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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelschaumstoff auf Basis eines Polymers wie Polystyrol, in dem mindestens ein mineralischer Füllstoff mit einer Partikelgröße ≤ 10 μm und mindestens ein Keimbildner enthalten sind. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Partikelschaumstoffs. Die erfindungsgemäßen Partikelschaumstoffe zeichnen sich durch ihre verbesserte Steifigkeit aus.
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Partikelschaumstoffe, die auch als Partikelschäume bezeichnet werden, sind seit langem bekannt. Ein weit verbreiteter Partikelschaumstoff ist beispielsweise expandierbares Polystyrol (EPS), das beispielsweise durch Dispersionspolymerisation hergestellt werden kann. So offenbart
WO 2005/056653 Partikelschaumstoff-Formteile, die erhältlich sind durch Verschweißen von vorgeschäumten Schaumpartikeln aus expandierbaren, Füllstoff enthaltenden, thermoplastischen Polymergranulaten, wobei der Partikelschaumstoff eine Dichte im Bereich von 8 bis 200 g/L aufweist. Die expandierbaren thermoplastischen Polymergranulate können 5 bis 50 Gew.-% eines Füllstoffes enthalten. Geeignete Füllstoffe sind beispielsweise pulverförmige anorganische Stoffe wie Talk oder Kieselsäure oder kugel- oder faserförmige anorganische Stoffe.
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Ein elastischer Partikelschaumstoff auf Basis von Polyolefin-Styrolpolymer-Mischungen ist in der internationalen Anmeldung
PCT/EP 2009/067260 offenbart. Die expandierbaren, thermoplastischen Polymerpartikel enthalten ein Styrolpolymer, ein Polyolefin mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 105 bis 140°C, ein Block- oder Pfropfcopolymer mit einem gewichtsmittleren Molekulargewicht M
w von mindestens 100 000 g/mol, ein Styrol-Ethylen-Butylen-Blockcopolymer, ein Treibmittel sowie gegebenenfalls weitere Komponenten wie ein Nukleierungsmittel.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung von neuen Partikelschaumstoffen. Vorzugsweise sollen die neuen Partikelschaumstoffe eine verbesserte Steifigkeit aufweisen.
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Gelöst wird die Aufgabe durch einen Partikelschaumstoff auf Basis von mindestens einem Polymer ausgewählt aus Polystyrol, einen aus Styrol hergestellten Copolymeren, Polysulfon oder Polyethersulfon, wobei im Partikelschaumstoff mindestens ein mineralischer Füllstoff mit einer Partikelgröße ≤ 10 μm und mindestens ein Keimbildner auf Basis eines Wachses oder eines Oligomeren enthalten ist.
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Die erfindungsgemäßen Partikelschaumstoffe zeichnen sich dadurch aus, dass die Zellwände aufgrund der gleichzeitigen Zugabe von sowohl mindestens einem mineralischen Füllstoff mit einer Partikelgröße ≤ 10 μm und mindestens einem Keimbildner auf Basis eines Wachses oder eines Oligomeren verstärkt werden, so dass besonders steife Schaumstoffe erzeugt werden können. Aufgrund der Zugabe des Keimbildners zum mineralischen Füllstoff kann die nukleierende Wirkung der Nano- bzw. Mikroteilchen (mineralischer Füllstoff) verringert werden, so dass größere Mengen dieser Teilchen zugegeben werden können. Folglich weisen die erfindungsgemäßen Partikelschaumstoffe eine erhöhte Steifheit auf.
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Nachfolgend werden die erfindungsgemäßen Partikelschaumstoffe näher beschrieben. Soweit nicht anders angegeben, beziehen sich alle Ausführungen auf den Partikelschaumstoff als solchen, der auch aufgeschäumter (oder fertiger) Partikelschaumstoff bezeichnet wird.
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Der Partikelschaumstoff ist auf Basis von mindestens einem Polymer ausgewählt aus Polystyrol, einem aus Styrol hergestellten Copolymer, Polysulfon oder Polyethersulfon. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass der erfindungsgemäße Partikelschaumstoff durch ein weiter unter beschriebenes Verfahren aus diesem Polymer hergestellt wird. Gegebenenfalls können zur Herstellung des erfindungsgemäßen Partikelschaumstoffes auch zwei oder mehrere dieser Polymere verwendet werden, vorzugsweise wird eines dieser Polymere verwendet. Verfahren zur Herstellung der im Partikelschaumstoff eingesetzten Polymere sind dem Fachmann ebenfalls bekannt.
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Sofern der erfindungsgemäße Partikelschaumstoff auf Basis von (mindestens) einem aus Styrol hergestellten Copolymer ist (auch als Styrolcopolymerisate bezeichnet), bedeutet dies, dass zur Herstellung dieses Copolymeren neben dem Monomeren Styrol mindestens ein weiteres Monomer erforderlich ist. Vorzugsweise wird dieses Copolymer aus Styrol und einem weiteren Monomeren hergestellt. Als Comonomere von Styrol eignen sich prinzipiell alle mit Styrol polymerisierbaren Monomere. Vorzugsweise sind mindestens 50 Gew.-% Styrol in diesem Copolymer einpolymerisiert.
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Vorzugsweise weist ein aus Styrol hergestelltes Copolymer als Comonomer zu Styrol ein Monomer auf, das ausgewählt ist aus α-Methylstyrol, kernhalogenierten Styrolen, hernalkylierten Styrolen, Acrylnitril, Acrylsäureester, Methacrylsäureester, N-Vinyl-verbindungen, Maleinsäureanhydrid, Butadien, Divinylbenzol oder Butandioldiacrylat. Acrylsäureester sowie Methacrylsäureester sind vorzugsweise erhältlich aus Alkoholen mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen. Eine geeignete N-Vinylverbindung ist beispielsweise Vinylcarbazol.
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Vorzugsweise wird im erfindungsgemäß Partikelschaumstoff als Polymer Polystyrol oder ein Styrol-Acrylnitril-Polymer (SAN) verwendet.
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Die erfindungsgemäßen Partikelschaumstoffe weisen bevorzugt Zellen auf, die gemessen nach DIN 4590 zumindest zu 90%, insbesondere zu 95 bis 100% geschlossenzellig sind.
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Die Partikel der erfindungsgemäßen Partikelschaumstoffe sind (in der Regel) 2 mm bis 10 mm groß. Diese Größenangabe bezieht sich auf den (fertigen) Partikelschaumstoff als solchen, der auch als aufgeschäumter Partikelschaumstoff bezeichnet wird. Wie nachfolgend im Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Partikelschaumstoffe näher beschrieben, werden diese normalerweise aus einer ungeschäumten Vorstufe (Halbzeug) hergestellt. Die Partikelgröße der ungeschäumten Partikelschaumstoffe (Halbzeug) beträgt (in der Regel) 0,5 bis 5 mm.
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Der erfindungsgemäße Partikelschaumstoff enthält mindestens einen mineralischen Füllstoff mit einer Partikelgröße ≤ 10 μm. Prinzipiell kann jeder dem Fachmann bekannte mineralische Füllstoff verwendet werden, sofern dieser eine Partikelgröße ≤ 10 μm aufweist. Geeignete mineralische Füllstoffe sind beispielsweise pulverförmige anorganische Stoffe. Gegebenenfalls können diese Füllstoffe aber auch kugel- oder faserförmig sein. Diese Füllstoffe werden oft auch als Nukleierungsmittel bezeichnet, weil sie Auswirkung auf Zellzahlen und Zellwanddicken der Partikelschaumstoffe haben können.
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Geeignete mineralische Füllstoffe sind Talk, Talkum, Kreide, Kaolin, Metalloxide, Metallhydroxide wie Aluminiumhydroxid oder Magnesiumhydroxid, Aluminiumnitrid, Silikate, Aluminiumsilikate, Bariumsulfat, Calciumcarbonat, Calciumsulfat, Kieselsäure, Quarzmehl, Aerosil, Tonerde oder Wollastonit. Bevorzugte Silikate sind Schichtsilikate wie beispielsweise Montmorillonite. Gegebenenfalls können die mineralischen Füllstoffe auch in gecoateter Form vorliegen. Ein bevorzugtes Beispiel für einen gecoateten Füllstoff ist natürlicher Montmorillonit, der mit quartären Ammoniumverbindungen modifiziert ist.
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Beispiele für kommerziell erhältliche mineralische Füllstoffe sind Montmorillonite wie Cloisite® 30B der Fa. Southern Clay Products oder das Talkum Microtalk IT Extra der Fa. Mondo Minerals (Amsterdam).
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Bevorzugt als mineralische Füllstoffe ist ein Talkum, ein Metalloxid oder ein Silikat. Vorzugsweise beträgt die Partikelgröße des mineralischen Füllstoffs in den erfindungsgemäßen Partikelschaumstoffen 10 nm bis 5 μm, insbesondere 50 nm bis 2 μm. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die Partikelgrößen als durchschnittliche Partikelgrößen angegeben (D50-Wert).
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Weiterhin enthalten die erfindungsgemäßen Partikelschaumstoffe mindestens einen Keimbildner auf Basis eines Wachses oder eines Oligomeren. Solche Keimbildner, die auch als reaktive Compatibilizer bezeichnet werden, sind dem Fachmann bekannt. Geeignete Keimbildner sind beispielsweise die kommerziell erhältlichen Produkte der Reihe Luwax (Polyethylenwachse) oder Joncryl (epoxygruppenhaltige Oligomere) der BASF SE, Ludwigshafen. Bei den Wachsen kann es sich um reine oder modifizierte Polyethylenwachse, beispielsweise Oxidate oder Copolymerisate sowie gegebenenfalls Montanwachse und Polyetherwachse handeln. Die Polyethylenwachse werden in der Regel in einem Hochdruckverfahren hergestellt. Sie sind als Mikronisat, als Pulver, als Granulat, als Schuppen oder Pastillen erhältlich. Bei den Oligomeren kann es sich um Styrolacrylatharzlösungen, Styrolglycidylacrylate, filmbildende RC-Dispersionen oder Kolloidalacrylate handeln. Bevorzugter Keimbildner ist ein Polyethylenwachs oder ein epoxygruppenhaltiges Oligomer.
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Darüber hinaus können in den erfindungsgemäßen Partikelschaumstoffen weitere, dem Fachmann bekannte Verbindungen enthalten sein. Beispiele für solche optionalen Komponenten sind IR-Absorber wie Ruß, Metallpulver, zum Beispiel Aluminiumpulver, Titandioxid oder Graphit, Flammschutzmittel wie organische Bromverbindungen oder sonstige Zusatz- und/oder Hilfsstoffe in Form von Antistatika, Stabilisatoren oder Farbstoffe.
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Der mineralische Füllstoff, der Keimbildner sowie gegebenenfalls weitere Stoffe können in den erfindungsgemäßen Partikelschaumstoffen in dem Fachmann bekannten Mengen enthalten sein. Der mineralische Füllstoff mit einer Partikelgröße ≤ 10 μm ist vorzugsweise zu 0,5 bis 5 Gew.-%. insbesondere zu 0,5 bis 1 Gew.-% im Partikelschaumstoff enthalten. Der Keimbildner ist vorzugsweise zu 0,2 bis 2 Gew.-%, insbesondere zu 0,5 bis 1 Gew.-% im Partikelschaumstoff enthalten. Sofern vorhanden, beläuft sich die Summe der sonstigen Zusatzstoffe, die im Partikelschaumstoff enthalten sein können, auf maximal 10 Gew.-%.
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Die erfindungsgemäßen Partikelschaumstoffe können gegebenenfalls auch beschichtet sein. Geeignete Beschichtungen sind dem Fachmann bekannt, beispielsweise können Mischungen aus Silikaten und Stearaten eingesetzt werden. Beispielsweise enthalten solche Mischungen Aerosile, Glycerintristearat und/oder Glycerinmonostearat. Vorzugsweise wird die Beschichtung bereits auf einer ungeschäumten Vorstufe (Halbzeug) der erfindungsgemäßen Partikelschaumstoffe aufgebracht, beispielsweise auf EPS-Partikel.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Partikelschaumstoffes. Solche Verfahren sind dem Fachmann prinzipiell bekannt. Geeignete Verfahren sind beispielsweise in der internationalen Anmeldung
PCT/EP 2009/067260 offenbart.
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Erfindungsgemäß können die Partikelschaumstoffe hergestellt werden durch ein Verfahren umfassend den Schritt, wonach in eine Schmelze von mindestens einem Polymer mindestens ein mineralischer Füllstoff mit einer Partikelgröße ≤ 10 μm und mindestens ein Keimbildner auf Basis eines Wachses oder eines Oligomeren zusammen mit einem Treibmittel eingemischt werden. Als Polymer wurden die vorstehend definierten Polymere im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Partikelschaumstoff als solchem verwendet.
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Vorzugsweise werden die erfindungsgemäßen Partikelschaumstoffe durch ein Verfahren hergestellt umfassend die nachfolgenden Schritte a) bis e):
- a) In eine Schmelze von mindestens einem Polymer werden mindestens ein mineralischer Füllstoff mit einer Partikelgröße ≤ 10 μm und mindestens ein Keimbildner auf Basis eines Wachses oder eines Oligomeren zusammen mit einem Treibmittel eingemischt,
- b) worauf der ungeschäumte Partikelschaumstoff durch Unterwassergranulierung mit anschließender Trocknung erhalten wird,
- c) der ungeschäumte Partikelschaumstoff kann gegebenenfalls beschichtet werden,
- d) der ungeschäumte, gegebenenfalls beschichtete Partikelschaumstoff wird vorgeschäumt,
- e) worauf eine Verschäumung des vorgeschäumten Partikelschaumstoffes zum aufgeschäumten Partikelschaumstoff erfolgt.
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Vorzugsweise wird das Einmischen in die Schmelze (gemäß Schritt a)) mit einem Extruder durchgeführt.
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Geeignete Treibmittel sind dem Fachmann bekannt, normalerweise handelt es sich um flüchtige organische Verbindungen wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe, Fluorkohlenwasserstoffe, Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Ketone, Ether, anorganische Gase wie Kohlendioxid, Stickstoff, Argon und Ammoniak. Gegebenenfalls werden die vorgenannten Treibmittel in Gemischen verwendet. Das Treibmittel wird normalerweise in Mengen von 3 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 4 bis 12 Gew.-% bezogen auf das Polymer des Partikelschaumstoffs eingesetzt.
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Vorzugsweise wird als Treibmittel mindestens ein Kohlenwasserstoff eingesetzt. Besonders bevorzugt ist Pentan, das entweder in Gemischen aus n-Pentan, iso-Pentan und/oder Cyclopentan oder in Form eines einzelnen dieser Isomere eingesetzt werden kann.
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Nachfolgend werden der erfindungsgemäße Partikelschaumstoff sowie das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren dieses Partikelschaumstoffes näher definiert.
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Beispiel 1
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In einer Versuchsanlage zur Herstellung von EPS-Partikelschäumen (Verfahren gemäß der internationalen Anmeldung
PCT/EP 2009/067260 , Abschnitt Verfahren EPS B1 (Leistritz 18 Extruder) wird Polystyrol 158 K unter Zusatz von 6% Pentan und den angegebenen Additiven (mineralischer Füllstoff sowie Keimbildner) verarbeitet. Dabei werden die schäumfähigen EPS-Partikel durch Einmischen der jeweiligen Additive gemäß Tabelle 1 zusammen mit dem Treibmittel Pentan in die Polystyrolschmelze mittels eines Extruders und Unterwassergranulierung mit anschließender Trocknung hergestellt.
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Die fertigen, getrockneten und mit einer Mischung aus Aerosilen, Glycerintri- und Glycerinmonostearat beschichteten EPS Partikel werden in einem Vorschäumer der Marke Hirsch Typ PREEX-1000 vorgeschäumt und dann 24 Stunden später in einen Formteilautomaten der Marke Erlenbach verschäumt. Die mechanischen Eigenschaften (Dichte nach DIN EN1602 und Druckfestigkeit nach DIN EN826) wurden bestimmt.
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Eingesetzte Komponenten:
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- Polystyrol 158 K (PS 158 K): Standardpolystyrol der BASF SE, Ludwigshafen (Deutschland)
- Luwax: Luwax AH3 Pulver, ein Polyethylenwachs der BASF SE, Ludwigshafen
- Cloisite: Cloisite 30 B, ein mit quartären Ammoniumverbindungen modifiziertes Montmorillonit der Fa. Southern Clay Products, Gonzales USA mit einer mittleren Partikelgröße d50% von 6 μm.
- Talkum: Microtalc IT Extra der Firma Mondo Minerals, Amsterdam; d50% = 1.7 μm)
- Joncryl ADR 4368: ein reaktives oligomeres epoxygruppenhaltiges Additiv der BASF SE, Ludwigshafen
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Tabelle 1
| Versuch Nr. | Polymer | mineralischer Füllstoff | Keim bildner | Dichte | Druckspannung bei (10%) | Schaumstruktur (optische Beurteilung) |
| | | Gew.-% | Gew.-% | g/l | N/m2 | |
| 1 (Vgl) | PS 158 K | | 0,6 Luwax | 15 | 73 | 3 |
| 2 (Vgl) | PS 158 K | 0,2% Cloisite | | 15,5 | 74 | 5 |
| 3 | PS 158 K | 0,2% Cloisite | 0,6 Luwax | 14,7 | 80 | 2 |
| 4 (Vgl) | PS 158 K | 0,8% Cloisite | | 17,1 | 72 | 5 |
| 5 | PS 158 K | 0,8% Cloisite | 0,6 Luwax | 15,7 | 81 | 2 |
| 6 (Vgl) | PS 158 K | 10% Talkum | | 26,8 | 178 | 4 |
| 7 (Vgl) | PS 158 K | 5% Talkum | | 27,3 | 176 | 3 |
| 8 (Vgl) | PS 158 K | 1% Talkum | | 26,3 | 183 | 2 |
| 9 | PS 158 K | 4% Talkum | 0,6 Luwax | 26,1 | 195 | 3 |
| 10 | PS 158 K | 1% Talkum | 0,6 Luwax | 26,8 | 190 | 2 |
| 11 | PS 158 K | 4% Talkum | 1,0 Joncryl ADR 4368 | 27,8 | 210 | 2 |
(Vgl) = Vergleichsbeispiel
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Die vorstehenden Versuche gemäß Tabelle 1 zeigen, dass die erfindungsgemäßen Partikelschaumstoffe (bei vergleichbaren Dichten) über verbesserte Eigenschaften verfügen. So ist eine verbesserte Druckspannung sowie eine verbesserte Schaumstruktur (niedrigere Werte) festzustellen. Die Bewertung der Schaumqualität erfolgt durch die Druckspannung (höhere Werte besser) und der optischen Beurteilung der Zellstruktur im Mikroskop. Je gleichmäßiger und feinzelliger die Schaumstruktur desto besser die Beurteilung. (1, 2 = sehr gut; 3, 4 = mittelmäßig; 5, 6 = schlecht)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2005/056653 [0002]
- EP 2009/067260 [0003, 0022, 0029]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 4590 [0012]
- DIN EN1602 [0030]
- DIN EN826 [0030]