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Verfahren und d Vorrichtung zur Herstellung von echten Schäumen und
Schaumetoffen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen
Herateilung von Schäumen aus flüssigen Komponenten und einem Gas, besondere geeignet
zur Herstellung von Aminoplastschaumstoffen.
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Es int bekannt, da8 Aminoplastschaumstoffe vorwiegend aux flüssigen
Komponenten und Luft nach dem Dispersioneverfahren erzeugt werden. Hierbei wird
ein durch Kond@nsationsreaktion aus einem Harnstoff oder Triazin und Formaldehyd
erhaltenes solvatisiertes lyophiles Sol in einen vorgebildeten Schaum verteilt,
der aus der mit Luft aufgeschäumten wäßrigen Losung eines Schaumbildners besteht.
Der so primär erhaltene metastabile FlUseigkeitsschaum wird durch die koagulierende
Wirkung g eines sauren Härtemittels auf das lIarzsol in den Liembranschaum übergeführt.
Hierbei werden die den Flüssigkeitsschaum stabilisierenden Kräfte durch die Festigkeit
des koagulierenden Harzsols und kapillare Stützkräfte abgelost.
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Der Membranschaum ist quasistabil und geht erst unter Desolvatation,
Entquellung und Trocknung in den stabilen, festen Folienschaura über.
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Kritioche Phasen der Schaumatoffherstellung sind die Flüssigschaumerzeugung,
die Dispergierung des Harzsols und die sich nacheinander vollziehenden Übergänge
in den Merabranschaum und den Felienschaum. In besonderem Ma#e sind die ersten beiden
Phasen entscheidend für die Qualität des Schaumstoffes.
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Flüssigkeitschäume sind metastabile Gebilde. Ihre relative Stabilitat
entspricht der Bestandigkeit gegen die Tendenz zur spontanen Verringerung der Summe
aller Grenzflächen. Da das Disperg von Luft in eine Schaumbildnerlösung mechanich
bewirkt wer-(len mu3, wird die Oberfläche ständig verändert, w@shalb sich alle bekannten
technischen Apparate durch Bestehen eines Gleichgewichtes zwischen Homogenisierung
und Heterogenisierung des Schaumes auszelchnen.
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Technisch hochwertige Schäume sind solche, die bei geringster Raumaaaaamaglichatfaindiaparaaindundaußerdemeinenges
Blasengrö#enspektrum haben. Die Polydispersität jedes Schaumes lot unvermeidlich,
jedoeh ist es notwendig, im Sinne der Stabilität der Schäume im Bildungsstadium,
der Entstehung grober Blaaaa entegegenzuwirken.
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Dia endlich Gonze der mechanischen Beanspruchbarbeit eines flüssigen
Schaumes wird bei Ausklammerung aller Ubrigon Parametor vor allem durch dio Lanallandicka
bestimmt. An techni3ch wirksame Dispergierapparate lot daahalb diva Fordorung nach
Vermeiden des Auftretens solcher durch Turbulenz hervorgerufener Druckunterschiede
zu stellen, die das Energiepatential der Schaum lamalla Uberfordera Diode Forderung
wird von den bekannten technischen Flüssigkeits-Schaumerzeugungsapparaturen, bei
denen die Schaumerzeugung und -verfeinerung mittels Kapillarsystem, Rührwerke, Schlagwerke,
Vibrationaayateme odor In Geschwindigkeitsgefälle strömender Flüssigkeiten sowie
durch Umströmung strukturierter Haufwerke wie Kugeln, Raschigrige, Sattelkörper,
Spiralen erfolgt, nur unbefriedigend und auch h nicht wesentlich besser mit einem
technisch hohen Aufwand erreicht.
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Die Bildung und Verfeinerung von SchOumen mittels Durchströmung g
quer zur Stromungarichtung angeordneter Drahtsiebe führt zu feinon Schäumen sehr
geringer Lamellendicke im Verhältnis zur Maschenraite der Drahtaiebe, jedoch unter
hohem Druckbedarf und für technische Anwendungen nicht zureichender Leistung.
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Dia Durchaatzleiatungen der bekannten Apparaturen sind ungenügend,
w es bisher nicht gelungen lot, die Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsschaumes
der in glatten R6hren möglichen anzunähern, so daß entweder nur zwischen feindiapersen
Schäumen grogner Lamellendicke bei hohem Durchsatz oder gröber dispereen Schäumen
kleinerer Lamellendicke bei geringerem Durchsatz gewählt werden konnte, die Gewinnung
feindisperser, homogener Schäume optimal niedriger Lamellendicke bei theorstisch
maximalen Strömungsgeschwindigkeiten abor bisher nicht möglich war. So sind z. B.
kompliziert aufgebaute mobile Spritzapparate fUr Aminoplaatachaune patentiert worden,
die das genante Problem nur ungenügend lösen.
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Dan wirksame Elttel der Schaumerzeugung soll dabei ein Rühreffekt
sein, der von dem strömenden Schaummittel in Bewegung gehaltenen
kugelförmigen
Körpern verursacht werde.
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Damit sind hohe Geschwindigkeiten über 100 cm/s bei Gaskonzentrationen
von 99 0 oder mehr im Schaum nicht möglich, ohne die Qualität und liomogenität des
Schaumes erheblich zu beeinträchtigen.
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Die Vermischung dew so vorgebildeten Schaumea mit dem Harzaol wird
auf komplizierter Weise vorgeschlagen, z. B. mittels grosdimensionierter Prallkörper
oder Spiralmischdüsen, weshalb nur geringe freie Querschnitte verbleiben. Schließlich
wird auch noch mit dem Harzsol Druckluft mitgeführt, so da# ein stetiger Schaumfluez
unmöglich ist, d. h. der Wert des erzeugten Schaumstoffes wird durch sehr grobe
Lunker orheblich gemindert. Die angewandten Prinzipien verstoßen gegen die schon
genannte Forderung an einen technisch hochwertigen Schaum, die bekannten Mechanismen
sind zudem umstähdlich, schwer zu reinigen und von völlig unzureichender Leistungsfähigkeit.
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Zweck der Erfindung ist es, die angeführten Nachteile su mindern.
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Aufgabe der Erfindung int ea, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Herstellung von echten Schauen und Schaumatoffen durch eine Schaumerzeugung und
eine Vermischung von Harzsol mit dom Schaum mittels rein atrömungsmechanischer llsanahmon
unter Ausnutzung der rhelogoischen und stabilitätsbedingten Besonderheiten von Schäumen
mit liilfe zweckmä#ig aufeinander abgestimmter Strömungsbedingungen und filr sehr
hohe Leistungen durch die Benutzung eines entsprechend konstruierten Mischwerkes
zu finden.
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En wurde gefunden, daB als dispergierwirksamstes Mittel zur Schaumerzeugung
g und -verfeinerung die Gewinnung einer feinturbulenten Strömung an Drahtgewebekörpern
ist. Als solche dienen vor allem zylindrisch geformte nach Fig. 1, die zur besaeren
Verateifung ainen Mittelsteg haben können. Die Anordnung in der Strömungskörpersäule
kann regellos sein. Bei geringster Raumauafüllung, die durchschnittlich kleiner
ale 10 % iat und zwischen 4 und 8% liegen kann, wird ein Höchstma# an freiem Raum
geboten, wodurch
der Strömu8ngsgesamtwiderstand und damit der Druckverlust
geringatmoglich ist. Andererseits wird bei der Umströmung der Drahtgewebeatruktur
eine der Drahtdicke enteprechende Feinturbulenz erseugt, die einen äu#erst feindispersen
schaum enger Blasengrö#enhäufigkeitsverteilung entstehen lä#t, der auch bei bisher
unerroicht hohen Stromungageachwindigkeiten noch keine Destruktionserscheinungen
bei solch hohen Gaskonsentrationen des Schaumee von 99 % und mehr zeigt.
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Die HSufigkeitaoptima der Blaaengroßen liegen dabei unterhalb der
Drahtdicke, man kann also mit sehr feinem Drahtgewebe auch sehr kleine Blasengrö#en
erhalten. Der Strömungsgesamtwiderstand wird se maßgeblich durch den Flie#widerstand
des Schaumes bedingte Die Schütthöhe der Drahtgewebkörper in der Kolonne reicht,
zweckmä#ig über die Inversionszone hinaus. Die Inversionszone ist der Bereich der
Strömungskörpersäule, innerhalb der der optiach erkennbare Ubergsag von Schaumlösung
und Ga in einen feinblaeigon homogenen Schaum ohne Luftkanäle erfolgt. Sie hängt
ab von der Grogne der Drahtgewebekörper und der Gewebeart sowie von der Durchsatzgeschwindigkeit
und der Intenaltt der Vorvermischung.
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Da die Steifigkeit der Drahtkörper mit abnehmender Drahtdicke ebenfalls
geringer wird, iet zweckmä#igerweise steifee Drahtmaterial einzusetzen und das Grö#enverhältnis
der Stromungakorper entaprechend anzupaaaenw Die Einmischung des Harzsols in den
feindispersen Schaum geschieht unter Ausnutzung der Grenzflächenspannungsverhältnisse
durch @trömungs-technisch günatigate Bedingungen. Hierbei wird die Feinstvermischung
durch Pointurbulenz erzeugt über eine flüssigkeitsdruckbetrlebene Kreiselkraftdüse
mit brettez Spritzkegel. Der Schaumetrom kann noch zusätzlich im Winkel zur Stromungarichtung
abgelenkt werden, wobei die von der Lamellendicke abhängige, zulässige Schaumströmungsgeschwindingkeit,
die z.B. bei einem Schaum sus 2% igem technischen Alkylaulfonat der Gaakonzentration
99 % und einem Blasengrö#endurchschnitt zwischen 80 µ und 150µ bei 850 cm/s lag,
nicht überschritten werden darf, um örtliche Destruktionsers heinungen zu vermeiden.
Bei solchen, den maximale Strömungawerten naheliegenden Geschwindigkeiten, ist auf
saubere Wandflächenausbildung zu achten. Die Intensität der Durchdrincung,
des
fließenden Schaumes durch das Harzsol bestimmt die maximale Rohrweite im Bereich
der Kreiselkraftdüse für Harzlösung. Bei Schäumungsleistungen über 20 m3/h kann
noch nach den oben genannten strömungstechniachen Gesichtspunkten gemischt werden.
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Es ist jedoch zweckmä#ig, dann ein mechanisch angetriebenes Mischwerk
zusätzlich zu benutzen, jedoch unter konsequenter Berücksichtigung der Stabilitätabedingungen.
Um die Bahngeschwindigkeit eines rotierenden Mischgerätes, das strömungstechnisch
g ausgebildete Zerteilungselemente haben sols maximal nutzen zu können (hohe Drehzahl)
ist eine möglichst intensive Vorvermischung wichtig.
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Sie erfolgt durch Eindrücken des Harzsols in den fließenden Schaum
über eine oder mehrere Kreiselkraftdüsen mit breitem Spritzkegel. Schaumdurchdringung
und Rohrweite werden hier ebenfalls entsprechend dem Schaumströmungsgeschwindigkeitsbereich
und dem Mischungsverhältnis der Komponenten zuvor aufeinander abgestimmt. Bei einer
gut durchgebildeten Vorvermischung kann das Mischwerk zur weitergehenden Homogenisation
benutzt werden.
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Die Bahngeschwindigkeit kann dann unter Berücksichtigung der durch
die Harzsolkomponente und damit großen Lamellendicke höheren möglichen mechanischen
Beanspruchbarkeit vergrößert werden.
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Bei mangelhafter Vorvermischung wird die Zerteilungswirkaamkeit des
Mischwerkes beeinträchtigt, bei zu dem sehr hohen Durchsatz sogar völlig unzureichend.
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Ale Gas dient vorzugsweise Luft, die liber eine Leitung oder auch
über die Kreiselkraftdüse für Schaumlösung eintritt. Die Förderung der flüssigen
Komponenten kann bei kleineren Apparaten liber Druckbehälter erfolgen, bei grö#eren
Leistungen ist die Verwendung von Pumpen erforderlich. Für ununterbrochene Vernchaumungsleistungen
über längere Zeiträume ist jedoch die ausschließliche Verwendung von Pumpen am zweckmä#igsten.
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Bine Verwendung von Absperr- oder Durchflu#regelorganen, wie Ventile,
Hahne, Schieber usw. an der Verschäumungsvorrichtung selbst, selbst, ist nicht erforderlich.
Es genügb, sowohl das Mengenverhältnis zwischen Schaumlösung und Harzaol als auch
die Gesamtmenge der flüssigen Komponenten in einfacher Weise durch die Wahl entsprechender
Kreiselkraftdüsen oder anderer Zorteilungsdüsen
für die Schaumlösung
und das Harzaol in Abhängigkeit vom Druck einzustellen. Die Erzeugung des erforderlichen
Druckee kann nach bekannten Verfahron geschehen, z.B. mittels Verdrängerpumpen,
Zentrifugalpumpen oder über Druckgefä#e. Die Luftmenge wird dem gewünschten Aufschäumungsgrad
angepa3t. Das Verfahren und eine hochleistungsfähige Vorrichtung zur Erzeugung äußerst
feindisperser Schäume gomdß der Erfindung ist insbesondere zur Herstellung von Aminoplaatschaumatoffen
geeignet, die nowohl stationar als auch mobil erfolgen kann.
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Auch bei der leistungsfähigsten Variante mit Stundenleistungen von
mehreren hundert Kubikmetern Schaum ist der gesamte Apparat so klein dimensioniert,
da# er ohne großen Aufwand auf jedes geeignete kleinere Fnhrzeug montiert werden
kann. Erreicht wird die hohe Leistumgsfähigkeit durch Erzeugung einer Feinturbulenz
bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten, aber bei geringstmöglichem Strömungagesamtwiderstand,
und zwar bei der Schaumerzeugung, Schaumverfeinerung, Harzooluntermiachung und Homogenisierung.
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Die Erfindung soll nachatehend an Hand folgender Beispiele näher erläutert
werden.
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Beispiel 1 In einer Kolonne 3 gomme ig. 3 mit der 740 mm hohen Strömungokörpersäule
2 mit den Füllkörpern aus Drahtgewebekörpern gemä# Fig. 1 der Grouse 3 x 4 mm aus
quadratischem Siebgewebe der Maschenweite 0,32 mm und der Drahtdicke 0t2 mm mit
dem Mittelateg 1, die eine RaumausfUllung von 8% hatten, betrug die max. Schaumgeschwindigkeit
mit 2%iger techn. Alkylsulfonatlösung 600 cm/s bei einer Gaskonzentration von 99
%. Die Zuführung der SchmumlNaung erfolgte über die Kreiselkraftdüse8 und die Zuftihrung
der Luft über die Leitung 7. Eine Kolonne von 6t6 cm lichtem Durchmesser (nächstes
praktisches Normma# Nennweite 65 mm bei 3,75 mm Wanddicke) erbrachte eine Leistung
von 60 m3/h. Das Optimum der Blasengrö#enhäufigkeitsverteilung lag bei 0, 1 bis
0,2 mm. Die Untermischung des Harzsols geschah über die Kreiselkraftdüse 4 direkt
in den strömenden Schaum und durch die nachfolgende Schaltung des Mischwerkes 5
dessen strömungstechnisch günstig ausgebildete Zerteilungselemente
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eine maximale Bahngeachwindigkeit von 1050 cm/a hatten. Zur Forderung der flüssigen
Komponenten dienten Verdrängerpumpen mit t Umlaufregulierung. In einer Kolonne einer
lichgten Weite des Ofachen Füllkörperdurchmeaaera mit bekannten Glaskugelfüllkörpern
von 8, 4 mm Durchmesser mit der Schütthöhe von 1000 mm und der RaumausfUll von 57,
2 % betrug die maximale Geschwindigkeit des Schaumes (auf Schaum unter Normaldruck
berechnet), bei der noch kein Durchschlagen zu beobachten ist, 22 cmlr bei einer
Gaskonzentration don chaumes von 99 % aus 2%iger wä#riger Lösung eines techn. Alkylnaphthalinsulfonates.
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Das Optimum der Blasengrö#enhäufigkeitsverteilung lag bei 0,2 bis
0,5 mm. Um eine Schäumungsleistumg von z.B. 50 m3/h zu erreichen, wäre ein Kolonnendurchmesser
von 66,5 cm erforderlich.
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Beispiel 2 In einer Kolonne gemä# Fig. 2 mit Füllkörpern aus Drahtgewebekörpern
gemä# Fig. 1 der Grouse 2 bis 2, 5 x 3 mm aus quadratischem Siebgewcbe von 0,2 mm
Maschenweite und 0,125 mm Drahtdicke (Material säurebeständiger Chrom-Nickel-Stahl)
veiner Füllhöhe von 1050 mm (drucklos) und einer Raumausfüllung von 6, 5 % betrug
die maximale Schäumungsleistung mit 2%iger Lösung aus technischem Alkylsulfonat
bei 99 % Gaskonzentration 310 cm/s, mit einer 2%igen Lösung aus techn. Diisoalkylnaphthalinsulfonat
400 cm/s.
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Bei einem lichten Durchmesser der Kolonne von 3,4 cm betrug die Leistung
10 m3/h. Das Optimum der Blasengrö#enhäufigkeitsverteilung lag bei 0, 08 bis 0,
1 mm. Die Untermiachung de Harzslos erfolgte über die Kreiselkraftdüse 4 direkt
in don strömenden Schaum. Zur Forderung der flüssigen Komponenten dienten Verdrängerpumpen
mit Umlaufregelung. Das gleiche Ergebnis wurde mit exner Harzsoleinmischung gem§ß
Fig. 2 a erhalten oie 3 In veiner Kolonne gMäß Fig 3 mit 1000 mm hoch regellos geschütteton
Füllkörpern au Drahtgewebekörpern Com§ß Fig. 1 der Größe 10 x 10 mm aus Siebewebe
der Maschenme@te 0,32 mm und der Drahtdiak 0,2 mm, die eine Raumausfüllung von 4,4
% hatten, lag die
maximale Schaumströmungsgeschwindigkeit mit 2,
5%iger Lösung aus technischem Alkylsulfonat bei 800 cm/s. Bei einer Gaskonzentration
des Schaum von 99 %. Für eine Schäumungsleistung von 500 m3/h war ein lichter Kolonnendurchmesser
von 14, 9 cm (nächstes praktlschro Normma#: Nennweite 150 mm bei 5,5 mm Wandungsdicke)
ausreichend. Dan Optimum der Blasengrö#enhäufigkeitsverteilung lag bei 0,2 mm. Die
Harzuntermischung erfolgte über Kreiselkraftdüsen 4 direkt in don strömenden Schaum
und durch die nachfolgende Schaltung don Misehwerkes 5 mit einer maximalen Bahngeschwindigkilt
von 2000 cm/s. Zur Förderung der flüssigen Komponenten dienten leistungsfähige Verdrängerpumpen
mit synchron gesteuerter Drehsahlregulierung. ispiel 4 Mit einer Kolonne gemä# Fig.
2 von 18 mm lichter Weite mit 1000 mm hoch im drucklosen Zustand geschütteten Füllköpern
B Fig. 1 der Grö#e 2 x 2 bis 2,5 x 3 mm aus quadratischem Chrom-Nickelstahl-Siebgewebe
der Maschenweite 0,2 mm und der Drahtdicke 0, 125 um wurden mit einer 2%igen wä#rigen
Lösung eines technischen Alkylsulfonates die folgenden Werte maximaler Schaumströmungsgeschindigkeifen,berechnetaufSchaumunterNormaldruck,erhalten:
Luftkonzentration Haximalgesohwindigkeit des Schaumes dos Schaumes in der Kolonne
im glatten Rohr 99,5 Vol.% 150 cm/s 260 cm/s 99,0 Vol.% 450 cm/s 820 cm/s Die erreichbare
Maximalgeschwindigkeit ist aber au#er der Lamellendicke des Schaumes u.a. wesentlich
vom notwendigen Vordruck abhängig.
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Bei geringerem Vordruck, also grö#erer Weite der Kolonne, verrinsert
ich die Differenz zwischen den Maximalgeechwindigkeiten eines Schaumes in der Kolonne
3 und im glatten Rohr, wie im Beispiel 3 verwirklicht.