DE102022204208A1 - Water-assisted pre-foaming of blowing agent-loaded polymer granules - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaum-Formteils auf Basis von thermoplastischem Basismaterial mit einer Glasübergangstemperatur von wenigstens 130 °C, sowie ein Verfahren zur Herstellung von treibmittelbeladenen Polymergranulaten, die zur Herstellung eines Partikelschaum-Formteils geeignet sind.The present invention relates to a method for producing a particle foam molding based on thermoplastic base material with a glass transition temperature of at least 130 ° C, as well as a method for producing blowing agent-loaded polymer granules which are suitable for producing a particle foam molding.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von treibmittelbeladenen Polymergranulaten, die zur Herstellung eines Partikelschaum-Formteils geeignet sind.The present invention relates to a method for producing blowing agent-loaded polymer granules which are suitable for producing a particle foam molding.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffen aus expandierbaren Granulaten sind dem Fachmann bekannt. Typischerweise werden als solche Granulate treibmittelhaltige Partikel aus einem thermoplastischen Material erhitzt, zum Beispiel mit Wasserdampf, wodurch das Treibmittel verflüchtigt wird. Durch das Austreiben des Treibmittels werden dann die Partikel expandiert und bilden einen überwiegend geschlossenzelligen Schaumstoff. Diese Schaumstoffe werden dann häufig bei erhöhten Temperaturen durch die dann auftretende Partikelexpansion aneinandergedrückt, so dass die individuellen Partikel eine gewisse Haftung zueinander erlangen.Processes for producing foams from expandable granules are known to those skilled in the art. Typically, as such granules, propellant-containing particles made of a thermoplastic material are heated, for example with steam, whereby the propellant is volatilized. When the blowing agent is expelled, the particles are then expanded and form a predominantly closed-cell foam. These foams are then often pressed together at elevated temperatures due to the particle expansion that then occurs, so that the individual particles achieve a certain level of adhesion to one another.
Damit eine homogene Schüttdichte der treibmittelhaltigen Granulate erreicht werden kann, ist eine ausreichende Durchmischung der Granulate während des Vorschäumens erforderlich. Diese Durchmischung führt in nachteiliger Weise zu einer elektrostatischen Aufladung der Granulate, woraus eine ungewünschte Agglomeration der Granulate resultiert. Dadurch wird aber wiederum die Schüttdichtehomogenität nachteilig beeinflusst. Daher werden im Stand der Technik typischerweise die Durchmischungsrate während des Vorschäumens und die Granulate genau aufeinander abgestimmt, was aber sehr zeitaufwändig ist und für jedes Granulat und jede eingesetzte Vorrichtung erneute Versuche erfordert. Auch gibt es keine allgemeinen Prozessparameter, die für die unterschiedlichen Granulate gelten würden.In order to achieve a homogeneous bulk density of the granules containing blowing agent, the granules must be sufficiently mixed during pre-foaming. This mixing disadvantageously leads to an electrostatic charge on the granules, which results in undesirable agglomeration of the granules. However, this in turn adversely affects the bulk density homogeneity. Therefore, in the prior art, the mixing rate during pre-foaming and the granules are typically precisely coordinated with one another, but this is very time-consuming and requires repeated tests for each granule and each device used. There are also no general process parameters that would apply to the different granules.
Aufgabe der ErfindungTask of the invention
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Überwindung bzw. zumindest die Minimierung der Nachteile der bekannten Verfahren des Stands der Technik.The object of the present invention was to overcome or at least minimize the disadvantages of the known prior art methods.
Beim Vorschäumen von treibmittelbeladenen Polymergranulaten ist eine ausreichende Durchmischung notwendig, damit eine homogene Schüttdichte des Vorschäumgutes erreicht werden kann. Diese Durchmischung führt üblicherweise zu elektrostatischer Aufladung und damit zu Agglomeration der Polymerpartikel.When pre-foaming polymer granules loaded with blowing agent, sufficient mixing is necessary so that a homogeneous bulk density of the pre-expanded material can be achieved. This mixing usually leads to electrostatic charging and thus to agglomeration of the polymer particles.
Deshalb besteht die Notwendigkeit ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Schaumpartikeln bereitzustellen.Therefore, there is a need to provide an improved process for producing foam particles.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaum-Formteils auf Basis von thermoplastischem Basismaterial mit einer Glasübergangstemperatur von wenigstens 105 °C, vorzugsweise von wenigstens 130°C, gemessen mittels DSC gemäß
- a) Bereitstellung von Basispartikeln umfassend wenigstens ein Treibmittel und wenigstens ein Nukleierungsmittel;
- b) Zuführung der Partikel in eine Vorrichtung, geeignet zur Bewegung und Erhitzung der Basispartikel;
- c) Zeitgleiches Vorschäumen und Funktionalisieren der Basispartikel, wobei das wenigstens eine Funktionalisierungsmittel Wasser ist, und die Funktionalisierung der Partikel mit einer Mischung enthaltend Wasser bei Temperaturen im Bereich von 0°C - 99°C unter Normaldruck erfolgt, so dass Funktionspartikel erhalten werden, die wenigstens partiell einen Wasserfilm an ihrer Oberfläche aufweisen;
- d) gegebenenfalls Trocknen der Funktionspartikel;
- e) gegebenenfalls Zwischenlagerung der Funktionspartikel;
- f) Formschäumung der Funktionspartikel durch Erhitzen in einem formgebenden Behältnis, so dass ein funktionalisiertes Partikelschaum-Formteil gebildet wird, gelöst.
- a) providing base particles comprising at least one blowing agent and at least one nucleating agent;
- b) feeding the particles into a device suitable for moving and heating the base particles;
- c) Simultaneous pre-foaming and functionalization of the base particles, the at least one functionalizing agent being water, and the functionalization of the particles with a mixture containing water at temperatures in the range of 0 ° C - 99 ° C under normal pressure, so that functional particles are obtained which at least partially have a film of water on their surface;
- d) if necessary, drying the functional particles;
- e) if necessary, interim storage of the functional particles;
- f) molding of the functional particles by heating in a shaping container so that a functionalized particle foam molding is formed.
Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in der folgenden Beschreibung und in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.Advantageous embodiments of the method according to the invention are listed in the following description and in the dependent claims.
Überraschend wurde gefunden, dass das Problem der Agglomeration der treibmittelbeladenen Polymergranulate während des Vorschäumens durch die Zugabe von geringen Mengen Wasser gelöst werden kann. Die vorzuschäumenden Granulate werden vor oder während des Vorschäumprozesses möglichst homogen mit Wasser benetzt.Surprisingly, it was found that the problem of agglomeration of the blowing agent-loaded polymer granules during pre-foaming can be solved by adding small amounts of water. The granules to be pre-expanded are wetted with water as homogeneously as possible before or during the pre-expanding process.
Durch die gezielte Zudosierung von Wasser kann die elektrostatische Aufladung unterbunden werden, und auch die damit verbundene Agglomeration signifikant verringert werden.Through the targeted addition of water, electrostatic charging can be prevented and the associated agglomeration can also be significantly reduced.
Es wurde gefunden, dass Anhaftungen und Verunreinigung durch thermisch geschädigte Polymere auf der Trocknerwandung verhindert werden können.It was found that buildup and contamination caused by thermally damaged poly mere on the dryer wall can be prevented.
Gleichzeitig wird eine Verbesserung der Schüttdichtehomogenität erreicht.At the same time, an improvement in the bulk density homogeneity is achieved.
Um die durch Reibung entstehenden elektrostatischen Aufladungen von Polymerpartikeln während des Vorschäumvorgangs zu verhindern bzw. zu reduzieren werden die Partikel vor oder während des Vorschäumvorgangs mit Wasser benetzt. Idealerweise wird das Wasser fein zerstäubt und homogen auf die Partikel aufgesprüht. Dies kann während des Vorschäumvorgangs erfolgen, z. B. durch eine oder mehrere sich im Vorschäumofen befindliche Düsen. Notfalls ist es möglich, die treibmittelbeladenen Polymergranulate vor dem Einfüllen in den Vorschäumer, mit Wasser zu besprühen, falls keine geeigneten Düsen im Vorschäumofen vorhanden sind.In order to prevent or reduce the electrostatic charges of polymer particles caused by friction during the pre-foaming process, the particles are wetted with water before or during the pre-foaming process. Ideally, the water is finely atomized and sprayed homogeneously onto the particles. This can be done during the pre-foaming process, e.g. B. through one or more nozzles located in the pre-expanding oven. If necessary, it is possible to spray the blowing agent-laden polymer granules with water before filling them into the pre-expander if there are no suitable nozzles in the pre-expansion oven.
Vorteilhafterweise erweist sich die vorliegende Erfindung als besonders verfahrenseffizient, da gegebenenfalls auf zusätzliche Verfahrensschritte verzichtet werden kann. Dadurch ist das Verfahren auch kosteneffizient, da Arbeitsgänge und -zeit gespart werden. Das zusätzliche Equipment zur Durchführung dieses Verfahrens ist in Bezug auf die Kosten vernachlässigbar gegenüber den ansonsten vorhandenen Materialverlusten und Qualitätseinbußen.Advantageously, the present invention proves to be particularly process-efficient, since additional process steps can be dispensed with if necessary. This also makes the process cost-effective, as work steps and time are saved. The additional equipment required to carry out this process is negligible in terms of cost compared to the material losses and quality losses that would otherwise occur.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass eine Agglomeration der Basispartikel während des Vorschäumens vermieden wird, so dass eine sehr homogene Verteilung der Schüttdichte der Basispartikel erreicht wird. Dies wiederrum erlaubt bei der Herstellung von Schaumstoffen den Erhalt sehr homogener Oberflächen der Schaumstoffe.A further advantage of the present invention is that agglomeration of the base particles is avoided during pre-foaming, so that a very homogeneous distribution of the bulk density of the base particles is achieved. This in turn allows very homogeneous foam surfaces to be obtained when producing foams.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Verfahrensschritte a), b), c) und f). Diese werden in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt. Darüber hinaus umfasst das erfindungsgemäße Verfahren optional einen oder mehrere Verfahrensschritte. Der oder die optionalen Verfahrensschritte werden jeweils nach den Verfahrensschritten d) und e) durchgeführt. Ausführungsformen und Präferenzen, die hierin und in den Ansprüchen beschrieben werden, können ohne Einschränkung miteinander kombiniert werden, solange dies nicht explizit ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist.The process according to the invention comprises process steps a), b), c) and f). These are carried out in the order listed. In addition, the method according to the invention optionally comprises one or more method steps. The optional process step(s) are each carried out after process steps d) and e). Embodiments and preferences described herein and in the claims may be combined with one another without limitation unless explicitly excluded or technically impossible.
Insofern in den Ansprüchen oder der Beschreibung der Terminus „wenigstens eins“ verwendet wird, bedeutet dies die Auswahl aus „eins“ und „mehr als eins.“To the extent that the term “at least one” is used in the claims or the description, this means the selection of “one” and “more than one.”
Verfahrensschritt a)Process step a)
In Verfahrensschritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Basispartikel umfassend wenigstens ein Treibmittel, wenigstens ein Nukleierungsmittel und wenigstens ein thermoplastisches Basismaterial, vorzugsweise mit einer Glasübergangstemperatur von wenigstens 105 °C, bevorzugt wenigstens 130°C, bereitgestellt. Solche Basispartikel werden im Stand der Technik mitunter auch als Granulate bezeichnet.In process step a) of the process according to the invention, base particles comprising at least one blowing agent, at least one nucleating agent and at least one thermoplastic base material, preferably with a glass transition temperature of at least 105 ° C, preferably at least 130 ° C, are provided. Such base particles are sometimes also referred to as granules in the prior art.
Das Basismaterial der Basispartikel ist thermoplastisch. Vorzugsweise wird das Basismaterial aus der Gruppe bestehend aus Polyimid, Polyketon und Polyacrylat, bevorzugt Polymethacrylimid (PMI), Polyetherethetketon (PEEK), Polyetherimid (PEI), Polymethyl(meth)acrylat (PM(M)A) oder Mischungen daraus ausgewählt.The base material of the base particles is thermoplastic. The base material is preferably selected from the group consisting of polyimide, polyketone and polyacrylate, preferably polymethacrylimide (PMI), polyetheretherketone (PEEK), polyetherimide (PEI), polymethyl (meth)acrylate (PM(M)A) or mixtures thereof.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Basismaterial kein Polyolefin, insbesondere kein Polypropylen. Im Besonderen umfasst das Basismaterial auch kein Polyolefin, insbesondere kein Polypropylen. Die Polyolefine weisen eine Glasübergangstemperatur unter 50°C auf, und eignen sich somit nicht als Basismaterial für Strukturschäume für Hochtemperaturanwendungen.In a preferred embodiment, the base material is not a polyolefin, in particular not polypropylene. In particular, the base material does not include any polyolefin, in particular no polypropylene. The polyolefins have a glass transition temperature below 50°C and are therefore not suitable as a base material for structural foams for high-temperature applications.
Das Basismaterial weist vorzugsweise eine Glasübergangstemperatur von wenigstens 105°C, vorzugsweise von wenigstens 130°C, mehr vorzugsweise eine Glasübergangstemperatur von wenigstens 180 °C, auf. Die Glasübergangstemperatur des Basismaterials bezieht sich typischerweise auf die des reinen Basismaterials, nicht auf die des Basismaterials umfassend das Treibmittel. Die Glasübergangstemperaturen werden typischerweise gemäß
Die Basispartikel umfassen wenigstens ein Treibmittel. Typischerweise ist das wenigstens eine Treibmittel in dem Basismaterial enthalten. Beispielsweise ummantelt das Basismaterial das wenigstens eine Treibmittel. Das wenigstens eine Treibmittel dient dazu die Basispartikel unter bestimmten Bedingungen, wie beispielsweise bei erhöhten Temperaturen, die Basispartikel zu expandieren. Dieses Expandieren bezeichnet die Volumenvergrößerung der Basispartikel.The base particles include at least one blowing agent. Typically, the at least one blowing agent is contained in the base material. For example, the base material encases the at least one blowing agent. The at least one blowing agent serves to expand the base particles under certain conditions, such as at elevated temperatures. This expansion refers to the increase in volume of the base particles.
Das wenigstens eine Treibmittel wird aus der Gruppe bestehend aus flüchtigen organischen Verbindungen mit einem Siedepunkt bei Normaldruck unterhalb der Glasübergangstemperatur des Basismaterials, anorganischen Treibmitteln, thermisch zersetzbaren Treibmitteln und Mischungen der vorgenannten ausgewählt. Vorzugsweise ist das wenigstens eine Treibmittel eine flüchtige organische Verbindung mit einem Siedepunkt bei Normaldruck unterhalb der Glasübergangstemperatur des Basismaterials.The at least one blowing agent is selected from the group consisting of volatile organic compounds with a boiling point at normal pressure below the glass transition temperature of the base material, inorganic blowing agents, thermally decomposable blowing agents and mixtures of the aforementioned. Preferably that is at least one blowing agent is a volatile organic compound with a boiling point at normal pressure below the glass transition temperature of the base material.
Vorzugsweise wird die flüchtige organische Verbindung mit einem Siedepunkt bei Normaldruck unterhalb der Glasübergangstemperatur des Basismaterials und bei Normaltemperatur (i.e. 25 °C, 1013 mbar) flüssig vorliegend, aus der Gruppe bestehend aus nicht-halogenierten Kohlenwasserstoffen, Ketonen, Alkoholen, Harnstoff, halogenierten Kohlenwasserstoffen und Mischungen der vorgenannten ausgewählt.Preferably, the volatile organic compound with a boiling point at normal pressure below the glass transition temperature of the base material and at normal temperature (i.e. 25 ° C, 1013 mbar) is liquid, from the group consisting of non-halogenated hydrocarbons, ketones, alcohols, urea, halogenated hydrocarbons and Mixtures of the aforementioned selected.
Bevorzugt wird das Keton aus Aceton, Methylethylketon, Cyclohexanon, Cyclononanon, Diacetonalkohol und Mischungen der vorgenannten ausgewählt. Mehr bevorzugt wird das Keton aus Aceton, Methylethylketon und Mischungen der vorgenannten ausgewählt.The ketone is preferably selected from acetone, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, cyclononanone, diacetone alcohol and mixtures of the aforementioned. More preferably the ketone is selected from acetone, methyl ethyl ketone and mixtures of the foregoing.
Vorzugsweise umfasst der nicht-halogenierte Kohlenwasserstoff 4 bis 8 Kohlenstoffatome. Mehr bevorzugt wird der nicht-halogenierte Kohlenwasserstoff aus Pentan, Hexan und Mischungen der vorgenannten ausgewählt.Preferably the non-halogenated hydrocarbon comprises 4 to 8 carbon atoms. More preferably, the non-halogenated hydrocarbon is selected from pentane, hexane and mixtures of the foregoing.
Vorzugsweise wird der Alkohol aus Methanol, Ethanol, iso-Propanol, n-Propanol und Mischungen der vorgenannten ausgewählt.Preferably the alcohol is selected from methanol, ethanol, iso-propanol, n-propanol and mixtures of the aforementioned.
Vorzugsweise wird der Ester aus der Gruppe bestehend aus Methylacetat, Ethylacetat, Butylacetat, und Mischungen der vorgenannten ausgewählt.Preferably the ester is selected from the group consisting of methyl acetate, ethyl acetate, butyl acetate, and mixtures of the aforementioned.
Vorzugsweise wird der halogenierte Kohlenwasserstoff aus der Gruppe bestehend aus Methylchlorid, Ethylchlorid, Dichlormethan, Dichlorethan, Dichlordifluormethan, Dichlortetrafluorethan, Trichlorfluormethan, Trichlortrifluorethan und Mischungen der vorgenannten ausgewählt.Preferably, the halogenated hydrocarbon is selected from the group consisting of methyl chloride, ethyl chloride, dichloromethane, dichloroethane, dichlorodifluoromethane, dichlorotetrafluoroethane, trichlorofluoromethane, trichlorotrifluoroethane and mixtures of the foregoing.
Besonders bevorzugt wird das wenigstens eine Treibmittel aus der Gruppe bestehend aus nicht-halogenierte Kohlenwasserstoffen, Ketonen, Alkoholen und Mischungen der vorgenannten ausgewählt. Am meisten bevorzugt ist das wenigstens eine Treibmittel ein Keton.Particularly preferably, the at least one blowing agent is selected from the group consisting of non-halogenated hydrocarbons, ketones, alcohols and mixtures of the aforementioned. Most preferably, the at least one blowing agent is a ketone.
Sofern das wenigstens eine Treibmittel ein anorganisches Treibmittel ist, wird es vorzugsweise aus Kohlendioxid, Argon und Mischungen der vorgenannten ausgewählt.If the at least one blowing agent is an inorganic blowing agent, it is preferably selected from carbon dioxide, argon and mixtures of the aforementioned.
Sofern das wenigstens eine Treibmittel ein thermisch zersetzbares Treibmittel ist, wird es vorzugsweise aus Azodicarbonamid, p-Toluolsulfonylsemicarbazid, 5-Phenyltetrazol und Mischungen der vorgenannten ausgewählt. Das thermisch zersetzbare Treibmittel weist eine Zersetzungstemperatur auf, ab derer es ein Gas freisetzt, so dass dann die Basispartikel expandieren können.If the at least one blowing agent is a thermally decomposable blowing agent, it is preferably selected from azodicarbonamide, p-toluenesulfonylsemicarbazide, 5-phenyltetrazole and mixtures of the aforementioned. The thermally decomposable blowing agent has a decomposition temperature above which it releases a gas so that the base particles can then expand.
Die Basispartikel umfassen typischerweise (durchschnittlich) 5 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 7 bis 17 Gew.-% Treibmittel, bezogen auf die gesamte Masse der Basispartikel.The base particles typically comprise (on average) 5 to 20% by weight, preferably 7 to 17% by weight of blowing agent, based on the total mass of the base particles.
Die durchschnittliche Masse der Basispartikel beträgt vorzugsweise 1 bis 15 mg, mehr vorzugsweise 2 bis 12 mg, insbesondere 3 bis 10 mg. Dabei liegt die Masse wenigstens 50%, vorzugsweise 75%, insbesondere 90%, der Basispartikel in dem oben genannten Bereich.The average mass of the base particles is preferably 1 to 15 mg, more preferably 2 to 12 mg, especially 3 to 10 mg. The mass of at least 50%, preferably 75%, in particular 90%, of the base particles is in the above-mentioned range.
Die Basispartikel enthalten ein Nukleierungsmittel. Dieses Nukleierungsmittel wird vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Talkum, Graphit, Ruß, Siliziumdioxid, Titandioxid und Mischungen der vorgenannten ausgewählt. Das Nukleierungsmittel verbessert vorteilhafterweise die Zellmorphologie.The base particles contain a nucleating agent. This nucleating agent is preferably selected from the group consisting of talc, graphite, carbon black, silicon dioxide, titanium dioxide and mixtures of the aforementioned. The nucleating agent advantageously improves cell morphology.
Die Basispartikel umfassen (durchschnittlich) 0,01 bis 3 Gew.-%, vorzugsweise 0,05 bis 1 Gew.-% Nukleierungsmittel, bezogen auf die gesamte Masse der Basispartikel.The base particles comprise (on average) 0.01 to 3% by weight, preferably 0.05 to 1% by weight, of nucleating agent, based on the total mass of the base particles.
Die erfindungsgemäßen Basispartikel sind kompakte kugel- oder zylinderförmige Materialien. Die im Stand der Technik, wie beispielsweise in der
Die Basispartikel sind vorzugsweise kugelförmig oder zylinderförmig. Kugelförmig bedeutet, dass die Basispartikel keine Ecken oder Kanten aufweisen. Das Verhältnis von kürzestem zu längstem Durchmesser der kugelförmigen Basispartikel liegt bevorzugt im Bereich von 0,9 bis 1,0, besonders bevorzugt im Bereich von 0,95 bis 0,99. Aufgrund der Kugelform können die bevorzugten kugelförmigen Basispartikel und die durch Vorschäumen erhältlichen Schaumpartikel durch pneumatische Förderanlagen leicht gefördert und in Schaumstoffformen eingeblasen werden.The base particles are preferably spherical or cylindrical. Spherical means that the base particles have no corners or edges. The ratio of the shortest to longest diameter of the spherical base particles is preferably in the range from 0.9 to 1.0, particularly preferably in the range from 0.95 to 0.99. Due to the spherical shape, the preferred spherical base particles and the foam particles obtainable by pre-foaming can be easily conveyed by pneumatic conveying systems and blown into foam molds.
Der Durchmesser der Basispartikel, vorzugsweise der bevorzugten kugelförmigen oder zylinderförmigen Basispartikel, liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 5 mm, mehr vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 3 mm, ganz besonders bevorzugt zwischen 0,8 und 2 mm.The diameter of the base particles, preferably the preferred spherical or cylindrical base particles, is preferably in the range from 0.1 to 5 mm, more preferably in the range from 0.5 to 3 mm, most preferably between 0.8 and 2 mm.
Die Dimensionen der zylindrischen Basispartikel sind definiert durch ihren Durchmesser, für den dasselbe gilt wie für die kugelförmigen Basispartikel, und ihre Höhe. Vorzugsweise ist bei zylinderförmigen Basispartikeln das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser im Bereich von 0,9 zu 1,1, besonders bevorzugt weisen die zylindrischen Basispartikel einen Durchmesser gleich ihrer Höhe auf.The dimensions of the cylindrical base particles are defined by their diameter, which is the same as for the spherical base particles, and their height. Preferably it is cylindrical Base particles have a ratio of height to diameter in the range of 0.9 to 1.1, particularly preferably the cylindrical base particles have a diameter equal to their height.
Bevorzugt weisen 90% der Basispartikel, besonders bevorzugt 99% der Basispartikel, bezogen auf die Gesamtanzahl der Basispartikel einen Durchmesser von weniger als 5 mm auf.Preferably 90% of the base particles, particularly preferably 99% of the base particles, based on the total number of base particles, have a diameter of less than 5 mm.
Die Basispartikel und ihre Herstellungsverfahren sind im Stand der Technik bekannt oder kommerziell erhältlich. Der Fachmann kann aus verschiedenen Methoden wählen. Beispielsweise können Basispartikel wie folgt erhalten werden: Nach dem Aufschmelzen eines Basismaterials in einem Extruder wird, falls gewünscht, das Nukleierungsmittel zugegeben und beim Abkühlen des Basismaterials das wenigstens eine Treibmittel. Mechanisch lassen sich dann die Basispartikel formen, z.B. mit einer Lochplatte, Zahnradpumpe o.ä. (vgl.
Verfahrensschritt b)Process step b)
In Verfahrensschritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Basispartikel einer Vorrichtung geeignet zur Bewegung und Erhitzung der Basispartikel zugeführt.In method step b) of the method according to the invention, the base particles are fed to a device suitable for moving and heating the base particles.
Geeignete Vorrichtungen im Sinne der Erfindung sind beispielsweise rotationsfähige, beheizbare Trommeln, Mischkessel oder auch ein bewegliches Band in Kombination mit einer Heizquelle, vorzugsweise einem Durchgangsofen. Das bewegliche Band ist beispielsweise ein Förderband, das die Basispartikel der Heizquelle zuführt. Vorteilhaft ist in diesem Kontext, wenn das Förderband ein Mittel zur Bewegung der Basispartikel relativ zueinander umfasst, zum Beispiel eine Rüttelvorrichtung, wodurch die Basispartikel auf dem Band hin und her bewegt werden.Suitable devices within the meaning of the invention are, for example, rotatable, heatable drums, mixing tanks or a movable belt in combination with a heating source, preferably a continuous oven. The movable belt is, for example, a conveyor belt that feeds the base particles to the heating source. It is advantageous in this context if the conveyor belt includes a means for moving the base particles relative to one another, for example a vibrating device, whereby the base particles are moved back and forth on the belt.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung eine rotationsfähige, beheizbare Trommel oder ein Mischkessel. Insbesondere ist die Vorrichtung eine rotationsfähige, beheizbare Trommel. Solche Trommeln haben den geringsten mechanischen Einfluss auf die Basispartikel und die Schaumpartikel gepaart mit einer sehr effizienten Durchmischung der Basispartikel während des Verfahrensschritts c). Rotationsfähige, beheizbare Trommeln kennt der Fachmann auch als Rotationsverdampfer.The device is preferably a rotatable, heatable drum or a mixing vessel. In particular, the device is a rotatable, heatable drum. Such drums have the lowest mechanical influence on the base particles and the foam particles coupled with a very efficient mixing of the base particles during process step c). Experts also know rotatable, heated drums as rotary evaporators.
Die Vorrichtung ist geeignet zur Bewegung der Basispartikel. Dies bedeutet die gerichtete Bewegung der Basispartikel in eine Richtung (zum Beispiel auf einem Förderband durch einen Ofen) und/oder die Bewegung der Basispartikel relativ zueinander. Letzteres ist bevorzugt umfasst. Dadurch ist eine verbesserte Behandlung der Basispartikel mit Wasser möglich, wodurch die elektrostatische Aufladung vermindert wird.The device is suitable for moving the base particles. This means the directed movement of the base particles in one direction (for example on a conveyor belt through an oven) and/or the movement of the base particles relative to one another. The latter is preferably included. This enables improved treatment of the base particles with water, which reduces the electrostatic charge.
Um die Basispartikel der Vorrichtung zuzuführen sind dem Fachmann zahlreiche Möglichkeiten bekannt. Beispielsweise kann er sie manuell (gießen, schütten, schaufeln) oder durch maschinelle Hilfe der Vorrichtung zuführen, beispielsweise mittels eines Pumpsystems. In Abhängigkeit der Vorrichtung werden die Basispartikel in das Innere der Vorrichtung gebracht (z.B. im Falle einer rotationsfähigen, beheizbaren Trommel oder eines Mischkessels) oder auf einen Teil der Vorrichtung gelegt (z.B. auf das Förderband, so dass die Basispartikel einer Heizquelle zugeführt werden können).Numerous options are known to those skilled in the art for supplying the base particles to the device. For example, he can feed them to the device manually (pour, pour, shovel) or with mechanical help, for example using a pump system. Depending on the device, the base particles are brought into the interior of the device (e.g. in the case of a rotatable, heatable drum or a mixing vessel) or placed on a part of the device (e.g. on the conveyor belt so that the base particles can be fed to a heating source).
Die Vorrichtung verfügt über eine Möglichkeit die Basispartikel zu erhitzen. Hierzu sind dem Fachmann zahlreiche Methoden bekannt. Beispielsweise können geeignete IR-Strahlung-Strahlungsquellen, Radiowellen, Mikrowellen, Heißluft, einen oder mehrere Widerstandsöfen oder Kombinationen der vorgenannten eingesetzt werden. Die Wärme kann unmittelbar (z.B. durch Strahlung) oder mittelbar (z.B. durch eine mittels Wasserdampf oder ähnlichen Wärmequellen erhitzte Wand einer rotationsfähigen, beheizbaren Trommel oder eines Mischkessels) auf die Basispartikel übertragen werden.The device has a way of heating the base particles. Numerous methods are known to those skilled in the art for this purpose. For example, suitable IR radiation sources, radio waves, microwaves, hot air, one or more resistance ovens or combinations of the above can be used. The heat can be transferred to the base particles directly (e.g. by radiation) or indirectly (e.g. by a wall of a rotatable, heatable drum or mixing vessel heated by steam or similar heat sources).
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung, ein Mittel zur gleichmäßigen Benetzung der Basispartikel während des Vorschäumens. Ein besonders geeignetes Mittel zu diesem Zweck ist eine oder mehrere Düsen, die die Basispartikel während des Vorschäumens mit Wasser benetzen können. Geeignete Düsen sind dem Fachmann bekannt.The device preferably comprises a means for uniformly wetting the base particles during pre-foaming. A particularly suitable means for this purpose is one or more nozzles that can wet the base particles with water during pre-foaming. Suitable nozzles are known to those skilled in the art.
Verfahrensschritt c)Process step c)
In Verfahrensschritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Basispartikel vorgeschäumt. Dadurch werden Funktionspartikel aus den Basispartikeln erhalten.In process step c) of the process according to the invention, the base particles are pre-foamed. As a result, functional particles are obtained from the base particles.
Die Basispartikel werden vor, während oder vor und während des Vorschäumens mit Wasser behandelt. Vorzugsweise werden die Basispartikel während des Vorschäumens mit Wasser behandelt. Besonders bevorzugt werden die Basispartikel nur während des Vorschäumens mit Wasser behandelt. Dies erlaubt eine besonders hohe Verfahrenseffizienz, da keine zusätzlichen Verfahrensschritte erforderlich sind.The base particles are treated with water before, during or before and during pre-foaming. The base particles are preferably treated with water during pre-foaming. The base particles are particularly preferably treated with water only during pre-foaming. This allows a particularly high level of process efficiency since no additional process steps are required.
Die Funktionspartikel enthalten auch noch einen Teil des Treibmittels, das die Basispartikel enthielten. Vorzugsweise enthalten die Funktionspartikel 5 bis 12 % des Treibmittels der Basispartikel, mehr vorzugsweise 6 bis 10 %, noch mehr vorzugsweise 7 bis 9 %.The functional particles also contain part of the blowing agent that the base particles contained. The functional particles preferably contain 5 to 12% of the blowing agent of the base particles, more preferably 6 to 10%, even more preferably 7 to 9%.
Das Wasser zur Behandlung der Basispartikel ist vorzugsweise reines Wasser. Dem Wasser wurden also keinerlei Zusätze oder Additive (absichtlich) beigesetzt. Reines Wasser zeichnet sich typischerweise dadurch aus, dass der Anteil ≥ 99.0 Gew.-% Wasser, mehr vorzugsweise 99.5 Gew.-% Wasser, noch mehr vorzugsweise 99,9 Gew.-% Wasser beträgt. Die Verwendung reines Wassers ist ökologisch und ökonomisch besonders vorteilhaft.The water for treating the base particles is preferably pure water. So no additives or additives were (intentionally) added to the water. Pure water is typically characterized by the fact that the proportion is ≥ 99.0% by weight of water, more preferably 99.5% by weight of water, even more preferably 99.9% by weight of water. The use of pure water is particularly advantageous ecologically and economically.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Wasser zur Behandlung der Basispartikel ein Antistatikum. Dieses Antistatikum wird vorzugsweise in einer Menge von 1.01 bis 2.00 Gew.-%, bezogen auf das Wasser eingesetzt. Vorzugsweise wird eine Mischung bestehend aus 1.01 bis 2.00 Gew.-% eines Antistatikums und Wasser, das die restlichen Anteile bis zu 100 Gew.-% bildet, verwendet. Antistatika sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann der Butylester der Phosphorsäure als solches eingesetzt werden. Die Verwendung des Antistatikums hat den Vorteil, dass sehr wenig Wasser eingesetzt werden muss, um eine elektrostatische Aufladung der Basispartikel zu verhindern, wodurch das Trocknen der Basispartikel meist sehr viel kürzer ausfallen kann oder ganz darauf verzichtet werden kann.In a preferred embodiment, the water for treating the base particles contains an antistatic agent. This antistatic agent is preferably used in an amount of 1.01 to 2.00% by weight, based on the water. A mixture consisting of 1.01 to 2.00% by weight of an antistatic agent and water, which forms the remaining proportions up to 100% by weight, is preferably used. Antistatic agents are known to those skilled in the art. For example, the butyl ester of phosphoric acid can be used as such. The use of the antistatic agent has the advantage that very little water has to be used in order to prevent electrostatic charging of the base particles, which means that the drying of the base particles can usually be much shorter or can be dispensed with entirely.
Das Massenverhältnis von Wasser und Basispartikeln liegt vorzugsweise im Bereich von 0,001:1 bis 1:1, mehr vorzugsweise im Bereich von 0,01:1 bis 0,1:1.The mass ratio of water and base particles is preferably in the range of 0.001:1 to 1:1, more preferably in the range of 0.01:1 to 0.1:1.
Die Temperatur des Wassers (während der Behandlung der Basispartikel) liegt vorzugsweise im Bereich von 0°C bis 99°C, mehr vorzugsweise im Bereich von 5°C bis 40°C, unter Normaldruck (1013 mbar) bei der Behandlung der Basispartikel.The temperature of the water (during the treatment of the base particles) is preferably in the range from 0 ° C to 99 ° C, more preferably in the range from 5 ° C to 40 ° C, under normal pressure (1013 mbar) when treating the base particles.
Der Wasser-Volumenstrom bzw. Wasser/Antisttikum-Volumenstrom ist abhängig von der Art der Sprühvorrichtung und der Basispartikelmasse. Der Volumenstrom liegt üblicherweise zwischen 0,1 und 5 ml/s.The water volume flow or water/antistatic agent volume flow depends on the type of spray device and the base particle mass. The volume flow is usually between 0.1 and 5 ml/s.
Die Dauer der Behandlung der Basispartikel mit Wasser richtet sich nach den Basispartikeln selbst, den Mengenverhältnissen, der Temperatur des Wassers und dem Wasser- bzw. Wasser/Antistatikum-Volumenstroms. Typischerweise reichen Behandlungsdauern von 1 s bis 30 min, bevorzugt 2 s bis 1 min, besonders bevorzugt 5 s bis 30 s.The duration of the treatment of the base particles with water depends on the base particles themselves, the quantitative ratios, the temperature of the water and the water or water/antistatic volume flow. Typically, treatment times range from 1 s to 30 min, preferably 2 s to 1 min, particularly preferably 5 s to 30 s.
Die Basispartikel werden optional durch Tauchen, Sprühen oder durch andere gängige Methoden mit der Mischung umfassend das Funktionalisierungsmittel in Kontakt gebracht. Der Fachmann kann diesbezüglich durch Routineexperimente die bestgeeignetste Methode bestimmen. Es können besonders vorteilhafterweise die bevorzugten Düsen der Vorrichtung zur Funktionalisierung eingesetzt werden.The base particles are optionally brought into contact with the mixture comprising the functionalizing agent by dipping, spraying or other common methods. The person skilled in the art can determine the most suitable method in this regard through routine experiments. The preferred nozzles of the device can be used particularly advantageously for functionalization.
Die Mischung umfassend das wenigstens eine Funktionalisierungsmittel ist vorzugsweise wässrig. Wässrig bedeutet in diesem Fall, dass wenigstens 90 Gew.-%, mehr vorzugsweise wenigstens 99 Gew.-%, aller Lösungsmittel der Mischung Wasser sind. Durch die Verwendung einer wässrigen Mischung kann vorteilhafterweise nicht nur die Funktionalisierung auf die Basispartikel aufgebracht werden, sondern zeitgleich auf die elektrostatische Aufladung der Basispartikel während des Vorschäumens verhindert werden. Vorzugsweise sind mindestens 20 %, mehr vorzugsweise 40 %, der Oberfläche (bezogen auf die Gesamtoberfläche der Basispartikel) mit einer Funktionalisierung nach dem Vorschäumen versehen. Dies kann beispielsweise gravimetrisch oder spektroskopisch - in Abhängigkeit der Partikel und der Funktionalisierung - ermittelt werden. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden ein oder mehrere der Funktionalisierungsmittel mit einem Antistatikum gemeinsam eingesetzt. Erfindungsgemäß wird unter Funktionalisierung, die gezielte Veränderung, insbesondere der Haftfähigkeit, der Oberfläche der Basispartikel verstanden.The mixture comprising the at least one functionalizing agent is preferably aqueous. In this case, aqueous means that at least 90% by weight, more preferably at least 99% by weight, of all solvents in the mixture are water. By using an aqueous mixture, not only can the functionalization be applied to the base particles, but at the same time the electrostatic charging of the base particles can be prevented during pre-foaming. Preferably at least 20%, more preferably 40%, of the surface (based on the total surface of the base particles) is provided with functionalization after pre-foaming. This can be determined, for example, gravimetrically or spectroscopically - depending on the particles and the functionalization. In one embodiment of the present invention, one or more of the functionalizing agents are used together with an antistatic agent. According to the invention, functionalization means the targeted change, in particular the adhesion, of the surface of the base particles.
Die Dauer von Verfahrensschritt c) liegt vorzugsweise im Bereich von 1 s bis 15 min, bevorzugt im Bereich von 5 s bis 10 min, mehr bevorzugt im Bereich von 10 s bis 5 min. Dauern außerhalb der benannten Bereiche können auch in Abhängigkeit der eingesetzten Temperatur und Basispartikel angebracht sein.The duration of process step c) is preferably in the range from 1 s to 15 min, preferably in the range from 5 s to 10 min, more preferably in the range from 10 s to 5 min. Durations outside the specified ranges can also depend on the temperature used and base particles must be attached.
Der Verfahrensschritt c) wird in der Vorrichtung aus Verfahrensschritt b) durchgeführt. Die Temperatur im Inneren der Vorrichtung in Verfahrensschritt c) liegt typischerweise zwischen dem Siedepunkt bzw. dem Zersetzungspunkt (bei Normalbedingungen) des Treibmittels und der Glasübergangstemperatur des Basismaterials. Vorzugsweise liegt die Temperatur im Inneren der Vorrichtung in Verfahrensschritt c) im Bereich von wenigstens 10 °C oberhalb des Siedepunkts bzw. dem Zersetzungspunkts (bei Normalbedingungen) des Treibmittels und einer Temperatur bis 10 °C unterhalb der Glasübergangstemperatur des Basismaterials.Process step c) is carried out in the device from process step b). The temperature inside the device in process step c) is typically between the boiling point or the decomposition point (under normal conditions) of the blowing agent and the glass transition temperature of the base material. Preferably, the temperature inside the device in process step c) is in the range of at least 10 ° C above the boiling point or the decomposition point (under normal conditions) of the blowing agent and a temperature of up to 10 ° C below the glass transition temperature of the base material.
Beispielsweise liegt die Temperatur im Inneren der Vorrichtung in Verfahrensschritt c) im Bereich von 56 °C bis 230 °C, bevorzugt im Bereich von 65 °C bis 200 °C, wenn Aceton als Treibmittel und Polyetherimid als Basismaterial verwendet wird. Die Temperatur in Verfahrensschritt c) kann durch die oben beschriebenen Methoden eingestellt werden.For example, the temperature inside the device in process step c) is in the range from 56 ° C to 230 ° C, preferably in the range from 65 ° C to 200 ° C, if acetone is used as the blowing agent and polyetherimide as the base material. The temperature in process step c) can be adjusted using the methods described above.
Beispielsweise liegt die Temperatur im Inneren der Vorrichtung in Verfahrensschritt c) im Bereich von 90°C bis 180 °C, wenn Harnstoff als Treibmittel und Polymethylmethacrylat als Basismaterial verwendet wird.For example, the temperature inside the device in process step c) is in the range from 90 ° C to 180 ° C if urea is used as the blowing agent and polymethyl methacrylate as the base material.
Die Basispartikel werden durch die im Inneren der Vorrichtung eingestellte Temperatur vorgeschäumt. Durch die eingestellte Temperatur wird ein Teil des in den Basispartikeln enthaltenen Treibmittels in die Gasphase überführt und aus den Basispartikel ausgetrieben, wodurch diese eine Volumenexpansion erfahren. Dies bezeichnet man erfindungsgemäß als Vorschäumen. Dieses Vorschäumen unterscheidet sich vom finalen Schäumen (in Verfahrensschritt f)) dadurch, dass nach dem Verfahrensschritt noch Treibmittel in den Partikeln enthalten ist und über eine nachfolgende Expansion eine weitere Volumenzunahme und Versinterung erfolgt oder erfolgen kann.The base particles are pre-foamed by the temperature set inside the device. The set temperature causes part of the blowing agent contained in the base particles to be transferred into the gas phase and expelled from the base particles, causing them to experience a volume expansion. According to the invention, this is referred to as pre-foaming. This pre-foaming differs from the final foaming (in process step f)) in that after the process step blowing agent is still contained in the particles and a further increase in volume and sintering occurs or can occur via subsequent expansion.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Basispartikel in Verfahrensschritt b) einer beheizbaren, rotationsfähigen Trommel zugeführt und in Verfahrensschritt c) mit Wasser besprüht, während die Trommel beheizt und rotiert wird, wodurch die Basispartikel während des Vorschäumens gegeneinander bewegt werden. Diese bevorzugte Ausführungsform erlaubt eine besonders effiziente Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine besonders homogene Schüttdichte der Basispartikel wird erhalten.In a preferred embodiment, the base particles are fed to a heatable, rotatable drum in process step b) and sprayed with water in process step c) while the drum is heated and rotated, as a result of which the base particles are moved against one another during pre-foaming. This preferred embodiment allows the method according to the invention to be carried out particularly efficiently and a particularly homogeneous bulk density of the base particles is obtained.
Optionale VerfahrensschritteOptional procedural steps
Optional umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen weiteren Verfahrensschritt d) nach Verfahrensschritt c) :
- d) Trocknen der Funktionspartikel.
- d) Drying the functional particles.
Die Funktionspartikel werden in Verfahrensschritt d) so lange getrocknet, bis das Wasser oder das optionale Lösungsmittel der Lösung umfassend das wenigstens eine Funktionalisierungsmittel Wasser weitgehend entfernt wurde. Dies bedeutet, dass vorzugsweise wenigstens 90 Gew.-% des an den Funktionspartikeln nach Verfahrensschritt c) anhaftenden Lösungsmittels, vorzugsweise wenigstens 99 Gew.-%, in Verfahrensschritt d) entfernt werden.The functional particles are dried in process step d) until the water or the optional solvent of the solution comprising the at least one functionalizing agent, water, has been largely removed. This means that preferably at least 90% by weight of the solvent adhering to the functional particles after process step c), preferably at least 99% by weight, is removed in process step d).
Typischerweise wird das Trocknen bei einer erhöhten Temperatur, zum Beispiel bei Raumtemperatur, vorzugsweise bei der Vorschäumtemperatur durchgeführt, um ein effizientes Entfernen des Wassers oder des optionalen Lösungsmittels zu garantieren, ohne die Funktionspartikel durch eine möglicherweise zu hohe Temperatur zu schädigen.Typically, the drying is carried out at an elevated temperature, for example at room temperature, preferably at the pre-expansion temperature, in order to guarantee efficient removal of the water or the optional solvent without damaging the functional particles by a possibly too high temperature.
Die Dauer des Trocknens wird in Abhängigkeit des gewünschten Grad des Entfernens des Wassers oder des optionalen Lösungsmittels und der Temperatur gewählt. Typische Trocknungsdauern liegen im Bereich von 1 min bis 60 min.The duration of drying is selected depending on the desired degree of removal of the water or optional solvent and the temperature. Typical drying times range from 1 minute to 60 minutes.
Dem Fachmann stehen zur Durchführung von Verfahrensschritt d) zahlreiche Methoden zur Verfügung. Beispielsweise können die Funktionspartikel nach Ablassen bzw. Entfernen des Wassers oder der Lösung umfassend das wenigstens eine Funktionalisierungsmittel in der Vorrichtung geeignet zur Bewegung und Erhitzung der Basispartikel verbleiben und die Temperatur entsprechend eingestellt werden. Beispielsweise kann auch in der Vorschäumvorrichtung das Besprühen mit Wasser rechtzeitig vor dem Ende des Vorschäumprozesse beendet werden, so dass die Funktionspartikel mit Hilfe der in der Vorrichtung eingebrachten Energie trocknen. Alternativ können die Funktionspartikel zu diesem Zweck in der Vorschäumvorrichtung verbleiben oder in einen Ofen o.ä. überführt werden.Numerous methods are available to the person skilled in the art for carrying out process step d). For example, after draining or removing the water or the solution comprising the at least one functionalizing agent, the functional particles can remain in the device suitable for moving and heating the base particles and the temperature can be adjusted accordingly. For example, spraying with water in the pre-foaming device can also be stopped in good time before the end of the pre-foaming process, so that the functional particles dry with the help of the energy introduced in the device. Alternatively, the functional particles can remain in the pre-expanding device for this purpose or be transferred to an oven or similar.
Das Trocknen hat den Vorteil, dass die Funktionspartikel rieselfähig bleiben, somit eine Agglomeration der Funktionspartikel verhindert wird.Drying has the advantage that the functional particles remain free-flowing, thus preventing agglomeration of the functional particles.
Vorzugsweise ist die an den Funktionspartikeln anhaftende Menge des Wassers oder des optionalen Lösungsmittels bereits nach Verfahrensschritt c) so gering, dass Verfahrensschritt d) nicht erforderlich ist, da aufgrund der in Verfahrensschritt c) vorherrschenden Bedingungen bereits der Großteil des Wassers oder des optionalen Lösungsmittels entfernt wird.Preferably, the amount of water or the optional solvent adhering to the functional particles is already so small after process step c) that process step d) is not necessary, since the majority of the water or the optional solvent is already removed due to the conditions prevailing in process step c). .
Optional umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen weiteren Verfahrensschritt e):
- e) Zwischenlagerung der Funktionspartikel.
- e) Intermediate storage of the functional particles.
Verfahrensschritt e) wird nach Verfahrensschritt c) durchgeführt oder, falls Verfahrensschritt d) von den erfindungsgemäßen Verfahren umfasst ist, nach diesem.Process step e) is carried out after process step c) or, if process step d) is included in the process according to the invention, after this.
Durch den Verfahrensschritt e) findet vorteilhafterweise ein Druckausgleich zwischen Funktionspartikel und Umgebung statt. Während des Vorschäumens wird das Treibmittel erhitzt und dehnt sich aus. Nach Beenden des Vorschäumens rekondensiert es wieder. Dieses kondensierende Treibmittel führt zu einem Unterdruck in den Partikeln, wodurch die Funktionspartikel in einigen Fällen ihre Dimensionsstabilität einbüßen können. Durch den Verfahrensschritt e) wird dies verhindert, da Umgebungsluft in die Funktionspartikel hineindiffundiert.Method step e) advantageously results in pressure equalization between the functional particles and the environment. During pre-foaming, the blowing agent is heated and expands. After pre-foaming has ended, it recondenses again. This condensing blowing agent leads to a negative pressure in the particles, which in some cases can cause the functional particles to lose their dimensional stability. This is prevented by process step e), since ambient air diffuses into the functional particles.
Typischerweise werden Temperaturen im Bereich von 0 bis 30 °C, vorzugsweise 15 bis 25 °C, verwendet. Zu hohe Temperaturen können unter Umständen zum ungewünschten Austritt an Treibmittel führen.Typically temperatures in the range of 0 to 30 °C, preferably 15 to 25 °C, are used. Temperatures that are too high can, under certain circumstances, lead to an undesirable release of blowing agent.
Die Dauer ist nicht weiter beschränkt und die Funktionspartikel können so lange wie gewünscht zwischengelagert werden. In Abhängigkeit des verwendeten Basismaterials und der Menge an ausgetretenem Treibmittel wird die Dauer der Zwischenlagerung vom Fachmann bestimmt, beispielsweise 30 min bis 48 h, vorzugsweise 2 h bis 24 h, mehr vorzugsweise 4 h bis 22 h.The duration is not further limited and the functional particles can be stored temporarily for as long as desired. Depending on the base material used and the amount of blowing agent released, the duration of the intermediate storage is determined by the person skilled in the art, for example 30 minutes to 48 hours, preferably 2 hours to 24 hours, more preferably 4 hours to 22 hours.
Verfahrensschritt f)Process step f)
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst einen weiteren Verfahrensschritt f): Formgebung der Funktionspartikel durch Erhitzen in einem formgebenden Behältnis.The method according to the invention comprises a further method step f): shaping the functional particles by heating in a shaping container.
Verfahrensschritt f) wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Verfahrensschritt c) eingefügt oder, falls Verfahrensschritt d) umfasst ist nach diesem, oder falls Verfahrensschritt e) umfasst ist, nach letztgenanntem.Method step f) is inserted in the method according to the invention after method step c) or, if method step d) is included, after this, or if method step e) is included, after the latter.
Die Formgebung von präexpandierten Granulaten ist dem Fachmann bekannt. Entsprechende Methoden können auch zur Formgebung der Funktionspartikel eingesetzt werden. Beispiele für die Methoden sind Pressverfahren (auch als Formpressen im Stand der Technik bezeichnet) wie Heißpressen, Verkleben, Versintern mit (übersättigtem) Wasserdampf oder mit elektromagnetischer Strahlung wie Radiowellen und Mikrowellen.The shaping of pre-expanded granules is known to those skilled in the art. Corresponding methods can also be used to shape the functional particles. Examples of the methods are pressing processes (also referred to as compression molding in the prior art) such as hot pressing, bonding, sintering with (supersaturated) steam or with electromagnetic radiation such as radio waves and microwaves.
Zur Formgebung werden wenigstens zwei Funktionspartikel erhitzt. In der Regel werden eine Vielzahl an Funktionspartikeln erhitzt. Die Menge der Funktionspartikel hängt von der gewünschten Form ab. Die dazu eingesetzte Temperatur richtet sich vor allem nach dem Basismaterial, dem darin enthaltenen Treibmittel und der eingesetzten Methode. Typischerweise wird sie einem Bereich von oberhalb der Glasübergangstemperatur der Funktionspartikel, bevorzugt bis zu einer Temperatur von 10 °C über der Glasübergangstemperatur der Funktionspartikel, vorzugsweise in einem Bereich von 30 °C über der Glasübergangstemperatur der Funktionspartikel bis zu der Glasübergangstemperatur des Basismaterials, eingestellt. Eine Temperatur deutlich oberhalb der benannten kann zum ungewollten Schmelzen der Funktionspartikel führen, wodurch die Form verloren gehen kann.At least two functional particles are heated to form the shape. As a rule, a large number of functional particles are heated. The amount of functional particles depends on the desired shape. The temperature used depends primarily on the base material, the blowing agent it contains and the method used. Typically it is set to a range from above the glass transition temperature of the functional particles, preferably up to a temperature of 10 ° C above the glass transition temperature of the functional particles, preferably in a range from 30 ° C above the glass transition temperature of the functional particles to the glass transition temperature of the base material. A temperature significantly above the specified one can lead to unwanted melting of the functional particles, which can result in the shape being lost.
Die Dauer des Formgebens richtet sich vor allem nach dem Basismaterial, dem darin enthaltenen Treibmittel und der eingesetzten Methode. Der Fachmann kann geeignete Dauern durch Routineversuche bestimmen bzw. dem Stand der Technik entnehmen. Typischerweise beträgt die Dauer 30 s bis 60 min.The duration of the shaping depends primarily on the base material, the blowing agent it contains and the method used. The person skilled in the art can determine suitable durations through routine tests or from the prior art. Typically the duration is 30 seconds to 60 minutes.
Das formgebende Behältnis kann beispielsweise eine Presse oder auch ein anderes geeignetes Gefäß sein und ist unter anderem durch die gewünschte Form des Partikelschaum-Formteils bestimmt.The shaping container can be, for example, a press or another suitable vessel and is determined, among other things, by the desired shape of the particle foam molding.
Optional wird nach dem Formgeben eine Deckschicht oder eine Folie auf das gebildete Partikelschaum-Formteil aufgebracht. Solche Deckschichten und Folien sowie deren Aufbringungsmethoden sind dem Fachmann bekannt.Optionally, after shaping, a cover layer or a film is applied to the particle foam molding formed. Such cover layers and films and their application methods are known to those skilled in the art.
In einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Partikelschaum-Formteilen die Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge:
- a) Bereitstellung von Basispartikeln umfassend wenigstens ein Treibmittel und wenigstens ein thermoplastisches Basismaterial;
- b) Zuführung der Basispartikel in eine Vorrichtung geeignet zur Bewegung und Erhitzung der Basispartikel;
- c) Zeitgleiches Vorschäumen und Behandeln der Basispartikel mit Wasser, so dass Funktionspartikel erhalten werden;
- d) vorzugsweise Trocknen der Funktionspartikel;
- e) vorzugsweise Zwischenlagerung der Funktionspartikel;
- f) Formgebung der Funktionspartikel durch Erhitzen in einem formgebenden Behältnis, so dass ein Partikelschaum-Formteil gebildet wird.
- a) providing base particles comprising at least one blowing agent and at least one thermoplastic base material;
- b) feeding the base particles into a device suitable for moving and heating the base particles;
- c) Simultaneous pre-foaming and treatment of the base particles with water so that functional particles are obtained;
- d) preferably drying the functional particles;
- e) preferably intermediate storage of the functional particles;
- f) Shaping the functional particles by heating in a shaping container so that a particle foam molding is formed.
Die obigen Ausführungen gelten analog für diese Ausführungsform. In dieser Ausführungsform wird vorzugsweise der Trocknungsschritt und die Zwischenlagerung durchgeführt.The above statements apply analogously to this embodiment. In this embodiment, the drying step and the intermediate storage are preferably carried out.
Partikelschaum-FormteilParticle foam molding
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Schaumstoff hergestellt aus den erfindungsgemäßen Funktionspartikeln, das Partikelschaum-Formteil. Das Partikelschaum-Formteil wird vorzugsweise durch das erfindungsgemäße Verfahren, das zusätzlich mindestens Verfahrensschritt f) umfasst, hergestellt.In a further aspect, the present invention relates to a foam made from the functional particles according to the invention, the particle foam molding. The particle foam molding is preferably produced by the method according to the invention, which additionally comprises at least method step f).
Der Schaumstoff umfasst wenigstens zwei, in der Regel eine Vielzahl an Zellen, die aus Verfahrensschritt f) hervorgegangen sind. Der mittlere Zelldurchmesser des erfindungsgemäßen Partikelschaum-Formteils liegt in der Regel im Bereich von 30 bis 500 µm, bevorzugt im Bereich von betrug 50 bis 300 µm. Bevorzugt weisen 90% der Zellen, besonders bevorzugt 99% der Zellen einen Zelldurchmesser von weniger als 150 µm auf. Das mittlere Länge/Breite-Verhältnis liegt bevorzugt unter 2,0, mehr bevorzugt unter 1,6, besonders bevorzugt 0,9 bis 1,1.The foam comprises at least two, usually a large number of cells that emerged from process step f). The average cell diameter of the particle foam molding according to the invention is generally in the range from 30 to 500 μm, preferably in the range from 50 to 300 μm. Preferably 90% of the cells, particularly preferably 99% of the cells, have a cell diameter of less than 150 μm. The mid The overall length/width ratio is preferably below 2.0, more preferably below 1.6, particularly preferably 0.9 to 1.1.
Die so erhaltenen Partikelschaum-Formteile sind in der Regel geschlossenzellig. Sie weisen bevorzugt eine Dichte im Bereich von 20 bis 250 kg/m3, besonders bevorzugt im Bereich von 40 bis 150 kg/m3 auf, gemessen nach
Die erfindungsgemäßen Partikelschaum-Formteile eignen sich zur Verwendung in der Herstellung von Gütern der Luft- und Raumfahrt, des Schiffsbaus, der Windkraft, des Fahrzeugbaus, insbesondere in der Elektromobilität.The particle foam moldings according to the invention are suitable for use in the production of goods in aerospace, shipbuilding, wind power, vehicle construction, especially in electromobility.
Die Partikelschaum-Formteile eignen sich beispielsweise für die Herstellung von Kfz-Teilen, wie Sonnenblenden, Säulenverkleidungen, Dachhimmeln, Kofferraum- und Reserveradabdeckungen oder Hutablagen. Allgemeine Beispiele sind ferner: Halbzeuge zur Herstellung von Möbeln (z.B. Platten) und Möbel selbst, Spielzeug, Outdoor-Objekte, Maschinenverkleidungen und dergleichen.The particle foam molded parts are suitable, for example, for the production of automotive parts such as sun visors, pillar covers, roof linings, trunk and spare wheel covers or parcel shelves. General examples also include: semi-finished products for the production of furniture (e.g. panels) and furniture itself, toys, outdoor objects, machine coverings and the like.
Das vorliegende Verfahren und die damit erzeugten Funktionspartikel und Partikelschaum-Formteile sind insbesondere für Hochtemperaturanwendungen geeignet.The present process and the functional particles and particle foam moldings produced with it are particularly suitable for high-temperature applications.
BeispieleExamples
Beispiel 1example 1
Basispartikel:Base particles:
83,5 Gew% thermoplastisches Basismaterial Polyetherimid (PEI) mit einer Galsübergangstemperaturvon 217°C, gemessen mittels DSC gemäß
Glasübergangstemperatur der Basispartikel: 147°C83.5% by weight of thermoplastic base material polyetherimide (PEI) with a gas transition temperature of 217°C, measured by DSC according to
Glass transition temperature of the base particles: 147°C
Die als Granulat vorliegenden PEI-Basispartikel werden manuell, mittels Schüttung, einer rotationsfähigen beheizbaren Trommel zugeführt. Die Beheizung der Trommel erfolgt über IR Strahlung (IRD Infrarot Drehrohr, Fa. Kreyenborg GmbH &Co. KG, Senden, Deutschland).The PEI base particles, which are in the form of granules, are fed manually, using a bed, into a rotatable, heatable drum. The drum is heated via IR radiation (IRD infrared rotary tube, Kreyenborg GmbH &Co. KG, Senden, Germany).
In der beheizbaren Trommel ist eine Sprühvorrichtung montiert, die Wasser in die Trommel sprühen kann. Dabei wird eine Sprühvorrichtung verwendet, die mittels sehr feiner Düsen ein feines Verstäuben des Wassers ermöglicht.A spray device is mounted in the heated drum and can spray water into the drum. A spray device is used that uses very fine nozzles to create a fine dusting of the water.
Die rotierende Trommel, enthaltend die Basispartikel wird aufgeheizt und gleichzeitig wird Leitungswasser mit einer Temperatur von 7°C, bei Normaldruck besprüht.The rotating drum containing the base particles is heated and at the same time tap water at a temperature of 7°C is sprayed at normal pressure.
Die Trommel wird bis zu einer Temperatur von 120°C aufgeheizt, um das Treibmittel Aceton über den Siedepunkt von 56°C zu erwärmen, aber unterhalb der Glasübergangstemperatur von Polyetherimid zu bleiben.The drum is heated to a temperature of 120°C to heat the acetone blowing agent above the boiling point of 56°C, but remain below the glass transition temperature of polyetherimide.
Der Wasser-Volumenstrom wird auf 2 ml/s eingestellt. In der Trommel befanden sich 5 kg Basispartikel.The water volume flow is set to 2 ml/s. There were 5 kg of base particles in the drum.
Der Sprühvorgang wird nach 10 Sekunden beendet.The spraying process stops after 10 seconds.
Durch den Temperatureintrag wird das Basismaterial vorgeschäumt. Das Aufsprühen von Wasser führt zu einem Wasserfilm auf der Oberfläche der Basispartikel. Die so erhaltenen Funktionspartikel weisen partiell einen Wasserfilm an ihrer Oberfläche auf. Ein Teil der Funktionspartikel weist einen geschlossenen Wasserfilm an der Oberfläche auf. Während des Aufschäumprozesses wird durch den Temperatureintrag über 100°C zeitgleich das Wasser verdampft und somit die Funktionspartikel getrocknet.The base material is pre-foamed by the temperature input. Spraying water creates a film of water on the surface of the base particles. The functional particles obtained in this way partially have a film of water on their surface. Some of the functional particles have a closed water film on the surface. During the foaming process, the water is simultaneously evaporated by the temperature input above 100°C and the functional particles are dried.
Durch die Benetzung der Basispartikel mit Wasser wird die elektrostatische Aufladung der Basispartikel unterbunden.By wetting the base particles with water, the electrostatic charging of the base particles is prevented.
Beispiel 2Example 2
Die als Granulat vorliegenden PEI-Basispartikel (wie in Beispiel 1) werden manuell, mittels Schüttung, auf ein Förderband gegeben, das die Basispartikel der Heizquelle (IR Ofen der Fa. Fill GmbH, Gurten, Österreich) zuführt. Das Förderband umfasst ein Mittel zur Bewegung der Basispartikel relativ zueinander, eine Rüttelvorrichtung, wodurch die Basispartikel auf dem Band hin und her bewegt werden. Die Basispartikel werden auf dem Förderband bewegt und gleichzeitig durch einen Ofen geführt. Der Ofen erwärmt die Basispartikel mittels Heißluft.The PEI base particles present as granules (as in Example 1) are placed manually, by means of a bed, onto a conveyor belt, which feeds the base particles to the heating source (IR oven from Fill GmbH, Gurten, Austria). The conveyor belt includes a means for moving the base particles relative to one another, a vibrator, whereby the base particles are moved back and forth on the belt. The base particles are moved on the conveyor belt and simultaneously passed through an oven. The oven heats the base particles using hot air.
Über dem vorderen Teil des Förderbands, vor dem Ofen, ist ein Sprühkopf montiert, der das Wasser/Antistatikum-Gemisch auf die bewegten Basispartikel sprüht.A spray head is mounted above the front part of the conveyor belt, in front of the oven, which sprays the water/antistatic mixture onto the moving base particles.
Es wird ein Sprühkopf verwendet, der mittels sehr feiner Düsen ein feines Verstäuben des Wasser/Antistatikum-Gemisches aber ggf. auch reinem Wassers ermöglicht.A spray head is used which, using very fine nozzles, enables a fine dusting of the water/antistatic mixture and, if necessary, also pure water.
Um einen anschließenden Trocknungsschritt einzusparen, wurde dem Wasser 1,3 Gew-% eines Antistatikums zugefügt. Als Antistatikum wurde der Butylester der Phosphorsäure verwendet. Der Sprühvorgang erfolgt bei einer Temperatur von 15°C unter Normaldruck.In order to save a subsequent drying step, 1.3% by weight of an antistatic agent was added to the water. It was used as an antistatic agent Butyl ester of phosphoric acid used. The spraying process takes place at a temperature of 15°C under normal pressure.
Der Wasser/Antistatikum-Volumenstrom wird auf 0,8 ml/h eingestellt. In der Trommel befanden sich 5 kg Basispartikel.The water/antistatic volume flow is set to 0.8 ml/h. There were 5 kg of base particles in the drum.
Der Sprühvorgang wird nach 7 Sekunden beendet.The spraying process stops after 7 seconds.
Durch den Temperatureintrag wird das Basismaterial vorgeschäumt. Das Aufsprühen von Wasser, enthaltend ein Antistatikum, führt zu einem Wasserfilm auf der Oberfläche der Basispartikel. Die so erhaltenen Funktionspartikel weisen partiell einen Wasser/Antstatikumfilm an ihrer Oberfläche auf. Ein Teil der Funktionspartikel weist einen geschlossenen Wasser/Antistatiumfilm an der Oberfläche auf.The base material is pre-foamed by the temperature input. Spraying water containing an antistatic agent creates a film of water on the surface of the base particles. The functional particles obtained in this way partially have a water/antistatic film on their surface. Some of the functional particles have a closed water/antistatium film on the surface.
Durch die zeitgleiche Besprühung mit Wasser/Antistatikum-Mischung wird das Anhaften der Basispartikel an dem Förderband weitestgehend unterdrückt. Es wurden keine Verunreinigungen durch thermisch geschädigte Polymere auf dem Förderband gefunden. Auch ein Verklumpen der Teilchen untereinander (Agglomeration) wird nicht mehr beobachtet.By simultaneously spraying with a water/antistatic mixture, the adhesion of the base particles to the conveyor belt is largely suppressed. No contamination from thermally damaged polymers was found on the conveyor belt. Clumping of the particles together (agglomeration) is no longer observed.
Die erhaltenen Funktionspartikel können direkt dem Formschäumprozess zugeführt werden, da durch den verringerten Wassereinsatz auf das Trocknen verzichtet werden kann.The functional particles obtained can be fed directly to the molded foaming process, as drying is no longer necessary due to the reduced use of water.
Die Funktionspartikel werden manuell in ein quadratisches formgebendes Formteil gefüllt, die mit einem Deckel verschlossen wird. Mittels Mikrowellenstrahlung wird das formgebende Bauteil auf eine Temperatur von 200°C erwärmt. Das in den vorgeschäumten Partikeln enthaltene Treibmittel wird erhitzt und aktiviert, und führt zur Expansion der Funktionspartikel. Das entstandene Partikelschaum-Formteil kann nach einer kurzen Abkühlphase dem formgebenden Bauteil entnommen werden.The functional particles are manually filled into a square shaped part, which is closed with a lid. The shaping component is heated to a temperature of 200°C using microwave radiation. The blowing agent contained in the pre-foamed particles is heated and activated, leading to the expansion of the functional particles. The resulting particle foam molding can be removed from the shaping component after a short cooling phase.
Das Partikelschaum-Formteil wurde mittels gängiger Prüfverfahren untersucht.The particle foam molding was examined using common test methods.
Das erhaltene Partikelschaum-Formteil ist geschlossenzellig.The particle foam molding obtained is closed-cell.
Die Dichte beträgt 100 kg/m3, gemessen nach
Es erfüllt die geforderten Standards.It meets the required standards.
Beispiel 3Example 3
Die in Beispiel 1 hergestellten Funktionspartikel werden nach dem Abschalten der Wasserzufuhr, weitere 20 Minuten in der rotierenden Trommel bewegt. Dabei wird die Wärmezufuhr über die Trommelwandung abgeschaltet. Somit erfolgt eine Abkühlung auf Raumtemperatur.The functional particles produced in Example 1 are moved in the rotating drum for a further 20 minutes after the water supply has been switched off. The heat supply via the drum wall is switched off. This means that it cools down to room temperature.
Die erhaltenen getrockneten Funktionspartikel weisen eine sehr gute Rieselfähigkeit auf.The dried functional particles obtained have very good flowability.
Beispiel 4Example 4
Die in Beispiel 1 hergestellten Funktionspartikel werden zwischengelagert.The functional particles produced in Example 1 are temporarily stored.
Die Funktionspartikel wurden manuell (mit einer Schaufel) in ein luftdurchlässiges Silo gefüllt und 6 Stunden bei einer Temperatur von 20°C gelagert.The functional particles were filled manually (with a shovel) into an air-permeable silo and stored for 6 hours at a temperature of 20°C.
Durch die Zwischenlagerung findet ein Druckausgleich zwischen Funktionspartikel und Umgebung statt. Während des Vorschäumens wird das Treibmittel erhitzt und dehnt sich aus. Nach Beenden des Vorschäumens rekondensiert es wieder. Dieses kondensierende Treibmittel führt zu einem Unterdruck in den Partikeln, wodurch die Funktionspartikel in einigen Fällen ihre Dimensionsstabilität einbüßen können. Durch die Lagerung wird dies verhindert, da Umgebungsluft in die Funktionspartikel hineindiffundiert.Through the interim storage, pressure equalization occurs between the functional particles and the environment. During pre-foaming, the blowing agent is heated and expands. After pre-foaming has ended, it recondenses again. This condensing blowing agent leads to a negative pressure in the particles, which in some cases can cause the functional particles to lose their dimensional stability. Storage prevents this because ambient air diffuses into the functional particles.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2018/0208733 [0037]US 2018/0208733 [0037]
- WO 2019/025245 [0042]WO 2019/025245 [0042]
Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- DIN EN ISO 11357-2 [0007, 0021, 0094]DIN EN ISO 11357-2 [0007, 0021, 0094]
- DIN EN ISO 1183-1 [0090, 0115]DIN EN ISO 1183-1 [0090, 0115]
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-
2022
- 2022-04-29 DE DE102022204208.5A patent/DE102022204208A1/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| DIN EN ISO 11357-2 |
| DIN EN ISO 1183-1 |
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