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"Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffen" Die vorliegende Erfindung
betrifft allgemein die Herstellung von Gegenständen mit einer versohäumten polymeren
Struktur.
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Es ist allgemein üblich, Kleingegenstände, Spielzeuge aller Art, schwiminfähige
Gegenstände, Isolationsmaterial und dgl. aus einem Material mit einer verschäumten,
zellförmigen polymeren Struktur herzustellen. Zweckmäßigerweise werden solche Gegenstände
nach dem in der USA-Patentschrift 2,744,291 beschriebenen Verfahren hergestellt.
Nach diesem Patent werden expandierbare polymere Teilchen, denen 5 bis 15 % einse
Expandierungsmittels einverleibt wurden, in eine
Form gegeben und
beispielsweise durch Einspritzen von Dampf auf eine Temperatur erhitzt, die über
dem Sisdepunkt des Expandierungsmittels, Jedoch unter dem Schmelspunkt des Polymerisates
liegt. Unter der Hitzeeinwirkung dehnen sich die Teilchen aus, koaleszieren und
schmelzen zusammen, wodurch die Form mit einer verschäumten polymeren Struktur angefüllt
wird. Die Form wird hierauf auf eine Temperatur, bei der diese verschäumte Struktur
bestehen bleibt, abgekühlt und der Gegenstand aus der Form entfernt.
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Die expandierbaren polymeren Teilchen sind unter verschiedenen Handelsnamen
erhältlich, se wird z.fl. expandierbares Polystyrol unter dem Handelsnamen "Dylite"
verkauft.
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Zweckmäßigerweise werden expandierbawre Polymerisate nach dem in der
USA-Patentschrift 2,983,692 beschriebenen Verfahren hergestellt. Die expandierbaren
polymeren Teilchen ("Körner" bzw. "beads' genannt) können sich um das 10- bis 30-fache
ihrer ursprünglichen Größe ausdehnen, wenn frisch hergestellte Teilchen verwendet
wer4den; und sdie hierfür vorgesehene Po wird dann beispielsweise nur bis zu weniger
als einem Zehntel ihres Volumens angefüllt. Hierbei tritt der Nachteil aQf, daß
aufgrund des hohen Isolationswertes der expandierten Körner nicht Jedes Korn vollständig
ausgedehnt werden kann, da es nicht in ausreichendem Maße der Hitzeeinwirkung ausgesetzt
ist.
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Um diesen Nachteil zu überwinden, ist es üblich, die Körner vorher
teilweise zu expandieren, d.h. die Körner werden unter Rühren des Polymerisates
ohne Druckeinwirkung auf eine Temperatur erhitzt, die über dem Siedepunkt des Expandierungsmittels,
Jedoch unter dem Schmelzpunkt des Polymerisates liegt, wobei sich die Körner fast
auf ihre endgültige Größe ausdehnen Hierauf kann die Form mit diesen teilweise expandierten
Körnern vollständig angefüllt werden. Nach dem darauffolgenden Erhitzen dehnen sich
die Körner weiter aus, koaleszieren und schmelzen zu einer Masse zusammen, die genau
der Kontur der Form entspricht.
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Die Masse wird hierauf auf eine Temperatur abgekühlt, bei der das
polymere Material selbsttragend wird, d.h. bei der es seine zellförmige Struktur
beibehält, wenn es der Form entnommen wird.
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Die Herstellung von Gegenständen mit einer verschäumten polymeren
Struktur umfasst allgemein ein Formverfahren, das sich aus dem Vorerhitzen der Form,
dem Beschicken der Form mit expandierbaren polymeren Teilchen, dem Erhitzen der
Teilchen in der Form und dem anschließenden Abkühlen der erhaltenen verschäumten
Struktur auf eine Temperatur, bei der das Material seine verschäumte Struktur beibehält,
zusammensetzt. Bei einem typischen Formverfahren setzt sich die für dieses Verfahren
benötigte Zeit wie folgt zusammen: Vorerhitzen, etwa 16 % ; Füllen der Form, etwa
6 %; Erhitzen der polymeren teilchen, etwa 2 %; Abkühlen auf die zur Entfernung
des fertigen Gegenstandes aus der
Form geeigneten Temperatur, etwa
76 % - bezogen auf die insgesamt für das Verfahren benötigte Zeit. Die Abkühlungsdauer
des fertigen Produktes ist sehr unterschiedlich und ist von der Formgebung und der
Größe des Gegenstandes sowie von der Dichte der erhaltenen verschäumten Struktur
abhängig.
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Bei gleich geformten und gleich großen Gegenständen erfordern Formkörper
mit höherer Dichte eine längere Äbktihlungszeit als Formkörper mit niedrigerer Dichte,
ebenso ist die erforderliche Abkühlungszeit bei Gegenständen mit größerem Querschnitt
länger als bei Gegenständen mit kleinerem Querschnitt.
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Wenn die Form geöffnet wird, bevor der äußere Teil gehärtet oder bevor
der innere Teil ausreichend gekühlt wurde, tritt eine sogenannte Nachexpansion"
ein, was zu einer Deformation des geformten Gegenstandes führt. Da verschäumtes
polymeres Material ein ausgezeichneter Wärmeisolator ist, nimmt die Abkühlungsstufe
des Verfahrens bei weitem die längste Zeit in dem gesamten Formverfahren in Anspruch,
während die anderen Stufen des Formverfahrens innerhalb von Sekunden stattfinden;
für die Abkühlungsstufe sind oft mehrere Minuten erforderlich.
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Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß die Länge der Abkühlungsstufe
des Verfahrens weitgehend verkürzt werden kann, wenn die vorher teilweise expandierten
Körner erfidnungsgemäß behandelt werden, bevor sie in die Form gegeben werden.
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Diese erfindungsgemäße Behandlung umfaßt ein Vorexpandieren der Körner
auf eine vorher bestimmte Bulk-Dichte (Schüttdichte), ein Zusammendrücken der frisch
vorexpandierten Körner
und das erneute Expandieren der zerdrückten
Körner auf die gewünschte Bulk-Dichte. Bei dieser Behandlung werden expandierte
Körner erhalten, die sich leicht verformen lassen, bei denen jedoch in der Abkühlungsstufe
des Verfahrens 40 bis 60 ffi weniger Zeit als normalerweise erforderlich ist, um
den Gegenstand in selbsttragendem Zustand aus der Form entfernen zu können.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung expandierbarer
polpnerer teilchen, duroh das die für die Abkühlungsstufe des Formverfahrens erf
orderliche Zeit verkürt wird und das sich wie folgt zusammensetzt: teilweise Expansion
der polymeren Teilchen, Zerdrücken dieser Teilchen und anschließende erneute Teilexpansion
dieser Teilchen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem die Herstellung von teilweise
expandierten polymeren Teilchen, die nach dem erfidnungsgemäßen Verfahren behandelt
worden sind.
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Die vorliegende Erfindung wird im folgenden an Hand der beiliegenden
Zeichnung, die eine schematische Darstellung der zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeigneten Vorrichtung zeigt, beispielsweise näher erläutert.
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Das Sytem umfasst allgemein in Reihe miteinander verbundene Vor-Expansionsvorrichtungen
10 und 11, einen Lagerbehälter 12
und eine Form 13. Eine Leitung
15 verbindet die Vor-Expansionsvorrichtungen 10 und 11 miteinander, eine Leitung
19 verbindet die Vor-Expansionsvorrichtungen ii mit dem Lagerbehälter 12, und eine
Leitung 21 rerbindet den Lagerbehälter 12 mit der Form 15.
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Dampfaspiratoren 27 A, 27 3 führen Körner aus expandierbarem Polymerisat
aus Vorratstrichtern 23 A, 23 B durch Leitungen 25 A und 25 3 zur Vor-Expansionsvorrichtung.
Allgemein ist die Dampf-Vorexpansionsvorrichtung ein zylindrisches, mit rostfreiem
Stahl isoliertes Gefäß,das mit einer mit einem Motor angetriebenen axialen Rührvorrichtung
aus rostfreiem Stahl versehen ist Die Rührvorrichtung besteht aus einer Welle, die
sich in Radialrichtung erstreckende RUhrarme aufweist. Mit ; dem zylinder wangrecht
fest verbundene Arme stehen mit diesen Rührarmen in Eingriff. Dampf und Expandierbare
polymere Teilchen werden dem Gefäß am Boden zugeführt.
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Wenn die Teilchen aus expandierbarem Polymerisat in das Gefäß tgelangen,
dehnen sie sich aufgrund der Hitzeeinwirkung durch den Dampf aus und verdrängen
die bereits stärker expandierten Teilchen, wodurch diese nach oben getrieben und
durch Überlaufrinnen 29 A, 29 B aus der Vorexpansionsvorrichtung entfernt werden.
Die Körner verändern ihre Dichte, wenn sie sich ausdehnen oder aufgebläht werden.
Motoren 31 A, 31 B sorgen für ein Umrühren der Körner, um eine Agglomeration der
Körner wahrend des Expansionsverfharens zu verhindern.
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Erfindungsgemäß werden die teilweise expandierten polymeren
Teilchen
von der Überlaufrinne 29 A durch Zerkleinerungswalzen 37 geleitet und hierauf in
die Vor-Expansionsvorrichtung 11 geführt, wo die zerkleinerten bzw. zermahlenea
Körner erneut ausgedehnt werden.
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Die Zerkleinerungswalzen 37 können hohle Walzen mit leichtem Gewicht
sein. Walzen, die beispielsweise aus rostfreien Stahlgußrohren mit einem Durchmesser
von 30 cm und einer Länge von 60 cm hergestellt wurden, haben sich als zurfiedenstellend
erwiesen. Diese Walzen können durch einen üblichen Elektromotor, beispielsweise
einen 0,75 PS-Motor mit veränderlicher Geschwindigkeit, angetrieben werden.
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Bei einer Walzengeschwindigkeit von 110 Umdrehungen pro Minute werden
in d@r Stunde etwa 55 kg Körner einer Dichte von 0,016 - 0,032 g/ccm zerkl@@@@@@
Es sollte darauf geachtet werden, die vorexpandierten Körner nicht zu stark zu zerkleinern.
Zur Erzielung bestmöglicher Ergebnisse sollte die Bulk-Dichte der vorexpandierten
Körner während der Zerkleinerungsstufe um nicht mehr als das Zweieinhalbfache erhöht
werden. Soll beispielsweise ein Material einer Dichte von 0,016 g/ccm verformt werden,
so sollten die frischen Körner zweckmäßigerweise in der Expansionsvorrichtung 10
auf eine Dichte von 0,016 g/com ausgedehnt und dann auf eine Dichte von 0,032 bis
6,040 g/ccm zusammengedrückt werden, worauf das Material erneut auf eine Dichte
von 0,016 g/ccm ausgedehnt wird. Die
Bulk-Dichte der Teilchen kann
leicht festgestellt werden, indem 625 com der Teilchen gewogen werden. Jeweils 10
g der Teilchen stellen dann eine Bulk-Dichte von 0,016 g/ccm dar. Wenn beispielsweise
625 ccm der Teilchen 12,5 g wiegen, beträgt die Bulk-Dichte, 0,020 g/ccm.
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Da sich die Körner in der Vor-Expansionsvorrichtung 11 rasch ausdehnen,
wird durch eine Leitung 35 zusammen mit dem Dampf Luft zugeführt, um die den Körnern
zugeführte Wärmemenge zu reduzieren und die Verweilzeit der Körner in der Vor-Expansionsvorrichtung
zu verkürzen. Die aus der Vor-Expansionsvorrichtung 11 durch die Überlaufrinne 29
B auetretenden Produkte werden durch die Leitung 19 zu dem Bagerbehälter 12 geleitet,
wo die Teilchen vorzugsweise gealtert werden0 Die Alterung in dem Lagerbehälter
dauert 6 bis iO Stunden; während dieser Zeit werden die Teilchen offensichtatmosphäris
cher lich mit/Luft gefüllt. Durch diese Alterung wird ein Schrumpfen der verschäumten
Struktur in der Form verhindert.
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Die Teilchen werden hierauf in eine Form T3 der gewünschten Gestalt
gegeben. Diese Form 13 kann eine übliche Form, wie sie beispielsweise in dem 1953
in den USA veröffentlichten "Dylite"-Booklet, Seite 38 beschrieben ist, sein. Durch
in die Form eingespritzten Dampf werden die Teilchen expandiert, miteinander verschmolzen
und zur Bildung einer der Gestalt der Porm entsprechenden Struktur koåleeziert.
Die Struktur wird hieraui auf eine Temperatur abgekühlt, die ausreicht,
um
die verschäumte Struktur aufrechtzuerhalten. Hierauf wird der Gegenstand aus der
Form entfernt.
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Die zum Formen der zerkleinerten und wieder expandierten Körner erforderliche
Fusionszeit entspricht der Zeit, die für normales nicht zerkleinertes Material erforderlich
ist.
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Das ergebnis der erfindungsgemäßen Behandlung der Körner ist Jedoch
eine Verminderung der Abkühlungsdauer um normalerweise 50 % gegenüber den üblichen
Verfahren.
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Zur weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfindung wurde eine Form
zur Herstellung eines Blookes aus verschäumtem polymeren Material einer Größe von
30 x 30 x 5 cm 35 Sekunden vorerhitzt, hierauf mit vorexpandiertem expandierbarem
Polystyrol (das unter dem Handelsnamen "Dylite" verkauft wird) beschickt und mit
Dampf in üblicher Weise erhitzte Die zur Beschickung der Form mit expandierbarem
Polystyrol erforderliche Zeit betrug 15 Sekunden, und das Erhitzen der Porm durch
Anwendung von Dampf nahm 6 - 8 Sekunden in Anspruch. Die Gegenstände wurden abgekühlt,
biß das Material entnommen werden konnte, ohne daß ein Zusammenfallen oder eine
Nachexpansion des Schaumstoffgegenstandes eintrat. die erforderlichen Abkühlungszeiten
fr Teilchen aus expandierbarem Polystyrol, die auf übliche Weise vorexpandiert und
hierauf in eine übliche Form geweben wurden und für Teilchen aus expandierbarem
Polystyrol, die ertindungsgemäß behandelt wurd, sind ia der nachfolgenden Tabelle
aufgeführt:
Beispiel Vorexpandier- Zusammenge- Reexpandier- Abkühlungste
Dichte drückte Dich- te Dichte zeit in g/ccm te g/com g/ccm Minuten 1 0,032 keine
keine 6 2 0,016 0,032 keine 2 3 0, 016 keine keine 4 4 0,0'16 0,040 0,016 2 Der
Gegensatz ergibt sich außerdem aus den nachfolgenden Beispielen mit Würfeln einer
Seitenlänge von ##,## ##.3,6 m.
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5 0,016 keine keine 17 6 0,016 0,036 0,016 7 7 0,016 keine keine
14 Vorstehend wurde ein neues Verfahren zur Herstellung von Gegenständen mit einer
verschäumten polymeren Struktur beschrieben. Erfindungsgemäß kann die Produktion
üblicher Formkörper erhöht werden, indem die erforderliche Abkühlunszseit herabgesetzt
wird.