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Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Schaumstoffhalbzeugen
aus thermoplastischen Kunst stoffen Die Herstellung von Schaumstoffen aus thermoplastischen
Kunststoffen, unter Verwendung von unter Temperatureinwirkung expandierenden oder
unter Gasabspaltung zerfallenden Treibmitteln, ist seit langem bekannt. In Abhängigkeit
von der Art des Kunststoffes und des Treibmittels, sowie der zu erzeugenden Schaumstoffstärke,
werden verschiedene Verfahren angewendet. Während zur Herstellung von dünnwandigen
Teilen wie Folien und dünneren Platten noch kontinuierliche Verfahren eingesetzt
werden können, ist es bei starkwandigen Teilen wie Blöcken oaer sxärseren Platten
nicht möglieh, mittels der bisher bekannten kontinuierlichen Verfahren die benötigte
Gleichmäßigkeit der Zellstruktur über die gesamte Schaumstoffst,ärke zu erreicüen.
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Bei diesen Verfahren wird in der Regel so vorgegangen, daß der Kunststoff
zusammen mit dem Treibmittel mittels eines Extruders -oder in druckfesten Behältern
über seine Schmelztemperatur zu einer homogenen Schmelze erhitzt wird, die dann
über eine Düse auf eine geeignete Unterlage z.B. ein Transportband ausgestoßen wird
und frei aufschäumt. Da durch die Eigenisolation der aufschäumenden Masse die Abkühlgeschwindigkeit
nur gering ist, erhöht sich mit zunehmender. Schaumstoffstärke die Gefahr der Bildung
von Unregelmäßigkeiten, und zwar derart, daß vornehmlich in der ldittelzone die
Sohaumstruktur durch Gasblasenzusammenschlüsse der noch fließfähigen Masse zumindest
teilweise zerfällt. Zur Vermeidung dieses Struktur-zerfalles wird angestrebt, die
Expansion des Kunststoffes möglichst weit unterhalb seiner Fließtemperatur und zwar
bei der Erweichungstemperatur vorzunehmen. In dieser Richtung gehen auch die mit
DBP 1135652 gemachten Vorschläge, die eine Abkühlung der Masse vor Austritt aus
der Düse empfehlen. Nachteilig wirkt sich dabei Jedoch aus, daß die
ebenfalls
vorgeschlagene Extruderförderung, die bekanntlich nur relativ niedere Druckwerte
erreicht, nicht in der Lage ist, die derartig abgekühlte, stark viskose und nur
noch begrenzt fließfähige Masse mit ausreichender Geschwindigkeit aus der Düse zu
fördern. Weiter wird durch den sich ergebenden starken Rückstau ein Zurückwandern
und Entgasen der expandierenden Masse zur Einfüllöffnung des Extruders hin ermöglicht.
Auch ist es auf Grund der begrenzten Fließfätftgkeit der abgekühlten Masse nicht
möglich, bei der Aufschäumung Schaumstoffe definierten geometrischen Querschnitts
zu erhalten, wodurch sich beim Zuschnitt des Materials ein hoher Abfallanfall ergibt.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren besteht darin, daß die
mittels Extruder oder Autoklaven erreichbaren Eompressionsdrucke nicht ausreichend
sind, um unter Normalbedingungen nicht oder nur gering im Kunststoff lösliche Gase
wie beispielsweise Stickstoff, die entweder in reinem Zustand zum Kunststoff dosiert
werden oder aus unter Temperatureinwirkung zerfallenden organischen oder anorganischen
Treibmitteln abgespalten werden, in der verflüssigten Masse ausreichend zu lösen,
womit der Aufschäumungsgrad und damit die erreichbare Dichte stark eingeschränkt
wird.
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Werden über das Löslichkeitsvermögen der Kunststoffmasse hinaus weitere
Gasanteile in dieser verteilt, so erhält man sehr grobporige und unregelmäßige Schaumstoffe,
die bei Vergleich mit einem di-skontinuierlich durch Pressen hergestellten feinporigem
Schaumstoff gleicher Art und Dichte bedeutend schlechtere Eigenschaften aufweisen.
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Dem Erfindungsgegenstand liegt die Aufgabe zugrunde, ein kontinuierlich
arbeitendes Verfahren zur Herstellung von insbesondere starkwandigen Schaumstoffhalbzeugen
aus thermoplastischen Kunststoffen zu schaffen, daß unter Beibehaltung der flir
derartige Schaumstoffe von den diskontinuierlichen Verfahren her bekannten Qualitätsmerkmale,
die aufgezeigten Nachteile der bekannten kon-, tinuierlichen Verfahren vermeidet,
darüber hinaus für alle verschäumbaren thermoplastischen Kunststoffe einsetzbar
ist und eine wirtschaftliche Fertigung erlaubt.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß der das Treibmittel
enthaltende Kunststoff von mindestens zwei absatzweise arbeitenden, rückflutsicheren
und druckgebenden Einheiten wechselseitig unter gleichzeitiger Verflüssigung in
eine Druckksmmer gefördert, in dieser auf einen hohen Druck komprimiert und über
ein den vorgewählten
Kompressionsdruck selbsttätig regelndes Auslaßventil
nach eventueller Abkühlung durch eine Verteilerdüse verschäumt wird.
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Hierdurch wird die Ausübung eines beliebig hoch einstellbaren Kompressionsdruckes
auf die verflüssigte Masse ermöglicht, der unbeeinflußbar von dem Verhalten der
Kunststoffmasse ist, wodurch eine völlige Löslichkeit auch von vornehmlich aus zerfallenden
Treibmitteln stammenden, unter Normalbedingungen nicht oder nur gering löslichen
Treibgasen erreicht wird und weiter auch sehr viskose Massen, wie sie bei vorangegangener
Abkühlung entstehen, mit ausreichender Geschwindigkeit aus der Düse ausgestoßen
werden können. Durch den Einsatz von mindestens zweien der als Pumpen wirkenden
druckgebenden und rückflutsicheren Einheiten wird ein kontinuierlicher Ausstoß erreicht.
Ein Rückfluten der Kunststoffmasse aus der Druckkammer wird dadurch vermieden, daß
zwischen druckgebender Einheit und Druckkauimer ein selbsttätig wirkendes, nur bei
Beschickung öffnendes, Ventil vorgesehen ist. Durch diese Anordnung wird ferner
erreicht, daß der Innendruck in der Druckkammer konstant bleibt und keine Treibgasverluste
durch Entgasen der verflüssigten Masse eintreten können. Es empfiehlt sich, daß
der in der Druckkammer aufrechtzuerhaltende Koinpressionsdruck der ß Masse größer
als 100 atü ist und vorzugsweise zwischen 200 und 1000 atü beträgt.
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Gemaß einer Weiterbildung der prfindurc ist es zweckmaßig, die Abkühlung
der verflüssigten, mit einem Tr5ritte versehenen Kunststoffmasse kontinuierlich
in einem Kühlkanal @@rzunehmen, der im Anschluß an die Verteilerdüse angeordnet
und mit dieser gasdicht verbunden ist, dessen Querschnitt dem späterem Querschnitt
des Schaumstoffes verhältnisgleich ist, in den die Masse unter völliger Ausfüllung
unter einem Gegendruck eintritt, der geringer ist als der in der Druckkammer herschende
Kompressionsdruck, aber noch 80 hoch, daß nur eine geringe Expansion der Masse erfolgt.
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Dabei ist ee von Vorteil, die Abkühlung nur soweit vorzunehmen, bis
die Temperatur im Kern der Masse auf die Erweichungstemperatur gefallen ist. Die
völlige Expansion erfolgt im Anschluß an die Abkühlung durch Erhitzen des Kunststoffes
auf bzw. über die Erweichungstemperatur. Durch diesen Ablauf wird erreicht, daß
die Schaumstruktur auch bei stärkeren Teilen völlig gleichmäßig ausgebildet wird
und, daß weiterhin ein Halbzeug von definierter geometrisches Gestalt entsteht,
wodurch nur ein geringer Abfallanfall beim Zuschneiden auftritt.
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Die erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich besonders vorteilhaft
mit den nachfolgend beschriebenen und in den Abbildungen wiedergegebenen Vorrichtungen,
die ebenfalls Teil des Schutzbegehrens sein sollen, durchtthren. Es zeigen Fig.
1 eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Ausstoß der unter hohem Druck verflüssigten
treibmittelhaltigen Kunststoffmasse im Längsschnitt, Fig. 2 eine Vorrichtung zur
kontinuierlichen Abkühlung der verflüssigten Masse unter Druck im Längsschnitt.
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In Figur 1 sind an einem zylinderförmigen Mittelteil 1 seitlich zwei
Einheiten angeordnet, die in der Ausführung identisch sind und daher wird im folgenden
nur die links abgebildete Einheit beschrieben.
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Diese besteht aus einem zylindrischen Teilstück 2, einem sich daran
anschließenden ebenfalls zylinderförmigem Teilstück 9 und einem darauf aufgesetzten
Zylinder4, in den ein mit Dichtungen 5 versehener Kolben 6 eingesetzt ist, an den
sich ein Kolben 7 geringeren Querschnitts anschlie4t, der in das Teilstück 3 dichtend
eingesetzt ist. Unterhalb des Kolbens 7 weist das Teilstück 3 eine Beschickungsöffnung
8 auf. In der Trennebene der Teilstücke 2 und 3 befindet sich ein Umlenkkörper 9,
dessen Kopffläche 10 der Geataltung der Stirnfläche 11 des Kolbens 7 entspricht
und der eine Durchgangsbohrung 12 aufweist, die abgewinkelt ist und sich in Richtung
auf das Mittelteil 1 konusartig erweitert. Diese Erweiterung 13 bildet die Dichtfläche
des innerhalb des Einsatzkörpers 14 angeordneten Rückschlagventils 15. Der Eineatzkörper
weist auf seinem Umfang Durchtrittsbohrungen oder -segmente 16 auf, wobei das Volumen
dieser Bohrungen zweckmäßigerweise der maximalen Fördermenge des Kolbens 7 entspricht.
Der obere Teil des Mittelteils 1 dient als Zylinder für den das Auelaßventil bildenden,
mit Dichtungen 17 versehenen Kolben 18, dessen Stirnfläche 19 als Kegel ausgebildet
ist, der auf der Gegenfläche 20 abdichtend wirkt.
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Am unteren Ende des Mittelteili 1 ist eine Verteilerdüse 21 angebracht,
die als Breitschlitzdüse bekannter Bauart ausgebildet ist und die zur Einstellung
der Schlitzbreite einen verstellbaren Balken 22 aufweist. Die Teilstücke 2 und 3
sind von nicht dargestellten Heizvorrichtungen umgeben, beispielsweise elektrischen
Heisspiralen
oder -manschetten. Um das Material intensiv und möglichst
gleichmäßig zu erhitzen, empfiehlt es sich, auch innerhalb des Einsatzkörpers 14
Heizpatronen anzuordnen, die gleichfalls in der Abbildung nicht dargestellt sind.
Im unteren Teil des Mittelteils 1 können erforderlichenfalls im Bereich zwischen
Kolben 18 und Verteilerdüse 21 nach zweckmäßiger Verlängerung dieses Teils Kühlvorrichtungen
angeordnet werden.
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Die Vorrichtung wird zweckmäßig hydraulisch betrieben. Mit 23 ist
der Zulauf von der Hydraulikpumpe bezeichnet, während 24 den Rücklauf des Hydraulikmittels
kennzeichnet. 25 und 26 stellen Schalt-bzw. Verteilerventile dar. Die RUckhubbewegung
des Kolbens 6 wird mittels der Leitung 27 pneumatisch durchgeführt.
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Die Bewegungen der Kolben 6 und 6t sind gegenläufig, wodurch ein stetiger
Ausstoß der lasse erreicht wird. Bei Betrieb der Vorrichtung wird nach der Rückhubbewegung
des Kolbens 6 durch die Beschikkungsöffnung8 das mit Treibmittel versetzte und bereits
8o hoch wie möglich vorgeheizte Kunststoffmaterial in den Kolbenraum 28 mittels
Schneckenförderung oder anderer nicht dargestellter gebräuchlicher Dosiervorrichtungen
eingefüllt. Nach Beendigung des MEllvorgangs wird der Kolben 6 über das Ventil 25
mit Druck beaufschlagt. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 7 wird die beschickungsöffnung
verschlossen und das Sgaterial bei gleichzeitig einsetzender Verflüssigung komprimiert.
Bei ffberschreitung eines bestimmten einstellbaren Kompressionsdruckes wird das
Rtickschlagventil 15 geöffnet. Die Bewegungsvorgänge der beiden Einheiten sind so
aufeinander abgestimmt, daß gleichzeitig der Kolben 7' der zweiten Einheit seine
Förderung beendet hat und zum Rttckhub ansetzt, wodurch das Kückschlagventil 15'geschlossen
wird. Die. Masse wird durch den Kolben 7 in die Bohrungen 16 des Einsatzkörpers
14 gefördert, in denen sie bis zum nächsten Fördertakt verbleibt und bis zur Endtemperatur
aufgeheizt wird. Die bei dem Fördertakt aus den Bohrungen verdrängte Masse tritt
zwischen der Stirnfläche 19 des Kolbens 18 und der Gegenfläche 20 in den Zuführkanal
zur Verteilerdüse 21 ein und wird nach eventueller VorkUhlung aus der iflise ausgestoßen,
wo sie dann aufschäumt. Der Kolben 19 öffne en Durchlaß erst dann, wenn der durch
den Kolben 7 ausgeübte Eompressionsiruck einen bestimmten einstellbaren Wert erreicht
hat, der größer als der Öffnungsdruck des Rtickschlagventils 15 ist. Dadurch wird
ein konstanter Druck innerhalb der Teilstücke 2 und 2' georrahrleistet. Der Rückhub
des Kolbens 6 setzt ein, sobald die Stirnfläche
des Kolbens 7 die
Kopffläche 10 des Umlenkkörpers 9 berührt.
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Der Kompressionsdruck kann über den Druck der Hydraulikpumpe und durch
das Flächenverhältnis der Kolben 6 und 7 auf den erforderlichen Wert eingestellt
werden.
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Die beschriebene Vorrichtung zeigt gegenüber den bekannten Vorrichtungen,
auf Grund der besseren Druckverhältnisse und der Verhinderung eines Zurückwanderns
der plastifizierten Masse, insbesondere bei Abkühlung der Masse vor Austritt aus
der Düse, beträchtliche Vorteile. Eine weitere Verbesserung ist zu erreichen, wenn
die vorbeschriebene Vorrichtung mit der Vorrichtung gemäß Figur 2 kombiniert wird.
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Mit der Verteilerdüse 21 der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung
ist ein Kanal 29, der sich im Bereich 30 konusartig erweitert, gasdicht verbunden.
Der Querschnitt des Kanals kann beliebig gehalten sein, jedoch empfiehlt es sich,
für die hauptsächlich in Frage kommende Plattenfertigung einen rechteckigen Querschnitt
vorzuziehen, der auch hinsichtlich der Kühlfläche die besten Verhältnisse ergibt.
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Der Kanal weist einen Kühlmitteldurchfluß 31 in Gegenrichtung zur
Materialbewegung auf. Im Bereich des Kühlkanals und am Ende des Kanals ist mindestens
je ein Walzenpaar 32 und 33 angeordnet, die höhenverstellbar und zweckmäßigerweise
ebenfalls kühlbar ausgelegt sind. Die Walzenpaare sind über nicht dargestellte Rutschkupplungen
mit wahlweise zum Antrieb oder zur Abbremsung zu verwendenden Aggregaten verbunden.
Die Länge des Kühlkanals richtet sich nach dem Materialdurchfluß und der abzuführenden
Wärmemenge und wird empirisch festgelegt. Damit der Reibungswiderstand der unter
Druck den Kanal durchfließenden Masse nicht zu hoch wird, ist es zweckmäßig, den
Kanal zum Ende hin in senkrechter Richtung konusartig zu erweitern, wobei der Öffnungswinkel
zwischen 0 und 10 Grad beliebig einstellbar ist. Zur einwandfreien Betriebsfähigkeit
des Kanals ist es erforderlich, daß dieser völlig mit Material ausgefüllt' ist,
da erst dann der erforderliche, die Expansion der Masse verhindernde und über die
Walzen 32 und 33 einstellbare Rückstau aufgebaut und eingehalten werden kann. Zum
Anlauf der Vorrichtung ist es daher zweckm§Big, mittels eines in den Kanal eingesetzten
Körpers, der dem Kanalquerschnitt entspricht, die völlige Ausfüllung des Kanals
zu simulieren bis das Material den Körper aus dem Kanal herausgedrückt hat. Die
Abzug- bzw. Bremswirkung der Walzenpaare wird ao eingestellt, daß der im Kühlkanal
an der Verteilerdilse 21 herrschende Gegendruck geringer ist als der Förderdruck
der Vorrichtung naoh Figur, aber
noch so hoch, daß keine nennenswerte
Expansion der Masse eintritt, welches automatisch geregelt werden kann. Die Abkühlung
wird soweit vorgenommen, bis in der Mittelzone des Materials die Temperatur auf
dei Erweichungstemperatur gefallen ist. Nach Verlassen des Kühlkanals tritt dann
in der Mittelzone bereits eine Expansion ein. Die völlige Aufschäumung des Materials
wird nachfolgend an den Kühlkanal durch Erwärmung in einem Warmluftkanal 34 oder
einem Wasserbad ebenfalls kontinuierlich vorgenommen.