DD246727A1 - CONDITIONING DEVICE FOR PREPARING THERMOPLASTIC SYNTHESES - Google Patents

CONDITIONING DEVICE FOR PREPARING THERMOPLASTIC SYNTHESES Download PDF

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DD246727A1
DD246727A1 DD86288187A DD28818786A DD246727A1 DD 246727 A1 DD246727 A1 DD 246727A1 DD 86288187 A DD86288187 A DD 86288187A DD 28818786 A DD28818786 A DD 28818786A DD 246727 A1 DD246727 A1 DD 246727A1
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Karl-Christian Danz
Klaus Deininger
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Bauakademie Ddr
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Extrusionsschaeumen von Thermoplasten zur Erzeugung von mechanisch hoch beanspruchbaren Schaumextrudaten mit grober Zellstruktur. Es sollen geeignete Druck- und Temperaturbedingungen in der Schmelze vor und waehrend der Entspannungsphase geschaffen werden. Die Oberflaeche des unter Atmosphaerenbedingungen aufschaeumenden Extrudats soll ausreichend diffusionsbestaendig gegenueber den aus der Schmelze tretenden Treibgasen sein. Im Innern des Extrudats soll eine gleichmaessige grobzellige Schaumstruktur gebildet werden. Eine Konditioniervorrichtung zur Herstellung von Thermoplastschaeumen, gekoppelt an einer Extruder und ein Extrusionswerkzeug, besteht erfindungsgemaess aus einem Gehaeuse 6 und einem Schmelzenkanal 5, zwischen denen sich ein Kuehlmedium 7 befindet. Das Gehaeuse 6 ist durch Abstandshalter 8 vom Extrusionswerkzeug 3 getrennt, der Schmelzenkanal 5 ist mit dem Extrusionswerkzeug 3 direkt verbunden, und der Querschnitt des Schmelzenkanals 5 ist mit dem der Ausgangsoeffnung des Extrusionswerkzeuges 3 identisch. FigurThe invention relates to a device for the continuous extrusion foaming of thermoplastics for the production of mechanically highly stressable foam extrudates with a coarse cell structure. It should be created suitable pressure and temperature conditions in the melt before and during the relaxation phase. The surface of the extrudate, which foams under atmospheric conditions, should be sufficiently diffusion-resistant to the blowing gases emerging from the melt. Inside the extrudate, a uniform coarse-cell foam structure is to be formed. A conditioning device for the production of thermoplastic foams, coupled to an extruder and an extrusion die, according to the invention consists of a housing 6 and a melt channel 5, between which a cooling medium 7 is located. The housing 6 is separated from the extrusion die 3 by spacers 8, the melt channel 5 is directly connected to the extrusion die 3, and the cross section of the melt channel 5 is identical to the exit opening of the extrusion die 3. figure

Description

Eine Konditioniervorrichtung, gekoppelt an einen Extruder und ein Extrusionswerkzeug, besteht erfindungsgemäß aus einem Gehäuse und einem Schmelzenkanal, zwischen denen sich ein Kühlmedium befindet. Das Gehäuse ist durch Abstandhalter vom Extrusionswerkzeug getrennt. Der Schmelzenkanal ist mit dem Extrusionswerkzeug direkt verbunden, und der Querschnitt desA conditioning device, coupled to an extruder and an extrusion die, according to the invention consists of a housing and a melt channel, between which there is a cooling medium. The housing is separated from the extrusion tool by spacers. The melt channel is directly connected to the extrusion die, and the cross section of the

S.chmelzenkanals ist mit dem der Ausgangsöffnung des Extrusionswerkzeuges identisch.S.melt channel is identical to that of the exit opening of the extrusion die.

Die im Extruder erzeugte Schmelze und das hinzugefügte geeignete physikalisch wirkende Treibmittel, dem gegebenenfalls noch eine Trägersubstanz für das Eintragen des Treibmittels in den Extrusionsprozeß zugesetzt wird, wird zum Extrusionswerkzeug befördert. Das Gehäuse der Konditioniervorrichtung ist von dem Extrusionswerkzeug räumlich getrennt, um gegenseitige thermische Beeinflussung so gering wie möglich zu halten. Damit bleibt eine Viskositätsveränderung der Schmelze vor dem Austritt aus dem Extrusionswerkzeug ausgeschlossen. Der Querschnitt des Extrusionswerkzeuges verjüngt sich so, daß er beim Ausgang mit dem des Schmelzenkanals der Konditioniervorrichtung identisch ist, wodurch sich auch Pfropfenströmung im Schmelzenkanal einstellt. Es erfolgt eine differenzierte Temperierung der äußeren Randzonen des Extrudats, während die Volumenanteile im Inneren ihre vom Scher- und.Transportprozeß im Extruder hervorgerufene hohe Temperatur beibehalten. Die Umfangsflächen des Extrudats werden so abgekühlt, daß sie nach Austreten in die Atmosphäre genügend diffusionsbeständig gegenüber den aus der Lösung tretenden Treibgasen sind und diese im Extrudat halten. Gleichzeitig ist die Fließfähigkeit der Extrudatoberfläche noch ausreichend, um dem von innen wirkenden Schäumdruck nachzugeben, ohne zu reißen. Im Extrudatinneren entsteht durch die relativ hohe Massetemperatur und die damit verbundene niedrige Schmelzenviskosität eine grobzellige Schaumstruktur.The melt produced in the extruder and the added suitable physical blowing agent, to which optionally a carrier substance for the introduction of the blowing agent is added in the extrusion process, is conveyed to the extrusion die. The housing of the conditioning device is spatially separated from the extrusion die to minimize mutual thermal interference. This prevents a change in the viscosity of the melt before it leaves the extrusion die. The cross-section of the extrusion die tapers so that at the exit it is identical to that of the melt channel of the conditioning device, whereby plug flow also sets in the melt channel. There is a differentiated tempering of the outer edge zones of the extrudate, while maintaining the volume fractions in the interior of their shear and .Transportprozeß caused in the extruder high temperature. The peripheral surfaces of the extrudate are cooled so that they are sufficiently resistant to diffusion after passing into the atmosphere with respect to the propellant gases passing from the solution and keep them in the extrudate. At the same time, the flowability of the extrudate surface is still sufficient to yield to the foaming pressure acting from within, without tearing. Due to the relatively high melt temperature and the associated low melt viscosity, a coarse-cell foam structure is produced in the extrudate interior.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Thermoplastschäume mit Dichten kleiner 0,1 g cm~3 mit Extrudern, die kleine Längen-Durchmesser-Verhältnisse der Schnecke, z.B. 25D, aufweisen, hergestellt werden.With the device according to the invention thermoplastic foams having densities less than 0.1 g cm ~ 3 can be produced with extruders which have small length-diameter ratios of the screw, for example 25D.

Es ist möglich, Altfolien aus Industrie und Landwirtschaft sowie Polyolefin-Abfallgemische, wie die Schwimmfraktion der rückgeführten Haushalt-Plastabfälle, zu verschäumen.It is possible to foam old industrial and agricultural films as well as polyolefin waste mixtures, such as the floating fraction of recycled household waste plastics.

Es entstehen grobzellige Schäume niedriger Dichte und relativ hoher Festigkeit aus Thermoplasten oder Thermoplastabfälien, insbesondere aus Polyolefinen mit Schmelzindizes größer 1 g (600see)"1.The result is coarse-cell foams of low density and relatively high strength of thermoplastics or thermoplastic waste, in particular of polyolefins with melt indices greater than 1 g (600see) " 1 .

Ausführungsbeispielembodiment

Es zeigen Figur 1: Seitenansicht der Konditioniervorrichtung, gekoppelt an Extruder und Extrusionswerkzeug Figur 2: Querschnitt der Konditioniervorrichtung mit unmittelbarem Anschluß an ExtrusionswerkzeugFIG. 1 shows a side view of the conditioning device coupled to the extruder and extrusion tool. FIG. 2: Cross section of the conditioning device with direct connection to the extrusion tool

Die Schwimmfraktion aus rückgeführten Haushalt-Plastabfällen wird mit einem Schneidgranulator zu rieselfähigem Schüttgut mit Korngrößen kleiner4mm zerkleinert. Die Messung des Schmelzindexvon diesem Material ergibt7g (600sec)~1. 840 Teile dieses aufbereiteten Polyolefin-Abfallgemisches werden mit 150 Teilen gemahlenen Kaolins gemischt. Dieser Mischung werden als Keimbildner und zur teilweisen Vernetzung 10 Teile einer Mischperoxidlösung zugesetzt, die aus Cyclohexanon- und Methylcyclohexanonperoxiden mit ca. 40% Dibutylphthalat besteht. Als physikalisch wirkendes Treibmittel werden 60 ml Methanol pro Kilogramm dieser Vermischung zugesetzt und eingearbeitet.The floating fraction from recycled household plastic wastes is comminuted with a cutting granulator into free-flowing bulk material with particle sizes smaller than 4 mm. The measurement of the melt index of this material gives 7g (600sec) ~ 1 . 840 parts of this recycled polyolefin waste mixture are mixed with 150 parts of ground kaolin. 10 parts of a mixed peroxide solution consisting of cyclohexanone and methylcyclohexanone peroxides with about 40% of dibutyl phthalate are added to this mixture as nucleating agents and for partial crosslinking. As a physically acting propellant 60 ml of methanol per kilogram of this mixture are added and incorporated.

Die Mischung wird in den Trichter 1 eines 45-mm-Einschneckenextruders mit 25D Länge gegeben, dessen Extrusionswerkzeug 3 eine 16-mm-Runddüse als Ausgangsöffnung aufweist. An das Extrusionswerkzeug 3 schließt sich die Konditioniervorrichtung, die aus einem Schmelzenkanal 5 und einem Gehäuse 6 besteht, zwischen denen sich ein Kühlmedium 7 befindet, an. Der Durchmesser des Schmelzenkanals 5 beträgt ebenfalls 16mm, seine Länge beträgt insgesamt 280 mm. Das Gehäuse 6 ist durch Abstandhalter 8 vom Extrusionswerkzeug 3 getrennt. Die Umdrehungszahl der Schnecke wird auf 40min"1 eingestellt. Aufgrund des Lösungsmittelgehaltes des Extrusionsgutes liegen die Zylindertemperaturen des Einschneckenextruders 2 unterhalb des für vergleichbare Polyethylensorten üblichen Bereiches. Sie werden so eingestellt, daß die Massetemperatur vor der Schneckenspitze 433 K beträgt. Die Temperatur des Kühlmediums 7 zwischen Gehäuse 6 und Schmelzenkanal 5 wird nach dem Anfahren auf 399 K reduziert. Im Extruder 2, unmittelbar vor der Konditioniervorrichtung, baut sich ein Massedruck von 75bar bis 80 bar auf. Nach dem Verlassen der Konditioniervorrichtung 4 schäumt dastreibmittelhaltige Extrudat zu einem Rundprofil von ca. 75 mm Durchmesser auf. An der Oberfläche des Profils werden in der Aufschäumphase 401 K bis404K gemessen, während im Inneren des Profils 431 K vorliegen.The mixture is placed in the hopper 1 of a 25-mm 45-mm single-screw extruder whose extrusion die 3 has a 16-mm round die as the exit port. The conditioning tool, which consists of a melt channel 5 and a housing 6, between which a cooling medium 7 is located, adjoins the extrusion die 3. The diameter of the melt channel 5 is also 16mm, its length is a total of 280 mm. The housing 6 is separated by spacers 8 from the extrusion die 3. The number of revolutions of the screw is set to 40min " 1. Due to the solvent content of the extruded material, the cylinder temperatures of the single-screw extruder 2 are below the usual range for comparable types of polyethylene They are adjusted so that the melt temperature before the screw tip is 433 K. The temperature of the cooling medium 7 between the housing 6 and the melt channel 5 is reduced after starting to 399 K. In the extruder 2, immediately before the conditioning device, a melt pressure of 75 bar to 80 bar builds up. 75 mm in diameter, 401 K to 404 K are measured in the foaming phase on the surface of the profile, while 431 K are present in the interior of the profile.

Während der Abkühlphase kollabiert das Schaumprofil durch den Unterdruck in den Schaumzeilen bei Erreichen der KondensationstemperaturdesTreibmittels gleichmäßig auf den endgültigen Durchmesservon 55mm bis 58mm. Die Dichte des erzeugten Schaumes beträgt 0,055g/cm~3. Die Schaumstränge besitzen eine geschlossene Oberfläche und im Innern eine Zellstruktur mit 3 bis 6mm Durchmesser.During the cooling phase, the foam profile collapses evenly to the final diameter of 55mm to 58mm due to the negative pressure in the foam lines upon reaching the condensing temperature of the propellant. The density of the foam produced is 0.055 g / cm -3 . The foam strands have a closed surface and inside a cell structure with 3 to 6mm diameter.

Die Schraumprofile können in einer Warmformpresse z. B. zu plattenförmigen Elementen mit folgenden Eigenschaften weiterverarbeitet werden:The Schraumprofile can in a hot press z. B. to plate-shaped elements with the following properties:

Probe 1 Probe 2Sample 1 Sample 2

Dichte(g -cm 3)Density (g -cm 3 ) 0,120.12 0,180.18 Wärmeleitfähigkeit (Wm-1K"1)Thermal conductivity (Wm- 1 K " 1 ) 0,0580.058 0,0600,060 Druckfestigkeit bei 10% Verformung (N/cm2)Compressive strength at 10% deformation (N / cm 2 ) 8,18.1 10,110.1 Dicke mmThickness mm 5050 ' 3535

Derartige Formkörper eignen sich aufgrund ihrer Dämmwirkung, Feuchte- und Verrottungsbeständigkeit sowie Druckfestigkeit z. B. für vielfältige spezielle Wärmedämmprobleme im Bauwesen und stellen eine effektive Verwertungsvariante für Polyolefin-Abfälledar.Such moldings are suitable because of their insulating effect, moisture and rotting resistance and compressive strength z. B. for a variety of special thermal insulation problems in construction and provide an effective Verwertungsvariante for polyolefin Abfälledar.

Claims (1)

Patentanspruch:Claim: Konditioniervorrichtung zur Herstellung von Thermoplastschäumen, gekoppelt an einen Extruder und ein Extrusionswerkzeug, gekennzeichnet dadurch, daß sie aus einem Gehäuse (6) und einem Schmelzenkanal (5) besteht, zwischen denen sich ein Kühlmedium (7) befindet, daß das Gehäuse (6) durch Abstandhalter (8) vom Extrusionswerkzeug (3) getrennt ist, der Schmelzenkanal (5) mit dem Extrusionswerkzeug (3) direkt verbunden und der Querschnitt des Schmelzenkanals (5) mit dem der Ausgangsöffnung (4) des Extrusionswerkzeuges (3) identisch ist.Conditioning device for the production of thermoplastic foams, coupled to an extruder and an extrusion tool, characterized in that it consists of a housing (6) and a melt channel (5), between which a cooling medium (7) is that the housing (6) Spacer (8) from the extrusion die (3) is separated, the melt channel (5) with the extrusion die (3) directly connected and the cross section of the melt channel (5) with the output opening (4) of the extrusion die (3) is identical. Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings Anwendungsgebietfield of use Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Extrusionsschäumen von Thermoplasten zur Erzeugung von mechanisch hoch beanspruchbaren Schaumextrudaten mit grober Zellstruktur.The invention relates to a device for the continuous extrusion foaming of thermoplastics for the production of mechanically highly stressable foam extrudates with a coarse cell structure. Charakteristik der bekannten technischen Lösungen .Characteristic of the known technical solutions. Die Verschäumung von Thermoplasten mittels Extrusion beruht darauf, daß in der Schmelze auf physikalischem Weg oder durch chemische Reaktion eingetragene Gase unter Druck verteilt werden und im darauffolgenden Entspannungsschritt zum Schäumen des Extrudats führen.The foaming of thermoplastics by means of extrusion is based on the fact that gases introduced in the melt by physical means or by chemical reaction are distributed under pressure and lead to foaming of the extrudate in the subsequent expansion step. Die Schaffung von für den Schäumprozeß geeigneten Druck- und Temperaturbedingungen in der Schmelze unmittelbar vor und während der Entspannunsphase stellt neben dem Einbringen der als Treibmittel wirkenen Substanzen das schwierigste Problem dar. Es gilt, die Diffusionsbeständigkeit der sich bildenden Zellwände, den Treibdruck des Schäumgases und die Fließfähigkeit der Plastschmelze aufeinander abzustimmen. Der Massedruck muß während der Extrusion so hoch gehalten werden, daß kein Treibgas vor dem Eintreten der Schmelze in die Schaumzone aus der Lösung treten kann. Die Massetemperaturen, bei denen die Bedingungen hinreichender Diffusionsbeständigkeit und Fließfähigkeit der Schmelze vorliegen, sind für die Thermoplaste sehr unterschiedlich. Bei den teilkristallinen Polyolefinen liegen sie im technologisch schwierig zu steuernden Bereich wenig unterhalb der Kristallitschmelzpunkte, während bei den amorphen Thermoplasten wie Polystyren und Polyvinylchlorid breitere Temperaturintervalle innerhalb der Erweichungsbereiche zum Schäumen fnöglich sind.The creation of suitable for the foaming process pressure and temperature conditions in the melt immediately before and during the relaxation phase, in addition to the introduction of acting as blowing agents substances is the most difficult problem. It applies, the diffusion resistance of the forming cell walls, the blowing pressure of the foaming gas and the Flowability of the plastic melt to match. The melt pressure must be kept so high during the extrusion that no propellant gas can escape from the solution before the melt enters the foam zone. The melt temperatures at which the conditions of sufficient diffusion resistance and flowability of the melt are present are very different for the thermoplastics. In the partially crystalline polyolefins they are in the technologically difficult to control range just below the crystallite melting points, while amorphous thermoplastics such as polystyrene and polyvinyl chloride wider temperature intervals within the softening ranges for foaming are possible. Die Anforderungen an die Konditionierung der Thermoplastschmelzen für das Extrusionsschäumen haben zu einer Vielfalt apparativ aufwendiger Lösungen geführt.The requirements for the conditioning of thermoplastic melts for extrusion foaming have led to a variety of sophisticated equipment solutions. So werden zwei Extruder in Tandem-Anordnung hintereinander geschaltet. DieExtrusionsstreckeistineinePlastifizierungszone, eine Injektionszone, eine Misch- und Kühlzone und eine Extrusionszone untergliedert. Der zweite Extruder mit den Zonen des Mischens und Kühlens ist von einem Kühlmantel umgeben, in dem sich eine Kühlflüssigkeit bewegt (US-PS 3151192). Bei einem anderen Extruder mit einem sehr großen Länge-Durchmesser-Verhältnis der Schnecke von 40 D und mehr wird in der letzten Zylinderzone vor dem Extrusionswerkzeug eine Konditionierung der Schmelze für das Schäumen vorgenommen (US-PS 4424287). In der US-PS 2669751 ist im verlängerten Extruderzylinder zum Konditionieren der Schmelze eine gekühlte Welle angeordnet. Die US-PS 3751 377 offenbart Zwischenfläche-Oberfläche-Generatoren als statische Mischer und die DE-PS 2906973 zeigt eine Schmelzenkühlvorrichtung mit Aufteilung der Schmelze in Teilströme auf. Bei allen bekannten Vorrichtungen ist das Extrusionswerkzeug stets nach der Kühlzone bzw. der Kühlvorrichtung angeordnet. In der Kühlzone wird zusätzlich noch gemischt, wobei Wärme dissipiert wird. Das wirkt dem Kühleffekt entgegen. Bei teilkristallinen Polymeren sind diese Vorrichtungen teilweise nicht anwendbar, da die erreichte Kühlung zu gering ist. Die meisten bekannten Vorrichtungen sind außerdem an bestimmte zu verschäumende Substanzen gekoppelt bzw. auf ein spezielles Problem des Extrusionsschäumens ausgelegt.Thus, two extruders are connected in tandem arrangement one behind the other. The extrusion line is divided into a loading zone, an injection zone, a mixing and cooling zone and an extrusion zone. The second extruder with the zones of mixing and cooling is surrounded by a cooling jacket, in which a cooling liquid moves (US-PS 3151192). In another extruder with a very large screw to length ratio of 40 D and more, the melt is conditioned for foaming in the last cylinder zone before the extrusion die (US Pat. No. 4,424,287). In US Pat. No. 2,669,751 a cooled shaft is arranged in the extended extruder barrel for conditioning the melt. US-PS 3751 377 discloses interface surface generators as static mixers and DE-PS 2906973 shows a melt cooling device with division of the melt into partial streams. In all known devices, the extrusion tool is always arranged after the cooling zone or the cooling device. In the cooling zone is additionally mixed, whereby heat is dissipated. This counteracts the cooling effect. In semi-crystalline polymers, these devices are partially not applicable because the cooling achieved is too low. Most known devices are also coupled to certain substances to be foamed or designed for a specific problem of extrusion foaming. Ziel der ErfindungObject of the invention Mit der Erfindung sollen für den Schäumprozeß geeignete Druck- und Temperaturbedingungen in der Schmelze vor und während der Entspannungsphase geschaffen werden. Der Massedruck während der Extrusion muß so hoch gehalten werden, daß kein Treibgas vor dem Eintreten der Schmelze in die Schäumzone aus der Lösung treten kann. Während des Schäumens soll das Treibmittel im Inneren des Schaumextrudats eine definierte grobzellige Schaumstruktur erzeugen.With the invention should be created for the foaming process suitable pressure and temperature conditions in the melt before and during the relaxation phase. The melt pressure during the extrusion must be kept high enough so that no propellant gas can escape from the solution before the melt enters the foaming zone. During foaming, the propellant in the interior of the foam extrudate should produce a defined coarse-cell foam structure. Wesen der ErfindungEssence of the invention Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Treibdruck des Schäumgases und die Fließfähigkeit der Plastschmelze aufeinander abzustimmen. Mit einer Vorrichtung sollen solche Bedingungen beim Extrusionsschäumen von Thermoplasten, insbesondere Polyolefinen, geschaffen werden, daß die Oberfläche des unter Atmosphärenbedingungen aufschäumenden Extrudats ausreichend diffusionsbeständig gegenüber den aus der Schmelze tretenden Treibgasen ist und daß im Inneren des Extrudats eine gleichmäßige grobzellige Schaumstruktur gebildet wird.The invention has for its object to match the motive pressure of the foaming gas and the flowability of the plastic melt to each other. With a device such conditions during extrusion foaming of thermoplastics, especially polyolefins, are created, that the surface of the foaming under atmospheric conditions extrudate is sufficiently resistant to diffusion from the blowing gas passing from the melt and that in the interior of the extrudate a uniform coarse-cell foam structure is formed.
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