Die Erfindung betrifft die Oberflächenprägung von Kunststoffschaumplatten, insbesondere
von extrudierten Polystyrolschaumplatten, die im Bausektor verwendet werden und dort mit
einem anderen Baumaterial wie Mörtel, Zement, Klebstoffe, Gips verbunden werden. Im
folgenden wird stellvertretend für alle aufbringbaren/verbindbaren Baumaterialien Mörtel
genannt.
Die Oberflächenprägung hat insbesondere die Aufgabe, die Haftung des Mörtels auf den
Kunststoffschaumplatten erleichtern. Es hat sich gezeigt, daß geringe Erhebungen und
Vertiefungen ausreichen, um die gewünschte Haftung zu erzeugen.
Bei der Extrusion von Kunststoffschaumplatten wird der Kunststoff in einem Extruder
plastifiert, mit geeigneten Zuschlägen und vor allem mit einem Treibmittel unter hohem
Druck vermischt und anschließend in einer Atmosphäre mit geringem Druck, in der Regel
dem Umgebungsdruck, ausgesetzt. Dadurch expandiert das Gas in der Kunststoffschmelze.
Zugleich kühlt die Schmelze ab, so daß ein Kunststoffschaum entsteht.
Treibmittel/Schaumbildner sind z. B. flüchtige organische Stoffe wie gesättigte aliphatische
Kohlenwasserstoffe. Darunter fallen Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan, Cyklohexan.
Andere Treibmittel sind z. B. Kohlendioxid, Stickstoff, Wasser.
Bei der Verarbeitung des erwähnten Polystyrols (PS) wird der extrudierte Kunststoffschaum
als XPS bezeichnet. Der Kunststoffschaum wird in beliebigen Dicken bis etwa 200 mm als
Endlosprodukt hergestellt und dann in Platte beliebiger Länge zurecht geschnitten..
Als Kunststoffe eignen sich Olefinpolymerisate, insbesondere Polyethylen, Polypropylen,
Ethylen- und Propylencopolymere. Geeignete Comonomer sind beispielsweise Alpha-Alkene
wie Propylen, Buten, Penten, Hexen, Octen, ferner Vinylester wie Vinylacetat. Ester aus
Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure oder Fumarsäure mit unterschiedlichen Alkoholen.
Auch Mischungen verschiedener Olefinpolymerisate können verwendet werden.
Neben dem oben angesprochenen Polystryrol eignen sich verschiedenen Styrolmischpolymere
wie Styrol-Methylmethacrylatmischpolymere, Styrol-Acrylnitrilmischpolymere oder Styrol-
Kautschukmischpolymere (Natur- oder Synthesekautschuk), und Homopolymere oder
Mischpolymere verschiedener substituierter Styrole wie z. B. Vinyltoluol, Vinylxylol, alpha-
Äthylvinylbenzol, Isopropylstyrol, tert-Butylstyrol, alpha-Chlorstyrol, alpha-Dichlorstyrol,
alpha-Fluorstyrol, alpha-Bromstyrol.
Die Oberflächenprägung erfolgt regelmäßig mit beheizten Prägewalzen. Dabei wird die
Oberfläche plastifiziert. Durch das Plastifizieren fallen die äußeren Schaumschichten
zusammen. Es fällt eine Schmelzeschicht an, welche die Oberfläche der Prägewalze negativ
abbildet. In der Regel wird es als ausreichend angesehen, wenn eine Schaumschicht von etwa
2 bis 3 mm für die Herstellung einer Prägefläche plastifiziert wird.
Die Prägeflächen besitzen Erhebungen und Vertiefungen in der Form von Rauten, Quadraten,
Linien und Gittern.
Die so oberflächenstrukturierten und ggfs. mörtelbeschichteten Kunststoffschaumplatten
eignen sich besonders für den Sanitärbereich, Bäder, Toiletten und für die Außenanwendung
am Bau. Mit den Platten kann in einfacher Weise eine sehr vorteilhafte Fläche zum Verlegen
von Fliesen/Kacheln hergestellt werden. Diese Flächen zeichnen sich durch Glätte,
Geradflächigkeit und hohes Bindevermögen für die Kleber zum Anbringen von Fliesen und
Kacheln aus.
Die oberflächenstrukturierten und ggfs. mörtelbeschichteten Kunststoffschaumplatten haben
sich in höchstem Maße bewährt.
Gleichwohl hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, die oberflächenstrukturierten
Kunststoffschaumplatten noch zu verbessern.
Dabei geht die Erfindung von der Überlegung aus, daß durch Erhöhung der Dampfdiffusion
eine Verbesserung zu erreichen. An sich sind die Geschlossenzelligkeit und die Wasserdichte
Merkmale der bekannten Platten. Je größer die Dichtwirkung gegen Wasser, desto höher wird
die Kunststoffschaumplatte bewertet.
Die Erfindung hat erkannt, daß die Wasserdichte zwar richtig, eine Dampfdichte jedoch
falsch ist. Ohne Dampfdiffusionsfähigkeit wird Feuchtigkeit eingeschlossen.
Um ein gesundes Raumklima zu gewährleisten und einen Schimmelbefall vom Bauwerk zu
verhindern ist es wichtig, daß Wasserdampf ungehindert durch das Mauerwerk und die
Dämmschichten diffundieren kann. Für den Kunststoffschaum kann man die notwendige
Wasserdampfdiffusion dadurch sicherstellen, daß der Schaumstoff keine oder nur eine sehr
dünne Extrusionshaut besitzt.
Mit der erfindungsgemäßen Dampfdiffusionsfähigkeit wird Dampf und Feuchtigkeit durch
Verdampfen Gelegenheit zum Entweichen gegeben. Die Feuchtigkeit kann aus verschiedenen
Gründen anfallen.
Nach der Erfindung wird die Dampfdiffusionsfähigkeit trotz Oberflächenprägung dadurch
erreicht, daß die oberste Schaumschicht bei der Oberflächenprägung nicht mehr geschmolzen
wird. Die Erfindung hat erkannt, daß durch das Schmelzen des Kunststoffschaumes eine
geschlossene und nicht mehr in nennenswertem Umfang dampfdiffusionsfähige Haut an der
Außenfläche entsteht.
Nach der Erfindung wird das Aufschmelzen unterlassen und gleichwohl eine
Oberflächenprägung erreicht, indem die Oberfläche gegen eine Prägefläche nachgeschäumt
wird.
Beim Nachschäumen wird der Fakt genutzt, daß sich beim Extrudieren eines
geschlossenzelligen Schaumes nach dem Kühlen und Kalibrieren des Extrudats der größte
Teil der Treibmittel vorerst noch in den Zellen befindet. Das Treibmittel diffundiert erst im
Laufe einer langen Zeit aus. Deshalb wird es als erforderlich angesehen, den Schaum
Wochen, zum Teil auch Monate, nach dem Extrudieren zu lagern.
Beim Nachschäumen wird das Extrudat vorzugsweise baldmöglichst wieder erwärmt.
Baldmöglichst heißt nach Fixiern der Zellen. Die Erfindung schließt sich der bekannten
Verfahrensweise der baldmöglichen Erwärmung wahlweise an und zwar ohne Gefahr des
Aufschmelzens.
Die Hautbildung ist an sich dem Nachschäumen hinderlich. Die Extrusionshaut entsteht, weil
der Schaum nach Verlassen der Düse im Kalibrator gegen eine Metallfläche stößt, an der eine
Abkühlung/Einfrieren der Schmelze in dem aktuellen Zustand stattfindet.
Der Kalibrator ist Stand der Technik und soll eine unkontrollierte
Oberflächenbildung/Querschnittsbildung verhindern.
Trotz der Extrusionshaut und des Nachteiles "daß zunächst Wärme zum Kühlen abgeführt
werden muß, die anschließend wieder zum Nachschäumen zugeführt werden muß" wendet
sich die Erfindung dem "Nachschäumen nach der Hautbildung" zu. Die Erfindung schlägt
vor, dem Nachschäumen eine mechanische Bearbeitungsstufe des Extrudats zur Entfernung
der Extrusionshaut voranzustellen. Vorzugsweise erfolgt die mechanische Bearbeitung durch
bekanntes Fräsen.
Im Extremfall kommt auch ein Nachschäumen abgekühlten Kunststoffschaumes ohne
Entfernen der Extrusionshaut in Betracht.
Üblicherweise wird das Aufschmelzen durch eine Erwärmung mittels Heißdampf und/oder
mittels siedendem Wasser verhindert. Die Erfindung greift wahlweise die bekannte
Erwärmung auf. Wahlweise wird auch eine zum Nachschäumen ungewöhnliche Erwärmung
vorgenommen. Dazu gehören Erwärmung mit Wärmestrahlung und/oder durch
Beaufschlagung mit heißem Gas, z. B. Heißluft, und/oder durch Berührung mit einer
Heizfläche. Zur Übertragung von Berührungswärme eignen sich auch die
Prägewerkzeuge/Formteile mit Formflächen bzw. bekannte Walzen. Nach der Erfindung
werden die Prägewerkzeuge/Formteile vorzugsweise mit dem Extrudat mitbewegt. Dabei
kann mittels umlaufender Ketten eine gleichförmige Bewegung erzeugt werden. Es kann aber
eine hin- und hergehende Formteilbewegung entstehen, wenn die Formteile auf das bewegte
Extrudat abgesenkt, mitbewegt, abgehoben und wieder in die Ausgangsstelle zurückbewegt
wird.
Die Prägewerkzeuge/Formteile sind vorzugsweise anstellbar oder besitzen eine dem
gewünschten Verlauf der Nachschäumung angepaßte Bewegungsbahn bzw. Neigung.
Während mit der bekannten Erwärmung durch Heißdampf und/oder Heißwasser nur eine
geringe Gefahr der Überhitzung und unerwünschten Aufschmelzung von Schaum besteht,
sind die nach der Erfindung wahlweise vorgesehenen Wärmequellen in bekannter
Anwendung mit einer größeren Gefahr der Überhitzung verbunden. Diese Gefahr wird
vorzugsweise durch eine geeignete Regelstrecke zur Wärmequelle abgebaut. Die Regelstrecke
wird nach der Erfindung wahlweise durch unmittelbare Messung der Oberflächentemperatur
des Schaumes oder durch genaue Messung der Temperatur der für die Schaum-
Oberflächentemperatur maßgebenden Parameter erreicht. Das kann mit einem direkten
Eingriff oder indirekten Eingriff in den auf den Schaum einwirkenden Wärmestrom erreicht.
Bei der Strahlungserwärmung bzw. Heißgaserwärmung kann ein unmittelbarer Eingriff durch
Kühlung z. B. durch Zumischung von Kühlluft verwirklicht werden. Bei einem mittelbaren
Eingriff wird z. B. die Stromzuführung oder Gaszuführung zu einer Strahlungsquelle oder
Heißgasquelle reduziert werden.
Bei der Übermittlung von Berührungswärme ist es von Vorteil, die Temperatur an den
Berührungsflächen permanent zu messen und nachzuregulieren. Wahlweise könne auch dicht
an den Heizflächen Kühlkanäle vorzusehen, die bei Bedarf (drohender Überhitzung) mit einem
Kühlmittel beaufschlagt werden. Als Kühlmittel eignet sich z. B. Wasser.
Die Erwärmung mittels Berührungswärme setzt nach der Erfindung voraus, daß die
Übertragungsmittel nach der Erwärmung dem Schaum den notwendigen Raum zum
Ausdehnen geben. Bei den Heizwalzen erfolgt die Freigabe automatisch nach Verlassen der
Walze. Bei den Formflächen bzw. Formplatten erfolgt das Freigeben durch ein Nachgeben
oder sogar durch Abheben. Dazu ist eine nachgiebige Anordnung und/oder einer
Zwangsführung der zugehörigen Formteile auf deren Weg parallel zum Extrudat vorgesehen.
Bei der Erwärmung wird der Treibdruck in den Zellen erhöht. Gleichzeitig bewirkt das
Zuführen von Wärme, daß die thermoplastische Masse erweicht und die Zellen durch den
erhöhten Treibdruck weiter wachsen.
Durch das Nachschäumen wird die Plattendicke an jeder behandelten Fläche um mindestens
0,5 mm, vorzugsweise um mindestens 2 mm, ggfs. bis 5 mm, gegen eine Prägefläche
aufgeschäumt.
Beim Nachschäumen entsteht keine geschlossene Haut. Das Extrudat wird/bleibt
diffusionsfähig. Die Prägung erfolgt spätestens, wenn der Schaum an der nachgeschäumten
Oberfläche durch Eindrücken noch bleibend verformbar ist.
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt:
Fig. 1 zeigt einen Extruder mit einem unmittelbar an den Kalibrator angeordnetem
Nachschäumkanal. Dabei ist zunächst eine Extrusionsanlage 1 vorgesehen, das aus einer in
einem Gehäuse 2 umlaufend bewegten Schnecke mit einem Schneckenantrieb 4 besteht. Der
Schnecke wird durch einen Trichter das Einsatzgut zugeführt. Im Ausführungsbeispiel handelt
es sich um Polystyrol mit Zuschlägen wie Keimbildnern, Stabilisatoren usw.
Im Extruder wird der als Granulat aufgegebene Kunststoff plastifiziert. Zugleich werden die
Zuschläge in der entstandenen Schmelze dispergiert.
In die Schmelze wird ein Treibmittel zugegeben. Das Treibmittel ist im Ausführungsbeispiel
ein Gemisch aus flüssigem Kohlendioxid. Wie die Zuschläge wird das Treibmittel fein
verteilt. Zugleich besteht ein hoher Druck im Extruder, der das Gas an einer Expansion
hindert.
Nach der gewünschten Erzeugung der Schmelze wird die Schmelze im Extruder auf eine
optimale Austrittstemperatur abgekühlt. Dann erfolgt der Schmelzeaustritt durch eine Düse
am Extruderende. Die Austrittstemperatur beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 98 Grad
Celsius.
Bei der Düse handelt sich um eine Breitschlitzdüse. Aus der Breitschlitzdüse tritt ein
bandförmiger Schmelzestrom aus und gelangt sofort zwischen die einstellbaren Platten 5 und
6 eines Kalibrators. Der Kalibrator gibt dem entstehenden Schaumstrang äußere
Abmessungen, hier die Dicke.
Die Einstellung der Abmessung entsteht, weil der Schaum bei der Berührungen der
Kalibratorplatten abkühlt. Die Abkühlung ist so durch Länge der Kalibratorplatten und deren
Temperierung/Kühlung so gestaltet, daß die Zellen des Kunststoffschaumes nach Verlassen
des Kalibrators gerade fixiert sind, d. h. ohne weiteres Zutun kein wesentliches Wachstum
mehr erfahren.
In der Situation tritt der Kunststoffschaumstrang auf den Rollenstrang 8 eines
Nachschäumkanals 7. Dort wird der Kunststoffschaumstrang mit Heißdampf aus Düsen 10
von oben und unten beaufschlagt. Der Heißdampf führt an der noch heißen Außenhaut des
Schaumstranges zu einer Wiedererwärmung von Kunststoff und eingeschlossenem Gas, zu
einer Erweichung des Kunststoffes und neuerlichem Zellwachstum um wenige Millimeter. Im
Ausführungsbeispiel wird unabhängig von der Strangdicke ein Aufschäumen an der Oberseite
und Unterseite um 2 mm (in anderen Ausführungsbeispielen bis 3 mm) erzeugt. Der
Aufschäumvorgang hat seine maximale Ausdehnung erreicht, wenn der Schaumstrang
zwischen Prägewalzen 15 und 16 am Ende des Nachschäumkanals gelangt. Die Prägewalzen
15 und 16 Beenden das Nachschäumen. Zugleich erfolgt durch die Prägewalzen eine weitere
Kalibrierung der Schaumstrangdicke.
Im Ausführungsbeispiel beinhaltet die Prägung ein Gefinierungsmuster: Es werden
rautenförmige/rhombenförmige Erhebungen/Stege erzeugt. Die Längsrichtung der
Rauten/Rhomben fluchtet mit der Längsrichtung des Schaumstranges. Die Erhebungen/Stege
besitzen eine Höhe von 1 mm, in anderen Ausführungen 0,5 mm bis 5 mm.
Nach der Oberflächenprägung gelangt der Schaumstrang auf einen Rollgang 11, wo er bei
Umgebungstemperatur weiter auskühlt.
Nach ausreichendem Auskühlen mit einer Säge angelängt und die entstandenden Platten
gestapelt und gelagert. Beim Lagern diffundiert das Treibmittel teilweise aus den Platten
heraus und Luft diffundiert in die Platten ein.
Fig. 2 zeigt eine andere Form des Nachschäumens. Dabei wird der aus der Kalibrierung
anfallende Kunststoffschaumstrang zunächst in üblicher Weise abgekühlt und einer allseitigen
Bearbeitung mit Fräswalzen 20 und 21 unterzogen. Erst danach gelangt der Schaumstrang in
eine Heizstation. Im Ausführungsbeispiel werden die Oberseite und die Unterseite mit
Wärmestrahlern wiedererwärmt, bis ein Nachschäumen ohne Aufschmelzen einsetzt.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist anstelle des Infrarotstrahlers in der Wärmestation
ein Heißluftgebläse vorgesehen.
Mit der erfindungsgemäßen Erwärmung wird die gleiche Aufschäumung wie nach Fig. 1
erzeugt. Sobald das richtige Maß erreicht ist, werden temperierte Prägewalzen 27 und 28
eingesetzt, die wie die Prägewalzen 15 und 16 eine Oberflächenstruktur erzeugen. Die
Temperierung wird im Ausführungsbeispiel dadurch bewirkt, daß Heizpatronen in
entsprechende Bohrungen unter der Walzenoberfläche eingesetzt sind. Es sind auf dem
Umfang der Walzen so viele Heizpatronen verteilt, daß eine gleichmäßige Temperatur der
Walzenoberfläche gewährleistet ist.
Die Heizpatronen besitzen jeweils eine eigene Temperaturmessung oder werden über eine
gemeinsame Temperaturmessung gesteuert. Die Temperatur liegt zwischen dem Glaspunkt
und dem Schmelzpunkt des Kunststoffes. Bei Verarbeitung von Standard-Polystyrol liegt der
Glaspunkt bei 100 Grad Celsius, der Schmelzpunkt bei 270 Grad Celsius.
In bevorzugter Betriebsweise liegt die Temperatur bei Standardpolystyrol 30 bis 40 Grad
Celsius unter der Schmelztemperatur. In anderen Betriebsweisen ggfs. nur bis zu 20 Grad
Celsius unter der Schmelzetemperatur.
Der Glaspunkt bezeichnet die Kunststofftemperatur, bei der ein amorpher Festzustand der
Polymere entsteht, der wegen weitgehender Übereinstimmung mit dem Zustand erstarrter
Gläser als Glaszustand bezeichnet wird.
Bei anderen Kunststoffschäumen wird die Temperatur vorzugsweise solange erhöht oder
erniedrigt, bis sich ein Temperaturniveau einstellt, das hinsichtlich des
Kunststoffschaumzustandes mit dem bei Polystyrol bevorzugten Temperaturniveau
übereinstimmt.
Im Ausführungsbeispiel ist der Abstand der Prägewalzen 27 und 28 zur Wärmestation
einstellbar, um den Eingriff zu optimieren.
Die Prägewalzen drücken in die noch bleibend verformbare Schaumoberfläche.
Fig. 3 zeigt den Eingriff der Prägewalzen 27 und 28 bei einer Verfahrensweise mit größerer
Aufschäumdicke und Reduzierung der Plattendicke durch die Prägewalzen.
Fig. 4 zeigt Strukturierungsplatten 30 und 31, die anstelle der Prägewalzen zur
Oberflächenstrukturierung des Schaumstranges 20 genutzt werden. Die Platten 30 und 31
werden bei kontinuierlich laufendem Strang schrittweise bewegt. Sie sind mit einem nicht
dargestellten Antrieb versehen, so daß sie gegen den Schaumstrang angestellt und mit dem
Schaumstrang mitbewegt und anschließend abgehoben und in die Ausgangsstellung
zurückbewegt werden können.
Die Platten 30,31 eignen sich nicht nur für die Prägung sondern auch in anderen
Ausführungsbeispielen für die Übertragung von Berührungswärme.
Fig. 5 zeigt eine Strukturierungseinrichtung, die aus Gliederketten und Platten 36 besteht. Die
Platten 36 sind an den Gliedern der umlaufenden Ketten befestigt und zusätzlich geführt, so
daß die Platten 36 gegen den Schaumstrang 35 gedrückt, mit dem Schaumstrang geführt
mitgewegt, am Ende wieder abgehoben und von der Kette in die Ausgangsstellung
zurückbewegt werden.
Die Fig. 6 zeigt einen Strukturierungsvorgang, bei dem beheizte Prägewalzen 38 und 39
verwendet werden, die zugleich die Wärmestation für den Schaumstrang 40 bilden.
In weiteren Ausführungsbeispielen sind Prägeeinrichtungen der Fig. 4 bis 6 zu mehreren und
alle gemeinsam eingesetzt.