DE1504573B2

DE1504573B2 - Verfahren zur herstellung eines schaumstoff-formkoerpers aus verschaeumbarem, thermoplastischem, synthetischem harz durch extrudieren und extrudiervorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE1504573B2
Application number: DE19641504573
Authority: DE
Inventors: Samuel Penhow; Gilbert John Harold Chepstow; Baxter (Großbritannien)
Original assignee: Monsanto Chemicals Ltd
Current assignee: Monsanto Chemicals Ltd
Priority date: 1963-06-24
Filing date: 1964-06-19
Publication date: 1973-05-10
Also published as: DE1504573A1; DE1504573C3; US3406230A; GB1034120A

Description

Die Abmessungen des Schlitzes werden durch die formgebende Innenfläche und den Querschnittbestimmt, welcher sich aus der Höhe und Breite ergibt, wobei die Breite die größere dieser beiden linearen Dimensionen ist. Im allgemeinen ist die Höhe des Schlitzes geringer als der Durchmesser der Kanäle, die hinter dem Schlitz gelegen sind; beispielsweise ist der Durchmesser der Kanäle oft das 1,3- bis lOfache, insbesondere das 2- bis 5fache, der Höhe des Schlitzes. Obgleich ein gerader Schlitz oftmals verwendet wird, so daß das Harz ίο in Form einer Platte extrudiert wird, ist dies notwendigerweise nicht erforderlich, und es kann ein gebogener Schlitz verwendet werden, wobei der gebogene Teil bzw. Abschnitt des so hergestellten geschäumten Harzes für solche Zwecke, wie Deckenwölbungen oder Rohrisolierungen brauchbar ist. Vorzugsweise ist mehr als ein Schlitz in der Strangpreßform, beispielsweise ist eine Anzahl parallel zueinander oder in der Form eines Geflechts angeordnet, wobei jeder Schlitz seine ihm zugehörige Reihe von Kanälen hat. Ein Geflecht von Schlitzen kann beispielsweise in der Form eines rechteckigen oder dreieckigen Gitters sein, beispielsweise einer Reihe von Quadraten oder ein sechszackiger Stern in einem Hexagon. Ein Netzwerk von Schlitzen kann angeordnet werden, um ein hohles Produkt herzustellen. Die Breite des Schlitzes kann so groß wie gewünscht sein, beispielsweise 0,635 bis 152,4 cm oder sogar mehr, je nach den gewünschten Dimensionen des endextrudierten geschäumten Harzes. Die Höhe des Schlitzes steht ebenso in gewissem Verhältnis zu der Dicke bzw. Stärke des extrudierten Harzes, wird aber ebenso in gewissem Ausmaß durch die maximale praktische Extrudierungsgeschwindigkeit vorgeschrieben. Im allgemeinen wurde eine Schlitzhöhe von 0,025 bis 0,635 cm, beispielsweise 0,05 bis 0,25 cm, und insbesondere von etwa 0,0635 cm, als geeignet befunden. Die formgebende Innenfläche des Schlitzes kann beispielsweise 0,127 bis 5,08 cm, insbesondere 0,25 bis 1,27 cm, groß sein.

Vorzugsweise sind die Kanäle und der Schlitz so angelegt, daß die Verweilzeit des Harzes im Schlitz verhältnismäßig kurz im Vergleich zu derjenigen in den Kanälen ist. Solche Bedingungen können beispielsweise durch geeignete Auswahl der Länge der formgebenden Innenflächen der Kanäle und des Schlitzes erreicht werden. Oftmals ist die formgebende Innenfläche der Kanäle zwischen dem 2- und 20fachen der formgebenden Innenfläche des Schlitzes, und wenn beispielsweise Polystyrol extrudiert werden soll, können beispielsweise die formgebenden Innenflächen der Kanäle das 4- bis 15fache der formgebenden Innenfläche des Schlitzes sein. Wenn Polyäthylen extrudiert werden soll, kann beispielsweise die formgebende Fläche der Kanäle das 2- bis 6fache der formgebenden Innenfläche des Schlitzes betragen. Bei anderen Harzen kann das Verhältnis größer oder kleiner als diese Werte sein, was davon abhängt, ob das viskoelastische Verhalten des Harzes niedrig oder hoch ist.

Das Verfahren ist zur Herstellung eines geschäumten Harzes in Form einer Platte besonders brauchbar, deren Abmessungen natürlich von denen der Strangpreßform und dem Ausmaß des Schäumens abhängt, welches erfolgt, wenn das Harz die Strangpreßform verläßt. Im allgemeinen findet eine größere Expansion über die Höhe des Schlitzes als in Richtung seiner Breite statt, und beispielsweise kann eine Platte mit einer Stärke von 2,5 oder 5,1 cm aus einem engen Schlitz hergestellt werden.

Das Harz ist vorzugsweise ein Polymerisat oder Mischpolymerisat eines Vinyl- oder Vinylidenmonomeren, beispielsweise eines Kohlenwasserstoffmonomeren, wie beispielsweise Äthylen, Propylen, Butadien, Styrol, Vinyltoluol oder «-Methylstyrol oder ein substituiertes Monomeres, wie beispielsweise Acrylnitril, Vinylchlorid, Vinylacetat, Methylacrylat, Methylmethacrylat oder Äthylacrylat. Ausgezeichnete Ergebnisse wurden bei Verwendung von entweder Polyäthylen oder Polystyrol erhalten, und diese sind die bevorzugten Harze. Zähgemachtes Polystyrol kann ebenso verwendet werden.

Das bei dem Verfahren verwendete Harz ist natürlich schäumbar und d. h., daß es mit einem Treibmittel vermischt ist, welches vorzugsweise eine im technischen Normalzustand gasförmige Substanz ist, aber auch eine flüchtige Flüssigkeit sein kann. In manchen Fällen ist das Treibmittel ein solches, welches gasförmig ist, aber solange es unter Druck vor dem Extrudieren steht, in flüssigem Zustand vorliegt. Beispiele für verwendbare flüchtige Substanzen sind niedrigmolekulare aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie Äthan, Propan, Butan oder Pentan; niedrigmolekulare Alkylhalogenide, wie Methylchlorid, Trichlormethan oder 1,2-Dichlortetrafluoräthan und anorganische Gase, wie Kohlendioxyd oder Stickstoff. Die niedrigmolekularen aliphatischen Kohlenwasserstoffe, insbesondere Butan, werden vorgezogen. Das Treibmittel kann auch ein chemisches Treibmittel sein, beispielsweise ein Hydrogencarbonat, wie Natriumhydrogencarbonat oder Ammoniumhydrogencarbonat, oder eine organische Stickstoffverbindung, die Stickstoff bei Erhitzen abgibt, wie beispielsweise Dinitrosopentamethylendiamin oder Bariumazodicarboxylat. 3 bis 30%, insbesondere 7 bis 20 °/o, bezogen auf das Gewicht des Harzes, ist oft ein geeigneter Treibmittelgehalt; beispielsweise hat die Verwendung von 7 bis 15 Gewichtsprozent Butan, zusammen mit Polystyrol, ausgezeichnete Ergebnisse erbracht.

Beispiele für Extrudierstrangpreßformen der Erfindung sind (nicht im Größenverhältnis) in den Zeichnungen dargestellt, in welchen

F i g. 1 eine Vorderansicht einer Strangpreßform ist,

F i g. 2 ein Schnitt entlang der Linie II-II in F i g. 1 ist,

F i g. 3 eine Vorderansicht einer zweiten Strangpreßform ist,

F i g. 4 ein Schnitt entlang der Linie IV-IV in der F i g. 3 ist,

F i g. 5 eine Vorderansicht einer dritten Strangpreßform ist und

F i g. 6 ein Schnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5 ist.

Die in den F i g. 1 und 2 aufgezeigte Strangpreßformdüse besteht aus einem Flußstahlblock, welcher in sich hineinreichend von einer Seite eine Reihe von 16 zylindrischen Kanälen in gleichen Abständen von 0,635 cm nebeneinander hat, wobei jeder Kanal 2,10 cm lang und 0,1016 cm im Durchmesser ist. Die Kanäle 2 sind mit einem Schlitz 3 von 0,0381 cm Höhe, 10,16 cm Breite und einer formgebenden Innenfläche von 0,3175 cm und mit der gegenüberliegenden Seite des Blocks verbunden. Die Strangpreßformdüse ist (nicht gezeigt) zur Befestigung derselben an dem Vorderende einer Strangpresse vorgesehen, so daß, wenn die Strangpreßformdüse in Betrieb ist, ein schäumbares Harz, wie beispielsweise schäumbares Polystyrol, in die Kanäle in der Richtung des Pfeils und von hier in den Schlitz ge-

bracht wird. In der in den F i g. 3 und 4 gezeigten Strangpreßformdüse sind drei parallele Schlitze 4, 5 und 6, wobei jeder Schlitz demjenigen ähnlich ist, wie er in den F i g. 1 und 2 aufgezeigt ist, und jeder seine ihm zugeordnete Reihe von Kanälen 7 in einer versetzten Anordnung, wie gezeigt, hat. Die Schlitze haben einen Abstand von 0,635 cm voneinander.

Die F i g. 5 und 6 zeigen eine Strangpreßformdüse, die ein rechtwinkliges Netzwerk von in Verbindung miteinander stehenden Schlitzen hat, beispielsweise die als 8, 9, 10 und 11 gekennzeichnet sind. Die Schlitze haben insgesamt 0,0381 cm Höhe und eine formgebende Innenfläche von 0,3175 cm. Die drei horizontalen Schlitze 8, 9 und 10 sind jeder 10,16 cm lang und haben Abstände von 0,635 cm voneinander, und 17 vertikale Schlitze von 1,27 cm Breite sind mit Abständen von 0,635 cm voneinander längs der Länge der horizontalen Schlitze angebracht. Jeder Schlitz ist mit einer ihm zugehörenden Reihe von Kanälen 12 mit Abständen von 1,27 cm voneinander und einem Durchmesser von 0,1016 cm und einer formgebenden Innenfläche von 2,10 cm verbunden, wobei die horizontalen Schlitze sechzehn Kanäle und die vertikalen deren zwei haben.

Das Verfahren ist in besonderer Weise für die Herstellung geschäumter Harze anwendbar, wie Polystyrol, welche eine Dichte von 0,008 bis 0,16 g/cm³ und insbesondere 0,016 bis 0,08 g/cm haben.

Die Extrudiertemperatur (d. h. die Temperatur der Strangpreßformdüse und des Harzes in derselben) hängt in gewissem Ausmaß von dem Erweichungspunkt des Harzes ab, aber im allgemeinen sind Temperaturen zwischen 95 und 18O⁰C, vorzugsweise zwischen 100 und 160⁰C, geeignet. Beispielsweise kann, wenn ein schäumbares Polystyrol extrudiert werden soll, eine Temperatur im Bereich von 130 bis 160⁰C verwendet werden, während für Polyäthylen etwas niedrigere Temperaturen, beispielsweise 100 bis 120° C, oftmals sehr geeignet sind.

Der Druck innerhalb der Strangpreßformdüse ist ausreichend, um das Harz daran zu hindern, vor dem Verlassen des Schlitzes zu schäumen und wo die flüchtige Substanz kondensierbar ist, ist der Druck vorzugsweise größer als der gesättigte Dampfdruck der flüchtigen Substanz bei der Extrudierungstemperatur. Drücke, beispielsweise größer als 17,6 at, besonders zwischen 17,6 und 35,2 at, können verwendet werden. Vorzugsweise liegt der Druck zwischen 21,1 und 70,3 at.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

B e i s ρ i e 1 1

Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung von geschäumtem Polystyrol.

Schäumbares Polystyrol in Tablettenform, welches 7 Gewichtsprozent Butan enthält, wurde mit einem Druck von 35,2 at und bei einer Temperatur von 150⁰C durch die beschriebene und in den F i g. 5 und 6 erläuterte Strangpreßformdüse mit einer Fließgeschwindigkeit von 13,6 kg/Std. extrudiert, wobei das extrudierte Polystyrol zwischen einem Walzenpaar, das 1,9 cm Abstand voneinander hatte, durchgeleitet wurde.

Auf diese Weise wurde eine Platte von geschäumtem Polystyrol von 15,24 cm Breite, 1,9 cm Stärke und einer Dichte von 0,024 g/cm hergestellt. Die Platte hatte gute Festigkeit sowohl in den Quer- wie Längsrichtungen, und obgleich die Wirkung der Kanäle in der Platte wahrnehmbar war, waren die Oberflächen zufriedenstellend glatt bzw. eben.

Für Vergleichszwecke wurde ein ähnlich schäumbares Polystyrolgemisch durch eine strangpreßformdüse extrudiert, die eine Anzahl von Kanälen ohne irgendeinen Schlitz hatte; es wurden Versuche unternommen, die so erhaltenen, geschäumten Stränge durch Durchleiten derselben zwischen Walzen oder durch Durchleiten derselben durch einen Verformungskasten mit verringertem Ausmaß zu verdichten bzw. zu vereinigen. Die Ergebnisse waren in jedem Fall völlig unbefriedigend wegen der Schwächelinien, weiche entlang der Verbindungsnaht zwischen den gepreßten Strängen bestanden. Versuche, geschäumtes Polystyrol durch Schlitzdüsen (ohne irgendwelche Kanäle in Verbindung mit denselben) zu extrudieren, führten ebenso zu einem nichtbefriedigenden Produkt, wobei die Platte stark faltig und verzogen war.

Beispiel 2

Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung von geschäumtem Polyäthylen.

Schäumbares Polyäthylen, welches 15 Gewichtsprozent Butan und 3% feinverteiltes Siliciumdioxyd (um als kernbildendes Mittel zu wirken) enthielt, wurde mit einem Druck von 28,1 at und bei einer Temperatur von 110⁰C durch eine ähnliche Strangpreßform, wie beschrieben, extrudiert, die in den F i g. 5 und 6 erläutert ist, aber drei horizontale und drei vertikale Schlitze in gleichen Abständen hatte, wobei jeder Schlitz eine Breite von 1,016 cm, eine Höhe von 0,0635 cm und eine formgebende Innenfläche von 0,3175 cm hatte, und wobei jeder Schlitz mit zwei Kanälen verbunden war, die einen Durchmesser von 0,279 cm und eine formgebende Innenfläche von 1,27 cm hatten. Die Fließgeschwindigkeit betrug 4,54 kg Harz pro Stunde.

Auf diese Weise wurde ein hohles, geschäumtes Polyäthylen-Teilstück hergestellt, das in der Form dem Querschnitt des Schlitzes ähnlich war, aber äußere Abmessungen von etwa 2,54 cm² und eine Dichte von 0,048 g/cm³ hatte. Es war federnd, aber von guter Festigkeit sowohl in Quer- wie in Längsrichtung, und es war schwierig, die Wirkung der Kanäle bei dem geschäumten Produkt festzustellen.

Vergleichsversuche, die dem im Beispiel 1 beschriebenen ähnlich waren, ergaben wegen der in jenem Beispiel ausgeführten Gründen kein brauchbares Produkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2

stoff zunächst ohne Verschäumen durch mehrere gePatentansprüche : trennte Kanäle in Richtung der Auslaßöffnung geführt

wird und nach dem Verlassen der Kanäle beim Aus-I.Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoff- füllen eines konischen gemeinsamen Raumes ver-Formkörpers aus verschäumbarem, thermoplasti- 5 schäumt wird. Hier wird gleichzeitig mit dem Ausschem, synthetischem Harz durch Extrudieren, wo- füllen des den einzelnen Kanälen nachgeordneten bei der Harzstrom unter einem die Verschäumung Raumes verschäumt.

verhindernden Druck zunächst in mehreren von- Aus der französischen Patentschrift 1 314 365 ist

einander getrennten Einzelströmen in Richtung auf ein Extrudierverfahren bekannt, bei dem bereits beim eine Auslaßöffnung geführt wird, dadurch io Durchgang durch die getrennten Kanäle bzw. noch gekennzeichnet, daß die einzelnen Harz- vor dem Verlassen dieser Kanäle mit dem Verschäumen ströme vor dem Verschäumen zu einem gemein- begonnen wird. Sollen die bereits schäumenden Stränge samen Harzstrom vereinigt werden und dieser ohne gut haften, so ist ein sehr hoher Druck erforderlich, der Verschäumung bis zur Auslaßöffnung geführt wird. Schwierigkeiten innerhalb des dort beschriebenen

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 15 Formkastens mit sich bringt.

zeichnet, daß die Durchlaufzeit des vereinigten Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist Harzstromes kurzer als die der einzelnen Harz- somit ein Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffströme ist. Formkörpers, bei dem eine hervorragende Verbindung

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch der einzelnen Stränge erreicht wird,
gekennzeichnet, daß als Harz Polystyrol oder 20 Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß die Polyäthylen verwendet wird. einzelnen Harzströme vor dem Verschäumen zu einem

4. Extrudiervorrichtung zur Durchführung des gemeinsamen Harzstrom vereinigt werden und dieser Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, ohne Verschäumung bis zur Auslaßöffnung geführt dadurch gekennzeichnet, daß an der Harzeintritts- wird.

seite eine Mehrzahl von Kanälen (2, 7, 12) vorge- 25 Nach einer bevorzugten Ausführungsform des ersehen ist, die am Auslaßende in einen mit der Aus- findungsgemäßen Verfahrens ist die Durchlaufzeit des laßöffnung in Verbindung stehenden gemeinsamen vereinigten Harzstromes kürzer als die der einzelnen Schlitz (3, 4, 8, 9, 10, 11) übergehen. Harzströme.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Harz kennzeichnet, daß die Kanäle (2, 7, 12) im wesent- 30 zweckmäßigerweise Polystyrol oder Polyäthylen verliehen runden Querschnitt aufweisen und symme- wendet.

trisch am Schlitz (3, 4, 8, 9,10,11) angeordnet sind. Dem Stand der Technik gegenüber wird beim Ver-

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder fahren nach der Erfindung erst nach dem Verlassen der 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser getrennten Kanäle und nach dem Ausfüllen eines der Kanäle (2, 7, 12) das 2- bis 5fache der Schlitz- 35 schlitzförmigen gemeinsamen Raumes mit dem noch höhe beträgt. nicht verschäumten Kunststoff mit dem Verschäumen

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, begonnen. Auf diese Weise wird eine hervorragende dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schlitze (8, Verbindung der durch Extrusion durch die Kanäle der 9,10,11) in Form eines Netzwerks angeordnet sind Strangpreßform erhaltenen Stränge erzielt, wie sie sonst und jedem Schlitz eine Reihe von Kanälen (12) züge- 40 nicht erreicht werden kann.

ordnet ist. Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Extrudier-

vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die

Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß an der Harzeintrittsseite eine Mehrzahl von Kanälen vorge-

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur 45 sehen ist, die am Auslaßende in einen mit der Auslaß-Herstellung eines Schaumstoff-Formkörpers aus ver- öffnung in Verbindung stehenden gemeinsamen Schlitz schäumbarem, thermoplastischem, synthetischem Harz übergehen.

durch Extrudieren, wobei der Harzstrom unter einem Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist Kanäle auf,

die Verschäumung verhindernden Druck zunächst in die vorzugsweise im wesentlichen runden Querschnitt

mehreren voneinander getrennten Einzelströmen in 50 aufweisen und symmetrisch am Schlitz angeordnet sind.

Richtung auf eine Auslaßöffnung geführt wird. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträgt der

Geschäumte Harze sind begehrte Industrieprodukte, Durchmesser der Kanäle vorzugsweise das 2- bis

weil sie ausgezeichnete wärmeisolierende Eigenschaften 5fache der Schlitzhöhe. . ........

aufweisen. Sie werden oft durch Formpressen herge- Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind ferner

stellt, doch ist auch bekannt, geschäumte Harze nach 55 vorteilhafterweise mehrere Schlitze in Form eines Netz-

einem Extrudierverfahren herzustellen, bei welchem Werkes angeordnet und jedem Schlitz ist eine Reihe

mit einem Gas oder Dampf gemischtes Harz unter von Kanälen zugeordnet.

Druck durch beispielsweise eine runde Form gezwun- Die Erfindung wird im folgenden näher erläutert:

gen wird, so daß die Expansion des Gases oder Damp- Wenn auch in der Strangpreßform die Form der

fes die Schaumbildung des Harzes verursacht. Derartige 60 Kanäle üblicherweise derart ist, daß sie der Richtung

Verfahren sind jedoch nicht für alle Zwecke geeignet, des Harzflusses angepaßt ist und die formgebende

und es ist beispielsweise schwierig, durch Extrudieren Innenfläche der Kanäle ist, so müssen jedoch die

geschäumte Polystyrolplatten herzustellen, weil die Kanäle nicht notwendigerweise im Querschnitt rund

extrudierte Platte eine faltige bzw. unebene Oberfläche sein, sondern sie können beispielsweise irgendeine

hat und dazu neigt, sich zu verziehen. 65 Form aufweisen, die im wesentlichen rund ist, und es

So ist aus der USA.-Patentschrift 2 766 479 die Her- ist durchaus möglich, daß sie beispielsweise einen hexa-

stellung eines Schaumkörpers aus thermoplastischem gonalen oder vielleicht sogar rechteckigen bzw. qua-

Kunststoff durch Extrusion bekannt, bei der der Kunst- dratischen Querschnitt aufweisen.