Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von
Hartschaumstoffkörpern aus treibmittelhaltigem, vorge schäumtem Polystyrolgranulat, bei dem man das in eine mit zwei einander gegenüberliegenden perforierten Wänden ver sehene Form eingefüllte vorgeschäumte Polystyrolgranulat zunächst von einer der beiden perforierten Wände her gleich mässig mit Dampf beaufschlagt, um die zwischen den Teilchen des Granulates befindliche Luft durch die in der gegenüber liegenden Wand befindlichen Öffnungen hindurch auszutrei ben, darauf den Dampfstrom an der Formaustrittsseite unter bricht, zusätzlichen Dampf in die Form einführt, den unter
Druck stehenden Dampf nach einer bestimmten Zeit ablässt und den erhaltenen Schaumstoffkörper kühlt und aus der
Form nimmt.
Allgemein bekannt sind die Dampfstossmethode und die
Dampfglockenmethode, so beispielsweise aus einem Aufsatz von Dr.-Ing. Fritz Stastny, Formen und Vorrichtungen zur
Verarbeitung von Styropor in der Zeitschrift Plastverar beiter , Heft 9, Jahrgang 1954.
Bei der Dampfstossmethode wird die Form, die an zwei gegenüberliegenden Seiten fest angeordnete Dampfkammern aufweist, welche einerseits durch siebartige Öffnungen mit dem Forminnern Verbindung haben und anderseits über ein Ventil mit einer Dampfquelle verbunden sind, vorzugsweise zunächst durch Einlassen von Dampf höheren Druckes vor gewärmt, anschliessend mit dem vorgeschäumten Granulat gefüllt und nach Wiederschliessen so lange mit Dampf niedri geren Druckes beaufschlagt, bis ein Druckanstieg das gegen seitige Verschweissen der Granulatkörper anzeigt. Danach wird die Form, gegebenenfalls unter Kühlung mit Wasser, Luft usw. je nach Grösse zwischen 15 Minuten bis 60 Minuten geschlossen gehalten, ehe der Formkörper entnommen werden kann.
Bei der Dampfglockenmethode verläuft das Verfahren in gleicher Weise wie bei der Dampfstossmethode, nur sind bei der zu deren Durchführung dienenden Einrichtung die Dampfkammern nicht Teil der Form, sondern bewegliche Formen mit sieb artig perforierten Wandungen werden in eine pressen ähnlich ausgebildete und mit einer unteren sowie einer oberen jeweils an eine Dampfzuleitung angeschlossenen Dampfglocke ausgerüstete Dämpfvorrichtung eingefahren. Im Zuge des
Dämpfvorganges werden die Dampfglocken auf die betreffende Siebform gepresst und der Dampf in die Form eingeleitet. Anschliessend werden die noch verschlossenen Formen aus der Dämpfvorrichtung ausgefahren, nach Abkühlen geöffnet und entleert und anschliessend erneut dem Zyklus: Füllen, Verschliessen, Dämpfen, Abkühlen, Öffnen, Entleeren usw. zugeführt.
Die eingangs dargelegte, bekannte Form der Dampfstossmethode ist in der französischen Patentschrift Nr. 1 248 691 in Verbindung mit der Herstellung von Formkörpern aus einem Gemisch von Polystyrolschaumabfall und vorgeschäumtem Polystyrol beschrieben. Nach diesem bekannten Verfahren wird das Gemisch zunächst in einer volumenver änderlichen Form mechanisch vorverdichtet.
Das Austreiben der im Gemisch befindlichen Luft erfolgt entweder durch einen Dampfstrom, welcher aus einer, an einer Formseite angeordneten Dampfkammer über eine siebförmige Formwand in die Form eintritt-und diese über ihren gesamten freien Querschnitt durchströmt, um sodann durch an der gegenüberliegenden Formseite befindlichen Öffnungen ins Freie auszutreten, oder das Austreiben der Luft erfolgt mittels zweier entgegengesetzt gerichteter Dampfströme, die über einander gegenüberliegend angeordneten Siebwandungen eingeleitet werden und die Form über seitliche Öffnungen verlassen, die in einer mittig zwischen diesen Siebwandungen gelegenen Ebene liegen.
Der dafür verwendete Dampf hat einen Druck zwischen 1 kp/cm2 und 10 kp/cm2, vorzugsweise einen solchen zwischen 4 kp/cm2 und 5 kp/cm2, und bewirkt zwangläufig ein Erwärmen des Gemisches, welches bei Erreichen einer bestimmten Temperatur beginnt, sich zu plastifizieren und dadurch die genannten Austrittsöffnungen zu verstopfen, wodurch die Dampfströmung selbsttätig unterbrochen wird.
Es erfolgt also bei diesem bekannten Verfahren an der Austrittsseite der Form keine gesteuerte Absperrung des Dampf: stromes, sondern diese Absperrung ist rein zufallsabhängig jeweils von der Art und Zusammensetzung des jeweils verwendeten Polystyrolschaumabfall-Polystyrolgranulat-Gemi- sches, vom Vorverdichtungsgrad des Gemisches, von der Dicke der herzustellenden Formkörper, von der konstruktiven Ausbildung der verwendeten volumenveränderlichen Form und nicht zuletzt auch vom Druck und der Temperatur des Dampfes. Während der Einfluss der letztgenannten Grössen auf den Verfahrensablauf jeweils von Fall zu Fall in vom Dampfstoss- bzw.
Dampfglockenverfahren her bekannter Weise in Vorversuchen empirisch ermittelt werden kann, ändert sich der erstgenannte Einflussfaktor praktisch von Charge zu Charge, wodurch eine grosse Unsicherheit hinsichtlich der Verfahrensdurchführung und der erzielbaren Formkörperqualität entsteht.
Infolge dieser Unmöglickeit einer exakten Verfahrensdurchführung wird bei dem bekannten Verfahren oft ein schlechter Verschweissungsgrad erzielt, d. h. die Formkörper fallen ein oder es treten grosse Unterschiede im Raumgewicht innerhalb der Formkörper auf, wobei sich die an sich schon engen Verfahrensbedingungen noch von Charge zu Charge einzelner Polystyrol-Lieferungen verändern. Die Herstellung einheitlicher Formkörper mittels des bekannten Verfahrens erfordert daher eine ständige Kontrolle, Probeentnahme, Untersuchungen der Formkörper und wechselnde Einstellung der das Verfahren bestimmenden Betriebsgrössen.
Der Verschweissungsgrad der einzelnen aufgeblähten Körner untereinander stellt ein Gütemass für das Erzeugnis dar, da dieser Verschweissungsgrad wichtig für die Isolierfähigkeit, die Homogenität des Schaumstoffes, die Kapillarwirkung und die Gasdiffusionskonstante ist. Ausserdem hängen die Biege- und die Zugfestigkeit entscheidend vom Verschweissungsgrad ab.
Auch die Homogenität innerhalb des einzelnen Formkörpers ist von grosser Wichtigkeit, dass beispielsweise in vielen Fällen aus Blöcken einzelne Platten geschnitten werden, die untereinander gleiche Eigenschaften aufweisen sollen, unabhängig von ihrer ursprünglichen relativen Lage im Block.
Einen besonders wichtigen Hinweis für die Güte des Verschweissungsvorganges gibt die Gewichtszunahme beim Dämpfungsvorgang. Je homogener die Verschweissung ist, desto geringer ist die durch Aufnahme von Kondenswasser bedingte Gewichtszunahme.
Nach dem Ablassen des Dampfes verbleibt der Formkörper bekanntermassen noch so lange in der Form, bis der Schaumstoff keinen Druck mehr auf die Form ausübt. Dies ist dann der Fall, wenn durch Abkühlen der Druck in den Zellen dem Aussendruck gleich geworden ist. Bei grösseren Raumgewichten kann bekanntlich, da die Zellwände stabiler sind, relativ scharf, z. B. mit Wasser, gekühlt werden. Bei geringen Raumgewichten würde dieses scharfe Kühlen zu einem starken Schrumpfen des Formkörpers führen. Auch die entnommenen Formkörper müssen noch einige Zeit bei erhöhter Temperatur zwischengelagert werden, um ein nachträgliches Einfallen zu verhindern. Bei dieser Lagerung diffundiert Luft in die Zellen ein.
Der Nachteil des bekannten Verfahrens äussert sich insbesondere darin, dass man hinsichtlich der Abmessungen der Formkörper sowie hinsichtlich der erreichbaren Raumgewichte, und zwar sowohl hinsichtlich der Erzielung geringerer Raumgewichte als auch hinsichtlich der Erzielung grösserer Raum gewichte sehr eingeengt ist. Will man bei den bisher bekannten Verfahren die Raumgewichte der herzustellenden Formkörper in weiten Grenzen nach oben oder nach unten ändern, so müssen diesbezügliche Vorkehrungen entweder schon beim Vorschäumen des Granulates getroffen werden oder aber die Formkörper müssen mehrfach aufgeschäumt werden, so dass also in beiden Fällen ein erheblicher zusätzlicher Arbeits- und Energieaufwand erforderlich ist, was naturgemäss einen Nachteil darstellt.
Ausserdem müssen bei Durchführung des bekannten Verfahrens die vorgeschriebenen Raumbedingungen sehr genau eingehalten werden, da schon bei geringen Abweichungen Fehler und Ausschussware entstehen.
Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens der eingangs genannten At, bei welchem die Homogenität der Formkörperstruktur gegenüber bestehenden Ausführungen verbessert werden kann und gleichzeitig die Verarbeitung der verschiedenen Raumgewichte in einem Aufschäumvorgang ohne zusätzliche vorbereitende oder nachgeschaltete Sonderbehandlungen möglich ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstellen von Hartschaumstoffkörpern aus treibmittelhaltigem, vorgeschäumtem Polystyrolgranulat der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass das Austreiben der Luft mittels eines Dampfstromes niedrigen Drucks erfolgt, dass anschliessend das Aufschäumen und Verschweissen des Polystyrolgranulates durch schlagartige Dampfzufuhr bei starkem Druckanstieg und schlagartiges Ablassen des Dampfes bewirkt wird.
Durch das schlagartige Einleiten einer grossen Dampfmenge nach dem Entlüften der Form und das anschliessende Zugeben einer geringen Dampfmenge zur Aufrechterhaltung des Druckes beim Aufschäumen wird infolge des dadurch hervorgerufenen plötzlichen Temperaturanstiegs den Polystyrolteilchen zwar auch Wärme zugeführt, was jedoch wegen des schlechten Wärmeleitvermögens dieser Teilchen eine gewisse Zeit beansprucht. Deshalb ist während einer Zeitspanne von einigen Sekunden des Wasserdampfdruck in der Form höher, als der sich aus dem Druck der sich innerhalb der Zellen der Polystyrolteilchen erwärmenden Luft plus dem Dampfdruck des vorzugsweise einen Siedepunkt von etwa 600 C besitzenden, noch in den Teilchen befindlichen restlichen Treibmittels ergebende Gesamtdruck in den Zellen.
Dies bedeutet, dass durch die beim Aufschäumen ausgelösten Diffusionsvorgänge kaum nennenswerte Gasverluste in den Zellen auftreten, weil der ausserhalb der Zellen im Dampfraum herrschende Druck höher liegt. Bisher führten derartige Gasverluste zu schlechter Verschweissung und einem späteren Einfallen der Fremdkörper. Anderseits wird diesem steigenden Zellen-Innendruck durch den im Dampfraum herrschenden Dampfdruck ein Gegendruck geboten. Daraus wieder ergibt sich, dass bei am Ende des Dämpfprozesses plötzlichem Absinken des Dampfdruckes grosse Kräfte im Polystyrol frei werden, die ein weiteres Aufschäumen und eine sehr gute Verschweissung sicherstellen.
Bei dem neuen Verfahren wird also nicht mehr wie bisher nur die Temperatur des Dampfes ausgenutzt, sondern gleichzeitig auch der Dampfdruck in den Dienst des Verfahrens gestellt, was gegenüber den bisher bekannten Verfahren einen sehr erheblichen technischen Fortschritt darstellt.
Wird der Abdampf vorzugsweise in einen Kondensator abgeleitet, so wird ein besonders rascher Druckabfall; der bis zu einem Unterdruck führt, in der Form erreicht. Gleichzeitig tritt durch die Dampfexpansion in der Form ein bedeutender Temperaturabfall vor allem im Schaumstoff selbst ein, der die Abkühlzeit erheblich verkürzt, da bei einwandfreier Verschweissung später für das Blockinnere keine Kühlmöglichkeit mehr besteht. Der starke Druckabfall bewirkt ausserdem einen geringen Wassergehalt des fertigen Formkörpers, da dadurch das Kondenswasser aus den Kornzwischenräumen herausgedrückt wird. Dieser Faktor ist auch für die Kühlzeit von Bedeutung.
Alle diese Umstände stellen ebenfalls einen sehr erheblichen Fortschritt des neuen Verfahrens gegenüber den bekannten Verfahren dar. Dies zeigt sich darin, dass beispielsweise bei Anwendung des neuen Verfahrens die Dämpfzeiten je nach Grösse des herzustellenden Formkörpers, z. B. bei einer Formblockabmessung von 1000 mm ¯ 500 mm ¯ 300 mm, nur 2 2bis 5 sec gegenüber bisher benötigten 20 bis 180 sec betra- gen. Die Dämpfzeiten nehmen mit höherem Raumgewicht des Formkörpers ab.
Mit dem Verfahren ist es also möglich, bei geringerem Materialeinsatz ein grösseres Schaumstoffvolumen zu erzeugen und eine bessere Aufschäumung zu bewirken. Es ergibt sich also die Möglichkeit, in einem einzigen Aufschäumungsvorgang Schaumstoffkörper mit wesentlich geringerem Raumgewicht als bisher herzustellen.
Nach dem genannten Verfahren lassen sich aber nicht nur extrem leichte, sondern auch besonders schwere Formkörper in einfacher Weise herstellen.
Theoretisch können Blöcke beliebiger Grösse hergestellt werden, wobei in der Praxis dies Grösse jedoch von der jeweils schlagartig verfügbaren Dampfmenge abhängig ist, d. h. von der Leistung des zur Verfügung stehenden Dampfkessels, von den Abmessungen der Dampfkammern, den Abdichtungen zwischen den Dampfkammern und der Form und ähnlichen konstruktiven Einzelheiten.
Das beschriebene Verfahren ist grundsätzlich unter Anwendung der Dampfstossmethode durchführbar, doch wird es vorzugsweise unter Anwendung der Dampfglockenmethode durchgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass man den die Luft aus der Form austreibenden Dampfstrom an der Formaustrittsseite unterbricht, sobald sich ein Dampfaustritt in die Aussenatmosphäre an der Austrittsöffnung der Apparatur bemerkbar macht.
Die schlagartige Dampfzufuhr für das Aufschäumen des Polystyrolgranulates erfolgt vorzugsweise gleichzeitig durch beide perforierten Wände hindurch.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens wird nachstehend anhand der Zeichnung in Anwendung auf die Dampfglockenmethode in seinen Einzelheiten erläutert. Die Zeichnung stellt ein Diagramm dar, welches den zeitlichen Ablauf der Druckverhältnisse innerhalb der Form während der Durchführung des Verfahrens wiedergibt.
Die verwendeten Formen besitzen vorteilhafterweise Siebbleche, bei welchen die Lochfläche etwa 30% beträgt.
Das aus der Zeichnung ersichtliche Diagramm zeigt den Druck-Zeitverlauf des Verfahrens, wobei über der Zeitachse der Druck aufgetragen ist. Der Dampfdruckverlauf in der Form ist durch eine ausgezogene Linie dargestellt, während der Zellendruck im Innern der Polystyrolkörner durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist.
Am Ausgangspunkt des Diagramms ist die mit vorgeschäumtem Kunststoffgranulat lose gefüllte Form in die Dämpf vorrichtung eingefahren, und die Dampfkammern luftdicht mit der Form verbunden. Während des Zeitraumes A erfolgt bei geringem Druck das Entlüften der Form. Die Entlüftung der Form macht sich durch Dampfaustritt an der Ventilöffnung der gegenüberliegenden Dampfkammer bemerkbar. Vorzugsweise wird der Dampf von der oberen Dampfkammer aus eingeführt und nach unten gedrückt, so dass etwaiges auftretendes Kondenswasser mit ausgetrieben wird. Dieser Entlüftungsvorgang wird vorzugsweise auf die Dauer von ungefähr 3 bis 5 sec durchgeführt, wobei jedoch diese Zeitspanne je nach den vorliegenden Verhältnisssen hinsichtlich der Grösse der Form, des Raumgewichtes des eingefüllten Materials und anderer Einflüsse variieren kann.
Im Zeitpunkt B wird dann schlagartig der Dampf für den Dämpfvorgang eingelassen, wodurch der Druck plötzlich ansteigt. Demgegenüber nimmt der Zellendruck im Polystyrolgranulat langsamer zu.
Im Zeitpunkt D wird der Dampf plötzlich abgelassen, und zwar vorzugsweise in einen Kondensator, wodurch ein rascher Druckabfall einsetzt, der bis zu einem Unterdruck E andauert.
Das Zeitintervall C stellt die Dämpfzeit dar.
Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass während einer Zeitspanne von einigen Sekunden der Wasserdampfdruck in der Form höher ist als der sich aus dem Druck der sich erwärmenden Luft plus dem Damfdruck des Treibmittels in den Zellen ergebende Gesamtdruck. Dies bedeutet einerseits, dass durch die Diffusionsvorgänge kaum nennenswerte Gasverluste in den Zellen auftreten, weil der Druck ausserhalb der Zelle, nämlich im Dampfraum, höher liegt. Im Bereich B-D steht daher das lose geschüttete, vorgeschäumte Material unter einem starken Druck und wird mit steigender Temperatur aufgeschäumt, dabei bewirkt der Druck einen Druckanstieg in den Kunststoffkörnern. Beim plötzlichen Absinken des Dampfdruckes im Zeitpunkt D entsteht eine Druckdifferenz P zwischen dem Zellendruck in den Kunststoffkörnern und dem Unterdruck in der Form bzw. den Dampfkammern.
Diese Druckdifferenz bewirkt ein praktisch schlagartiges Nachschäumen des Kunststoffes und eine vollständige und gleichmässige Füllung der Form. Somit stellt diese Druckdifferenz den Verschweissungsdruck dar. Von einem Zeitpunkt F an, vorzugsweise nach dem Ausfahren der Form aus der Dämpfvorrichtung, setzt dann die Kühlung ein, wobei der nunmehr auf die Form wirkende Innendruck der Kunststoffzellen entsprechend der abfallenden gestrichelten Kurve abnimmt.