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Verfahren zur Herstellung von Zellkörpern mit geschlossenen Zellen
Es ist bekannt, daß man Zellkörper mit geschlossenen Zellen aus in Wärme plastischen,
insbesondere organischen Ausgangsstoffen, z. B. Thermoplasten, wie Polyvinylchlorid,
Polystyrol, oder Elastomeren, wie natürlicher oder synthetischer Kautschuk, erhalten
kann, wenn man einen Mikrozellen bzw. gelöstes Gas enthaltenden Vorformling erzeugt,
indem man dem Ausgangsstoff im plastischen Zustand unter Druck in einer druckfesten
geschlossenen Form ein inertes Gas einverleibt, dann den erhaltenen Vorformling
nach Überführen in einen halb starren Zustand entformt, nachtreibt und schließlich
verfestigt.
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Man kann die Formen wegen der beträchtlichen Wärmeausdehnung der Ausgangsstoffe
dabei nur zu etwa 70 bis 900/0 füllen, weil sonst im Verlauf der zur Überführung
der Ausgangsstoffe in den plastischen Zustand erforderlichen Erwärmung Drücke entstehen
würden, die sich technisch nicht mehr beherrschen lassen. Man verwendet im allgemeinen
flache, runde oder kastenförmige Formen mit Deckel, die in senkrecht stehenden,
heizbaren Pressen angeordnet und dort zur Bildung des Vorformlings geheizt werden.
Die Gleichmäßigkeit der Zellen der in derartigen Formen erhaltenen Zellkörper kann
jedoch noch nicht befriedigen, weil die bei der unausweichlichen teilweisen Füllung
der Form eingeschlossene Luft eine gleichmäßige Ausbildung des Vorformlings unmöglich
macht.
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Es wurde gefunden, daß man Zellkörper mit geschlossenen Zellen aus
in der Wärme plastischen Ausgangsstoffen vorteilhafter herstellen kann, indem man
einen Mikrozellen enthaltenden Vorformling durch Einverleiben von Gas unter Druck
bei erhöhten Temperaturen in den plastischen Ausgangsstoff in einer druckfesten
geschlossenen, zu 70 bis 90 °/o gefüllten Form erzeugt, diesen Vorformling nach
Überführen in einen halbstarren bzw. festen Zustand entformt, nachtreibt und anschließend
verfestigt, wenn die Formen während der Erzeugung des Vorformlings in Richtung ihrer
größten Längenausdehnung senkrecht gehalten werden.
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Als in der Wärme plastische Ausgangsstoffe verwendet man vorzugsweise
organische Materialien, beispielsweise Thermoplasten, wie Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid,
Polystyrol, Polyäthylen oder Polyacrylnitril, die gegebenenfalls mit flüssigen Weichmachungsmitteln
gemischt, aber auch weichmachungsmittelfrei in fester Form verwendet werden können.
Man kann diesen Thermoplasten gegebenenfalls auch feste Weichmachungsmittel, wie
Dicyclohexylphthalat oder Triphenylphosphat, zumischen.
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Weiterhin können die Thermoplaste die üblichen Zu-
sätze, z. B. Farbstoffe,
Füllstoffe, Stabilisatoren oder Gleitmittel, enthalten. Weiterhin eignen sich auch
Elastomere, wie natürlicher oder synthetischer Kautschuk. Auch die Elastomeren können
Zusätze wie Weichmachungsmittel, Füllstoffe, Farbstoffe oder Stabilisatoren enthalten.
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Das Einverleiben eines inerten Gases in die in der Wärme plastischen
Ausgangsstoffe kann in an sich bekannter Weise erfolgen, indem man beispielsweise
in dem im plastischen Zustand befindlichen Ausgangsstoff unter hohem Druck ein Gas,
wie Stickstoff, Kohlendioxyd oder Wasserstoff, löst. Im allgemeinen ist es jedoch
vorzuziehen, dem Ausgangsstoff vor dem Einfüllen in die Form ein geeignetes Treibmittel
beizumischen. Als Treibmittel kommen Verbindungen bzw. Mischungen in Betracht, die
in der Wärme inerte Gase abspalten, beispielsweise Azoverbindungen, wie Azodiisobuttersäurenitril,
Treibmittel z. B. vom Typ der Sulfhydrazide, anorganische Treibmittel, wie Ammoniumbicarbonat,
Mischungen aus Carbonaten und Säuren und auch Mischungen aus Polyisocyanaten und
Wasser. Gegebenenfalls kann man als Treibmittel auch flüchtige Lösungsmittel, wie
Chlormethyl oder Chloräthyl, verwenden.
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Man kann das Treibmittel gegebenenfalls auch teilweise oder vollständig
durch Einrühren von inerten Gasen in der Kälte ersetzen.
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Die Höhe des zu wählenden günstigsten Füllungsgrades der Form hängt
von zwei konträren Bedingungen ab: Einerseits will man den Vorteil ausnutzen, daß
sich mit abnehmendem Füllungsgrad geringere Innendrücke in der Form einstellen,
andererseits ist die beliebige Herabsetzung des Füllungsgrades
insofern
begrenzt, als man bei zu geringer Füllung der Form eine unregelmäßige Zellstruktur
mit groben Gaseinschlüssen erhält und sich schließlich ein offenzelliges Gefüge
bildet. Das Optimum des Füllungsgrades liegt erfahrungsgemäß zwischen 70 und 900/0.
Es hängt im einzelnen von der Natur der Ausgangs stoffe und von der zur Bildung
des Vorformlings erforderlichen Temperatur ab. Geht man von flüssigen Mischungen,
z. B. Plastisolen, aus, arbeitet man am zuverlässigsten bei einem Füllungsgrad von
80 bis 85°/o. Der Druck, der sich bei einem Zusatz von 15 Teilen eines der obengenannten,
sich chemisch zersetzenden Treibmittel entwickelt, liegt dann zwischen 50 und 100
atü. Will man feste, pulverförmige Ausgangsmischungen einsetzen, so wird man diese
zweckmäßig in der Form selbst vorverdichten, um einen günstigen Füllungsgrad zu
erzielen. Im letzteren Fall muß man das Porenvolumen der Ausgangsstoffe berücksichtigen.
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Man kann sich die durch Verwendung eines Gaspolsters zu erzielenden
Vorteile zunutze machen, indem man entweder die nicht voll gefüllte Form schließt
und die Ausgangsmischung gegen das sich mit steigendem Druck verringernde Gaspolster
expandieren läßt, oder man bringt das Gaspolster bereits in die Ausgangsmischung
in feinverteilter Form ein.
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Diese feine Verteilung ist bei vorverdichteten, trockenen Mischungen
mehr oder weniger bereits von Natur aus gegeben. Bei pastenartigen Ausgangsmischungen
kann man das Gas gegebenenfalls durch entsprechende Unterkühlung in die Mischung
einrühren. Es hat sich aber auch bewährt, das Gas von Seiten eines Treibmittels
her freizusetzen und dadurch die Ausgangsmischung vor Verschließen der Form so weit
aufzuschäumen, daß sie den Teil des Formhohlraumes voll ausfüllt, der der Größe
des vorzuschlagenden Gaspolsters entspricht. Man kann dieses Verfahren mit Hilfe
eines Teiles des Treibmittels, welches gegebenenfalls in der Ausgangsmischung enthalten
ist, allein oder durch Zugabe eines zweiten bei geringerer Temperatur reagierenden
Treibmittels ausüben. Diese Arbeitsweise mit vorgeschäumtem Ausgangsmaterial hat
sich vor allem bei der Herstellung dicker Formteile bewährt.
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Der halbstarre Zustand, in den die Vorformlinge vor dem Nachtreiben
übergeführt werden müssen, läßt sich bei den Thermoplasten durch einfaches Abkühlen
erzielen. Dabei bedarf es nur eines einfachen Vorversuches, um die geeignete Temperatur
zu bestimmen, bei der beim Nachtreiben die Zellenwände zwischen den Mikroporen in
befriedigender Weise durch den Gasdruck im Inneren gedehnt werden können, ohne zerstört
zu werden. Die endgültige Verfestigung nach dem Nachtreiben erfolgt bei den Thermoplasten
durch weiteres Abkühlen. Die Erreichung des halbstarren Zustandes und des verfestigten
Zustandes ist bei Thermoplasten reversibel. Man kann deshalb vor dem Entformen auch
vollständig abkühlen und dann das Nachtreiben erst nach Wiedererwärmen auf den halbstarren
Zustand vornehmen.
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Verwendet man dagegen Elastomere, so wird der zum Nachtreiben erforderliche
halbstarre Zustand durch eine teilweise Vulkanisation bereitswährend der Bildung
des Vorformlings erreicht, während die endgültige Verfestigung nach dem Nachtreiben
durch ein vollständiges Vulkanisieren erfolgt. Demnach ist bei den Elastomeren die
Erreichung des halbstarren und des endgültig verfestigten Zustandes irreversibel.
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Als Formen kann man die bekannten runden oder kastenförmigen flachen
Formen mit Deckel verwenden. Die Heizung der Formen erfolgt entweder in an sich
bekannter Weise in heizbaren Pressen. Es ist auch möglich, die Formen selbst mit
Heizvorrichtungen zu versehen. Die Formen werden jedoch nicht wie bisher auf den
waagerechten Tisch einer Presse mit vertikal arbeitendem Stempel gestellt, sondern
so angebracht, daß sie senkrecht stehen. Darunter wird verstanden, daß die Form
in Richtung ihrer größeren Längenausdehnung senkrecht oder nahezu senkrecht steht.
Bei quaderförmigen Formen wird beispielsweise die kleinste Fläche Grundfläche werden,
wenn man es nicht sogar vorzieht, die Formen übereck zu stellen.
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Verwendet man Formen für die Herstellung langer, schmaler Formteile,
so werden diese Formen aufrecht stehend eingesetzt. Durch diese Maßnahme wird unter
anderem der Vorteil erreicht, daß das bei der unvollständigen Füllung der Form eingeschlossene
Gas nur mit einer im Verhältnis zu seinem Volumen möglichst kleinen Oberfläche mit
dem Kunststoff in Berührung kommt. Bei einer waagerecht liegenden, flachen Form
dagegen, die nicht vollkommen gefüllt ist, bildet das Gaspolster nicht nur Fehlstellen
an der Oberfläche des Schaumstoffes, sondern es dringt an manchen Stellen auch tief
in den Schaumstoff ein. Außerdem schäumt von Seiten der Ausgangsmischung das in
dieser enthaltene bzw. mit der Aufheizung sich entwickelnde Gas bei großer freier
Oberfläche zu einem bedeutend höheren Anteil in das Gaspolster ab als bei kleiner
Oberfläche. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auch der Wärmedurchgang von
der Formwandung zum Ausgangsmaterial hin nur wenig behindert, so daß man eine nahezu
allseitig gleichmäßige Aufheizung der Ausgangsmischung erzielt.
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Man erhält dadurch gleichmäßigere Vorformlinge und Zellkörper mit
gleichmäßigeren Zellen, als dies bislang möglich war. Ein weiterer besonderer Vorteil
dieser Arbeitsweise mit senkrecht stehenden Formen liegt darin, daß man die Zellkörper
auf sehr einfachem Wege mit der Haut eines zellfreien Materials überziehen kann,
die sich homogen mit dem Schaumstoff verbindet. Wenn man von mit Treibmitteln versetzten
Ausgangs stoffen ausgeht, ist dies im gleichen Arbeitsgang mit der Bildung des Vorformlings
möglich, indem man die Innenwandung bzw. den Kern der Form vor dem Einfüllen des
Treibmittels enthaltenden Ausgangsstoffes mit dem die Haut bildenden Material auskleidet.
Das ist bei Verwendung von weichgemachten Thermoplasten als Überzugsmaterial besonders
einfach, weil man dann ein entsprechendes Plastisol in die auf 60 bis 900 C erwärmte
Form einfüllen kann, das an der erwärmten Formwandung bzw. dem Kern angeliert und
nach Entfernen des überschüssigen Plastisols eine gleichmäßige dünne Schicht bildet,
die sich während der Bildung des Vorformlings mit dem Ausgangs stoff innig verbindet.
Bei den bisher vorwiegend verwendeten flachen Formen ist das Einbringen einer derartig
sich mit dem Schaumstoff homogen verbindenden Haut nur unter großen Schwierigkeiten
möglich. Meist bleibt beim Schließen der Form Luft unter der Haut zurück und bildet
dort nach dem Entformen große Blasen.
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Die Verbindung zwischen Haut und Schaumstoff ist besonders innig,
wenn die Wärme, welche im Temperaturbereich der Gelierung des Formteiles zugeführt
wird, von der Seite des Schaumstoffes her zu dem Mantel gelangt. Man kann dies beim
Aufbringen
eines Außenmantels unter Ausnutzung der bei der exothermen
Reaktion des Treibmittels frei werdenden Wärme erreichen. Diese Methode ist jedoch
schwierig zu beherrschen. Einfacher ist es, im Inneren der Form einen heizbaren
Kerustab anzuordnen, soweit dies das Formteil zuläßt, und den entscheidenderen Teil
oder auch die ganze Wärme von innen her zuzuleiten.
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Beispiel 1 Eine im Längs- und Querschnitt dargestellte quaderförmige
Form nach Abb. 1 füllt man zu 80 0/o mit einem gut entlüfteten Plastisol, das aus
40 Gewichtsteilen eines Polyvinylchlorids vom K-Wert 70, 60 Gewichtsteilen Dioctylphthalat,
12 Gewichtsteilen eines aromatischen Disulfhydrazides und 2 Teilen Natriumbicarbonat
als Stabilisator besteht. Den frei bleibenden Raum in der übereck gestellten Form
nimmt Luft ein. Die Form wird geschlossen, im Laufe von 20 Minuten auf 1500 C erhitzt,
10 Minuten lang bei dieser Temperatur gehalten und dann nach dem Abkühlen entformt.
Das Formteil wird in Wasser von 900 C etwa 15 Minuten nachgetrieben. Man erhält
einen Formkörper mit gleichmäßig geschlossenen Zellen und einem spezifischen Gewicht
von etwa 0,08 g/cms.
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Beispiel 2 Die teilweise im Schnitt dargestellte Form nach Abb. 2
besteht aus dem Mittelkörper 1, dem Deckel 2 und der Bodenplatte 3. Der Deckel trägt
den Kern 4.
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Durch die Wand des Mittelkörpers, die Bodenplatte und den Deckel ziehen
sich Heiz- und Kühlkanäle.
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Auch der hohl ausgebildete Kern, in dem das Heiz-bzw. Kühlmittel durch
die Steigleitung 5 abfließt, ist heizbar.
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Man bringt den Mittelkörper 1 der Form zusammen mit der durch Spannbügel
6 gehaltenen Bodenplatte 3 auf eine Temperatur von 700 C und füllt dann ein gut
entlüftetes Plastisol, bestehend aus 50 Gewichtsteilen Polyvinylchlorid und 50 Gewichtsteilen
Dioctylphthalat, ein. Nach einer halben Minute Stehzeit wird das Plastisol ausgegossen,
und es bleibt in der Form ein dünner Weichpolyvinylchloridfilm zurück, der auf der
Seite der Formwandung leicht angeliert ist und zur Mitte hin in eine ungelierte
Paste übergeht.
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Sodann füllt man die Form mit dem im Beispiel 1 angeführten Plastisol
so weit auf, daß unter Berücksichtigung des Volumens, welches der Kernstab in der
Form einnimmt, 15 0/o des Formhohlraumes für das Luftpolster frei bleiben. Man fährt
den am Deckel befestigten Kernstab 4 so weit ein, daß die Dichtung des Deckels noch
nicht trägt.
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Die inzwischen etwas abgekühlte Form wird nun langsam auf 850 C aufgeheizt.
Die Paste fängt infolge der beginnenden Zersetzung des Treibmittels leicht zu schäumen
an und drückt dabei das Luftpolster aus der Form heraus. Sobald die Paste bis kurz
unter den oberen Rand der Form angestiegen ist, verschließt man die Form.
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Bei der weiteren Aufheizung ist darauf zu achten, daß im Gelierbereich
der Paste, d. h. oberhalb von etwa 1000 C, die Temperatur des Kernstabes gegenüber
der Temperatur, welche die Wandung der Form hat, um etwa 20 bis 300 C vorauseilt.
Der in der Form herrschende Druck steigt während dieses Prozesses auf etwa 70 bis
90 atü an.
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Nach der Abkühlung entformt man und treibt, wie im Beispiel 1 beschrieben,
das Formteil nach. Das Fertigteil weist eine homogen mit dem Schaumstoff verbundene
Haut von 0,5 mm Stärke auf und besitzt ein spezifisches Gewicht von 0,08 g/cma.