DE1504193C3

DE1504193C3 - Verfahren zum Aufbrechen der Zellen eines Teiles eines geschlossenzelligen Scha'umstoffkörpers

Info

Publication number: DE1504193C3
Application number: DE1504193A
Authority: DE
Inventors: Richard Ernest Skochdopole; Demetrius Urchick
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Dow Chemical Co
Priority date: 1964-11-02
Filing date: 1965-11-02
Publication date: 1974-08-22
Also published as: US3386877A; NL143975B; DE1504193B2; BE671676A; GB1069029A; DE1504193A1; NL6514128A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbrechen der Zellen eines Teiles eines geschlossenzelligen Schaumstoffkörpers durch Pressen. Aus der USA.-Patentschrift 1045 234 ist ein Verfahren zur Herstellung eines künstlichen Schwammes bekannt, bei dem die geschlossenen Zellen eines Schaumgummis aufgebrochen werden, indem der Schaum zwischen zwei Walzen zusammengepreßt wird. Dieses Verfahren führt jedoch zu einer sehr ungleichmäßigen Porenstruktur, da die einzelnen Zellen beim Durchlaufen des Walzenspalts anfangs lediglich ausweichen, ohne zu zerreißen, und erst nach Aufbau eines ausreichenden inneren Gasdrucks eine zufriedenstellende Öffnung der Zellen erreicht wird. Schaumstoffkörper, die in definierten Bereichen offene Zellen und in anderen definierten Bereichen geschlossene Zellen aufweisen, lassen sich nach diesem Verfahren nicht erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung der Nachteile des bekannten Verfahrens und Schaffung eines einfachen regelbaren Verfahrens zur Herstellung eines geschäumten harzartigen Körpers mit wenigstens einem Bereich offener Zellstruktur und wenigstens einem Bereich geschlossener Zellstruktur.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zum Aufbrechen der Zellen eines Teiles eines geschlossenzelligen Schaumstoffkörpers durch Pressen erfindungsgemäß dadurch, daß vor dem Pressen die Temperatur vorbestimmter Bereiche des geschlossenzelligen, aus einem eine Einfriertemperatur aufweisenden Kunststoff bestehenden Schaumstoffkörpers auf einen Wert unterhalb dieser Einfriertemperatur abgesenkt wird, während der übrige Teil des Schaumstoffkörpers auf einer Temperatur oberhalb der Einfriertemperatur gehalten wird, worauf beim Pressen des gesamten Schaumstoffkörpers nur die Zellen der auf eine unterhalb der Einfriertemperatur liegende Temperatur abgesenkten Bereiche aufgebrochen

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher beschrieben.

In der Zeichnung ist schematisch eine allgemein durch die Bezugsnummer 10 bezeichnete Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung 10 umfaßt in zusammenwirkender Vereinigung eine Führwalze 11, ein Paar Brechwalzen 13 und 14, eine Wärmeübertragungseinrichtung oder -bad 15, sowie einen thermoplastischen, harzartigen Schaumbogen oder eine derartige Schaumplatte 17 mit geschlossenen Zellen. Der Schaumbogen 17 besteht aus einem Teil 18 mit geschlossenen Zellen, einem gekühlten Teil 19, worin die Temperatur der Schaumkunststoffstruktur mit geschlossenen Zellen um mindestens etwa 20° unterhalb deren Einfrierpunkt oder der Glastemperatur vermindert ist, eine gequetschte, zusammengepreßte und gebrochene Zone 21, worin der gekühlte Teil 19 zusammengedrückt und die Zellwände zwischen den Walzen 13 und 14 gebrochen werden. Aus den Walzen 13 und 14 kommt eine Schaumstruktur 17 α heraus, die aus einem expandierten Teil 23 mit offenen Zellen und dem expandierten Teil 18 mit geschlossenen Zellen besteht. Bei der praktischen Ausführung ist es wesentlich, daß das thermoplastische, harzartige, geschäumte Material mit geschlossenen Zellen oberhalb der Glastemperatur in ausreichendem Ausmaß flexibel ist, so daß der gewünschte Grad der Erholung nach dem Brechen des Schaumes ermöglicht wird, und daß der Schaum, bevor er gebrochen wird, die Eigenschaft hat, seine anfängliche Zellausbildung beizubehalten, d. h., die Zellen verlieren nicht ihre Einzelgestalt, wenn eine Probe des Schaumes bei einer Temperatur von 50° C oberhalb ihrer Glastemperatur während eines Zeitraums von 15 Minuten gehalten wird.

Jeder synthetische harzartige Schaum, der ausreichend elastisch ist, um sich wieder zu expandieren oder der eine anschließende Wiederexpansion erlaubt, nachdem er auf etwa 10 bis etwa 25 °/o seiner ursprünglichen Dicke bei einer Temperatur oberhalb seiner Einfriertemperatur zusammengepreßt wurde, ohne daß ein Zusammenbruch der Schaumstruktur eintritt, kann mit der weiteren Begrenzung angewandt werden, daß, falls der Schaum oder ein Teil desselben bei einer Temperatur von etwa 20° C oder mehr unterhalb seiner Einfriertemperatur gehalten wird, er genügend brüchig ist, so daß das Zusammenpressen desselben die Zellwände in einem zur Bildung einer offenzelligen Struktur ausreichenden Grad aufbricht, jedoch die Schaumstruktur als einheitlicher Körper beibehalten wird. Schäume, die in dem Verfahren nach der Erfindung nicht eingesetzt werden können, sind diejenigen, die keine Einfriertemperatur oder Glastemperatur {Tg) aufweisen.

In vielen Fällen ist es möglich, den Schaum zu einer ausreichend niedrigen Temperatur abzukühlen, so daß beim Brechen die Gesamtheit des Körpers zerstört wird und das erhaltene Produkt etwa einem Staub entspricht. Derartige Bedingungen stellen offensichtlich einen Materialverlust und eine Verschwendung der Gefrier- oder Abkühlkapazität dar. Der bei irgendeinem gegebenen Schaumbogen oder -gegenstand genau erforderliche Grad des Zusammenpressens variiert entsprechend dem Anteil des Gegenstandes der in einen offenzelligen Schaum zu überführen ist, der relativen Steifheit der gekühlten und nicht gekühlten Teile sowie der Geschwindigkeit

und Stärke des Quetschens. Derartige Begrenzungen für irgendein spezielles Schaumkunststoffsystem lassen sich von dem Fachmann leicht feststellen. Üblicherweise ist es günstig, den Gegenstand von der Temperatureinstelleinrichtung zu der Quetschvorrichtung so rasch als möglich zu überführen, um zu verhindern, daß die Temperatur des kühleren Teils höher als etwa 20⁰C unterhalb der Einfriertemperatur steigt.

Eine große Vielzahl von Erhitzungs-, Gefrier- oder Kühleinrichtungen kann angewandt werden. Günstigerweise wird für optimale Wärmeübertragung und selektive Kühlung eines Schaumkörpers ein flüssiges Wärmeübertragungsmedium angewandt. Üblicherweise stellt die angwandte Flüssigkeit praktisch ein Nicht-Lösungsmittel für den zu kühlenden Schaum dar und wird daraus leicht durch Verdampfen oder Waschen entfernt, falls ein Produkt gewünscht wird, das von der Kühlflüssigkeit frei ist. Vorteilhafterweise werden die Schaumstrukturen selektiv gekühlt, indem sie Flüssigkeiten, z. B. verflüssigten Gasen, von geeigneten Temperaturen und während eines ausreichenden Zeitraumes, um die gewünschte Temperatur zu erreichen, ausgesetzt werden. Besonders günstig für die Wärmebehandlung derartiger Schäume sind flüssige Luft und flüssiger Stickstoff. Auf Grund seiner leichten Zugänglichkeit und niedrigen Kosten wird flüssiger Stickstoff bevorzugt. Die thermoplastischen harzartigen Schäume schwimmen auf der Oberfläche des flüssigen Stick-Stoffs, und die Stärke oder Tiefe des Schaumes, die gekühlt wird, läßt sich einfach durch die Berührungszeit des Schaumes mit dem flüssigen Kühlmittel regeln. In Fällen, wo die Einfriertemperatur des Schaumkörpers oberhalb von Raumtemperatur liegt, läßt sich die relative Temperatur der Teile des Schaumkörpers leicht mittels erhitzter Gase, Flüssigkeiten u. dgl. einstellen, die so gewählt werden, daß sie dem speziell angewandten Kunststoffmaterial entsprechen. In vielen Fällen werden mit Vorteil heiße Luft und heißes Glycerin angewandt.

Bei den meisten Schäumen ist es günstig, den Schaum auf etwa 10 bis 25% seiner ursprünglichen Stärke zusammenzupressen, um ein Zellaufbrechen zu erreichen. Diese Zusammenpressung muß üblicherweise beschränkt bleiben und nicht bis zu dem Extrem ausgeführt werden, bei dem die Zellen des . warmen Schaumes — d. h. des Schaumes mit einer Temperatur oberhalb etwa 20° unterhalb der Einfriertemperatur — auf Grund der übermäßigen Gasdrücke, die während des Zusammenpressen entwickelt werden, aufbrechen.

Verschiedene Konfigurationen von Schäumen mit offenen und geschlossenen Zellen lassen sich leicht nach dem Verfahren gemäß der Erfindung durch Änderung der Temperatur innerhalb des Körpers herstellen. Im vorstehenden wurde die Erfindung hinsichtlich der Ausbildungsform eines zweischichtigen Schaumes beschrieben, d. h. eines Schaumes, bei dem ein Teil des geschäumten Kunststoffkörpers geschlossene Zellen benachbart zu einer Oberfläche und offene Zellen an der entgegengesetzten Oberfläche hat. Durch Anwendung geeigneter Verfahrensmaßnahmen lassen sich dreischichtige Schäume und sogar vier- und fünf schichtige Schäume leicht herstellen. Wenn ein Bogen eines flexiblen geschäumten Kunststoffmaterials bei einer Temperatur unterhalb etwa 20° unterhalb der Einfriertemperatur gehalten wird und die Teile desselben, die an den Oberflächen liegen, auf eine Temperatur größer als die Bruchtemperatur oder der 7'g-Wert gesteigert werden und die Struktur anschließend gequetscht wird, ergibt sich als Produkt ein Schaumkörper mit geschlossenen Zellen an seinen jeweiligen Hauptoberflächen und offenen Zellen in einer allgemein zentral liegenden Schicht. Die Lage der zentral liegenden Schicht läßt sich leicht durch selektives Erwärmen der äußeren Oberflächen vor dem Quetschen regeln, so daß die offene Zellschicht in praktisch jeder beliebigen Stellung innerhalb des Körpers ausgebildet werden kann. Durch erneute Behandlung einer derartigen Struktur unter geeignet geregelten Bedingungen läßt sich eine zweite Schicht von offenzelligem Schaum leicht an jeder gewünschten Stellung innerhalb des Körpers ausbilden. Bei einer der vorstehenden Regeln berücksichtigenden Arbeitsweise werden die gewünschten Kombinationen von offenzelligem und geschlossenzelligem Schaum leicht aus einem einheitlichen geschäumten Kunststoffkörper erhalten.

Beispiel 1

Eine Mehrzahl von rechteckigen Blöcken eines zellhaltigen Polyäthylens mit einer Massendichte von etwa 24 g/l mit den Abmessungen 10X10X3,8 cm wurde auf die Oberfläche einer Menge von flüssigem Stickstoff gebracht und während verschiedener Zeiträume schwimmen gelassen. Die Blöcke wurden dann zwischen einem Paar Klemmwalzen, die voneinander einen Abstand von 0,32 cm hatten, in der Weise durchgeführt, daß die Abmessung von 3,8 cm auf 0,32 cm zusammengepreßt wurde. Die erhaltenen Schaumproben wurden dann in eine wäßrige Lösung eines blauen Farbstoffes gebracht. Anschließend wurden die Blöcke zerschnitten, um die Tiefe festzustellen, bis zu der die wäßrige Farblösung eingedrungen war. Die Ergebnisse sind in folgender Tabelle zusammengefaßt.

Tabelle

Probenummer

2
3
4

Schwimmzeit

in Minuten

a. d. Flüssigkeit (N2)

5
10
20
30

Tiefe d. Farbstoff-

eindringg.
v. d. Obeifl., mm

3,2
6,35
7,95
11,1

Die auf diese Weise hergestellten Schaumblöcke erwiesen sich besonders wertvoll für Reinigungszwecke, bei denen es gewünscht ist, einen Schwammeffekt und eine Trennschicht zur Verhinderung des Durchdringen der Flüssigkeit von einer Seite des Reinigungspolsters oder -schwammes zu der andern zu haben und trotzdem mit einem Reinigungspolster arbeiten zu können, welches ausreichend steif ist, um seine Form bei den Beanspruchungen während der Anwendung beizubehalten. Günstigerweise hat der poröse oder offenzellige Teil des Schaumes eine Preßfestigkeit von etwa V₉₀ derjenigen des geschlossenen Zellteiles, wodurch sich Reinigungspolsler mit einer Struktur gemäß der Erfindung ergeben, die sich an die verschiedensten unregelmäßigen Oberflächenformen anpassen, ohne daß ein übermäßiger

Druck auf den Teil des zu reinigenden Gegenstandes ausgeübt wird, der sich am weitesten aus der allgemeinen Ebene des Gegenstandes hervorhebt. Auf diese Weise wird ein Polieren oder Abschleifen der höheren Stellen der Oberflächen in einem übermäßigen Ausmaß vermieden. Ein gemäß der Erfindung hergestellter zweischichtiger Schaum ist besonders vorteilhaft und günstig für Polstereizwecke. Bögen aus Polyäthylenschaum mit einer Stärke von etwa 5 cm, wobei 3,8 cm aus einem geschlossenen Zeilschaum und die restlichen 1,2 cm aus einem offenen Zellschaum bestehen, erwiesen sich bei ihrer Verwendung als Polster für Kraftfahrzeugsitze bei Bedeckung mit einem Gewebe als bequemer als ein ähnlicher Sitz, der unter Verwendung eines geschlossenen Zellschaumes von 5 cm Dicke hergestellt wurde. Versuchspersonen für derartige Sitze fanden, daß die unter Verwendung des Schaumes mit einem Anteil von offenen Zellen hergestellten Sitze wesentlich bequemer waren.

Beispiel2 Beispiel 4

Eine Probe des gleichen Orthochlorstyrol-Schaumes wurde in ähnlicher Weise mit der Ausnahme behandelt, daß er während eines Zeitraumes von nur 30 Sekunden vor dem Quetschen gekühlt wurde. Bei der Behandlung mit der Farbstofflösung zeigte sich, daß wesentlich weniger Zellen an der Oberfläche aufgebrochen waren. Eine dritte Probe des PoIyorthochlorstyrol-Schaumes wurde während 3 Minuten in Luft auf 150° C erhitzt und unmittelbar zu 0,25 cm gequetscht und anschließend 5 Minuten bei 150° C wieder erhitzt und auf Raumtemperatur abgekühlt. Bei der Behandlung mit wäßriger Farbstofflösung zeigte sich, daß die innere Hälfte der Probe eine offenzellige Struktur aufwies, während die an den Oberflächen liegenden Schichten eine Struktur aus geschlossenen Zellen hatte.

Beispiel5

Ein Teil eines flexiblen Polyvinylchloridschaumes mit geschlossenen Zellen mit einer Dichte von 80 g/l und den Abmessungen 10 X 10 X 2,54 cm wurde während eines Zeitraumes von 10 Minuten in flüssigen Stickstoff eingebracht. Nach Beendigung dieses Zeitraumes wurde der Schaum entnommen und in Luftatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 25° C während 3 Minuten gehalten. Die Schaumprobe wurde dann in Richtung der Abmessung von 2,54 cm zu einer Stärke von etwa 0,51 cm zusammengepreßt. Nach dem Quetschen wurde die Schaumprobe an die Luft gelegt, bis die Probe Raumtemperatur angenommen hatte. Bei der Untersuchung des Schaumes zeigte sich, daß jede Oberfläche aus einer Schicht geschlossener Zellen bestand und daß das Innere des Schaumes überwiegend aus offenzelligem Material bestand.

Beisniel 3

Ein aus Polyorthochlorstyrol und 0,11 Gewichtsprozent Divinylbenzol hergestellter Schaum mit geschlossenen Zellen von einer Dichte von 48 g/I wurde zu einem rechteckigen Block von 2,54X2,54X1 cm geschnitten. Diese Probe wurde während eines Zeitraumes von 15 Minuten in einem Luftofen bei einer Temperatur von 150° C erhitzt. Die Probe wurde dann aus dem Ofen entnommen und Luft von etwa 25° C während eines Zeitraumes von etwa 1 Minute ausgesetzt. Unmittelbar danach wurde die Probe in der Richtung der Stärke von 1 cm zu einer Abmessung von 0,25 cm gepreßt. Die Probe wurde dann während eines Zeiträumen von 15 Minuten in einem Luftofen bei 150° C erhitzt, worauf die Probe sich zu einer Stärke von etwa 6,35 mm wieder expandierte. Die behandelte Probe wurde mit wäßriger Farbstofflösung behandelt. Eine zentral liegende Schicht in der Probe von etwa 0,38 cm zeigte keine oder nur geringe Farbstoffaufnahme, während die restlichen 1,27 cm Schaum von jeder Seite der Probe eine starke Aufnahme der Farbstoff lösung zeigte, was offene Zellen beweist. Ein unbehandelter Teil des Schaumes zeigte keine Färbung, wenn er mit dem Farbstoff behandelt wurde.

B^e* einer Wiederholung der vorstehenden Versuche unter Verwendung von Polyorthochlorstyrol-Schäumen mit durch Polymerisation von Methylmethacrylat mit 0,10 Gewichtsprozent Divinylbenzol hergestellten Schäumen von einer Dichte von etwa 32 g/l ergaben sich ähnliche Ergebnisse. Eine Probe eines aus isotaktischem Polystyrol hergestellten Schaumes mit einer Dichte von 32 g/l und der Abmessung 2,54 X 2,54X 1,27 cm wurde auf eine Temperatur von 120° C während eines Zeitraums von 15 Minuten mittels eines Luftofens erhitzt. Die Schaumprobe wurde während 1 Minute in Luft bei einer Temperatur von etwa 24° C abgekühlt und in Richtung der Abmessung von 1,27 cm zu einer Stärke von etwa 0,25 cm gequetscht. Der gequetschte Schaum wurde während eines Zeitraumes von 10 Minuten bei 120° C in Luft erneut erhitzt und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Schaumprobe wurde mit einer wäßrigen Farblösung behandelt, die in den äußeren Teil ^^es Schaumes leicht eindrang, jedoch von dem zentralen Teil der Probe nicht aufgenommen wurde.

In ähnlicher Weise wie in den vorstehenden Beispielen wurden Schaumkörper mit selektiven offenzelligen Teilen beispielsweise leicht aus geschäumtem Polyäthylen, geschäumtem Polypropylen, geschäumtem Polybuten-1, geschäumtem Isobutylen, harzartigen Mischpolymerisaten von Äthylen und Propylen, Naturkautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, chlorsulfoniertem Polyäthylen, Polyvinylidenchlorid, PoIyäthylacrylat, Polybutylarylat, Polyäthylmethacrylat, Polyvinyläther, Polytert.-butylstyrol, flexiblem PoIyurethanschaum mit einer Massendichte von etwa 32 g/l, flexiblem geschäumtem Naturkautschuk mit einer Massendichte von etwa 80 g/l, Polypropylenschaum mit einer Massendichte von etwa 20 g/l, einem aus 40 Teilen Styrol und 60 Gewichtsteilen Butadien hergestellten Schaum mit einer Dichte von etwa 48 g/l und aus anderen polymeren Schäumen gebildet, die eine Einfriertemperatur oder Glastemperatur zeigen und die, wie es bei den Schäumen der vorstehenden Beispiele der Fall ist, ihren anfänglichen Zellzusammenhalt während eines Zeitraums von 15 Minuten beibehalten, wenn sie auf eine Temperatür von 50° C oberhalb ihrer Glastemperatur erhitzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufbrechen der Zellen eines Teiles eines geschlossenzelligen Schaumstoffkörpers durch Pressen, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Pressen die Temperatur vorbestimmter Bereiche des geschlossenzelligen, aus einem eine Einfriertemperatur aufweisenden Kunststoff bestehenden Schaumstoffkörpers auf einen Wert unterhalb dieser Einfriertemperatur abgesenkt wird, während der übrige Teil des Schaumstoffkörpers auf einer Temperatur oberhalb der Einfriertemperatur gehalten wird, worauf beim Pressen des gesamten Schaumstoffkörpers nur die Zellen der auf eine unterhalb der Einfriertemperatur liegende Temperatur abgesenkten Bereiche aufgebrochen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoffkörper durch Kontakt mindestens eines Teiles einer seiner Oberflächen mit einem flüssigen Wärmeübertragungsmedium gekühlt wird.