DE1704554A1

DE1704554A1 - Verfahren zum Herstellen von Gegenstaenden aus aufgeschaeumten,thermoplastischem Kunststoff

Info

Publication number: DE1704554A1
Application number: DE19671704554
Authority: DE
Inventors: Turner Howard M
Original assignee: Continental Can Co Inc
Current assignee: Continental Can Co Inc
Priority date: 1966-11-29
Filing date: 1967-11-09
Publication date: 1971-05-19
Also published as: FR1558388A; BE706398A; US3466353A; GB1144106A; NL6713711A

Description

PATENTANWÄLTE DIPU-INQ. FRITZ THIELEKE DR.-INQ. RUDOLF DDRINQ DR. JOACHIM FRICKE BRAUNSCHWEIG - MÜNCHEN ^;

CONTINENTAL CAN COMPANY, INC., 633 Third Avenue, New York 36, N.Y. /USA

"Verfahren zum Herstellen von Gegenständen aus aufgeschäumtem, thermoplastischem Kunststoff"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gegenständen aus aufgeschäumtem, thermoplastischem Kunststoff.

Thermoplastische Polymere, wie beispielsweise Polystyren, bilden eine wichtige Klasse von Werkstoffen, die in zunehmendem Maße bei der Fabrikation zahlreicher Industrie- und Verbrauchsgegenstände angewendet werden. Aus solchen Werkstoffen werden beispielsweise Getränkebehälter, isolierte Lagerbehälter, Verschiffungsmaterial, neue Formen oder dergl. hergestellt.

Es ist bekannt, aus thermoplastischem Kunststoff, wie beispielsweise Polystyren, zellenähnliche Gegenstände vorzubereiten, die die Gestalt von Kugeln aufweisen, in denen ein Treibmittel zum Ausdehnen oder Aufblähen eingeschlossen ist. Kügelchen dieser Art sind bekannt und im Handel erhältlich. Naoh der Anwendung von Hitze dehnen eich die so vorbereiteten Kügelchen auf das Vielfache ihres Originalvolumene aus und bilden auf diese Weiee Gegenstände mit zellenartiger Struktur.

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Obwohl das Einschließen eines Treibmittels in thermoplastischem Kunststoff eine weit verbreitete Maßnahme ist, sind dennoch mit diesem Vorgehen gewisse Schwierigkeiten verbunden, die sich insbesondere bei der Verwendung empfindlicher Treibmittel oder bei der Anwendung von Treibmitteln, die bei niedrigen Temperaturen wirksam werden, zeigen. Außerdem muß aber auch eine sehr sorgfältige Steuerung ausgeübt werden, um derartige Treibmittel in den Kunststoff einzuschließen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile und Schwierigkeiten beim Herstellen von Gegenständen aus aufgeschäumten, thermoplastischen Kunststoffen zu vermeiden.

Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich das einleitend erwähnte Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß zunächst aus nicht ausgedehnten Kunststoffteilchen, aus getrennten, ein Treibmittel enthaltenden, aufreißbaren Kapseln mit äußeren, aufreißbaren Hüllen aus einem filmbildenden Material sowie aus einem Kristallisationskeime oder -kerne bildenden Mittel eine homogene Mischung gebildet wird und daß danach die so gebildete Mischung bei erhöhten Temperaturen extrudiert und zugleich aufgeschäumt wird.

Jeder thermoplastische Y/erkstoif, der durch Hitzeeinwirkung ausgedehnt oder aufgeschäumt werden kann, kann nunmehr mit großem Vorteil nach dem erfindungBgemäßen Verfahren zur Bildung von Gegenständen aus aufgeschäumtem Kunststoff ver-

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wendet werden. Es können beispielsweise folgende Kunststoffe verwendet werden: thermoplastische Kunststoffe, wie beispielsweise Homopolymere und Copolymere des Vinylchlorids, Homopolymer e vinylische aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen sowie deren halogenische Ringderivate, wie etwa Styrene, o-Chlorostyrene, p-Chlorostyrene, p-Aethylstyren, Vinylnaphthalen, Alpha-Methylstyren sowie Copolymere derartiger vinylischer, aromatischer Kohlenwasserstoffe mit anderen vinylischen Monomeren, in denen der copolymere Anteil wenigstens 70 Prozent vinylische aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen aufweist, polymere und copolymere Methylmetacrylate, wie beispielsweise deren Homopolymere und Copolymere mit vinylischen Chloriden; verschiedene thermoplastische, ausdehnbare natürliche und synthetische Gummiverbindungen; thermoplastische, ausdehnbare Ester und andere Derivate der Cellulose einschließlich Celluloseacetat, Cellulosepropionat, Celluloseacetat, Cellulosebutyrat, Aethylcellulose, Cellulosenitrat und dergl.; Homopolymere und Copolymere monomerischer Verbindungen, die die

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₂ enthalten, wie beispielsweise Olefine, Aethylen, Propylen, Copolymere des Aethylen und Propylen, Isobutylen, chlorinierte Polyolefine, wie beispielsweise chloriniertes PoIyaethylen; Vinylhaloide, wie Vinylchlorid; Vinyllidenchloride; Vinylester der Carboxylsäuren, wie Vinylacetat, Vinylbutyrat, Vinylstearat, Vinylbenzoat; Vinylester, wie Vinylmethyläther, Vinylaethyläther, Vinylisobutyläther, ungesättigte carboxylische Säuren und deren Derivate, wie acryliache Säuren, metacrylieche Säuren, Methylacrylat, Aethylacrylat, Methylmetacrylat, Acrylamid, Acryloiiitril und Interpolymers der vorgenannten vinylischer

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Monomere mit ungesättigten alpha-, beta-ungesättigten polycarboxylischen Säuren und deren Derivaten, wie Maleinsäureanhydrit, Diaethylmaleat, Dibutylfumerat, Dialylmaleat, Dipropylmaleat usw. Es ist möglich und manchmal auch erwünscht, ein Gemisch von zwei oder mehr thermoplastischen Kunststoffen, wie beispielsweise ein Gemisch aus Styren und Gummipolymeren, wie Naturgummi, Butadienacrylonitrylgummi und dergl.,zu verwenden. Hoch beaufschlagbares Polystyren, das durch Polymerisierung monomerisehen Styrenes in Anwesenheit eines gummiartigen Dienpolymers hergestellt wird, kann ebenfalls mit großem Vorteil verwendet werden.

Die aufreißbaren Kapseln, die das Treibmittel enthalten, können in irgendeiner geeigneten Weise erzeugt werden. Ein bevorzugtes Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bildung solcher für das vorliegende Verfahren verwendbare Kapseln ist im US-Patent 3.015.128 beschrieben und erläutert. Die Vorrichtung weist eine drehbare Düse mit einer Kammer und einem in die Kammer eingesetzten Kapselbildungseinsatz auf. Der Kapselbildungseinsatz weist in seiner Außenwand eine zur Kapselbildung dienende öffnung auf. Eine Lösung eines filmbildenden poLymeren Werkstoffes wird der zur Kapselbildung dienenden Öffnung zur Bildung ständiger die öffnung überspannender Filme durch mehrere unterschiedliche Kanäle in der Düse zugeführt, die einen kreisringförmigen, nach außen konvergierenden Schlitz aufweist, der durch korrespondierende, im Abstand angeordnete konische Oberflächen teleskopartiger Teile des Kapselbildungseinsatzes definiert wird. Das in der Kapsel einzuschließende Treibmittel

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wird gegen die Innenoberflache des polymeren filmes durch eine Leitung zugeführt, die mittig zum kreisringförmigen Schlitz angeordnet ist. Es sind Einrichtungen vorgesehen, um die Düse mit derart großer Geschwindigkeit in Rotation zu versetzen, daß hinreichend große Zentrifugalkräfte erzeugt werden, um den polymeren Film um das Treibmittel in seinem Inneren herum zu legen und zu schließen sowie die unter Zentrifugalkrafteinwirkung geformten nassen Kapseln von der rotierenden Düse zu trennen und sie in ein Bad oder ein Jj

anderes Behandlungsmedium zur Aushärtung zu führen. Nach dem Aushärten werden die Kapseln einer Trocknungsbehandlung unterzogen, um Reste des polymeren Lösungsmittels, die in der Hülle der Kapsel verblieben sind, zu verdampfen und zu entfernen.

Die äußere aufreißbare Hülse der Kapseln, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, sind vorzugsweise aus einem farblosen filmbildenden Werkstoff organischer Herkunft gebildet, welcher in der Lage ist, inneraktive Bindekräfte zu erzeugen, durch die beispielsweise die Bildung eines Netzwerkes in der Form eines kontinuierlichen trockenen Filmes oder einer Hülse möglich ist. Das filmbildende Material muß gegenüber dem verwendeten Treibmittel im wesentlichen inert sein, und während der Bildung der HUlIe darf es einen übermäßigen Duohtritt des Treibmittels duroh die Hülle nicht zulassen.

Die Hüllen der Kapseln bleiben unbeschädigt und umschließen das Treibmittel. Bei den Temperaturen und Drüoken, die während

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des Extrudierens des thermoplastischen Kunststoffes herrschen bzw. angewendet werden, brechen die Schalen und lassen auf diese Weise das Treibmittel frei, das danach innig mit dem thermoplastischen Kunststoff, mit welchem es in Berührung tritt, vermischt wird und dadurch zugleich das Aufschäumen des Polymers verursacht, sobald der Kunststoff aus dem Extruder austritt.

Geeignete organische filmbildende Werkstoffe, aus denen die Kapselhülsen gebildet werden können, sind beispielsweise Cellulosederivate, wie Celluloseacetat, Celluloseacetatbutyrat, thermoplastische Kunststoffe, wie Polyvinylharze, Polyvinylalkohol (Wasser oder organisch lösliches Lösungsmittel), Polyvinylchlorid, Copolymere des Vinylchlorids, Vinylacetat, PoIyvinylbutyrat, Polystyren, acrylische Harze, wie Polymetaacrylat, Polyalyl, Polyaethylen und Polyamid-Harze. Natürliche filmbildende Werkstoffe, aus denen ebenfalls zur Durchführung des neuen Verfahrens geeignete Kapseln gebildet werden können, sind beispielsweise Proteine, wie Gelatine,Eaeproteine, Alginate, Caseine sowie Derivate derselben.

Die günstigste optimale Größe der Kapseln hängt etwas von ihrer Anwendung ab. Für viele Anwendungszwecke können die Kapseln einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 500 bis 2500 Mikron aufweisen, wobei die bevorzugte Durchmessergröße im Bereich von 800 bis lOOOMikron liegt. Es können aber auch Kapseln grö3erer Abmessungen bis hinauf zu einem Durohmesser von ungefähr 3,175 mm verwendet werden. Häufig beträgt ihr Durohmesser

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etwa das 15- bis 25fache der Dicke der plastischen Haut, die den hohlen Innenraum umgibt, jedoch hängen diese Abmessungen von der Konzentration des filmbildenden Werkstoffes und dem eingeschlossenen Treibmittel ab.

Der Gewichtsanteil des Treibmittels beträgt im wesentlichen etwa 60 bis 75 Prozent des Gesamtgewichtes der Kapseln. Das Treibmittel, das in den zur Ausführung des neuen Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung geeigneten Kapseln eingeschlossen ist, kann irgendeine organische Verbindung sein, die gegenüber den Wandungen der Kapsel inert ist, unterhalb des Erwächungs- oder Schmelzpunktes des thermoplastischen Polymers siedet und das während der Extrudierung in den thermoplastischen Werkstoff im wesentlichen homogen eingebaut werden kann.

Geeignete Treibmittel werden beispielsweise von aliphatischen Kohlenwasserstoffen gebildet, die in einem Bereich von etwa 20 bis 100⁰C sieden. Solche Kohlenwasserstoffe weisen 4 bis Kohlenstoffatome auf. Es handelt sich dabei beispielsweise um Butan, Pentan, Hexan, Heptan, Octan und Mischungen derselben mit leicht flüchtigen Lösungsmitteln.

Die Kapseln, die das Treibmittel enthalten, werden der zum Extrudieren vorbereiteten Mischung in Mengen von etwa 0,1 bis 10 Prozent des Gesamtgewichtes des Polystyrenharzes zugemischt. Besonders vorteilhafte Ergebnisse werden erreicht, wenn der

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Anteil der Kapseln etwa 0,6 bis 6 Gewichte-Prozent beträgt.

Zu den Kern- oder Kristallisationskeim bildenden Mitteln, die zur Durchführung des neuen Verfahrens' verwendet werden können, gehören beispielsweise Bicarbonate, Carbonate, Zitrate, Oxalate, Formate und Benzoate sowie Natriumbicarbonat, Ammoniumcarbonat, Ammoniumbicarbonat, Calciumoxalat, Magnesiumoxalat, Ammoniumoxalat, Natriumformat, Ammoniumbenzoat, Natriumsulfid, Trinatriumphosphat, saures Natrium- Ammoniumphosphat, Calciumlactat und Mischungen dieser Stoffe.

Das Kern- oder Kristallisationskeim bildende Mittel wird der zur Extrudierung bestimmten Mischung in einer Menge von etwa 0,5 bis 1 Prozent vom Gesamtgewicht des thermoplastischen Harzes hinzugefügt.

Es ist zu berücksichtigen, daß die Temperatur, bei welcher die Misohung aus Polystyrenharz, Treibmittel-Kapseln und kernbildenden Mitteln extrudiert wird und die Form eines aufgeschäumten Kunstharzes annimmt, von veränderlichen Einflußgrößen, wie beispielsweise der Extrudiergeschwindigkeit und dem Charakter des jeweils extrudierten Polymeres abhängt. Für Polystyren hat sich eine Temperatur im Bereich zwischen Ί50 bis etwa 200⁰C als besonders befriedigend erwiesen.

Zur Erläuterung der Erfindung werden im folgenden Beispiele beschrieben. Hierbei ist zu erwähnen, daß diese Beispiele ohne jegliche, den Erfindungsgedanken einschränkende Wirkung aus»

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schließlich zur Erläuterung dieses Erfindungsgedanken dienen.

Beispiel 1

Es wird eine innige Mischung vorbereitet, die aus 55 Gewichtsteilen von durch Stoß sortierten Polystyrenkugeln (Dylen-Polystyren 401, hergestellt von der Firma Sinclair-Koppers Company), 44 Gewichtsteilen kristallinen Polystyrenkugeln (ASTM D 7O3-56T Type 4), einem Gewichtsanteil aufreißbarer Kapseln mit als Treibmittel eingeschlossenem Hexan und 0,4 Gewichtsprozenten Natriumbicarbonat und 0,3 Gewichtsprozenten Zitronensäure besteht, wobei die Gewichtsanteile sich auf das Gewicht des Gesamtpolystyrenharzanteiles in der Charge beziehen.

Die Kapseln, die zur Bildung dieser Mischung verwendet werden, werden in einer Vorrichtung nach einem Verfahren erzeugt, das in der US-Patentschrift 3.015.128 beschrieben ist. Das filmbildende Material, das die aufreißbare Außenhülse der Kapseln bildet, besteht aus einer wässrigen Lösung, in welcher 4,5 Gewichtsprozente Algin, 2,0 Gewichtsprozente Polyvinylalkohol und 1,0 io Gelatine gelöst sind. Die Kapseln weisen einen Durchmesser im Bereich von etwa 850 bis 1400 Mikron auf, während das Treibmittel Hexan in einer Menge* von etwa 60 Prozent des Gesamtgewichtes der Kapseln vorliegt.

Die Mischung aus Zitronensäure, Natriumbicarbonat, Polystyren- harzen und Hexan, das in den Kapseln aufgenommen ist, wird

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danach dem Behälter eines in üblicher Weise ausgebildeten Extruders für Kunststoff zugeführt, bei welchem das Längen-Durchmesserverhältnis den Wert 24 : 1 aufweist und der mit einer Schlitzdüse zum Extrudieren einer Folie oder Schicht versehen ist. Es wird danach bei einer Temperatur in der Größenordnung von etwa 150 bis 180° extrudiert. Die extrudierte, aufgeschäumte Schicht wird danach über eine Kühlwalze geführt, die auf einer Temperatur von etwa 25 bis 30 C gehalten wird.

Das auf diese Weise erzeugte aufgeschäumte Schichtmaterial war im wesentlichen weiß und hatte eine Dichte von ungefährt 0,5 g/cm . Die Zeil- bzw. Porenstruktur war gleichförmig verteilt, und es zeigten sich Heine Poren.

Beispiel 2

Das Verfahren nach dem eben beschriebenen Beispiel wurde wiederholt, indem Kapseln mit Hexan als Treibmittel verwendet wurden, während die Kapselhüllen aus einem filmbildenden Werkstoff, nämlich einer wässrigen Lösung von 4,0 i> Algin, 3,0 io Natriumcaseinat und 1,0 $ Gelatine, gebildet wurden.

Der auf diese Weise gebildete schichtartige weiße Schaumstoff wies eine relativ glänzende Oloerflache auf und hatte eine Dichte vor. nicht ganz 0,5 g/cm ,

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von Gegenständen aus aufgeschäumtem, thermoplastischem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet , daß zunächst aus nicht ausgedehnten Kunststoffteilchen, aus getrennten, ein Treibmittel enthaltenden, aufreißbaren Kapseln mit äußeren, aufreißbaren Hüllen aus einem filmbildenden Material sowie aus einem Kristallisationskeime oder -kerne bildenden Mittel eine homogene Mischung gebildet wird und daß danach die so gebildete Mischung bei erhöhten Temperaturen extrudiert und zugleich aufgeschäumt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als thermoplastischer polymerer Werkstoff Polystyren verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zur Bildung der Mischung Kugeln mit Treibmittelfüllung verwendet werden, deren äußere, aufreißbare Hülsen aus einem organischen, wasserlöslichen polymeren Werkstoff bestehen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren, aufreißbaren Hüllen aus einer wässrigen Lösung gebildet werden, in der Polyvinylalkohol gelöst ist.

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die aufreißbaren Hüllen der Kapseln aus einer wässrigen Lösung, in der Algin gelöst ist, gebildet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die äußeren, aufreißbaren Hüllen der Kapseln aus einer wässrigen Lösung, in der Caseinate

_ gelöst sind, gebildet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapseln als Treibmittel mit einem aliphatischen Kohlenwasserstoff, der im Bereich von etwa 35 bis 120⁰C siedet, gefüllt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß als Kern- oder Kristallisations- -keim bildendes Mittel ein Material aus der Gruppe der

W Alkalien, erdalkalischen Carbonate, Bicarbonate, Zitrate

oder eine Mischung aus denselben verwendet wird.

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