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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von extrusionsgeschäumten Schaumbahnen sowie mittels dieses Verfahrens hergestellte Schaumware.
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Stand der Technik
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In einem Extruder wird ein Gemisch aus einem oder mehreren thermoplastischen Polymeren aus der Gruppe natur- oder erdölbasierter Polymerisate, typischerweise Polystyrol als erdölbasiertes Polymerisat, oder Polykondensate, ein oder mehrere Additive, insbesondere ein Schaumnukleierungsmittel, Farbe, Weichmacher, Flammschutzmittel, UV Stabilisatoren, Gleitmittel, Zellstabilisatoren, Füllstoffen oder Antistatikum aufgeschmolzen. Hierbei ist das zum Schäumen notwendige Schaumnukleierungsmittel ein passives aus Talkum bestehendes oder Talkum enthaltendes Mittel und/oder ein aktives Schaumnukleierungsmittel, insbesondere ein chemisches Treibmittel, das auf exothermer Zersetzungsreaktion beruht, wie Zitronensäure oder Bikarbonat. Nach dem Aufschmelzen und Vermischen des Materialgemisches wird mindestens ein Treibmittel/Treibgas in die aufgeschmolzene und vermischte Schmelze ein dosiert, welches beim Übergang vom Flüssig- in den Gaszustand der Schmelze beim Aufschäumen Wärme entzieht. Nach dem Untermischen des Treibmittels/Treibgases, wird die resultierende Masse während des Extrudierens im selben oder einem oder mehreren sich anschließenden Extrudern gekühlt und anschließend mittels einer Runddüse zu einem ringförmigen Schaumkörper verarbeitet. Dabei wird die Art/Menge des Treibmittels und ggf. die Art/Menge des Schaumnukleierungsmittels so ausgewählt werden, dass die Schaumbildung möglichst nahe am Extrusionswerkzeugaustritt – sowohl vor als auch nach dem Austritt – stattfindet. Nach dem Austritt aus der Runddüse wird der entstehende Schaumkörper mittels Aufblasen durch Innenluft aufgeweitet und über mittels eines Abzuges über einen Kühldorn gezogen, aufgeschnitten und dann auf Wicklern zu Schaumbahnrollen aufgewickelt.
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Derartige Verfahren werden weit verbreitet angewandt.
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Nun wird die erhaltene Schaumbahn über einen ausreichenden langen Zeitraum gelagert, in welchen ein mindestens zweites Treibmittel/Treibgas in die Zellen der Schaumbahn eindiffundiert ist bevor das originäre Treibmittel/Treibgas aus diesen ausdiffundiert ist. Jetzt kann die abgelagerte Schaumbahn weiterverarbeitet werden, indem sie auf eine Temperatur unterhalb der Aufschmelztemperatur derselben erwärmt wird, so dass die Schaumbahn durch die Expansion des originär enthaltenen sowie zusätzlich eindiffundierten Treibmittels/Treibgases bei gleichzeitig reduzierter Materialfestigkeit durch die Erwärmung in der Dicke um mindestens 60% nachexpandiert.
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Die erhaltenen, resultierenden Schaumbahnen können zur Erzielung größerer Gesamtdicken als Mehrschichtverbund zusammengeführt werden, um etwa eine Dämmplatte zu bilden. Dies ist jedoch bei gewellten Schaumbahnen nicht möglich bzw. führt zu einem instabilen Mehrschichtverbund.
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In der Hauptsache werden extrudierte Dämmplatten („XPS Platten”) jedoch als Schaumplatte über Austritt aus einer Breitschlitzdüse mit anschließender Dickeneinstellung in einem Kalibrator hergestellt, da mit diesem Produktionsprinzip Dichten bis hinunter 27 kg/m3 hergestellt werden können, im UCI-Prozess sogar bis hinunter 25 kg/m3.
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Werden hingegen Schaumbahnen zwischen 2 und 5 mm Dicke extrudiert, so treten bei bekannten Verfahren unterhalb einer Schaumdichte von 45 kg/m3 starke Wellenbildungen auf. Eine Nachexpansion der Schaumbahn in einem Nachschäumofen/Thermoformer erhöht die Welligkeit der resultierenden Schaumbahn noch. Derart wellige, resultierende Schaumbahnen lassen sich nicht form- und kraftschlüssig zusammenfügen. Deshalb können bis jetzt nur Schaumbahnen oder resultierende Schaumbahnen mit höheren Dichten zusammengefügt werden. Trotz Nachexpansion und der damit verbundenen Dichtereduktion von resultierenden Schaumbahnen sind Dichten von Dämmplatten aus zusammengefügten, resultierenden Schaumbahnen kleiner 35 kg/m3 bisher nicht möglich sind, weshalb dieses Verfahren erhöhte Materialkosten mit sich bringt.
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Die Druckschrift
EP 0 444 224 A1 beschreibt eine Einrichtung an einem Düsenlippen-Ringspalt eines Extruderkopfes, die es ermöglicht, die Ringspalt-Größe zwischen dem inneren Lippenteil und dem äußeren Lippenteil auf die gewünschte Dicke der zu extrudierenden Materialbahn einzustellen. Eine lösbare Verbindung, die an einer Endseite der äußeren Düsenlippe ansitzt, ist über einen Druckschlauch mit einer Hydraulikpumpe verbunden und ist hydraulisch verstellbar.
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Die Druckschrift
DE 22 54 687 C3 beschreibt eine Vorrichtung, die hinter einer Auspressöffnung einen kühlen Gasstrom auf das extrudierte Material richtet. Die Vorrichtung weist hierzu eine Vielzahl von einzeln regulierbaren Düsen auf.
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Die Druckschrift
DE 20 50 969 B2 beschreibt ein Verfahren, mittels dem ein Rippenmuster zwischen den Außenschichten einer Verbundplatte geändert werden kann. Mittels einer Drehbewegung der Strangpressdüse kann der extrudierte Schlauch in seiner Achsrichtung verdreht werden oder alternierend in beide Umfangsrichtungen bewegt werden.
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Die Druckschrift
DE 39 39 986 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern, wobei der Anteil an R22 im Treibmittel mindestens 50% beträgt, dem 1 bis 10 Gew.-% Ammonium-Bicarbonat zugeordnet ist.
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Die Druckschrift
DE 38 35 638 A1 betrifft einen Dämmstoff, der zum Vorschäumen bei 95°C bis 110°C überexpandiert wird, wodurch das Material bei Abgabe aus dem Vorschäumbehälter um 10% bis 50% schrumpft. Bei einer Nachexpansion unter Luftzufuhr wird das Material zwischengelagert.
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Die Druckschrift
DE 31 26 125 C1 beschreibt eine Vorrichtung zum Herstellen von Folien aus expandierbarem Kunststoff mit einer Schneckenstrangpresse. Die Spaltgröße einer Ringdüse ist durch axiales Verschieben eines zentralen Verdrängungsdornes einstellbar. Es sind ein der Ringdüse nachgeordneter gekühlter Kalibrierdorn sowie eine folgende Schneidvorrichtung und eine Flachlegevorrichtung vorgesehen. Der Verdrängungsdorn ist stirnseitig mit einer den Kalibrierdorn durchdringenden Hülse verbunden, die in axialer Richtung verschiebbar ist.
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Die Druckschrift
US 5 286 429 A beschreibt eine Extrudervorrichtung mit einer inneren und einer äußeren Lippe einer Düse. Es ergibt sich eine Schmelzelücke für definiertes Aufschäumen. Es bestehen ferner Passagen für Kühlflüssigkeiten. Diese Passagen sind als Kühlkanäle ausgebildet, um das Schaumprodukt bei der Entstehung zu kühlen.
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Bei geringen Dichten tritt bei bekannten Verfahren eine starke Wellenbildung auf, während höhere Dichten zu unerwünscht hohen Materialkosten führen. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzusehen, mit dem sich Schaumbahnen herstellen lassen, die eine geringe Dichte und eine reduzierte Welligkeit aufweisen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die oben genannte Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren und durch ein erfindungsgemäßes Schaumkörperprodukt gemäß den beigefügten Ansprüchen.
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Es wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer extrudierten Schaumbahn vorgesehen. Hierbei wird ein Extrudat durch eine Runddüse geführt. Hierzu wird vorzugsweise ein Extruder verwendet, dessen Austrittswerkzeug, beispielsweise in Form einer Runddüse, einen in sich geschlossenen Spalt aufweist. Durch diesen Spalt wird das Extrudat gepresst. Die vorzugsweise als Austrittswerkzeug verwendete Runddüse weist einen runden, ovalen oder vorzugsweise kreisförmigen Spalt auf, durch den das Extrudat geführt wird.
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Bei Austritt des Extrudats aus dem Austrittswerkzeug dehnt sich dieses durch die Druckabnahme des Außendrucks an dem Spalt aus, wodurch das Extrudat zu einem Schaumkörper aufgeschäumt wird. Zur Einstellung von Eigenschaften sowie zur Steuerung des Schäumens, das nach dem Austritt aus dem Spalt auftritt, wird der austretende Schaumkörper gekühlt. Die Kühlung sowie die Stärke der Druckabnahme und die Konzentration eines Treibmittels in dem Extrudat steuert maßgeblich die Schichtdicke des austretenden Schaumkörpers. Der Querschnitt des austretenden Schaumkörpers entspricht einer geschlossenen Kurve und entspricht insbesondere dem umfänglichen Verlauf des Spalts des Austrittswerkzeugs.
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Der Schaumkörper, der sich durch die Führung des Extrudats durch die Runddüse ergibt, wird zu einem ringförmigen Schaumkörper mit einer Schichtdicke von >= 1,5 mm mittels einer Innenkühlungsströmung im Inneren des Schaumkörpers aufgeblasen und gekühlt. Die Schichtdicke des Schaumkörpers wird durch die Wärmeabfuhrrate der Innenkühlungsströmung, sowie durch die Aufweitung durch das Aufblasen bestimmt. Die Schichtdicke wird somit durch die vorgenannten Parameter gesteuert und beträgt vorzugsweise mindestens 1,2 mm, mindestens 1,5 mm, mindestens 1,8 mm, mindestens 2 mm oder mindestens 2,5 mm.
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Die Innenkühlungsströmung wird nahe der Düse in das Innere des Schaumkörpers geführt. Insbesondere wird die Innenkühlungsströmung an oder nahe der Düse in das Innere des Schaumkörpers eingeführt. Die Innenkühlungsströmung wird insbesondere in das Innere des austretenden Extrudats geführt, wodurch dieses erst zu einem Schaumkörper wird. Daher kann das austretende Extrudat an dieser Stelle des Herstellungsverfahrens auch als Schaumkörper bezeichnet werden, Die Innenkühlungsströmung führt Wärme von der Innenseite des Schaumkörpers ab und ist mit Überdruck vorgesehen, um den Schaumkörper durch Aufblasen aufzuweiten.
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Erfindungsgemäß wird über einen Feinjustiermechanismus an der Runddüse die Gewichtstoleranz des Schaumkörpers entlang dessen Umfang mit einer Toleranz von maximal +–2% einjustiert. Die Toleranz bezieht sich auf eine Schwankung des flächenbezogenen, punktuellen Gewichts entlang des Umfangs des Schaumkörpers. Die erfindungsgemäße Toleranz wird erreicht durch Einstellen eines Feinjustiermechanismus. Mit diesem wird die Spaltbreite der Runddüse in einer Vielzahl von umfänglichen Abschnitten gemäß einem konstanten, vorgegebenen flächenbezogenen Gewicht individuell eingestellt. Der Feinjustiermechanismus umfasst eine Vielzahl von Stellgliedern, die die Spaltbreite des Austrittswerkzeugs an einer Vielzahl von Abschnitten entlang des Umfangs des Spalts (d. h. entlang der Verlaufsrichtung des Spalts) bestimmen. Die Abschnitte und/oder die Stellglieder sind vorzugsweise gleichmäßig entlang des Spalts verteilt und gleichmäßig umfänglich zueinander beanstandet. Die Abschnitte sind insbesondere gleich lang. Die Stellglieder können jeweils durch einen Schraubmechanismus, durch Bolzen mit wärmeabhängiger Länge und/oder durch pneumatische oder hydraulische Aktoren vorgesehen sein. Die Spaltbreite in den Abschnitten wird jeweils durch Einstellen eines individuellen Abstands des betreffenden Stellglieds eingestellt. Es können mindestens 8, mindestens 10, mindestens 12, und vorzugsweise mindestens 16, mindestens 20, mindestens 25, mindestens 30, mindestens 35, mindestens 40, mindestens 45 oder mindestens 50 individuelle Stellglieder entlang des Umfangs des Spalts des Austrittswerkzeugs vorgesehen sein. Die Stellglieder erstrecken sich vorzugsweise radial zum Umfang des Spaltes.
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Das Austrittswerkzeug umfasst eine Außenlippe, an der die Stellglieder vorgesehen sind, und deren Verlauf mit den Stellgliedern eingestellt bzw. feinjustiert werden kann. Der umfängliche Verlauf der Außenlippe definiert den Spaltverlauf. Das Extrudat wird an der Außenlippe vorbeigeführt. Die Außenlippe ermöglicht durch Flexibilität des Materials der Außenlippe eine Verformung durch die Stellglieder.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Schaumkörper von außen mittels einer Außenkühlung gekühlt wird. Insbesondere wird der Schaumkörper an einem Längsabschnitt gekühlt, an dem die Innenkühlungsströmung das Innere des Schaumkörpers kühlt. Der Bereich der Kühlung durch die Innenkühlungsströmung überschneidet sich somit mit dem Bereich der Außenkühlung. Insbesondere fällt der gesamte Bereich der Außenkühlung in den Bereich der Kühlung durch die Innenkühlungsströmung.
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Die Außenkühlung kann vorgesehen werden durch Wärmeabfuhr mittels unterstützter Wärmeabstrahlung, durch Strömung eines Kühlungsfluids, insbesondere ein Gas, beispielsweise Luft, wobei die Strömung an der Außenseite des Schaumkörpers vorbeigeführt wird. Die Außenkühlung kann vorgesehen werden durch Kontakt mit einem gasförmigen, flüssigen, oder festen Wärmeabfuhrmedium. Hierbei ist ein gasförmiges oder flüssiges Wärmeabfuhrmedium als Strömung vorgesehen. Ein festes Wärmeabfuhrmedium kann als gekühlte Fläche, insbesondere als Innenfläche eines Festkörpers vorgesehen sein, beispielsweise ein Kühlring, der die Innenfläche vorsieht. Die gekühlte Fläche bzw. Innenfläche ist starr ausgebildet und ist gemäß einer gewünschten geometrischen Größe des Schaumkörpers ausgebildet, insbesondere gemäß einem gewünschten Durchmesser, sowie gemäß einer gewünschten Form, etwa der Form des Spalts des Austrittswerkzeugs. Bei fluiden Wärmeabfuhrmedien bestimmen die Strömungsgeschwindigkeit, die Strömungsverteilung und die Dichte der Strömung des Wärmeabfuhrmediums die Form und die Größe des entstehenden Schaumkörpers.
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Eine zusätzliche Kühlung kann durch mindestens einen Kalibrierungsdorn vorgesehen sein, der durch Kontaktkühlung und/oder durch Strömungskühlung die Innenseite des Schaumkörpers kühlt. Der Kalibrierungsdorn kann ferner den Schaumkörper ausweiten. Die zusätzliche Kühlung durch den Kalibrierungsdorn findet nach der Kühlung durch die Innenkühlungsströmung und vorzugsweise auch nach der Außenkühlung statt.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass über die der Innenkühlungsströmung gegenüberliegende Außenkühlung die Dickentoleranz über die Breite der Schaumbahn maximal +–3,5% ist. Insbesondere aufgrund der Außenkühlung weist der Schaumkörper trotz einer Dichte <= 45 kg/m3 im Wesentlichen keine Wellenbildung auf. Bei Verfahren gemäß dem Stand der Technik ergab sich bislang ab einer Dichte von mindestens 45 kg/m3 eine substantielle Welligkeit, die einer Verarbeitung als Verbundstruktur entgegenstand. Die angegebene Dickentoleranz entspricht einer maximalen relativen Schwankung der Dicke des Schaumkörpers entlang dessen Umfang bezogen auf die durchschnittliche Dicke.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Innenkühlungsströmung mittels mindestens einer Kühlungsdüse in dem Inneren des Schaumkörpers erzeugt wird, wobei die Innenkühlungsströmung nicht auf die Runddüse gerichtet oder an der Runddüse entlang geführt wird, wobei durch die Position der Kühlungsdüse gegenüber der Runddüse, durch die Ausrichtung der Kühlungsdüse gegenüber der Runddüse und/oder mittels eines Strömungsführungselements, insbesondere einer Prallplatte oder eines Diffusors, die Innenkühlungsströmung nicht in Kontakt mit der Runddüse kommt. Desweiteren wird über gleichmäßig über den Umfang verteilte Innenströmungsluftauslassöffnungen die Luftströmung vergleichmäßigt. Die Homogenisierung kann durch eine Drehbewegung der Kühlungsdüse noch weiter verbessert werden. Dadurch wird die Runddüse nicht unerwünscht inhomogen gekühlt. Es ergibt sich eine homogenere umfängliche Temperaturverteilung der Runddüse, die eine deutlich reduzierte Gewichtstoleranz des austretenden Schaumkörpers und damit einhergehend geringere Wellenbildung zur Folge hat.
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Insbesondere wird der Schaumkörper nach der Außenkühlung und nach der Kühlung durch eine Innenkühlung, die von einer Innenkühlungsströmung vorgesehen sein kann, über einen Kalibrierungsdorn geführt, der den Schaumkörper aufweitet. Hierzu wird der Kalibrierungsdorn und insbesondere dessen Außenfläche gekühlt, beispielsweise durch ein Kühlungsmedium, das dem Kalibrierungsdorn zugeführt wird.
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Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass eine Innenseite des Schaumkörpers von dem Kalibrierungsdorn durch Kontaktierung einer gekühlten Außenseite des Kalibrierungsdorns und/oder durch einen von dem oder vor dem Kalibrierungsdorn abgegebenen Luftstrom gekühlt wird.
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Durch Führen des Extrudats durch die Runddüse erhält der Schaumkörper eine umfänglich geschlossene Hohlform. Die Hohlform wird nach dem Kühlen durch die Außenkühlung und der Innenkühlungsströmung in Längsrichtung des Schaumkörpers aufgeschnitten. Insbesondere wird der Schaumkörper nach dem Kühlen durch den Kalibrierungsdorn aufgeschnitten. Der Schaumkörper wird in Längsrichtung aufgeschnitten, wodurch dessen umfänglich geschlossene Form in eine flache, ebene oder gebogene, offene Form überführt werden kann, der Schaumbahn. Der Schaumkörper wird über einen oder mehrere Kalibrierdorne zur weiteren Innenkühlung und Fixierung des Umfanges des Schaumkörpers geführt. Das Führen über die Kalibrierdorne wird vorzugsweise vor dem Aufschneiden ausgeführt.
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Ein weiterer Aspekt des Verfahrens ist es, nach dem Aufschneiden mindestens zwei aufgeschnittene Schaumkörper zu einem Mehrschichtverbund kraft- und formschlüssig zusammenzufügen. Die Dicke des Mehrschichtverbunds beträgt vorzugsweise mindestens 3 mm. Als Fügeschritt eignen sich Schweiß- oder Klebeschritte, mit denen die aufgeschnittenen Schaumkörper verbunden werden. Nach dem Zusammenfügen kann der Mehrschichtverbund dauerhaft verformt werden. Ferner kann vor oder nach dem Schneiden der Schaumkörper verformt werden, wobei das Verformen vor dem Zusammenfügen ausgeführt wird. Die aufgeschnittenen Schaumkörper können vor dem oder nach Zusammenfügen nicht flach bzw. nicht eben sein. Insbesondere kann der Mehrschichtverbund nicht flach bzw. nicht eben sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass der aufgeschnittene Schaumkörper nach der Außenkühlung und nach der Kühlung mittels der Innenkühlungsströmung in eine ebene Form überführt wird oder gemäß einer vorgegebenen, gebogenen Kontur dauerhaft als Einzelschicht oder als Mehrschichtverbund verformt wird.
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Ein weiterer Aspekt des Verfahrens sieht vor, dass in das Extrudat vor dem Führen des Extrudats durch die Runddüse ein Gas unter Druck zugeführt wird. Das Gas kann vor allem als Gasgemisch vorliegen. Das Gas kann ein Wärmeisolationsgas mit einem geringeren Wärmeleitwert als Luft aufweisen.
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Ein derartiges Wärmeisolationsgas kann ein Gas sein, wie es in Klimaanlagen verwendet wird. Beispielsweise ist das Wärmeisolationsgas ein Gas für Klimaanlagen 2., 3. oder 4. Generation, z. B. 142b (Wärmeleitwert 12,9 mW/m2K) oder R22 (Wärmeleitwert 10,5 mW/m2K) oder 134a (Wärmeleitwert 13,7 mW/m2K) oder 152a (Wärmeleitwert 14,3 mW/m2K) oder HFO-1234ze (Wärmeleitwert 11,8 mW/m2K).
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Als Treibmittel bzw. Wärmeisolationsgas kann Kohlendioxid, Propan, Butan, Pentan, Hexan, Äthanol, Propanol, Ether, Aceton, Stickstoff, Wasser oder eine Mischung mindestens zweier dieser Gase eingesetzt werden.
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Das Extrudat umfasst einen synthetischen oder naturbasierten Kunststoff, insbesondere Polystyrol, Polypropylen oder Polyethylentherephthalat. Alternativ besteht das Extrudat im Wesentlichen aus dem Kunststoff, insbesondere aus Polystyrol, Polypropylen oder Polyethylentherephthalat. Als weitere Bestandteile des Extrudats eignen sich insbesondere das in der Beschreibungseinleitung beschriebene Gemisch bzw. die dort beschriebenen Stoffe. Ebenso werden erfindungsgemäß vorzugsweise die in der Beschreibungseinleitung erwähnten Schritte zur Darstellung und Vorverarbeitung des Extrudats ausgeführt.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Schaumware aus mindestens einem Schaumkörper hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche. Dieses weist als Eigenschaft, die sich inhärent aus dem Herstellungsverfahren ergibt, eine vernachlässigbare Welligkeit bei geringer Dichte auf. Bei einer Schaumware, die einen Mehrschichtverbund betrifft oder einen solchen umfasst, weist der Mehrschichtverbund mehrere im Schichtverbund vorliegende, aufgeschnittene Schaumkörper auf. Aufgrund der vernachlässigbaren Welligkeit sind die aufgeschnittenen Schaumkörper belastbar miteinander verbunden, so dass der Mehrschichtverbund mechanisch belastbar ist, ohne die strukturelle Integrität zu verlieren. Gleichzeitig ist der Mehrschichtverbund mit einer geringen Dichte vorgesehen, die sich aus dem Verfahren ergibt.
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Eine Vorrichtung zur Formung von aufgeschnittenen Schaumkörpern oder Schaumware, umfasst zumindest teilweise die im Rahmen der Beschreibung des Verfahrens genannten Komponenten.
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Die Besonderheit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass die Innenluft nicht mehr gegen die Düse geblasen wird und dadurch keine lokalen Temperaturinhomogenitäten hervorruft. Dieses, sowie die weitere Besonderheit dieses Verfahrens, nämlich ein Feinjustiermechanismus der Düsenlippe, ermöglicht das Einstellen einer Gewichtstoleranz des Schaumkörpers über die Breite von <= 2 Gew.-%. Einer Innenkühlung durch einen Innenkühlungsstrom steht hierbei eine Außenkühlung entgegen (d. h. die betreffenden Bereiche liegen sich gegenüber), welche die Außenseite des Schaumkörpers kühlt. Mittels Feineinstellung der Luftmenge bzw. Kühlleistung und insbesondere der Spaltdicke entlang des Umfangs des Spalts wird eine Dickentoleranz über der Breite des aufgeschnittenen Schaumkörpers bzw. der Schaumbahn von maximal +–3,5% erzielt. Die Schaumbahn und folglich auch die nachexpandierte, resultierende Schaumbahn weist keine Wellenbildung mehr auf, selbst bei dicken Schaumbahnen über 1,5 mm und/oder leichten Schaumbahnen <= 45 kg/m3. Da bereits der aus der Düse austretende Schaumkörper geringere Welligkeit besitzt, wirken die folgenden Kühlungsprozesse homogener auf den entstehenden Schaumkörper ein, der folglich keiner Wellenbildung unterliegt.
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Es kann insbesondere eine Nachexpansion durchgeführt werden, um eine geringere Dichte der daraus resultierenden Schaumbahn zu erhalten. Das Nachexpandieren wird an der Schaumbahn oder der Schaumware (bzw. dem Schaumkörperprodukt) ausgeführt. Hierbei wird die Schaumbahn oder die Schaumware aufgeheizt. Die Temperatur ist derart gewählt, dass die Schaumbahn bzw. Schaumware plastisch verformbar ist, aber noch nicht aufschmilzt, so dass die Zellen der Schaumbahn bzw. Schaumware nicht aufplatzen und nicht zerstört werden. Während des Nachexpandierens vergrößern sich die Zellen bzw. Blasen der Schaumbahn bzw. der Schaumware. Dies ist dadurch möglich, dass vor der Nachexpansion eine Zwischenlagerung stattfindet, in welcher ein weiteres Gas, bevorzugt Umgebungsluft, in die Zellen bzw. Blasen der Schaumbahn bzw. Schaumware ein diffundiert. Die Zwischenlagerung dauert 1 Stunde bis 9 Monate, vorzugsweise bei Atmosphäre.
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Das Zwischenlagern wird bei einer Temperatur von –20°C bis 60°C ausgeführt. Das nun in den Zellen vorhandene Gasgemisch aus ursprünglichem Treibgas sowie zusätzlich ein diffundiertem weiteren Gas expandiert nun bei Erwärmung und fuhrt durch eine Addition der Partialdrücke der einzelnen Gase zu einem resultierenden Überdruck in jeder Zelle, der die Zelle dann aufbläht.
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Die nachexpandierten, resultierenden Schaumbahnen, die erfindungsgemäß hergestellt werden, haben eine Dichte von weniger als 25 kg/m3, insbesondere eine Dichte zwischen 10 und 22 kg/m3. Dies gilt insbesondere für resultierende Schaumbahnen im Mehrschichtverbund bzw. für resultierende Schaumware bzw. resultierende Schaumwaren, die erfindungsgemäß hergestellt sind. Die in diesem Dokument dargelegten Dichteangaben beziehen sich vorzugsweise auf resultierende Schaumbahnen oder resultierende Schaumware, die mittels Nachexpandieren behandelt wurde.
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Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass auch nach einer Zwischenlagerung nach einer Nachexpansion durch Temperaturzuführung um >= 70% der Ausgangsdicke, also auf die mindestens 1,7-fache Dicke, keine Wellenbildung der resultierenden Schaumbahn bzw. der resultierenden Schaumware auftritt. Die als resultierender Mehrschichtverbund ausgeführte erfindungsgemäße resultierende Schaumware weist eine Dichte kleiner als 25 kg/m3 auf, typischerweise zwischen 10 und 22 kg/m3. Die Dichte betrifft einen Zustand, bei dem schwerere, nicht bzw. kaum geschäumte Oberflächenhaut nicht abgetragen wurde.
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Die erfindungsgemäße Schaumware oder resultierende Schaumware kann als Mehrschichtverbund vorgesehen sein, wobei die Schaumware oder resultierende Schaumware als zusammengefügte Dämmware vorgesehen wird und flächig bzw. eben ist. Ferner entspricht sie den genormten Dickentoleranzstandards von Dämmstoffen (DIN 18164). Je nach Einsatzgebiet müssen des weiteren die entsprechenden Normen eingehalten werden. Für den Einsatz im Dachbereich sind dies DIN 52612 oder ASTM C 518 (Wärmeleitfähigkeit), DIN 53421 oder ASTM D 1621 (Druckfestigkeit), ASTM D 2842 (Wasseraufnahme) oder/und ASTM C 355 (Wasserdampfpermeation). Als Einsatz im Wandbereich sind dies DIN 52612 oder ASTM C 51 B. (Wärmeleitfähigkeit), DIN 53421 oder ASTM D 1621 (Druckfestigkeit), ASTM D 2842 (Wasseraufnahme) oder/und ASTM C 355 (Wasserdampfbarriere). Für den Einsatz im Bodenbereich sind dies DIN 52612 oder ASTM C 518 (Wärmeleitfähigkeit), DIN 52612 oder ASTM D 1621 (Druckfestigkeit) oder/und ASTM D 2842 (Wasseraufnahme).
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Die als Mehrschichtverbund ausgeführte erfindungsgemäße Schaumware oder resultierende Schaumware weist bei Verwendung eines Wärmeisolationsgases einen Wärmeleitwert von <= 28 mW/m2K, insbesondere von <= 24 mW/m2K auf.
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Aufgrund des oben vorgestellten, hier entwickelten Verfahrens, tritt sogar nach der Nachexpansion die typische Wellenbildung bei diesem Herstellungsverfahren nicht auf. Wird im Thermoformer/Nachschäumer durch eine Expansion auf die doppelte Dicke die Dichte noch einmal halbiert, so kann diese auf Werte unter 20 kg/m3 verringert werden – ohne die Welligkeit wie sie bisher bei der Schaumbahnenextrusion auf Runddüsen unvermeidbar ist. Somit können mindestens zwei dieser Schaumbahnen kraft- und formschlüssig zusammengefügt werden. Aufgrund des hier beschriebenen Verfahrens kann der resultierende Mehrschichtverbund damit eine Dichte weniger 25 kg/m3 aufweisen, ohne vorher durch Abtragen der schwereren Oberflächenschichten die Dichte zu erniedrigen.
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Wird als Fügeverfahren bei der Bildung der Verbundstruktur nun sogar z. B. ein Schweißverfahren wie z. B. das Quelllaserschweissen angewendet, so reduziert sich die Dichte jeder Schaumbahn noch mehr, da im Bereich bis 1 mm der jeweiligen Schaumbahnoberfläche eine weitere Expansion bzw. Nachexpanion der Schaumbahn mit anschließender Verschmelzung stattfinden kann. Derartige Fügeverfahren waren mit Schaumbahnen nach dem Stand der Technik aufgrund der Welligkeit nicht möglich.
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Aufgrund der geringen Dichte und der resultierenden geringen Materialkosten sind die erfindungsgemäß erzeugten Schaumwaren in der Herstellung mit Dämmwaren wie EPS – Partikelblockschaum, Steinwolle oder Mineralwolle vergleichbar hinsichtlich der Kosten
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Im Anwendungsfall der Wärmeisolierung reduziert der Einsatz der sogenannten „Klimaanlagengase” (d. h. der Gase, die auch in Klimaanlagen verwendet werden) als Treibmittel/Treibgas zur Herstellung der Schaumbahnen nun jedoch den Wärmeleitwert auf tlw. deutlich unter 30 mW/m2K – und damit auf bessere Werte als die am Markt etablierte Dämmungen (schwarzer EPS Partikelblockschaum >= 32 mW/m2K, weißer EPS Partikelblockschaum >= 40 mW/m2K, Mineralwolle >= 36 mW/m2K). Somit ergibt neben der erfindungsgemäß erhaltenen, reduzierten Dichte auch eine deutlich erhöhte Wärmeisolationsfähigkeit gegenüber Dämmwaren nach dem Stand der Technik.
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Setzt man die 4. Generation der „Klimaanlagengase” (wie z. B. Honeywell HFO-1234ze) ein, so kann der Wärmeleitwert für erfindungsgemäß erzeugte Schaumwaren sogar unter 28 mW/m2K sinken.
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Damit wird mit dieser Schaumware eine sehr leichte und damit kostengünstige Dämmware verfügbar, welche mit sehr guten Wärmeleitwerten deutlich geringere Dicken zum Einstellen eines bestimmten Dämmwertes benötigt als die heutigen am Markt verfügbaren Dämmwaren.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert.
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Es zeigt;
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1 eine Schemadarstellung einer Vorrichtung zur Ausführung und zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Detaillierte Figurenbeschreibung
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Die 1 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung von Schaumkörpern, insbesondere eine Schaumextrusionsbahnanlage, mit zwei Extrudern und einer Rollenzwischenlagerung. Ferner umfasst die in 1 dargestellte Vorrichtung ein Modul zur Nachexpansion der einzelnen Schaumkörper bzw. Schaumbahnen und eine Fügestation zum Fügen von Schaumkörper bzw. Schaumbahnen zu einer Mehrschichtschaumbahn bzw. einem Mehrschichtverbund.
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Die in 1 schematisch dargestellte Vorrichtung besitzt einen ersten Extruder 1 mit einem entsprechenden Antrieb 2 und einen zweiten Extruder 7 mit einem entsprechenden Antrieb 8. Über einen Eingabetrichter 3 wird das Ausgangsmaterial, d. h. die Eduktkomponenten des Extrudats, im Gemisch mit einem Schaumnukleierungsmittel und optional mit einem oder mehreren Additiven in den Extruder 1 eingeführt. Durch Rotation der Extruderschnecke und Aufheizen wird das eingeführte Materialgemisch verdichtet und aufgeschmolzen. Über eine oder mehrere geeignete Beschickungseinrichtungen 4 wird ein Treibmittel/Treibgas oder Treibmittelgemisch/Treibgasgemisch, beispielsweise ein Gemisch aus Ethanol und Tetrafluorpropen, in die Schmelze eingeführt. Die aufgeschmolzene Masse gelangt durch einen geeigneten, optionalen Filter 5 und eine Überführungsleitung 6 in den zweiten Extruder 7.
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Der erste Extruder 1 sieht eine Vorverarbeitung des Extrudats vor, und der nachfolgende zweite Extruder 7 führt das Extrudat durch ein Austrittswerkzeug 10, um eine Schaumbahn und nachfolgend einen Schaumkörper zu erzeugen.
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Das aus dem ersten Extruder abgegebene Material, d. h. das Extrudat, wird im Extruder 7 weitergefördert und dabei gekühlt. Während der Kühlphase im zweiten Extruder 7 wird die aufgeschmolzene Masse mit Hilfe von Kühlwasser oder einem anderen Kühlmedium gekühlt, das über einen Kühlwasserbehälter oder Temperierer 9 dem Extruder zur Kühlung des Extruderzylinders zu- und abgeführt wird. Eine entsprechende Kühlung der Masse ist von Bedeutung, um beim nach Verlassen des Extruders erfolgenden Aufschäumvorgang moderate Verhältnisse zu erzielen und ein zu abruptes Entweichen des Treibmittels/Treibgases zu verhindern. Es wird über ein geeignetes Austrittswerkzeug 10 in Form einer Runddüse das Extrudat in Form eines Schlauches mit ringförmigen bzw. kreisförmigen Querschnitt abgegeben, wobei das Extrudat nach dem Austritt aus der Runddüse infolge der entstehenden Druckentlastung aufgeschäumt wird, indem das Treibmittel/Treibgas vom flüssigen in den volumenmässig größeren Gaszustand übergeht.
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Der zylindrische Schaumkörper wird nun mittels Innenluft bzw. mittels einer Innenkühlungsströmung 12 (Luft) aufgeblasen und über einen runden, gekühlten Kalibrierdorn 14, über einen Kalibrierring oder über Kalibrierringe gezogen, nachdem die Außenseite des Schaumkörpers etwa durch einen Luftring oder Kontaktring 11 abgekühlt wurde. Der Kontaktring sieht eine gekühlte Innenfläche bzw. Kontaktfläche vor. Über einen weiteren Luftring 13 erfolgt optional eine weitere Kühlung des erhaltenen Schaumkörpers.
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Hinter dem Kühldorn wird der runde Schaumkörper aufgeschnitten und zu einer Schaumbahn flach gelegt. Die gekühlte Schaumbahn 15 wird mittels eines Abzuges 16 zu einer Wicklungsstation 17 geführt und dort zu Rollen aufgewickelt. Die erhaltenen Schaumbahnrollen 18 werden in einem Rollenlager gelagert, und zwar über eine ausreichende Zeitdauer, um das Eindiffundieren eines zweiten Treibmittels/Treibgases in die Zellen bzw. Blasen der Schaumbahn zu ermöglichen. Nach der gewünschten Lagerzeit werden die Schaumbahnrollen 18 in eine Abwickeleinheit 19 geführt und dort wieder zu einer Schaumbahn abgewickelt. Die entsprechende Schaumbahn wird dann einer Formstation zugeführt, die sich aus einem Heizabschnitt 20 und einer Fügestation 21 zusammensetzt. Durch das Erwärmen der Schaumbahn im Heizabschnitt 20 erfolgt ein Nachschäumvorgang, der zu einer Dickenerhöhung der Schaumbahn und damit zu einer Dichtereduzierung der Schaumbahn führt. Die erhaltene, nun zusätzlich aufgeschäumte, resultierende Schaumbahn wird danach mit einer geeigneten Fügevorrichtung mit mindestens einer weiteren nachexpandierten, resultierenden Schaumbahn zu einem Mehrschichtverbund 22 zusammengefügt.
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Das Eindiffundieren des weiteren Treibmittels/Treibgases erfolgt im Austausch mit dem ersten Treibmittel/Treibgas bzw. Treibmittelgemisch/Treibgasgemisch während der Zwischenlagerung der Schaumbahnrollen 18. Es muss dafür Sorge getragen werden, dass das zweite Treibmittel/Treibgas, vorzugsweise Luft, in ausreichender Weise in das Material eindiffundieren kann, um den gewünschten Nachschäumprozess beim erneuten Erwärmen der Schaumbahn in der Formstation zu ermöglichen.
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Hierbei muss verhindert werden, dass zu viel des originären Treibmittels/Treibgases bzw. Treibmittelgemisches/Treibgasgemisches bereits aus der Schaumbahn ausdiffundiert ist, da sich ansonsten keine ausreichend hohe Nachexpansion und damit Dichtereduktion ergibt.
