss vor der Verdichtung in den obern Teil der Form so eingesetzt sein, dass er die Form dicht absehliesst. Jetzt wird von aussen her in geeigneter Weise die Form mit etwa 20 Atm Stiekstoffgas gefüllt, das eingeführte Stiekstoffgas durch ein Rüeksehlagventil zurückgehalten und der Stempel dann mit Hilfe eines hydraulischen Presse in die Form hineingeschoben bis zur entsprechenden Verdiehtung des Gases und des eingeführten Materials.
Zusammen mit dem auf etwa 100 Atm komprimierten Gas wird das zusammengepresste Material bei diesem Druek in üblicher Weise durch Erwärmung etwa 30 Minuten auf etwa 170 C erhitzt, worauf die Form abgekühlt und geöffnet wird. Das Gas ist praktisch restlos vom Material aufgenom- men. Der aus der Form entfernte Körper wird durch'WiedererwärmungunterBildung des gewünschten Zellkorpers mit gesehlossenen Zellen zur Expansion gebracht. Gleich- zeitig mit der Erwärmung wird das dem Material zugeführte Losungsmittel teilweise oder ganz aus dem gebildeten Zellkörper durch Verdunstung wieder entfernt.
Die restliche Entfernung des Lösungsmittels kann auch durch entspreehendes Stehenlassen bei Zim mertemperatur während längerer Zeit ohne Erwärmung erreieht werden. Der gebildete fertige Zellkörper besitzt völlig geschlossene Zellen, ist hart und steif und hat ein spezifisches Gewicht von etwa 0, 025. Seine Dicke beträgt etwa 5 bis 6 cm je nach der Formkonstruktion und der Körper besitzt einen dichten, regelmässigen Zellenaufbau.
Verwendet man zur Herstellung der lokkeren, krümeligkörnigen Ausgangsmasse nicht flüehtige Lösungsmittel, sondern Weichma- cher, z. B. Trikresylphosphat, so erhält man einen ähnliehen, jedoeh weichen und elastisehen Zellkörper.