DE102006030403A1

DE102006030403A1 - Verfahren zur Herstellung physikalisch getriebener Schäume von fließfähigen Formmassen

Info

Publication number: DE102006030403A1
Application number: DE102006030403A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Häuser; Micha Scharf
Original assignee: Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Current assignee: Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2007-03-15

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Beladung mit Treibfluiden von fließfähigen Formmassen wie z. B. Oligomeren, polymeren Schmelzen, Kautschukcompounds, Harzsystemen usw., jedoch vorzugsweise Zweikomponentengemischen wie Flüssigsilikonkautschuk (LSR) oder Polyurethan über eine spezielle Beladungseinheit unter der Verwendung von physikalischen Treibmitteln wie z. B. CO¶2¶, N¶2¶ oder Wasser usw. innerhalb des Extrusions- oder Spritzgießprozesses oder durch die direkte Förderung der Formmasse über Pumpvorrichtungen in eine geeignete Werkzeugkavität zum Erreichen einer geschäumten Bauteilstruktur.

Description

Anwendungsgebiet
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung geschäumter Bauteile, die mittels physikalischer Treibmittel aufgeschäumt werden. Das Aufschäumen wird durch die Beladung von fließfähigen Formmassen wie z. B. Oligomeren, polymeren Schmelzen, Kautschukcompounds, Harzsystemen usw., jedoch vorzugsweise Zweikomponentengemischen wie Flüssigsilikonkautschuk (LSR) oder Polyurethan über eine spezielle Beladungseinheit durch physikalische Treibmittel wie z. B. CO₂, N₂, Wasser oder Alkohole oder beliebige andere geeignete Kohlenwasserstoffverbindungen und niedrig siedende Flüssigkeiten usw. während des Spritzgieß- oder Extrusionsprozesses initiiert. Dabei ist es irrelevant ob das Aushärten oder Vernetzen der Formmasse durch chemische und/oder physikalische Vorgänge initiiert wird.

Das Schäumen von polymeren Materialien ist seit langem Stand der Technik in der Kunststoff verarbeitenden Industrie [Hec85, Hül76, Hof8β0, Kas97a-c, NN01, Row88, Spi97]. Die Erzeugung von zellularen Strukturen wird dabei häufig durch den Einsatz von chemischen Treibmitteln realisiert, die den Formmassen, genauer gesagt dem Polymer, sei es ein thermoplastisches Material oder ein Kautschuk oder ein Harzsystem unmittelbar vor der Verarbeitung als Pulver, Masterbatch oder Ähnlichem beigemischt werden. Das Treibmittel zersetzt sich durch die Einbringung von thermischer Energie und bildet dadurch Treibgase wie z. B. CO₂, H₂, N₂ etc. Die Treibgase führen nach Eintritt der Formmasse in ein Werkzeug zu einer Blasenbildung und nach dem Vernetzen oder Aushärten der Formmasse zu einer stabilen, schaumigen Formteilstruktur. Die Fixierung der Zellstruktur des Bauteils erfolgt je nach Material durch physikalisches Aushärten oder chemisches Vernetzen der Formmasse.

Neben den bereits genannten unbedenklichen Treibgasen können sich bei der thermischen Zersetzung des Treibmittels jedoch auch Ammoniak, Kohlenmonoxid und andere Spaltprodukte bilden, die zu einer Reduzierung der mechanischen Eigenschaften des Formteils führen und zudem die Umgebungsluft kontaminieren können.

In Abhängigkeit der Prozesstemperaturen innerhalb der Verarbeitungskette sowie der verschiedenen Verfahrens- und Materialarten kann die Treibgasbildung während der Dosier-, der Einspritz-, der Vernetzungs- oder der Aushärtephase erfolgen. Daraus folgt, dass durch die unterschiedlichen Verarbeitungsbedingungen der verschiedenen Formmassen die Treibgasbildung eventuell zu spät erfolgen kann, um eine ausreichend homogene Zellstruktur zu gewährleisten. Als Beispiel seien in diesem Zusammenhang schnell vernetzende Kautschuksysteme genannt. Bei diesen Systemen liegen die Verarbeitungstemperaturen prozessbedingt unterhalb der Zersetzungstemperatur der chemischen Treibmittel. In diesem Fall werden die Treibgase erst durch die hohen Temperaturen innerhalb der Werkzeugkavität gebildet. Gleichzeitig setzt jedoch auch die Vernetzungsreaktion ein. In solchen Fällen können keine ausreichend homogenen Schaumstrukturen ausgebildet werden, da der vernetzungsbedingte Viskositätsanstieg des Kautschukcompounds ein Zellwachstum unterbindet.

Eine Alternative zum Schäumen mit chemischen Treibmitteln ist das Schäumen mit physikalischen Treibmitteln. Bei dieser Art des Schäumens werden physikalische Treibfluide wie z. B. CO₂, N₂, Wasser oder andere niedrig siedende Flüssigkeiten oder Kohlenwasserstoffverbindungen in die fließfähigen polymeren Materialen unter hohem Druck eingebracht, dort gelöst und/oder dispergiert und gefördert. Der Aufschäumvorgang erfolgt durch die Übersättigung der fließfähigen Formmasse mit Treibgas während eines Druckabfalls beim Eintritt in ein Werkzeug oder anderes Form gebendes Gebilde.

Untersuchungen mit einem Prototypen einer Treibfluidinjektionsdüse zur Beladung von polymeren Formmassen haben gezeigt, dass polymere Schmelzen durch die Zugabe von physikalischen Treibmitteln wie z. B. Wasser, Kohlendioxid oder Stickstoff beladen und zu Polymerformkörpern verschäumt werden können. Die Beladung der polymeren Schmelzen erfolgt in diesem Verfahren über eine Vorrichtung und unter Verwendung eines Gasdosiersystems, das an eine konventionelle Spritzgießmaschine montiert wird.

Das Treibmittel wird dabei über poröse Materialien an die Oberfläche einer Ringspaltströmung der Art in den Schmelzestrom injiziert, so dass eine Beladung der Formmasse mit dem Treibmittel gewährleistet ist. Der Ringspalt wird in dieser Düse über zwei Hohlzylinder aus Sintermetall mit unterschiedlichen Durchmessern realisiert, durch deren Wände das Treibmittel in den Schmelzestrom injiziert werden kann, was zu einer große Grenzfläche und damit homogenen Eingasung führt. Die Gasbeladung erfolgt in diesem Verfahren während der Einspritzphase.

Bedingt durch die Herstellungsart der Sintermetalle weisen diese unterschiedliche und im Vergleich zu den Molekülen gewisser fließfähiger Formmasse sehr große Porengrößen auf. Daher kann unter Umständen ein Rückfluss von Material in die Sintermetalle bei Materialüberdrücken nicht ausgeschlossen werden. Die Gefahr einer Verstopfung der Sinterporen durch das fließfähige Medium ist daher ausgesprochen groß.

Eine Alternative zu den verwendeten Sintermetallen stellen in diesem Zusammenhang selbst schließende oder mechanisch, pneumatisch, elektropneumatisch oder hydraulisch schließende Injektorsysteme dar. Mit diesen Injektorsystemen ist es möglich, das Treibgas in die Formmasse einzubringen, ohne dass ein Rückfließen von dem zu beladenem Material in Richtung der Injektoren und damit der Gasdosierstation auftreten kann.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem sich physikalisch geschäumte Bauteile aus fließfähigen Formmassen wie z. B. Oligomeren, polymeren Schmelzen, Kautschukcompounds, Harzsystemen usw., jedoch vorzugsweise Zweikomponentengemischen wie Flüssigsilikonkautschuk (LSR) oder Polyurethan über eine spezielle Beladungseinheit durch physikalische Treibmittel wie z. B. CO₂, N₂, Wasser oder Alkohole oder beliebige andere geeignete Kohlenwasserstoffverbindungen und niedrig siedende Flüssigkeiten usw. während des Spritzgieß- oder Extrusionsprozesses herstellen lassen. Die Aufgabe wir mit dem in Anspruch 1 definierten Verfahren und der in Anspruch 7 definierten Anlage gelöst.

Bei diesem Verfahren werden die Formmassen in einem Form gebenden Werkzeug aufgeschäumt. Das Aufschäumen wird durch die Beladung der Formmassen über selbst schließende oder mechanisch, pneumatisch, elektropneumatisch oder hydraulisch schließbare Injektoren mit einem physikalischen Treibfluid realisiert. Durch dieses Verfahren lassen sich sowohl einkomponentige z. B. thermoplastische Schmelzen als auch und mehrkomponentige Formmassen (Flüssigsilikonkautschuk, Harze, Polyurethan) beladen. Die Beladung erfolgt über gepulste Treibfluidströme. Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass sich das Treibfluid gleichmäßig in der Formmasse verteilen lässt, und gleichzeitig Formmassenreste, die durch Prozessstörungen in den Injektoreingedrungen sind, sich einfach und schnell entfernen lassen. Da die Injektoren selbst schließend bzw. elektrisch, hydraulisch, pneumatisch bzw. elektro/pneumatisch nach der Gasinjektion verschlossen werden, kann unter normalen Randbedingungen kein Material in die Injektoren eindringen. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr unanfällig hinsichtlich Verschmutzung im Vergleich zu den auf Sintermetallen basierenden Beladungssystemen.

Beschreibung der Erfindung
Nachfolgend ist eine beispielhafte Anlagenkonfiguration für die LSR-Verarbeitung (1) und eine Beladungseinheit abgebildet (2).
Die beiden Formmassenkomponenten A und B (LSR) werden aus den getrennten Liefergebinden 3a und 3b (Hobboks oder Fässern) mit einer Fasspumpe 3 über pneumatische Sperrventile 2a und 2b in die beiden Beladungsmischer 1a und 1b gefördert. Dort erfolgt die Beladung der Formmasse mit dem Treibfluid, das aus einem Vorratsbehälter 4 über eine Gasdosieranlage 5 unter hohem Druck (gepulste Signale) gefördert wird. Die beiden beladenen Formmassenströme werden über zwei Rückschlagventile 6a und 6b in einen Mischblock 8 geleitet und dort eventuell zusätzlich oder ausschließlich wie oben beschrieben mit Treibfluid und/oder mit Farbpasten und/oder anderen Additiven und/oder Nukleierungsmitteln, die mittels einer weiteren Dosiereinheit 7 in die Formmasse injiziert werden, versehen und homogenisiert. Die beladene Masse wird danach über ein weiteres pneumatisches Sperrventil 2c entweder direkt in das Form gebende Werkzeug 10 (bei großvolumigen Bauteilen) oder über eine Spritzgießmaschine 9 in das Werkzeug 10 injiziert, wo es bedingt durch den Druckabfall beim Eintritt des Gemisches in das Werkzeug zur der Übersättigung der fließfähigen Formmasse mit Treibgas und damit zum Aufschäumen des Gemisches kommt. Die Fixierung der Zellstruktur erfolgt in diesem Fall durch eine chemische Vernetzung des LSR-Compounds.
Die Beladungseinheiten bestehen aus folgenden Komponenten (2): Einem Gehäuse 11 mit einem Fließkanal beliebiger Kontur in dem ein statisches und/oder dynamisches Mischelement 20 zur Homogenisierung des Formmassen/Treibfluidgemisches eingebaut ist. In dem Gehäuse sind Temperierkanäle 16 angeordnet, um bei der Verarbeitung thermisch kritischer Materialien eine optimale Betriebtemperatur des Beladungssystems zu gewährleisten. Die Beladung erfolgt vorzugsweise über einen oder mehrere austauschbare Injektoren 15, die in einem Adapter 14 über den Anschluss 12 in die Beladungseinheit befestigt werden. Auf diese Weise lassen sich defekte Beladungssysteme schnell Instand setzten. Zur Prozessüberwachung können über den Anschluss 18 vorzugsweise ein oder mehrere Messsensoren, z. B. ein Drucksensor 19, in die Beladungseinheit montiert werden. Der Zufluss der Formmasse aus den Liefergebinden und der Abfluss zur Spritzgießmaschine erfolgt über die Anschlüsse 17 und 21.

Claims

Verfahren zum Beladen von ein- oder mehrkomponentigen fließfähigen Formmassen, dadurch gekennzeichnet, dass geschäumte Formteile aus diesen Formmassen hergestellt werden, die einzeln, getrennt voneinander oder bereits gemischt oder getrennt und gemischt mit einem Treibfluid beladen und unter erhöhtem Druck gefördert werden, um in einem anschließenden Verfahrensschritt wie Spritzgießen, Extrusion oder direkter Förderung in ein gekühltes oder beheiztes Werkzeug physikalisch aushärten oder chemisch vernetzen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass physikalische Treibmittel wie Wasser, N₂, CO₂ oder niedrig siedende Flüssigkeiten wie Alkohol oder andere Kohlenwasserstoffe oder eine Mischung aus mehreren geeigneten Treibmitteln in die fließfähigen Formmassen über selbst schließende oder mechanisch, pneumatisch, elektropneumatisch oder hydraulisch schließbare Injektoren punktuell in die fließfähige Formmasse eingebracht werden und anschließend verteilt werden, so dass ein homogenes Gemisch vorliegt.
Verfahren nach 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, das mindestens ein Additiv z. B. ein Farbstoff oder Nukleirungsmittel zusätzlich über geeignete Injektoren in den Materialstrom beigemischt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, das das physikalische Treibmittel über gepulste Druckerhöhungen in die Formmasse eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, das das physikalische Treibmittel über einen konstanten Massen- bzw. Volumenstrom in die Formmasse eingebracht wird.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass nach der Injektion des Treibfluids in die Formasse eine möglichst lange Verweilzeit auf einem hohen Druckniveau zwischen Injektion und dem Einbringen des Treibfluid-/Formmassengemisches in die Form oder das Werkzeug vergeht, um eine maximale Löslichkeit von Treibfluid in der Formmasse zu gewährleisten ohne ein physikalisches oder chemisches Aushärten bzw. Vernetzen der Formmasse innerhalb der Materialförderung zu ermöglichen.
Anlage zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Beladungseinheit über beliebig viele vorzugsweise über einen Strömungskanal verfügt, in den ein oder mehrere Injektoren eintauchen, um die Formmasse mit Treibfluid punktuell zu beladen.
Anlage gemäß Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass um ein frühzeitiges Aushärten zu unterbinden, Temperierbohrungen in der Beladungseinheit angeordnet sind, um die Beladungseinheit auf ein für die Formmasse optimales Temperaturniveau zu temperieren.
Anlage gemäß den Ansprüchen 7–8 dadurch gekennzeichnet, dass die Beladungseinheit am Zu-, und/oder Ablauf ein Rückschlag- und/oder selbst schließende oder mechanisch, pneumatisch, elektropneumatisch oder hydraulisch schließbares Sperrventil enthält, um je nach Formgebungsverfahren einen geschlossenen Beladungsraum zu gewährleisten oder ein Rückströmen der beladenen Frommasse bedingt durch Druckdifferenzen, die sich innerhalb des Systems ergeben können, zu vermeiden.
Anlage gemäß den Ansprüchen 7–9 dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Messwertaufnehmer, vorzugsweise ein Druckaufnehmer in der Beladungseinheit vorhanden ist, um eine Überwachung des Förder- und Beladungsprozesses zu gewährleisten.
Anlage gemäß den Ansprüchen 7–10 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Beladungseinheiten parallel oder in Reihe geschaltet werden.