CZ244094A3 - Kontinuální způsob výroby polyurethanových sešikmených pěnových tvarový - Google Patents

Abstract

Tento kontinuální způsob výroby polyuretanových sešikmených pěnových tvarových dílů zahrnuje vytvoření směsi reaktivních chemických složek a míchání chemických složek s napěňovacím činidlem, které má nízkou teplotu varu při vhodných tlakových podmínkách pro udržení napěňovacího činidla v kapalném stavu. Směs se napěňuje za řízených podmínek průchodem komorou (21) pro vyrovnání tlaku a protáhlou štěrbinou (17) pro snížení tlaku, čímž se započne napěňování. Směs se dále vede napěňovací dutinou (19) a výstupním otvorem (20) se nanáší na substrát (2). Zařízení k provádění tohoto způsobu obsahuje mixér (11), který je trubkou (18) spojen s napěňovacím zařízením (13), které tvoří komora (21) pro vyrovnávání tlaku s protáhlou štěrbinou (17) pro snížení tlaku a napěňovací dutina (19) s výstupním otvorem (20) pro nanášení směsi na substrát (2), který je umístěn příčně ke směru pohybu substrátu (2).

Description

Vynález se týká výroby polymer ických pěn použitím napěňovací techniky.

Vyiná1.e2; se es/oiéne týká ,'Epňšvbe a aařfeení píro teintíraiálrá 'výrobu pružných. a tuhých tvarových dílů, obvykle používaných pro vytváření panelových obkladů, měkkých výplní a podobně.

Dosavadní stav techniky

Polymerické pěny, zejména polyuretanové pěny, jsou velmi dobře známé. Obecně jejich výroba vyžaduje míchání reaktivních chemických složek, jako je polyol a isokyanatan, za přítomnosti běžně používaných příměsí, jako je vhodný katalyzátor, povrchově aktivní činidlo nebo činidlo pro hubení nežádoucích buněk, a vody, která chemicky reaguje s isokyanatanem, aby se vyvíjel oxid uhličitý pro nadouvání pěny.

Při kontinuální výrobě pružných pěn, a zejména při tváření pružných pěn do tvarových dílů, která se v současnosti provádí na tradičních zařízeních, je běžnou praxí rozetřít nebo nalít tenkou vrstvu směsi v kapalném stavu na pohybující se vrstvu substrátu, který je uložen na mírně skloněném dopravníku. Poté je pěně umožněno aby se volně rozrůstala, což je způsobeno reakcí mezi chemickými složkami, dokud není dosaženo její maximální expanze. Pěna je pak vytvrzena a poté je rozřezána na díly. Tradiční způsob a zařízení jsou popsány, například, v US patentových spisech č. 3,325,823 a č.4,492,664.

Aby se zabránilo situaci, ve které by kapalná směs odtekla před vytvořením pěny, a pro umožnění výroby jednotných dílů, je obvykle vyžadován malý sklon a vysoká rychlost dopravníku a rychlá chemická reakce. Důsledkem toho jsou nákladná a prostorově náročná zařízení, neúměrně vysoká rychlost výroby a tím také zařízení pro výrobu v neúměrně velkém měřítku.

-2Při pokusu částečně překonat problémy a nevýhody tradičního způsobu, navrhuje US patentový spis č.3,786,122 alternativní napěňovací postup, ve kterém jsou reagenty smíchány a v kapalném stavu vloženy na dno přednapěňovací nádrže. To umožňuje, aby směs expandovala směrem vzhůru, čímž se vytvoří předexpandovaná směs, která teče z nádrže na drážkovaný deskový materiál nesený na dopravníku. Ačkoliv tento způsob eliminuje použití vratných míchacích íthi.-·' pn vy tíM/K Kí.ft.ϊί,ϋ.Vu.iiri.iCZí via Ejfc/ip. ί,.ί.Λίί<ν p,.CisiCí.;,.y,.

způsobené vytvářením pěny v nádrži, což způsobuje postupné zužování nebo zmenšování užitečného objemu nádrže a následně snížení doby uchování v nádrži.

Částečně expandovaná pěna má relativně vysokou hustotu a nízkou viskozitu a omezuje úhel sklonu, který může být použit pro napěňovací dopravník. Následně tedy stále existuje riziko odtékání pěny.

Přestože hlavním cílem patentového spisu č.3,786,122 bylo používat kratšího dopravníku při nižší rychlosti, než jaký se používá u běžných zařízení, skutečnost, že směs vytékající z nádrže je stále v kapalném stavu, prakticky zabraňuje jakémukoliv podstatnému snížení rychlosti a zmenšení délky dopravníku. Výsledné zařízení je tedy velké a stále vyžaduje mnoho prostoru. Publikace PU Handbook G. Hoertel ED. Carl Hanser Verlang - 1985, str. 162 - 168, popisuje další variaci licí techniky při pokusu o dosažení jednotného nanesení směsi polyuretanových složek pevnou míchací hlavou. Tato směs popisovaná p. Hoertelem není pěnou, ani nenastává nadouvání. Podle Hoertla je tato směs rozetřena po celé šířce dopravníku s použitím rozvodné tyče, pomocí které je směs přiváděna nad širokou přední část dopravníku. Výsledný proud je podobný tomu, který je vytvářen v nádrži používané podle patentového spisu č. 3,788,122; v závislosti na objemu rozvodné tyče a chemické reaktivitě pěnového systému je směs nanášena na substrát jako čistá kapalina (bez reakce) nebo jako již krémovitá kapalina (reakce začala). Následně je hustota a viskozitu směsi stále závislá na objemu rozvodné tyče, ve které probíhá chemické napěňování. Rozvodná tyč podle Hoertla se tedy podstatně neliší od systému s nádrží podle US patentového spisu č. 3,786,122.

Napěňování je známá technika v polyuretanové technologii, ale není známá při výrobě pěnových dílů. Při napěňování je do kapalné fáze nebo roztoku s —3 — chemickými složkami polyuretanu v mixéru pod tlakem přimícháván nereaktivní netečný plyn nebo nadouvací činidlo. Tlak je poté uvolněn, což způsobí napěňování nebo předexpandování. Odpařování nadouvacího činidla způsobí růst buněk a napěněni kapalné reakční směsi, která se vytvrzuje, aby vytvořila elastomer.

Typickými nadouvacími činidly jsou různé chlorfluorouhličitany (CFG), s použitím těchto materiálů jsou ovšem spojeny určité problémy týkající se životního prostředí Proto bylo provedeno mnoho pokusů o výrobu pěnových polyuretanových materiálů pomocí napěňování oxidem uhličitým (CO₂).

Oxid uhličitý (CO₂) jako nereaktivní nadouvací činidlo byl pro napěňování navržen, například, v US patentových spisech č. 3,184,419 a č. 5,120,770.

Podle těchto dvou patentových spisů je reakční směs během míchání vystavena tlaku, aby se nadouvací činidlo udrželo v kapalném stavu. Poté je směs uvedena na atmosférický tlak, což způsobí turbulentní odpařování nadouvacího činidla. Zatímco tedy napěňování a použití netečného nadouvacího činidla, začleněného v kapalném stavu do reakční směsi, umožňuje výrobu pěny se sníženou hustotou, má ovšem struktura buněk velmi nekonzistentní kvalitu, 20 protože se vytvoří buňky nebo bubliny nepravidelných tvarů a nadměrných velikostí.

Ačkoliv napěňování netečným plynem, zejména CO₂, je dobře známá technika přicházející do úvahy, nebyl až doposud úspěšně navržen nebo objeven praktický napěňovací postup a zařízení pro použití při výrobě deskových pěnových dílů.

Při pokusu vyřešit problém výroby deskového materiálu bez použití chlorfluorouhličitanových nadouvacích činidel a s použitím napěňování, bylo nyní zjištěno, že vhodné uvolnění směsi pod tlakem musí probíhat za řízených

3Q podmínek. Použití řízených podmínek při výrobě polymerických pěn pozitivně ovlivňuje růst buněk během počáteční napěňovací expanze směsi, která je důležitá při výrobě deskového materiálu.

-4V současnosti stále existuje potřeba nového napěňovacího postupu a zařízení pro kontinuální výrobu pružných desek nebo výrobních linek pro kontinuální pěnu, ve kterých by mohlo být prakticky využito napěňování a nereaktivní nadouvací činidlo.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je navrhnout způsob napěňování shora uvedeného typu, ve kterém by pro napěnění bylo možno výhodně použít nereaktivní kapalné

IQ nadouvací činidlo, výhodně oxid uhličitý, bez negativního ovlivnění buněčné struktury pěny, pro vytvoření vhodného komerčního výrobku bez bublin.

Jiným cílem vynálezu je vytvořit způsob a zařízení shora uvedeného typu pro kontinuální napěňování pro výrobu pružných nebo tuhých desek, ve kterém napěňování směsi může být s výhodou prováděno při řízených podmínkách, které 15 umožní nanesení směsi na pohybující se substrát ve formě vysoce viskozní pěny, bez ovlivnění turbulentního odpařování nadouvacího činidla. To také umožňuje výrobu pěny s nízkou hustotou řádově 14 kg/ m³.

Dalším cílem vynálezu je navrhnout napěňovací postup a zařízení shora 20 uvedeného typu, které umožní použití výrobní linky s malým výkonem, která pracuje při velmi nízkých rychlostech, čímž se umožní, aby byly mnohem kratší než běžná nebo známá zařízení nebo výrobní linky. Tím se tedy odstraní nevýhody běžných zařízení při zachování jejich výhodných vlastností. To také má za následek dramatické snížení výfukových plynů ze zkrácené linky pracující s nižší rychlostí, takže objem výfukových plynů za hodinu, který vyžaduje mokré čištění nebo jiný čistící postup před vypuštěním je rovněž snížen. Podobně důležité je snížení množství vzduchu ve výrobní jednotce, které potřebuje klimatizaci, čímž se sníží energetické náklady spojené s výrobou deskového materiálu.

Hlavními cíli vynálezu je tedy eliminace chlorfluorouhličitanů (CFC) a těkavých organických sloučenin (VOC) ze směsi a jejich nahrazení levnějšími sloučeninami, ale také výroba měkké pěny s nízkou hustotou a s vysoce homogenní buněčnou strukturou neobsahující velké bubliny, díry a viditelné defekty.

-5Oproti obecným trendům dosavadního stavu techniky spočívá vynález v míchání pod tlakem reaktivní směsi polymerických chemických sloučenin a netečného nadouvacího činidla s nízkou teplotou varu, po kterém, před započetím jakékoliv reakce, následuje napěňování směsi za řízených tlakových podmínek v napěňovacím zařízení s vyrovnáváním tlaku, které má prodlouženou nízkotlakou oblast umístěnou příčně ke směru pohybu substrátu. Poté je napěňovací směs _t i . V i j,. . ' * ' ' i ^W ' ' .'i.' ' i > I > i směsi. Napěňovací přechod nebo dutina má výhodně výstupní otvor o větší ploše než je plocha otvoru nebo výstupu nízkotlaké oblasti. Podle vynálezu se tlak v průběhu míchání pohybuje výhodně od 0,5 do 1,8 MPa.

Vynález je unikátní v tom, že používá napěněnou formu smíchaných chemických ingrediencí, které zahrnují polymerickou pěnu, pro vytvoření deskového materiálu. Vynález je výjimečný také v tom, že používá ekologicky bezpečné nadouvací činidlo pro vytváření pěny při výrobě deskového materiálu. Takový pěnový deskový materiál může být z pružné nebo tuhé pěny. Vynález využívá speciálně konstruovanou vykládací nebo nanášecí hlavu, tak zvanou vstupní tyč, která unikátním způsobem pomáhá smíchaným pěnovým ingrediencím v napěňování. Toto napěňování probíhá přísně řízeným způsobem použitím prodloužené nízkotlaké oblasti, která je částí vstupní tyče, a poté obdržením smíchaného napěňovacího materiálu procházejícího napěňovacím přechodem nebo dutinou, ve které je plynné nadouvací činidlo postupně uvolňováno do napěňovací směsi před nanesením na pohybující se substrát nebo dopravník. Nanášecí hlava zajišťuje, že napěněný materiál je rozložen po šířce zařízení, bud' na podstatnou část zařízení na výrobu deskového materiálu nebo na jeho požadovanou část Zařízení na výrobu deskového materiálu může zahrnovat kompletní výrobní linku, ve které bude napěňovacímu materiálu umožněno chemicky reagovat, plně napěnit, vytvrdnout a poté být rozřezán na požadované díly.

Experimentálními zkouškami bylo také zjištěno, že kritickými faktory pro výrobu velkých pěnových bloků jsou rovnováha mezi profilem úhlu nárůstu pěny, množstvím materiálu zpracovávaného zařízením, rychlostí dopravníku a vlastnostmi směsi, jako je viskozita, nárůst reaktivity, atd. Protože směs je při

-6začátku reakce již viskózní a má strmý úhel nárůstu, není podle vynálezu úhel nárůstu pěny dále omezením podmínek procesu. Pěna nanášená z napěňovací dutiny je homogenní předexpandovaná směs s dostatečně velkou viskozitou pro zabránění problémům s úhlem nárůstu, které byly spojeny se známými výrobními zařízeními a výrobními linkami pružných deskových materiálů. Viskozita je dostatečná pro udržení výroby vysokých bloků, které plně zreagovaly dokonce při vetau rdzkyen rychlostech ce strmými ohiy spadu desek, au&j podjumihu je dosažena řízením expanzní fáze směsi za směšovací hlavou a umožňuje postupné uvolňování nadouvacího činidla v reákční hmotě. Podobně mohou být měněny čtyři kritické faktory, aby se dosáhlo požadované hustoty, spíše než přijmout omezení na pevně dané parametry, jako tomu bylo v případě známých postupů. Rychlost a velikost linky nebo zařízení může být upravena potřebám výrobce pěny v rozsahu od 1 do 5 metrů za minutu, a její délka může být krátká až 20 metrů nebo méně, proti běžným délkám okolo 100 metrů. To také umožňuje, že se vytvoří menší objem výfukových plynů za hodinu, které mají být odstraněny nebo čištěny, jednodušší sestavení zařízení a jednodušší dávkování, pěny vyráběné pomocí CO₂, menší objem klimatizovaného vzduchu a velmi nízké hustoty až kolem 14 kg/m³ nebo menší.

Vynález bude dále podrobněji popsán a vysvětlen na jeho výhodných provedeních s odkazy na připojené výkresy.

Přehled obrázků na výkresech

	Obr. 1	zobrazuje systém, který pracuje podle napěňovacího
25		postupu podle vynálezu;
	Obr. 2	je zvětšený pohled na napěňovací zařízení podle vynálezu;
	Obr. 3	zobrazuje druhé provedení systému podle -vynálezu;
30	Obr. 4	znázorňuje další systém podle vynálezu s upravenou
	formou napěňovacího zařízení;
	Obr. 5	je zvětšený pohled na napěňovací zařízení podle obr.4;
	Obr. 6	znázorňuje zvětšený detail dalšího napěňovacího zařízení;

-7—

Obr. 7 znázorňuje ještě další provedení napěňovacího zařízení podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Podstatné vlastnosti vynálezu budou nejprve podrobněji popsány s odkazy na připojené obr.l a obr.2. Jak je má^oměno;» je nařízení k provádění .spůscbtí podle vynálezu opatřeno dvěma bočnicemi 4 upravenými kolmo k dopravníku 1. Kontinuální boční papírové pásy 3 jsou upraveny a pohybují se podél vnitrní strany

2q každé bočnice 4 ve směru výroby P (viz šipka) pěny. Kontinuální spodní papírová vrstva 2, o málo širší než je vzdálenost mezi bočnicemi 4, je podávána na dopravník 1, aby tvořila napěňovací podložku. Přebytečné části této vrstvy na každé straně jsou zahnuty směrem vzhůru, takže tvoří těsnění proti spodní hraně bočních papírových pásů 3. Spodní papírová vrstva 2 a boční papírové pásy 3 účinným způsobem vytvářejí shora otevřenou nádrž, která může například být okolo dvou metrů široká a jednoho metru vysoká. Dopravník 1 může být v podstatě upraven horizontálně, nebo může mít případně malý sklon s úhlem okolo šesti stupňů.

Zařízení navíc obsahuje mixér 11 s výstupem 12, umístěným nad dopravníkem 1, pro přivádění směsi reaktivních chemických složek do napěňovacího zařízení 13, jak je schematicky znázorněno na obr.2 a obr.5.

Na výstupu 12 mixéru 11 je upraven tlakoměr 12' pro indikaci tlaku smíchaných chemických látek, které opouštějí míchací komoru výstupem 12. Pro uchovávání chemických složek tvořících pěnu, jako je polyol a isokyanatan, a běžně užívaných chemických příměsí zahrnujících nadouvací činidlo s nízkou teplotou varu, jako je CO₂, jsou upraveny nádrže 5, 6 a 7. Z každé z těchto nádrží jsou chemické složky a nadouvací Činidlo dodávány do mixéru 11 prostřednictvím potrubí a příslušných čerpadel 8, 9 a 10.

Podle provedení znázorněného na obr.2 je výstup 12 mixéru 11 spojen ³⁰ trubkou 18 s napěňovacím zařízením 13 příčně uloženým přes dopravník 1.

Napěňovací zařízení 13 obsahuje nízkotlaký tvořící prostředek zahrnující prodlouženou nízkotlakou oblast ve formě protáhlé štěrbiny 17. Mělo by být zřejmé, že účelem prodloužené nízkotlaké oblasti je zajistit zpětný tlak a umožnit

-8míchání chemických sloučenin v mixéru 11 a také vyrovnání tlaku v napěňovacím zařízení, před snížením tlaku, aby se zabránilo turbulentnímu odpařování nadouvacího činidla v průběhu napěňování směsi. Současně umožňuje napěňovací zařízení 13 napěňování směsi za zpomalených podmínek s řízeným tlakem.

Napěňovací zařízení 13 také zajišťuje, že výsledná pěna je hladce nanášena na substrát ve formě bočních papírových pásů 3 a spodní papírové vrstvy 2, přičemž je postupuje ve směru pohybu dopíííviuhtř zttilzextí.

Jak je uvedeno výše a znázorněno na obr.2, může tlak vyrovnávací a napěňovací zařízení 13, například, zahrnovat válcový prvek tvořící tlak vyrovnávací komoru 21 pro vyrovnávání tlaku, která má podélnou osu. Tlak vyrovnávací komora 21 je v jednom nebo ve více přiváděčích bodech spojena s mixérem 11 alespoň jednou trubicí 18. Tlak vyrovnávací komora 21 je opatřena nízkotlakou oblastí, například, ve formě protáhlé štěrbiny 17, která je umístěna podélně podél jedné strany tlak vyrovnávací komory 21. Nízkotlaká oblast ovšem může být vytvořena jinými vhodně tvarovanými nízkotlakými otvory pro protékání směsi před napěňováním. Jak je zobrazeno na obr.6 a obr.7, může rozvodná nebo vstupní tyč obsahovat sadu otvorů kruhového, podlouhlého nebo pravoúhlého tvaru, nebo sadu protáhlých, ale kratších, štěrbin tak, aby byly vytvářeny řízené podmínky. Protáhlá štěrbina 17, nebo přesněji nízkotlaká oblast, má zúženou plochu průřezu, dostatečnou pro snížení tlaku ve směsi vytékající z tlak vyrovnávací komory 21 během napěňování a pro vytvoření zpětného tlaku v mixéru 11, pro shora uvedený účel.

Řízení napěňování, pro dosažení řízených podmínek, které jsou 25 požadovány během nanášení pěny, je prováděno použitím zvětšené napěňovací dutiny 19 s výstupním otvorem 20, ze kterého je napěňovací směs přiváděna na pohybující se substrát

Napěňovací dutina 19 má vhodné uspořádání, které zajistí řízení toku napěňovací směsi, přičemž zejména plocha průřezu výstupního otvoru 20 by měla být větší než plocha průřezu nízkotlaké oblasti, jako je protáhlá štěrbina 17, která zajišťuje spojení mezi tlak vyrovnávací komorou 21 a napěňovací dutinou 19.

. Plocha průřezu výstupního otvoru 20 by měla být v rozsahu od deseti do

-9stonásobků, nebo více, plochy průřezu nízkotlaké oblasti ve formě protáhlé štěrbiny 17.

V provedení znázorněném na obr.l, dodává napěňovací zařízení 13 napěněnou směs na substrát, který je ve formě spodní papírové vrstvy 2 a bočních papírových pásů 3 a který se pohybuje na dopravníku 1 v podstatě po horizontální dráze. Dopravník. 1, rtiůže pracovat s rychlostí od 1 do 5 metrů za minutu, takže plná výška bloku může být dosažena v rozmezí od 1 do 8 metrů od místa nanesení pěny.

Výše popsaný příklad podle obr.l se týká systému, u kterého pěna roste směrem vzhůru od dopravníku 1.

Příklad podle obr.3 se týká odlišného systému, u kterého je pěně umožněno růst na směrem dolů skloněné dráze, což umožňuje značné snížení délky zařízení. Podle tohoto provedení není úhel sklonu dopravníku, na který je nanesena napěňovací směs, kritický díky vysoké viskozitě pěny vytékající z napěňovací dutiny. Proto nedochází k odtékání.

Zařízení na obr.3 pro výrobu kontinuálního deskového materiálu rovněž používá hlavní dopravník 1 společně s přidruženými bočnicemi 4 a spodní papírovou vrstvu 2 a boční papírové pásy 3, a tento hlavní dopravník 1 je také umístěn horizontálně.

Toto provedení také obsahuje hnaný druhý dopravník 25, který je skloněný s úhlem a, o velikosti například 30° vzhledem k horizontální rovině, a který je umístěn mezi bočnicemi a bočními papírovými pásy takovým způsobem, že jeho spodní konec je bezprostředně nad hlavním dopravníkem 1. Tlak vyrovnávací a napěňovací zařízení 13, stejné jako bylo popsáno v příkladu podle obr.l, bylo umístěno bezprostředně nad horním povrchem druhého dopravníku 25 v jeho nejvyšším bodě. Jako alternativu ke druhému dopravníku 25 je možno použít

3Q kluzný povrch, jako je například šikmá deska, pro vytvoření dolů směřující dráhy.

Úhel a se výhodně může pohybovat od přibližně 10° do přibližně 40°, přičemž zvláště výhodný rozsah je od přibližně 25° do přibližně 35°.

-10 —

Spodní papírová vrstva 2 je v tomto případě vedena směrem dolů na horním povrchu druhého dopravníku 25 a poté na hlavním dopravníku 1.

Druhá papírová vrstva 22, která je rovněž kontinuální, se pohybuje kolem válce 23, takže kopíruje horní povrch napěňovací dutiny 19, a takovým způsobem, 5 že spočívá na a pohybuje se s horním povrchem rostoucí pěny 16.

ťoKHu je to zíuwtiťi, jsou pnpí&Gite upťuvcxiy potoicnt. uesky .to,, ktoxe spočívají na horní straně druhé papírové vrstvy 22, aby napomáhaly při tvarování rostoucí pěny 16.

Byly provedeny srovnávací testy kontinuální výroby deskového materiálu pomocí způsobu a zřízení podle vynálezu v porovnání s běžným systémem.

Příklad 1

V tomto srovnávacím příkladu bylo použito běžné zařízení pro kontinuální výrobu deskového materiálu, které bylo popsáno podle obr.l, až na napěňovací zařízení 13, které bylo odstraněno. Byla připravena směs chemických látek, označená jako Část A v následující Tabulce 1, která pak byla vložena do nádrže 5. 80:20 TDI, Část B, bylo vloženo do nádrže 6. V nádrži 7 byl uložen katalyzátor v

oktoát cínaty, Část C.

Čerpadla 8, 9 a 10 byla nastavena tak, aby jejich výstupy odpovídaly definici v Tabulce 1 pro Části A, B, a C. Dopravník 1 byl nastaven tak, aby jeho rychlost byla 5 metrů za minutu.

Pěnu tvořící chemické látky, přicházející z mixéru, byly lity z výstupu 12 mixéru přímo na spodní papírovou vrstvu 2. Hodnota na tlakoměru 12' byla nula.

Expanze rostoucí pěny 16 započala v bodě na délce dopravníku 1 přibližně 0,8 metrů od mixéru 11. To odpovídalo době přibližně 12 sekund od nanesení.

Pěna bylo plně expandována v bodě přibližně 8 metrů od mixéru 11. To odpovídalo době přibližně 105 sekund od nanesení

-11—

Výška pěnového bloku po jeho vytvrzení byla 0,8 metru. Hustota vzorku pěny, odříznutého z bloku, byla 21,5 kg/m³. Buněčná struktura pěny měla konzistentní kvalitu s malým počtem nepravidelně tvarovaných buněk, nadměrně velikých buněk nebo otvorů.

Tabulka 1
1	I Příklady 1-3	Příklad 4 Výstup v kg/min
Duy kcnotaosird	Výstup v kg/min
Část A		120	24
polyeterpolyol, 3500 mw	100
voda	4,5
aminový katalyzátor, Niax Al	0,1
silikon, Tegostab B2370	1,2
ČástB		62,4	12,5
80:20 TDI	55,2
ČástC		0,25	0,05
katalyzátor, oktoát cínatý	0,22

Niax je ochranná známka firmy Union Carbide

Tegostab je ochranná známka firmy ΊΉ Goldschmidt (nadouvací činidlo se srovnatelně nízkou cenou)

Příklad 2

V tomto srovnávacím příkladu bylo použito stejného zařízení pro výrobu deskového pěnového materiálu jako v příkladu 1. V tomto případě byla směs chemických látek označená Část A, která byla v nádrži 5, nasycena pod tlakem plynným oxidem uhličitým, přidáním určitého množství kapalného oxidu uhličitého. Bylo přidáno dostatečné množství oxidu uhličitého pro dosažení tlaku v nádrži 5, který je měřen tlakoměrem 14, 0,6 MPa.

Zařízení pro výrobu pěnového deskového materiálu pracovalo stejným způsobem jako podle popisu v příkladu 1.

Tentokrát opouštějí chemické sloučeniny výstup 12 mixéru ve formě turbulentní pěny. Bylo také pozorováno, že se tvořily velké bubliny plynu v pěně po jejím nanesení na spodní papírovou vrstvu 2. Tlak měřený tlakoměrem 12' na výstupu 12 byl nulový.

Expanze pěny byla dokončena ve vzdálenosti přibližně 7 metrů od mixéru

Po vytvrzení pěnového bloku bylo zjištěno, že má výšku 0,9 metru, což znamená, že nastala mohutnější expanze než v příkladu 1.

Hustota vzorku pěny, odříznutého z bloku byla 19 kg/m³.

Buněčná struktura pěny byla nekonzistentní, objevily se velké oválné díry nebo otvory až 30 milimetrů vysoké o průměru až 10 milimetrů. Přítomnost těchto nepravidelností v buněčné struktuře způsobila, že pěna byla komerčně nepřijatelná.

Příklad 3

V tomto příkladu bylo použito stejného zařízení pro výrobu pěnového 20 deskového materiálu jako v příkladech 1 a 2 až na to, že na výstupu 12 mixéru bylo upraveno napěňovací zařízení 13 podle vynálezu, takže, předtím než umožnilo napěňování, vyrovnávalo tlak pěnu tvořících chemických látek po celé šířce dopravníku 1 snížením jejich tlaku průchodem nízkotlakou oblastí ve formě protáhlé štěrbiny 17 v tlak vyrovnávací komoře 21.

Tlak vyrovnávací napěňovací zařízení, schematicky znázorněné na obr. 2, sestávalo z 1,9 metru dlouhé tlak vyrovnávací komory 21 ve formě ocelového válce s vnitřním průměrem 30 milimetrů. Po délce této tlak vyrovnávací komory 21 byla vyříznuta protáhlá štěrbina 17 o výšce 0,5 milimetrů a délce 1,85 metru. Na protáhlou komoru 21 byla nasazena trubka 18, která byla na druhé straně spojena s výstupem 12 mixéru.

Napěňovací dutina 19 ve formě difuzéru s rozbíhajícími se příčkami byla upevněna k vnějšku vstupní tyče či tlak vyrovnávací komory 21 tak, aby tvořila

-13rozbíhající se uzavřenou dráhu z protáhlé štěrbiny 17 k výstupnímu otvoru 20 difuzéru. Rozměry výstupního otvoru 20 napěňovací dutiny byly 1,85 metru šířky a 0,2 metru výšky. Délka napěňovací dutiny od štěrbiny k výstupnímu otvoru byla

0,5 metru.

Tlak vyrovnávací komora a napěňovací dutina byly nasazeny na zařízení pro výrobu pěnového deskového materiálu tak, že výstupní otvor 20 byl právě nad spodní papírovou vrstvou 2 a směřoval dolů k dopravníku 1 ve směru výroby F.

Vstupní tyč 60 může mít konfiguraci znáLZoměnou na obr.6 a obr.7. Na 10 obr.6 má tato tyč pravoúhlý vnější tvar a také pravoúhlý průřez vnitřní komory 62. Řada protáhlých štěrbin, pro příklad označených značkami 64, 66 a 68, může být použita pro vytvoření požadovaného výstupu ze vstupní tyče 60 a pro požadované snížení tlaku. Na obr.7 je znázorněná vstupní tyč 70, která je vytvořena s vnitřní komorou 70 kruhového průřezu, ze které příčně vystupuje řada kruhových výstupních otvorů, pro příklad označených značkami 74, 76 a 78, ve směru toku pro zajištění požadovaného výstupu a snížení tlaku.

Zařízení pro výrobu pěnového deskového materiálu pracovalo stejným způsobem jako v příkladu 2. Tlak v nádrži 5 byl opět 0,6 MPa, jak je znázorněno

2q pomocí tlakoměru 14; tlak v míchací komoře byl přibližně 1,8 MPa.

Bylo zjištěno, že snížení tlaku ve vstupní tyči či v tlak vyrovnávací komoře 21 by měl být významnou částí celkového snížení tlaku za míchací komorou.

Tentokrát je materiál vycházející z výstupního otvoru 20 ve formě hladké 25 pěny. Tato pěna neobsahovala velké bubliny. Tlak měřený tlakoměrem 12' na výstupu 12 z mixéru byl 0,6 MPa.

Expanze pěny byla dokončena ve vzdálenosti kratší než 7 metrů od výstupního otvoru 20. Vzhledem k velké viskozitě pěny, je podle vynálezu možné snížit rychlost dopravníku s značně snížit celkovou délku výrobní linky a tedy 30 celého zařízení ve srovnání s běžným zařízením, přičemž nenastanou problémy s odtékáním.

Po vytvrzení pěnového bloku byla naměřena jeho výška 1 metr. Hustota vzorku pěny, odříznutého z tohoto bloku byla naměřena 17 kg/m³. Buněčná

-14struktura byla jemná a neobsahovala velké dutiny. Pěna byla svojí kvalitou komerčně přijatelná.

Příklad 4 5

V tomto příkladu byl použit stejný chemický předpis jako v příkladu 3, s tlakem 0,6 MPa v nádrži 5 obsahující směs polvolu a oxidu uhličitého.

V tomto případě byly ovšem výstupy čerpadel 8, 9 a 10 sníženy na jednu pětinu výstupů použitých v příkladu 3, jak je uvedeno v tabulce 1, a protáhlá štěrbina 17 byly zmenšena na výšku 0,4 mm.

Dopravníky 1 a 25 pracovaly oba s povrchovou rychlostí 1 metr za minutu.

Rostoucí pěna 16 dosáhla v tomto případě plné expanze ve vzdálenosti přibližně 1,2 metrů od výstupního otvoru 20.

Výška vytvrzeného bloku byla 1 metr. Hustota vzorku pěny, odříznutého z bloku byla naměřena 17 kg/m³. Buněčná struktura byla jemná a podobná struktuře z příkladu 3. Pěna neobsahovala velké dutiny. Kvalita pěny byla komerčně přijatelná.

Příklady 3 a 4 tohoto popisu zřetelně demonstrují účinnost způsobu podle vynálezu s řízeným snížením tlaku a napěňováním směsi při kontinuální výrobě polymerického pěnového materiálu.

Příklad 5 25 V tomto příkladu byl použit stejný chemický předpis jako v příkladu až na obsah CO₂, který byl zvýšen, jak bude uvedeno níže. Toto provedení bylo .upraveno, aby se čerpal kapalný CO₂ kontinuálně než aby se předem míchal v nádrži s polyolem. Jak je znázorněno na obr.4, bylo přidáno čerpadlo 54, aby se 30 míchal kapalný CO, z nádrže 55 do proudu polyolu za pomoci statického mixéru

53. Býl také zařazen redukční tlakový ventil 56, aby bylo zajištěno že tlak v proudu polyolu je udržován tak, aby CO₂ zůstával v kapalném stavu při pracovní teplotě před statickým mixérem 53. Kapalný CO, byl čerpán do proudu polyolu v množství odpovídajícím hmotnostnímu poměru 4 % (CO₂ na polyol). Kapalný CO₂ by mohl být také čerpán do proudu isokyanatanu. Protáhlá štěrbina 17 může být na výšku dále zmenšena na přibližně 0,3 mm. Tlakoměr 12' ukazoval tlak 1,5 MPa.

Všechny ostatní parametry byly zachovány jako v příkladu 4.

Výška vy tvrzeného bloku byla 1,2 metru a hustota byla 14 kg/mi Buněčná struktura byla dobrá.

Experimentální testy prováděné po dlouhé období ukázaly, že je reálně možné účinně použít CO₂ jako primární napěňovací činidlo, přičemž se dosáhne hladkého a homogenního napěnění reakční směsi na pohybujícím se substrátu stejně tak jako napěnění materiálu pohybujícího se na dopravníku se srovnatelně nízkou rychlostí. Tím je možno vytvořit zařízení s podstatně redukovanou délkou a výstupem oproti zařízením, která používají běžné postupy nebo napěňovací techniky.

Při běžném mechanickém míchání pružných polyuretanových pěn je velmi dobře známo, že je během míchání nezbytné přidávat malá množství tvořícího plynu do kapalných reakčních látek. Účelem tohoto tvořícího plynu je zajistit zárodečná místa pro tvorbu buněk při začátku napěňování. Typicky může být tvořící plyn, jako je vzduch nebo dusík, přidáván s rychlostí 0,3 až 3 N litrů za minutu pro kapacitu míchání 100 kg chemických reagentň za minutu.

Podle vynálezu bylo také zjištěno, že pokud je kapalný oxid uhličitý přidáván do kapalných reagentů jako pomocné napěňovací činidlo, je stále výhodné přidávat tvořící plyn. Tento plyn, podle očekávání, musí být přidáván do ne směsi pod dostatečně velkým tlakem, aby překonal tlak v mixéru. Tento tlak, jak bylo uvedeno dříve, může být kolem 0,5 až 1,8 MPa.

Dále bylo zjištěno, že množství tvořícího plynu může být podstatně vyšší než v případě běžného mechanického míchání pružné polyuretanové pěny. Při

3Q tlaku 0,5 až 1,8 MPa v míchací hlavě a chemické kapacitě 100 kg/minutu bylo zjištěno, že je možné přidávat tvořící plyn (například dusík) s rychlostí 10 až 40 N litrů/minutu. Pokud je použito nižší rychlosti přidávání, která je typická pro běžné mechanické míchání, je buněčná struktura pěny velmi hrubá s nízkou poréznosti a výsledná pěna nemá komerčně využitelnou kvalitu.

-16Na obr.4 a obr.5 je znázorněna alternativní provedení napěňovacího zařízení podle vynálezu.

Jak, je znázorněno na obr.4, je podle vynálezu kapalný CO₂ obsažený v nádrži 55 prostřednictvím čerpadla 54 přímo vstřikován do proudu polyolu postupujícího z nádrže 5, jako v příkladu podle obr.l. Přesněji je kapalný CO₂ vháněn do proudu polyolu před statickým mixérem 53 spojeným s mixérem 11, který je vysokotlaký, pro polyuretanové složky prostiredníctvim redukčního tlakového ventilu 56. Redukční tlakový ventil 56 slouží pro zajištění toho, že tlak v proudu polyolu bude takový, aby CO₂ byl udržován v kapalném stavu při pracovní teplotě. Kapalný CO₂ by mohl být přímo přidáván do proudu isokyanatanu tekoucího z nádrže 6, jak je znázorněno na obr.l.

Vztahovou značkou 13 je na obr.4 označeno alternativní provedení tlak vyrovnávacího a napěňovacího zařízení pro polyuretanovou směs. Toto zařízení je detailně zobrazeno na obr.5. Trubka 18 je na obr.5 stále vedena z mixéru 11, jako v provedeních zobrazených na obr.l až obr.3, a je použita tlak vyrovnávací komora nebo vstupní tlak vyrovnávací komora 21. V tomto provedení má tlak vyrovnávací komora 21 pravoúhlý průřez, mohou být ale použity i jiné tvary průřezu než kruhový nebo pravoúhlý. Tlak vyrovnávací komora 21 má také protáhlou štěrbinu

17 pro snížení tlaku. Protáhlá štěrbina 17 ústí do modifikované napěňovací dutiny 40. Napěňovací dutina 40 obsahuje horní stěnu 42, která je spojena s tlak vyrovnávací komorou 21 a vede směrem od ní do vzdálenosti přibližně 10 mm. Horní stěna 42 končí na stěně 44 umístěné vzhledem k horní stěně 42 pod úhlem okolo 90°. Stěna 44 prochází směrem dolů do vzdálenosti přibližně 30 mm a pod výstup z protáhlé štěrbiny 17. Vzhledem k tomuto uspořádání bude vytékající napěňovací směs narážet do horní stěny 42 a do stěny 44 a bude měnit svůj směr o 90° vzhledem ke směru toku v protáhlé štěrbině 17. Bylo zjištěno, že ukončením napěňovací dutiny 40 v tomto bodě, kterým je konec stěny 44 a část zadní stěny 48, může být dosaženo uspokojivých výsledků při řízení napěňování a při vytváření vhodného zpětného tlaku do mixéru 11. Je ovšem výhodnější, aby napěňovací komora 40 pokračovala protažením zadní stěny 48 do vzdálenosti okolo 40 mm, vytvořením spodní stěny 50 pokračující od zadní stěny 48 pod úhlem přibližně 90° do vzdálenosti přibližně 50 mm, a vytvořením druhé horní stěny 46 pokračující od

-17stěny 44 pod úhlem 90° do vzdálenosti přibližně 40 mm. Druhá horní stěna 46 a spodní stěna 50 jsou umístěny v podstatě rovnoběžně, ačkoliv se mohou také mírně rozbíhat pod úhlem od přibližně 10°do přibližně 20°.

Použitím stěn 46 a 50 se směr toku napěňovací směsi opět mění o 90°, tentokrát vzhledem ke směru toku způsobeném stěnami 42, 44 a horní částí zadní stěny 48. Průchod napěňovací směsi touto napěňovací dutinou 40 umožňuje, aby naptíňcvúní načalo a apocáticu prubshaie merrych podmínek Saka. Průchod napěňovací směsi touto napěňovací dutinou 40 pomáhá startovacímu procesu napěňování, aby se rozvinul bez turbulencí spojených s přímými vstřikovacími systémy. Výsledná pěna vytéká hladce z výstupu a vytváří hladkou, na pohybujícím se substrátu za neturbulentních podmínek nestékavou krémovou pěnu. Je zlepšeno rozložení a další přechod od napěňování k reakci chemických ingrediencí, přičemž růst pěny, obecně označený vztahovou značkou 52, také probíhá hladce a úplněji.

Jak je znázorněno na obr.3, může být napěňovací dutina použita s pohybující se kontinuální papírovou vrstvou a, kde je to žádoucí, je možno použít také horní druhou papírovou vrstvu 22.

Z předcházejícího popisu je zřejmé, že je možno vytvořit odlišná nebo ekvivalentní řešení než popisují shora uvedené příklady, přičemž není překročen rozsah předmětu vynálezu.

Claims (5)

1. Kontinuální způsob výroby polyuretanových sešikmených pěnových tvarových dílů, který zahrnuje kroky: vytvoření směsi reaktivních chemických

5 složek; míchání chemických složek s napěňovacím činidlem, které má nízkou teplotu varu, při vhodných tlakových podmínkách pro udržení napěňovacího činidla v kapalném stavu, vyznačující se t í m, že se za řízených podmínek tlaku napěňuje směs průchodem směsí tlak vyrovnávací komorou (21) pro vyrovnání tlaku a protáhlou štěrbinou (17) pro snížení tlaku, čímž se započne

Ιθ napěňování; a že se napěňovací směs vede napěňovací dutinou (19) a výstupním otvorem (20), čímž se nanáší napěňovací směs na substrát (2).

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že nanášení směsi zahrnuje nanášení napěňovací směsi (16) na pohybující se substrát

15 3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že nanášení napěňovací směsi (16) probíhá na v podstatě horizontální dráze.

4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že nanášení napěňovací směsi (16) probíhá na šikmou dráhu (25).

5. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že napěňovací směs protéká napěňovací dutinou (19), jejíž průřez se s postupující délkou postupně zvětšuje.

6. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že výstupní otvor 35 (20) napěňovací dutiny (19) má plochu průřezu vetší než je plocha průřezu protáhlé štěrbiny (17).

7. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že směs protéká napěňovací dutinou (19), ve které se postupně uvolňuje před započetím chemické

3Q expanze reaktivní směsi chemických složek.

8. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že napěňovacím činidlem je oxid uhličitý.

-199. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že protáhlá štěrbina (17) a napěňovací dutina (19) jsou uloženy příčně k substrátu (2).

10. Způsob podle nároku 1, vyznačuj ící se tím, že tlak. v průběhu g míchání se pohybuje v rozmezí od přibližně 0,5 do přibližně 1,8 MPa.

11. Způsob podle nároku 10, vy značující se tím, že tlak použitý v > ¹ (i i _t ϊ b', ,^{ř 1}

12. Zařízení vhodné pro kontinuální výrobu polyuretanových sešikmených

10 pěnových tvarových dílů na pohybujícím se substrátu, které zahrnuje mixér pro míchání reaktivních chemických složek a kapalného napěňovacího činidla pod tlakem, přiváděči potrubí ve formě trubky pro přivádění směsi do napěňovacího zařízení, vyznačující se tím, že napěňovací zařízení (13) zahrnuje tlak vyrovnávací komoru (21) pro vyrovnání tlaku, opatřenou protáhlou štěrbinou (17)

15 pro snížení tlaku, a napěňovací dutinu (19) s výstupním otvorem (20), který je uložen příčně ke směru pohybu substrátu (2).

13. Zařízení pro kontinuální výrobu pružných polyuretanových sešikmených pěnových tvarových dílů s nízkou hustotou na pohybujícím se substrátu, podle

2q nároku 12, vyznačující se tím, že napěňovací zařízení (13) zahrnuje tlak vyrovnávací komoru (21) pro vyrovnání tlaku, opatřenou protáhlou štěrbinou (17) pro snížení tlaku a napěňovací dutinu (19) vystupující z tlak vyrovnávací komory (21), přičemž napěňovací dutina (19) je ohraničena stěnami s výstupním otvorem pro nanášení napěňovací směsi na substrát (2) ve směru jeho pohybu.

14. Zařízení podle nároku 12, vyznačující se tím, že výstupní otvor (20) má plochu průřezu vetší než je plocha průřezu protáhlé štěrbiny (17).

. 15. Zařízení podle nároku 12, vyznačující se tím, že protáhlá štěrbina (17) je vytvořena v podstatě přes celou šířku substrátu (2).

16. Zařízení podle nároku 12, vyznačující se tím, že protáhlá štěrbina (17) je tvořena řadou protáhlých štěrbin (64, 66, 68).

-2017. Zařízení podle nároku 12, vyznačující se tím, že protáhlá štěrbina (17) je tvořena řadou kruhových výstupních otvorů (72, 74, 76) uložených axiálně ve směru toku.

5 18. Zařízení podle nároku 12, vyznačující se tím, že protáhlá štěrbina (17) je tvořena alespoň jednou prodlouženou štěrbinou (17; 64, 66, 68) uloženou axiálně ve směru toku.

19. Zařízení podle nároku 12, vyznačující se tím, že napěňovací dutina (19) je ohraničena vzájemně spojenými směr toku měnícími stěnami (44, 46, ¹⁰ 48,50).

20. Zařízení podle nároku 19, vyznačující se tím, že stěny se rozbíhají ve směru toku.

25 21. Zařízení podle nároku 12, vyznačující se tím, že tlak vyrovnávací komora (21) je vytvořena protáhlá.

22. Zařízení podle nároku 21, vyznačující se tím, že napěňovací dutina (19) zahrnuje alespoň jeden v podstatě pravoúhlý záhyb (42, 44; 48, 50) ve směru toku za protáhlou štěrbinou (17).

23. Zařízení podle nároku 12, vyznačující se tím, že napěňovací dutina (19) je ve směru toku dimenzována svými rozměry průřezu pro postupné uvolňování napěňovací směsi.

25 24. Zařízení podle nároku 12, vyznačující se tím, že protáhlá štěrbina (17) a napěňovací dutina (19) jsou uloženy příčně vzhledem k substrátu (2)·

-2125. Zařízení podle nároku 12 zahrnující zařízení pro řízení napěňování směsi polyolu, isokyanatanu a kapalného napěňovacího činidla, vyznačující se tím, že napěňovací zařízení je tvořeno pláštěm (40) s protáhlou tlak vyrovnávací komorou (21) a vstupní trubkou (18) pro přivádění směsi do protáhlé tlak

5 vyrovnávací komory (21), alespoň jedna protáhlá štěrbina (17) vede z tlak vyrovnávací komory (21), přičemž k plášti (40) je uchycena napěňovací dutina (52), která je umístěna pro přijímání směsi tekoucí z alespoň, jedné protáhlé štěrbiny (17), tato napěňovací dutina (52) sestává z řady vzájemně spojených a odlišně orientovaných stěn (42, 44, 46, 48, 50) upravených pro změnu směru toku směsi

10 tekoucí z alespoň jedné protáhlé štěrbiny (17).

26. Zařízení podle nároku 12 zahrnující napěňovací zařízení pro použití se směsí reaktivních polyuretanových chemických sloučenin a kapalného napěňovacího činidla, přičemž toto napěňovací zařízení zahrnuje tlak vyrovnávací komoru s tlakovanou vstupní trubkou a výstupní protáhlou štěrbinu pro snížení tlaku, vyznačující se tím, že napěňovací zařízení obsahuje dutinu ohraničenou stěnami, která vychází z protáhlé štěrbiny (17) pro snížení tlaku a je umístěna pro zachycování toku z protáhlé štěrbiny (17) pro snížení tlaku a pro řízení uvolňování tlaku a pro distribuci energie v napěňovacím materiálu.

—22.·

27. Zařízení podle nároku 12 zahrnující zařízení pro výrobu pružných sešikmených pěnových tvarových dílů opatřené mixérem pro tlakové míchání polyuretanových chemických látek s napěňovacím činidlem, které má nízkou teplotu varu a je udržováno v kapalném stavu, pro výrobu polyuretanového

5 pěnového materiálu, vyznačující se tím, že zahrnuje nanášecí soustavu (13) spojenou s mixérem (11) pro příjem smíchaných polyuretanových chemických látek,, pro přetvoření směsi na homogenní předexpandovaný napěňovací materiál a pro nanesení tohoto materiálu na substrát (2) pohybující se podél šikmé desky (25), a že zahrnuje dopravník (1) umístěnou vzhledem k šikmé desce (25) pro příjem

10 napěňovacího materiálu opouštějícího šikmou desku (25), přičemž tento, dopravník (1) pracuje s rychlostí přibližně 1 až 5 metrů za minutu, přičemž je dosaženo plné výšky bloku v rozsahu přibližně od 1 do 8 metrů od místa nanesení.