DE10341298A1

DE10341298A1 - Partikelschaumstoffe mit flammhemmenden Eigenschaften, Verfahren zu deren Herstellung und Anwendungsgebiete

Info

Publication number: DE10341298A1
Application number: DE2003141298
Authority: DE
Inventors: Jürgen BRUNING
Original assignee: Fagerdala Deutschland GmbH
Current assignee: Fagerdala Deutschland GmbH
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2005-03-31

Abstract

Die Erfindung betrifft Schaumpartikel auf der Basis thermoplastischer Polymere, welche durch die Einarbeitung von Blähgraphit im Extrusionsprozess in Ihrer Anwendung flammhemmende Eigenschaften aufweisen. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung derselbigen sowie Anwendungsmöglichkeiten beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Partikelschaumstoffe und Formteile aus Schaumpartikeln mit flammhemmenden Eigenschaften. Partikelschaumstoffe auf Basis thermoplastischer Polymere finden heute ein breites Anwendungsgebiet. Der bekannteste Vertreter unter den Partikelschäumen ist EPS, bekannter unter den Markennamen „Styropor". EPS wird beispielsweise eingesetzt für Hausisolierungen und als stoßabsorbierender Verpackungswerkstoff. Weitere Partikelschäume sind auf der Basis von Polyethylen (EPE) Polypropylen (EPP) oder Polyphenylenoxid (PPO) sowie Mischformen davon erhältlich. Seit Ende der 80ziger Jahre wird EPP verstärkt für Automobilbauteile und wiederverwertbare Transportverpackungen eingesetzt. Dies beruht insbesondere auf dem höheren Rückstellvermögen und der höheren Temperaturbeständigkeit. Die Herstellung dieser Schaumpartikel kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. EPS wird nach Stand der Technik in einer großchemischen Autoklavanlage synthetisiert bzw. polymerisiert und gleichzeitig mit dem physikalischen Treibmittel wie Penthan oder Butan beladen. Nach der Versendung zum Formteilhersteller, schäumt dieser das EPS-Minigranulat in einem Vorschäumer zur ausexpandierten Schaumpartikeln auf. EPE, EPP und PPO-PS Partikel werden hingegen erst nach der Synthetisierung des Rohstoffgranulates einem Extrusionsprozess zugeführt und dort zu Partikeln verschäumt oder zu Mikrogranulat extrudiert, welches wiederum in einem nachgeschalteten Autoklavprozess mit Treibmittel beladen wird. Für die Anwendung ist eine flammhemmende Ausrüstung erforderlich, die derzeitig nicht oder nur mit weiteren Nachteilen herstellbar ist. Insbesondere Zerstörung von Schaumstoffzellen während des Schäumprozesses durch flammhemmende Partikel, die die Zellwände zerstören, wirkt sich nachteilig aus. Flammhemmende Zusatzstoffe auf Basis von Brom und Chlor, die die Zellwände beim Aufschäumprozess nicht stören, sind aus ökologischen Gesichtspunkten nicht mehr vertretbar und teilweise vom Gesetzgeber verboten.

Offenlegungsschrift DE 19910257 beschreibt beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus EPS, bei denen ein Flammschutzmittel basierend auf Blähgraphit, daher in ein Phenolharz eingemischt wird und die Schaumstoffpartikel mit diesem Phenolharz-Flammschutzmittel-Gemisch miteinander verbunden werden. Durch das Phenolbindemittel, welches selbst aus umweltpolitischen Gesichtspunkten nicht vertretbar ist, ist vor allem das Formteilgewicht bzw. die Formteildichte durch das ungeschäumte Phenolharz deutlich höher als ein reines EPS Formteil. Weiterhin sind die mechanischen Eigenschaften durch das eingebrachte Phenolharz deutlich erniedrigt.

Offenlegungsschrift DE 4336007 beschreibt ein Verfahren, dass in ähnlicher Weise Flammschutzmittel an die Oberfläche der Schaumpartikel mittels Adhesiven anbindet. Dabei ergeben sich jedoch zahlreiche Nachteile im nachgeschalteten Formteilprozess. Innerhalb des Formteilprozesses werden die Schaumpartikel mit Heißdampf zu einem Formteil gesintert. Die an der Oberfläche der Schaumpartikel anhaftenden Flammschutzpigmente werden dabei durch den Dampf herausgewaschen und verunreinigen das Kondensat- bzw. Kühlwasser. Weiterhin ist eine Verschweißung der Schaumpartikeloberflächen durch die als Trennmittel wirkende Beschichtung deutlich eingeschränkt. Die in dieser Patentanmeldung aufgeführten flüssigen Flammschutzmittel sind auf Basis bromierter aromatischer Verbindungen hergestellt und weisen die bereits benannten Umweltprobleme auf.

Die Anwendung von umweltfreundlichen Flammschutzmitteln, wie Blähgraphit in Schaumstoffen zur Flammschutzausrüstung ist somit lediglich für duroplastische Systeme bekannt Lediglich die Kombination von duroplastischen Systemen mit Flammschutzmitteln und Auftragung bzw. Mischung mit thermoplastischen Schaumstoffen führt nach Stand der Technik zu einem flammgeschützten jedoch nicht sortenreinen Polymerschaum. Patentschrift DE 3625080 beschreibt die Einarbeitung von Blähgraphit in ein duroplastisches Polyurethanharz zur flammschützenden Ausrüstung. Weiterhin beschreibt Offenlegungsschrift DE 10052239 die Einarbeitung von Blähgraphit in einem Poly(meth)acrylimid-Schaumstoff welcher nicht thermoplastische Verschäumt wird.

Die Herstellung von EPS erfolgt nach Stand der Technik über die Polymerisation der Rohkomponenten Styrol unter Einsatz eines Katalysators bei gleichzeitiger Beladung des entstehenden Polymers mit Pentan als bevorzugtes Treibmittel innerhalb eines Chemiereaktors. Die Einarbeitung eines Flammschutzmittels basierend auf Blähgraphit ist verfahrenstechnisch bei diesem nasschemischen Prozess nicht möglich, da eine feine Dispergierung von Blähgraphit innerhalb der benannten Komponenten während des Polymerisierungsprozesses im EPS Reaktor nicht möglich ist.

Es war daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren bereit zu stellen, bei der die Einarbeitung eines umweltfreundlichen Flammschutzmittels in thermoplastische Partikelschäume bei ausreichender Schaumstoffqualität ermöglicht wird, ohne die bereits benannten Nachteile einer mangelhaften Schaumqualität sowie Auswaschungen des Flammschutzmittels oder Einarbeitung weiterer Fremdstoffe während des anschließenden Formteilprozesses in Kauf nehmen zu müssen. Ein wesentliches Merkmal einer guten Schaumqualität ist hierbei eine geschlossenzellige und/oder feinzellige Struktur. Weiterhin ist es Aufgabe der erfindungsgemäßen Lösung einen derartigen Materialaufbau zur Verfügung zu stellen bzw. diesbezügliche Anwendungen aufzuführen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Blähgraphit im Extrusionsverfahren in die Polymermatrix eingearbeitet wird und erst in einem weiteren Verfahrensverlauf aufgeschäumt wird. Die Aufschäumung kann sowohl im Granulierungsbereich erfolgen, als auch in einem nachgeschalteten Verfahren wie beispielsweise in einem Vorschäumer nach Stand der Technik oder, falls im Extrusionsverfahren noch kein Treibmittel eingebracht wurde, im Autoklavverfahren. Erfolgt die Verschäumung in einem Vorschäumer und wird das Treibmittel bereits im Extrusionsprozess eingebracht, so kann durch entsprechende Maßnahmen, wie ein ausreichender Gegendruck im Granuliersystem oder eine entsprechende Temperaturführung, das aufschäumen im Granuliersystem verhindert werden. Die mit Blähgraphit ausgerüsteten thermoplastischen Partikel können jedoch auch im bekannten Autoklav-Verfahren mit Treibmittel beladen werden und erst nach Verlassen des Ausfahrventiles beim Eintritt in eine Atmosphäre niedrigeren Druckes aufschäumen.

Eine weitere Variante ist das Einbringen von pentanbeladenem EPS-Mikrogranulat, welches nach Stand der Technik hergestellt wurde und Blähgraphit in einen Extruder und Granulierung zu pentanbeladenem vor- oder ungeschäumtem EPS-Mikroganulat welches dann im Vorschäumer und Formteilprozess zu flammgeschützten Formteilen, Platten oder Blöcke verarbeitet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Ausrüstung von Schaumpartikeln auf Polyolefinbasis wie Polypropylen und Polyethylen, als auch Polystyrol, PPO-PS-Mischpolymere sowie Polyethylenteraphtelat (PET).

Das Blähgraphit hat vorzugsweise eine Zersetzungstemperatur zwischen 220°C und 300 °C, um eine vorzeitige Expansion während des Mischprozesses zu verhindern. Lediglich bei Schaumpartikeln auf Basis von Polyethylenteraphtelat sind Blähgraphite mit höheren Aktivierungstemperaturen notwendig. Eingesetzt werden können diese flammgeschützten Schaumpartikel in Formteilen für flammhemmende Isolationsprodukte im Hausbau und für Verpackungszwecke. Ebenfalls können die Schaumpartikel im Transportwesen für Ladungsträger oder feste Bestandteile von Fahrzeugen, wie Interior-Crashpads, Stossfängerkerne oder Werkzeugboxen als auch im Schiffsbau wie beispielsweise Zwischenwandungseinlagen für Doppelrumpfboote Anwendung finden.

Anwendungsbeispiel 1:
15% Blähgraphit werden zusammen mit flüssigem Pentan und Polystyrol in einem Zweiwellenextruder bei Temperaturen bis zu 190 °C gemischt und in einem Granuliersystem unter Gegendruck zu Minigranulat geschnitten. Dieses Minigranulat wird in einem Vorschäumer weiter expandiert und nach Stand der Technik im Formteilprozess verarbeitet.
Anwendungsbeispiel 2:
Polypropylen wird zusammen mit Blähgraphit in einer Extrusionsanlage gemischt und zu Minigranulat verarbeitet. Dieses Minigranulat wird in einer Autoklavanlage, mit Butan oder Propan und unter Druck und Stickstoffatmosphäre mehrere Stunden gerührt, bis das physikalische Treibmittel in die Polymermatrix eindiffundiert ist. Sodann wird über ein Austrittsventil das beladene Mikrogranulat in eine Atmosphäre mit niedrigerem Umgebungsdruck ausgelassen. Dabei schäumen die Polypropylen-Minipartikel zu expandierten Polypropylenpartikel auf.

Claims

Schaumpartikel auf Basis thermoplastischer Polymere mit flammhemmenden Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, dass durch Blähgraphit welches mittels Extrusionsverfahren in die Polymermatrix eingearbeitet ist, eine flammschützende Wirkung erzielt wird.
Schaumpartikel gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix aus Polypropylen und/oder Polystyrol und/oder Polyethylen und/oder Polyethylentheraphtelat und/oder Polyethylentheraphtelat und/oder einem Mischpolymer aus Polystyrol und Polyphenylenoxid besteht.
Partikelschaum mit flammenden Eigenschaften nach Anspruch 1 und folgende dadurch gekennzeichnet, dass Blähgraphit mit einem Masseanteil von 0,2 bis 50% zur Masse der Polymermatrix verwendet wird, vorzugsweise 5 bis 20%.
Partikelschaum mit flammenden Eigenschaften nach Anspruch 1 und folgende dadurch gekennzeichnet, dass weitere Additive zu Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften und/oder chemisch, physikalischen oder mechanischen Eigenschaften in die Polymermatrix eingebetet sind.
Verfahren zur Herstellung von Schaumpartikel nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Extrusionsverfahrens Blähgraphit in die Polymermatrix vor dem Schäumprozess eingearbeitet wird.
Verfahren zur Herstellung von Schaumpartikel nach Anspruch 1 und folgende dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Polymer ein physikalisches Treibmittel und Blähgraphit in einem Extruder gemischt werden und innerhalb des Granulierverfahrens zu Schaumpartikel aufgeschäumt werden.
Verfahren zur Herstellung von Schaumpartikel nach Anspruch 1 und folgende dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Polymer ein physikalisches Treibmittel und Blähgraphit in einem Extruder gemischt werden und innerhalb des Granulierverfahrens zu Schaumpartikel in ungeschäumten Zustand granuliert werden.
Verfahren zur Herstellung von Schaumpartikel nach Anspruch 7 und folgende dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Polymer ein physikalisches Treibmittel und Blähgraphit in einem Extruder gemischt werden und innerhalb des Granulierverfahrens zu Schaumpartikel in ungeschäumten Zustand granuliert werden indem das Treibmittel mittels eines entsprechend hohen Druckes, und/oder entsprechend niedriger Temperatur in einem flüssigen Aggregatzustand gehalten werden.
Verfahren zur Herstellung von Schaumpartikel nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass EPS-Minigranulat, welches bereits im Autoklavverfahren mit Penthan oder anderen Treibmitteln aufgeladen wurde einem Extrusionsprozess zusammen mit Blähgraphit zugeführt wird und zu aufgeschäumten oder nicht aufgeschäumten Minigranulat granuliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Grundpolymer, Treibmittel, Blähgraphit und ggf. weitere Additive zunächst über Extrusionsverfahren gemischt und nachfolgend zu Mikrogranulat verarbeitet wird welches nachfolgend innerhalb eines Autoklavprozesses nach Stand der Technik mit Treibmittel beladen und expandiert wird.
Formteile, Platten oder Blöcke aus flammgeschützten thermoplastischen Schaumpartikel nach Anspruch 1 bis 5 bzw. Schaumpartikel die nach den Verfahren 6 bis 10 hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese, für Verpackungszwecke, für Isolationsanwendungen oder im Transportwesen eingesetzt werden.
Formteile, Platten oder Blöcke nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet das diese als Automobilbauteile, Ladungsträger oder Zwischenwandungen für Doppelrumpfboote verwendet werden.