DE10032747C2

DE10032747C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen geschäumter Bauteile

Info

Publication number: DE10032747C2
Application number: DE2000132747
Authority: DE
Inventors: Andreas Beckmann
Original assignee: Moeller Plast GmbH
Current assignee: Moellertech 33649 Bielefeld De GmbH
Priority date: 2000-07-05
Filing date: 2000-07-05
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2020-07-06
Also published as: DE10032747A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen geschäumter Bauteile, bei dem in ein plastifiziertes, aufzuschäumendes Grundmaterial ein physikalisches und/oder chemisches Treibmittel(gemisch), bspw. eine Flüssigkeit, eingemischt wird, wobei die Verarbeitungstemperatur so eingestellt ist, daß das Treibmittel nicht reagiert (bzw. die Flüssigkeit nicht verdampft), und die Temperatur des Grundmaterials zu einem geeigneten Zeitpunkt so weit erhöht wird (und ggf. der Druck reduziert wird), daß das in das Grundmaterial weitgehend homogen eingemischte Treibmit tel(gemisch) reagiert bzw. die Flüssigkeit verdampft und dadurch das Grundmaterial aufschäumt, sowie eine Vorrichtung zur Herstellung geschäumter Bauteile.

Bei der Herstellung von geschäumten Bauteilen, insbesondere im Automobilbereich, besteht die Forderung nach möglichst geringem Gewicht, ohne jedoch die mechani schen Grundeigenschaften wesentlich zu beeinträchtigen. Daher werden Kunststof fen zur Herstellung geschäumter Bauteile chemische oder physikalische Treibmittel bzw. Kombinationen davon in unterschiedlichen Gewichtsanteilen zugemischt. Chemische Treibmittel weisen den Vorteil auf, daß sie durch Mischung unterschied licher Treibmittelsubstanzen zu einer großen Variationsbreite der Reaktionstempe ratur führen, so daß die Verarbeitung auf entsprechend ausgelegten Produktionsma schinen relativ einfach ist. Ein Nachteil derartiger Treibmittel besteht jedoch darin, daß nach der Reaktion Restsubstanzen im Grundwerkstoff bzw. Trägerwerkstoff verbleiben und somit dessen Eigenschaften beeinflussen und zu einer Verschlechte rung der Oberfläche in Form von Schlieren führen.

Physikalische Treibmittel führen in der Regel zu feineren Schaumstrukturen, wobei allerdings ein homogenes Einbringen physikalischer Treibmittel in eine Kunststoff schmelze wesentlich schwieriger ist als im Fall chemischer Treibmittel. Aufgrund der feineren Schaumstruktur werden die mechanischen Eigenschaften eines herzu stellenden Bauteils weniger beeinflußt, als dieses bei chemischen Treibmitteln der Fall ist.

Es ist bekannt, als physikalisches Treibmittel neben Edelgasen eine Flüssigkeit wie Wasser zu verwenden, die beispielsweise gemäß der US-3940467 in einem Extruder zugeführt wird, wobei das Material anschließend in eine Werkzeugkavität einge bracht und aufgeschäumt wird.

Der DE 197 18 895 C1 ist zu entnehmen, daß die Temperaturen keinesfalls so unter schiedlich sein können, daß eine etwaige höhere Temperatur des kohlendioxidfreien Teilstroms so hoch ist, daß zusammen mit dem kohlendioxidhaltigen Teilstrom eine Mischtemperatur erzielt wird, bei der das Treibmittel wenigstens teilweise reagiert und die Materialmischung aufgeschäumt wird. Statt dessen ist ausgeführt, daß der Aufschäumvorgang erst nach dem Mischen und nach Austritt aus dem Druckent spannungselement erfolgt, d. h. es wird in herkömmlicherweise eine Druckabsen kung vorgenommen, bei der das Treibmittel reagiert und die Materialmischung auf geschäumt wird.

In der DE 44 42 256 C1 ist ein spezielles Verfahren zum Lösen von flüssigem CO₂ in flüssigem Polymer beschrieben. Derartige Verfahrensweisen sind bei der vorliegen den Erfindung vorausgesetzt.

Die EP 0 597 375 A1 vermittelt die Lehre, ein inertes Treibmittel mit einer Träger substanz zu mischen, die dann mit einer aufzuschäumenden Kunststoffmasse ver mischt wird, so daß insgesamt mehr Treibmittel zugemischt werden kann.

Der DE 44 31 913 A1 läßt sich kein Hinweis auf unterschiedliche Temperaturen der Extruder entnehmen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine entsprechende Vor richtung zu schaffen, womit es einerseits möglich ist, ein physikalisches und/oder chemisches Treibmittel(gemisch), bspw. Flüssigkeiten wie Wasser, möglichst homo gen in eine Schmelze einzubringen, und andererseits die Temperaturführung so zu gestalten, daß das Treibmittel(gemisch) erst so spät wie möglich reagiert und ver mieden wird, daß der gewünschte Schäumeffekt durch vorzeitige Reaktion teilweise verloren geht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen ge schäumter Bauteile gelöst, bei dem in ein erstes plastifiziertes, aufzuschäumendes Grundmaterial ein physikalisches und/oder chemisches Treibmittel(gemisch) homo gen eingemischt wird, wobei die Verarbeitungstemperatur und der Druck des ersten Grundmaterials so eingestellt sind, daß die das Treibmittel nicht reagiert, und minde stens ein weiteres plastifiziertes, aufzuschäumendes Grundmaterial, dessen Tempe ratur oberhalb der Verarbeitungstemperatur des ersten Grundmaterials liegt, mit dem treibmittelhaltigen ersten Grundmaterial zu einer Materialmischung vermischt wird, wobei eine Mischtemperatur erzielt wird, bei der das Treibmittel(gemisch) wenig stens teilweise reagiert und die Materialmischung aufgeschäumt wird.

Als physikalisches Treibmittel kann eine Flüssigkeit verwendet werden, wobei die Reaktion der Erhöhung des Dampfdruckes und der Verdampfung der Flüssigkeit entspricht. Zweckmäßigerweise liegt hierbei die Verarbeitungstemperatur des ersten Grundmaterials unterhalb der Siedetemperatur der Flüssigkeit bei dem herrschenden Druck, um eine vorzeitige Verdampfung zu verhindern. Die Flüssigkeit kann Wasser, ein Alkohol oder eine Mischung daraus sein.

Das erste und das mindestens eine weitere Grundmaterial können gleich oder unter schiedlich, vernetzt oder unvernetzt und ein synthetisches und/oder biologisches Material sein, wobei das erste Grundmaterial vorzugsweise eine niedrigere Schmelztemperatur als das mindestens eine weitere Grundmaterial aufweist. Das erste Grundmaterial kann Ethylen-Vinylacetat (EVA) mit einer Schmelztemperatur zwischen 85°C und 90°C sein. Das mindestens eine weitere Grundmaterial kann ein verstärktes oder unverstärktes Polypropylen mit einer Schmelztemperatur zwischen 190°C und 220°C sein.

Vorzugsweise wird das Verfahren so durchgeführt, daß das Treibmittel im wesentli chen erst dann vollständig reagiert hat, wenn beim Spritzgießverfah ren/Mehrkomponentenverfahren bzw. beim Extrusionsblasen/Coextrusionsblasen das Formteil ausgeformt ist.

Es kann vorgesehen sein, daß die Materialmischung im Mehrkomponentenverfahren auf einen Trägerwerkstoff höherer Temperatur aufgebracht wird, dessen Wärme die Treibmittelreaktion beschleunigt. Bei dem Trägermaterial mit höherer Temperatur kann es sich um ein verstärktes oder unverstärktes Material mit festen oder elasti schen Eigenschaften handeln. Zweckmäßigerweise wird die Verdampfung der Flüs sigkeit durch Energiezufuhr, insbesondere Mikrowellen- oder Hochfrequenzenergie, unterstützt.

Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zum Her stellen geschäumter Bauteile, die sich insbesondere zum Durchführen des erfin dungsgemäßen Verfahrens eignet, mit einem ersten Extruder zum Aufbereiten einer Schmelze aus einem ersten plastifizierten, aufzuschäumenden Grundmaterial, mit einer Einrichtung zum dosierten Zuführen eines physikalischen und/oder chemischen Treibmittel(gemischs), insbesondere einer Flüssigkeit, mit mindestens einem weite ren Extruder zum Aufbereiten mindestens einer weiteren Schmelze aus mindestens einem weiteren plastifizierten, aufzuschäumenden Grundmaterial, und mit einer Ein richtung zum Mischen und Homogenisieren der Schmelzen unmittelbar vor einer Abgabeöffnung.

Es kann vorgesehen sein, daß sich eine Düse an die Abgabeöffnung anschließt. Im Bereich der Abgabeöffnung bzw. der Düse kann eine Einrichtung zum Zuführen von Wärmeenergie angeordnet sein.

Als Beispiel können in zwei unabhängig voneinander arbeitenden Extrudern zwei verschiedene Schmelzen aufbereitet werden. Dabei wird in einem zweiten Extruder eine Schmelze aufbereitet, die gegenüber dem ersten Extruder eine höhere Schmelz temperatur aufweist. In dem ersten Extruder wird eine Schmelze auf einem Tempe raturniveau aufbereitet, das unterhalb der Siedetemperatur der eingesetzten Flüssig keit, bspw. Wasser, liegt. Beide Schmelzen werden kurz vor einer Düsenöffnung einer Verarbeitungsmaschine zusammengeführt und über eine entsprechende Vor richtung miteinander homogenisiert. Dabei wird die Schmelze mit der niedrigen Ver arbeitungstemperatur auf ein Temperaturniveau gebracht, das oberhalb der Siede temperatur der eingesetzten Flüssigkeit bei dem dort herrschenden Druck liegt. Dabei wird die Aufheizzeit so kurz wie möglich gehalten, um zu vermeiden, daß die als physikalisches Schäummittel wirkende Flüssigkeit zu schnell aus der homogenisier ten Kunststoffschmelze entweichen kann und somit der Schäumeffekt teilweise ver loren geht. Alternativ wird der Druck in der Mischeinrichtung auf einem genügend hohen Wert (bei Verwendung einer Flüssigkeit als physikalisches Treibmittel über deren Dampfdruck) gehalten, so daß die Schäumwirkung hier noch nicht eintreten kann, sondern erst nach Austritt das Material ins Freie oder in eine Form.

Als Beispiel wird dem zweiten Extruder ein verstärktes oder unverstärktes Polypro pylen mit einem Schmelzpunkt zwischen 190°C und 220°C zugeführt. In dem ersten Extruder wird eine Schmelze aus Ethylen-Vinylacetat (EVA) mit einer Schmelztem peratur von 85°C bis 90°C aufbereitet, in die eine Flüssigkeit eingebracht wird, deren Siedetemperatur oberhalb dieser Schmelzetemperatur liegt. Unmittelbar vor der Düse der Maschine werden beide Schmelzen im Schneckenzylinder der Maschine zusam mengebracht und miteinander vermischt.

Dabei kann die Verfahrensführung so sein, daß die Aufheizung des EVA nur zum Teil innerhalb der Maschine und zum Teil erst nach Austritt aus der Maschinendüse bzw. bei einem Spritzgießteil erst nach dem Einspritzvorgang in eine Werkzeugka vität erfolgt. Dabei besteht der Vorteil, daß sich der Schaum ohne Gegendruck frei und besonders feinporig entfalten kann.

Dieser Effekt kann verstärkt werden, indem das Material kurz vor dem Austritt aus der Maschinendüse durch zusätzliche Energiezufuhr (z. B. induktiv, durch Mikro wellen oder Hochfrequenz) innerhalb kurzer Zeit aufgeheizt wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung geschäumter Bauteile, bei dem in ein erstes plastifi ziertes, aufzuschäumendes Grundmaterial ein physikalisches und/oder chemi sches Treibmittel(gemisch) homogen eingemischt wird, wobei die Verarbeitungs temperatur und der Druck des ersten Grundmaterials so eingestellt sind, daß das Treibmittel nicht reagiert, und mindestens ein weiteres plastifiziertes, aufzu schäumendes Grundmaterial, dessen Temperatur oberhalb der Verarbeitungstem peratur des ersten Grundmaterials liegt, mit dem treibmittelhaltigen ersten Grundmaterial zu einer Materialmischung vermischt wird, wobei eine Mischtem peratur erzielt wird, bei der das Treibmittel(gemisch) wenigstens teilweise rea giert und die Materialmischung aufgeschäumt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als physikalisches Treibmittel eine Flüssigkeit verwendet wird und die Reaktion der Erhöhung des Dampfdrucks und der Verdampfung der Flüssigkeit entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungstem peratur des ersten Grundmaterials unterhalb der Siedetemperatur der Flüssigkeit bei dem herrschenden Druck liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Flüssigkeit Wasser, ein Alkohol oder eine Mischung daraus ist.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das mindestens eine weitere Grundmaterial gleich oder unter schiedlich sind.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und mindestens eine weitere Grundmaterial vernetzt oder unver netzt sind.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das mindestens eine weitere Grundmaterial ein synthetisches und/oder biologisches Material ist.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Grundmaterial eine niedrigere Schmelztemperatur als das minde stens eine weitere Grundmaterial aufweist.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß erste Grundmaterial Ethylen-Vinylacetat (EVA) mit einer Schmelztempera tur zwischen 85°C und 90°C ist.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine weitere Grundmaterial ein verstärktes oder unverstärktes Polypropylen mit einer Schmelztemperatur zwischen 190°C und 220°C ist.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel(gemisch) im wesentlichen erst dann vollständig reagiert hat, wenn beim Spritzgießverfahren/Mehrkomponentenverfahren bzw. beim Extrusi onsblasen/Coextrusionsblasen das Formteil ausgeformt ist.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialmischung im Mehrkomponentenverfahren auf einen Trägerwerk stoff höherer Temperatur aufgebracht wird, dessen Wärme die Treibmittelreakti on beschleunigt.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung der Flüssigkeit durch Energiezufuhr, insbesondere Mikro wellen- oder Hochfrequenzenergie, unterstützt wird.

14. Vorrichtung zum Herstellen geschäumter Bauteile, insbesondere zum Durchfüh ren des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem ersten Extruder zum Aufbereiten einer Schmelze aus einem ersten plastifizierten, aufzu schäumenden Grundmaterial, mit einer Einrichtung zum dosierten Zuführen eines physikalischen und/oder chemischen Treibmittel(gemisch)s, insbesondere einer Flüssigkeit, mit mindestens einem weiteren Extruder zum Aufbereiten minde stens einer weiteren Schmelze aus mindestens einem weiteren plastifizierten, aufzuschäumenden Grundmaterial, und mit einer Einrichtung zum Mischen und Homogenisieren der Schmelzen unmittelbar vor einer Abgabeöffnung.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Düse an die Abgabeöffnung anschließt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Abgabeöffnung oder der Düse eine Einrichtung zum Zuführen von Wärmee nergie angeordnet ist.