Verfahren zur Herstellung kombinierter Schaumstoffe und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Es ist bekannt, dass man poröse Formkörper erhält, wenn man Teilchen aus teilweise expandierten thermoplastischen Kunststoffen, die durch Erhitzen eines ein Treibmittel enthaltenden thermoplastischen Kunststoffs entstanden sind, in nicht gasdicht schliessenden Formen weiter expandiert und verschweisst.
Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Platten aus porösen Kunststoffen, z. B. aus porösem Polystyrol, herstellen, die eine sehr kleine Wärmeleitzahl besitzen und daher für Isolationszwecke weite Anwendung gefunden haben. Ein gewisser Nachteil derartiger Platten besteht darin, dass sie zwar ein niedriges Raumgewicht haben, aber meistens auch sperrig sind, so dass der Transport vom Ort ihrer Erzeugung zum Ort ihrer Verwendung unwirtschaftlich ist. Auf der andern Seite ist eine Erzeugung direkt an der Verbrauchstelle, z. B. Baustelle, wegen des damit verbundenen apparativen Aufwandes kostspielig und hat sich darum nicht durchsetzen können. Ein weiterer Nachteil der erwähnten Platten besteht darin, dass sie in Handarbeit zu den gewünschten Isolierschichten zusammengesetzt werden müssen.
Neben den porösen Formkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen sind auch gehärtete Kunststoffschäume bekannt geworden, die meistens auf der Basis von Phenol- oder Harnstoff-Harzen aufgebaut sind. Derartige Schaumstoffe erzeugt man oft zweckmässig unmittelbar am Ort ihrer Verwendung, bringt sie dazu in noch unverschäumter, fliessfähiger Form an den gewünschten Ort, verschäumt sie dort und lässt sie härten. Solche Schäume lassen sich einfach verarbeiten, neigen aber manchmal zur Schrumpfung und zur Rissbildung. Ausserdem weisen sie nur geringe mechanische Festigkeit auf und zeigen ein verhältnismässig hohes Aufnahmevermögen für Wasser und beträchtliche Durchlässigkeit für Wasserdampf, was in vielen Fällen unerwünscht ist.
Man hat bereits versucht, kombinierte Schaumstoffe herzustellen, indem man härtbaren Schaum in poröse Kunststoffteilchen einrührte. Dabei hat sich aber gezeigt, dass sich keine gute Vermischung der beiden Komponenten erreichen lässt, weil die leichten porösen Schaumstoffteilchen aus der Mischung nach oben herausgedrückt werden.
Aus der deutschen Patentschrift 948 191 war es bekannt, kombinierten Schaumkunststoff herzustellen, indem man zwischen Teilchen aus porösen Styrolpolymerisaten schaumbildende Mischungen aus Polyestern und Polyisocyanaten eindrückte. Für dieses Verfahren ist jedoch keine kontinuierliche Arbeitsweise bekannt geworden.
Es wurde nun gefunden, dass man durch Einbringen von härtbarem, aber noch fliessfähigem Kunststoffschaum bzw. von verschäumbaren, zu Schaumkunststoffen führenden Massen in die Zwischenräume zwischen Teilchen aus porösem Kunststoff in eine Vorrichtung und anschliessendes Erstarrenlassen kombinierte Schaumstoffe herstellen kann, wenn man in einen Zylinder mit einer Misch- und Förderschnecke, der in einen Einfüllteil, Mischteil und Förderteil gegliedert ist, durch einen am Anfang des Einfüllteils angebrachten Einfülltrichter die Teilchen aus porösem Kunststoff einbringt und durch eine rotierende Schnecke in den Mischteil fördert, durch einen oder mehrere am Mischteil angebrachte Einfüllstutzen den härtbaren, fliessfähigen Kunststoffschaum bzw.
die verschäumbaren, zu Schaumkunststoffen führenden Massen eindrückt, den kombinierten, noch fliessfähigen härtenden Schaumstoff durch den Förderteil, der sich am Ende konisch verjüngt und des sen Schneckengänge eine grössere Steigung haben als die Schneckengänge in dem Misch- und dem Einfüllteil, weiterfördert und mittels einer Austragsvorrichtung und einer Leitung austrägt.
Vorzugsweise ist das Längenverhältnis von Einfüllteil zu Mischteil des Zylinders und der Schnecke 1,5 bis 2,5:1 und das Längenverhältnis von Förderteil zu Mischteil 0,5 bis 1,5:1. Das Volumen des Einfüllteils ist vorzugsweise 10 bis 30 O/o kleiner als das Volumen des Mischteils und das Volumen des Förderteils 10 bis 20 O/o grösser als das Volumen des Mischteils. Die Wendeln der Schnecke sind aussen vorzugsweise als Schneiden ausgebildet, damit poröse Kunststoffteilchen, die sich bei hohen Drehzahlen bisweilen zwischen die Wendeln und die Gehäuse- wand setzen und ein gleichmässiges Arbeiten der Schnecke stören, zerschnitten und weggedrückt werden können.
Im allgemeinen wird die Reibungswärme ausreichen, um die Härtungsreaktion mit gewünschter Geschwindigkeit ablaufen zu lassen und ein gleichmässiges Mischen und Fördern zu gewährleisten. Sollte jedoch infolge zu niedriger Temperatur im Mischund Förderteil der Schaum nur mangelhaft härten oder sollten andere Störungen, z. B. durch Verkleben, auftreten, so empfiehlt es sich, den Misch- und Förderteil zu heizen. Dazu wird er z. B. mit einem Heizmantel umgeben. Bei hohen Durchsätzen kann es vorteilhaft sein, zur Kühlung den Förder- und Mischteil mit einem Kühlmantel zu umgeben.
Da es zweckmässig ist, die Welle nur einseitig zu lagern, ist es vorteilhaft, die Wellendicke von der Antriebsseite her zum Austragsende hin stufenweise zu verjüngen, um das Volumen zu verändern.
Durch den steileren Anstieg der Gänge im Förderteil kann der kombinierte Schaumstoff schnell und gleichmässig aus der Vorrichtung ausgetragen werden. Das Ende des Förderteils versieht man zweckmässig mit einem Kunststoffschlauch oder -rohr, durch den sich das Produkt über viele Meter hin an den gewünschten Verwendungsort transportieren lässt. Das Austragen und der Transport durch den Schlauch lässt sich durch mechanische Hilfsmittel, wie z. B. eine zweite Förderschnecke, Schubkolben usw., bewirken. Überraschenderweise wurde jedoch gefunden, dass eine pneumatische Austragsvorrichtung, bei der vorzugsweise durch eine Ringdüse Luft eingeblasen wird, am besten geeignet ist. Dies war deshalb besonders überraschend, weil man erwarten musste, dass die leicht zusammendrückbare Schaumkomponente durch ein Druckgas zerstört werden würde.
Die Eindosierung der porösen Kunststoffteilchen erfolgt z. B. durch einen Trichter mit veränderlichem Querschnitt, durch Dosierschnecken oder Schüttelrinnen. Die zu Schaumkunststoffen führenden Massen, z. B. Harzlösungen, Härter- und Schaummittellösungen oder Schaum, können durch Pumpen oder pneumatisch unter Verwendung von Druckgefässen durch die Stutzen in den Mischteil gebracht werden.
Die Geschwindigkeit, mit der dies geschieht, lässt sich durch Rotamesser, Messblenden u. ä. kontrollieren.
Je nach der Gangsteigung wird die Drehzahl verschieden ausgewählt. Vorzugsweise beträgt sie 500 bis 1 500 UlMin. bei Gangsteigungen von etwa 30 bis 100 mm. Die Steigung sollte nicht geringer und die Umdrehungszahl nicht höher sein, weil sonst die Gefahr besteht, dass die porösen Kunststoffteilchen beim Einfüllen zurückgedrückt und nicht eingezogen werden und das Schneckenvolumen nicht gleichmässig ausfüllen.
Geeignete Kunststoffe, aus denen die erwähnten porösen Teilchen bestehen, sind beispielsweise Polyvinylchlorid, Polyäthylen, Polymethacrylsäureester, Hartgummi und Phenolharze. Besonders vorteilhaft verwendet man poröse Teilchen, die aus Polystyrol oder aus Mischpolymerisaten des Styrols mit anderen polymerisierbaren Verbindungen, wie Acrylnitril oder Butadien, bestehen. Sie sind in üblicher Weise erhältlich, z. B. durch Erhitzen von Kunststoffteilchen, die ein Treibmittel enthalten, auf eine Temperatur oberhalb des Siedepunktes des Treibmittels und des Erweichungspunktes des Kunststoffes unter Bedingungen, unter denen die Teilchen sich nicht miteinander verschweissen. Zweckmässig verwendet man Teilchen, deren Grösse zwischen 1 und 10 mm liegt.
Als zu Schaumkunststoffen führende Massen eignen sich vor allem Harnstoff-, Phenol- und Melaminformaldehyd-Kondensationsprodukte; aber auch verschäumbare Epoyxharze und Mischungen aus Polyisocyanaten, organischen Polyolen und Wasser, welche Polyurethanschäume bilden, sind verwendbar.
Als Härter für Epoxyharz kommen z. B. Amine oder Säuren in Frage.
Die Harnstoff-, Phenol- und Melamin-Formaldehyd-Kondensationsprodukte werden vorteilhaft in Form ihrer wässrigen Lösungen verwendet. Als Härter verwendet man die hierfür gebräuchlichen Stoffe, z. B. für Harnstoffharze Säuren oder in wässriger Lösung unter der Einwirkung von Formaldehyd säurebildende Stoffe, wie Ammoniumchlorid, für Phenolharze z. B. Paraformaldehyd.
Das Einbringen dieser zu Schaumkunststoffen führenden Massen in die Räume zwischen die porösen Kunststoffteile kann durch einfaches Mischen erfolgen. Es ist vorteilhaft, den härtbaren Kunststoff in ein Mischgefäss, das die porösen Kunststoffteilchen enthält, unter Druck einzubringen. Die verschäumbaren und härtbaren Kunststoffe können im Gemisch mit dem Härter oder getrennt in das Mischgefäss eingebracht werden.
Das Aufschäumen der verschäumbaren und härtbaren Massen erfolgt z. B. bei den Harnstoff-, Phenol- und Melamin-Formaldehyd-Kondensationspro- dukten durch mechanisches Einbringen von Gasen, wie Luft oder Kohlensäure. Auch kann das Aufschäumen dadurch erfolgen, dass während des Härtens des verschäumbaren Kunststoffs Gase abgespalten werden.
Statt verschäumbare Kunststoffe, z. B. in wässriger Lösung, in die Räume zwischen den Teilchen aus porösem Kunststoff einzubringen, kann man auch fliessfähige, härtbare Schäume aus den oben genannten Kunststoffen eindrücken. Man arbeitet zweckmässig so, dass sich die porösen Kunststoffteilchen berühren und im Idealfall in der dichtest möglichen Packung vorliegen. Die porösen Kunststoffteilchen brauchen nicht unbeweglich fixiert zu sein, müssen jedoch in ihrer Beweglichkeit so weit eingeschränkt werden, dass sie dem in die Zwischenräume eindringenden Schaum nicht ausweichen können.
Das Verfahren wird vorzugsweise kontinuierlich durchgeführt. Soll diskontinuierlich gearbeitet werden oder die Herstellung unterbrochen werden, so ist es empfehlenswert, die Vorrichtung mit einer Spülanlage zu versehen, um gehärtete Schaumteile, die sich z. B. an den Wänden oder den Wendeln festsetzen können und beim Wiederanfahren der Apparatur stören würden, zu entfernen. Dies ist im Falle von Harnstoff-Formaldehyd-Harzen leicht durch Wasser möglich.
Nach dem Verfahren der Erfindung lassen sich kombinierte Schaumstoffe herstellen, deren Gehalt an porösen Teilchen beispielsweise zwischen 30 und 70 Volumprozent liegt. Durch Variieren des Anteils an porösen Kunststoffteilchen lassen sich die Eigenschaften des kombinierten Schaumstoffs, z. B. die Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit, in gewünschter Weise beeinflussen.
Die in dem Beispiel genannten Teile und Prozente sind, sofern nicht anders angegeben, Gewichtseinheiten.
Beispiel
Eine Vorrichtung, wie sie in der Abbildung dargestellt ist, besteht aus einem Zylinder mit einer Misch- und Förderschnecke. Der Zylinder ist gegliedert in einen Einfülltell 1, Mischteil 3 und Förderteil 5. Die Schnecke hat eine Länge von 1 044 mm und einen Durchmesser von 100 mm. Die Steigung der Schneckengänge im Einfüll- und Mischteil beträgt 60mm, im Förderteil 100mm. Der Einfüllteil ist 533, der Mischteil 275 und der Förderteil 236 mm lang. Durch den Einfülltrichter 2 werden 3001 schaumförmige Polystyrolteilchen mit dem Schüttgewicht 16,5 g/l und mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 4 bis 5 mm je 3,3 Minuten kontinuierlich in die Vorrichtung eingebracht.
Die Schnekke wird mit einer Drehzahl von 1 000 U/Min. gedreht. Durch den Stutzen 4, der einen lichten Durchmesser von 12,5 mm hat, wird ein noch nicht ausgehärteter Harnstoff-Formaldehydharzschaum eingedrückt.
Dieser Schaum wird in einer üblichen Mischvorrichtung aus einer 300/oigen wässrigen Lösung eines Harnstoff-Formaldehyd-Vorkondensats (Molverhältnis Harnstoff zu Formaldehyd gleich 1:1,8) und einer Schaummittellösung, die aus einer wässrigen Lösung von 19 O/o diisopropylnaphthalinsulfosaurem Natrium und 10 O/o Phosphorsäure besteht, unter Zusatz von Luft in üblicher Weise hergestellt. Von der Harnstoff-Formaldehyd-Vorkondensatlösung werden 2 1 auf 1,7 1 der Schaummittellösung angewandt.
Der aus 10,81 dieser verschäumbaren Mischung gewonnene, noch nicht gehärtete, fliessfähige Harnstoff Formaldehyd-Schaum wird kontinuierlich in je 3,3 Minuten durch den Stutzen 4 in die Schnecke eingedrückt. Dieser Schaum füllt die Hohlräume zwischen den schaumförmigen Polystyrolteilchen aus. Der kombinierte, noch nicht ausgehärtete Schaumstoff wird mit Hilfe der Austragsvorrichtung 6, die aus einer Ringdüse besteht, mit Pressluft pneumatisch in einer Menge von 347 1 je 3,3 Minuten durch einen 10 m langen Schlauch 10 aus Polyvinylchlorid ausgetragen. An Luft werden 37 m3 in der Stunde benötigt.
Durch Giessen in Formen und Härtenlassen wird der kombinierte Schaumstoff z. B. zu Blöcken und Platten verarbeitet. Auch lassen sich durch ihn zum Zwecke der Isolierung gegen Wärme- und Schalldurchtritt - Mauerschlitze ausspritzen. Körper beliebiger Gestalt können mit einer Isolierschicht umgeben werden. Der kombinierte Schaumstoff eignet sich z. B. auch als Verpackungsmaterial. Im Acker-, Forst- und Gartenbau ist er unter anderem zur Bodenbedeckung geeignet.