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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffes, welcher zumindest ein aushärtbares Epoxidharz und/oder ein aushärtbares epoxidiertes Pflanzenöl enthält sowie einen Formkörper erhältlich nach diesem Verfahren. Solche Schaumstoffe können als Polstermaterial oder Dämmstoff vielseitig eingesetzt werden.
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Aus der
EP 0 794 857 B1 ist bekannt, zur Herstellung eines Schaumstoffes ein aushärtbares Duroplast mit einem flüssigen Treibmittel zu vermischen, welches bei niedriger Temperatur verdampft. Als Treibmittel werden gemäß dem Stand der Technik chlorierte Kohlenwasserstoffe verwendet. Dieses bekannte Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, dass die verwendeten chlorierten Kohlenwasserstoffe nach ihrer Freisetzung in die Atmosphäre das Klima schädigen können. Weiterhin können Rückstände des Treibmittels im ausgehärteten Schaumstoff keimschädigend oder gentoxisch wirken. Daher kann die Verwendung solcher Schaumstoffe als Baustoff, Verpackungsmaterial oder in der Medizintechnik negative Auswirkungen auf Mensch und Tier haben.
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Aus der
DE 10 2009 018 635 A1 sind duroplastische Schaumstoffe auf Basis nativer Epoxide bekannt. Diese werden aus nativen Epoxiden so hergestellt, dass Carbonsäure-modifizierte Epoxide thermisch oder photochemisch vernetzt und unter Zugabe von Treibmitteln und/oder blähenden Füllstoffen aufgeschäumt werden.
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Die
JP 2005-015725 A offenbart ein Verfahren zur Kontrolle der Wasseraufnahme eines Phenolharzschaumes. Das bekannte Verfahren schlägt vor, ein Phenolharz mit einem sauren Härter zu vermischen und durch Wasserzugabe aufzuschäumen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schäumverfahren und einen danach hergestellten Schaumstoff anzugeben, welcher frei von gentoxischen bzw. bioziden Rückständen ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen Formkörper gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein Formkörper aus einem Kunststoffschaum dadurch hergestellt werden kann, dass ein aushärtbarer Kunststoff, welcher ein Epoxidharz und/oder ein epoxidiertes Pflanzenöl enthält, mit flüssigem Wasser versetzt wird. Vor dem Aushärten des Kunststoffes wird das Wasser zumindest teilweise in den gasförmigen Zustand überführt. Dadurch bilden sich im Kunststoff in an sich bekannter Weise Poren, sodass nach dem Aushärten des Kunststoffes ein Schaumstoff entsteht.
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Der aushärtbare Kunststoff wird in einigen Ausführungsformen der Erfindung so ausgewählt, dass flüssiges Wasser in vorgebbarer Menge darin lösbar ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Mischung aus dem aushärtbaren Kunststoff und Wasser eine Emulsion bilden. Hierzu kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zumindest ein Emulgator eingesetzt werden, welcher die Bildung der Emulsion sicherstellt oder zumindest vereinfacht oder die Zeitdauer der Entmischung verlängert. Als Emulgator wird im Sinne der vorliegenden Erfindung auch ein Tensid bezeichnet.
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In Abhängigkeit der Aushärtetemperatur des verwendeten Kunststoffes wird der Umgebungsdruck so gewählt, dass das als Treibmittel verwendete Wasser vom flüssigen in den gasförmigen Zustand überführt wird. Die hierfür benötigte Wärme kann der Mischung aus Kunststoff und Wasser entweder aus einer externen Wärmequelle zugeführt werden und/oder der Reaktionswärme des aushärtenden Kunststoffes entnommen werden. Da die Gasbildung durch Verdampfung des in der Mischung enthaltenen Wassers und damit rein physikalisch erfolgt, verbleiben im Schaumstoff keinerlei toxische Rückstände.
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Ein aushärtbarer Kunststoff im Sinne der vorliegenden Erfindung kann in einigen Ausführungsformen ein Duroplast sein. In einigen Ausführungsformen kann der aushärtbare Kunststoff ein Kunstharz sein, welches durch die Zugabe eines Härters verfestigt.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird das Duroplast so ausgewählt, dass dieses bei einer Temperatur zwischen 20°C und 120°C aushärtet. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Duroplast so ausgewählt sein, dass dieses zwischen 40°C und 80°C aushärtet. In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Duroplast so ausgewählt sein, dass dieses zwischen 20°C und 60°C aushärtet. Auf diese Weise kann das Duroplast bei einem Umgebungsdruck von etwa 20 mbar bis etwa 1,5 bar aufgeschäumt werden. Ein solcher Umgebungsdruck ist mit geringem technischem Aufwand zugänglich, was die Herstellung des vorgeschlagenen Schaumstoffes vereinfacht.
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In die genannten Materialien kann Wasser in der zur Aufschäumung benötigten Menge emulgiert und/oder dispergiert und/oder gelöst werden. Weiterhin können diese Materialien bei einer Temperatur ausgehärtet werden, bei welcher das Wasser in einfacher Weise verdampft werden kann und somit als Treibmittel wirken kann.
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In einigen Ausführungsformen kann das aushärtbare Duroplast auch eine Mischung aus zumindest zwei unterschiedlichen aushärtbaren Harzen enthalten oder daraus bestehen. Weiterhin kann das aushärtbare Duroplast weitere Hilfs- oder Zusatzstoffe oder Füllstoffe enthalten, welche die thermischen und/oder die elektrischen und/oder die mechanischen Eigenschaften des Schaumstoffes beeinflussen oder das Verhalten während des Aushärtens optimieren. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die genannten Zusatzstoffe die Aushärtetemperatur und/oder die -geschwindigkeit und/oder den Aushärtedruck verändern. Schließlich kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zumindest ein Zusatzstoff eingesetzt werden, um die Mischbarkeit des Duroplastes und des Wassers zu verbessern und/oder die Zeitspanne bis zur Entmischung in zwei getrennte Phasen zu verlängern.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung beträgt der Anteil des Wassers am aushärtbaren Duroplast etwa 0,1% bis etwa 5%. In einigen Ausführungsformen der Erfindung beträgt der Anteil des Wassers am aushärtbaren Duroplast etwa 0,3% bis 1%. Durch die dem aushärtbaren Duroplast beigefügte Wassermenge kann die Geschwindigkeit der Schaumbildung kontrolliert werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann durch die Auswahl der Wassermenge die Dichte und/oder die Größe der sich im Schaumstoff bildenden Poren und damit die Dichte des fertigen Schaumstoffes beeinflusst werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird das Duroplast so ausgewählt, dass die Mischung aus aushärtbarem Duroplast und Wasser keinen Emulgator enthält. Im Sinne der vorliegenden Beschreibung bedeutet dies, dass bei der Herstellung des Schaumstoffes der Mischung aus aushärtbarem Duroplast und Wasser kein Emulgator bzw. kein emulgierender Stoff zugeführt wird. Dies schließt nicht aus, dass durch Verunreinigung dennoch emulgierend wirkende Stoffe oder Stoffgemische im Schaumstoff nachweisbar sind. Diese stellen dann jedoch unvermeidbare Verunreinigungen dar. Auf diese Weise wird die Konzentration an Emulgatoren und damit an schädlichen, beispielsweise gentoxischen, Substanzen im fertigen Schaumstoff weiter verringert.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Duroplast nach zumindest teilweisem Aushärten entformt und für eine Zeitspanne von etwa sechs Stunden bis etwa 48 Stunden bei einer Temperatur von etwa 40°C bis etwa 120°C getempert wird. Hierdurch können mechanische Spannungen im entstandenen Formkörper relaxieren und/oder nicht reagierte Reste des aushärtbaren Duroplastes zur vollständigen Aushärtung gebracht werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigt
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1 eine schematische Darstellung einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung.
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2 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens.
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1 zeigt eine zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens geeignete Vorrichtung. Die Vorrichtung enthält ein Gefäß 1, welches mit einem Deckel 6 verschließbar ist. Im Inneren der Vorrichtung 1 befindet sich ein aushärtbares Duroplast 2, welchem eine vorgebbare Menge Wasser als Treibmittel zugegeben wurde. Zur Durchmischung der einzelnen Komponenten des aushärtbaren Duroplastes und des Treibmittels steht ein Rührwerk 3 zur Verfügung. In einigen Ausführungsformen kann das Rührwerk 3 durch ein magnetisches Wechselfeld in Bewegung bzw. Rotation gehalten werden. Auf diese Weise wird durch das Rührwerk Energie in die Mischung aus dem aushärtbaren Duroplast und Wasser eingebracht, welche zur Durchmischung der Komponenten führt.
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Unterhalb des Behälters 1 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine optionale Heizeinrichtung 5 angeordnet sein. Die Heizeinrichtung 5 dient dazu, dem aushärtbaren Duroplast 2 thermische Energie zuzuführen, um auf diese Weise die Aushärtungsreaktion in Gang zu setzen oder zu beschleunigen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Heizeinrichtung 5 alternativ oder kumulativ auch als Wärmesenke ausgeführt sein, um thermische Energie aus dem aushärtbaren Duroplast 2 abzuführen, um auf diese Weise die Aushärtungsreaktion zu stoppen oder zu verlangsamen.
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Weiterhin kann die Vorrichtung eine Einrichtung 4 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes enthalten. Das Wechselfeld der Einrichtung 4 durchdringt die optionale Heizeinrichtung 5 und versetzt das Rührwerk 3 in Rotation.
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Weiterhin enthält die Vorrichtung zumindest eine Leitung 7. Die Leitung 7 kann mit einer Vakuumpumpe 8 verbunden sein, welche in einer Abgasleitung 9 mündet. Somit kann der Gasraum oberhalb des aushärtbaren Duroplastes 2 über die Vakuumpumpe 8 evakuiert werden, um den Druck im Inneren des Behälters 1 abzusenken. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Druck auf etwa 40 mbar bis etwa 900 mbar abgesenkt werden. In einer anderen Ausführungsform kann der Druck auf etwa 100 mbar bis etwa 300 mbar abgesenkt werden. Hierzu kann die Vakuumpumpe 8 eine Kolbenpumpe, eine Wasserstrahlpumpe, eine Drehschieberpumpe oder eine andere, an sich bekannte Vakuumpumpe sein, welche dazu geeignet ist, ein Grobvakuum zu erzeugen. Durch die Absenkung des Druckes im Behälter 1 kann der Siedepunkt des im aushärtbaren Duroplast 2 enthaltenen Wassers abgesenkt werden.
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Weiterhin kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein Gasreservoir 11 vorgesehen sein. Aus dem Gasreservoir 11 kann mittels eines Ventils 10 Gas in den Behälter 1 eingeleitet werden. Hierzu kann die Leitung 7 verwendet werden oder eine weitere, parallel verlaufende Leitung, welche im Deckel 6 des Behälters 1 angeordnet ist.
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Dem Behälter 1 kann so viel Gas aus dem Gasreservoir 11 zugeführt werden, dass der Druck im Innenraum des Behälters 1 auf einen vorgebaren Wert ansteigt. Dieser Wert kann zwischen 1000 mbar bzw. Atmosphärendruck und etwa 1,5 bar liegen. Auf diese Weise kann der Druck im Inneren des Behälters 1 erhöht werden, um den Siedepunkt des als Treibmittel verwendeten Wassers auf eine Temperatur oberhalb 100°C anzuheben. Weiterhin kann der Druck im Behälter 1 durch Zufuhr von Gas aus dem Gasreservoir 11 angehoben werden, nachdem dieser mittels der Vakuumpumpe 8 zuvor abgesenkt wurde. Nach Anheben des Innendruckes auf Atmosphärendruck ist ein gefahrloses Öffnen des Deckels 6 des Behälters 1 möglich.
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Das Gasreservoir 11 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung Luft enthalten. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Reservoir 11 ein Inertgas enthalten, beispielsweise Kohlendioxid, Stickstoff und/oder Argon.
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2 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens. Zur Herstellung eines Schaumstoffes wird in einem ersten Verfahrensschritt 51 ein aushärtbares Duroplast hergestellt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das aushärtbare Duroplast zumindest ein Kunstharz und zumindest einen Härter enthalten. Kunstharz und Härter können in einigen Ausführungsformen in einem stöchiometrischen Verhältnis gemischt werden, um eine möglichst vollständige Reaktion beider Komponenten zu ermöglichen, sodass weder Teilmengen des Harzes noch Teilmengen des Härters unreagiert im fertigen Schaumstoff vorliegen. Dadurch kann die Menge nicht-biokompatibler Rückstände im fertigen Schaum reduziert werden.
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In einem zweiten Verfahrensschritt 52 wird eine Rohemulsion aus dem im vorhergehenden Verfahrensschritt hergestellten aushärtbaren Duroplast und dem Treibmittel hergestellt. Hierzu wird dem aushärtbaren Duroplast Wasser in einer Menge von 0,1% bis 5% zugeführt. Durch fortwährendes Rühren kann das zugeführte Wasser in kleinen Tröpfchen im aushärtbaren Duroplast dispergiert werden, sodass sich eine Emulsion bildet. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann im Verfahrensschritt 52 weiterhin ein optionaler Emulgator zugesetzt werden, um das Erzeugen einer Emulsion zu erleichtern oder überhaupt erst zu ermöglichen. Es gehört jedoch zu den Vorteilen der Erfindung, dass ein Emulgator nicht zwingend erforderlich ist. Durch den Verzicht auf einen Emulgator kann die Menge nicht-biokompatibler Rückstände im fertigen Schaum reduziert werden.
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Schließlich wird im Verfahrensschritt 53 der Druck im Behälter 1 reduziert, sodass der Siedepunkt des als Treibmittel verwendeten Wassers absinkt. Gleichzeitig kann über die Heizeinrichtung Wärme eingetragen werden, um das enthaltene Wasser zu verdampfen und/oder das aushärtbare Duroplast zur Aushärtung zu bringen. Durch das Verdampfen des Wassers schäumt das aushärtbare Duroplast auf. Die Intensität des Aufschäumens und damit die Expansion des aushärtbaren Duroplastes und die Dichte des entstehenden Schaumstoffes können durch die eingebrachte Wassermenge, die zugeführte Wärmemenge und den eingestellten Druck kontrolliert werden.
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Zu Beginn des Verfahrensschrittes 54 ist das Duroplast zumindest teilweise ausgehärtet. Nachfolgend wird der Behälter wieder bis auf Atmosphärendruck belüftet, um diesen zu öffnen und den entstandenen Formkörper zu entformen. Um ein vorzeitiges Zusammenfallen des Formkörpers zu verhindern, kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein, den Druck innerhalb einer Zeitspanne von etwa 10 Minuten bis etwa 60 Minuten auf Atmosphärendruck anzuheben. Um eine Reaktion mit Luftsauerstoff zu verhindern, kann vorgesehen sein, den Behälter mit einem Inertgas zu befüllen, beispielsweise Stickstoff oder ein Edelgas oder eine Mischung dieser Gase.
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Das Entformen im Verfahrensschritt 54 kann dadurch erleichtert werden, dass die Oberfläche des Behälters mit einem Trennmittel vorbehandelt wurde. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Behälter aus einem Material bestehen oder mit einem Material beschichtet sein, welches eine Oberfläche aufweist, an welcher das verwendete Duroplast nicht oder nur eingeschränkt haftet. Ein solches Material kann in einigen Ausführungsformen Polypropylen oder Polytetrafluorethylen sein.
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Im optionalen Verfahrensschritt 55 erfolgt schließlich ein Nachhärten des entformten Schaumstoffes bei einer erhöhten Temperatur. Dadurch kann die Endfestigkeit des Schaumstoffes schneller erreicht werden und/oder die Endfestigkeit des Schaumstoffes erhöht werden und/oder die Glasübergangstemperatur des Schaumstoffes ansteigen. Zum Nachhärten kann der Schaumstoff für eine Zeitspanne von 1 h bis etwa 48 h bei einer Temperatur von etwa 50°C bis etwa 150°C gelagert werden. Dies kann in einem Wärmeschrank erfolgen.
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Nachfolgend soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Im Ausführungsbeispiel wird ein epoxidiertes Leinöl als aushärtbares Duroplast verwendet. Das Duroplast besteht aus zwei Komponenten, welche jeweils stabil und damit lagerfähig sind. Durch Vermischen beider Komponenten wird eine chemische Reaktion ausgelöst, welche das Duroplast zum Aushärten bringt. Das im Ausführungsbeispiel verwendete Duroplast ist in der Offenlegungsschrift
DE 10 2009 018 635 A1 näher erläutert. Auf die Zugabe von CaCo
3 kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch verzichtet werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Menge von 104 g der ersten Komponente und 40 g der zweiten Komponente mittels eines Rührwerkes gemischt. Die verwendete Menge und/oder das verwendete Duroplast können in anderen Ausführungsformen der Erfindung variieren. Die Erfindung lehrt nicht die Verwendung der dargestellten Menge und/oder die Verwendung des speziellen Duroplastes als Lösungsprinzip.
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Das Vermischen beider Komponenten des epoxidierten Leinöls erfolgt im Ausführungsbeispiel bei einer Drehzahl von 300 l/min über 10 min. Auch diese Werte können in anderen Ausführungsformen der Erfindung abweichen. Die Werte können von der Geometrie des Rührwerkes und/oder der Menge des Harzes und/oder dessen chemischer Zusammensetzung abhängen.
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Um den Einfluss der zugeführten Wassermenge zu veranschaulichen, wird dem Duroplast entweder 0%, 0,4% oder 0,7% deionisiertes Wasser als Treibmittel zugeführt. Das Wasser ist im Duroplast nicht lösbar. Jedoch entsteht unter fortgesetztem Rühren eine Emulsion. Da im Ausführungsbeispiel auf die Zugabe eines Emulgators 40 verzichtet wurde, handelt es sich bei der entstehenden Emulsion um eine ungeschützte Emulsion. Dies bedeutet, dass diese nur eine begrenzte Zeit stabil ist und sich einer gewissen Wartezeit wieder in ihre Komponenten Harz und Wasser trennt.
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Um den Einfluss unterschiedlicher Temperaturen auf den entstehenden Schaumstoff zu demonstrieren, werden unterschiedliche Emulsionen unter fortgesetztem Rühren auf 50°C oder 60°C oder 70°C erwärmt.
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Nachfolgend wird der Druck im Behälter auf 115 mbar abgesenkt. Dadurch wird das in der Emulsion enthaltene Wasser in den gasförmigen Zustand überführt, was zum Aufschäumen des Duroplastes führt.
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Das Duroplast wird über eine Prozesszeit von 30 Minuten ausgehärtet. Danach erfolgt ein langsamer Druckausgleich auf Atmosphärendruck. Schließlich wird der teilausgehärtete Schaumstoff entformt und bei 60°C für 24 Stunden im Ofen wärmebehandelt. Durch diese Wärmebehandlung erfolgt eine vollständige oder zumindest weitgehende Aushärtung des Duroplastes.
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Tabelle 1 zeigt die Volumenzunahme in Prozent in Abhängigkeit der zugesetzten Wassermenge und der Temperatur. Es ist ersichtlich, dass eine zunehmende Menge Wasser zu einer größeren Expansion des Schaumstoffes führt. Weiterhin ist ersichtlich, dass bei einer Temperatur von 60°C eine größere Volumenzunahme erfolgt als bei einer Temperatur von 50°C oder 70°C. Bei anderen Duroplasten und/oder anderen Wassermengen und/oder durch die Zugabe von Emulgatoren kann sich die Temperatur der größten Volumenzunahme zu anderen Werten verschieben. Die Erfindung lehrt nicht eine Temperaturerhöhung auf 60°C als Lösungsprinzip.
| Wasserzugabe [%] | Temperatur [°C] | Expansion [%] |
| 0,0 | 23 | 91 |
| 0,4 | 50 | 300 |
| 0,4 | 60 | 400 |
| 0,4 | 70 | 250 |
| 0,7 | 50 | 920 |
| 0,7 | 60 | 1300 |
| 0,7 | 70 | 700 |
Tabelle 1
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Da Wasser als Treibmittel verwendet wurde, sind im entstehenden Schaumstoff keine Reste von Kohlenwasserstoffen oder aus chemischen Treibmitteln freigesetzte Schwefel-, Stickstoff- oder Kohlenstoffverbindungen nachweisbar. Insbesondere enthält der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schaumstoff keine Toluolsulfonyle, Carbonsäuren, SO2, N2O und/oder CO. Sowohl die Verfahrensdurchführung als auch das entstehende Produkt sind gentoxisch unbedenklich. Bei Verwendung anderer Duroplaste kann die Temperatur des Prozessablaufes durch Variieren des Druckes angepasst werden. Je niedriger die Aushärtetemperatur des Duroplastes ist, desto niedriger wird der Druck während des Aushärtens gewählt. Durch die einfache Steuerung über Temperatur und Druck ist das vorgeschlagene Verfahren unkompliziert und in einfacher Weise beherrschbar. Auch der Regelungsaufwand ist entsprechend reduziert. Dadurch kann das Verfahren in einigen Ausführungsformen der Erfindung auch vor Ort angewendet werden, so dass der benötigte Schaum bzw. Formkörper aus diesem Schaum am Ort der Montage bzw. am Ort der letzten Verwendung hergestellt werden kann.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus.
