DE102010039322A1

DE102010039322A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von Schäumen

Info

Publication number: DE102010039322A1
Application number: DE102010039322A
Authority: DE
Inventors: Fabian Luthardt; Jörg Adler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2030-08-14
Also published as: DE102010039322B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Maschinenbaus und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von Schäumen, wie es beispielsweise zur Erzeugung von Keramikschäumen angewandt werden kann. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens, das eine sehr gute Verteilung der Gasblasen im schäumbaren Material ermöglicht und in der Angabe einer Vorrichtung, die einfach aufgebaut ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zu schäumendes Material kontinuierlich durch einen Hohlkörper eingebracht, in dem sich ein statischer Mischer befindet, weiterhin werden durch die poröse Hohlkörperwandung Gas/Gasgemische oder Flüssigkeit/Flüssigkeitsgemische hindurchgepresst, indem der Gas- oder Flüssigkeitsdruck in dem freien Volumen höher eingestellt wird, als der Druck im Hohlraum des Hohlkörpers und der Gegendruck der porösen Hohlkörperwandung, und das geschäumte Material kontinuierlich aus dem Hohlkörper heraus transportiert wird, und das geschäumte Material in einen festen Schaumzustand überführt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Maschinenbaus und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von Schäumen, wie es beispielsweise zur Erzeugung von Keramikschäumen, Polymerschäumen oder Metallschäumen angewandt werden kann.
Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von Schäumen bekannt.
Unter einem Schaum wird im Allgemeinen Sinne ein thermodynamisch instabiles Zweiphasensystem, bei dem ein großes Gasvolumen in einem kleinen Flüssigkeits- oder Feststoffvolumen fein verteilt ist, verstanden (Der Brockhaus: Naturwissenschaft und Technik. Bibliographisches. Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim und Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg 2003). In einem Schaum sind also immer mindestens zwei Phasen, also Gasphase und feste Phase oder Gasphase und flüssige Phase enthalten. Der Volumenanteil der Gasphase in einem Schaum kann dabei trotzdem sehr unterschiedlich ausfallen, er kann von einigen wenigen Prozenten bis 99 Vol.-% betragen. Üblicherweise beträgt der Volumenanteil der Gasphase zwischen 60 und 99 Vol.-%.
Die verteilten Gasvolumen innerhalb des Schaums können dabei in allen möglichen Formen und Größen vorliegen. Üblicherweise wird die Gasphase in Form von Gasblasen in den entstehenden Schaum eingebracht. Im Schaum können die Gasblasen sehr unterschiedliche Formen und Größen annehmen, weshalb häufig der allgemeine Begriff Schaumzelle oder Zelle für das einzelne Gasvolumenelement verwendet wird. Es kann typischerweise zwischen offenzelligen und geschlossenzelligen Schäumen sowie Mischformen davon unterschieden werden. Bei offenzelligen Schäumen liegt meist lediglich ein Netzwerk aus Stegen vor, zwischen denen sich die Gasphase befindet. Diese Schäume sind gut durchströmbar und werden zum Beispiel für Filteranwendungen genutzt. Im Gegensatz dazu sind bei geschlossenzelligen Schäumen die verteilten Zellen größtenteils jeweils von der festen oder flüssigen Phase umgeben, benachbarte Zellen sind also durch die feste oder flüssige Phase voneinander getrennt. Diese geschlossenzelligen Schäume eignen sich deshalb gut für Isolationsanwendungen. Mischformen von offenzelligen und geschlossenzelligen Schäumen liegen vor, wenn beide Zellarten in einem Schaum vorkommen bzw. wenn die benachbarten Zellen nicht gänzlich durch die feste oder flüssige Phase voneinander getrennt sind und über sogenannte Zellfenster durchgängig miteinander verbunden sind. Je größer die Zellfenster ausfallen, umso mehr Gasaustausch kann zwischen den benachbarten Zellen erfolgen und einen umso offenzelligeren Charakter weist der Schaum auf.
Das Herstellungsverfahren bestimmt das Eigenschaftsspektrum des Schaumprodukts signifikant. Die Gasblasen können dabei auf verschiedene Arten realisiert werden.
Seit langem ist das „Schwartzwalder-Verfahren” ( US 3,090,094 B1 ) bekannt, nach dem ein Polyurethan geschäumt und retikuliert wird, der offenzellige Polymerschaum mit einer Keramik- oder Metallpartikelsuspension beschichtet und nachfolgend das Polyurethan ausgebrannt und die Keramik- oder Metallpartikel versintert werden. Der so entstandene Schaum ist ein Gerüst aus einer Vielzahl von Stegen, die die Zellen des Schaums voneinander abgrenzen und der typischerweise offenzellig ist. Dieses Verfahren wird den pulvertechnischen Verfahren oder Pulvertechnologien zugeordnet, bei denen aus metallischen oder keramischen Partikeln (Pulvern) durch einen Formgebungsprozess und eine nachfolgende thermische Behandlung (Sinterung) ein metallisches oder keramisches Formteil erzeugt wird. Offenzellige Metall- oder Keramikschäume werden bekanntermaßen auch über ein Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD oder CVI) hergestellt, bei der das Metall oder die Keramik auf einem inerten Gerüst zumeist aus offenzelligem Kohlenstoff abgeschieden wird. Dabei wächst eine kristalline Schicht aus dem Metall oder der Keramik auf und bildet eine raue Oberfläche auf den Stegen aus. Nachteilig bei der Herstellung solcher Schäume mittels CVD ist, dass diese einen hohen apparativen Aufwand erfordern und nur limitierte Probengrößen und Gleichmäßigkeiten erlauben.
Andere Verfahren arbeiten mit Platzhaltern, die sich während der Wärmebehandlung verflüchtigen und an deren Stellen Hohlräume zurück bleiben ( DE 10 2005 059 461 B4 ) und somit ein Schaum entsteht.
Mit verschiedenen Verfahren nach dem Stand der Technik sind sehr definierte Porenstrukturen einstellbar, da diese lediglich von der Geometrie und der Verteilung der temporären Stütz- oder Platzhalterphase und dem Schwindungsverhalten des entstehenden Schaumkörpers abhängen.
Die Schaumherstellung ist aber ebenso auf dem chemischen sowie auf dem physikalischen Weg möglich. Diese Verfahren werden auch als Direktschäumungsverfahren zusammengefasst und benötigen keine Stütz- oder Platzhalterphase. Hier wird direkt ein schäumbares Material zu einem Schaum aufgeschäumt.
Unter einem schäumbaren Material soll im Rahmen dieser Erfindung ein Material verstanden werden, welches sich in einem flüssigen oder schmelzflüssigen Zustand befindet und durch den Gebrauch von Additiven (Tenside, Partikel) befähigt ist, Gas oder gasbildende Stoffe aufzunehmen oder durch chemische Reaktionen oder durch Änderung der Umgebungsbedingungen (Temperatur, Druck), zeitlich begrenzt oder unbegrenzt, Schaumstrukturen ausbilden kann. Der Übergang von der flüssigen zur festen Schaumphase kann dabei über einen Trockenvorgang, eine chemische Reaktion, eine Erstarrung oder über eine Kombination der Vorgänge erfolgen. Des Weiteren kann diesem Vorgang ein weiterer Verfestigungsschritt (Sintern, Härtung, Beschichtung) folgen.
Auf dem chemischen Schäumungspfad bewirken chemische Reaktionen, welche Gase produzieren und somit als Treibmittel wirken oder Zersetzungsvorgänge den Schaumbildungsprozess. Ein Beispiel für die Schaumherstellung durch chemische Reaktionen ist die Polyurethanweichschaumherstellung ( DE 41 18 850 A1 ) Eine Schaumherstellung auf physikalischen Weg ist möglich durch Zugabe von Stoffen, die bei einem Druckabfall oder bei erhöhten Temperaturen expandieren und damit das Aufschäumen des schäumbaren Materials bewirken und somit als physikalisches Treibmittel wirken.
Ebenso ist es auf physikalischem Weg möglich, ein Gas mechanisch in einem schäumbaren Material fein zu verteilen. Dies kann über ein schnelles Einrühren des Gases mit einem Mischgerät oder über ein direktes Einblasen des Gases in das schäumbare Material erfolgen. Das schäumbare Material ist dabei meist durch Additive so modifiziert, das die Gasblasen in ihm stabilisiert sind und es nicht sofort wieder zu Entmischungsvorgängen kommt.
Schäume, die nach einem Direktschäumungsverfahren hergestellt sind, können offenzellige, geschlossenzellige oder Übergangsformen beider Zellarten aufweisen.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren zur Schaumherstellung ist beim Abformverfahren, dass ein Gerüstmaterial notwendig ist, welches durch die Wärmebehandlung hohle Stege hinterlässt, was sich ungünstig auf die mechanischen Eigenschaften auswirkt. Außerdem geht dem eigentlichen Herstellungsprozess ein weiterer, nämlich der der Polyurethanschaumherstellung oder der Gerüststrukturherstellung voraus.
Nachteilig beim Platzhalterverfahren ist, dass es ebenfalls zusätzliches Material erfordert.
Bei beiden Verfahren muss das Abform- und Platzhaltermaterial durch einen zusätzlich notwendigen Wärmebehandlungsprozess entfernt werden.
Verfahren, die auf chemischen oder physikalischen Weg Schäume produzieren, können auf diesen Schritt verzichten, da das Gas auf direktem Wege in das schäumbare Material eingebracht wird. Parallel dazu oder auch zeitlich verzögert erfolgt der Übergang des Schaums in den festen Zustand.
Gemäß dem DE 101 50 329 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung geschäumter Kunststoff-Formteile im Spritzgießprozess unter Verwendung komprimierter physikalischer Treibfluide bekannt. Dabei wird das Treibfluid über den Umfang eines statischen Mischelements zugegeben, welches von einer gasdurchlässigen und treibfluiddurchlässigen, porösen Kontaktfläche umgeben ist. Durch den statischen Mischer wird die Vermischung der Kunststoffschmelze mit dem Treibfluid realisiert. Die Versorgung mit dem Treibfluid erfolgt durch die gasdurchlässige und treibfluiddurchlässige poröse Kontaktfläche. Die Diffusionswege des Treibfluids werden dabei durch permanente Umlagerung und Aufteilung des Gemisches durch den statischen Mischer verkürzt. Da das Verfahren zu den Schaumspritzgießverfahren gehört, sind vergleichsweise hohe Drücke und dementsprechend ausreichend dimensionierte und kostenintensive Werkzeugmaschinen notwendig. Für die Verarbeitung von Thermoplasten sind Einspritzdrücke zwischen 50 und 180 MPa und Staudrücke zwischen 3 und 40 MPa notwendig (Handbuch Spritzgießen, F. Johannaber, W. Michaeli, Hanser Verlag 2004). Die hohen Staudrücke sind notwendig, um das in der Schmelze gelöste Treibfluid über dem Sättigungsdruck zu halten, es liegt als superkritisches Fluid vor und ist somit in großen Mengen in der Schmelze löslich. Es kommt bei diesen hohen Drücken zu Abweichungen der Proportionalität zwischen Gasdruck und Gleichgewichts-konzentration und das Henry'sche Gesetz gilt nicht mehr. Zusätzlich erfordert das Verfahren vergleichsweise hohe Temperaturen, da der Kunststoff nur im geschmolzenen Zustand verarbeitet werden kann. Das Treibfluid bildet mit der Schmelze innerhalb der Mischkammer ein einphasiges Gemisch, es wird hier also lediglich eine Lösung des Treibfluids in der Kunststoffschmelze angestrebt. Die eigentliche Schaumentstehung vollzieht sich erst durch den Druckabfall beim Einströmen der Schmelze in das Werkzeug, also in dem Bereich verminderten Drucks. Da die Schaumentstehung erst nach der Lösung des Treibfluids und nur durch die nicht hinreichend kontrollierbare Expansion des Treibmittels erfolgt, sind inhomogene Schaumstrukturen zu erwarten. Ebenfalls ist die Entstehung von Inhomogenitäten während der Erstarrung des Schaums zu erwarten, da während der Erstarrung immer ein Temperaturgradient innerhalb des Schaums sowie zwischen Schaum und Werkzeugkavität vorliegt und die daraus resultierenden örtlich unterschiedlichen Erstarrungsgeschwindigkeiten ein unterschiedliches Gasblasenwachstum hervorruft, was zu Inhomogenitäten innerhalb des Schaums führt. Zudem wird lediglich die erforderliche Menge an Material aufgeschmolzen und mit Treibfluid versetzt, die für genau einen Vorgang des Bauteilschäumens notwendig ist. Das eigentliche Schäumungsverfahren erfolgt also chargen- oder bauteilweise wie es für Spritzgießerzeugnisse üblich ist und nicht im kontinuierlichen Prozess.
Weiterhin ist aus der DE G 91 16 615 U1 eine Vorrichtung zur Schaumerzeugung bekannt. Dieser Schaumgenerator besteht aus einer Mischkammer, die von einer Gaskammer umgeben ist und beide durch eine poröse Trennwand getrennt angeordnet sind. Dabei soll ein solches Druckgefälle zwischen Mischkammer und Gaskammer eingestellt sein, dass das Gas durch die poröse Trennwand in den Mischkammer eintritt. In die Mischkammer wird ein aufschäumbares flüssiges bis pastöses Medium gegeben, welches dann durch das aus der Gaskammer durch die poröse Trennwand hindurchtretende Gas aufgeschäumt wird. Die Schaumerzeugung erfolgt in der Mischkammer. Eine besonders gleichmäßige Aufschäumung soll durch „eine im wesentlichen laminare Strömung des aufschäumbaren Mediums in der Mischkammer aufrechterhalten” werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens zur kontinuierlichen Erzeugung von Schäumen, das kontinuierlich arbeitet und eine sehr gute Verteilung der Gasblasen im schäumbaren Material ermöglicht und in der Angabe einer Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens, die einfach aufgebaut ist und die produktionsstabil und sicher arbeitet.
Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur kontinuierlichen Erzeugung von Schäumen wird zu schäumendes Material kontinuierlich durch mindestens einen Eingang in einen Hohlkörper eingebracht, in dem sich ein statischer Mischer befindet, das zu schäumende Material wird kontinuierlich durch den Hohlkörper hindurch transportiert, weiterhin wird durch mindestens Bereiche der Hohlkörperwandung, die porös ausgebildet sind, Gas/Gasgemische oder Flüssigkeit/Flüssigkeitsgemische aus einem freien Volumen an der Hohlkörperaußenwandung hindurchgepresst, indem der Gas- oder Flüssigkeitsdruck in dem freien Volumen im Bereich von 0,02 bis 0,6 MPa eingestellt wird und höher eingestellt wird, als der Druck im Hohlraum des Hohlkörpers und der Gegendruck der porösen Hohlkörperwandung, und das zu schäumende Material wird mittels des statischen Mischers mit dem Gas zu Schaum oder mit der Flüssigkeit zu einer Dispersion verarbeitet, wobei bei Verwendung einer Flüssigkeit die verteilten Flüssigkeitstropfen erst außerhalb der Vorrichtung durch Trocknung oder selektives Herauslösen aus der Dispersion entfernt werden und damit ein Schaum entsteht, und das geschäumte oder dispergierte Material kontinuierlich aus dem Hohlkörper durch mindestens einen Ausgang heraus transportiert wird, und das geschäumte oder dispergierte Material in einen festen Schaumzustand überführt wird.
Vorteilhafterweise werden als zu schäumendes Material nichtmetallisch anorganische, metallische, organische Werkstoffe eingebracht, wobei noch vorteilhafterweise Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Mörtel, Sintermetalle und/oder Polymergranulate eingebracht werden.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird das zu schäumende Material in flüssigem Zustand als Suspension, Emulsion, Schaum, Gel, Schmelze oder Kolloid eingebracht.
Weiterhin vorteilhafterweise wird das zu schäumende Material mit einer Geschwindigkeit von 0,01–4 m/s und/oder mit einem Förderdruck von 0,01 MPa bis 0,6 MPa durch den Hohlkörper hindurch transportiert.
Und auch vorteilhafterweise wird im freien Volumen ein Gas- oder Flüssigkeitsdruck von 0,1–0,4 MPa eingestellt.
Vorteilhaft ist es auch, wenn ein Luft- oder Flüssigkeitsvolumenstrom von 0,1–60 l/min durch die poröse Hohlkörperwandung gepresst wird.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn ein Gas oder ein Gasgemisch in den Hohlraum des Hohlkörpers gepresst wird, wobei noch vorteilhafterweise Luft in den Hohlraum des Hohlkörpers gepresst wird.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn Wasser oder ein Lösungsmittel oder ein Lösungsmittelgemisch oder ein wässriges Lösungsmittel in den Hohlraum des Hohlkörpers gepresst werden.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn das geschäumte Material getrocknet, von Lösungsmitteln befreit und/oder gesintert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von Schäumen, besteht aus einer Kammer mit einem Gas- oder Flüssigkeitseinlass, aus einem Hohlkörper und aus einem statischen Mischer, wobei der statische Mischer sich im Hohlraum des Hohlkörpers befindet, weiterhin der Hohlkörper sich in der Kammer befindet und zwischen Kammerinnenwandung und Hohlkörperaußenwandung ein freies Volumen vorhanden ist, wobei der Hohlkörper mindestens einen Eingang für das zu schäumende Material von außerhalb der Kammer und mindestens einen Ausgang für das geschäumte Material aus der Kammer heraus aufweist, und diese Ein- und Ausgänge gasdicht zu dem freien Volumen zwischen Kammerinnenwandung und Hohlkörperaußenwandung abgeschlossen sind, und in Richtung des freien Volumens zwischen Kammerinnenwandung und Hohlkörperaußenwandung mindestens Bereiche der Hohlkörperwandung porös ausgebildet sind, so dass Gase oder Flüssigkeiten durch die poröse Hohlkörperwandung hindurchtreten können, und dass im freien Volumen zwischen Kammerinnenwandung und Hohlkörperaußenwandung ein höherer Gas- oder Flüssigkeitsdruck als im Hohlraum des Hohlkörpers und der Gegendruck des porösen Hohlkörpers ausgebildet ist, und weiterhin der Transport des zu schäumenden Materials vom mindestens einen Eingang des Hohlkörpers durch den Hohlkörper hindurch und als geschäumtes oder dispergiertes Material aus dem Hohlkörper durch den mindestens einen Ausgang heraus realisiert ist.
Vorteilhafterweise bestehen die Kammer und/oder der Hohlkörper und/oder der statische Mischer aus Metall, Metallkeramik, Keramik und/oder Kunststoff.
Ebenfalls vorteilhafterweise sind die Kammer und der Hohlkörper und der statische Mischer zylinder- oder kubus- oder quaderförmig ausgebildet.
Weiterhin vorteilhafterweise ist die gesamte Hohlkörperwandung, die zum freien Volumen gerichtet ist, porös ausgebildet.
Und auch vorteilhafterweise beträgt die offene Porosität der Hohlkörperwandung zwischen 20 und 55 Volumen-%, die Porengrößen der Hohlkörperwandung zwischen 1 und 150 μm und die Durchströmbarkeitskoeffizienten weisen Werte im Bereich zwischen α = 0,1 × 10^–12m² und α = 78 × 10^–12 m² sowie β = 0,03 × 10^–7 m² und β = 87 × 10^–7 m² auf.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine kontinuierliche Schaumherstellung ermöglicht, die eine gute und definierbare Verteilung der Gasblasen im Schaum realisieren kann. Dabei wird dies durch eine einfache und produktionsstabil und sicher arbeitende Vorrichtung realisiert, die als besonderen Vorteil auf bewegte Teile im Wesentlichen verzichtet. Dadurch kann die Vorrichtung auch bei harten Bestandteilen des zu schäumenden Materials verschleißarm arbeiten. Das zu schäumende Material kann weiterhin in einem Viskositätsbereich von 0,1 mPas bis 10 kPas, bei Raumtemperatur aber auch höheren Temperaturen, im basischen, neutralen und sauren Bereich sowie ohne Treibmittel verschäumt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist lediglich ein vergleichsweise niedriger Gasdruck in einem Bereich von 0,02 bis 0,6 MPa notwendig.
Der Schaumbildungs- und Mischvorgang wird erfindungsgemäß dabei lediglich über eine physikalisch-mechanische Verteilung des Gases im zu schäumenden Material realisiert. Die Aufnahme von Gasen oder Treibfluiden erfolgt dabei nicht bei Drücken weit oberhalb des Atmosphärendrucks wie bei Spritzgießschaumverfahren, bei dem das Henry'sche Gesetz nicht mehr gilt. Die Drücke, die im erfindungsgemäßen Verfahren Anwendung finden, liegen im Bereich des Atmosphärendrucks. Gase die zusätzlich durch diffusionsbedingte Lösungsvorgänge und nicht durch mechanisch-physikalische Verteilungsvorgänge in das schäumbare Material eingebracht werden, gehorchen dem Henry'schen Gesetz.
Erfindungsgemäß wird das Gas mit dem zu schäumenden Material in reproduzierbarer Weise vermischt. Gerade bei hochviskosen Materialien, die auf diese Art geschäumt werden sollen, ist eine homogene und vollständige Vermischung des Materials mit dem Gas erreichbar.
Das zu schäumende Material wird erfindungsgemäß über mindestens einen Einlass kontinuierlich in das Innere eines Hohlkörpers transportiert. Dies erfolgt vorteilhafterweise durch Aufbringen eines Förderdrucks. Dabei ist der Förderdruck der Druck, der dafür sorgt, dass das schäumbare Material durch den Hohlkörper bewegt wird. Die Höhe des Förderdrucks hängt ab von der Viskosität des Materials, dem Hohlkörpervolumen, der Transportgeschwindigkeit und/oder dem gewünschten Gasblasenvolumen im geschäumten Material. Dieser Förderdruck kann zum Beispiel von einer Pumpe aufgebracht werden und ist kleiner als der Gasdruck, wobei der Gasdruck zwischen 0,02 und 0,6 MPa liegt. Wird das zu schäumende Material von oben in den Hohlkörper eingebracht, so kann die Schwerkraft beim Transport durch den Hohlkörper mit eingesetzt werden. Als zu schäumendes Material können nichtmetallisch anorganische, metallische und auch organische Stoffe, wie beispielsweise Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Mörtel, Sintermetalle und Polymergranulate, eingesetzt werden.
Das zu schäumende Material kann im flüssigen Zustand als Suspension, Emulsion, Schaum, Gel oder Kolloid in den Hohlkörper eingebracht werden.
Im Inneren des Hohlkörpers befindet sich ein statischer Mischer. Die Form und Größe des statischen Mischers richtet sich vorteilhafterweise nach der Form und Größe des Innenraumes des Hohlkörpers und füllt den Innenraum möglichst vollständig aus, wobei jedoch die Mischfunktion vollständig erhalten wird. Ein statischer Mischer besteht aus feststehenden, gleichartigen Einbauten und nutzt die durch den Förderdruck hervorgerufene Strömungsenergie des schäumbaren Materials für die Durchmischung von Gas und Flüssigkeitsstrom. Der Einsatz des statischen Mischers erlaubt eine kompakte Konstruktion, er ermöglicht die Verarbeitung eines weiten Viskositätsbereichs und arbeitet verschleißarm. (Rührtechnik: Theorie und Praxis, M. Zlokarnik, Springer 1999) Die Wandung des porösen Hohlkörpers ist porös. Es erfolgt erfindungsgemäß der Eintrag von Gasen oder Gasgemischen durch die poröse Wandung des Hohlkörpers. Die Porengrößenverteilung der porösen Hohlkörperwandung kann dabei in verschiedenen Größenklassenintervallen von 1 μm bis 150 μm (ASTM E 1294) vorliegen. Die Größe der Blasen, die beim Durchtritt durch die poröse Hohlkörperwandung entsteht, ist abhängig vom Intervall der Porengrößenverteilung und ist durch die entsprechende Auswahl des porösen Materials beeinflussbar. Die Permeabilitäten der porösen Hohlkörperwandung können bei Durchströmbarkeitskoeffizienten zwischen α = 0,1 × 10^–12 m² und α = 78 × 10^–12 m² sowie β = 0,03 × 10^–7 m² und β = 87 × 10^–7 m² liegen. Die Durchströmbarkeitskoeffizienten sind nach DIN EN ISO 4022 bestimmt. Die offene Porosität kann zwischen 20 und 55 Volumen-% liegen (DIN ISO 30911-3) Dabei ist vorteilhafterweise möglichst die gesamte Wandung des Hohlkörpers porös ausgebildet um damit einen maximalen Eintrag von Gasen von dem freien Volumen durch die poröse Hohlkörperwandung in das Innere des porösen Hohlkörpers zu ermöglichen.
Vorteilhafterweise wird damit auch ein kontinuierlicher Eintrag des Gases realisiert. Als Gas können sowohl einzelne Gase oder auch Gemische, wie Luft, eingesetzt werden. Anstatt eines Gases oder Gasgemisches kann auch eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch durch die poröse Wandung des Hohlköpers gedrückt werden. Die hindurchgetretenen Flüssigkeitströpfchen werden dann im Inneren des Hohlkörpers mit dem schäumbaren Material vermischt. Die Schaumentstehung vollzieht sich im Falle des Eintrages von Flüssigkeiten dann erst beim Entweichen dieser eingebrachten flüssigen Phase zum Beispiel bei einem Trocken- oder selektiven Lösevorgang dieser Phase.
Um die Hohlkörperaußenwandung existiert ein Bereich freien Volumens der wiederum durch eine Kammer begrenzt ist, welche über einen Gaseinlass verfügt, wodurch das im freien Volumen befindliche Gas mit Druck beaufschlagt werden kann. Das Gas oder Gasgemisch kann nun lediglich durch die poröse Hohlkörperwandung in das Hohlkörperinnere entweichen, da die Kammer, innerhalb der sich das freie Volumen befindet, bis auf die Gaseinlassöffnung und die poröse Hohlkörperwandung gasdicht zur Umgebung abgeschlossen ist.
Der Druck, der innerhalb des freien Volumens aufgebracht wird, wird als Gasdruck bezeichnet. Damit das Gas aus dem freien Volumen durch die poröse Hohlkörperwandung gepresst werden kann, muss dieser Gasdruck höher sein als der Gegendruck der porösen Hohlkörperwandung. Der Gasdruck liegt zwischen 0,02 und 0,6 MPa. Die Höhe des Gegendrucks ist abhängig von Material und Geometrie der porösen Hohlkörperwandung sowie abhängig von der Geschwindigkeit des Gases durch die poröse Hohlkörperwandung. Die Höhe dieses Gegendrucks kann der Anwender in einfachen Versuchen bestimmen. Das Gas, das den Innenraum des porösen Hohlkörpers erreicht, weist also einen Druck auf, der sich aus der Differenz von Gasdruck und Gegendruck ergibt. Damit die Gasblasen mit diesem Differenzdruck in das schäumbare Material eindringen können, muss dieser Differenzdruck größer sein als der Förderdruck, der dafür sorgt, dass das schäumbare Medium durch den Innenraum des porösen Hohlkörpers gepresst wird. Der für den Schäumungsprozess entscheidende Druck ist also die Differenz von Gasdruck abzüglich des Gegendrucks der porösen Hohlkörperwandung und abzüglich des Förderdrucks des schäumbaren Materials. Der Gasdruck ist über einen Druckregler regelbar. Eine genaue Bestimmung und Regelung des Differenzdrucks wird indirekt über den Gasvolumenstrom ermöglicht, der am Gaseinlass eingestellt wird und bei konstanten Gasdruck innerhalb des freien Volumens dem Gasvolumenstrom entspricht, welcher durch die poröse Hohlkörperwandung in den Innenraum des Hohlkörpers strömt. Der Förderdruck wird durch die anliegende Leistung der Pumpe und durch die Viskosität des schäumbaren Materials bestimmt und kann leicht über einen Druckmesser gemessen werden.
Durch den Gaseintritt in den Innenraum des Hohlkörpers wird das dort bereits befindliche schäumbare Material mit Gasblasen durchsetzt und damit aufgeschäumt. Durch die Anwesenheit des statischen Mischers und der Bewegung des schäumbaren Materials wird eine Durchmischung des schäumbaren Materials mit Gasblasen realisiert, die in Abhängigkeit vom Gasvolumenstrom, der Transportgeschwindigkeit und der Viskosität des zu schäumenden Materials eingestellt werden kann.
Das dann aufgeschäumte Material wird durch mindestens einen Ausgang aus dem Hohlkörperinnenraum kontinuierlich ausgetragen und kann dann weiterverarbeitet werden. Dies erfolgt vorteilhafterweise durch Trocknen und Sintern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei vorteilhafterweise zylinderförmig ausgebildet. Dabei bildet die Kammer einen Hohlzylinder, in dem ein Rohr mit einem porösen Rohrmantel angeordnet ist, wobei die Rohröffnungen gasdicht gegen die Kammer angebracht sind. Die Kammer weist zwei Öffnungen in der Größe der Rohröffnungen auf und durch diese Öffnungen wird das schäumbare Material in das Rohr ein- und wieder ausgebracht. Über vorteilhafterweise eine Öffnung für Luft in der Kammer wird Luft in das freie Volumen eingebracht, das sich zwischen der Hohlzylinderinnenwandung und der Rohraußenwandung befindet. Durch das Aufbringen eines Druckes auf die Luft im freien Volumen, der sowohl größer ist als der Druck im Innenraum des Rohres, als auch der Gegendruck des porösen Rohrmantels, wird der Lufteintrag in das schäumbare Material realisiert. Da das schäumbare Material vorteilhafterweise von oben in das Rohr eingedrückt wird und sich im Rohr ein zylinderförmiger statischer Mischer befindet, wird das schäumbare Material durch das Rohr von oben nach unten transportiert und durch den Mischer die eintretenden Luftblasen im zu schäumenden Material verteilt. Das nunmehr geschäumte Material wird kontinuierlich aus dem Innenraum des Rohrs ausgetragen und dann weiterverarbeitet.
Die Weiterverarbeitung kann dabei vorteilhafterweise durch Trocknen und Sintern erfolgen. Vor dem Trocknen kann auch noch eine Formgebung des Schaums realisiert werden.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine kontinuierliche Schaumerzeugung mit einer steuerbaren Einstellung der Schaumparameter in einer Vorrichtung ohne Einsatz von bewegten Teilen realisiert wird. Weiterhin kann auf Treibmittel verzichtet werden. Ebenso kann eine vollständige Begasung über den gesamten Innenraum des Hohlkörpers, mit Ausnahme der Ein- und Auslassbereiche realisiert werden.
Im Bereich der porösen Wandung des Hohlkörpers kommt es zu der Grenzflächenbildung zwischen Gas und zu schäumendem Material. Durch den statischen Mischer im Innenraum des Hohlkörpers werden die an der Innenwandung des Hohlkörpers durchdringenden Gasblasen gleichmäßig über das gesamte Volumen verteilt. Dabei ist lediglich die Differenz von Gasdruck abzüglich des Gegendrucks und abzüglich des Förderdrucks für den Schaumprozess entscheidend. Der dafür einzusetzende Druck ist um Größenordnungen niedriger als der, der beim Schaumspritzgießverfahren Verwendung findet. In Abhängigkeit von den konkreten Abmessungen der Vorrichtungsbestandteile, der Viskosität des zu schäumenden Materials, der Pumpleistung sowie des Gegendrucks der porösen Hohlkörperwandung ist ein Druck im freien Volumen von 0,02–0,6 MPa für das Aufschäumen ausreichend.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet vorteilhafterweise bei Raumtemperatur und bei einem Förderdruck innerhalb des schäumbaren Materials der kleiner ist, als der Differenzdruck zwischen Gasdruck und Gegendruck der porösen Hohlkörperwandung. Die Vorrichtung kann aber auch bei höheren Temperaturen arbeiten.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine kontinuierliche und gleichmäßige Versorgung des Hohlkörperinnenraums mit Gas realisiert, währenddessen der statische Mischer für die gleichmäßige Verteilung des eingebrachten Gases innerhalb des gesamten Volumens des zu schäumenden Materials sorgt.
Ein weiterer Vorteil des Einsatzes eines statischen Mischers besteht darin, dass dieser gegenüber einem rotierenden Mischer über keine beweglichen Teile verfügt. Er arbeitet dementsprechend verschleißarm, was gerade bei abrasiven Bestandteilen keramischer Suspensionen von Vorteil ist.
Die Vorrichtung eignet sich deshalb im besonderen Maße für eine kontinuierliche Herstellung von Keramiken aus Suspensionen. Ebenso günstig können aber auch nichtmetallisch anorganische Stoffe oder Stoffgemische, wie Mörtel oder Zemente mit Füllstoffen, wie Flugasche oder Fillite, aufgeschäumt werden, die anschließend lediglich durch das Abbinden eines hydraulischen Binders verfestigen.
Der statische Mischer ist dabei so aufgebaut, dass Feststoffe bis zu 1 mm Korngröße, die sich in dem zu schäumenden Material befinden, verarbeitet werden können. Gröbere statische Mischer ermöglichen die Verarbeitung noch gröberer Kornklassen.
Die Vorrichtung zeichnet sich weiter durch eine kompakte Bauweise aus, da sich das Mischelement in Form des statischen Mischers innerhalb des Hohlkörpers befindet. Schaumbildung und Homogenisierung finden im gleichen Raum statt.
Von besonderen Interesse ist das Verfahren bezüglich keramischer Schäume, da mit diesen Verfahren geschlossenzellige Schäume, offenzellige Schäume aber auch Schäume mit Mischformen der beiden Zellarten realisiert werden können. Mit anderen bekannten Verfahren der keramischen Schaumherstellung (Schwartzwalder) sind diese geschlossenzelligen Morphologien nicht realisierbar. Die so hergestellten Morphologien aus Keramikschaum eröffnen Anwendungen im Hochtemperaturdämmbereich, im Hochtemperaturschallschutz sowie bei keramischen Leichtbauelementen.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Beispiel
Eine Kammer wird von einem Stahlhohlzylinder gebildet. Der Stahlhohlzylinder hat eine Länge von 182 mm, einen Außendurchmesser von 70 mm und einer Wandstärke von 2,9 mm. Zusätzlich befindet sich umfangsseitig am Stahlhohlzylinder ein Schlauchanschluss, der mit einem Schlauch an eine regelbare Druckluftversorgung angeschlossen ist. Die eine Stirnseite des Stahlhohlzylinders ist bis auf eine konzentrische Schlauchanschlussmöglichkeit mit 5 mm dicken Stahl verschlossen. Die andere Stirnseite verfügt über eine konzentrische Öffnung von 10 mm und ist sonst ebenfalls mit 5 mm dicken Stahl verschlossen. Innerhalb der Kammer befindet sich konzentrisch ein poröser Hohlzylinder mit der Länge 178 mm, dem Außendurchmesser 25,4 mm und dem Innendurchmesser 21,1 mm. Dieser ist an seinen Enden innerhalb der Stirnseiten der Kammer gasdicht abgedichtet und fixiert. Der poröse Hohlzylinder trennt damit den Bereich zwischen Kammerinnenwandung und Hohlzylinderaußenwandung gegenüber den Bereich innerhalb des porösen Hohlzylinders ab. Der poröse Hohlzylinder besteht aus 1.4404 Stahl der Qualität SIKA-R 20 IS mit einer Porosität von 43% und den Durchströmbarkeitskoeffizienten von α = 7,2 × 10^–12 m² sowie β = 22 × 10^–7 m². Innerhalb dieses porösen Hohlzylinders befindet sich ein statischer Mischer der SMX Reihe (Firma Sulzer Chemtech AG) mit den Länge 178 mm und Durchmesser 20 mm.
Eine keramische Suspension wird mit 700 ml/min durch die Vorrichtung gepumpt. Die keramische Suspension besteht aus 52,8 Masse-% SiC F360 und 35,2 Masse-% SiC NF2/025-KE- (beides von ESK SiC GmbH) sowie 12 Masse-% Borosilikatglaspulver Suprax 8488 (Schott AG), welche zusammen 100% der anorganisch nichtmetallischen Pulvergesamtmasse ausmachen. Auf diese Pulvergesamtmasse bezogen sind 30 Masse-% deionisiertes Wasser, 4,2 Masse-% 2-molare Natriumhydroxidlösung, 1 Masse-% Tensid W53 (Zschimmer & Schwarz GmbH & Co KG) und 1 Masse-% Plastifiziermittel Zusoplast PS1 (Zschimmer & Schwarz GmbH & Co KG) in der Suspension enthalten. Luft wird mit einem Druck von 0,3 MPa und einem Luftvolumenstrom von 700 ml/min über den umfangsseitigen Schlauchanschluss in das freie Volumen des Stahlhohlzylinders eingebracht und gelangt über die poröse Wandung des Hohlzylinders in dessen Innenraum Eine Schlauchpumpe ist durch einen Schlauch an dem stirnseitigen Schlauchanschluss der Kammer angeschlossen und pumpt die keramische Suspension durch den Innenraum des porösen Hohlzylinders. Durch den sich dort befindenden statischen Mischer wird die durchströmende keramische Suspension mit dem durch die poröse Wandung des Hohlzylinders strömenden Luftblasen zu einem Schaum vermischt. Der Schaum verlässt die Vorrichtung über die 10 mm konzentrische Öffnung an der Auslassstirnseite. Bezogen auf den Gesamtvolumenstrom, der durch die Vorrichtung befördert wird, werden 50 Volumen-% Luft durch die poröse Wandung des Hohlzylinders in den Schaum eingebracht. Der austretende Schaum wird in Formen abgefüllt, getrocknet, entformt und abschließend gesintert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3090094 B1 [0006]
DE 102005059461 B4 [0007]
DE 4118850 A1 [0011]
DE 10150329 A1 [0018]
DE 9116615 U1 [0019]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Naturwissenschaft und Technik. Bibliographisches. Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim und Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg 2003 [0003]
Handbuch Spritzgießen, F. Johannaber, W. Michaeli, Hanser Verlag 2004 [0018]
Rührtechnik: Theorie und Praxis, M. Zlokarnik, Springer 1999 [0042]
ASTM E 1294 [0042]
DIN EN ISO 4022 [0042]
DIN ISO 30911-3 [0042]
SIKA-R 20 IS [0060]

Claims

Verfahren zur kontinuierlichen Erzeugung von Schäumen, bei dem zu schäumendes Material kontinuierlich durch mindestens einen Eingang in einen Hohlkörper eingebracht wird, in dem sich ein statischer Mischer befindet, das zu schäumende Material kontinuierlich durch den Hohlkörper hindurch transportiert wird, weiterhin durch mindestens Bereiche der Hohlkörperwandung, die porös ausgebildet sind, Gas/Gasgemische oder Flüssigkeit/Flüssigkeitsgemische aus einem freien Volumen an der Hohlkörperaußenwandung hindurchgepresst wird, indem der Gas- oder Flüssigkeitsdruck in dem freien Volumen im Bereich von 0,02 bis 0,6 MPa eingestellt wird und höher eingestellt wird, als der Druck im Hohlraum des Hohlkörpers und der Gegendruck der porösen Hohlkörperwandung, und das zu schäumende Material mittels des statischen Mischers mit dem Gas zu Schaum oder mit der Flüssigkeit zu einer Dispersion verarbeitet wird, wobei bei Verwendung einer Flüssigkeit die verteilten Flüssigkeitstropfen erst außerhalb der Vorrichtung durch Trocknung oder selektives Herauslösen aus der Dispersion entfernt werden und damit ein Schaum entsteht, und das geschäumte oder dispergierte Material kontinuierlich aus dem Hohlkörper durch mindestens einen Ausgang heraus transportiert wird, und das geschäumte oder dispergierte Material in einen festen Schaumzustand überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als zu schäumendes Material nichtmetallisch anorganische, metallische, organische Werkstoffe eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Mörtel, Sintermetalle und/oder Polymergranulate eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das zu schäumende Material in flüssigem Zustand als Suspension, Emulsion, Schaum, Gel, Schmelze oder Kolloid eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das zu schäumende Material mit einer Geschwindigkeit von 0,01–4 m/s und/oder mit einem Förderdruck von 0,01 MPa bis 0,6 MPa durch den Hohlkörper hindurch transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im freien Volumen ein Gas- oder Flüssigkeitsdruck von 0,1–0,4 MPa eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Luft- oder Flüssigkeitsvolumenstrom von 0,1–60 l/min durch die poröse Hohlkörperwandung gepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Gas oder ein Gasgemisch in den Hohlraum des Hohlkörpers gepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem Luft in den Hohlraum des Hohlkörpers gepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Wasser oder ein Lösungsmittel oder ein Lösungsmittelgemisch oder ein wässriges Lösungsmittel in den Hohlraum des Hohlkörpers gepresst werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das geschäumte Material getrocknet, von Lösungsmitteln befreit und/oder gesintert wird.
Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von Schäumen, bestehend aus einer Kammer mit einem Gas- oder Flüssigkeitseinlass, aus einem Hohlkörper und aus einem statischen Mischer, wobei der statische Mischer sich im Hohlraum des Hohlkörpers befindet, weiterhin der Hohlkörper sich in der Kammer befindet und zwischen Kammerinnenwandung und Hohlkörperaußenwandung ein freies Volumen vorhanden ist, wobei der Hohlkörper mindestens einen Eingang für das zu schäumende Material von außerhalb der Kammer und mindestens einen Ausgang für das geschäumte Material aus der Kammer heraus aufweist, und diese Ein- und Ausgänge gasdicht zu dem freien Volumen zwischen Kammerinnenwandung und Hohlkörperaußenwandung abgeschlossen sind, und in Richtung des freien Volumens zwischen Kammerinnenwandung und Hohlkörperaußenwandung mindestens Bereiche der Hohlkörperwandung porös ausgebildet sind, so dass Gase oder Flüssigkeiten durch die poröse Hohlkörperwandung hindurchtreten können, und dass im freien Volumen zwischen Kammerinnenwandung und Hohlkörperaußenwandung ein höherer Gas- oder Flüssigkeitsdruck als im Hohlraum des Hohlkörpers und der Gegendruck des porösen Hohlkörpers ausgebildet ist, und weiterhin der Transport des zu schäumenden Materials vom mindestens einen Eingang des Hohlkörpers durch den Hohlkörper hindurch und als geschäumtes oder dispergiertes Material aus dem Hohlkörper durch den mindestens einen Ausgang heraus realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Kammer und/oder der Hohlkörper und/oder der statische Mischer aus Metall, Metallkeramik, Keramik und/oder Kunststoff bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Kammer und der Hohlkörper und der statische Mischer zylinder- oder kubus- oder quaderförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die gesamte Hohlkörperwandung, die zum freien Volumengerichtet ist, porös ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die offene Porosität der Hohlkörperwandung zwischen 20 und 55 Volumen-% beträgt, die Porengrößen der Hohlkörperwandung zwischen 1 und 150 μm aufweisen und die Durchströmbarkeitskoeffizienten Werte im Bereich zwischen α = 0,1 × 10^–12 12 m² und α = 78 × 10^–12 m² sowie β = 0,03 × 10^–7 m² und β = 87 × 10^–7 m² aufweisen.