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Herstellung von Hohlkörpern aus. geschäumtem Kunststoff Im Blasverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft die Vesrbeitung von Schaumstoffen durch Auttiasen
in der.Form.
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Die Herstellung von Kunststoffartikeln durch Formblasen ist bekannt
(Jonss et al, "Blow Molding", Reinhold Publishing Corp. (1961)).
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Ein typisches Verfahren zu. Blasen von Kunststoff-Hohlkörpern besteht
beispielsweise darin, daß die Kunststoffmasse im warmen, halbfesten Zustand einer
Extruderdüse zugeführt und aus dieser in Forin eines Schlauches extrudiert wird.
An der ExtruderdUse wird ein schlauchartiger Vorformling von der zur Herstellung
des gewünschten Artlkels erforderlichen Länge gebildet und eine Ansahl von Formteilen
radial sut den Yorformling zu bewqt, bis sie zusammentreffen und eine Form « einem
den Vorformling umgebenden Hohlraum bilden. Das sine Fnde des Vorformlings wird
dann verschlossen und ein geeignetes Gas, z.B. Luft, zur Ausdehnung desselben bis
zum Anliegen an die Innenwandungen der Form hineingeblasch.
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Es ist auch vergeschlagen worden, das Blasverfahren auf Schaumpolystyrol.
anzuwenden (Goldsberry et al, Soctety cif Plastics Eng1neering Journal, April 1962,
Seite 448-454).
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Jedoch ist die herstellung einheitlicher Produkte hierbei mit Schwierigkeiten
verbunden.
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Wenn men versucht, Polystyrolschaum zu extrudieren und in eine Blasform
ei einzubringen, trith eine unkonbrollierbare Expansion ein und eine Regulierung
der Wandstärke Int dabei unmöglich. So werden beim Aufblasen des Vorformlings die
schwächsten Stellen in der Schaumstoffwand am stärkzten aufgeblasen. Auch unter
KUhlen läßt sich Schaumpolystyrol ebenfalls nicht befriedigend in der Form blasen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, verbesserte
geblasene Schaumstoffkörper herzustellen sowie ein Verbessertes Verfahren zum Blasen
von Schaumstoffen in der Form vorzuschlagen. Weiterhin bezweckt die Erfindung die
Herstellung von biaxial orientierten geblasenen Schaumstoffartikeln.
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Die weiteren Zwecke und Aufgaben sowie die Anwendbarkeit der vorliegenden
Erfindung ergeben sloh aus der folgenden Beschreibung, wel ch9 j edoch nur bevorzugte
Ausführungsbeispie ei e betrifft, da zahlreiche Abänderungen im Können des durch
schnittlichen Fachmannes liegen.
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Es wurde gefunden, daß diese Zwecke erreicht werden können, wenn man
einen Schlauch aua Schaumstoff mit weitgehend ungeschäumter, durchgehend einheitlicher
Innen- und Außenhaut durch Blasen verformt. Der geschäumte Kern des Sehlauolles
macht dabei im allgemeinen 70 bis 95 % der Gesamtdicke aus und der Rest besteht
aus den beiden Häuten.
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Die Häute sind im allgemeinen, jedoch nicht notwendigerweise, etwa
von gleicher Dicke.
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-Die Häute verleihen dem Schaumstoffschlauch eine besondere Festigkeit,
so daß er der Dehnung während des Blasons standhält.
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Durch das Blasen wird der Schlauch lateral gedehnt. Vorzugsweise erfolgt
jedoch auch ein Strecken in Längerichtung, indes der Schlauch z.B. beim Verformen
in die länge gesogen wird. Diese biaxiale Orientierung verleiht des Gegenstand ein.
erhöhte Festigkeit.
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Die biaxiale Streckung kann 25 bis 100 % in er Richtung betragen.
Vorzugsweise beträgt sie 50 bis 200 % in jeder Richtung. Wie bereits erwähnt, kann
das Strecken in Längsrichtung jedoch auch rortgelassen werden.
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Jedes in oben genannter Veröffentlichung (Jones et al) besohriebene
Blazverfahren ist geeignet.
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Die vorliegende Erfindung eignet sich zur herstellung von geblasenen
Artikeln aus Schaumpolystyrol, geschäumtem Polyäthylen hoher Dicbte wie z.B. 0,960,
mittlerer Dichte wie z.B. 0,935 und niederer Dichte wie z.B. 0,914, gezchäumtem
Polyprcpylen, geschäumtem Copolymerem aus Äthylen und Propylen in z.B. eines: molaren
Verhältnis von 50: 50, geschäumtem Vinylchlorid-Polymerem, z.3. Polyvinylchlorid
oder Vinylchlorid/Vinylacetat-Copolymerem (87 : 13) ober Schaumpolyurethanen. Schaumpolyurethane
sind beispielsweise durch Aufschäumen von Vorpolymeren aus Polypropylengly -kol
mit einem Molekulargewicht von 2025 und Toluol-2,4-diisocyanat, aus Trimethylopropan-Propylenoxyd-Addukt
mit einem Molekulargewischt von 418 und Toluol-2,4-diisocyanat, mus 1 1,4-Butandicl-Adipinaäure-Polyester
und Toluol-2,4-dli scoyanat und aus Glycerin-Propyl enoxyd-Addukt mit einem Molekulargewicht
von 1000 und Toluol-2,4,6-triiscoyanat hergestellte Schäume. Praktisch können zur
Bildung der Vorpolymeren für die Herstellung von Schaumpolyurethanen alle gebräuchlichen
polyole und organischen Polyisocyanate ver--dt werden. So können sur Herstellung
der Polyurethane alle in den USA-Patentschriften 3 079 641 und 3 081 331 offenbarten
Polyole, Polyisocyanate oder Vorpolymere verwendet werden. Die gesamte Offenbarung
dieser Petente ist hierdurch adt in die vorliegende Erfindung sinbezogen.
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Bei Verwendung von Polystyrcl ist jedes normale kristalline Polystyrol
oder schlagfeste Polystyrol oder eine Mischung aus 5 bis 95% normalem @ristallinem
Polystyrol und 95 bis 5 ç schlagfestem Polystyrol geeignet. Bei Verwendung einer
thermoplastischen Styrolpolymeren enthält dieses im allgemeinen mehr als 50 Gew.%
Styrol und vorzugsweise mindestens 70 Gew.% Styrol in der Struktur wie z.B. ein
Copolymeres aus 70 % Styrol und 30 % Aerylnitril. Schlagfeste Polystyrole werden
häafig darch Polymerisation von monemerem Styrol in Gegenwart von 2,5 bis 10 Gew.%
eines kautschukartigen Dienpolymeren oder durch Polymerisation vcn Styrol in Gegenwart
von 2,5 bis 10 Gew.% eines difunktionellen Stoffes hergestellt. Zu den schlagfesten
Styrolpolymern gehören beispielsweise ein Terpolymeres aus 5 % Acrylniteril, 5 %
Butadien und 90 % Styrol, ein Copolymeres aus 5 ß Butadien und 95 % Styrol, das
durch Polymerisation von 95 % Styrol in Gegenwart von 5 « Polybutadien hergestellte
Produkt, ein Copolymeres aus 5 9C chlorsulfoniertem Polyäthylen und 95 % Styrol,
eine Mischung aus 97,5 % Polystyrol und 5% hydriertem Polybutadien mit einem Restgehalt
von 35,4 % Ungesättigtem, in Gegenwart von 5 % hydriertem Polybutadien mit einem
Restgehalt von 4,5 % % Ungeaättigtem hergestelltes Polystyrol, eine Mischung aus
95 « Polystyrol und 5 % Polyisopren und ein Copolymeres aus 99,5 % 8tyrol und 0,5
5 Divinylbenzol.
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Es kann auch polymerisiertes Methylmethacrylat, Polychlor. trifluoräthylen
usw, verwendet werden.
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Im folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert
werden; es zeigen: Fig. 1 - Darstellung des Gesamtprozesses, teilweise im Schnitt,
wobei die einzelnen Verfahrensstufen in Richtung der Pfeile an den Strich-Punkt-Linien
nacheinander verlaufen, Piß. 2 * Querschuitt durch das Schlauchstück aua Schaumstoff.
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Der allgemein mit 2 bezeichnete Extruder weist einen Düsenteil 9 und
eine ringförmige Düsenöffnung 6 Durch Mischen von 50 Teilen granuliertem schlagfestem
Polystyrol (mit 5 « Polybutadein modifiziertes Polystyrol, "Tuflex 216" von Foster
Grant) und 50 Teilen granuliertes regulärem kristallinem Polystyrol ("Dylene 8 von
Koppers) wurde ein Polystyrolmasse hergestellt, die im folgenden mit "Mischung A"
bezeichnet wird.
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90 Teile Mischung A wurden 5 bis 10 Minuten lang mit 10 Teilen schäumfähigen,
6 % Penten enthaltenden Polystyrolkügelchen (Dow-Pelespan 101) und 0,5 Teilen Weißöl
auf Besis eines aliphatischen Erdölkohlewasserstoffes ("Bayol 35")
trocken
vermischt. Das Mischen erfolgte bei Raumtemperatur.
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Dann wurden alu Treibmittel 0,3 Teile pulverförmige wasserfreie Zitronensäure
und 0,4 Teile pulverförmiges Natriumbicarbonat zugesetzt und weitere 15 bis 20 Minuten
gemischt. Die erhaltene Mischung wurde dann in den Extruder 2 gegeben und durchlief
den Zylinder (nicht dargestellt), wo sie mittels einer Schnecke bei einer Temperatur
von 163° C bis 177° c erweicht und geknetet wurde. Am Austrittsende des Zylinders
herrsohe ein Drsok von 176 kg/cm2. Die so hergestellte Kunststoffm.sse 8 gelangte
dann in den DUsenteil 4 des Extruders. Der Extruder ist weiterhin mit einem Düzenmittelstück
10 versehen, und der Schlauch wird in dem Düzenhohraum 12 zwischen des Düsenteil
4 und dem DUsenrittel stück 10 geformt.
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Es ist wichtig, daß die Außenseite 14 und die Innenseite 16 des zylindrischen
Sclauches 18 beil Austritt aus der DUsenöffnung 6 oder kurz danach gekühlt werden.
Wenn die Ober. flächen nicht schnell gekühlt werden, bilden sich Riffel ii Schlauch.
Das Abschrecken verhindert die laterale Ausdehnung des Schaumes, jedoch nicht die
Expansion bezüglich der Wandstärke.
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Das XUhlen von außen erfolgt dadurch, daß man aus einer Hingduse
20 einen Luftstrom von Raumtemperatur, d.h. von etwa 21° C, mit einer Geschwindigkeit
von 27,5 m/zec. auf die
Schlauchaußenseite 14 richtet.Die Ringdüse
verläuft rund um den Schlauch. Die Kühlung im Innern erfolgt dadruch, daß man durch
eine Öffnung 22 im Düsenmittelstück 10 einen Lutt strom in die innere Düse 24 bldst.
Die innere Düse 24 ist an ihrem offenen Ende 26 crweitert, um die Luft rundherum
auf der Schlauchinnenseite 16 zu verteilen. Die Geschwincigkeit der aus der inneren
Düse austretenden Luft beträgt 15 m/sec.
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Der Schlauch hat beim Austritt aus'der Düsenöffnung 6 eine Temperatur
von etwa 149° C. Durch das schnelle Abschrecken bildet sich eine Haut 28 auf der
Schlauchinnenseite 16 und eine Haut 30 auf der Schlauchaußenseite 14. Während Innen-und
Außenseiten so gekühlt werden, erfolgt praktisch keine Kühlung des geschäumten Kernes
32. Die Heute haben eine wesentlich höhere Dichte als der Kern und praktisch die
Dichte des Polymeren selbst.
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In dem speziellen Beispiel hatte die Düsenöffnung 6 einen Durchmesser
von 76 mm und der Zwischenraum zwischen den Düsenteilen 4 und 10 betrung am offenen
Ende 1,12 mm. Die Dichte der verwendeten Polystyrolmasse betrug vor dem Aufschäumen
0,96 g,cm3, beim Austritt aus dem Extruder nach dem Aufschäumen 0,43 g/cm3 und hatte
nach dem Abschrken einen Wert von 0,48 g/cm3.
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Zur Erzielung einer lateral er. Streckung wird der Schlauch 18 in
Längsrichtung gezogen, z.B. durch Schwerkraft oder durch Spannvorrichtungen, wie
e z.B. Walzen 34 und 36. Die e Walzen 34 und 36 werden mit einer solchen Geschwindigkeit
gedreht, daß der Schlauch um 50 % in Längsrichtung gestreckt wird.
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(Anstelle eines einzigen Walzensatzes können auch zwei Walzensätze
verwendet werden von denen sich elner mit einer Geschwindigkeit bewegt, die den
Schlaueh von der Düse abzieht, ohne ihn jedoch schon wesentlich zu strecken ur.
der zweite sich mit der 1,5-fachen Geschwindigkeit des ersten Satzes dreht).
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Der Schlauch 18 kann durch Messer 38 und 40 zu einem schlauch artigen
Vorformling 42 geschnitten werden, welcher einen Durchmesser von 10 ci hat und zwischen
die Teile 44 und 46 der Blasform gebracht wird. Die Formteile 44 und 46 können so
zur Porm 48 vereinigt werden, daß diese einen der Gestalt des herzustellenden Artikels
entsprechenden Hohlraum bildet. Der Schlauch kann jedoch uoh ohen vorher zu einem
Vorformling geschnitten zu zein in die Blasform 48 gebracht werden.
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Es wird ein kontinuierlicher Extruder mit einem Stauraum verwendet.
Während der Blasstufe des Verfahrens tritt kein Material aus der Extruderdüse aus.
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Die Blaaform 48 weist eine Temperatur von 320 C auf; jedoch iat die
Temperatur nicht kritisch und kann beispielsweise auch 100 oder 21° C betragen.
Der eingebrachte Vorformling ist noch hieß, Nomalerwieise läßt sich die im Polystyrol
ehthaltene Wärme nur schwlerlg zum Aufbalasen verwerten; diese Schwierigkeit wird
jedoch mit der vorliegenden Erfindung durch das Vorhandensein der Innen- und Außenhaut
überwunden, Der wie angegebene Schaumpolystyrolschlauch hatte heim Austritt aus
dem Extruder eine Wandstärke vOn 1,12 mm.
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Diese Wandstärke nahm durch das Schäumen auf 2,75 mm zu.
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Nach dem Schließen der Form 48 wird durch die Düse 52 Luft mit hoher
Geschwindigkeit in den Vorfonnling 42 eing.-blasen, wodurch er bis zur Gestalt des
Hohlraumes 50 in der Form aufgeblasen wird. Die Luft wird mit einem Druck von 2.10
kg/cm2 eingeblazen. (Vorzugsweise wird ein Druck von nicht mehr als 3,50 kg/cm2
und insbesondere von 1,40 bis 2,10 kg/cm2 angewendet). Beim Blasen einer Fasche
54 ist eine Blasdauer von 60 sec. geeignet. Beim Aufblasen des Vorformlinge zur
Herstellung der Flasche erfolgte eine laterale Dehnung von 50 %. nie Wände der fertigen
Schaumstoff-Flasche hatten eine Dicke von 1,25 mm.(Durch die, biaxiale Streckung
wurde die maximale Dicke von 2,75 mm verringert.)
vor dem Strecken
waren die Außenbaut 30 urd die Innenhaut 28 J 0,125 mm und der Schaumkern 2,50 mm
dick.
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Nach Ausformung der Flasche 54 können überstchende Teile durch Meister
56, 58, 60 und 62 abgeschnitten vcrden.
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In dein anhand der Zeichnungen beschriebene speziellen Beispiel wurde
ein Material verwendet, welches aus einer Mischung von 90 Teilen Mischung A, 10
Teilen schäumfähigem Polystyrol und geringen Mengen Netzmittel und Treibmittel extrudiert
wurde. Ein wirtschaftlicheres und besseres Material aum Aurblasen besteht aus einer
Mischung aus 100 Teilen Mischung A, 1 Teil Diatomeenerde ("Celit"), auf welcher
1 Teil Pentan adsorbiert ist (d.h. inagesamt 2 Teile Celit-Pentan), 0,5 Teilen Weißöl
aur Basis eines aliphatischen Frdölkohlenwasserstoffes (Bayol 35) und einem aus
0,3 Teilen wasserfreier Zitronensäure und 0,4 Teilen pulverförmigem Natriumbicarbonat
gebildeten Treibmittel.
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Wie bereits gesagt, sind auch Saumstoffe aus Polyäthylen, Polypropylen,
Polyvinylchlorid Polyurethanen und dergleichen zum Verfonnen nach dem Blasverfahren
geeignet. Der Schaumstoff schlauch mit durchgehend einheitlichen, weitgehend ungdschäumten
Innen- und Außenhäuten wird vorzugzweise aus einer trockenen Mischung aus feinteiligem
Polymeren und einem Adsorptionamittel, auf dem eine flüchtiga Flüssigkeit
adsorbiert
ist, hergestellt, wie sie in der deutschen Patentschrift . ... ... (Patentenmeldung
H 51 474 IVc/39b, eingereicht asa 23.1.1964) beschrieben ist. Wie in dieser Patentschrift
dargelegt st, wird der Schaum vorzugsweise mit Hilfe eines Treibmittelz hergestellt.
Die Konsistenz des Schaumes, z.B. die Große der Blasen, kann durch die Menge an
Treibmittel reguliert; werden. Im allgemeinen ist die Blasengröie um so geriner,
Je mehr Treibmittel verwendet wird. Die Düse muß natürlich so beschaffen sein, daß
nicht eine Bahn sondern ein Schlauch exrudiert wird.
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Bei der Ausbildung der Haut kann anstelle von Luft auch ein anderes
fluides Kühlmittel, B. Wasser, eineMischung Luft und Wasser, Stickstoff, Argon,
helium usw., verwendet worden. Es ist nur wichtig, daß die Oberfläche des Polymeren
schnell unter ihren Nachgebepunkt (yield point) abgekühlt wird, so daß sich auf
der Oberfläche des Schlauches keine Blasen bilden, während im Xern jedoch noch eine
für ein gutes Aufschäumen ausreichende Wärmemenge verbleibt.
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Temperatur und Geschwindigkeit der Luft werden so eingestellt, daß
nur gerade eine Haut gekühlt wird, d.h. eine Schicht von etwa 3 bis 15 % der Wanddicke
an der Schlauchaußenseite und eine Schicht von etwa 3 bis 15 % der Wanddicke an
der Schlauchinnenseite. Dementsprechend werden 7O - 94 W der Wanddicke als Kernschicht
aufgeschäumt.
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Als Blainittel können Wasser, Luft, Stickstoff, Argon usa. verwendet
werden.
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In dcm speziellen Beispiel wurden zum Strecken in Längsrichtung Walzen
34 und 36 verwendet. Diese Walzen können Jedoch auch fortgelassen werden, wobei
dann ein nur lateral gestrecktes produkt erhalten wird, Bei Verwendung von Polystyrol
beträgt die Extrudiertemperatur 121° bis 1600 C. Bei Verwendung von anderen Polymeren
kann mit ähnlichen Temperaturen gearbeitet werden, jedoch hängt die optimal. Temperatur
zu einem gewissen Grade vom Brweisohungspunkt der einzelnen Polymere ab. 80 werden
bei Polyäthylen niederer Dichte niedrigere Temperaturen und bei Polyäthylen hoher
Dichte und bei Polypropylen höhere Temperaturen angewendet.
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Die Erfindung ist zum Blasen von Artikeln geeignet, die zu Zwecken
Verwendung finden sollen, bei denen eine Wärmeisolierung erwünscht ist. Die Dicke
dieser Artikel kann bis zu 7,50 mm betragen. In diesem Fall hat die aus der Kxtruderdüse
austretende Masse eine Dicke von 7,50, die dann vor des Blasen bis zu einer Dicke
von 18,75 mm aufgeschäumt wird, wobei die ungeschäumten Innen- und Außenhäute je
0,12, bis 0,75 mm dick sind.
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Außer Flaschen können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch andere
Hohlkörper hergestellt werden. So können Töpfe, Becher, Eimer, Speiseeisbehälter
und dergleichen hergestellt werden, weiche auch stapelfähig ausgebildet sein können.
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In dem anhand der Zeichnungen beschriebenen besonderen Beispiel hatte
die geblasene Flasche einen Durchmesser von 15,24 cm und eine Höhe von 22,86 cm.
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In einem anderen Beispiel wurde aus Polystyrol ohne Verwendung der
Walzen 34 und 36 ein Topf mit den Abmessungen 15,24 x 22,86 cm geblasen. Der Schlauch
hatte dabei beim Awtritt aus der Düse eine Wandstärke von 0,625 mm, die beim Aufsehlhmen
auf 2,50 mm verstärkt und anschließend beim Blasen auf 1,4 * verringert wurde. Das
Aufblasen erfolgte in Verhältnis von etwa 1,5 : 1, In ein anderen Beispiel wurde
ein Faß von 208 Litern Inhalt geblasen. Der aus der Extruderdüse austretende Schlauch
hatte einen Durchmesser von 35,6 cm. Nach der Aufschäumen, der Ausbildung der Haut
und dem Aufblasen hatte das Faß aus Schaumstoff einen Durchmesser von 57,2 cm und
eine Wandstärke von 2,50 mm.
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Die Erfindung kann acuh zum direkten Blasen einer Auskleidung aus
Schaumpolystyrol, -polyäthylen, -polypropylen oder
dergleichen
fUr ein Stahlraß oder ein Faß aus Faserstoff verwendet werden. Solche Schäume haben
den Vorteil einer größeren Festigkeit verbunden mit einer Widerstandsfähigkeit etagen
Erschütterungen und einer Dimensionsbestlndigkeit und können dicht in den Behalter
eingepaßt werden. Bei Verwendung einer größeren Wandstärke, beispielsweise von 6,25
mm, können Wärmeisolierung und Erschütterungsbeständigkeit erhöht werden.
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Der erfindungsgemäß hergestellte Schaumstoff hat im allgemeinen eine
hohe Dichte, z.B. eine Dichte von 0,19 bis 0,72 g/cm3 und vorzugsweise von 0,29
bis 0,56 g/cm3.
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Im allgemeinen wird die Erfindung vorzugzweise so auzgeführt, daß
eine Innen- und eine Außenhaut ausgebildet werden.
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Bs ist Jedoch auch möglich, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Behälter
mit nur einer Haut zu blasen. Normalerweise wird bei Verwendung von nur einer Haut
die Innenhaut ausgebildet mein. Die Ausbildung einer Innenhaut verhindert, daß der
Inhalt der Flasche, des Fasses oder sonstigen Behälters in die Poren des Schaumstoffes
eindringt. Will man nur eine Innenhaut ausbilden, kann man beispielsweise die in
Fig. 1 dargestellte Vorrichtung verwenden, jedoch die äußere, den Kühlluftstrom
liefernde RingdUse 20 fortlassen. 80 wurde in einem zweiten speziellen Beispiel
das gleiche Verfahren wie in Beispiel 1 angewendet, jedoch wurde die äußere
Ringdüse
20 fortgelassen. Da so keine Kühlluft von außen zugeführt wurde, bildete sich keine
ungeschäumte Außenhaut sondern nur eine Innenhaut.
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Ebenso ist es md glich, nur eine ungeschäumte Außenhaut jeioch keine
Innenhaut auszubilden, indem man die äußere flingdUse 20 und dio Kühlung durch den
von ihr abgegebenen Luftstrom bei behält, Jedoch keinen Kühlluftstrom aus der inneren
Düse 24 zuführt.
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Bei Vorhandensein von nur einer Haut kann das zufgeszhäumte Harz 50
bis 97 P: der Gesamtdicke von Schamharz und Haut ausmachen.