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Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen oder diskontinuierlichen
Aufschäumen von treibmittelhaltigen thermoplastischen Kunststoffpartikeln Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Aufschäumen bzw. Aufblähen von treibmittelhaltigen thermoplastischen
Kunststoffpartikeln unter Verhinderung der Verschweißung der einzelnen Partikeln
untereinander, wobei heiße Dämpfe oder Gase in die Masse der zu behandelnden Partikeln
direkt eingeleitet werden.
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Weiter betrifft die Erfindung Vorrichtungen zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Herstellung von Schaumstoff-Formkörpern aus thermoplastisohen,
treibmittelhaltigen Kunststoffteilchen erfolgt in bekannter Weise zweckmäßig in
zwei Arbeitsgängen. Bei einer ersten Vorbehandlung des in 1 bis 3 mm großen Körnchen
vom spezifischen Gewicht 0,9 vorliegenden Grundstoffes wird deren Einzelvolumen
durch Einwirkung trockener und feuchter Wärme so vergrößert, daß sie bei der späteren
Einfüllung in Formen deren Raum fast völlig ausfüllen und bei erneuter Zuführung
von Wärme zu einer dem Formraum genau angepaßten homogenen Schaummasse verschweißen.
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Eines der Hauptprobleme bei der oben angeführten sogenannten Vorschäumung
ist nun die Vermeidung des später bei der Formgebung sehr erwünschten Verschweißens
oder Verbackens der einzelnen Partikeln untereinander sowie die Erzielung eines
gleichmäßigen Expansionsgrades der vorbehandelten Teilchen unter möglichster Vermeidung
von Überhitzungserscheinungen.
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Die Neigung zum Verschweißen ist nun besonders groß am Anfang der
Volumenvergrößerung und bei Zuführung der Wärme in Form von strömendem Dampf. In
diesem Stadium vergrößern nämlich sämtliche Teilchen gleichzeitig ihr Volumen. Da
die Oberflächen der Teilchen in diesem Augenblick besonders plastisch sind und sich
durch die Ausdehnung des Volumens gegenseitig eng berühren, kommt es zu unerwünschten
Zusammenballungen.
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Man versucht, diese Zusammenballungen durch Ausbreiten der Partikeln
auf Gewebebahnen in geringer Schichthöhe oder durch dauerndes Bewegen kleiner Einfüllmengen
in Wasser oder durch schnell laufende Rührwerke in Dampfbehältern auszuschalten.
Diese Arbeitsweisen haben jedoch den Nachteil außerordentlich großer Wärmeverluste,
welche z. B. bei Verwendung von strömendem Dampf zur Behandlung der Partikeln auf
einem kontinuierlich laufenden Gewebeband, auf den das Material in einer Schichthöhe
von etwa 100 mm aufgeschäumt werden kann, bis zu 906/o betragen können.
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Bei Dampfverwendung in Rührwerksbehältern kommt es neben den großen
Dampfverlusten zu
Überhitzungserscheinungen an der Dampfeinleitungsstelle, während
in weiter entfernt liegenden Behälterteilen die erforderliche Betriebstemperatur
nicht erreicht wird und die Anwendung höherer Temperaturen zu kurzen Durchlaufzeiten
zwingt. Kurze Durchlaufzeiten führen jedoch dazu, daß Teilchen mit relativ wenig
Treibmittelgehalt nicht oder nur wenig expandieren.
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Es wurde nun die Überlegung angestellt, daß die vorstehenden Nachteile
ausgeschaltet werden können, daß die Ausnutzung der zugeführten Wärmemenge um so
größer sein muß und die erforderliche Betriebstemperatur um so gleichmäßiger sein
wird und im ganzen gesehen niedriger sein kann, je länger der Weg gewählt werden
kann, den der Wärmeträger durch das zu behandelnde Gut zurücklegen muß, je näher
die Zuführungseinrichtung für den Wärmeträger mit dem zu behandelnden Gut in Berührung
gebracht werden kann und je gleichmäßiger verteilt die Wärmezuführung erfolgt.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zu entwickeln, welche die oben aufgeführte Theorie verwirklichen und
es ermöglichen soll, a) mit einem Bruchteil der bisher aufgewendeten Wärmemengen
bei der Vorschäumung auszukommen, b) eine gleichmäßige, von der Temperatur des Dampfes
an der zentralen Zuführungsstelle nur indirekt abhängige Betriebstemperatur einzustellen,
zu variieren und aufrechtzuerhalten und
c) die Durchlaufzeit der
Partikeln durch die Behandlungsapparatur als neue Bestimmungsgröße einzuführen.
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Im Gegensatz zu bisher üblichen Methoden bei geringen Schütthöhen
wird nun der Wärmeträger nicht von einer an der Peripherie der Behandlungsapparatur
gelegenen Stelle zugeführt, sondern die Wärmezuführungsvorrichtung wird über und
in die Behandlungsapparatur verteilt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufschäumen von treibmittelhaltigen
Thermoplasten wird beispielsweise die Behandlung in zylindrischen Behältern vorgenommen,
bei denen die Schütthöhe des zu behandelnden Gutes die Wegstrecke bestimmt, welche
die einzelnen zu behandelnden Teilchen zurücklegen müssen, wobei die Zuführungseinrichtungen
für den Wärmeträger in dem zu behandelnden Gut selbst angeordnet sind. Voraussetzung
für die Durchführung des Verfahrens ist also die Schaffung und Aufrechterhaltung
einer mit Behandlungsmaterial angefüllten Zone. Dies kann dadurch geschehen, daß
in einem Behälter Rohmaterial bis zu einer gewünschten Schütthöhe expandiert wird,
oder dadurch, daß die Schüttmasse bereits als vorexpandiertes Material (mit einem
Raumgewicht von z. B. 25 kg/cbm) eingebracht wird.
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In diese sogenannte Vorfüllung, die z. B. bei einem Behälterdurchmesser
von 1500 mm und einer Schütthöhe von 5000 mm 9,0 cbm betragen kann, wird nun der
Wärmeträger, z. B. Dampf, beispielsweise durch eine im Behälter angeordnete Rührwerks-Hohlachse
unter gleichzeitiger Drehung der Achse eingeleitet.
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Nachdem sich über die ganze Behälterhöhe eine gleichmäßige Temperatur
von z. B. 1150 C eingestellt hat, wird durch eine Dosiereinrichtung Rohmaterial
kontinuierlich in kleinen Mengen von z. B. 2 bis 3 kg pro Minute zugeführt.
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Die Zuführung erfolgt so, daß eine gleichmäßige Verteilung entweder
durch eine geeignete Verteilervorrichtung oder durch das Rührwerk im Behälter über
die ganze Oberfläche der Vorfüllung erfolgt.
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Hierdurch werden die noch nicht vorgeschäumten Partikeln voneinander
getrennt und beginnen sich zwischen den Partikeln der Vorfüllung langsam nach unten
zu bewegen. Sie durchwandern hierbei eine Art Vorwärmezone mit nicht voller Betriebstemperatur
und beginnen langsam ihr Volumen zu vergrößern.
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Nach etwa 1 Minute erreichen sie in etwa 400 bis 500 mm Tiefe die
Zone der vollen Betriebstemperatur, und damit beginnt sich die Volumenvergroße rung
in gewünscher Weise zu vollziehen, wobei die Rohstoffpartikeln: jeweils zwischen
den Partikeln der Vorfüllung durch die Rühwerksarme bewegt werden.
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Gleichzeitig werden durch die Rührwerksarme jeweils so viel heiße
Dämpfe oder Gase zugeleitet, wie für die Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur
notwendig ist.
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Sobald die Rohstoffpartikeln ihr Volumen in gewünschter Weise vergrößert
haben, was sich durch ein Ansteigen der Schütthöhe im Behälter anzeigt, wird am
Boden des Behälters eine Austragsöffnung betätigt, durch die - jeweils gewichtsmäßig
betrachtet - so viel vorgeschäumtes Material ausgetragen wird, wie oben an Rohmaterial
zugeführt wird.
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Der-Prozeß kann von hier ab kontinuierlich laufen.
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Das Material der Vorfüllung-verläßt allmählich mit den frisch aufgeschäumten
Partikeln den Behälter,
so daß nach etwa 15 Minuten nur noch frisches Material vorhanden
ist.
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Da jedoch auch dieses Material bereits die gewünschte Volumenausdehnung
durchgeführt hat, kommen die frisch hinzugefügten Partikeln immer nur mit bereits
aufgeschäumten Partikeln in Berührung.
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Dieser an und für sich nicht zu erwartende Ablauf ist daraus zu erklären,
daß die spezifisch schwereren frischen Rohstoffpartikeln sich zuerst nach unten
be wegen, dann ihre Volumenvergrößerung durchführen und mit ihren Vorgängern eine
Zone gemischten Vorschäumgutes bilden, die dann als ganze Zone ihre Wanderung durch
den Behälter fortsetzt. Der Vorgang läßt sich in der Praxis durch Einfärben der
Partikeln leicht nachweisen, ist jedoch theoretisch nicht ganz einfach zu erklären.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind einige
wesentliche Voraussetzungen zu beachten. Vor allem darf die Rührwerksgeschwindigkeit
nicht so groß gewählt werden, daß sie als Antrieb für die Behälter-Füllmasse wirkt.
Da die einzelnen Partikeln fast kein Eigengewicht und damit auch kein Beharrungsvermögen
besitzen, besteht die Gefahr, daß der Inhalt des Behälters mit dem Rührwerk zu wandern
beginnt und damit immer die gleichen Partikeln der Wärmezufuhr ausgesetzt werden.
Dies führt zu einer Verschweißung und Blockierung des Verfahrensablaufes. Das Rührwerk
hat damit nicht die Hauptaufgabe, die einzelnen Partikeln vor dem Verschweißen zu
bewahren, sondern eine gleichmäßige Beheizung durchzuführen. Die Zerteilung und
Verhinderung der Verschweißung wird, was nach dem vorstehend beschriebenen Vorgang
des Mitwanderns der gesamten Behälterfüllung erklärlich wird, durch feststehende
Zerteiler in den Seitenwänden des Behälters bewirkt.
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Die hohe isolierende Wirkung der aufgeschäumten Partikeln ist bekannt.
Sie wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgenutzt. Da die Wärmezuführung weitgehend
in der Masse selbst vorgenommen wird, verhindert diese eine Abkühlung des Wärme
trägers, so daß z. B. bei Einleitung von Wasserdampf von 1200 C fast keine Kondensatbildung
in der Rührwerksachse und im Material erfolgt und damit ein nahezu trockenes Vorschäumgut
erhalten wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
können in verschiedenen Abständen zwischen der Einfüllstelle des Rohmaterials am
oberen Ende des Behälters und der Austragsöffnung am unteren Ende Zwischenentnahmestellen
einerichtet- werden. Diese Möglichkeit bietet den Vorteil, daß Vorschäumgut beliebigen
Raumgewichts entnommen werden kann.
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Verfahrensgemäß wird die Behälterhöhe und damit der Weg, den das
Vorschäumgut durch die Be handlungszone zurücklegen muß, auf das extrem erreichbare
niedrigste Raumgewicht von z. B. 10 bis 14 kg/cbm eingestellt. Es beträgt beispielsweise
bei treibmillelhalilgen Polystyrolpartikeln 4 m. Auf Grund von Probeentnahmen zwischen
Eintrag und Austrag können die Stellen festgelegt werden, an denen beliebige Raumgewichte
zwischen z. B. 100 und 14 kg entnommen werden können. So liegt eine Austragsöffnung
für Material vom Raumgewicht 30 kg/cbm etwa 2 m unterhalb der Eintragsstelle. Bei
dieser Arbeitsweise können auch gleichzeitig verschiedene Raumgewichtstypen entnommen
werden.
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Eine weitere Regulierungsmöglichkeit für verschiedene Raumgewichte
bei nur einer Austragung ist durch erhöhte Zugabe von Rohmaterial bei vergrößerter
Austragsöffnung und damit schneilorem Materialdurchgang durch die Behandlungszone
gegeben.
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Die vorstehend beschriebene Anlage kann sowohl kontinuierlich wie
auch chargenmäßig befahren werden. Im zweiten Fall ist die Behälterhöhe so zu wählen,
daß bei der einsetzenden Volumenvergrößerung nach oben, entsprechend der zugeführten
Rohmaterialmenge, genügend Raum zur Ausdehnung verbleibt. Nach der Ausbildung des
zugegebenen Rohmaterials wird der Behälter nur so weit entleert, daß genügend Vorfüllung
für die neue Charge verbleibt.
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Die Rührwerksachse kann bei dieser Arbeitsweise so ausgebildet werden,
daß bei steigendem Vorschäumgut zusätzliche Rührwerksarme mit heißen Dämpfen oder
Gasen beschickt werden. Diese Arbeitsweise ist nur in Sonderfällen angebracht.
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Es ist nicht notwendig, den Behälter vertikal anzuordnen; das Verfahren
kann auch bei Schrägstellung der Anlage durchgeführt werden. In diesem Fall kann
die Zuleitung der Wärmemedien vorzugsweise von der unteren Seite des schräggestellten
Behältermantels durchgeführt werden, während die Rührwerksachse nur zur Bewegung
und Zerteilung des den Behälter durchwandernden Gutes dient.
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Vorstehend wurde die Einleitung der Behandlungsmedien in das Schüttgut
über die Rührwerksachse und die Rührwerksarme besonders beschrieben. Das erfindungsgemäße
Verfahren läßt sich jedoch auch dann durchführen, wenn die Zuleitung der Behandlungsmedien
z. B. durch feststehende Rohre, welche in Abständen unter gleichmäßiger Verteilung
über die gesamte Behälterhöhe angebracht sind, vorgenommen wird, während die Rührwerkseinrichtung
dann nur die Aufgabe einer Bewegung des Schüttgutes übernimmt Es läßt sich denken,
daß der Behälter selbst als Rotor ausgebildet wird und die Achse feststeht, wobei
beide Teile wechselseitig entweder mit oder ohne Zuführungseinrichtung für die Behandlungsmedien
ausgebildet sein können.
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Entscheidend bei allen Variationen ist jedoch, daß die Eigenbewegung
der Partikeln von der Zuführungsseite des Rohmaterials nach der Austragsseite des
fertig vorgeschäumten Produktes nicht wesentlich gestört werden kann und daß entweder
die eine oder die andere Vorrichtung, über die die Wärmemedien zugeführt werden,
mit dazu beiträgt, daß die Verschweißung der einzelnen Partikeln miteinander verhindert
wird.
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Die Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der folgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung, in der beispielsweise eine Vorrichtung
im Längsschnitt dargestellt ist, in der die Vorbehandlung von treibmittelhaltigen
Polystyrolpartikeln und ähnlicher thermoplastischer Kunststoffe nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren durchgeführt werden kann.
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Die Vorrichtung besteht aus einem zylindrischen Behälter 1 von 1500
mm Durchmesser und 9000 mm Höhe. Durch den ganzen Behälter ist eine Rührwerkshohlachse
2 geführt, an der in bestimmten Abständen Rührwerkshohlarme 3 angeordnet sind. Das
Rührwerk wird durch den Antrieb 4 von außen her bewegt. Über eine Stopfbüchse 5
wird in die Hohlachse 2 Dampf oder Heißluft eingeführt und den
Rührwerkshohlarmen
3 zugeführt, durch deren Bohrungen 6 der zugeführte Dampf in das Behälterinnere
geleitet wird. Die Bohrungen sind so gewählt, daß die Hauptdampfmenge in den unteren
Hohlarmen ausströmt.
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Zur Aufgabe des Rohmaterials 16 ist am oberen Behälterrand eine Aufgabevorrichtung
7 angebracht, die eine kontinuierliche Zuteilung gestattet. Zur Austragung des behandelten
Gutes ist am Behälterboden eine Austragsöffnung 8 vorgesehen. Diese steht über ein
Steuerorgan 9 mit einem Minimal- und einem Maximal-Niveauregler 10 und 11 in Verbindung.
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Beim Anfahren der Anlage wird bereits behandeltes Gut 12 als sogenannte
Vorfüllung bis zur Höhe des Niveaureglers 10 eingefüllt. Gleichzeitig wird der Antrieb
4 für das Rührwerk in Tätigkeit gesetzt und Dampf von 100 bis 1500 C in die Hohlachse
eingeblasen. Nach einer Anlaufzeit von etwa 10 Minuten hat die Vorfüllung die notwendige
Betriebstemperatur erreicht.
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Erst jetzt wird über die Zuteilungsvorrichtung 7 und die Verteilervorrichtung
13 Rohmaterial aufgegeben und gleichmäßig über die Oberfläche der Vorfüllung 12
verteilt. Das Rohmaterial vermischt sich mit der Vorfüllung und beginnt unter der
Einwirkung der dauernd aus den Rührwerksarmen 6 austretenden und von unten nach
oben steigenden heißen Dämpfe sein Volumen zu vergrößern. Sobald durch diese Volumenvergrößerung
das Niveau der Mischung (Vorfüllung und frisch aufgeschäumtes Rohmaterial) den Niveauregler
11 erreicht hat, wird die Austragsöffnung 8 betätigt. Hier verläßt nun zuerst das
Material der Vorfüllung den Behälter, bis nach einigen Minuten nur noch frisch aufgeschäumtes
Material folgt.
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Die bei der Öffnung 8 ausgetragene Menge an behandeltem Gut entspricht
gewichtsmäßig der bei der Aufgabeeinrichtung 7 aufgegebenen Rohmaterialmenge.
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Geringe Schwankungen werden durch das Steuerorgan 9 dadurch ausgeglichen,
daß bei zu schnellem Abfluß über den Minimal-Niveauregler 10 oder bei zu geringem
Abfluß über den Maximal-Niveauregler 11 die Austragsöffnung 8 verkleinert oder vergrößert
wird.
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Die Niveauregler selbst können in ihrer Anordnung im Behälter der
Höhe nach verstellt werden, wodurch die Durchlaufzeit der einzelnen Partikeln und
damit in der Grenze der maximalen Aufsehäummöglichkeit das Raumgewicht variiert
werden kann.
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In halber Behälterhöhe ist beispielsweise eine zweite Austragsöffnung
14 angebracht, bei der bei laufender Anlage Material geringen Raumgewichts entnommen
werden kann.
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Um ein Zusammenbacken des zu behandelnden Gutes zu verhindern, sind
an der Behälterwand nach innen ragende Zerteiler oder Verteilerame 15 starr befestigt.
Diese haben sowohl die Aufgabe, das Vorschäumgut am Verbacken zu hindern wie auch
zu vermeiden, daß die gesamte Behälterfüllung durch die Drehwirkung der Rührwerksachse
mit dem Rührwerk zu rotieren beginnt.
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Die vorstehend beschriebene Anlage kann vollautomatisch betrieben
werden.
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Die Vorteile, die das erfindungsgemäße Verfahren mit sich bringt,
bestehen unter anderem darin, daß nur noch etwa 10o/o der bisherigen benötigten
Wärmemenge
zur Expansion gleicher Mengen Rohmaterials benötigt werden, daß mit Hilfe der Regelung
der Durchflußgeschwindigkeit der Kunststoffpartikeln durch die Behandlungsapparatur
Einfluß auf das Raumgewicht gewonnen werden kann und daß die Temperatur, der die
zu behandelnden Teilchen ausgesetzt werden, nicht direkt von der Temperatur des
zugeleiteten Wärmemediums abhängt.