DE102005054153A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Mischen und dosierten Austragen hochgefüllter Polyurethansysteme - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Mischen und dosierten Austragen hochgefüllter Polyurethansysteme Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mischen und dosierten Austragen großer Durchsatzmengen fließfähiger Reaktionsgemische von mindestens zwei hochgefüllten hochviskosen Reaktionskomponenten einer Polyurethanreaktion. DOLLAR A Das Verfahren dient der kontinuierlichen Herstellung von Materialkomponenten für Konstruktions- und Isolierwerkstoffe mit gewünschten konstruktiven und bauphysikalischen Eigenschaften unter Zuhilfenahme eines Dynamikmischers (26), mindestens zwei Vorrastdruckbehältern (19) mit der Dosiervorrichtung (D), bestehend aus den Elementen (16) und (17), und Vormischersystemen (V) mit Modulen (20) bis (25), dadurch gekennzeichnet, dass beim Eintrag der Füllmaterialien sowohl in die Polyol- als auch in die Isocyanatkomponente Füllgrade von 20 bis 80 Vol.-% bzw. 40 bis 200 Gew.-%, bezogen auf die Reaktionskomponenten, erreicht werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mischen und dosierten Austragen großer Durchsatzmengen fließfähiger Reaktionsgemische von mindestens zwei hochgefüllten hochviskosen Reaktionskomponenten einer Polyurethanreaktion.
  • Das Verfahren dient der kontinuierlichen Herstellung von Materialkompositen für Konstruktions- und Isolierwerkstoffen mit gewünschten konstruktiven und bauphysikalischen Eigenschaften.
  • Zur technischen Umsetzung des Verfahrens ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung realisiert, die dem dosierten Mischen und kontinuierlichen dosierten Austragen von hochviskosen Materialkompositen dient.
  • Durch das kontinuierliche Mischen und Austragen hochgefüllter Polyurethansysteme sind Fertigungstechniken möglich, mit denen eine Fließfertigung beispielsweise von flächigenförmigen Bauelementen realisiert werden kann.
  • Die bekannten Lösungen arbeiten in der Regel im kostenaufwendigen Hochdruckbetrieb, sind für abrasive Füllstoffe nur bedingt geeignet und erreichen nicht die gewünschten hohen Füllgrade und Massendurchsätze.
  • Bisher werden bei der Herstellung gefüllter Polyurethane die Füllstoffe wie Brandhemmer oder Schall dämmende Pigmente vorrangig in die Polyolkomponente des Systems gegeben. Dabei werden in der Regel Füllstoffgrade von 20 bis 60% bezogen auf das Gewicht des Schaumes erreicht, wie die nachfolgende Beispiele zeigen.
  • In der DE 197 28 543 werden Verfahren genannt, bei denen anorganische und organische Füllstoffe bis maximal 50 Gew.-% (vorzugsweise bis 40 Gew.-%) bezogen auf das Gewicht der Flüssigkomponenten verwendet werden.
  • In der DE 197 11 737 wird über die Befüllung von Polyurethanschaum mit Granit- oder Marmormehl mit unproblematischen Füllgraden von 3 bis 8 Gew.-% berichtet.
  • Es sind zahlreiche Misch- und Dosiervorrichtungen für Reaktionskomponenten, wie aushärtende Kleb- und/oder Dichtstoffen sowie Polyurethanreaktionskomponenten bekannt.
  • Gemäß DE 28 092 28 wird für einen Dynamikmischer eine umlaufende Schnecke mit ortsfesten Reibscheiben benutzt. Nachteile bei dieser Lösung sind ein hoher Arbeitsdruck für hochviskose Pasten, die hohe Reibungserwärmung und die schwierige Reinigung. Gegenstand der DE 37 236 77 ist einen Dynamikmischer mit einem mit Rührstiften besetztem Kegelrotor. Die für die erforderliche Mischleistung notwendigen hohen Rotordrehzahlen führen hier unvermeidlich zu hohem Verschleiß der Baugruppen sowie Mischgutschäden.
  • In der DE 24 001 50 schließlich wird ein Statikmischer mit einem großen Mischvolumen unter Schutz gestellt, der schwierig zu reinigen ist. Außerdem ist zum Durchströmen der Schikanen ein hoher Arbeitsdruck erforderlich.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile zu überwinden und ein Verfahren bereitzustellen, das die Herstellung hochgefüllter Polyurethankomponenten erlaubt und gleichzeitig eine Vorrichtung im Niederdruckbetrieb schafft, die eine hohe Austragsleistung, die erforderliche homogene Verteilung der an der chemische Reaktion teilnehmenden Füllstoffe (z.B. Aluminiumhydroxid) und eine einfache Handhabung ermöglicht.
  • Im Ergebnis umfangreicher Untersuchungen haben wir herausgefunden, dass Füllstoffe wie Calciumkarbonat, Aluminium- und Titanoxid, Aluminium- und Graphitpulver in getrocknetem/wasserfreiem Zustand auch in die Isocyanatkomponente eingemischt werden können, ohne dass über einen längeren Zeitraum die Reaktionsfähigkeit des Systems wesentlich beeinträchtigt wird oder eine Schädigung des Schaumgerüstes erfolgt.
  • Neben Graphiten können so Ruße, Aluminiumpulver, Aluminiumoxide, Eisenpulver, silicatische Partikel und andere sowie bekannte Flammenhemmer wie Natriumcarbonat, Aluminium-, Magnesiumoxid und andere in Pulverform einzeln und in Gemischen in einem Volumenanteil von 10 bis 80% in die organischen Polyurethankomponenten (Polyole und Isocyanate) eingemischt und verschäumt werden.
  • Dabei hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Füllstoffe (wie z.B. den die Wärmeleitfähigkeit steigernden Leitgraphit) auf 40°C zu temperieren und in die zuvor ebenfalls auf 35 bis 40°C erwärmten Reaktionskomponenten A und B unter Rühren oder mittels Statik- oder Dynamikmischer zu dispergieren.
  • Zur verfahrenstechnischen Umsetzung der Aufgabenstellung wird in entscheidender Weiterentwicklung der Vorrichtung nach DE 203 19 813 die erfindungsgemäße Anordnung eines mehrstufigen Dynamikmischers (26) mit einer kontinuierlichen Dosiervorrichtung (D) für das Polyurethan – Reaktionsgemisch in Verbindung mit mindestens zwei Vorratsdruckbehältern (19) mit Rührwerk sowie mindestens zwei Vormischersystemen (V) (bestehend aus Vorratsdruckbehältern (20) bis (23) für verschiedene Füllstoffe und der jeweilige Polyurethankomponente sowie einem Mischer (25) (als Dynamik- oder Statikmischer bzw. der Kombination aus beiden) vorgeschlagen.
    •
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird durch die 1-2 dargestellt und wie folgt beschrieben:
    • 1
    Mischerrohr
    2
    Mischerwelle mit mindestens 4 Mischerpaddelstufen
    3
    Gewindestück
    4
    Stopf-Buchse
    5
    Dichtring
    6
    Gewindebohrung für Materialzuflussleitungen
    7
    Eintrittsöffnung für Reinigungsflüssigkeit
    8
    Eintrittsöffnung für die Druckluftspülung
    9
    Führungsbuchse mit Lochkranz (oben)
    10
    Mischerpaddelstufe mit je 2 bis 4 Mischerpaddeln
    11
    Schraubenschikanen
    12
    Führungsbuchse mit Lochkranz (unten)
    13
    Mischkegel
    14
    Kegelring mit Mischrhomben
    15
    Austrittsöffnung
    16
    Volumenzähler – Dosiervorrichtung (D)
    17
    Dosierpumpe – Dosiervorrichtung (D)
    18
    Sperrventil (Magnet- und Rückschlagventil) – Dosiervorrichtung (D)
    19
    Vorratsdruckbehälter mit Rührwerk
    20
    Vorratsdruckbehälter für die A – Komponente – Module der Vormischersysteme (V)
    21
    Vorratsdruckbehälter für A – Zumischkomponenten – Module der Vormischersysteme (V)
    22
    Vorratsdruckbehälter für B – Komponente – Module der Vormischersysteme (V)
    23
    Vorratsdruckbehälter für B – Zumischkomponenten – Module der Vormischersysteme (V)
    24
    Dosierpumpen für Mischkomponenten – Module der Vormischersysteme (V)
    25
    Mischer zur Herstellung hochgefüllter Polyurethankomponenten – Module der Vormischersysteme (V)
    26
    Dynamikmischer für die Herstellung des Polyurethan – Reaktionsgemisches
  • 1 zeigt eine Vorrichtung zum Mischen und kontinuierlichen dosierten Austragen von mindestens zwei hochviskosen Reaktionskomponenten (aus Polyol + Füllstoffe sowie Isocyanat + Füllstoffe), bestehend aus einem mehrstufigen Dynamikmischer (26) mit hoher Durchsatzleistung, zwei oder mehreren Vorratsdruckbehältern mit Rührwerk (19) (mit einem Vordruck im Niederdruckbereich) in Verbindung mit einer Dosiereinrichtung (D) bestehend aus den Elementen (16), (17) und (18) sowie zuführende beheizte Druckleitungen für die Materialzufuhr.
  • Die Vorratsdruckbehälter (19) werden nach Bedarf mit den vorgemischten Systemkomponenten befüllt. Die Dosierung und Förderung der Mischkomponenten erfolgt im Vormischersystem (V), bestehend aus den Vorratsbehältern (20) bis (23) und den Dosierpumpen (24).
  • Für das Einmischen der Füllstoffe jeweils in die Polyurethankomponenten A und B kommen die Mischer (25) zum Einsatz. Der Mischer (25) besteht in Abhängigkeit vom Mischgut aus einem Dynamik- oder Statikmischer bzw. einer Kombinationen aus beiden. Das Rührwerk in den Vorratsdruckbehältern (19) sichert die konstante Homogenität der Vormischung. Der Dynamikmischer (26) wird mit den gefüllten Reaktionskomponenten direkt aus den Vorratsdruckbehältern (19) mit Hilfe der Dosiervorrichtung (D) befüllt.
  • Die gefüllten Reaktionskomponenten werden dem hochdrehenden im Niederdruckbereich arbeitenden Dynamikmischer (26) zugeführt und mittels Mischerpaddel (10), Schraubschikanen (11) und optional dem Mischkegel (13) das Gemisch einer Polyurethanreaktion erzeugt.
  • Die Reinigung des Dynamikmischers (26) erfolgt materialabhängig durch eine Spülflüssigkeit, ein Flüssigkeits-Luft-Gemisch und durch reine Pressluft über die Eintrittsöffnungen (7) und (8).
  • 2 zeigt den Aufbau des Dynamikmischers (26), in dem in einem Mischrohr (1) eine extern angetriebene Mischerwelle (2) rotiert. Die Lochkränze (9) und (12) bestehen aus gehärtetem Stahl oder Keramik. Sie vereinzeln das Mischgut in getrennte Stränge. Der obere Lochkranz (9) besitzt eine größere Durchsatzfläche als der untere Lochkranz (12), wodurch ein definierter Staudruck erzeugt wird. Zur Erhöhung der Mischqualität wurden verstellbare Schraubenschikanen (11) zwischen die Mischpaddel (10) gesetzt. Die Schrägstellung der Mischpaddelpaare (10) unterstützt die Verwirbelung des Mischgutes, indem sie eine Gegenstromwirkung erzeugen. Die Anzahl der Mischerpaddel (4) wird materialabhängig eingesetzt wie auch der Mischerkegel, der aus verschiedenen Kegelringen aufgebaut ist, die mit Mischrhomben (14) aus gehärtetem Stahl oder Keramik besetzt sind.
  • Durch das erfinderische Verfahren und ihre Vorrichtung wird es möglich die in der Vormischereinheit hergestellten hochgefüllten Pasten auf Basis Polyol und Isocyanat im Dynamikmischer (26) mit geringer oder nicht gefüllten Polyurethankomponenten abzumischen und damit die Variationsbreite und schnelle Abfolge der verfügbaren Komposite zu erhöhen.
  • Die Erfindung wird an nachfolgendem Beispiel (siehe auch 1) erläutert.
  • Für die Herstellung Wärme leitender Komposite werden die in den Vorratsdruckbehältern (20) bis (23) auf ca. 40°C erwärmten Reaktions- und Füllstoffkomponenten, vorzugsweise Leitgraphit (Hersteller: Graphitwerk Kopfmühl AG) als Füllstoff mit 38 Gew.-% jeweils bezogen auf die Polyurethan – Hartschaumkomponente A und B in den Vormischersystemen (D) mittels der Dosierpumpen (24) dosiert und der Mischer (25) gemischt und in die Vorratsdruckbehälter (19) befördert. Die Rührwerke in den Vorratsdruckbehältern (19) halten die Suspension ständig in Bewegung. Durch Betrieb der Dosiervorrichtung (D) wird mit Unterstützung des in den Vorratsdruckbehältern (19) eingestellten Vordrucks von 4 bis 10 bar die gefüllte Komponente (A + Graphit) und (B + Graphit) gleichzeitig in die jeweiligen Zuflussöffnungen (6) des Dynamikmischer (26) gedrückt. In dem mit minimal 1500 W getriebener Dynamikmischer (26) werden die Reaktionskomponenten gemischt und mit einer Austragsgeschwindigkeit von 12 l/min in eine Druckform ausgetragen. Nach Beendigung des Mischvorganges wird der Dynamikmischer (26) mit einer üblichen Reinigungsflüssigkeit und Druckluft über die Öffnungen (7) und (8) für einen weiteren Arbeitsgang vorbereitet.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung von Schichten verschiedener Materialkomposite für Konstruktions- und Isolierwerkstoffe auf Polyurethanbasis unter Zuhilfenahme eines Dynamikmischers (26), mindestens zwei Vorratsdruckbehältern (19) mit der Dosiervorrichtung (D) bestehend aus den Elementen (16), (17) u. (18) und mindestens zwei Vormischersystemen (V) mit Modulen (20) bis (25), dadurch gekennzeichnet, dass beim Eintrag der Füllmaterialien sowohl in die Polyol als auch in die Isocyanatkomponente Füllgrade von 20 bis 80 Vol.-% bzw. 40 bis 200 Gew.% bezogen auf die Reaktionskomponenten erreicht werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die in den Vormischersystemen hergestellten hochgefüllten Polyurethankomponenten auf Basis Polyol und Isocyanat im Dynamikmischer (26) über Zuführungsöffnungen (10) mit einem optimierten Mischenergie- Eintrag von mindestens 1500 W über die Mischerwelle (2) mit den Mischerelementen (9) bis (14) gemischt und ausgetragen werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die separat sowohl in die Polyurethan- System-Komponente -A als auch in -B eingemischten pulvrigen und/oder reaktiven Füllmaterialien auf 35 bis 40°C vorgewärmt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschickung des Dynamikmischers (26) durch mindestens zwei vom Massenstrom gesteuerte Dosierpumpen (17) direkt aus den Vorratsdruckbehältern (19) erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung und Mischung der hochgefüllten Polyurethankomponenten im Niederdruckbetrieb erfolgt.
  6. Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung hochgefüllter Materialkomposite auf Polyurethanbasis bestehend aus einem System verschiedener funktioneller Teilsysteme: den Vormischersystemen (V) mit den Modulen (20) bis (25), den Vorratsdruckbehältern (19), dem Volumenzähler (16), den einzeln oder parallel ansteuerbaren Dosierpumpen (17), dem Dynamikmischer (26) sowie einem Ventil- und Steuerungssystem für den Materialfluss mit den Ventilen (18), dadurch gekennzeichnet, dass • der Dynamikmischer (26) mit einem System von Mischelementen (9) bis (14) ausgestattet ist, wo der Mischkegel (14) optional ist, • das Vormischersystem (V) mit den Modulen (20) bis (25) mit einer variablen Anzahl von Vorratsdruckbehältern (20) bis (23) mit jeweils einzeln ansteuerbaren Dosierpumpen (24) und den Mischern (25) besteht, • Vorratsdruckbehälter (19) für Arbeitsdrücke im Niederdruckbereich ausgelegt sind und mit einem Rührwerk zur Aufrechterhaltung der homogenen Materialverteilung ausgestattet ist, • die Dosiervorrichtung (V) aus einem Volumenzähler (16) und einer vom Massenstrom gesteuerten Dosierpumpe (17) besteht.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das System von Mischelementen des Dynamikmischer (26) in der ersten Stufe (9) und der vorletzten Stufe (12) als Lochkranz aus gehärtetem Stahl, in der zweiten und den folgenden Stufen als Kaskade von angewinkelten Mischpaddeln (10) mit Schraubenschikanen (11) und in seiner letzten Stufe optional als Mischkegel (13) mit Rhomben ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel der Mischpaddel (10) zur Materialstromrichtung von 2° bis 10° beträgt.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischpaddel (10) auf der Mischerwelle (2) in 3 bis 15 Stufen (bzw. Ebenen) zu 2 bis 4 Paddeln in jeder Stufe ausgebildet sind und die Schraubenschikanen (11) im Mischerrohr (1) in ihrer Eindringtiefe in den Materialstrom verstellbar sind.
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