CN102574140A - 制造反应性塑料喷涂层的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包括一种制造反应性塑料的层和模塑件的方法，其中，反应性成分在喷射流道内在多个层面借助混合气体混合。此外，本发明还涉及一种用于实施所述方法的设备。

Description

制造反应性塑料喷涂层的方法和设备

本发明涉及包括一种制造反应性塑料的层和模塑件的方法，其中，反应性成分在喷射流道内在多个平面(Ebenen)借助混合气体相互混合。此外，本发明涉及一种用于实施相应方法的设备。

从现有技术中足以得知使用不同的反应性塑料制造模塑件。如果是把反应性塑料涂覆在一个基材上，大多使用喷射作为涂覆方法。常常使用聚氨酯作为反应性塑料，其中，所述的工艺也可以用于其它的反应性塑料。

在卡尔汉斯出版社出版的《塑料手册》(Kunststoffhandbuch)第七卷中介绍了这种喷涂技术的各种应用示例。

通过在混合头内处理聚氨酯，使液态反应性成分混合，其中，可以分为高压混合与低压混合。在这两种情况下通过下游喷雾系统实现喷涂。

在低压混合法中，混合反应性成分所必需的混合能量通过动态的搅拌器或静态的混合元件导入。与高压混合用的混合头相比，混合室的容积较大并且在混合过程结束后必须用合适的冲洗剂或压缩空气清洗。尤其是在处理高反应性的聚氨酯系统时，这些低压混合头受结构形式所限容易造成在混合室出现沉积并且在较长时间运行之后导致堵塞。

在高压混合法中，反应性成分的压力能通过喷嘴转换成动力能。通过把成分喷入一个较小的混合室，动力能在空间上被集中并且用于混合。通过机械推杆清洁混合室，因此，可以短时间中断喷射过程。该优点是高压混合头的一个特征并且对在由机器人导向的喷射过程中形成一致的层强度起决定的作用，因为就在机器人导轨换向点的前面运动速度降低并且面积/排料比因此而改变。由于可以短时间地中断喷涂过程，可以把换向点转移到待喷涂面的外部区域。

连接在混合过程之后的喷雾系统用于把反应性混合分散成单个滴。为喷雾使用单组份喷嘴(无气—高压喷雾)和外部和内部混合的双组份喷嘴(压缩气体喷雾)。内部混合的双组份喷嘴的优势在于，其具有相对大的流体截面，因此可以喷射含有粗粒子的液体。另一个优势是，粘度变化或体积流的变化对喷射流的几何形状的影响较小。该特性对按照下面所述方法处理负载有固体的聚氨酯系统具有重大的意义，因为，设置不同的固体比例的可能性会造成大的粘度变化。

在现有技术中也介绍了不同的喷雾系统。例如，在US-A-3,923,253，DE10 2007 016 785 A1或US-A-6,131,823中对流道内相应的空气和/或气体进入口进行了说明。

DE27 00 488 A1介绍了一种装置，在该装置中，反应组份必要时被从两个供料管输送到混合管。混合管具有一系列的喷嘴B1，D1，B2和D2，但这些喷嘴也通过高压介质，例如气体，把主液体流的成分送入混合管，与主液体流混合。喷嘴逆流安装，从而在混合管内生成一个涡流。

但是，在许多的应用中必须给反应性塑料添加额外的成分。它们一方面可以是能够提高产品稳定性的纤维。其它可能的添加物包括防火剂，抗老化剂，防紫外线剂等等。在现有技术中，介绍了把固体的，液体的和/或气体的成分混合到反应性混合物的不同方法。在WO03/037528A2中，在一个混合头内使多元醇成分和异氰酸酯与填料混合。借此，不仅可以实现聚氨酯成分相互混合而且还可以使聚氨酯成分与填料混合。但是，这里有一个缺点，混合头可能会被填料损坏。而填料本身也可能被在混合头内可能出现的剪切力损坏。

作为对比的替换，也可以在混合之后添加相应的添加物到反应混合物中。通常采用的方法是，使反应性塑料的喷射流与相应填料的喷射流混合。例如，DE25 17 864 A1，US-A-3,302,891，WO2009/052990A1或EP 1 458 494 B1对此做了介绍。在这里所述的方法中，混合头不再被填料损坏。也不会出现填料本身被损坏。但是，在这里反应性混合物常常不能使填料足够浸润。

在还未公开的专利申请PCT/EP2009/001007中介绍了一种新开发的把固体带入在压缩空气的作用下雾化的聚氨酯喷射流中的方法。用喷射气体作为粒子携带者把固体粒子引入还位于喷头的液体反应性混合物(反应喷射流)中。例如，在还没有公开的PCT-申请PCT/EP2009/003545介绍了一种可以实施相应方法的装置。气—固混合物通过一个连接在混合头后面的并且带有一个内置混合面的喷头正切地输送给液态的反应混合物，借助所产生的涡旋进行混合并且仅仅是随后作为多相混合物经一个喷雾器以喷射流形式排出。

在开发出本方法之前，在聚氨酯喷射方法中没有规定，通过由内部混合的双组份喷嘴供应的气流输送并混和固体粒子。喷射装置只具备一个压缩气体喷雾器的功能，其中，为了保持清洁，优选反应性混合物在喷头停留短的时间以及流道的几何形状不会阻碍反应性混合物或者没有死区。

但是，在按照PCT/EP2009/001007所述的方法进行的试验中并且是在使用其中所述的喷射装置的情况下，在处理较高的固体含量时发现，部分粒子不能得到足够的润湿。

高的固体含量并且粒子粒度小给反应性混合物提供一个大的表面，由于在混合区停留时间短，该表面不能与反应性混合物充分混合和润湿。此外，由于离心作用，高比重的固体粒子集中在流道的内壁区域和通过压缩只有在一定的条件下才能与反应性混合物混合。在排出混合物，例如100克/秒和固体含量为70％重量百分比(硫酸钡)时，在排出混合物时这种效果表现为未被润湿的固体粒子形成环形。

对于未充分混合，例如，由于离心作用固体局部集中的另一提示是在流道的内壁形成的涡旋。在湍流和均匀分配固体粒子时，如果使用的是未加硬化处理的喷头，也会出现均匀的表面磨损。

因此，本发明的任务是，开发制造反应性塑料的层和模塑件的方法和设备，反应性塑料尤其是聚氨酯，尤其是通过喷涂，使用该方法可以以较高的固体含量处理，同时保证均匀地润湿这些固体。

如从DE10 2005 058 292 A1中已知，对于通过机器人实现的喷射过程，轻的和小的结构形式比较有利。在由机器人引导的混合头中会出现极快的运动转换；在手动引导的混合头中，轻的和小的结构形式的优势不言而喻。因此，本发明的另一个任务是，提供小的和轻型结构的装置。通过这种装置应该能够把高的固体含量引入反应性混合物。此外，该装置应该耐磨，有喷射能力和易于清洁。尤其是，按照本发明的装置能够实现短的喷涂间隔；除此之外，该装置能够与商业的浇注混合头适配。

以本发明为基础的任务可以通过一种方法解决，在该方法中混合距离被加长并且其中引入多个混合平面。

在第一种实施方式中，反应性混合物，尤其是聚氨酯反应性混合物，被从混合头导入按照本发明的设备。通过进口供应固—气混合物。各混合平面由至少一个流入喷射流道的气道组成，气流流经所述气道。按照本发明，在进入喷射流道时气流的流动方向是在喷射流道的中心点的外部。通过正切排列给轴向流动施加径向的流动成分。成分，在这种情况下是反应性混合物和固体，通过该径向的流动成分相互混合。气道和进口在各混合平面的布设结构是，通过在混合室的流动过程给混合物施加相反的涡旋方向。一个混合平面的涡旋方向与下一个混合平面的涡旋方向相反。在这里，第一个混合平面，也就是第一个至少一个气道，位于固—气混合物的进口的上面。

图1a显示的是一个按照本发明的设备的横截面。为了简单地介绍功能，在该图和后面的剖面图中没有正切地绘制流入混合室的混合气体气道。

图1b显示的是在一个按照本发明的设备内的混合原理。在按照本发明的喷嘴内，通过混合气体向有反应性混合物轴向流动的喷射流道内施加径向的流动成分。借此重新产生反应性混合物的湍流。在下一个混合平面，通过相应的进口引入固—气混合物。入口也是正切排列，以至于在这里发生进一步的混合。由固—气混合物造成的涡旋方向与由混合气体在第一个混合平面造成的涡旋方向相反。在下一个混合平面重新通过相应的气道引入混合气。

在这里，通过这种正切引入再次对反应性混合物的轴向流动进行径向干扰。在这里所形成的反应性混合物的涡旋方向现在又与由导入的固—气混合物造成的涡旋方向相反。通过相反的涡旋方向保证固体与反应性混合物之间充分混合。反应性混合物本身也充分混合。对此其决定性作用的是，固—气混合物进口的前面有混合气体进气口。因此，按照本发明的设备至少在两个混合平面各有至少一个进气口，即，一个在例如固—气混合物进口的前面和一个在这些进口的后面。

按照本发明，不是只有固—气混合物可以通过进口被导入反应性流。也可以借此导入反应性混合物的各种成分。此外，还可以向反应性混合物掺混固态的，液态的和/或气态的添加物。但是要随时注意，有混合平面位于这些进口的前面，即，混合气体被导入流道。

优选地，按照本发明的设备还有其它的混合平面。如图1b所示，在其它的混合面各布设至少一个进气口，使得由混合气体造成的涡旋方向与上面的混合平面的涡旋方向不同，也就是说是反向的。尤其是，按照本发明的设备具有大于两个的，优选超过4个，尤其超过6个混合平面，其具有至少一个进气口。

因此，气流的矢量代替静态混合器或搅拌器的功能。按照本发明，混合平面各自具有至少一个，尤其两个进气口。

利用按照本发明的设备进行的试验令人惊讶地显示，通过混合流道内逆向的涡旋方向和特别强的剪切力产生质量那么好的混合效果，以致于可放弃通过建议的聚氨酯混合头混合反应性成分。

图2a显示的是一个按照本发明的、不带上游聚氨酯混合头的模块式混合器结构，在该结构中，可通过，例如，圆盘状的混合元件，按照混合要求视需要组合混合平面。原来的进入通孔在这里被用于导入反应性塑料的反应性成分A和B。图2b显示的是相应的混合原理。在这里所显示的是两个进口。但是，按照本发明也可以在同一个混合平面有其它的进口。

因此，在一个按照本发明的方法中，至少有两种成分分别通过至少两个进口被从外部导入到喷嘴内的喷射流道并且在那里混合。该喷射流道具有至少两个混合平面，其中至少一种混合气体通过至少一个正切布设的气道引入以及这些混合平面中至少有一个位于反应性成分进口的前面，另一个位于其后面。“前面”和“后面”在这里是相对于反应性流的流动方向而言。

因此，混合头功能只通过按照本法明的设备，混合喷嘴/喷射喷嘴承担，借此可以低成本地实现特别小的和轻的并且没有活动部件和密封件的结构形式。此外，按照本发明可以放弃高成本的高压计量。

在一个按照本法明的设备中，喷射流道位于混合喷嘴的内部。喷射流道通过壁与围绕它的气室隔开，其中，在至少两个混合平面，从气室到喷射流道，混合气体是通过各自至少一个气道可被导入喷射流道。因此，只需按照本发明的喷嘴的气体接通。混合气体以恒定的压力经全部已有的气道流入喷射流道的内部。在一个平面内有至少一个气道，该气道把混合气体从气室引入喷射流道。但是，优选地，在一个平面内有多于一个的气道，优选地，在一个平面内有两个气道，并且这两个气道位置相对。

在一个优选的实施方式中，圆筒式混合区具有锥形喷嘴出口。这种结构是按照本法明的喷射—混合喷嘴的最简单的结构形式。

压缩气体混合的原理产生混合气体的气泡，这降低后来的聚氨酯基材的密度和在某些应用场合不是希望的。例如，在按照弹簧—/质量原理用于消音的功能层，力求质量层的厚度明显＞2。在产生气泡(通过混合过程引入)的同时添加固体，在这种情况下是违背生产的。

因此，在另一个实施方式中，以本法明为基础的任务是通过喷射—混合喷嘴解决，在所述喷射—混合喷嘴中，在喷射流道的内部安装有空心圆筒，气体分配器位于该空心圆筒的中心，混合气流通过该分配器经引到喷射流道的气道正切地被导入。图3a显示的是一个按照本法明的设备的横截面。图3b显示的是基于此的混合原理。引入的混合气流正切地和各自反向地被导入。在外部的喷射流道中，可以从外部导入相应的反应性成分，但是也可以固态的，液态和/或气态的添加物。反应性成分和添加物的进口位于两个相互不同的混合平面，并且反应性成分被引入一个平面，而添加物分别被引入与之不同的平面。在这些混合平面之间至少有一个用于导入混合气体的混合平面。

通过这种混合室几何形状保证各反应性成分和添加物，尤其是固体之间的混合。通过气体从内向外流出，即使在压缩气体气量减少和因此气泡减少时也可以实现充分混合。通过反向正切导入的混合气体，和由此导致的在各个混合平面的相反的涡旋方向可以实现混合。也这样导入反应性成分和添加物，使得在喷嘴内部改变涡旋方向。

混合室的几何形状由空心圆筒组成，气体分配器位于空心圆筒的中心。通过形成小缝隙尺寸的环流动，与圆筒形的混合室相比，可以防止压缩气体气流的混合作用在混合室的中心(在流道的中心)消失。此外，气流的混合作用不会因离心力受到破坏。

在图3a所述的排列结构有利于保持压缩气体的气道清洁，因为对外限制的混合室壁在供应固体之后完全关闭并且因此可以避免润湿的固体粒子通过离心力进入气道。在相应的气流下，混合物不能通过回流进入混合气体气道。

在相应的实施方式中，位于中心的气体分配器在其位置轴向移动，借此可以直接在排料口的前面在混合室调节容积并借此调节流速。特别地，可以利用这种效果影响喷射图。

在图3a所述的混合—喷雾嘴在需要时也可以与传统的聚氨酯—混合装置组合并且可以借此继续使用现有的机器技术。

可以按照现有技术通过压缩气体清洁按照本发明的混合—喷雾嘴。通过断开成分流和保持或提高压缩气体的输送引入清洁过程。与高压技术相似，在这种方式中也可以像开始时所述进行短时间地中断压射，例如，在机器人导向的喷涂过程中有利于形成均匀的涂层厚度。

在一个特别的实施方式中，成分平面的下面的气道的入角正切地并且斜着布设在混合成分的流动方向，借此可以再次提高混合作用。但是，仅在使用高的气体流量或高的流速时，这种进气口几何形状才可行，因为通过向混合物流动方向倾斜促进混合物进入气道。

除了混合平面的数量，气体流量，旋转方向和气流的入角，也可以通过脉动气流对混合施加影响。在脉动气源时，有利地，独立地和必要时交替地向各混合平面供应高频压缩气体气流。图1a和图2a中所示设备的外部的压缩气体气源为该变换方法提供了理想的条件。

不仅固—气混合物可以通过按照本发明的设备被导入反应性混合物中。反应性成分也可以作为预先雾化的浮质(Aerosole)通过压缩气体被导入喷嘴。通过体积流量以及粒子粒度的匹配可以按照反应组分的混合比均衡质量差异。最大至100∶1的混合比(通常不能通过高压混合器混合)可以成功地混合或处理至例如排料量50克/秒。

此外，在另一个实施方式中还可以通过现有的进口把热气导入反应性混合物。这可以热活化反应组分。由于混合物停留时间短，在按照本发明的方法中利用最高达600℃的气体温度。

通过加热的模型表面或恒温处理的混合物成分来影响反应性塑料的反应过程是一种惯用的方法。热空气喷射法可以取得类似的效果，但是在需要时受排出混合物的时间的影响该效果可能会发生变化。因此，例如，如果是大面积的元件，可通过总的喷射时间使混合物的反应过程匹配，由此可以提高该过程的生产能力。此外，反应性混合物的过程对斜的面也有积极的影响。

按照本发明，反应性塑料优选是聚氨酯。因此，所使用的反应性成分尤其是多元醇成分和异氰酸酯。在这里，可以使用现有技术中足够已知的成分。

按照本发明，优选地，纤维通过进口被导入反应性混合物中。其它可以输入的可能固体包含，例如，防火剂，稳定剂或抗老化剂。任选输送的液态辅助材料也可具有同样的功能。

Claims (17)

1.制造反应性塑料的层和模塑件的方法，其特征在于，至少两种成分分别通过进口从外部引入到喷嘴的喷射流道并且在那里混合，其中，该喷射流道具有至少两个混合平面，至少一种混合气体通过至少一个正切布设的气道进入所述混合平面，和这些混合面中至少有一个是逆流地位于反应性成分进口的前面。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，混合气体这样被导入喷射流道，使得在进入喷射流道时，气流的流动方向在喷射流道的中心点的外部伸展。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，把多元醇成分和异氰酸酯成分导入喷嘴。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，接通混合头的喷嘴，由该混合头反应性混合物，尤其是聚氨酯反应性混合物轴向地进入喷射流道，并且通过进口给反应流混入其它的成分。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过进口给反应流供入固态的，液态的和/或气态的成分。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，气道的布设保证，通过在平面导入混合气体给反应性混合物的轴向流动施加径向的流动成分并且该径向的流动成分在一个平面中有一个方向和在下一个平面中有相反的方向，其中，通过进口输入成分也被看作平面。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过一个位于喷嘴内部的空心圆筒，在至少三个平面中通过至少各一个气道把混合气体正切地导入喷嘴，其中，喷嘴在至少两个不同的平面还具有用于不同成分的进口。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，气道的布设保证，通过在平面中导入混合气体给反应性混合物的轴向流动施加径向流动成分并且该径向流动成分在一个平面的方向与在下一个平面的方向相反，其中，成分的进口也被看作平面。

9.按照权力要求1制造反应性塑料的层和模塑件的设备，其特征在于，喷嘴在内部有喷射流道，喷射流道通过壁与围绕它的气室隔开，其中，在至少两个混合平面，从气室到喷射流道，混合气体是通过各自至少一个气道被导入喷射流道。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，气道的布设保证，在进入喷射流道时，气流的流动方向在喷射流道的中心点的外部伸展并且通过这种正切式排列给在喷射流道内的本来是轴向的流动施加径向的流动成分。

11.根据权利要求9或10中任一项所述的设备，其特征在于，气道和进口的布设结构使得通过在喷射流道的流动过程给混合物施加不同的涡旋方向，其中，混合平面的涡旋方向与下一个平面的涡旋方向相反。

12.根据权利要求9～11中任一项所述的设备，其特征在于，喷射流道与混合头连接并且通过进口给轴向地从混合头流出的反应流导入固体，液体，反应气体和/或混合气体，其中，至少有一个混合气体的气道位于这些进口的上面。

13.根据权利要求9～12中任一项所述的设备，其特征在于，在平面内有两个对立的气道。

14.按照权力要求1制造反应性塑料的层和模塑件的设备，其特征在于，喷射流道的内部有空心圆筒，气体分配器位于该空心圆筒的中心，混合气流通过该分配器经引到喷射流道内的气道正切地被导入。

15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，在至少两个相互不同的平面有进口从外部进入喷射流道，通过这些进口可以掺混反应性组分和至少种固态的，液态的和/或气态的添加物。

16.根据权利要求14或15中任一项所述的设备，其特征在于，气道的布设结构保证，轴向流动的反应性成分获得涡旋，其中，一个平面的涡旋方向与下一个平面的涡旋方向不同，其中，这也与被掺混反应性成分和至少一种添加物的平面有关。

17.根据权利要求14～16中任一项所述的设备，其特征在于，在一个平面内有两个相互对立的气道。

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