DE102019119488A1 - Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Partikelschäumen - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Partikelschäumen, umfassend die Schrittea) Bereitstellen von Partikelschaum-Teilchen,b) Benetzen der Partikelschaum-Teilchen mit einer wässrigen Emulsion zumindest eines Polyolefins und dadurch Erhalten von funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen,c) Trocknen der benetzten und funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen,d) Formgeben der funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen,e) Erhitzen der formgegebenen, funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzbereichs der Partikelschaum-Teilchen und dadurch Funktionalisieren der formgegebenen, funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen, wobei die Partikelschaum-Teilchen miteinander verbunden werden, undf) Abkühlen und dadurch Erhalten des Partikelschaum-Formteils,dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Emulsion des zumindest einen Polyolefins eine wässrige Emulsion ist, die zumindest ein mit einem Anhydrid einer ungesättigten Carbonsäure in den flüssigen Zustand überführtes und mit Methacrylsäureester-Copolymeren modifiziertes Polyolefin umfasst.Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbare Partikelschaum-Formteile.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Partikelschäumen und auf Partikelschaum-Formteile selbst.
  • Formteile aus Partikelschäumen und deren Herstellungsverfahren sind an sich bekannt. So werden beispielsweise Formteile aus EPP (expandiertes Polypropylen) nach den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren mittels Wasserdampf bei einer Temperatur von ca. 160°C in Aluminiumwerkzeugen hergestellt. Die Werkzeuge müssen hierbei stabiler sein als vergleichbare Werkzeuge beispielsweise für die Herstellung von Formteilen aus expandiertem Polystyrol (EPS). Die Herstellung selbst kann als eine Art Sinterprozess beschrieben werden, bei dem die einzelnen EPP-Partikel, nach dem Befüllen einer Form, mittels Wasserdampf erhitzt und erweicht werden, dadurch die in den Partikeln eingeschlossene Luft einen Schaumdruck entwickelt, wodurch schließlich die Partikel zu einem Formteil versintert werden.
  • Für solche und vergleichbare Verfahren sind folglich durch die Handhabung von Wasserdampf und dem damit verbundenen hohen Druck sowie der Notwendigkeit von Kavitäten zur Einbringung des Wasserdampfs aufwändigere Anlagen zur Formteilherstellung notwendig, die größere Investitionen erfordern. Daher eignen sich die bekannten Verfahren aus wirtschaftlicher Sicht nur für Großserien. Eine Kleinserie von Formteilen ausPartikelschäumen oder gar eine Fertigung von Einzelstücken ist wirtschaftlich nicht sinnvoll realisierbar. Ebenso können mit dieser Technologie Verbundwerkstoffe (Sandwiches) nicht in einem Arbeitsgang hergestellt werden.
  • Die gegenwärtigen Erfinder hatten für die Herstellung von EPP-Formteilen bereits ein Verfahren entwickelt, das in EP 2 937 379 B1 beschrieben ist. Dieses Verfahren kommt mit moderaten Verfahrensbedingungen aus, d.h. im Wesentlichen drucklos und bei Temperaturen unter dem Schmelzbereich von EPP. Die EPP-Teilchen werden dabei mit einer wässrigen Emulsion zumindest eines mit Chlor und Maleinsäureanhydrid modifizierten Polyolefins benetzt und dadurch funktionalisiert, so dass sie in Form gegeben und durch moderates Erhitzen miteinander verbunden (aber nicht versintert oder verschweißt) werden.
  • Das von den gegenwärtigen Erfindern entwickelte und in EP 2 937 379 B1 beschriebene Verfahren hat sich in der Praxis als grundsätzlich vorteilhaft herausgestellt. Inzwischen wurde jedoch ein Nachteil darin erkannt, dass die dort verwendete wässrige Emulsion eines Polyolefins chlorhaltig ist, was zu Problemen beispielsweise bei der Rezyklierbarkeit oder durch Vorhandensein geringer Mengen an Chloroform führt.
  • Abseits der großtechnischen Anwendungen, bei denen der Einsatz herkömmlicher Verfahren unter Anwendung von heißem Wasserdampf sinnvoll ist, beispielsweise im Automobilbau und für hochwertige Mehrwegverpackungen, können Partikelschäume aber weiterhin zunehmend für spezielle Einsatzgebiete genutzt werden. Beispiele hierfür sind die Bereiche Sport, Logistik (Lagerung und Transport von mechanisch empfindlichen Bauteilen), Möbel und Design (Prototypenbau) oder Modellbau (Einzelanfertigungen). Daher besteht neben einem gesteigerten Bedarf für kleine Serien von Partikelschaum-Formteilen oder Einzelstücken auch ein Bedarf an in großer Serie einfach und schnell herzustellenden Verbundwerkstoffen aus Partikelschäumen und anderen Materialien, welche jedoch die vorstehend erwähnten Nachteile des chlorhaltigen Aktivators nicht aufweisen. Diese Verfahren und Produkte sind ebenfalls für den Sektor des Automobilbaus (Stichwort e-Mobilität) insbesondere hinsichtlich Isolierung und Gewichtseinsparung hoch interessant.
  • Ausgehend von diesen speziellen Nachteilen des Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem einfach und kostengünstig einerseits kleine Serien und Einzelstücke von Partikelschaum-Formteilen und andererseits in großer Serie Verbundwerkstoffe aus Partikelschäumen und anderen Materialien hergestellt werden können. Ein weiteres Ziel sind einfache und kostengünstige Partikelschaum-Formteile und Partikelschaum-Verbundformteile selbst.
  • Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Partikelschäumen gelöst, das die Schritte umfasst:
    1. a) Bereitstellen von Partikelschaum-Teilchen,
    2. b) Benetzen der Partikelschaum-Teilchen mit einer wässrigen Emulsion zumindest eines Polyolefins und dadurch Erhalten von funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen,
    3. c) Trocknen der benetzten und funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen,
    4. d) Formgeben der funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen,
    5. e) Erhitzen der formgegebenen, funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzbereichs der Partikelschaum-Teilchen und dadurch Funktionalisieren der formgegebenen, funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen, wobei die Partikelschaum-Teilchen miteinander verbunden werden, und
    6. f) Abkühlen und dadurch Erhalten des Partikelschaum-Formteils,
    dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Emulsion des zumindest einen Polyolefins eine wässrige Emulsion ist, die zumindest ein mit einem Anhydrid einer ungesättigten Carbonsäure in den flüssigen Zustand überführtes und mit Methacrylsäureester-Copolymeren modifiziertes Polyolefin umfasst.
  • In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die vorstehend genannte Aufgabe durch ein Partikelschaum-Formteil gelöst, das erhältlich ist durch das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Die vorliegende Erfindung weist allgemein den Vorteil gegenüber dem Stand der Technik auf, dass die Partikelschaum-Teilchen bei moderaten Verfahrensbedingungen zu Formteilen verarbeitet werden können, welche frei von Chlor und dessen Produkten wie Chloroform sind.
  • Nachstehend wird die Erfindung im Detail beschrieben.
  • Wenn in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenständliche Merkmale genannt werden, so beziehen sich diese insbesondere auf das erfindungsgemäße Partikelschaum-Formteil. Ebenso beziehen sich Verfahrensmerkmale, die in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Partikelschaum-Formteil angeführt werden, auf das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Partikelschäumen.
  • In Schritt a) werden Partikelschaum-Teilchen für das herzustellende Partikelschaum-Formteil bereitgestellt.
  • Als „Partikelschaum“ werden erfindungsgemäß thermoplastische Kunststoffe bezeichnet, welche bereits herstellerseitig durch Aufschäumen zu einzelnen Partikeln verarbeitet wurden. Diese Partikelschäume haben die Form von Schaumperlen oder Schaumkügelchen. Sie bilden im Rohzustand rieselfähige Materialien. Die Partikelschäume besitzen Dichten im Bereich von 15 kg/m3 bis 300 kg/m3, einige spezielle Schäume auch Dichten über 300 kg/m3, und zeichnen sich durch sehr gute spezifische mechanische Eigenschaften, hohe thermische Isolierfähigkeit und ein enormes Leichtbaupotenzial aus.
  • Bei den in der vorliegenden Erfindung verwendeten Partikelschaum-Teilchen handelt es sich im Wesentlichen um fertige Zwischenprodukte, beispielsweise um handelsübliche Materialien. Beispiele für handelsübliche Materialien sind für EPP (expandiertes Polypropylen) Neopolen® P der Firma BASF SE und Eperan®-PP der Firma Kaneka, für EPS (expandiertes Polystyrol) Styropor®, Neopor® und Peripor® der Firma BASF SE, für EPE (expandiertes Polyethylen) Eperan®-EP der Firma Kaneka oder für EPET (expandiertes Polyethylenterephthalat) ArmaShape® der Firma armacell. Darüber hinaus sind weitere Partikelschäume aus EPC (expandiertes Polycarbonat), ETPU (expandiertes thermoplastisches Polyurethan), EPMI (expandiertes Polymethacrylimid) oder EPBT (expandiertes Polybutylenterephthalat) erhältlich. Alle diese und weitere Partikelschaum-Materialien sind in der vorliegenden Erfindung einsetzbar.
  • Das Benetzen in Schritt b) wird vorzugsweise durch Besprühen, insbesondere dosiertes Besprühen, der Partikelschaum-Teilchen in einem geschlossenen oder in einem teilweise offenen Behälter ausgeführt. Die erfindungsgemäß verwendete wässrige Emulsion mindestens eines mit einem Anhydrid einer ungesättigten Carbonsäure in den flüssigen Zustand überführten und mit Methacrylsäureester-Copolymeren modifizierten Polyolefins wird im Folgenden der einfacheren Lesbarkeit halber als „wässrige AMP-Emulsion“ bezeichnet.
  • Das Polyolefin, welches bei Raumtemperatur unter Normalbedingungen als Feststoff vorliegt, wird erfindungsgemäß durch das Anhydrid einer ungesättigten Carbonsäure in den flüssigen Zustand der wässrigen AMP-Emulsion überführt, so dass es einfach auf die Partikelschaum-Teilchen aufgebracht werden kann.
  • Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung von den gegenwärtigen Erfindern entwickelte wässrige AMP-Emulsion wird derzeit für den kommerziellen Vertrieb als fertiger Aktivator vorbereitet, wofür bereits ein Sicherheitsdatenblatt erstellt wurde. Angebot und kommerzieller Vertrieb des fertigen Aktivators werden aus Gründen des patentrechtlichen Neuheitsschutzes erst nach der Veröffentlichung der vorliegenden Anmeldung aufgenommen.
  • Das Anhydrid einer ungesättigten Carbonsäure ist insbesondere bevorzugt Maleinsäureanhydrid. Ferner bezeichnet der Begriff „Polyolefin“ nach der Genfer Nomenklatur korrekter ein „Polyalken“. Das modifizierte Polyolefin in der wässrigen AMP-Emulsion kann vorzugsweise stofflich passend oder zumindest stofflich verwandt zum Partikelschaum-Werkstoff ausgewählt werden. Beispielsweise ist das modifizierte Polyolefin bei EPP als Partikelschaum-Werkstoff insbesondere Polypropylen (PP). Neben Polypropylen hat sich als Polyolefin zum Modifizieren Polyethylen (PE) als sehr geeignet herausgestellt.
  • Alternativ können die Partikelschaum-Teilchen zum Benetzen in Schritt b) in einem geschlossenen Behälter gemischt werden, in dem die Partikelschaum-Teilchen in der wässrigen AMP-Emulsion bewegt werden. Eine weitere erfindungsgemäße Variante ist, dass die Partikelschaum-Teilchen und die wässrige AMP-Emulsion gemeinsam zwischen getrennten Behältern gepumpt werden. In einer anderen Abwandlung der Erfindung können die Partikelschaum-Teilchen in einen Behälter mit Siebboden gefüllt und mit der wässrigen AMP-Emulsion drucklos überflutet werden.
  • In jedem Fall ist es das Ziel des Benetzens in Schritt b), einerseits die Partikelschaum-Teilchen vollständig zu benetzen und andererseits die nicht benötigte wässrige AMP-Emulsion aufzufangen und wieder zu verwenden.
  • Nach dem Benetzen in Schritt b) und dem Trocknen in Schritt c) werden die Partikelschaum-Teilchen von einer sehr dünnen Feststoffschicht aus der wässrigen AMP-Emulsion umhüllt. Trotz dieser Feststoffschicht bleiben die Partikelschaum-Teilchen optisch unverändert, sind aber an ihrer Oberfläche funktionalisierbar.
  • Durch das Trocknen werden insbesondere die physikalischen Eigenschaften der funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen positiv beeinflusst. So kann die Trocknung dazu führen, dass die funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen zeitnah verpackt (z.B. abgesackt) und konfektioniert werden können, um sie als Zwischenprodukt zu verschicken.
  • Unter „funktionalisierbar“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, dass die dünne Feststoffschicht aus der wässrigen AMP-Emulsion auf den Partikelschaum-Teilchen sich unter Umgebungsbedingungen (Normaldruck von ca. 1 bar, Standardtemperatur von ca. 25 °C) inert verhält, d.h. die physikalischen Eigenschaften (z.B. die Rieselfähigkeit) der Partikelschaum-Teilchen nicht wesentlich verändert. Erst bei erhöhter Temperatur, wie sie nachstehend noch genauer angegeben ist, wird die dünne Feststoffschicht aus der wässrigen AMP-Emulsion in der nachstehend beschriebenen Weise funktionalisiert.
  • Die solchermaßen vorbehandelten funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen können vor dem Formgeben in Schritt d) zeitlich nahezu unbegrenzt gelagert werden.
  • Zum Formgeben in Schritt d) können die funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen in eine einfache, passende Form eingebracht und ggf. verdichtet werden. Trotz der erfindungsgemäßen Funktionalisierbarkeit der Partikelschaum-Teilchen bleibt ihre Rieselfähigkeit erhalten, so dass das Befüllen einer Form problemlos möglich ist.
  • Da die Partikelschaum-Teilchen, abhängig von ihrem tatsächlichen Werkstoff, einen Schmelzbereich zwischen 100 °C und 220 °C aufweisen, wird in Schritt e) das Erhitzen der formgegebenen, funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen bei einer Temperatur unterhalb dieses Schmelzbereichs durchgeführt, die vom tatsächlichen Werkstoff abhängig ist, wodurch die formgegebenen, funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen funktionalisiert werden.
  • Bei Erreichen der erforderlichen Temperatur werden die bis dahin unpolaren Oberflächen der Partikelschaum-Teilchen polarisiert, indem aus der funktionalisierenden Schicht (Feststoffschicht aus der wässrigen AMP-Emulsion) heraus Heteroatome auf ihnen deponiert werden.
  • Die Haftung der Partikelschaum-Teilchen untereinander wird erfindungsgemäß jedoch nicht mehr durch eine Substitution von Wasserstoff durch Chlor herbeigeführt, wie das in dem für die gegenwärtigen Erfinder erteilten Patent EP 2 937 379 B1 explizit beschrieben wird. Vielmehr wird die erforderliche Haftung der Partikelschaum-Teilchen untereinander durch eine mittels der wässrigen AMP-Emulsion verursachte Adhäsion erreicht.
  • Konkret umhüllt die erfindungsgemäße wässrige AMP-Emulsion als solche die Partikelschaum-Teilchen und bildet nach der Trocknung einen extrem dünnen, mechanisch haftenden Film. Das in Wasser zur Carbonsäure hydrolysierende Anhydrid dieser ungesättigten Carbonsäure geht aufgrund seiner ungesättigten Verbindungen leicht Additionsreaktionen ein. In der Folge führt das zu elektrochemischen Wechselwirkungen und Bindungen zwischen den Oberflächen der Partikelschaum-Teilchen und somit zu einer stabilen und dauerhaften Verbindung der einzelnen Partikelschaum-Teilchen zu einem gebrauchsfertigen Partikelschaum-Formteil.
  • Das Erhitzen in Schritt e) kann auf verschiedene Arten erfolgen. Ganz herkömmlich kann es in einem Ofen oder einer entsprechenden Heizvorrichtung geschehen. Aber auch ein Erhitzen zwischen zwei Heizplatten ist vorgesehen, ohne dass hierbei ein rundum komplett geschlossenes Werkzeug erforderlich ist. Zur Anwendung kann diese Variante dann kommen, wenn beispielsweise eine kontinuierliche Produktion von Profilen, Halbzeugen oder die Herstellung sehr langer Formteile erforderlich ist. Dies ist mit den heute bekannten Verfahren, wenn überhaupt, nur äußerst eingeschränkt machbar. In weiteren Ausführungsformen können auf Strahlung beruhende Energiequellen (Laser, Infrarot) zum Erhitzen eingesetzt werden.
  • Das Abkühlen in Schritt f) kann ganz einfach nach dem Entformen des Partikelschaum-Formteils unter Umgebungstemperatur stattfinden. Es kann aber auch die Form als solche gekühlt werden, bevor das Partikelschaum-Formteil entnommen wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber dem Stand der Technik zunächst den Vorteil auf, dass die Partikelschaum-Teilchen bei moderaten Verfahrensbedingungen, d.h. bei einem geringen Druck von 1 bar bis 5 bar, bevorzugt bei 2 bar bis 3 bar, und bei Temperaturen unter dem Schmelzbereich der Partikelschaum-Teilchen miteinander verbunden (aber nicht versintert oder verschweißt) werden.
  • Ein wesentlicher Vorteil ist, dass die aktivierende wässrige AMP-Emulsion kein Chlor oder Chlorverbindungen enthält. Das ist zunächst im Hinblick auf Umweltaspekte und Gesundheitsbelastungen ein bedeutender Fortschritt. Zudem ist Chlor bei einer späteren Rezyklierung nicht mehr gebrauchter Partikelschaum-Formteile problematisch. Hinzu kommt, dass chlorhaltige Aktivatoren, wie die von den gegenwärtigen Erfindern früher verwendete wässrige Emulsion zumindest eines mit Chlor und Maleinsäureanhydrid modifizierten Polyolefins („wässrige CMP-Emulsion“) immer eine, wenn auch geringe, Menge an Chloroform enthält (im Bereich von < 0,5 %). Bereits eine solch geringe Menge muss jedoch in einem Sicherheitsdatenblatt erwähnt werden, was die Akzeptanz eines solchen Aktivators deutlich verringert. Den gegenwärtigen Erfindern ist kein Hersteller oder Anbieter von chlorierten Polyolefinen bekannt, bei dem diese chlorierten Polyolefine nicht auch eine gewisse Menge an Chloroform enthalten.
  • Die mit der erfindungsgemäßen wässrigen AMP-Emulsion hergestellten Partikelschaum-Formteile sind qualitativ gleichwertig mit denjenigen Teilen, welche die gegenwärtigen Erfinder in EP 2 937 379 B1 beschrieben haben.
  • Schließlich führt die Verwendung der erfindungsgemäßen wässrigen AMP-Emulsion zu einer deutlichen Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, was nachstehend noch weiter ausgeführt wird.
  • Um die Haftung der funktionalisierenden Schicht auf den Partikelschaum-Teilchen zu verbessern und zu erhöhen, wird in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens der wässrigen Emulsion des zumindest einen mit einem Anhydrid einer ungesättigten Carbonsäure in den flüssigen Zustand überführten und mit Methacrylsäureester-Copolymeren modifizierten Polyolefins zumindest ein epoxyterminiertes Silan zugesetzt, beispielsweise auf Basis eines Epoxycyclohexyl.
  • Das epoxyterminierte Silan führt nach vorangegangener Hydrolyse in der wässrigen AMP-Emulsion und anschließender Kondensation durch Bildung von carboxylierten Polymeren zu einer verbesserten Haftung der funktionalisierenden Schicht auf den Partikelschaum-Teilchen, wobei ferner ein hochsiedender Esteralkohol als Koaleszenzmittel dienen kann.
  • Vorzugsweise erfolgt das Zusetzen des zumindest einen epoxyterminierten Silans zu der wässrigen Emulsion des zumindest einen mit einem Anhydrid einer ungesättigten Carbonsäure in den flüssigen Zustand überführten und mit Methacrylsäureester-Copolymeren modifizierten Polyolefins (wässrige AMP-Emulsion) unmittelbar vor Schritt b). Das epoxyterminierte Silan kann der wässrigen AMP-Emulsion durch einfaches Rühren zugesetzt werden.
  • Nach einer alternativen Weiterbildung der Erfindung kann der wässrigen Emulsion des zumindest einen mit einem Anhydrid einer ungesättigten Carbonsäure in den flüssigen Zustand überführten und mit Methacrylsäureester-Copolymeren modifizierten Polyolefins (wässrige AMP-Emulsion) zumindest ein Epoxidharz zugesetzt werden.
  • Bei dem Epoxidharz handelt es sich insbesondere um ein difunktionelles Bisphenol A / Epichlorhydrin-Derivat, das vorzugsweise unverdünnt und/oder flüssig und/oder farblos und/oder klar ist. Das Epoxidharz stabilisiert einerseits die Emulsion. Da es nicht - wie es beispielsweise bei Lacken, Gießharzen und dergleichen üblich ist - mit Aminen oder Isocyanaten vernetzt wird, wirkt das Epoxidharz andererseits als elastifizierende Komponente in der funktionalisierenden Schicht.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die in Schritt a) bereitgestellten Partikelschaum-Teilchen zwei oder mehr unterschiedliche Partikelschaum-Werkstoffe umfassen. Mit Partikelschaum-Werkstoffen werden hier insbesondere unterschiedliche Kunststoffe wie EPP, EPE, EPC, EPS, EPET, ETPU, EPMI oder EPBT und dergleichen bezeichnet. Mit dem Einsatz der erfindungsgemäßen wässrigen AMP-Emulsion wird auf diese Weise eine große Bandbreite möglicher Partikelschaum-Formteile erschlossen, da sich unterschiedliche Werkstoffe - und damit deren spezifische Eigenschaften - in einfacher Weise miteinander kombinieren lassen.
  • Ebenso können die in Schritt a) bereitgestellten Partikelschaum-Teilchen in einer anderen Weiterbildung der Erfindung eine Mischung aus zumindest zwei verschiedenen Typen des jeweiligen Partikelschaum-Werkstoffs sein, wodurch es beispielsweise möglich wird, poröse oder teilporöse Dichteverteilungen sowie Gradienten herzustellen.
  • Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen wässrigen AMP-Emulsion ist es, wie vorstehend beschrieben, möglich, die Anwendungsmöglichkeiten zu erweitern, was in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass das Verfahren ferner vor Schritt d) den Schritt d0) Bereitstellen eines Fremdmaterials, das mit den Partikelschaum-Teilchen ein Verbundformteil ausbildet umfasst, wobei in Schritt d) das Formgeben der funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen in direktem Kontakt mit dem Fremdmaterial durchgeführt wird.
  • Unter „Fremdmaterial“ werden im Sinne der vorliegenden Erfindung zunächst solche Materialien verstanden, welche keine chemische und/oder physikalische Verwandtschaft zu den Partikelschaum-Werkstoffen aufweisen, wie beispielsweise Textilien, Metalle, hochdichte Kunststoffe, natürliche Materialien (Holz, etc.).
  • Mit diesen Fremdmaterialien können die herzustellenden Partikelschaum-Formteile mit einer Kaschierung, einer mechanischen Verstärkung, einer physikalischen Versiegelung oder einer optischen Veredelung versehen werden. In den nachstehend näher beschriebenen Ausführungsbeispielen werden einige Kombinationen von Partikelschaum-Werkstoffen und Fremdmaterialien exemplarisch dargestellt.
  • Das Bereitstellen in Schritt d0) kann insbesondere dadurch erfolgen, dass eine Form für das herzustellende Partikelschaum-Formteil zumindest teilweise mit einem Fremdmaterial bestückt oder ausgekleidet wird, bevor die Befüllung der Form mit den Partikelschaum-Teilchen erfolgt. Ebenso kann in der Form zunächst ein Verstärkungsmaterial vorgesehen werden, bevor Partikelschaum-Teilchen um dieses Verstärkungsmaterial herum eingefüllt werden.
  • Das Bereitstellen in Schritt d0) kann ferner auch abwechselnd erfolgen, indem beispielsweise zuerst ein Fremdmaterial (z.B. eine Folie) eingelegt wird, dann eine erste Schüttung der funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen erfolgt, auf welcher ein weiteres Fremdmaterial (z.B. in Form einer Verstärkungsrippe) platziert wird, bevor eine abschließende Schüttung mit funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen erfolgt. Ebenso kann auf die abschließende Schüttung noch ein anderes Fremdmaterial aufgelegt werden, bevor in Schritt d) die Formgebung erfolgt.
  • Die Formulierung „in direktem Kontakt“ bedeutet, dass die Partikelschaum-Teilchen ohne weitere Vorbehandlung des Fremdmaterials an dieses, in dieses oder um dieses herum gefüllt werden, so dass die Partikelschaum-Teilchen in direkten Kontakt mit der Oberfläche des Fremdmaterials kommen.
  • Es wurde überraschenderweise gefunden, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dieser Weiterbildung dauerfeste Verbindungen von den unterschiedlichsten Partikelschaum-Werkstoffen zu verschiedensten Fremdmaterialien hergestellt werden können, um so die erhaltenen Partikelschaum-Formteile in Kombination mit einem oder mehreren Fremdmaterialien zu versehen. Dies ist insbesondere möglich, ohne die Fremdmaterialien einer speziellen Vorbehandlung, beispielsweise mit Haftvermittlern o.ä. zu unterziehen.
  • Unter „Kaschierung“ wird in diesem Zusammenhang das Verbinden mehrerer Lagen gleicher oder verschiedener Materialien verstanden, um insbesondere die erhaltenen Partikelschaum-Formteile zu schützen und/oder zu dekorieren und/oder eine Addition günstiger Materialeigenschaften zu erzielen. Der Begriff „Verstärkung“ ist dem Fachmann geläufig. Verstärkungen dienen insbesondere dazu, die mechanischen Eigenschaften eines Formteils zu verbessern.
  • Üblicherweise werden Kaschierungen oder dergleichen Fremdmaterialien in einem vom Herstellungsprozess des Formteils getrennten zweiten Arbeitsgang realisiert, indem auf das fertige Formteil zunächst ein Kaschiermittel (z.B. Lack, Leim, Wachs) aufgetragen wird, bevor die eigentliche Kaschierung aufgebracht wird. Erfindungsgemäß kann nun in einem einzigen Arbeitsgang ein Partikelschaum-Formteil mit Fremdmaterial hergestellt werden. Ein großer Vorteil besteht in der breiten Auswahl möglicher Fremdmaterial in Kombination mit den Partikelschaum-Werkstoffen, die im Wesentlichen ohne Vorbehandlung im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können.
  • Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass auch ein bereits fertiges Partikelschaum-Formteil mit einem weiteren Partikelschaum-Formteil verbunden oder mit einem Fremdmaterial versehen wird. Hierzu wird analog zu Schritt b) die wässrige Emulsion des zumindest einen mit einem Anhydrid einer ungesättigten Carbonsäure in den flüssigen Zustand überführten und mit Methacrylsäureester-Copolymeren modifizierten Polyolefins auf die betreffenden Flächen der miteinander zu verbindenden Teile aufgetragen, diese gemäß Schritt c) getrocknet und anschließend analog zu Schritt d) gefügt, bevor der zu erstellende Verbund zum Verbinden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhitzt wird.
  • Mit dieser Ausführungsform ist es möglich, auch nachträglich bereits fertige Partikelschaum-Formteile weiter zu bearbeiten oder zu verarbeiten. Dafür müssen diese fertigen Partikelschaum-Formteile nicht zwingend nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sein, es kann sich auch um handelsübliche Formteile handeln, die nach dem Stand der Technik nur schwer oder nur mit hohem Aufwand herstellbar sind. Diese Ausführungsform ermöglicht ferner die Herstellung von komplizierteren Partikelschaum-Formteilen, die erfindungsgemäß aus geometrisch einfachen Partikelschaum-Elementen zusammengesetzt werden können.
  • In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Formgeben in Schritt d) zumindest zeitweise unter mechanischem Druck, was sich für die Stabilität des herzustellenden Partikelschaum-Formteils als vorteilhaft erwiesen hat.
  • Der zumindest zeitweise aufzubringende Druck kann dabei je nach vorgesehener Anwendung des Partikelschaum-Formteils zwischen 1 bar und 5 bar, insbesondere zwischen 2 bar und 3 bar, liegen. Über den in Schritt d) aufgebrachten Druck kann insbesondere die Dichte des fertigen Partikelschaum-Formteils in weiten Bereichen eingestellt werden. Dadurch ist es auch möglich, Dichtegradienten einzustellen, da die einzelnen Partikel nicht vollständig miteinander verbunden sein müssen. Die dadurch gebildete poröse Struktur bietet zusätzliche Anwendungsgebiete.
  • Von dem aufzubringenden Druck hängt maßgeblich das spätere Ergebnis, das heißt, die Eigenschaften und Güte des hergestellten Partikelschaum-Formteils ab. Diese Druckabhängigkeit bedeutet aber nicht, dass ein gutes Ergebnis nur mit einem ausreichend hohen Druck darstellbar ist. Vielmehr spiegelt der Druck beim Befüllen der Form in Schritt d) die Variabilität des erfindungsgemäßen Verfahrens wider.
  • In einer alternativen Ausführungsform wird der mechanische Druck in Schritt d) nur zeitweise aufgebracht. Das bedeutet, dass nur zum Formgeben, bzw. Verdichten der Schüttung aus Partikelschaum-Teilchen ein Druck aufgebracht wird, beispielsweise mit einem Stempel, der anschließend wieder entspannt wird. Erfindungsgemäß wird ein Verdichtungsgrad zwischen 1,5 und 2 bevorzugt.
  • In einer anderen bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Erhitzen in Schritt e) drucklos. „Drucklos“ heißt in diesem Zusammenhang, dass während des Erhitzens von außen kein (zusätzlicher) Druck aufgebracht wird, wie es nach dem Stand der Technik üblich ist. Da nach der vorliegenden Erfindung vorzugsweise keine druckstabilen Formen verwendet werden müssen, kann sich beim Erhitzen auch im Wesentlichen kein hoher Druck aufbauen. „Drucklos“ bedeutet im Sinne der Erfindung ferner, dass der in Schritt d) zum Formgeben der funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen aufgebrachte Druck zumindest zu Beginn des Erhitzens in Schritt e) noch aufrecht erhalten werden kann.
  • Beim klassischen Versintern nach dem Stand der Technik werden Partikelschaum-Teilchen zuerst beim Befüllen der noch kalten Form verdichtet (Füllinjektor). Dieser Druck reicht aber noch nicht für den späteren Sinterprozess aus. Erst durch das Erhitzen mit Wasserdampf dehnt sich die in den Partikelschaum-Teilchen eingeschlossene Luft aus und lässt den Druck weiter ansteigen. Erst dann erfolgt die Versinterung. Demgegenüber steigt der Druck beim erfindungsgemäßen Verfahren nach dem Befüllen der Form und dem Formgeben in Schritt d) nicht weiter an, sondern nimmt in den nachfolgenden Verfahrensschritten ab.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung kann nach dem Formgeben in Schritt d) der aufgebrachte Druck völlig entspannt und das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls durchgeführt werden. In diesem Fall wird aus einer relativ losen Schüttung der Partikelschaum-Teilchen ein Partikelschaum-Formteil mit einer sehr lockeren und offenen Struktur erhalten. Solche speziellen Partikelschaum-Formteile sind wünschenswert für die Anwendung als Entlüftung oder Drainage. Ferner können diese speziellen Partikelschaum-Formteile bei Sandwichstrukturen eingesetzt werden, bei denen es hauptsächlich um die Distanzierung der tragenden Flächen zueinander geht.
  • Da die unterschiedlichen Partikelschaum-Werkstoffe unterschiedliche Schmelzbereiche zwischen 100 °C und 250 °C aufweisen, hat es sich erfindungsgemäß als vorteilhaft herausgestellt, das Erhitzen in Schritt e) bei einer Temperatur von 80 °C bis 220 °C, insbesondere bei 110 °C bis 160 °C, durchzuführen. Hierdurch kann die Aufheizung „trocken“ erfolgen, d.h. ohne eine möglicherweise störende flüssige Phase.
  • Eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht für das Verfahren vor, dass in einem modifizierten Schritt d) das Formgeben in einzelnen Lagen und/oder Strukturen von funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen erfolgt. Mit anderen Worten können gewünschte Geometrien zunächst mit den funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen vorgegeben werden.
  • In dem anschließenden modifizierten Schritt e) erfolgt das Erhitzen mit einer örtlich fokussierbaren Energiequelle, so dass die funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen in den einzelnen Lagen oder Strukturen miteinander verbunden werden. Diese Energiequelle kann beispielsweise ein Laser oder eine Infrarot-Quelle sein. Die fokussierbare Energiequelle kann in Zeilen, Rastern oder punktuell einzelne Bereiche der funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen erhitzen und nur dort mit dem erfindungsgemäßen Verfahren miteinander verbinden.
  • In einem modifizierten Schritt f) erfolgt das Abkühlen durch Deaktivieren der örtlich fokussierbaren Energiequelle, so dass zunächst ein partielles Partikelschaum-Formteil erhalten wird. Dieses partielle Partikelschaum-Formteil bildet im Wesentlichen die im modifizierten Schritt d) vorgegebene Geometrie ab.
  • Anschließend an den modifizierten Schritt f) wird in einem Schritt g) zumindest eine weitere Lage und/oder eine weitere Struktur von funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen in Kontakt mit dem partiellen Partikelschaum-Formteil bereitgestellt. Auf diese Weise können die vorstehend erzeugten Geometrien weiter aufgebaut werden.
  • Um die abschließende, gewünschte Geometrie zu erhalten, werden die modifizierten Schritte d), e) und f) sowie Schritt g) wiederholt, bis das fertige Partikelschaum-Formteil erreicht ist.
  • Diese spezielle Ausführungsform stellt eine Art 3D-Druck mit den Mitteln der vorliegenden Erfindung bereit. Dabei ist es erfindungsgemäß möglich, auch komplexere Geometrien mit Hohlräumen, Hinterschnitten oder dergleichen aus Partikelschaum-Teilchen herzustellen. Auch das Einfügen von Fremdmaterialien und deren Verbindung mit den aus Partikelschaum-Teilchen oder einem partiellen Partikelschaum-Formteil sind möglich.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung wird in einem zweiten Aspekt durch ein Partikelschaum-Formteil erreicht, das durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlich ist.
  • Ein solches Partikelschaum-Formteil weist den Vorteil auf, dass es einfacher und kostengünstiger herstellbar ist als vergleichbare Formteile aus dem Stand der Technik. Zudem enthält es keine Reste von Chlor oder Chlorverbindungen wir Chloroform, da zur Herstellung die erfindungsgemäße wässrige AMP-Emulsion verwendet wird, welche chlorfrei ist.
  • Auch kleine Serien und sogar Einzelteile sind mit vertretbarem Aufwand realisierbar. Ebenso können Verbunde in einem einzigen Verfahrensschritt („in mould“) hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Partikelschaum-Formteile können zudem eine poröse oder teilporöse Dichteverteilung aufweisen, um maßgeschneiderte Eigenschaften zu erhalten.
  • Bei den erfindungsgemäßen Partikelschaum-Formteil können durch das erfindungsgemäße Verfahren die zu erreichenden Formteildichten in einem größeren Umfang variiert werden. Auf diese Weise sind nicht nur unterschiedlich dichte Formteile herstellbar, sondern auch teilporöse Strukturen, da bereits kleine Kontaktflächen zwischen den einzelnen Partikelschaum-Teilchen zu einer Verbindung führen und die Bildung eines Formteiles ermöglichen.
  • Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen, auch anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen:
    • 1 eine fotografische Abbildung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Partikelschaum-Formteils aus EPP,
    • 2 eine fotografische Abbildung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Partikelschaum-Formteils aus EPP mit einem aufgebrachten textilen Stoff,
    • 3 eine fotografische Abbildung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Partikelschaum-Formteils aus EPP mit einer aufgebrachten Aluminiumfolie,
    • 4 eine fotografische Abbildung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Partikelschaum-Formteils aus EPP mit einem aufgebrachten Aluminiumblech,
    • 5 eine fotografische Abbildung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Partikelschaum-Formteils aus EPP mit einer aufgebrachten GFK-Platte,
    • 6 eine fotografische Abbildung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Partikelschaum-Formteils aus EPP mit einem aufgebrachten Stahlblech,
    • 7 eine fotografische Abbildung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Partikelschaum-Formteils aus EPP mit einem aufgebrachten Holzdekor,
    • 8 eine fotografische Abbildung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Partikelschaum-Formteils aus EPC mit einem aufgebrachten Holzdekor,
    • 9 eine fotografische Abbildung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Partikelschaum-Formteils aus EPC mit einem aufgebrachten Organoblech,
    • 10 eine fotografische Abbildung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Partikelschaum-Formteils aus EPS mit einer aufgebrachten GFK-Platte,
    • 11 eine fotografische Abbildung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Partikelschaum-Formteils aus EPS mit einem aufgebrachten Stahlblech,
    • 12 eine fotografische Abbildung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Partikelschaum-Formteils aus ETPU mit einem aufgebrachten textilen Stoff,
    • 13 eine fotografische Abbildung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Partikelschaum-Formteils aus EPP und ETPU,
    • 14 eine eine schematische Darstellung der Haftung der AMP-Emulsion auf der Oberfläche der Partikelschaum-Teilchen,
    • 15 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß geeigneten, vollautomatischen Mischeinrichtung,
    • 16 eine fotografische Abbildung einer halbautomatischen Mischeinrichtung,
    • 17 eine fotografische Abbildung einer halbautomatischen Mischeinrichtung,
    • 18 eine fotografische Abbildung eines geöffnetes Formwerkzeuges,
    • 19 eine fotografische Abbildung der Haubenseite des Formwerkzeuges,
    • 20 eine fotografische Abbildung einer Füllvorrichtung,
    • 21 eine fotografische Abbildung eines geschlossenen Formwerkzeuges,
    • 22 eine fotografische Abbildung eines nach dem Prozess geöffneten Formwerkzeuges und
    • 23 eine fotografische Abbildung eines nach dem Prozess geöffneten Formwerkzeuges.
  • Die 1 bis 13 zeigen, wie vorstehend schon ausgeführt, die große Bandbreite an möglichen Kombinationen von Partikelschaum-Teilchen mit Fremdmaterialien zur Bildung von Partikelschaum-Formteilen. Diese fotografischen Abbildungen sind für sich genommen selbsterklärend, können aber die möglichen Kombinationen nicht erschöpfend abbilden. So wurden erfolgreiche Versuche mit EPE durchgeführt. Alle in den 1 bis 13 abgebildeten Partikelschaum-Werkstoffe können mit allen dort dargestellten Fremdmaterialien kombiniert werden. Die in den 1 bis 13 dargestellten Partikelschaum-Formteile wurden jeweils in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt, mit einem sog. in mould Verfahren.
  • Vorzugsweise können die Fremdmaterialien ausgewählt werden aus Folien, Textilien, Platten, festen Körpern und Kombinationen davon. Die Folien können dabei sowohl Polymerfolien wie auch Metallfolien sein. Die Textilien können natürliche Fasern, polymere Fasern, metallische Fasern und Kombinationen davon sein und als Gewebe, Gelege, Rovings, Gewirke, Geflechte, Gestricke und Kombinationen davon vorliegen. Unter Platten werden Körper verstanden, deren flächige Ausdehnung ein Vielfaches ihrer Dicke beträgt. Die Platten können ebenfalls aus natürlichen Materialien, polymeren Materialien, metallischen Materialien und Kombinationen davon bestehen. Mit festen Körpern sind Körper gemeint, deren drei Dimensionen im Wesentlichen in der gleichen Größenordnung liegen. Diese Körper können ebenfalls natürliche Materialien, polymere Materialien, metallische Materialien und Kombinationen davon umfassen.
  • Die Abkürzungen werden wir folgt verwendet: „EPP“ = expandiertes Polypropylen, „EPC“ = expandiertes Polycarbonat, „EPS“ = expandiertes Polystyrol, „ETPU“ = expandiertes thermoplastisches Polyurethan, „EPE“ = expandiertes Polyethylen, „GFK“ = glasfaserverstärkter Kunststoff. Mit dem Begriff „Organoblech“ wird ein Faserverbundwerkstoff bezeichnet, bei dem in eine thermoplastische Matrix Fasern wie Glas, Aramid (aromatische Polyamide) oder Carbon gegeben werden.
  • Nachstehend wird nun exemplarisch der Reaktionsmechanismus einer nanoskalige, grenzflächen-bestimmte Materialien enthaltenden Emulsion zur wasserdampffreien Herstellung von Partikelschaum-Formteilen dargestellt.
  • Eine feinteilige wässrige Emulsion eines mit Maleinsäureanhydrid modifizierten Polyolefins wird mit 1 % bis 2 % (bezogen auf den Polyolefin-Festkörper) eines epoxyterminierten Silans versetzt.
  • Dieses Silan kann der wässrigen AMP-Emulsion durch einfaches Rühren beigemengt werden. Um die Mischung aus AMP-Emulsion und Silan lagerstabil zu halten, sollen die gewünschten Reaktionen jedoch nicht schon im Lagerbehälter erfolgen, sondern erst bei der Funktionalisierung der Partikelschaum-Teilchen.
  • Zur Vermeidung einer vorzeitigen Hydrolyse des Silans im Wasser der Emulsion ist es besonders bevorzugt, die wässrige AMP-Emulsion mittels Zugabe von Diethylethanolamin auf einen pH-Wert von 8,3 bis 8,4 einzustellen. Bei der der Applikation folgenden Filmbildung steigt der pH-Wert auf 8,8 bis 9,2 an und es kommt zu den nachstehenden Reaktionen:
    1. i) Hydrolyse des epoxyterminierten Silans im Wasser der wässrigen AMP-Emulsion
      Figure DE102019119488A1_0001
       (wobei die Substituenten Y und R unterschiedlich ausgeführt sein können)
    2. ii) Kondensation
      Figure DE102019119488A1_0002
  • Diese Kondensation führt zur Haftung der wässrigen AMP-Emulsion auf den Partikelschaum-Teilchen und zu deren Vernetzung.
  • In der wässrigen AMP-Emulsion ergeben sich folgende Reaktionen mit dem Epoxysilan:
    • iii) Anlagerung des Silans an die nachstehend dargestellte Gruppe des Acrylsäureesters und anschließende Hydrolyse
      Figure DE102019119488A1_0003
    • iv) Vernetzung (chemische und physikalische Belastbarkeit)
      Figure DE102019119488A1_0004
    • v) Haftung der wässrigen AMP-Emulsion auf der Oberfläche der Partikelschaum-Teilchen, eine schematische Darstellung der Haftung wird in 14 wiedergegeben.
  • Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Partikelschaum-Formteilen anhand einer konkreten Prozessbeschreibung dargestellt.
  • Schritt 1: Vorbereitung der Partikel
  • Verwendet werden handelsübliche Partikelschäume. Beispielhaft kann hier Partikelschaum auf Basis von PP, z.B. unter dem Markennamen ARPRO von der Firma JSP, Neopolen P von der Firma BASF oder Eperan P von der Firma Kaneka genannt werden. Partikelschaum auf Basis von PS ist u.a. unter dem Namen Styropor von BASF bekannt. Weitere verarbeitbare Partikelschäume sind z.B. Piocelan von Sekisui, Infinergy von BASF, ArmaShape von Armacell, um nur eine kleine Auswahl zu nennen.
  • Die Partikelschaum-Teilchen werden in einer geeigneten Anlage/Vorrichtung/Gefäß mit einer geringen Menge des Aktivators (d.h. der erfindungsgemäßen wässrigen AMP-Emulsion) vermischt. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Partikelschaum-Teilchen einen möglichst gleichmäßigen Film auf der Oberfläche erhalten. Eine Überdosierung schadet dem Fertigungsablauf nicht, kann ihn aber ggf. verlängern, was unwirtschaftlich ist. Nach dem gleichmäßigen Mischen werden die nun funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen in der Mischeinrichtung wieder bis zur Rieselfähigkeit getrocknet. Der Aktivator ist nun auf der Oberfläche der funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen fest verbunden.
  • Schritt 2: Zwischenlagerung oder Trocknung der Partikelschaum-Teilchen
  • Es empfiehlt sich, die funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen eine kurze Zeit zwischenzulagern, bevor die Weiterverarbeitung erfolgt. Werden die Partikelschaum-Teilchen für eine später geplante Verarbeitung vorbereitet schadet es dem Verfahren nicht, wenn der Aktivator vollständig aufgetrocknet ist. Eine maximale Lagerdauer ist zum aktuellen Entwicklungsstand noch nicht festgestellt worden.
  • Schritt 3: Vorbereitung von Formwerkzeug und Maschine
  • Für eine wirtschaftliche Fertigung empfiehlt es sich, ein indirekt beheiztes Formwerkzeug anzufertigen. Der generelle Grundaufbau ist einem Spritzgießwerkzeug sehr ähnlich. Wichtig ist, dass das vorgesehene Formwerkzeug schnelle und absolut trockene Zyklen über einen großen Temperaturverlauf abbilden kann, wobei das Temperaurfenster, je nach eingesetztem Partikelschaum, zwischen 60 °C und 220 °C liegen kann. Bewährt hat sich hier u.a. die Verwendung von externen Temperiergeräten, wie sie z.B. ebenfalls aus dem klassischen Spritzguss bekannt sind. Auch variotherme Regelungen können vorteilhaft eingesetzt werden.
  • Das für den Einsatz vorgesehene Formwerkzeug ist mit einer geeigneten Antihaftversiegelung, z.B. mit PTFE (Polytetrafluorethylen / Teflon®), zu versehen, damit ein nicht mehr lösbare Verbindung zwischen Partikelschaum und Werkzeugoberfläche vermieden wird. Das Formwerkzeug wird auf eine entsprechend modifizierte Partikelschaumpresse aufgebaut. Die Modifikationen beziehen sich maßgeblich auf die Integration des Temperiergerätes sowie die Anpassung der Prozesssoftware an den dampf- und wasserfreien Ablauf.
  • Schritt 4: Befüllen der Form
  • Nachdem die beiden Formhälften geschlossen wurden, werden nun die funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen, mittels einer üblichen Fülleinrichtung für Partikelschaum, über Druckschläuche und Füllinjektoren, in das Formwerkzeug gefüllt. Die Fülleinrichtung ermöglicht eine Kompression der funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen im Formwerkzeug (pneumatisch, mechanisch oder in Kombination), wobei die Kompressionsrate bis zu 50 % der ursprünglichen Schüttdichte betragen kann. Durch die Kompression im Formwerkzeug wird maßgeblich die spätere Formteildichte beeinflusst.
  • Für die Herstellung von Formteilen mit ein- oder beidseitiger Verbindung mit speziellen Deckschichten oder Kaschierungen (Sandwichbauteilen), werden die zu verbindenden Materialien (d.h. Fremdmaterialien) vor dem Einfüllen der funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen im Formwerkzeug fixiert. Es ist dabei darauf zu achten, dass die Positionen der Füllinjektoren hierbei frei bleiben oder so angeordnet sind, dass der Zufluss der funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen nicht behindert wird.
  • Schritt 5: Prozessablauf
  • Das mit den funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen befüllte Formwerkzeug wird nun, mittels der bereits beschriebenen Temperiereinrichtung, auf die erforderliche Prozesstemperatur gebracht. Die Dauer der Beheizung hängt maßgeblich vom eingesetzten Partikelschaum und von der maximalen Wandstärke des Formteils ab. Nach dem Erreichen der erforderlichen Kerntemperatur, welche ggf. mittels Temperatursonden im Innern des Formteils gemessen werden kann, wird das Formwerkzeug auf eine Entformungstemperatur von ca. 40 °C bis 80 °C abgekühlt.
  • Schritt 6: Entformung
  • Nach Erreichen der Entformungstemperatur wird das Formwerkzeug geöffnet und das gebildete Formteil verbleibt i.d.R. im sogenannten Haubenteil des Formwerkzeuges. Die Entnahme des Formteils erfolgt dann entweder manuell oder mithilfe von Saugern und Entnahmevorrichtungen, wie z.B. Handlingrobotern. Auch eine mechanische Entformung über eine spezielle Auswerferfunktion der Füllinjektoren ist möglich.
  • Das gebildete Formteil kann sofort weiterverarbeitet werden. Weitere Prozessschritte sind nicht erforderlich.
  • In den 15 bis 23 wird ein genereller Fertigungsablauf dargestellt.
  • 15 zeigt eine schematische Darstellung einer geeigneten, vollautomatischen Mischeinrichtung. Demgegenüber zeigt 16 eine fotografische Abbildung einer halbautomatischen Mischeinrichtung, in welcher Partikelschaum-Teilchen und Aktivator schon gemischt, aber noch nicht getrocknet sind. In 17 wird dann die fotografische Abbildung der halbautomatischen Mischeinrichtung gezeigt, in der Partikelschaum-Teilchen und Aktivator gemischt und getrocknet sind. Die rieselfähigen funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen können nun entnommen werden.
  • 18 zeigt eine fotografische Abbildung eines geöffneten Formwerkzeuges, das auf der vorbereiteten Maschine eingebaut ist. Die (grüne) Werkzeugoberfläche kommt durch die Antihaftbeschichtung mit Teflon zustande. Auf der rechten Formhälfte sind die verschlossenen Tieflochbohrungen der indirekten Temperierung gut zu erkennen.
  • Der 19 ist eine fotografische Abbildung der Haubenseite des Formwerkzeuges zu entnehmen. Zu erkennen sind die beiden Füllinjektoren sowie die komplett geschlossene Werkzeugoberfläche.
  • Eine Füllvorrichtung wird in 20 anhand einer fotografischen Abbildung dargestellt. Die funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen befinden sich im Druckbehälter. Über die teiltransparenten Druckschläuche werden die funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen im Prozess zu den Füllinjektoren geleitet. 21 zeigt eine fotografische Abbildung des geschlossenen Formwerkzeuges.
  • Nach dem Prozess wird das Formwerkzeug geöffnet, die 22 zeigt eine fotografische Abbildung, bei der das gebildete Partikelschaum-Formteil beispielhaft ein schwarzes EPP ist, das sich noch in der Haubenseite befindet. In sehr ähnlicher Darstellung zeigt 23 eine fotografische Abbildung, bei der das gebildete Partikelschaum-Formteil beispielhaft weißes EPS ist, das sich noch in der Haubenseite befindet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2937379 B1 [0004, 0005, 0030, 0036]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Partikelschäumen, umfassend die Schritte a) Bereitstellen von Partikelschaum-Teilchen, b) Benetzen der Partikelschaum-Teilchen mit einer wässrigen Emulsion zumindest eines Polyolefins und dadurch Erhalten von funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen, c) Trocknen der benetzten und funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen, d) Formgeben der funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen, e) Erhitzen der formgegebenen, funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzbereichs der Partikelschaum-Teilchen und dadurch Funktionalisieren der formgegebenen, funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen, wobei die Partikelschaum-Teilchen miteinander verbunden werden, und f) Abkühlen und dadurch Erhalten des Partikelschaum-Formteils, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Emulsion des zumindest einen Polyolefins eine wässrige Emulsion ist, die zumindest ein mit einem Anhydrid einer ungesättigten Carbonsäure in den flüssigen Zustand überführtes und mit Methacrylsäureester-Copolymeren modifiziertes Polyolefin umfasst.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der wässrigen Emulsion des zumindest einen mit einem Anhydrid einer ungesättigten Carbonsäure in den flüssigen Zustand überführten und mit Methacrylsäureester-Copolymeren modifizierten Polyolefins zumindest ein epoxyterminiertes Silan zugesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Zusetzen des zumindest einen epoxyterminierten Silans zu der wässrigen Emulsion des zumindest einen mit einem Anhydrid einer ungesättigten Carbonsäure in den flüssigen Zustand überführten und mit Methacrylsäureester-Copolymeren modifizierten Polyolefins unmittelbar vor Schritt b) erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der wässrigen Emulsion des zumindest einen mit einem Anhydrid einer ungesättigten Carbonsäure in den flüssigen Zustand überführten und mit Methacrylsäureester-Copolymeren modifizierten Polyolefins zumindest ein Epoxidharz zugesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die in Schritt a) bereitgestellten Partikelschaum-Teilchen zwei oder mehr unterschiedliche Partikelschaum-Werkstoffe umfassen.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend vor Schritt d) den Schritt d0) Bereitstellen eines Fremdmaterials, das mit den Partikelschaum-Teilchen ein Verbundformteil ausbildet, wobei in Schritt d) das Formgeben der funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen in direktem Kontakt mit dem Fremdmaterial durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei nach Schritt f) ein bereits fertiges Partikelschaum-Formteil mit einem weiteren Partikelschaum-Formteil verbunden oder mit einem Fremdmaterial versehen wird, wofür analog zu Schritt b) die wässrige Emulsion des zumindest einen mit einem Anhydrid einer ungesättigten Carbonsäure in den flüssigen Zustand überführten und mit Methacrylsäureester-Copolymeren modifizierten Polyolefins auf die betreffenden Flächen der miteinander zu verbindenden Teile aufgetragen, diese gemäß Schritt c) getrocknet und anschließend analog zu Schritt d) gefügt werden, bevor der zu erstellende Verbund zum Verbinden gemäß Schritt e) erhitzt und gemäß Schritt f) abgekühlt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Formgeben in Schritt d) zumindest zeitweise unter mechanischem Druck erfolgt und/oder das Erhitzen in Schritt f) drucklos erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei - in einem modifizierten Schritt d) das Formgeben in einzelnen Lagen und/oder Strukturen von funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen erfolgt und - in einem modifizierten Schritt e) das Erhitzen mit einer örtlich fokussierbaren Energiequelle erfolgt, so dass die funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen in den einzelnen Lagen oder Strukturen miteinander verbunden werden, und - in einem modifizierten Schritt f) das Abkühlen durch Deaktivieren der örtlich fokussierbaren Energiequelle erfolgt, so dass zunächst ein partielles Partikelschaum-Formteil erhalten wird, wobei anschließend an den modifizierten Schritt f) in einem Schritt g) zumindest eine weitere Lage und/oder eine weitere Struktur von funktionalisierbaren Partikelschaum-Teilchen in Kontakt mit dem partiellen Partikelschaum-Formteil bereitgestellt wird, wonach die modifizierten Schritte d), e) und f) sowie Schritt g) wiederholt werden, bis das fertige Partikelschaum-Formteil erreicht ist.
  10. Partikelschaum-Formteil, erhältlich durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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