DE10147070A1

DE10147070A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines aufgeschäumten Kunststoffprodukts sowie aufgeschäumtes Kunststoffprodukt

Info

Publication number: DE10147070A1
Application number: DE2001147070
Authority: DE
Inventors: Juergen Herrmann
Original assignee: MICROCELL POLYMER TECHNOLOGY G
Current assignee: MICROCELL POLYMER TECHNOLOGY G
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2003-04-17

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Herstellung eines aufgeschäumten Kunststoffprodukts wird Kunststoffmaterial in eine Plastifiziereinrichtung zum Herstellen einer Kunststoffschmelze eingeführt, anschließend ein physikalisches Treibmittel zur Kunststoffschmelze zudosiert und Treibmittel und Schmelze werden vermischt. Dann wird die mit Treibmittel vermischte Schmelze einem Werkzeug zugeführt und das aufgeschäumte Kunststoffprodukt wird nach Aufschäumen des Treibmittels entnommen. Damit in einfacher und kostengünstiger Weise kleinere Zellen mit gleichmäßiger Verteilung im Kunststoffprodukt vorhanden sind, wird der Kunststoffschmelze ein chemisches Treibmittel und/oder Nukleierungsmittel zugesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines aufgeschäumten Kunststoffprodukts sowie das aufgeschäumte Kunststoffprodukt an sich.

Bei einem aus der Praxis bekannten Verfahren wird zur Herstellung des aufgeschäumten Kunststoffprodukts Kunststoffmaterial einer Plastifiziereinrichtung zur Herstellung einer Kunststoffschmelze eingeführt. Die Plastifiziereinrichtung kann beispielsweise ein Extruder mit wenigstens einer Extruderschnecke sein. Ist das Kunststoffmaterial aufgeschmolzen, wird in der Regel anschließend an die Plastifiziereinrichtung ein physikalisches Treibmittel der Kunststoffschmelze zudosiert und dann erfolgt eine Mischung von Treibmittel und Schmelze. Anschließend kann das Treibmittel/Schmelzegemisch einem entsprechenden Werkzeug zugeführt werden und das fertiggestellte aufgeschäumte Kunststoffprodukt wird nach Aufschäumen des Treibmittels entnommen.

Eine entsprechende Vorrichtung zur Herstellung eines solchen aufgeschäumten Kunststoffprodukts weist wenigstens eine Plastifiziereinrichtung, eine Materialzufuhreinrichtung zum Zuführen des Kunststoffmaterials, eine Treibmittelzufuhreinrichtung zur Zufuhr eines physikalischen Treibmittels zur Schmelze, eine Homogenisier/-mischeinrichtung zum Vermischen von Treibmittel und Schmelze sowie ein Werkzeug zur Aufnahme des Treibmittel/Schmelze-Gemischs zur Herstellung des aufgeschäumten Kunststoffprodukts auf.

Bei solchen aus der Praxis vorbekannten Verfahren und Vorrichtungen hat sich allerdings herausgestellt, dass bei dem aufgeschäumten Kunststoffprodukt entsprechende Zellen noch vergleichsweise groß, das heißt größer als beispielsweise 100 µm sind, und im Produkt ungleichmäßig verteilt sind. Es sind zwar eine Reihe von Verbesserungen eingeführt worden, die allerdings verfahrens- und vorrichtungsmäßig einen erheblichen Aufwand mit sich bringen sowie mit hohen Kosten verbunden sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sowie ein hergestelltes Kunststoffprodukt dahingehend zu verbessern, dass in einfacher und kostengünstiger Weise kleinere Zellen mit gleichmäßiger Verteilung im Kunststoffprodukt vorhanden sind.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei zusätzlich zum physikalischen Treibmittel der Kunststoffschmelze ein chemisches Treibmittel zugesetzt wird.

Die Aufgabe wird vorrichtungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 5 gelöst, wobei insbesondere eine Zuführeinrichtung für ein chemisches Treibmittel der Plastifiziereinrichtung und/oder der Treibmittelzuführeinrichtung und/oder der Homogenisier/-mischeinrichtung zugeordnet ist.

Schließlich zeichnet sich das aufgeschäumte Kunststoffprodukt durch die Merkmale des Patentanspruchs 18 erfindungsgemäß aus, wobei insbesondere das aufgeschäumte Kunststoffprodukt ein chemisches Treibmittel enthält.

Durch die zusätzliche Zugabe des chemischen Treibmittels ergibt sich eine synergistische Wirkung im Zusammenhang mit dem physikalischen Treibmittel, so dass beide Treibmittel dazu beitragen, die Zellgröße im aufgeschäumten Kunststoffprodukt erheblich zu verkleinern und gleichzeitigst die Verteilung der Zellen gleichmäßiger zu gestalten. Bei ersten Versuchen hat sich bereits herausgestellt, dass die Zellgröße durch diese einfache Maßnahme zumindest halbiert wird und diese kleineren Zellen sehr gleichmäßig verteilt sind.

Um die synergistische Wirkung in diesem Zusammenhang noch zu verbessern, kann es als vorteilhaft betrachtet werden, wenn das chemische Treibmittel vor dem physikalischen Treibmittel zugesetzt wird. Eine entsprechende Zuführeinrichtung für das chemische Treibmittel kann dabei stromaufwärts zur Treibmittelzuführeinrichtung für das physikalische Treibmittel angeordnet sein.

Im Zusammenhang mit den chemischen Treibmitteln ist bekannt, dass diese bei Vorliegen von entsprechenden Temperaturen und Druck als Gasbildner dienen und aufgrund entsprechender chemischer Reaktionen ein gasförmiges Treibmittel erzeugen. Im Zusammenhang mit dem physikalischen Treibmittel, das ebenfalls in der Regel ein Gas ist, kann es sich als günstig erweisen, wenn das von dem chemischen Treibmittel erzeugte Gas gleich dem gasförmigen physikalischen Treibmittel ist. Allerdings ist es in diesem Zusammenhang auch möglich, dass das physikalische Treibmittel flüssig zudosiert wird und erst im Kontakt mit der Schmelze und den dort herrschenden Temperaturen und Drücken in einen gasähnlichen oder superkritischen Zustand übergeht.

Eine einfache Möglichkeit zur Zugabe des chemischen Treibmittels kann darin gesehen werden, dass dieses mit dem Kunststoffmaterial in die Plastifiziereinrichtung eingeführt wird. Vorrichtungsmäßig kann dabei die Zuführeinrichtung für das chemische Treibmittel identisch zur Materialzuführeinrichtung sein.

Im Zusammenhang mit dem Vorangehenden ist es ebenfalls möglich, dass chemisches Treibmittel und Kunststoffmaterial bereits vorgemischt vorliegen und dann über die Materialzuführeinrichtung der Plastifiziereinrichtung zugeführt werden, oder vor Ort in erwünschter Mischung zusammengemischt werden.

Anschließend kann das Vermischen von Schmelze und Treibmittel durch die Homogenisier/-mischeinrichtung es sich als vorteilhaft erweisen, wenn das Gemisch vor Übergabe zum Werkzeug zwischengespeichert wird, um die Lösung des Treibmittels in der Schmelze noch zu verbessern. Dazu kann eine entsprechende Sammeleinrichtung dem Werkzeug vorgeordnet sein.

In der Regel wird ein chemisches Treibmittel in einer Menge von 2-4 oder mehr Gewichts-% der Schmelze oder dem Kunststoffmaterial zugesetzt.

Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, dass bei einem Zusatz von chemischen Treibmittel zu dem eigentlichen physikalischen Treibmittel eine erheblich geringere Menge ausreichen ist. So kann die Menge geringer als 2 Gewichts-% sein, wobei beispielsweise auch weniger als 1 Gewichts-% oder weniger als 0,5 Gewichts-% ausreichend sind zur Verkleinerung der Zellgröße und zur gleichmäßigen Verteilung der Zellen.

Bei üblichen chemischen Treibmitteln sind normalerweise die Temperaturen 30 bis 60°C höher als beispielsweise bei Verfahren und Vorrichtungen mit physikalischem Treibmittel. Erfindungsgemäß hat sich ergeben, dass die Temperaturen nicht über die Werte erhöht werden müssen, die allgemein für physikalische Treibmittel bei den entsprechenden Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung des aufgeschäumten Kunststoffprodukts verwendet werden. So sind beispielsweise Temperaturen im Bereich von 150 bis 200°C, bevorzugt im Bereich von 160 bis 200°C und insbesondere bevorzugt im Bereich von 170 bis 190°C ausreichend. Durch diese geringeren Temperaturen wird weniger Energie beim Plastifizieren benötigt oder auf zusätzliche Heizeinrichtungen kann verzichtet werden. Außerdem muss eine Abkühlung im Werkzeug ebenfalls von nur den geringeren Temperaturen stattfinden.

Ein Gas was gute Eigenschaften als Aufschäummittel aufweist und gut mit der Kunststoffschmelze insbesondere im superkritischen Zustand vermischbar ist, ist CO₂ (Kohlendioxyd). Dieses Gas kann als physikalisches Treibmittel eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass beispielsweise auch das chemische Treibmittel als Gasbildner CO₂ erzeugt. Es ist allerdings auch möglich, dass von dem chemischen Treibmittel ein anderes Gas, das heißt ein anderes Gas als das physikalische Treibmittel, erzeugbar ist.

Zur Verbesserung der Sättigung der Schmelze mit Treibmittel und auch zur Verbesserung der Löslichkeit, kann der Homogenisier/-mischeinrichtung eine Sammeleinrichtung, insbesondere ein Staukopf oder dergleichen, nachgeordnet sein. Je nach Kunststoffmaterial und Treibmittel kann die Verweilzeit in dieser Sammeleinrichtung ausgewählt werden.

Es wurde bereits angemerkt, dass die Temperatur innerhalb der Vorrichtung und insbesondere innerhalb der Plastifiziereinrichtung und/oder der Homogenisier/- mischeinrichtung geringer als eine entsprechende Gasbildungstemperatur des chemischen Treibmittels ist.

Die Erfindung ist bei allen Verfahren zur Kunststoffverarbeitung, wie Spritzgießen, Extrusion, Extrusionsblasform, anwendbar. Bei allen diesen Verfahren erfolgt eine verbesserte Verteilung der Zellen im Kunststoffprodukt und gleichzeitig eine Reduzierung der Zellgröße.

Insbesondere hat sich herausgestellt, dass Verfahren und Vorrichtung auch zum Blasformen verwendbar sind, wobei beispielsweise ein Blasformwerkzeug als Werkzeug dem Staukopf als Sammeleinrichtung nachgeordnet sein kann.

Bei bisherigen chemischen Treibmitteln war der entsprechende Blasdruck in der Regel recht gering und lag bei nur einem bar und in der Regel darunter. Bei höheren Blasdrücken wären die Zellen zusammengedrückt worden, so dass das entsprechende Blasformteil mit nur relativ geringem Blasdruck aufgeblasen werden kann. Erfindungsgemäß ist es nun möglich, den Blasdruck ebenfalls erheblich zu erhöhen, beispielsweise auf mehr als 2 bar, vorzugsweise auf mehr als 3 bar und insbesondere bevorzugt auch auf mehr als 4 bar.

Wird als physikalisches Treibmittel CO₂ benutzt und soll durch das chemische Treibmittel das gleiche Gas herstellbar sein, so kann das chemische Treibmittel Natriumcarbonat und Zitronensäure enthalten. Weitere Zumischungen zum chemischen Treibmittel sind möglich. Es sei allerdings nochmals darauf hingewiesen, dass für das chemische Treibmittel auch ein anderes Gas als das verwendete physikalische Treibmittel herstellbar sein kann.

Bezüglich des Endprodukts, das heißt des aufgeschäumten Kunststoffprodukts ergibt sich erfindungsgemäß, dass dieses mit einem physikalischen Treibmittel gefüllte Zellen und zusätzlich chemisches Treibmittel enthält. Entsprechende physikalische Treibmittel sind beispielsweise CO₂, N₂ oder dergleichen. Dabei ergeben sich erfindungsgemäß mittlere Zellgrößen von 1 bis 200 µm und insbesondere von 10 bis 70 µm. Außerdem zeichnet sich das erfindungsgemäße aufgeschäumte Kunststoffprodukt durch eine sehr gleichförmige Verteilung der Zellen aus.

Im Folgenden wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der in der Zeichnung beigefügten Figuren näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines aufgeschäumten Kunststoffprodukts.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 8 zur Herstellung eines aufgeschäumten Kunststoffprodukts. Die Vorrichtung 8 weist eine Plastifiziereinrichtung 2 in Form eines Extruders mit wenigstens einer Schneckenwelle auf. Diesem ist am Extrudergehäuse 17 eine Materialzuführeinrichtung 9 zugeordnet, die im Wesentlichen trichterförmig ausgebildet ist und über die beispielsweise granulatförmiges Kunststoffmaterial 1 der Plastifiziereinrichtung 2 zuführbar ist.

Erfindungsgemäß kann ein entsprechendes chemisches Treibmittel 6 zusammen mit dem Kunststoffmaterial 1 über die Materialzuführeinrichtung 9 zugesetzt werden. Die Mischung von Kunststoffmaterial 1 und chemischem Treibmittel 6 kann vor Ort oder auch an anderer Stelle erfolgen.

Innerhalb der Plastifiziereinrichtung 2 wird das Kunststoffmaterial 1 durch entsprechende Einrichtungen, wie eine Extruderschnecke, plastifiziert und in eine Kunststoffschmelze 3 umgewandelt. Diese bewegt sich durch Drehen der Extruderschnecke, beziehungsweise durch Vorschub der Extruderschnecke in Strömungsrichtung 18.

Stromabwärts zur Plastifiziereinrichtung 2 ist eine Treibmittelzufuhreinrichtung 10 angeordnet. Diese setzt ein physikalisches Treibmittel 4 bei entsprechendem Druck und entsprechende Temperatur der Kunststoffschmelze 3 zu. Das Zusetzen erfolgt in der Regel dosiert und spätestens bei Kontakt mit der Kunststoffschmelze ist das physikalische Treibmittel im superkritischem Zustand. Ein Beispiel für ein solches physikalisches Treibmittel ist CO₂ oder N₂. Weitere physikalische Treibmittel sind an sich bekannt.

Das Zusetzen des physikalischen Treibmittels in Richtung 19 kann durch eine Pumpe oder dergleichen erfolgen.

Stromabwärts zur Treibmittelzufuhreinrichtung 10 ist eine Homogenisier/-mischeinrichtung 11 angeordnet. In dieser werden physikalische Treibmittel und Kunststoffschmelze miteinander vermischt. Die Homogenisier- und Mischeinrichtung kann statische und/oder dynamische Mischteileinrichtungen enthalten, wobei den entsprechenden Teileinrichtungen beispielsweise die Bezugszeichen 11 und 16 zugeordnet sind.

Stromabwärts zur Homogenisier/-mischeinrichtung 11, 16 ist eine Sammeleinrichtung 7 angeordnet. Dieser wird das Treibmittel/Schmelze-Gemisch zugeführt, wobei es in der Sammeleinrichtung 7 für eine auswählbare Zeit unter bestimmtem Druck und unter bestimmter Temperatur sammelbar ist. Druck und Temperatur können in diesem Zusammenhang so sein, dass ein Aufschäumen des Treibmittels noch nicht stattfindet.

Nach Ablauf der auswählbaren Zeit, aber auch durch direkte Zufuhr über die Sammeleinrichtung 7 von der Homogenisier/-mischeinrichtung 11, 16 ist das Treibmittel/Schmelze-Gemisch dem Werkzeug 5 zuführbar. Zwischen Sammeleinrichtung 7 und Werkzeug 5 ist in der Regel eine Drossel oder eine Düse 15 angeordnet. Im Werkzeug 5 sind Druck und Temperatur so gewählt, dass ein Aufschäumen stattfindet und nach Aushärten der Kunststoffschmelze kann das aufgeschäumte Kunststoffprodukt entnommen werden.

Die Vorrichtung 8 nach Fig. 1 kann zum Spritzgießen, Extrudieren, Extrusionsblasformen usw. verwendet werden. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 weist beispielsweise einen Staukopf 13 als Sammeleinrichtung 7 sowie ein Blasformwerkzeug 14 als Werkzeug 5 auf, so dass ein Extrusionsblasformverfahren beziehungsweise -vorrichtung dargestellt sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines aufgeschäumten Kunststoffprodukts mit den folgenden Schritten:

- Einführen von Kunststoffmaterial (1) in eine Plastifiziereinrichtung zum Herstellen einer Kunststoffschmelze (3);

- Zudosieren eines physikalischen Treibmittels (4) zur Kunststoffschmelze (3) und Mischen von Treibmittel und Schmelze, und

- Zuführen der mit Treibmittel (4) vermischten Schmelze (3) zu einem Werkzeug (5) und Entnehmen des aufgeschäumten Kunststoffprodukts nach Aufschäumen des Treibmittels,

dadurch gekennzeichnet,
dass der Kunststoffschmelze (3) ein chemisches Treibmittel und/oder Nukleierungsmittel (6) zugesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Treibmittel (6) vor dem physikalischen Treibmittel (4) zugesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Treibmittel (6) ein Gas entsprechend zum physikalischen Treibmittel (4) erzeugt.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Treibmittel (6) mit dem Kunststoffmaterial (1) in die Plastifiziereinrichtung eingeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibmittel/Schmelz-Mischung zur Zufuhr zum Werkzeug (5) in einer Sammeleinrichtung (7) für eine vorbestimmte Zeit verweilt.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des chemischen Treibmittels (6) im Bereich von 0,005 bis 3 Gewichts-%, vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 1 Gewichts-% und besonders bevorzugt im Bereich von 0,05 bis 0,5 Gewichts-%, bezogen auf die Menge des Kunststoffmaterial, liegt.

7. Vorrichtung zur Herstellung eines aufgeschäumten Kunststoffprodukts mit wenigstens einer Plastifiziereinrichtung (2) zur Herstellung einer Schmelze aus einem über eine Materialzuführeinrichtung (9) zugeführten Kunststoffmaterial (1), einer Treibmittelzufuhreinrichtung (10) zur Zufuhr eines physikalischen Treibmittels (4) zur Schmelze (3), einer Homogenisier/-mischeinrichtung (11) zum Vermischen von Treibmittel (4) und Schmelze (3) und einem Werkzeug (5) zur Aufnahme des Treibmittel/Schmelze-Gemisches und Herstellung eines aufgeschäumten Kunststoffprodukts, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufuhreinrichtung (12) für ein chemisches Treibmittel und/oder Nukleierungsmittel (6) der Plastifiziereinrichtung (2) und/oder der Treibmittelzufuhreinrichtung (10) und/oder der Homogenisier/-mischeinrichtung (11) zugeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (2) die Materialzufuhreinrichtung (9) ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass chemisches Treibmittel (6) und Kunststoffmaterial (1) gemischt sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur innerhalb der Plastifiziereinrichtung (2) und/oder innerhalb der Homogenisier/-mischeinrichtung (11) im Bereich von 150 bis 260°C bei anderen Kunststoffen als PE oder PP z. B. ABS oder PC, bevorzugt im Bereich von 160 bis 200°C und insbesondere bevorzugt im Bereich von 170 bis 190°C liegt.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch das chemische Treibmittel (6) als Gasbildner ein Gas entsprechend zum physikalischen Treibmittel (4) erzeugbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas CO₂ ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Homogenisier/-mischeinrichtung (11) eine Sammeleinrichtung (7), insbesondere ein Staukopf (13) oder dergleichen nachgeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verweilzeit der Treibmittel/Schmelzemischung in der Sammeleinrichtung (7) auswählbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur innerhalb von Plastifiziereinrichtung (2) und/oder Homogenisier/-mischeinrichtung (11) geringer als eine Gasbildungstemperatur des chemischen Treibmittels (6) ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blasformwerkzeug oder Spritzgießwerkzeug oder Extrusionswerkzeug (14) als Werkzeug (5) dem Staukopf (13) nachgeordnet ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass beim Extrusionsblasen zum Aufblasen des Blasteiles ein Blasdruck größer als 2 bar, vorzugsweise größer als 3 bar und insbesondere bevorzugt größer als 4 bar ist.

18. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Treibmittel (6) Natrumbicarbonat und Zitronensäure enthält.

19. Aufgeschäumtes Kunststoffprodukt mit mit einem physikalischen Treibmittel (4) gefüllten Zellen, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgeschäumte Kunststoffprodukt zusätzlich ein chemisches Treibmittel und/oder Nukleierungsmittel (6) enthält.

20. Aufgeschäumtes Kunststoffprodukt nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das physikalische Treibmittel (4) CO₂ ist.

21. Aufgeschäumtes Kunststoffprodukt nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Treibmittel (6) Natrumbicarbonat und Zitronensäure enthält.

22. Aufgeschäumtes Kunststoffprodukt nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen des aufgeschäumten Kunststoffprodukts eine Größe von 1 bis 200 µm und insbesondere von 10 bis 70 µm im Mittel aufweisen.

23. Aufgeschäumtes Kunststoffprodukt nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen gleichförmig im aufgeschäumten Kunststoffmaterial verteilt sind.