DE102012001108A1

DE102012001108A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von mit Fasern versetzten Polymerschäumen

Info

Publication number: DE102012001108A1
Application number: DE201210001108
Authority: DE
Inventors: Alexander Roch; Timo Huber; Christian Anselmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2013-07-25

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von mit Fasern versetzten Polymerschäumen vorgeschlagen, indem ein thermoplastisches Polymer einer Plastifiziereinheit aufgegeben und mittels einer Schnecke in dieser gefördert und in einen plastifizierten Zustand überführt wird. Der Plastifiziereinheit werden an einem Axialabschnitt derselben, an welchem das Polymer in einem plastifizierten Zustand vorliegt, die Fasern aufgegeben und in das plastifizierte Polymer eingebracht. Ferner wird dem Polymer ein Treibmittel zugesetzt. Das Treibmittel wird erfindungsgemäß direkt der Plastifiziereinheit zugesetzt, wobei entweder ein physikalisches oder chemisches Treibmittel stromab der Aufgabestelle der Fasern zugesetzt und ein Entweichen/eine Expansion des Treibmittels an der Aufgabestelle der Fasern dadurch verhindert wird, indem zwischen der Aufgabestelle der Fasern und der Aufgabestelle des Treibmittels eine Gasdichtung angeordnet wird, oder ein chemisches Treibmittel wird gemeinsam mit dem Polymer aufgegeben und stromab der Aufgabestelle der Fasern aktiviert, wobei ein Entweichen des Treibmittels an der Aufgabestelle der Fasern dadurch verhindert wird, indem zwischen der Aufgabestelle der Fasern und dem Aktivierungsabschnitt des chemischen Treibmittels eine Gasdichtung angeordnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit Fasern versetzten Polymerschäumen, indem wenigstens ein thermoplastisches Polymer einer Plastifiziereinheit aufgegeben und mittels wenigstens einer Schnecke der Plastifiziereinheit in dieser gefördert und in einen plastifizierten Zustand überführt wird, wobei der Plastifiziereinheit an einem Axialabschnitt derselben, an welchem das Polymer in einem plastifizierten Zustand vorliegt, die Fasern aufgegeben und in das plastifizierte Polymer eingebracht werden, und wobei dem Polymer ferner wenigstens ein Treibmittel zugesetzt wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine insbesondere zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Herstellung von mit Fasern versetzten Polymerschäumen auf der Basis thermoplastischer Polymere, mit einer Plastifiziereinheit mit wenigstens einer Schnecke und einer an einem Axialabschnitt der Plastifiziereinheit angeordneten Aufgabestelle für Fasern.
Thermoplastische Polymere und hieraus durch Expansion von physikalischen Treibmitteln oder von Umsetzungsprodukten chemischer Treibmittel hergestellte Polymerschäume finden verbreitet Verwendung. So werden Polymerschäume häufig zur Isolation gegen Wärme, Schall oder Stoß bei gleichzeitiger Nutzung ihres gegenüber Kompaktmaterialien geringeren Gewichtes eingesetzt. Sie weisen in der Regel eine gute Formbeständigkeit und ein hohes Rückstellvermögen auf, sodass bleibende Verformungen vermieden werden können. Aus Polymerschäumen gefertigte Formteile lassen sich dabei als Platten, als dreidimensionale Formkörper oder als Hohlkörper herstellen. Solche Formteile werden beispielsweise in der Automobilindustrie, z. B. für Innenverkleidungsteile von Kraftfahrzeugen etc., für Möbel, insbesondere Gartenmöbel, für Sportgeräte, für Verpackungs- und Isolationsbehälter und dergleichen verwendet.
Zur Herstellung von Polymerschäumen sind direkte und indirekte Schäumverfahren bekannt. Das indirekte Schäumen umfasst einerseits die Herstellung sogenannter Partikelschäume, indem vorgeschäumte oder mit Treibmitteln versetzte Polymerpartikel mittels einer heißen Gasphase, insbesondere Heißdampf, oder mittels hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im Mikrowellenbereich, unter Zuhilfenahme mikrowellenabsorbierender Medien in einem Formwerkzeug oberflächig verschmolzen werden. Derartige Formteile sind indes zumeist wenig abriebfest und erfordern das wenigstens zweistufige Verfahren einerseits der Herstellung der Polymerpartikel, andererseits deren nachträglichen Verschweißens miteinander in dem Formwerkzeug.
Darüber hinaus ist es zur Herstellung von faserverstärkten Polymer-Schaumteilen bekannt, mit Kurz- oder Langfasern versetzte Polymergranulate einzusetzen, welche einer Plastifizier- und Spritzeinheit einer Spritzgießmaschine aufgegeben werden, deren axial zustellbare Schnecke mit einer endständigen Rückstromsperre ausgestattet ist, um ein Zurückfließen des Plastifikates während des Einspritzvorgangs zu verhindern. Um das Plastifikat aufzuschäumen, wird der Plastifizier- und Spritzeinheit ein physikalisches oder chemisches Treibmittel zugesetzt, welches – im Falle eines chemisches Treibmittels nach Aktivierung desselben unter Freisetzung der Treibgase – nach Einspritzen des Plastifikates in das Formwerkzeug expandiert wird, wodurch das Formteil aufgeschäumt wird, wonach es gänzlich erstarrt. Nachteilig ist einerseits der zwingend notwendige Einsatz von relativ teuren Fasergranulaten, deren Faserlänge zudem durch die Abmessungen der Granulatpartikel begrenzt ist, andererseits werden die Fasern sowohl anlässlich des in der Plastifizier- und Spritzeinheit vonstatten gehenden Dosiervorgangs als auch während des Einspritzvorgangs, bei welchem sie die Rückstromsperre passieren müssen, stark zerkleinert, sodass der Faserlänge in dem fertigen Formteil enge Grenzen gesetzt sind. Andererseits sind in der Regel möglich große Faserlängen erwünscht, welche dem Formteil besser mechanische Eigenschaften, wie insbesondere eine höhere Zähigkeit, verleihen.
Die EP 0 952 908 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Polymerschäumen mittels Spitzgießen, wobei eine Spritzgießmaschine eingesetzt wird, welche einerseits eine Plastifiziereinheit nach Art eines Extruders, andererseits eine dieser nachgeordnete Spritzeinheit in Form eines mit einem Einspritzkolben ausgestatteten Einspritzzylinders aufweist. Zur Herstellung von Polymer-Schaumteilen kann der Plastifiziereinheit ein Treibmittel zugesetzt werden. Sofern feste Additive, wie Füllstoffe, Fasern, Pigmente oder dergleichen, erwünscht sind, können diese dem Aufgabetrichter der Plastifiziereinheit gemeinsam mit dem Rohpolymer aufgegeben werden, wobei sich wiederum das Problem einer relativ starken Zerkleinerung solcher Fasern anlässlich des in der Plastifiziereinheit stattfindenden Extrudiervorgangs stellt, zu dessen Beginn das Rohgranulat plastifiziert werden muss. Entsprechendes gilt für die aus der DE 102 30 331 B3 bekannte Spritzgießmaschine.
Die DE 20 2006 008 764 U1 beschreibt eine weitere Spritzgießmaschine, deren Plastifiziereinheit stromab des zur Aufgabe der zu plastifizierenden Polymere dienenden Aufgabetrichters eine weitere Aufgabestelle aufweist, um dem plastifizierten Polymer Zusatzstoffe, wie Fasern, Pulver, Farbe oder weitere Kunststoffmaterialien, zuzusetzen. Um Schaumteile zu erzeugen, mündet in eine die Plastifiziereinheit mit einem Zwischenspeicher (welcher seinerseits an die Spritzeinheit angeschlossen ist) verbindende Verbindungsleitung nach Art eines Heißkanals eine Aufgabeleitung zum Zusetzen von Treibgas, welches nach Einspritzen des Plastifikates in ein der Spritzeinheit nachgeordnetes Formwerkzeug unter Aufschäumen des zu erzeugenden Formteils expandiert wird. Nachteilig ist einerseits die mangelnde Möglichkeit einer homogenen Einmischung des Treibgases in das Plastifikat stromab der Plastifiziereinheit mit ihrer für eine Mischwirkung sorgenden Schnecke, andererseits stellt sich insbesondere der stromab der Plastifiziereinheit angeordnete Mischer, welcher zum Zusetzen des Treibgases dient, als abträglich für die Faserlänge des fertigen Formteils und somit als nachteilig für faserverstärkte Polymerschaum-Formteile dar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein direktes Verfahren sowie eine hierfür geeignete Vorrichtung zur Herstellung von mit Fasern versetzten Polymerschäumen der eingangs genannten Art auf einfache und kostengünstige Weise dahingehend weiterzubilden, dass die vorgenannten Nachteile zumindest weitgehend vermieden werden.
In verfahrenstechnischer Hinsicht wird diese Aufgabe erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur Herstellung von mit Fasern versetzten Polymerschäumen der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Treibmittel direkt der Plastifiziereinheit zugesetzt wird, wobei entweder

– ein physikalisches oder chemisches Treibmittel stromab der Aufgabestelle der Fasern zugesetzt und ein Entweichen oder eine Expansion des Treibmittels an der Aufgabestelle der Fasern dadurch verhindert wird, indem zwischen der Aufgabestelle der Fasern und der Aufgabestelle des Treibmittels eine Gasdichtung angeordnet wird; und/oder
– ein chemisches Treibmittel gemeinsam mit dem Polymer aufgegeben und das chemische Treibmittel stromab der Aufgabestelle der Fasern aktiviert wird, wobei ein Entweichen oder eine Expansion des Treibmittels an der Aufgabestelle der Fasern dadurch verhindert wird, indem zwischen der Aufgabestelle der Fasern und dem Aktivierungsabschnitt des chemischen Treibmittels eine Gasdichtung angeordnet wird.

In vorrichtungstechnischer Hinsicht sieht die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe bei einer Vorrichtung zur Herstellung von mit Fasern versetzten Polymerschäumen der eingangs genannten Art ferner vor, dass die Plastifiziereinheit ferner eine Aufgabestelle für ein Treibmittel aufweist, welche entweder

– stromab der Aufgabestelle der Fasern angeordnet ist, wobei zwischen der Aufgabestelle der Fasern und der Aufgabestelle des Treibmittels eine Gasdichtung angeordnet ist; und/oder
– von einem Aufgabetrichter zum Aufgeben der thermoplastischen Polymere gebildet ist, wobei die Plastifiziereinheit ferner wenigstens eine stromab der Aufgabestelle der Fasern angeordnete Temperiereinrichtung aufweist, um ein dem Aufgabetrichter zugesetztes chemisches Treibmittel zu aktivieren, wobei zwischen der Temperiereinrichtung und der Aufgabestelle der Fasern eine Gasdichtung angeordnet ist;

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht die direkte Herstellung von lang- oder kurzfaserverstärkten Polymerschaum-Formteilen, wobei bei einem möglichen Einsatz physikalischer und/oder chemischer Treibmittel eine Faserschädigung, insbesondere eine mechanische Zerkleinerung derselben, minimiert werden kann, da die Fasern erst an einem stromab eines Aufgabetrichters für das zu plastifizierende Polymer angeordneten Axialabschnitt der Plastifiziereinheit zugesetzt werden, an welchem das Polymer bereits in einem plastifizierten oder schmelzflüssigen Zustand vorliegt, und an welchem die Fasern insbesondere nur noch eine relativ kurze Wegstrecke mittels der Schnecke der Plastifiziereinheit gefördert werden müssen. Eine Expansion des Treibmittels an der offenen Aufgabestelle der Fasern wird in zuverlässiger Weise dadurch verhindert, dass das Treibmittel entweder erst stromab dieser Aufgabestelle der Fasern zugesetzt und von dieser mittels einer Gasdichtung abgedichtet wird, oder es kann statt dessen – falls ein chemisches Treibmittel gemeinsam mit dem Polymer einem Einfülltrichter der Plastifiziereinheit aufgegeben werden soll – ein solches chemisches Treibmittel erst stromab der Aufgabestelle der Fasern, insbesondere thermisch, aktiviert werden, wobei wiederum eine zwischen dieser Aufgabestelle der Fasern und dem Aktivierungsabschnitt des chemischen Treibmittels angeordnete Gasdichtung eine Expansion der aus dem chemischen Treibmittel erzeugten Treibgase an der Aufgabestelle der Fasern verhindert. In jedem Fall wird eine sehr homogene und gleichmäßige Einmischung des Treibgases in das mit Fasern versetzte Polymerplastifikat sichergestellt, um für eine sehr homogene und insbesondere feinzellige Porenverteilung über das gesamte Volumen des erzeugten Polymerschaum-Formteils zu sorgen.
Ein weiterer Vorteil gegenüber der eingangs zitierten DE 20 2006 008 764 U1 besteht darin, dass die Erfindung nicht auf Spritzgießmaschinen beschränkt ist, sondern die erfindungsgemäße Plastifiziereinheit auch von einem Extruder gebildet sein kann, welchem gegebenenfalls weitere Formeinrichtungen, wie Schneideeinrichtungen, Kalibriereinrichtung und dergleichen, nachgeordnet sein können, um Endlosteile bzw. -profile oder entsprechend abgelängte Extrudate bis hin zu Polymergranulaten erzeugen zu können. Selbstverständlich ist es erfindungsgemäß auch möglich, dem Plastifikat – entweder gemeinsam mit dem Polymer, z. B. über einen Aufgabetrichter, oder an der Aufgabestelle für Fasern – zusätzliche Additive, wie Füllstoffe, Verarbeitungshilfsmittel, Flammschutzmittel, Stabilisatoren, Antioxidantien, Gleitmittel, Weichmacher, Farbstoffe, Pigmente und dergleichen, zuzusetzen.
Die Gasdichtung kann beispielsweise mittels wenigstens eines Schneckenelementes implementiert werden, welches eine gegenüber dem stromauf angeordneten Schneckenelement geringere Förderwirkung aufweist, insbesondere mittels wenigstens eines Schneckenelementes mit geringerer Ganghöhe und/oder entgegengesetzter Gangrichtung gegenüber dem stromauf angeordneten Schneckenelement, mittels eines Schneckenelementes in Form einer Hülse, eines Mischelementes oder eines Knetelementes oder einer Kombination aus wenigstens zwei der vorgenannten Schneckenelemente. Durch die geringere Förderwirkung eines oder mehrerer solcher Schneckenelemente entsteht ein Massepolster infolge Materialstau, welcher den Schneckengang gänzlich mit Schmelze füllt, wobei das Massepolster durch die Drehbewegung der Schnecke eine Druckbarriere gegenüber dem mit dem Treibmittel beaufschlagten Abschnitt der Plastifiziereinheit ausbildet, sodass ein hinreichender Druckaufbau im Bereich der Gasdichtung sichergestellt ist, welcher einem Entweichen bzw. Ausströmen des stromab eingebrachten oder aktivierten Treibmittels an der Aufgabestelle der Fasern entgegenwirkt.
Die wenigstens eine Schnecke der Plastifiziereinheit kann vorzugsweise an ihrem mit der Aufgabestelle der Fasern versehenen Axialabschnitt einen verminderten Querschnitt aufweisen, um zwischen dem Außenumfang der Schnecke(n) und dem Gehäuse der Plastifiziereinheit einen eine Faserscherung vermindernden Ringraum zu bilden. Ein solchermaßen ausgebildeter, faserschonender Schneckenabschnitt kann hierzu beispielsweise peripher abgeschliffene Windungen aufweisen, wobei dem Schneckenelement insbesondere eine konkave Außenkontur verliehen werden kann (d. h. ein Längsschnitt durch das Schneckenelement in einer Ebene, in welcher die Längsachse des Schneckenelementes liegt, besitzt über die Länge des Schneckenelementes eine konkave Kontur).
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Plastifiziereinheit mittels mehrerer, in Axialrichtung hintereinander angeordneter Temperiereinrichtungen mit einem Temperaturprofil beaufschlagt wird. Die Plastifiziereinheit kann zu diesem Zweck mehrere, in Axialrichtung hintereinander angeordnete Temperiereinrichtungen aufweisen, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass die Plastifiziereinheit mehrere, in Axialrichtung hintereinander angeordnete Gehäusesegmente aufweist, welche mittels je einer, einem jeden Gehäusesegment zugeordneten Temperiereinrichtung unabhängig voneinander temperierbar sind.
Eine solche Ausgestaltung gibt beispielsweise die Möglichkeit, dass die Plastifiziereinheit an einem stromab der Gasdichtung angeordneten Abschnitt mit einer höheren Temperatur beaufschlagt wird als stromauf der Gasdichtung, um ein dem Polymer zugesetztes chemisches Treibmittel zu aktivieren. Ferner ist es hierdurch z. B. möglich, das Plastifikat im Bereich der Aufgabestelle der Fasern oder unmittelbar stromauf derselben mit einer höheren Temperatur zu beaufschlagen (welche im Falle des Vorhandenseins eines chemischen Treibmittels dessen Aktivierungs- bzw. Zersetzungstemperatur nicht überschreiten sollte), um die Viskosität des Plastifikates zu erniedrigen und für eine schonendere Einarbeitung der Fasern zu sorgen.
Wie bereits angedeutet, kann ein physikalisches Treibmittel und/oder können die gasförmigen Produkte eines chemischen Treibmittels zumindest teilweise in dem plastifizierten Polymer gelöst werden, wobei das physikalische Treibmittel und/oder die gasförmigen Produkte des chemischen Treibmittels insbesondere in einen überkritischen Zustand überführt werden kann/können. Die Expansion der Treibmittel unter Erzeugung der Schaumstruktur des Formteils kann beispielsweise unmittelbar stromab einer Düse bzw. eines Düsenaggregates der Plastifiziereinheit in Form eines Extruders geschehen, sofern Extrudate gleich welcher Art erzeugt werden sollen, oder die Expansion erfolgt, wie nachfolgend noch näher erläutert, in einem Formwerkzeug, welches durch die der Plastifiziereinheit nachgeordnete Spritzeinheit befüllt wird.
Die Fasern können dem plastifizierten Polymer in Form von Endlos- oder Schnittfasern aufgegeben werden, wobei die erfindungsgemäße Ausgestaltung in beiden Fällen für eine schonendere Verarbeitung der Fasern gegenüber dem Stand der Technik sorgt und folglich insbesondere eine demgegenüber erhöhte Länge der Fasern in dem fertigen Polymerschaum-Formteil ermöglicht.
Wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße Verfahren Teil eines Spritzgießverfahrens sein, bei welchem das mit den Fasern und dem Treibmittel versetzte plastifizierte Polymer von der Plastifiziereinheit, insbesondere unter Zwischenanordnung eines Zwischenspeichers, in eine Spritzeinheit überführt wird, mittels welcher es in ein Formwerkzeug eingespritzt wird. Das physikalische Treibmittel und/oder die gasförmigen Produkte des chemischen Treibmittels können dann zweckmäßig in dem Formwerkzeug expandiert werden. In diesem Fall wird als Spritzeinheit zweckmäßigerweise ein mit einem Einspritzkolben versehener Einspritzzylinder oder eine mit einer axial zustellbaren Schnecke und einer Rückstromsperre versehene Spritzeinheit verwendet, in welche das Plastifikat im letztgenannten Fall stromab der Rückstromsperre überführt wird, um eine Zerkleinerung der Fasern, wie sie beim Passieren einer Rückstromsperre andernfalls auftreten könnte, zu verhindern. Der Plastifiziereinheit einer hierfür geeigneten Vorrichtung ist folglich, insbesondere unter Zwischenanordnung eines Zwischenspeichers, eine Spritzeinheit nachgeordnet, welche einen mit einem axial verschieblichen Einspritzkolben versehenen Einspritzzylinder oder eine mit einer axial zustellbaren Schnecke und einer Rückstromsperre versehene Spritzeinheit, welche stromab der Rückstromsperre mit der Plastifiziereinheit in Verbindung steht, aufweist. Die Spritzeinheit ist ihrerseits, insbesondere unter Zwischenschaltung eines Ventils, an ein Formwerkzeug angeschlossen.
Als Plastifiziereinheit kann insbesondere aus Gründen einer möglichst schonenden Einarbeitung der Fasern in das Polymerplastifikat vorzugsweise ein Mehrschneckenextruder, wie z. B. ein Doppelschneckenextruder, eingesetzt werden. Die Plastifiziereinheit einer entsprechenden Spritzgießmaschine umfasst folglich bevorzugt einen Mehrschneckenextruder, wie einen Doppelschneckenextruder.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine schematische, teilweise geschnitten dargestellte Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Polymerschaum-Formteilen im Falle einer der Plastifiziereinheit nachgeordneten Spritzgießmaschine unter Verwendung physikalischer Treibmittel;
2 eine der 1 entsprechende schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Polymerschaum-Formteilen im Falle einer der Plastifiziereinheit nachgeordneten Spritzgießmaschine unter Verwendung chemischer Treibmittel;
3 eine der 1 entsprechende schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Polymerschaum-Formteilen im Falle einer der Plastifiziereinheit nachgeordneten Spritzgießmaschine unter Verwendung chemischer Treibmittel;
4 einen schematischen Detailschnitt der Plastifiziereinheit der Vorrichtung im Bereich deren Gasdichtung gemäß dem Ausschnitt IV in 1 bis 3.
In 1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von mit Fasern versetzten Polymerschaum-Formteilen mit einer Plastifiziereinheit 1 und einer dieser nachgeordneten Spritzeinheit 9 in Form einer Spritzgießmaschine wiedergegeben. Die Vorrichtung weist eine Plastifiziereinheit 1 in Form eines Extruders – hier: eines gleichläufigen Zweischneckenextruders –, in dessen Gehäuse zwei parallel angeordnete Schnecken 2 drehbar angetrieben gelagert sind, sowie einen Aufgabetrichter 3 für das beispielsweise in Granulat- oder Pulverform vorliegende, zu plastifizierende Polymer auf. Dem Aufgabetrichter 3 kann eine oder können mehrere Dosiereinheit(en) 4 zum gesteuerten Dosieren der gewünschten Polymermenge vorgeordnet sein. Die Plastifiziereinheit 1 mündet über ein Ausschleusventil 5, welches zum bedarfsweisen Ausschleusen überschüssigen Polymermaterials in einen Auffangbehälter 6 dient, in einen nach Art eines Kolbendosierers ausgebildeten, geschlossenen Zwischenspeicher 7, aus welchem das Extrudat über ein Ventil 8 in eine Spritzeinheit 9 überführbar ist. Die Spritzeinheit 9, welche grundsätzlich auch von einer Kolben-/Zylindereinheit (nicht gezeigt) gebildet sein könnte, umfasst im vorliegenden Fall eine in einem Gehäuse einerseits drehbar, andererseits axial zustellbar gelagerte Schnecke 10, an deren Ende eine zeichnerisch nur angedeutete Schmelzdichtung angeordnet ist. Das Ventil 8 mündet dabei in die einem Formwerkzeug 11 zugewandten Seite der Schmelzdichtung der Schnecke 10, sodass das mit Fasern versetzte Plastifikat die Schmelzdichtung nicht passieren muss und letztere lediglich dazu dient, die Spritzeinheit 10 auch für herkömmliche Spritzgießverfahren einsetzen zu können. Die Spritzeinheit 9 mündet folglich in das Formwerkzeug 11, was im vorliegenden Fall über dasselbe Ventil 8 in dessen nicht gezeigten Injektionsstellung geschieht, in welcher sein Durchlasskanal 8a die Spritzeinheit 9 mit dem Formwerkzeug 11 verbindet.
Die Plastifiziereinheit 1 weist an einem Axialabschnitt derselben eine Aufgabestelle 12 für Fasern F auf, welche von dem Aufgabetrichter 3 mit einem hinreichenden Axialabstand angeordnet ist, um die Fasern F dem bereits plastifizierten Polymer zusetzen zu können. Die Aufgabestelle 12 der Fasern F ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Zusetzen von Endlosfasern, wie Glas-, Carbon-, Aramidfasern und dergleichen, ausgebildet, welche mittels Abrollen derselben von Spulen 13, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Umlenkrollen 14 oder dergleichen, über die Aufgabestelle 12 dem Plastifikat zugesetzt werden können. Alternativ oder zusätzlich kann die Aufgabestelle 12 der Fasern selbstverständlich auch zum Zusetzen von Schnittfasern, wie den oben genannten und anderen synthetischen und/oder natürlichen Fasern, z. B. Cellulose-, Holz-, Sisal-, Hanf-, Flachs-, Miscanthusfasern und dergleichen, ausgebildet sein und zu diesem Zweck eine Seitenbeschickung, beispielsweise mit einer oder mehreren Dosierschnecke(n), umfassen.
An einem weiteren, stromab der Aufgabestelle 12 der Fasern F gelegenen Axialabschnitt der Plastifiziereinheit 1 ist eine weitere Aufgabestelle 15 für ein in 1 physikalisches Treibmittel in Fluidform, wie beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxid, Flüssigkeiten mit geringem Siedepunkt, wie z. B. Pentan, etc., vorgesehen, welche wenigstens eine Injektionsdüse 16 umfasst, über die das Treibmittel aus einem Fluidspeicher 17 in das Plastifikat eingemischt werden kann, wonach es mittels der Schnecken 2 sehr homogen in dem Plastifikat gemischt und insbesondere dort gelöst werden kann.
Wie insbesondere auch 4 ersichtlich, in welcher der Pfeil R die Förderrichtung des Plastifikates angibt, ist zwischen der Aufgabestelle 12 der Fasern F und der Aufgabestelle 15 des Treibmittels eine Gasdichtung 18 angeordnet, welche verhindert, dass in dem Plastifikat vorhandenes Treibmittel im Bereich der Aufgabestelle 12 der Fasern F expandiert und aus der Plastifiziereinheit 1 ausgast. Die Gasdichtung 18 kann beispielsweise wenigstens ein Schneckenelement 2a einer jeden Schnecke 2 umfassen, dessen Ganghöhe h geringer ist als die Ganghöhe H des jeweils stromauf angeordneten Schneckenelementes 2b. Zumindest die Schneckenelemente 2b im Bereich der Aufgabestelle 12 der Fasern F sowie zweckmäßig auch die stromab derselben angeordneten Schneckenelemente oder -abschnitte sollten dabei derart gewählt sein, dass die Fasern F eine schonende Einarbeitung in das Polymerplastifikat erfahren und insbesondere möglichst wenig gebrochen bzw. gekürzt werden. Die Schneckenelemente können zu diesem Zweck beispielsweise im Bereich ihres Außengewindes, insbesondere in Längsrichtung des Schneckenelementes konkav, geschliffen sein (vgl. 4, links) damit die an der Aufgabestelle 12 eingebrachten Fasern F nicht über die Kante der Aufgabeöffnung geschert werden und dort Bruch leiden. Die gesamte(n) Schnecke(n) 2 kann/können im Übrigen vorzugsweise modular aufgebaut sein und eine Mehrzahl an verschiedenen, miteinander verbundenen Schneckenelemente, wie Rückförderelemente mit entgegengesetzter Windung, Knetelemente und dergleichen, umfassen, sodass die Schneckengeometrie flexibel ist und an den jeweiligen Prozess angepasst werden kann. Die Plastifiziereinheit 1 ist ferner temperierbar, was mittels einer oder insbesondere mehrerer, in Axialrichtung hintereinander und z. B. um den Gehäuseumfang der Plastifiziereinheit 1 angeordneter Temperiereinrichtungen (nicht gezeigt) geschehen kann, welche zweckmäßig unabhängig voneinander temperierbar sind, um ein gewünschtes Temperaturprofil einstellen zu können. Das Gehäuse der Plastifiziereinheit 1 kann hierzu eine Mehrzahl an axial hintereinander angeordneter Gehäusesegmente umfassen (ebenfalls nicht gezeigt), welche mit je einer solchen Temperiereinrichtung ausgestattet sind.
Die in 2 wiedergegebene Vorrichtung zur Herstellung von mit Fasern versetzten Polymerschaum-Formteilen weist wiederum sowohl eine Plastifiziereinheit 1 als auch eine in Form einer Spritzgießmaschine ausgestaltete Spritzeinheit 9 auf und unterscheidet sich von der Vorrichtung gemäß 1 dadurch, dass die Aufgabestelle 15 zum Zudosieren von insbesondere festen, chemischen Treibmitteln ausgebildet ist, welche im Innern der Plastifiziereinheit 1 insbesondere thermisch unter Freisetzung von Treibgasen aktiviert werden können. Die Aufgabestelle 15 gemäß 2 weist zu diesem Zweck beispielsweise einen Aufgabetrichter 19 sowie eine diesem nachgeordnete Seitenbeschickung in Form eines Schneckendosierers 20 auf.
3 zeigt eine weitere Vorrichtung zur Herstellung von mit Fasern versetzten Polymerschaum-Formteilen mit einer Plastifiziereinheit 1 und einer in Form einer Spritzgießmaschine ausgebildeten Spritzeinheit 9, welche im Unterschied zu den Vorrichtungen gemäß 1 und 2 keine separate Aufgabestelle 15 für ein Treibmittel aufweist, sondern ein solches chemisches Treibmittel gemeinsam mit dem Polymer dem Aufgabetrichter 3 aufgegeben werden kann. Wenigstens eine Temperiereinrichtung 21 der Plastifiziereinheit 1 ist dabei sowohl stromab der Aufgabestelle 12 der Fasern F als auch stromab der Gasdichtung 18 (4) angeordnet, um das chemische Treibmittel aktivieren zu können, wobei die Gasdichtung 18 wiederum eine Expansion der dadurch freigesetzten Treibgase an der Aufgabestelle 12 der Fasern F verhindert.
Anlässlich der Herstellung von mit Fasern F versetzten Polymerschaum-Formteilen wird der Plastifiziereinheit 1 der Vorrichtung gemäß 1 und 2 das thermoplastische und z. B. in Pulver- oder Granulatform vorliegende Polymer, gegebenenfalls mit weiteren Additiven, mittels der Dosiereinheit 4 über den Aufgabetrichter 1 zugesetzt und durch gemeinsames Rotieren der Schnecken 2 in dieser (in 1 nach rechts) gefördert und insbesondere unter Wärmezufuhr mittels der Temperiereinrichtung(en) plastifiziert. An der Aufgabestelle 12 der Fasern F werden dem Plastifikat die Fasern F zugesetzt, wobei das Plastifikat zu diesem Zweck hier mittels der jeweiligen Temperiereinrichtung auf eine maximale Temperatur erhitzt werden kann, um die Schmelzviskosität auf einen minimalen Wert abzusenken und auf diese Weise für eine sehr schonende Einarbeitung der Fasern F zu sorgen. Nach Passieren der Gasdichtung 18 wird dem Plastifikat an der Aufgabestelle 15 das fluide Treibmittel (1) zugesetzt und unter homogener Verteilung in dem Plastifikat insbesondere in diesem gelöst, wobei dort für das Treibgas überkritische Bedingungen eingestellt werden können. Im Falle der Vorrichtung gemäß 2 wird an der Aufgabestelle 15 das chemische Treibmittel zugesetzt und nach Einbringen in das Plastifikat aktiviert, wobei die dabei gebildeten Treibgase insbesondere wiederum in dem Plastifikat gelöst werden können.
Von der Plastifiziereinheit 1 wird das auf die vorstehende Weise sowohl mit Fasern F als auch mit Treibmitteln versetzte Plastifikat in die Spritzeinheit 9 (oder genauer: in den mit ”Schneckenvorraum” bezeichneten Abschnitt der Spritzeinheit 9 zwischen der am freien Ende der Schnecke 10 befindlichen Rückstromsperre und dem dem Formwerkzeug 11 zugewandten Ende der Spritzeinheit 9) überführt, wenn sich das Ventil 8 in der in 1 und 2 gezeigten Position befindet, in welcher es die Plastifiziereinheit 1 mit der Spritzeinheit 9 verbindet. Sobald die Spritzeinheit 9 die erforderliche Menge an Plastifikat aufgenommen hat, wird das Ventil 8 in seine andere, nicht dargestellte Position verbracht, in welcher es die Spritzeinheit 9 von der Plastifiziereinheit 1 trennt und die Spritzeinheit 9 stattdessen über den Kanal 8a mit dem Formwerkzeug 11 verbindet, woraufhin die Plastifiziereinheit 1 unter fortwährendem Drehen der Schnecken 2 den Zwischenspeicher 7 füllt. Der seinerseits z. B. als Kolben-/Zlindereinheit ausgebildete Zwischenspeicher 7 sorgt hierbei stets für die Aufrechterhaltung des erforderlichen Gegendruckes in der Plastifiziereinheit 1, um stabile Prozessbedingungen zu gewährleisten und eine unzeitige Expansion des Treibmittels zu verhindern. Die Schnecke 10 der Spritzeinheit 9 wird sodann axial in Richtung des Formwerkzeugs 11 zugestellt, um das Plastifikat dadurch in das Formwerkzeug 11 zu injizieren, wo es unter Expansion der Treibgase druckentlastet wird, sodass sich eine feine Schaumstruktur in dem Formteil bildet. Nach Beendigung des Spritzvorgangs wird das Ventil 8 erneut in die in 1 und 2 wiedergegebene Position verbracht, um eine neue Portion des Plastifikates sowohl aus dem inzwischen befüllten Zwischenspeicher 7 als auch aus der Plastifiziereinheit 1 in die Spritzeinheit 9 zu überführen.
Im Falle der Vorrichtung gemäß 3 wird, wie bereits erwähnt, das chemische Treibmittel direkt dem Aufgabetrichter 3 zugesetzt und stromab der Gasdichtung 18 aktiviert, was insbesondere thermisch mittels der Temperiereinrichtung 21 geschieht.
Nachstehend sind die Parameter eines mittels einer Vorrichtung gemäß 1 durchgeführten exemplarischen Verfahrens zur Herstellung von faserverstärkten Polymerschaum-Formteilen wiedergegeben:
Verarbeitete Materialien:

– Polypropylen (PP, Granulat, aufgegeben über den Dosierer 4),
– 2 Mass.-% Faser-Matrix-Koppler,
– Glasfasern (GF, endlos, Rovings mit 2400 tex (≡ 2,4 kg/km) abgewickelt von 6 Spulen, aufgegeben über Aufgabestelle 12),
– Stickstoff (N₂, physikalisches Treibmittel, aufgegeben über Aufgabestelle 15);

Maschinenparameter:

– Plastifiziereinheit Doppelschneckenextruder mit Schneckendurchmesser D_Ex = 40 mm und Extruderlänge = 48 D_Ex,
– Spritzeinheit mit Schneckendurchmesser D = 105 mm und Schneckenlänge L = 25 D;

Prozessparameter:

– Temperaturgradient in der Plastifiziereinheit: 200°C am Axialabschnitt des Einfülltrichters 3, etwa linear ansteigend bis auf 220°C am Axialabschnitt der Faser-Aufgabestelle 12, etwa linear abfallend auf 190°C am Axialabschnitt der Treibmittel-Aufgabestelle 15 bis 180°C an der Extruderdüse;
– Temperatur des Zwischenspeichers 7 und der Spritzeinheit 9: konstant ca. 180°C;
– Drehzahl der Schnecken 2 des Doppelschneckenextruders 1: 85 min^–1;
– Durchsatz Polypropylen: 21,3 kg/h;
– Durchsatz Glasfasern: 9,2 kg/h (entsprechend ca. 30 Mass.-% GF im Formteil);
– Durchsatz Treibmittel: 0,03 g/s N₂ (entsprechend 0,51 Mass.-% bezogen auf die Masse an PP);
– Temperatur des Formwerkzeugs 11: 25°C;
– Einspritzgeschwindigkeit: 250 cm³/s.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0952908 B1 [0005]
DE 10230331 B3 [0005]
DE 202006008764 U1 [0006, 0011]

Claims

Verfahren zur Herstellung von mit Fasern (F) versetzten Polymerschäumen, indem wenigstens ein thermoplastisches Polymer einer Plastifiziereinheit (1) aufgegeben und mittels wenigstens einer Schnecke (2) der Plastifiziereinheit (1) in dieser gefördert und in einen plastifizierten Zustand überführt wird, wobei der Plastifiziereinheit (1) an einem Axialabschnitt derselben, an welchem das Polymer in einem plastifizierten Zustand vorliegt, die Fasern (F) aufgegeben und in das plastifizierte Polymer eingebracht werden, und wobei dem Polymer ferner wenigstens ein Treibmittel zugesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittel direkt der Plastifiziereinheit (1) zugesetzt wird, wobei entweder – ein physikalisches oder chemisches Treibmittel stromab der Aufgabestelle (12) der Fasern (F) zugesetzt und ein Entweichen oder eine Expansion des Treibmittels an der Aufgabestelle (12) der Fasern (F) dadurch verhindert wird, indem zwischen der Aufgabestelle (12) der Fasern (F) und der Aufgabestelle (15) des Treibmittels eine Gasdichtung (18) angeordnet wird; und/oder – ein chemisches Treibmittel gemeinsam mit dem Polymer aufgegeben und das chemische Treibmittel stromab der Aufgabestelle (12) der Fasern (F) aktiviert wird, wobei ein Entweichen oder eine Expansion des Treibmittels an der Aufgabestelle (12) der Fasern (F) dadurch verhindert wird, indem zwischen der Aufgabestelle (12) der Fasern (F) und dem Aktivierungsabschnitt des chemischen Treibmittels eine Gasdichtung (18) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdichtung (18) mittels wenigstens eines Schneckenelementes (2a) implementiert wird, welches eine gegenüber dem stromauf angeordneten Schneckenelement (2b) geringere Förderwirkung aufweist, insbesondere mittels wenigstens eines Schneckenelementes mit geringerer Ganghöhe (h, H) und/oder entgegengesetzter Gangrichtung gegenüber dem stromauf angeordneten Schneckenelement, mittels eines Schneckenelementes in Form einer Hülse, eines Mischelementes oder eines Knetelementes oder einer Kombination aus wenigstens zwei der vorgenannten Schneckenelemente.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifiziereinheit (1) mittels mehrerer, in Axialrichtung hintereinander angeordneter Temperiereinrichtungen mit einem Temperaturprofil beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifiziereinheit an einem stromab der Gasdichtung (18) angeordneten Abschnitt mit einer höheren Temperatur beaufschlagt wird als stromauf der Gasdichtung (18), um ein dem Polymer zugesetztes chemisches Treibmittel zu aktivieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein physikalisches Treibmittel und/oder die gasförmigen Produkte eines chemischen Treibmittels zumindest teilweise in dem plastifizierten Polymer gelöst wird/werden, wobei das physikalische Treibmittel und/oder die gasförmigen Produkte des chemischen Treibmittels insbesondere in einen überkritischen Zustand überführt wird/werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (F) dem plastifizierten Polymer in Form von Endlos- oder Schnittfasern aufgegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mit den Fasern und dem Treibmittel versetzte plastifizierte Polymer von der Plastifiziereinheit (1), insbesondere unter Zwischenanordnung eines Zwischenspeichers (7), in eine Spritzeinheit (9) überführt wird, mittels welcher es in ein Formwerkzeug (11) eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Spritzeinheit (9) – ein mit einem Einspritzkolben versehener Einspritzzylinder; oder – eine mit einer axial zustellbaren Schnecke (10) und einer Rückstromsperre versehene Spritzeinheit (9), in deren stromab der Rückstromsperre angeordneten Schneckenvorraum das Plastifikat überführt wird, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das physikalische Treibmittel und/oder die gasförmigen Produkte des chemischen Treibmittels in dem Formwerkzeug (11) expandiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Plastifiziereinheit (1) ein Mehrschneckenextruder, insbesondere ein Doppelschneckenextruder, eingesetzt wird.
Vorrichtung zur Herstellung von mit Fasern versetzten Polymerschäumen auf der Basis thermoplastischer Polymere, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Plastifiziereinheit (1) mit wenigstens einer Schnecke (2) und einer an einem Axialabschnitt der Plastifiziereinheit (1) angeordneten Aufgabestelle (12) für Fasern (F), dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifiziereinheit (1) ferner eine Aufgabestelle (15) für ein Treibmittel aufweist, welche entweder – stromab der Aufgabestelle (12) der Fasern (F) angeordnet ist, wobei zwischen der Aufgabestelle (12) der Fasern (F) und der Aufgabestelle (15) des Treibmittels eine Gasdichtung (18) angeordnet ist; und/oder – von einem Aufgabetrichter (3) zum Aufgeben der thermoplastischen Polymere gebildet ist, wobei die Plastifiziereinheit (1) ferner wenigstens eine stromab der Aufgabestelle (12) der Fasern (F) angeordnete Temperiereinrichtung (21) aufweist, um ein dem Aufgabetrichter (3) zugesetztes chemisches Treibmittel zu aktivieren, wobei zwischen der Temperiereinrichtung (21) und der Aufgabestelle (12) der Fasern (F) eine Gasdichtung (18) angeordnet ist; um ein Entweichen oder eine Expansion des Treibmittels an der Aufgabestelle (12) der Fasern (F) zu verhindern.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdichtung (18) wenigstens ein Schneckenelement (2a) umfasst, welches eine gegenüber dem stromauf angeordneten Schneckenelement (2b) geringere Förderwirkung aufweist, insbesondere wenigstens ein Schneckenelement mit geringerer Ganghöhe (h, H) und/oder entgegengesetzter Gangrichtung gegenüber dem stromauf angeordneten Schneckenelement, ein Schneckenelement in Form einer Hülse, eines Mischelementes oder eines Knetelementes oder eine Kombination aus wenigstens zwei der vorgenannten Schneckenelemente.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schnecke (2) der Plastifiziereinheit (1) an ihrem mit der Aufgabestelle (12) der Fasern (F) versehenen Axialabschnitt einen verminderten Querschnitt aufweist, um zwischen dem Außenumfang der Schnecke(n) (2) und dem Gehäuse der Plastifiziereinheit (1) einen eine Faserscherung vermindernden Ringraum zu bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifiziereinheit (1) mehrere, in Axialrichtung hintereinander angeordnete Temperiereinrichtungen aufweist, um die Plastifiziereinheit (1) mit einem Temperaturprofil zu beaufschlagen, wobei die Plastifiziereinheit (1) insbesondere mehrere, in Axialrichtung hintereinander angeordnete Gehäusesegmente aufweist, welche mittels je einer, einem jeden Gehäusesegment zugeordneten Temperiereinrichtung unabhängig voneinander temperierbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Plastifiziereinheit (1), insbesondere unter Zwischenanordnung eines Zwischenspeichers (7), eine Spritzeinheit (9) sowie ein an diese angeschlossenes Formwerkzeug (11) nachgeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzeinheit (9) – einen mit einem Einspritzkolben versehenen Einspritzzylinder; oder – eine mit einer axial zustellbaren Schnecke und einer Rückstromsperre versehene Spritzeinheit (9), deren stromab der Rückstromsperre angeordneter Schneckenvorraum mit der Plastifiziereinheit (1) in Verbindung steht, aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifiziereinheit (1) einen Mehrschneckenextruder, insbesondere einen Doppelschneckenextruder, umfasst.