DE102007014768B4

DE102007014768B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Dämmelementen

Info

Publication number: DE102007014768B4
Application number: DE102007014768.8A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Wirth Jürgen; Dipl.-Ing. Dreher Dietmar; Dipl.-Ing. Knapp Ulrich
Original assignee: Hennecke GmbH
Current assignee: Hennecke GmbH
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2016-09-01
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: WO2008116575A1; DE102007014768A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Dämmelementen (2) enthaltend eine Schicht aus Polyurethan- oder Polyisocyanurat-Schaum, bei dem a) ein halogenfreies Treibmittel in mindestens einem Vormischer (49A, 49B, 49C, 69) in eine erste Reaktivkomponente A, enthaltend zumindest ein Polyether- oder Polyesterpolyol, eingemischt wird und/oder in eine zweite Reaktivkomponente B, enthaltend mindestens ein Isocyanat, eingemischt wird, und b) anschließend die erste Reaktivkomponente A mit der zweiten Reaktivkomponente B in mindestens einem Mischkopf (31, 32, 33, 62) vermischt wird, wobei eine Reaktivmischung erhalten wird, und c) die Reaktivmischung aus Schritt b) aus dem mindestens einen Mischkopf (31, 32, 33, 62) ausgetragen und auf ein Substrat aufgetragen wird, auf dem sie ausreagiert und aushärtet, dadurch gekennzeichnet, dass d) die Einmischung des halogenfreien Treibmittels in die erste Reaktivkomponente A und/oder in die zweite Reaktivkomponente B in Schritt a) so erfolgt, dass die Reaktivkomponente und das halogenfreie Treibmittel in den Vormischer (49A, 49B, 49C, 69) eingetragen werden, und die Reaktivkomponente und das halogenfreie Treibmittel in dem Vormischer (49A, 49B, 49C, 69) vermischt und als Gemischstrom ausgetragen werden, und aus dem Gemischstrom aus Reaktivkomponente und halogenfreiem Treibmittel ein Teilstrom abgetrennt und mit einer Homogenisierpumpe (45, 75) in den Vormischer (49A, 49B, 49C, 69) zurückgefördert wird, und der restliche Teilstrom mit mindestens einer Dosierpumpe (35, 36, 37, 63, 64) mit dem Dosierstrom V. D zu dem mindestens einen Mischkopf (31, 32, 33, 62) gefördert wird, wobei der Förderstrom V. H der Homogenisierungspumpe (45, 75) in Abhängigkeit von dem Dosierstroms V. D der mindestens einen Dosierpumpe (35, 36, 37, 63, 64) eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Dämmelementen aus Polyurethan-(PUR-) oder Polyisocyanurat-(PIR-)Schaum, bei dem das Treibmittel in einem Umwälzkreislauf in mindestens eine der beiden Reaktivkomponenten eingemischt wird.
Die Herstellung von Dämmelementen zur Wärmeisolierung aus PUR- oder PIR-Schaum erfolgt im allgemeinen in einem kontinuierlichen Prozess. Dabei werden die Dämmelemente endlos auf so genannten Contimaten in Dicken von in der Regel ca. 20 bis 200 mm hergestellt. Dicken von unter 20 mm oder über 200 mm sind aber ebenfalls möglich. Ein solcher Contimat besteht dabei üblicherweise aus einem umlaufenden Oberband zur Führung der oberen Deckschicht, einem umlaufenden Unterband zur Führung der unteren Deckschicht, einer Zuführeinrichtung für die obere Deckschicht, einer Zuführeinrichtung für die untere Deckschicht, einer Formstrecke, innerhalb derer das Reaktionsgemisch zwischen der oberen Deckschicht und der unteren Deckschicht aufschäumt und ausreagiert, einer Ablängeinrichtung für die herzustellenden Dämmelemente sowie einer Dosierstation mit einem Mischkopf zum Auftragen der Reaktivmischung auf die untere Deckschicht. Ein Contimat nach dem Stand der Technik ist in 1 dargestellt.
Die Reaktivmischung entsteht durch Vermischen einer A-Reaktivkomponente mit einer B-Reaktivkomponente, wobei die A-Reaktivkomponente zumindest ein Polyether- oder ein Polyesterpolyol oder Mischungen von Polyether- und Polyester-Polyolen und die B-Reaktivkomponente zumindest ein Isocyanat oder Isocyanatabmischungen beinhaltet. Des Weiteren sind in die A-Reaktivkomponente oder in die B-Reaktivkomponente oder anteilig sowohl in die A- als auch in die B-Reaktivkomponente noch ein halogenfreies Treibmittel, z. B. Pentan, sowie PUR- oder PIR-Schaum spezifische Additive eingemischt.
Um bei Dämmelementen aus PUR-Schaum mit flexiblen Deckschichten die Brandklasse B2 zu erreichen, ist eine relativ große Menge an Flammschutzmitteln erforderlich. Diese verzögern jedoch die Aushärtezeit, so dass der Contimat nur mit relativ geringer Transportgeschwindigkeit betrieben werden kann, was die Produktionskosten erheblich belastet. Eine Alternative wäre ein Contimat mit längerer Formstrecke, was wiederum die Investitionskosten drastisch erhöhen würde.
Damit Dämmelemente aus PIR-Schaum mit flexiblen Deckschichten die Brandklasse B2 erreichen, muss je nach Kennzahl kein bzw. nur sehr wenig Flammschutzmittel zugegeben werden, da sich bei Hitzeeinwirkung bei PIR-Schaum eine schützende Kohleschicht bildet.
Des Weiteren zerfallen PIR-Verbindungen erst bei höheren Temperaturen als PUR-Verbindungen. PIR-Schäume härten wesentlich schneller aus als PUR-Schäume, was deutlich höhere Produktionsgeschwindigkeiten ermöglicht. Andererseits sind sie spröder als PUR-Schäume, so dass eine hochgenaue Temperierung von mindestens 60°C sowohl des Ober- als auch des Unterbandes des Contimaten erforderlich ist, damit der Schaum optimal an beiden Deckschichten haftet.
PIR-Systeme sind höchst reaktiv. Das hat zur Folge, dass ein Traversieren des Mischkopfes, um das Gemisch aufzutragen, nicht möglich ist, da die einzelnen Bahnen nicht mehr zusammenfließen. Um dennoch das Reaktivgemisch gleichmäßig über der gesamten Bandbreite aufzutragen, besteht die Möglichkeit, entweder mehrere stationäre Mischköpfe parallel anzuordnen (siehe auch 2) oder einem stationären Mischkopf ein so genanntes „Geweih” als Auslaufsystem oder ein spezielles Verteilorgan (siehe 3) nachzuschalten. Auch Kombinationen dieser Grundvarianten sind möglich.
PIR-Schäume sind extrem temperaturkritisch. Das erfordert eine exakte Temperaturführung für die Reaktivkomponenten. Um einen optimalen Prozessablauf zu erreichen, sollten deshalb durch Verfahrensorgane eingetragene Wärmemengen möglichst hinter der Wärmeeintragsstelle direkt wieder abgeführt werden. Das heißt auch, dass Verfahrensorgane, die weniger Wärme in die Reaktivkomponenten einbringen als andere, die ansonsten die gleiche Funktion erfüllen, die geeigneteren sind.
Bei PUR-Systemen werden in der Regel Polyether-Polyole und bei PIR-Systemen hochviskose Polyester-Polyole verwendet, deren Viskosität bis zu 10.000 mPas betragen kann.
Die für den Schäumprozess erforderlichen Mengen an Treibmittel betragen, bezogen auf die Polyolkomponente, beispielsweise ca. 16 bis 25 Gewichtsteile an Pentan, die jedoch nur zu einem geringen Anteil, nämlich nur ca. 3 bis 5 Gewichtsteile in Lösung gehen. Der überwiegende Anteil muss als Emulsion verarbeitet werden.
Das führt bei den nach dem Stand der Technik verwendeten Anlagen immer wieder zu Problemen, da die Polyol-Pentan- bzw. die Isocyanat-Pentan-Emulsionen nicht genügend stabil sind und in Produktionspausen und vor allem nach Schichtende in ihre Bestandteile zerfallen.
Ein weiteres gravierendes Problem besteht darin, dass das Mischungsverhältnis zwischen dem Polyol bzw. dem Isocyanat und den Additiven extrem ungünstig ist. Das heißt, die Additivmengen sind sehr klein gegenüber den Polyol- bzw. Isocyanatmengen. Das führt in einem Online-Prozess, wie er ja Stand der Technik ist, prinzipiell zu Mischproblemen. Deshalb sind bisher unverhältnismäßig große bzw. aufwendige Mischer bzw. Mischsysteme erforderlich. Diese Problemstellung gilt für PUR- und PIR-Systeme gleichermaßen.
In der Regel sind die Dosierströme der Additive auf Grund der kleinen Förderströme und der verwendeten Ein- oder Zweizylinderpumpen pulsierend. Das führt ebenfalls zu Inhomogenitäten in der Mischung. Um kontinuierliche, und vor allem auch exakte Förderströme bei den Additiven zu erhalten, müssten relativ teure Mehrzylinderpumpen eingesetzt werden. Auch diese Problemstellung gilt sowohl für PUR- als auch für PIR-Systeme.
Des Weiteren ist bei der Herstellung von Dämmelementen zu berücksichtigen, dass die Dicke der Dämmelemente sehr unterschiedlich sein kann. Sie kann 20 mm aber auch 200 mm betragen. Das hat zur Folge, dass auch die Gemischaustragsmengen in einer dazu korrespondierenden Bandbreite veränderbar sind.
Ein weiteres Produktionskriterium für Dämmelemente sind Rezepturumstellungen. Das heißt, dass eine Änderung, z. B. von Additiven, während der laufenden Produktion möglich sein muss.
Die DE 42 35 970 C1 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung eines Schaumstoff bildenden Reaktionsgemisches aus zwei Reaktionskomponenten und einem Treibmittel. Vorgesehen ist hier, dass einem Zwischenbehälter eine Kreislaufleitung zugeordnet ist, wobei in dieser eine konstant arbeitende Umwälzpumpe und ein mit einer Temperatur-Kompensation versehenes Viskosimeter angeordnet ist. Die EP 0 368 270 A1 beschreibt ein Verfahren zum Zumischen fließfähiger Zusätze zu Polyol, bei dem aus dem Polyol und fließfähigen Zusätzen in einem Mischvorgang aufbereitetes Polyol für einen Tagesbehälter einer Verarbeitungsmaschine erzeugt und zugeführt wird. Eine weitere Lösung zeigt die US 5 444 100 A , bei der Polyol mit einem Schaumbildner zur Herstellung geschäumten Polyurethans vermischt wird.
Es bestand also die Aufgabe, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zu finden, das folgenden Kriterien erfüllt:

– einwandfreie Emulgierung des Treibmittels, beispielsweise Pentan, in das Polyol bzw. in das Isocyanat zur Erzeugung einer homogenen und vor allem stabilen Polyol-Pentan- bzw. Isocyanat-Pentan-Emulsion,
– einwandfreie, d. h. homogene Einmischung der Additive in die Polyol-Treibmittel- bzw. Isocyanat-Treibmittel-Emulsion, und zwar für die gesamte Produktpalette an diversen Additiven,
– minimierter Wärmeeintrag in den Prozess durch die verwendeten Verfahrensorgane,
– minimale Produktionsverluste bei Umstellung von Produktionsparametern,
– reproduzierbare Qualität, d. h. auch nach Umstellungen unveränderte gleichmäßige Zelle in Größe und Form.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dämmelementen enthaltend eine Schicht aus Polyurethan- oder Polyisocyanurat-Schaum, bei dem

a) ein halogenfreies Treibmittel in mindestens einem Vormischer in eine erste Reaktivkomponente A, enthaltend zumindest ein Polyether- oder Polyesterpolyol, eingemischt wird und/oder in eine zweite Reaktivkomponente B, enthaltend mindestens ein Isocyanat, eingemischt wird, und
b) anschließend die erste Reaktivkomponente A mit der zweiten Reaktivkomponente B in mindestens einem Mischkopf vermischt wird, wobei eine Reaktivmischung erhalten wird, und
c) die Reaktivmischung aus Schritt b) aus dem mindestens einen Mischkopf ausgetragen und auf ein Substrat aufgetragen wird, auf dem es ausreagiert und aushärtet,

d) die Einmischung des halogenfreien Treibmittels in die erste Reaktivkomponente A und/oder in die zweite Reaktivkomponente B in Schritt a) so erfolgt, dass

_D

_H

_D

Geeignete halogenfreie Treibmittel sind z. B. n-Pentan, iso-Pentan und cyclo-Pentan sowie Mischungen aus diesen.
Die 2 und 3 zeigen beispielhaft die Lösung für die beschriebene Aufgabenstellung. Mit dem beschriebenen Verfahren werden alle Kriterien für einen optimierten Prozess zur Herstellung von Dämmelementen für die Wärmeisolierung erfüllt.
Durch das wiederholte Umwälzen des Gemischs aus dem Treibmittel, vorzugsweise Pentan, Polyol oder Isocyanat und ggf. weiteren Stoffen wie beispielsweise Additiven und durch die jeweilige Homogenisierungspumpe über den korrespondierenden Vormischer bzw. das korrespondierende Mischsystem, erfolgt eine einwandfreie, d. h. völlig homogene Einmischung des Pentans und der Additive in das Polyol bzw. in das Isocyanat. Die dabei entstehende Emulsion ist auch stabil, weil Tröpfchengrößen von ca. 2 bis 80 μm, bevorzugt von ca. 3 bis 50 μm, besonders bevorzugt von ca. 4 bis 20 μm auf diese Weise erreichbar sind.
Das Neue an diesem Verfahren ist, dass der Förderstrom V ._H der jeweiligen Homogenisierungspumpe in Abhängigkeit vom Dosierstrom V ._D der mindestens einen korrespondierenden Dosierpumpe verstellbar ist. Der maximale Förderstrom V ._Hmax der jeweiligen Homogenisierungspumpe muss nämlich ausgelegt werden für den maximalen Dosierstrom V ._Dmax des korrespondierenden Dosiersystems. Da die Dosierströme der Dosiersysteme bei einer Bandbreite der Dämmelementedicke von 20 mm bis 200 mm um den Faktor 10 variiert werden, würde dann bei minimalen Dosierströmen die Anzahl der Umwälzungen um den Faktor 10 ansteigen, wenn die jeweilige Homogenisierungspumpe eine Konstantpumpe wäre. Das würde die Emulsion aus dem Treibmittel, vorzugsweise Pentan, und Polyol bzw. Isocyanat und ggf. Additiven enorm aufheizen. Die dabei anfallende Wärmeenergie müsste dann wieder abgeführt werden. Außerdem könnten dadurch gasförmige Treibmittelanteile entstehen, welche dann aufgrund des hohen Volumenanteils des gasförmigen Treibmittels noch wesentlich schwieriger zu emulgieren wären.
Der wesentliche Schritt dieser Erfindung liegt also darin, dass der Förderstrom V ._H der jeweiligen Homogenisierungspumpe an den Dosierstrom V ._D des korrespondierenden Dosiersystems angepasst wird. Auf diese Weise ist eine für den Prozess optimale Betriebsweise möglich:

– so viel Umwälzungen wie nötig, um eine einwandfreie Emulgierung zu erreichen,
– so wenig Umwälzungen wie möglich, um einen unnötigen Wärmeeintrag in das System zu vermeiden.

Der optimale Betriebspunkt, d. h. die optimale Anzahl an Umwälzungen, muss jeweils empirisch ermittelt werden. Er ist erkennbar an einer gleichmäßigen, feinen Zellstruktur des PUR- oder PIR-Schaums. Angestrebt werden Zellen von ca. 0,1 mm Durchmesser, weil die Isolierwirkung umso größer ist, je kleiner die Zelle ist.
Bei Minimierung des Flüssigkeitsvolumens im jeweiligen Homogenisierungskreislauf ist auch bei Umstellungen von Produktionsparametern eine Minimierung von Produktionsverlusten möglich.
Des Weiteren ist auch bei Produktionsumstellungen eine reproduzierbare Qualität, d. h. eine gleichbleibende Zelle in Größe und Form gewährleistet. Das ist erreichbar durch Anpassung der Anzahl an Umwälzungen.
Dieses neue Verfahren ist flexibel anwendbar. So kann das halogenfreie Treibmittel, z. B. Pentan, und die Additive wahlweise entweder in die Polyol- oder in die Isocyanatkomponente eingemischt werden. Besonders effizient ist es, wenn die Einmischung von halogenfreiem Treibmittel und Additiven anteilig sowohl in die Polyol- als auch in die Isocyanatkomponente erfolgt. Dadurch ist es möglich, auch höhere Treibmittelmengen an Pentan als 16 Gewichtsteile, nämlich bis zu 25 Gewichtsteile und auch darüber hinaus, jeweils bezogen auf die Polyolkomponente, in das gesamte Rohstoffsystem einzumischen. Auf diese Weise gelingt es, extrem niedrige Rohdichten bis zu 30 kg/m³ in den Dämmelementen zu erzielen, was einerseits eine besonders gute Isolierwirkung bewirkt, andererseits aber auch die Rohstoffkosten für Polyol und Isocyanat absenkt.
Es hat sich gezeigt, dass das neue Verfahren allen Betriebserfordernissen gerecht wird, wenn die Reaktivkomponente A bzw. B im jeweiligen Homogenisierungskreislauf ein- bis zwanzigmal, bevorzugt zwei- bis zehnmal, besonders bevorzugt zwei- bis fünfmal umgewälzt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung dieses neuen Verfahrens wird der Förderstrom V ._H der jeweiligen Homogenisierungspumpe mittels einer Steuereinheit in Abhängigkeit vom korrespondierenden Dosierstrom V ._D verstellt. Dabei kann die Steuerung einer Funktion genügen, die linear proportional ist: V ._H = A·V ._D
Sie kann aber auch einer exponentiellen Funktion entsprechen:
Bei einer exponentiellen Funktion kann man nämlich das System z. B. an Mischer spezifische Gegebenheiten anpassen, denn wenn ein Mischer für eine maximale Menge ausgelegt ist, so hat er bei niedrigeren Mengen einen schlechteren Wirkungsgrad, so dass die Anzahl an Durchlaufen überproportional erhöht werden muss.
Der Faktor A kann gewählt werden in der Größenordnung von 1 bis 20. Bevorzugt liegt er in einem Bereich zwischen 1,5 und 10 und besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 2 und 5.
Der Exponent B kann sein: 0,5 < B < 1,5.
Überraschenderweise hat sich weiterhin gezeigt, dass die Qualität des Isolierschaums, das heißt die Gleichmäßigkeit und Feinheit der Zellstruktur, mit der Temperatur der aus dem jeweiligen Homogenisierungskreislauf abströmenden Emulsion im Zusammenwirken mit der Verstellung des Förderstroms V ._H in Abhängigkeit vom korrespondierenden Dosierstrom V ._D korreliert.
Das liefert die Möglichkeit, der Steuerung des Förderstroms V ._H der jeweiligen Homogenisierungspumpe in Abhängigkeit vom korrespondierendem Dosierstrom V ._D eine Regelung nachzuschalten, bei welcher die Temperatur der aus dem Homogenisierungskreislauf abfließenden Emulsion als Regelgröße verwendet wird.
Eine solche Variante ist in 3 dargestellt. Die Höhe dieser Temperatur als Regelgröße ist in erster Linie vom Rohstoffsystem abhängig und muss daher im Einzelfall empirisch ermittelt werden.
Dabei sind der Steuerungsvorgang und der Regelungsvorgang voneinander völlig getrennt und nie gleichzeitig.
Zunächst erfolgt die Verstellung des Förderstroms V ._H der jeweiligen Homogenisierungspumpe durch die Steuerung in Abhängigkeit vom korrespondierenden Dosierstrom V ._D. Anschließend wird die Steuerung weggeschaltet und die Regelung von V ._H in Abgängigkeit von ϑ übernimmt. Desgleichen wird die Regelung ausgeschaltet, wenn wieder ein Steuerungsvorgang erfolgt.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Herstellung von Dämmelementen zur Wärmeisolierung enthaltend eine Schicht aus Polyurethan- oder Polyisocyanurat-Schaum, enthaltend:

a) Behälter für die Vorhaltung der Reaktivkomponenten A und B,
b) mindestens einen Mischkopf zur Vermischung der Reaktivkomponenten A und B, und zum Austrag des Reaktivgemisches auf ein Substrat,
c) mindestens eine Dosierpumpe für die Dosierung der Reaktivkomponente A zum Mischkopf,
d) mindestens eine Dosierpumpe für die Dosierung der Reaktivkomponente B zum Mischkopf,
e) Verbindungsleitungen von den Behältern zu den Dosierpumpen sowie von den Dosierpumpen zum Mischkopf,

f) mindestens einen Vormischer zur Vermischung der Reaktivkomponente A oder der Reaktivkomponente B mit einem halogenfreien Treibmittel,
g) einen dem Vormischer vorgeordneten Kreislauf umfassend Ladepumpe für die Förderung der Reaktivkomponente A oder der Reaktivkomponente B im Kreislauf und zur Druckerzeugung sowie ein Vorspannventil, durch das ein Teilstrom der durch die Ladepumpe im Kreislauf geförderten Reaktivkomponente A oder Reaktivkomponente B ausgeschleust wird,
h) eine Verbindungsleitung zwischen dem Vormischer und dem Kreislauf umfassend Ladepumpe und Vorspannventil, und
i) eine Rückführleitung vom Ausgang aus dem Vormischer zurück zum Eingang in den Vormischer enthaltend eine verstellbare Homogenisierungspumpe, und
j) eine Steuereinheit mit Impulsleitungen von dem mindestens einen korrespondierenden Dosierpumpe zu der Steuereinheit sowie von der Steuereinheit zu der verstellbaren Homogenisierungspumpe.

Neu bei dieser Vorrichtung ist, dass parallel zum jeweiligen Vormischer bzw. Mischsystem für das halogenfreie Treibmittel sowie ggf. für die Additive und die korrespondierende Polyol- oder Isocyanatkomponente ein Homogenisierungskreislauf mit einer verstellbaren Homogenisierungspumpe angeordnet ist und das dieser verstellbaren Homogenisierungspumpe jeweils eine Steuereinheit mit Impulsleitungen von dem mindestens einen korrespondierenden Dosieraggregat (Dosierpumpe) zu der Steuereinheit sowie von der Steuereinheit zu der verstellbaren Homogenisierungspumpe zugeordnet ist.
In der weiteren Ausgestaltung dieser neuen Vorrichtung ist die jeweilige Steuereinheit mit einer Regeleinheit kombiniert und dem jeweiligen Homogenisierungskreislauf ist eine Temperaturmessstelle ϑ nachgeordnet, von der jeweils eine Impulsleitung zum Regelteil der kombinierten Steuer-Regel-Einheit führt.
Auf diese Weise ist es möglich, zunächst den Förderstrom V ._H der jeweiligen Homogenisierungspumpe in Abhängigkeit vom korrespondierenden Dosierstrom V ._D zu steuern und anschließend, nach Wegschalten der Steuerung, den Förderstrom V ._H in Abhängigkeit von ϑ zu regeln.
Mit dem Konzept, Wärmetauscher überall dort anzuordnen, wo unmittelbar vorher in das System ein Wärmeeintrag erfolgt ist, also hinter Pumpen oder auch Mischorganen, ist es möglich, die erforderliche Verarbeitungstemperatur für die Reaktivkomponenten von 20 bis 22°C exakt und vor allem auch für die Rohstoffe stressminimiert einzustellen.
In einer weiteren Ausgestaltung dieser neuen Vorrichtung sind den Reaktivkomponenten auch Begasungseinrichtungen zugeordnet, durch welche in der Regel Stickstoff eindispergiert wird. Das begünstigt die Vermischung der Reaktivkomponente A mit der Reaktivkomponente B.
Als Einmischorgan für das halogenfreie Treibmittel, z. B. Pentan, sowie für die Additive in die Polyol- bzw. Isocyanatkomponente können Statikmischer, Rührermischer, Rotor-Stator-Mischer oder auch Kombinationen solcher Mischer verwendet werden.
Bei Verwendung von Statikmischern ist es auch möglich, diese zwei- oder mehrstufig auszuführen, wobei dann in der Primärstufe Strömungsgeschwindigkeiten von ca. 0,5 bis ca. 5 m/s und in der mindestens einen folgenden Stufe Strömungsgeschwindigkeiten von 5 bis 50 m/s, bevorzugt von 5 bis 40 m/s, besonders bevorzugt von 5 bis 30 m/s erzeugt werden.
Auf diese Weise ist eine besonders gute Emulgierung des Treibmittels, vorzugsweise Pentan und ggf. der Additive in das Polyol- bzw. in das Isocyanat möglich. Denn in der ersten Stufe erfolgt die gleichmäßige Vorverteilung der einzumischenden bzw. zu emulgierenden Komponenten, indem durch Scherenergie das Pentan in Tropfen zerteilt wird. In der mindestens einen folgenden Stufe werden dann diese Tropfen aus Pentan und Additiven soweit gelängt, dass sie dadurch in Mikro-Tröpfchen von 2 bis 80 μm, bevorzugt von 3 bis 50 μm, besonders bevorzugt von 4 bis 20 μm zerfallen, so dass dann eine völlig homogene und vor allem auch stabile Emulsion entsteht.
Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Dämmelemente zur Wärmeisolierung.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
1 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung von Dämmplatten nach dem Stand der Technik.
2 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Dämmplatten, bei welcher das halogenfreie Treibmittel Pentan und die Additive in die Polyolkomponente eingemischt werden und der Förderstrom der Homogenisierungspumpe mittels einer Steuereinheit verstellt wird.
3 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei welcher das halogenfreie Treibmittel Pentan und die Additive ebenfalls in die Polyolkomponente eingemischt werden und der Förderstrom der Homogenisierungspumpe auch geregelt wird.
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zur Herstellung von Dämmelementen 2 für die Wärmeisolierung nach dem Stand der Technik. Dabei werden eine untere Deckschicht 3 und eine obere Deckschicht 4 kontinuierlich durch entsprechende Zuführeinrichtungen 5, 6 in den in Längsrichtung ausgedehnten Spalt zwischen dem umlaufenden Oberband 8 und dem umlaufenden Unterband 7 eines so genannten Contimaten 1 gefördert.
Die Reaktivkomponente A (Polyol) und die Reaktivkomponente B (Isocyanat) werden über zugehörige Saug- und Druckleitungen durch die Dosierpumpen 9, 10 zum Mischkopf 11 gefördert, dort vermischt und das dabei entstehende PIR-Reaktionsgemisch auf die untere Deckschicht 3 aufgebracht. Das auf die untere Deckschicht 3 aufgetragene PIR-Reaktionsgemisch beginnt zu schäumen und wird durch die Längsbewegung der unteren Deckschicht 3 in die Formstrecke transportiert, die von dem umlaufenden Oberband 8 und dem umlaufenden Unterband 7 gebildet wird.
In der Formstrecke schäumt das PIR-Reaktionsgemisch zwischen der oberen Deckschicht 4 und der unteren Deckschicht 3 auf und reagiert aus, so dass nach Durchlaufen der Formstrecke eine endlose Dämmplatte entsteht, von der mittels der Ablängvorrichtung 12 einzelne Dämmelemente 2 abgetrennt werden.
Während die Reaktivkomponente B nur Isocyanat enthält, welches vom zugehörigen Tank 13 zu einer Dosierpumpe 10 gelangt, enthält die Reaktivkomponente A Polyesterpolyol, Pentan sowie für PIR-Schäume spezifische Additive. Pentan und Additive werden von zugehörigen Behältern (im Schema nicht dargestellt) über zugeordnete Dosieraggregate 14, 15a, 15b, 15c und Leitungen zum gerührten Vormischer 16 gefördert und dort in das Polyesterpolyol eingemischt.
Die exakte Dosierung des Polyesterpolyols erfolgt durch die Dosierpumpe 9 für das Reaktivgemisch A, welche die Gesamtmenge aus Polyesterpolyol, Pentan und Additiven dosiert.
Um die saugseitige Versorgung der Dosierpumpe 9 für die Reaktivkomponente A sicherzustellen, rezirkuliert das Polyesterpolyol mittels der Ladepumpe 17 vom zugehörigen Tank 18 über das Vorspannventil 19, durch welches der für die Dosierpumpe 9 erforderliche Vordruck aufgebaut wird. Dabei muss der Förderstrom der Ladepumpe 17 größer sein als der von der Dosierpumpe 9 abgenommene Anteil an Polyesterpolyol und der durch das Vorspannventil 19 aufgebaute Druck muss höher sein als die Summe aller Druckverluste, die sich auf der gesamten Saugstrecke zwischen dem Rezirkulationskreislauf der Ladepumpe 17 und der Saugseite der Dosierpumpe 9 ergeben.
Durch die Einmischung von Pentan und den Additiven in das Polyesterpolyol durch den gerührten Vormischer 16 entsteht das Reaktivgemisch A, in welches noch mittels der Gasbeladungsvorrichtung 20 Stickstoff eindispergiert wird. Danach wird das begaste Reaktivgemisch A durch den Wärmetauscher auf die erforderliche Betriebstemperatur von ca. 18°C bis 20°C gebracht, bevor die Dosierung durch die Dosierpumpe 9 und die Vermischung mit der Reaktivkomponente B im Mischkopf 11 erfolgt.
2 zeigt schematisch eine spezielle Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Auch hierbei werden Dämmelemente für die Wärmeisolierung (im Schema nicht dargestellt) mittels eines Contimaten hergestellt.
Während im Schema 1 der Contimat 1 in der Seitenansicht dargestellt ist, ist im Schema 2 der Contimat 30 mit Blick auf die Vorderseite dargestellt, d. h. die Transportrichtung für die produzierten Dämmelemente ist senkrecht zur Bildebene, und zwar in diese hinein.
2 zeigt weiterhin drei stationäre Mischköpfe 31, 32, 33, welche PIR-Reaktionsgemisch auf die auf dem Unterband 34 aufliegende untere Deckschicht (im Schema nicht dargestellt) auftragen.
Diesen drei Mischköpfen sind je drei Dosierpumpen 35, 36, 37 für das Reaktivgemisch A und je drei Dosierpumpen für die Reaktivkomponente B zugeordnet. Des Weiteren ist in den Druckleitungen dieser Dosierpumpen 35, 36, 37 zum zugehörigen Mischkopf 31, 32, 33 hin je ein Wärmetauscher angeordnet, um die erforderliche PIR-Prozesstemperatur von ca. 20°C bis 22°C einzustellen.
Die Dosierpumpen 35, 36, 37 der Reaktivkomponente B (Isocyanat) werden vom zugehörigen Tank 38 über korrespondierende Saugleitungen versorgt.
Das Reaktivgemisch A besteht auch in diesem Beispiel aus Polyesterpolyol, Pentan sowie PIR-Schaum spezifischen Additiven, wobei Pentan und Additive von zugehörigen Behältern und Dosieraggregaten (im Schema nicht dargestellt) über einen Eindüsungsblock 39 zu einem speziellen Statikmischer-System enthaltend Statikmischer 49A, 49B und 49C gefördert und dort in das Polyesterpolyol eingemischt werden.
Auch in diesem Beispiel erfolgt die exakte Dosierung des Polyesterpolyols über die zugehörigen Dosierpumpen 35, 36, 37 für das Reaktivgemisch A, wobei wiederum ein zugehöriger Tank 40 sowie eine Ladepumpe 41 und ein Vorspannventil 42 die notwendige Versorgung an Durchsatzmenge und an Vordruck mit Reaktivkomponente A sicherstellen.
In die saugseitige Leitung zwischen Rezirkulationskreislauf der Ladepumpe 41 und Saugseite der Dosierpumpen 35, 36, 37 sind wiederum eine Gasbeladungseinrichtung 43 für die Eindispergierung von Stickstoff und ein Wärmetauscher 44 angeordnet.
Das Neue in dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht nun darin, dass parallel zur Einmischstrecke, d. h. in diesem Beispiel dem Statikmischer-System, für das Pentan und die Additive ein Homogenisierungskreislauf mit einer verstellbaren Homogenisierungspumpe 45 angeordnet ist und dieser verstellbaren Homogenisierungspumpe 45 eine Steuereinheit 46 zugeordnet ist, zu welcher Impulsleitungen von den verstellbaren Dosierpumpen 35, 36, 37 des Reaktivgemisches A sowie eine Impulsleitung zu der verstellbaren Homogenisierungspumpe 45 führen. Auf diese Weise ist es möglich, den Förderstrom V ._H der Homogenisierungspumpe 45 in Abhängigkeit von der von den Dosierpumpen 35, 36, 37 abgenommenen Dosierstrom V ._D zu verstellen. Damit ist eine optimale Prozessführung möglich: Das Reaktivgemisch A wird nur so oft im Homogenisierungskreislauf über das Statikmischersystem umgewälzt wie es nötig ist, um eine einwandfreie, d. h. homogene und stabile Polyester-Pentan-Additive-Emulsion herzustellen. Andernfalls würde nämlich bei niedrigen von den Dosierpumpen 35, 36, 37 abgenommenen Fördermengen das Reaktivgemisch A viel zu häufig umgewälzt und dadurch unnötig viel an Pumpenergie verschwendet und zusätzlich noch zuviel Wärmeenergie in das System eingebracht, welche anschließend kostenträchtig wieder abgeführt werden müsste.
In dieser speziellen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung führen weitere Impulsleitungen von der Steuereinheit 46 zu den Ventilen 47 und 48.
Arbeiten die Dosierpumpen 35, 36, 37 im oberen Bereich, d. h. V ._D beträgt ca. 70% bis 100% der Maxmenge, so werden Ventil 47 und Ventil 48 aufgesteuert und der korrespondierende maximale Förderstrom V ._H der Homogenisierungspumpe 45 fließt im Wesentlichen über den großen Statikmischer, d. h. über Statikmischer 49A.
Arbeiten die Dosierpumpen 35, 36, 37 im mittleren Bereich, d. h. V ._D beträgt ca. 35% bis 70% der Maxmenge, so wird Ventil 47, wie im Beispiel dargestellt, zugesteuert, während Ventil 48 offen bleibt.
Nun fließt der korrespondierende, d. h. der mittlere Förderstrom V ._H der Homogenisierungspumpe 45 zunächst über den großen Statikmischer, d. h. über Statikmischer 49A, und anschließend im Wesentlichen über den mittleren Statikmischer, d. h. über Statikmischer 49B.
Arbeiten die Dosierpumpen 35, 36, 37 im unteren Bereich, d. h. V ._D beträgt ca. 10% bis 35% der maximalen Menge, so werden Ventil 47 und Ventil 48 zugesteuert.
Nun fließt der korrespondierende, minimale Förderstrom V ._H der Homogenisierungspumpe 45 über alle nun in Reihe geschaltete Statikmischer 49A, 49B, 49C.
Diese spezielle Anordnung der Statikmischer hat den Vorteil, dass nicht nur über dem gesamten Mengenbereich eine optimale Vermischung sichergestellt ist, sondern, dass stets alle drei Statikmischer durchspült werden und sich keinerlei Nester mit zu altem Material bilden, was ja der Fall wäre, wenn die drei Statikmischer und die zugehörigen Ventile nur einfach parallel angeordnet wären.
3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Auch in diesem Beispiel werden Dämmelemente für die Wärmeisolierung (im Schema nicht dargestellt) mittels eines Contimaten 60 hergestellt.
Während in dem in 2 dargestellten Beispiel die Verteilung des PIR-Reaktivgemisches über der gesamten Bandbreite mittels drei stationärer Mischköpfe erfolgt, wird in dem in 3 dargestellten Beispiel die Gemischverteilung über der gesamten Bandbreite mittels eines speziellen Verteilorgans 61 erreicht, welches einem einzigen Mischkopf 62 nachgeschaltet ist, so dass in diesem Ausführungsbeispiel für die beiden Reaktivkomponenten auch nur je eine Dosierpumpe 63, 64 und je ein in der zugehörigen Druckleitung angeordneter Wärmetauscher 65, 66 erforderlich sind.
Die Dosierpumpe 64 der Reaktivkomponente B (Isocyanat) wird vom Tank 67 über die Saugleitung versorgt.
Das Reaktivgemisch A besteht auch in dieser Ausführungsvarianten aus Polyesterpolyol, Pentan sowie PIR-Schaum spezifischen Additiven, wobei Pentan und Additive von zugehörigen Behältern und Dosieraggregaten (im Schema nicht dargestellt) über einen Eindüsungsblock 68 zu einem gerührten Vormischer 69 gefördert und dort eingemischt werden.
Auch in diesem Beispiel erfolgt die exakte Dosierung des Polyesterpolyols über die Dosierpumpe 63 für das Reaktivgemisch A, wobei wiederum ein zugehöriger Tank 70 sowie eine Ladepumpe 71 und ein Vorspannventil 72 die notwendige Versorgung an Durchsatzmenge und an Vordruck sicherstellen.
In die saugseitige Leitung zwischen Rezirkulationskreislauf der Ladepumpe 71 und Saugseite der Dosierpumpe 63 sind wiederum eine Gasbeladungseinrichtung 73 für die Eindispergierung von Stickstoff und ein Wärmetauscher 74 angeordnet. Parallel zur Einmischstrecke, d. h. in diesem Beispiel parallel zum Eindüsungsblock 68 und dem gerührten Vormischer 69 für das Pentan und die Additive in das Polyesterpolyol ist ein Homogenisierungskreislauf mit verstellbarer Homogenisierungspumpe 75 angeordnet.
Das Neue in dieser Ausführungsvariante gegenüber dem in 2 dargestellten Beispiel besteht darin, dass der verstellbaren Homogenisierungspumpe 75 eine Kombination aus einer Steuer- und einer Regeleinheit 76 zugeordnet ist.
Die Steuerungskomponente besteht darin, dass wiederum mittels Impulsleitungen von der Dosierpumpe 63 zu der Steuer-Regel-Einheit 76 und von der Steuer-Regel-Einheit 76 zu der Homogenisierungspumpe 75 der Förderstrom V ._H der Homogenisierungspumpe 75 in Abhängigkeit vom Dosierstrom V ._D der Dosierpumpe 63 verstellt wird.
Der Regelungsanteil besteht nun darin, dass von einer dem Homogenisierungskreislauf nachgeordneten Temperaturmessstelle ϑ eine weitere Impulsleitung zu der kombinierten Steuer-Regel-Einheit 76 führt, so dass der Förderstrom V ._H der Homogenisierungspumpe 75 nicht nur in Abhängigkeit vom Dosierstrom V ._D verstellt wird, sondern quasi als Feinjustierung in Abhängigkeit von ϑ auch geregelt wird. Dabei sind Steuerungsvorgang und der Regelungsvorgang voneinander völlig getrennt und nie gleichzeitig.
Zunächst erfolgt die Verstellung des Förderstroms V ._H der Homogenisierungspumpe 75 durch die Steuerung in Abhängigkeit vom Dosierstrom V ._D. Anschließend wird die Steuerung weggeschaltet und die Regelung von V ._H in Abhängigkeit von ϑ übernimmt. Desgleichen wird die Regelung ausgeschaltet, wenn wieder ein Steuerungsvorgang erfolgt.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Dämmelementen (2) enthaltend eine Schicht aus Polyurethan- oder Polyisocyanurat-Schaum, bei dem a) ein halogenfreies Treibmittel in mindestens einem Vormischer (49A, 49B, 49C, 69) in eine erste Reaktivkomponente A, enthaltend zumindest ein Polyether- oder Polyesterpolyol, eingemischt wird und/oder in eine zweite Reaktivkomponente B, enthaltend mindestens ein Isocyanat, eingemischt wird, und b) anschließend die erste Reaktivkomponente A mit der zweiten Reaktivkomponente B in mindestens einem Mischkopf (31, 32, 33, 62) vermischt wird, wobei eine Reaktivmischung erhalten wird, und c) die Reaktivmischung aus Schritt b) aus dem mindestens einen Mischkopf (31, 32, 33, 62) ausgetragen und auf ein Substrat aufgetragen wird, auf dem sie ausreagiert und aushärtet, dadurch gekennzeichnet, dass d) die Einmischung des halogenfreien Treibmittels in die erste Reaktivkomponente A und/oder in die zweite Reaktivkomponente B in Schritt a) so erfolgt, dass die Reaktivkomponente und das halogenfreie Treibmittel in den Vormischer (49A, 49B, 49C, 69) eingetragen werden, und die Reaktivkomponente und das halogenfreie Treibmittel in dem Vormischer (49A, 49B, 49C, 69) vermischt und als Gemischstrom ausgetragen werden, und aus dem Gemischstrom aus Reaktivkomponente und halogenfreiem Treibmittel ein Teilstrom abgetrennt und mit einer Homogenisierpumpe (45, 75) in den Vormischer (49A, 49B, 49C, 69) zurückgefördert wird, und der restliche Teilstrom mit mindestens einer Dosierpumpe (35, 36, 37, 63, 64) mit dem Dosierstrom V ._D zu dem mindestens einen Mischkopf (31, 32, 33, 62) gefördert wird, wobei der Förderstrom V ._H der Homogenisierungspumpe (45, 75) in Abhängigkeit von dem Dosierstroms V ._D der mindestens einen Dosierpumpe (35, 36, 37, 63, 64) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gemischstrom aus Reaktivkomponente und halogenfreiem Treibmittel durch die Homogenisierpumpe (45, 75) ein- bis zwanzigmal, bevorzugt zwei- bis zehnmal, besonders bevorzugt zwei- bis fünfmal umgewälzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderstrom V ._H der Homogenisierungspumpe (45, 75) mittels einer korrespondierenden Steuereinheit (46, 76) verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerung des Förderstroms V ._H der Homogenisierungspumpe, die in Abhängigkeit von dem Dosierstroms V ._D der mindestens einen Dosierpumpe (35, 36, 37, 63, 64) erfolgt, eine Regelung nachgeschaltet wird, bei welcher die Temperatur der zu dem mindestens einen Mischkopf (31, 32, 33, 62) strömenden Emulsion aus Polyol- oder Isocyanatkomponente und halogenfreiem Treibmittel als Regelgröße verwendet wird.
Vorrichtung zur Herstellung von Dämmelementen (2) zur Wärmeisolierung enthaltend eine Schicht aus Polyurethan- oder Polyisocyanurat-Schaum, enthaltend: a) Behälter (30, 40, 67, 70) für die Vorhaltung der Reaktivkomponenten A und B, b) mindestens einen Mischkopf (31, 32, 33, 62) zur Vermischung der Reaktivkomponenten A und B, und zum Austrag des Reaktivgemisches auf ein Substrat (34), c) mindestens eine Dosierpumpe (35, 36, 37, 63) für die Dosierung der Reaktivkomponente A zum Mischkopf (31, 32, 33, 62), d) mindestens eine Dosierpumpe (64) für die Dosierung der Reaktivkomponente B zum Mischkopf (31, 32, 33, 62), e) Verbindungsleitungen von den Behältern (30, 40, 67, 70) zu den Dosierpumpen (35, 36, 37, 63, 64) sowie von den Dosierpumpen (35, 36, 37, 63, 64) zum Mischkopf (31, 32, 33, 62), dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner enthält f) mindestens einen Vormischer (49A, 49B, 49C, 69) zur Vermischung der Reaktivkomponente A oder der Reaktivkomponente B mit einem halogenfreien Treibmittel, g) einen dem Vormischer (49A, 49B, 49C, 69) vorgeordneten Kreislauf umfassend eine Ladepumpe (41, 71) für die Förderung der Reaktivkomponente A oder der Reaktivkomponente B im Kreislauf und zur Druckerzeugung sowie ein Vorspannventil (42, 72), durch das ein Teilstrom der durch die Ladepumpe (41, 71) im Kreislauf geförderten Reaktivkomponente A oder Reaktivkomponente B ausgeschleust wird, h) eine Verbindungsleitung zwischen dem Vormischer (49A, 49B, 49C, 69) und dem Kreislaufumfassend Ladepumpe (41, 71) und Vorspannventil (42, 72), und i) eine Rückführleitung vom Ausgang aus dem Vormischer (49A, 49B, 49C, 69) zurück zum Eingang in den Vormischer (49A, 49B, 49C, 69) enthaltend eine verstellbare Homogenisierungspumpe (45, 75), und j) eine Steuereinheit (46, 76) mit Impulsleitungen von der mindestens einen korrespondierenden Dosierpumpe (35, 36, 37, 63) zu der Steuereinheit (46, 76) sowie von der Steuereinheit (46, 76) zu der verstellbaren Homogenisierungspumpe (45, 75).
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (46, 76) mit einer Regeleinheit (76) kombiniert ist und dass in der Verbindungsleitung zwischen dem Vormischer (49A, 49B, 49C, 69) und dem Mischkopf (31, 32, 33, 62) eine Temperaturmessstelle (ϑ) angeordnet ist, von der eine Impulsleitung zu dieser Regeleinheit (76) führt.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl saug- als auch druckseitig der Dosierpumpen (35, 36, 37, 63, 64) Wärmetauscher (44, 65, 66, 74) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Saugseite der Dosierpumpen (35, 36, 37, 63, 64) Begasungseinrichtungen angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Vormischer (49A, 49B, 49C, 69) mindestens einen Statikmischer (49A, 49B, 49C) oder einen Rührermischer oder einen Rotor-Stator-Mischer bzw. Kombinationen solcher Mischer enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Statikmischern (49A, 49B, 49C) diese zwei oder mehrstufig ausgeführt sind.