DE1906654A1

DE1906654A1 - Verfahren zum Verteilen einer Fluessigkeit in einer viskosen Schmelze oder Loesung,Verfahren zur Herstellung von geschaeumten Formkoerpern und Vorrichtungen zur Durchfuehrung dieser Verfahren

Info

Publication number: DE1906654A1
Application number: DE19691906654
Authority: DE
Inventors: Klingebiel Ward John
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1968-02-12
Filing date: 1969-02-11
Publication date: 1969-09-18
Also published as: DE1906654B2; DE1966448A1; GB1264493A; JPS5024455B1

Description

UNION CARBIDE CORPORATION, 27o Park Avenue, New York, USA

Verfahren zum Verteilen einer Flüssigkeit in einer viskosen Schmelze oder Lösung, Verfahren zur Herstellung von geschäumten Formkörpern und Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gleichmäßigen Verteilen einer Flüssigkeit in einer hochviskosen Schmelze oder Lösung eines Polymers, Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gleichmäßigen Verteilen eines flüssigen Treibmittels in einem thermoplastischen Stoff von hoher Viskosität bei der Herstellung von geschäumten Formkörpern mit einem zellenförmigen Inneren und einer zusammenhängenden, im wesentlichen nicht zellenförmigen Außenschicht»

Zur Herstellung eines geschäumten Formkörpers aus einem thermoplastischen Stoffe muß man ein flüssiges Treibmittel mit den zu verschäumenden thermoplastischen Stoff mischen. Bei dem üblichen Verfahren zur Herstellung solcher Gegenstände, wie es z.B, in der USA-Patentschrift Nr. 3 268 636 beschrieben ist, bringt man das flüssige Treibmittel innerhalb eines Extruders in das aufzuschäumende thermoplastische Material ein. Hierbei wird die Masse bei einer Temperatur über der Schmelztemperatur des thermoplastischen Stoffes und bei einem Druck über dem Schäumungsdruck des flüssigen Treibmittels gehalten. Man bringt die Mischung in einer Sammelzone, läßt aufschäumen und bringt sie- dann

909838/1264

_ ρ —

in eine Spritzgußform. Ein Mischen des flüssigen Treibmittels und des aufzuschäumenden thermoplastischen Stoffes findet nur während des Durchganges durch den Extruder statt.

Ein geschäumter formkörper aus einem thermoplastischen Stoff mit einem zellenförmigen Inneren und einer zusammenhängenden, im wesentlichen nicht zellenförmigen Außenschicht soll gleichmäßige Zellen von regelbaren Abmessungen enthalten. Hierfür ist es erforderlich, daß das flüssige !reibmittel gleichmäßig im aufzuschäumenden thermoplastischen Stoff verteilt ist. Da aber das flüssige Treibmittel und der thermoplastische Stoff in der Regel nicht miteinander verträglich sind, ist eine gleichförmige Verteilung in einem Extruder äußerst schwierig.

Eine verbesserte Extruderausführung ist in der USA-Patentschrift Kr. 3 239 882 beschrieben. Hierbei ist mit dem Extruder eine Vorrichtung verbunden, die hohe und niedere Scherkräfte ausüben kann. Diese Vorrichtung ist geeignet zum Zumischen von festen Stoffen, z.B. von Farbstoffen, wenn eine gleichmäßige Verteilung des Farbstoffs gewünscht ist. Wenn man in dieser bekannten Vorrichtung lineares Polyäthylen von hoher Dichte in Form dünner Filme extrudiert, so verhindert sie das Extrudieren von G-elteilchen, die nicht geschmolzen oder plastifiziert sind. Die bekannte Vorrichtung ist aber nicht geeignet zum Mischen von Flüssigkeiten niederer Viskcätät mit hoch viskosen Schmelzen oder lösungen von Polymeren, wie sie z.B, beim Spritzgießen von geschäumten Formkörpern gverwendet werden, wobei ein Treibmittel niederer Viskosität in einem thermoplastischen Stoff hoher Viskosität gleichmäßig verteilt werden soll. Mit einer Vorrichtung nach der USA-Patentschrift Kr. 3 239 882 ist es nicht möglich,

909833/1234

die Flüssigkeit niedriger Viskosität fein zu verteilen. Bei Anwendung von Scherkräften ohne vorherige Verteilung der niedrig viskosen Flüssigkeit ist es nicht möglich, thermoplastische Gegenstände zu erhalten, die eine gleichmäßige Zellenstruktur mit geregelten Zellendurchmessern haben.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mischen einer niedrig viskosen Flüssigkeit mit einer hoch viskosen Schmelze oder Lösung eines Polymers. Sie betrifft ferner eine einfache Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß man:

a) eine hoch viskose Schmelze oder Lösung eines Polymers und eine Flüssigkeit in eine Verteilerzone einführt;

b) das Gemisch durch schnell rotierende Öffnungen hindurchführt, so daß die Flüssigkeit verteilt und gleichmäßig in der Schmelze oder Lösung des Polymers dispergiert wird, worauf man das Gemisch so starken Scherkräften unterwirft, daß die Relaxationszeit der Schmelze oder Lösung des Polymers überschritten wird, worauf man weiter durch viskoelastische Strömung unter Anwendung geringer Scherkräfte mischt, und zwar in einer Zone zwischen den starken Scherkräften und einer zweiten Gruppe von schnell rotierenden Öffnungen;

c) dann das Gemisch durch eine zweite Gruppe von schnell rotierenden Öffnungen hindurchführt.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Verteilen von Flüssigkeiten in hoch viskosen Schmelzen oder Lösungen von Polymeren. Me Vorrichtung enthält einen zylindrischen Hohlkörper mit wenigstens einer Einheit von rotierenden Scheiben, die aus abwechselnden perforierten und nicht perforierten Scheiben besteht. Der äußere Umfang der perforierten Scheibai steht in gleitender

909838/126A

Berührung mit der Innenwandung des Hohlzylinders. Der äußere Umfang der nicht perforierten Scheiten bildet einen engen Ringspalt mit der Innenwandung des Hohlzylinders, wo starke Scherkräfte ausgeübt werden. Nach den Durchdrücken durch die rotierenden perforierten Scheiben wird die Flüssigkeit gleichmäßig und fein in der Schmelze oder Lösung des Polymers verteilt, wenn sie den Scherkräften im Ringspalt unterworfen wird.

Die Erfindung betrifft ferner die Anwendung des beschriebenen . Verfahrens und der beschriebenen Vorrichtung zum Spritzgießen von geschäumten Formkörpern.

Zur Herstellung von geschäumten Formkörpern aus thermoplastischen Stoffen mit einem zellenförmigen Inneren und einer zusammenhängenden, im wesentlichen nicht zellenförmigen Außenschicht verfährt man erfindungsgemäß so, daß man:

a) einen thermoplastischen Stoff in einen Extruder bringt;

b) den thermoplastischen Stoff kontinuierlich in eine Mischzone extrudiert;

c) ein flüssiges Treibmittel in die Mischzone einbringt, die bei einer Temperatur über der Erweichungstemperatur des thermoplastischen Stoffes und bei einem Druck über dem Schäumdruck des Treibmittels gehalten wird;

d) das Treibmittel in dem thermoplastischen Stoff gleichmäßig verteilt innerhalb der Mischzone bei einer Temperatur über der Erweichungstemperatur des thermoplastischen Stoffes und bei einem Druck oberhalb des Schäumdruckes des Treibmittels, daß man das Treibmittel und den thermoplastischen Stoff durch schnell rotierende Öffnungen hindurchdrückt, um das Treibmittel zu verteilen, und dann die. Mischung so intensiven Scherkräften unterwirft, daß die Relaxationszeit des thermoplastischen Stoffes überschritten wird, wonach man die Mischung viskoelastisch unter Anwendung gerirgow Scherkräfte durch

909838/1264

eine Zone strömen läßt, die zwischen der Zone der starken Scherkräfte und einer zweiten Gruppe von schnell rotierenden Öffnungen sich befindet;

e) die Mischung durch eine zweite Gruppe von schnell rotierenden Öffnungen hindurchdrückt;

f) das Gemisch aus der Mischzone in eine expandierende Sammelzone "bringt, wobei die Mischung hierbei in einem geschmolzenem Zustande und bei einem Druck oberhalb des Schäumdruckes gehalten wird;

g) eine Spritzgußform bei einem Druck unterhalb des Schäumdruckes hält;

h) eine Verbindung zwiahen der Spritzgußform und der Sammelzone herstellt;

i) die Mischung aus der Sammelzone schnell in die Spritzgußform bringt, wobei der Druckunterschied zwischen der Sammelzone und der Spritzgußform die Mischung sich schnell innerhalb der Spritzgußform ausdehnen läßt;

j) die Verbindung zwischen der Spritzgußform und der Sammelzone dann unterbricht, wenn der Druck höher wird als der Schäumdruck.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet:

a) durch einen Extruder zum Extrudieren des thermoplastischen Stoffes;

b) durch einen Verteiler, in welchem die Temperatur über der Erweichungstemperatur-des thermoplastischen Stoffes und der Druck über dem Schäumdruck des Treibmittels gehalten wird, Mittel zur Aufnahme des thermoplastischen Materials in geschmolzenem Zustande aus dem Extruder, Mittel zum Zuführen des flüssigen Treibmittels, einen Hohlzylinder mit wenigstens einem Satz rotierbarer Scheiben, wobei abwechselnd perforierte und nioht perforierte Scheiben angeordnet sind, wobei der

909830/1284

äußere Umfang der perforierten Scheiben in gleitender Berührung mit der inneren Wandung des Hohlzylinders, steht, wobei der äußere Umfang der nicht perforierten Scheiben einen engen Ringspalt mit der Innenwandung des HohlZylinders bildet, und eine weiterfolgende wieder perforierte Scheibe der beschriebenen Art;

c) durch eine Sammelkammer in Verbindung mit dem Verteiler zur Aufnahme der aus dem Verteiler kommenden Mischung, in welcher das Gemisch in geschmolzenem Zustande und bei einem Druck oberhalb des Schäumdruckes gehalten wird; ·

d) durch eine Spritzgußform, die bei einem Druck unterhalb des Schäumdruckes gehalten· wird;

e) durch Mittel zur Herstellung und Unterbrechung der Verbindung zwischen der Spritzgußform und der Sammelkammer, wenn der Druck über dem Schäumdruck steigt;

f) durch Mittel zum schnellen Fördern des Gemisches aus"der Sammelkammer in die Spritzgußform, wenn die Verbindung zwischen beiden hergestellt ist.

Die Zeichnungen erläutern beispielsweise eine Ausführungsform der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt in Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einen erfindungsgemäßen Verteiler, einen Extruder und eine Sammelkammer.

Die Hg. 2 zeigt im Querschnitt den Verteiler mit den Scheiben entlang der Linie 2-2 nach Pig. 1.

Die Fig. 3 zeigt im Querschnitt denselben Verteiler entlang der Linie 3-3 nach Fig. 1. . , --■.'■.

909838/1264

Die Fig. 4 zeigt im Querschnitt denselben Verteiler entlang der Linie 4-4 nach Fig. 1.

Der erfindungsgemäße Verteiler ist "besonders geeignet zur Anwendung in Verbindung mit einem Extruder und einer Sammelkammer zum Spritzgießen von geformten Formkörpern mit einem zellenförmigen Inneren und einer zusammenhängenden, im wesentlichen nicht zellenförmigen Außenschicht. Der Verteiler kann insbesondere hierbei verwendet werden, man kann ihn aber auch mit Vorteil bei anderen Verfahren verwenden, bei welchen eine Flüssigkeit gleichmäßig in einer Schmelze oder einer Lösung eines Polymeren verteilt werden soll, wenn beispielsweise die zu verteilende Flüssigkeit eine niedere Viskosität hat und insbesondere, wenn das Verhältnis® der Viskositäten der Flüssigkeit und des Polymers größer als 1:1ooo ist. Der Verteiler kann aber auch gebraucht werden beim Eindampfen verschiedener Polymere» insbesondere dann, wenn die zu verteilende Flüssigkeit mit dem Polymer nicht mischbar ist oder bei der Zugabe von Zusatzstoffen wie Weichmachern, Farbstoffen, teilchenförmigen Feststoffen oder dergl. zu Schmelzen oder Lösungen von Polymeren.

Die in Abbildung 1 dargestellte Vorrichtung enthält einen Extruder 1o mit einer damit verbundenen Leitung 12 zum Einführen einer Flüssigkeit oder eines komprimierten Gases als Treibmittel direkt in den Zylinder des Extruders. Durch ein Ventil 14 in der Leitung 12 kann die Zufuhr geregelt werden. Die Leitung 16 verbindet den Extruder 1o mit dem Hohlzylinder 12 des Verteilers 2o. Die Leitung 10 führt Flüssigkeit geringer Viskosität in den .ringförmigen Zwischenraum zwischen den rotierenden Welle 24 und den Hohlzylinder 22 des Verteilers 2o ein. Die rotierende Welle verläuft koaxial im feststehenden Hohlzylinder 22, der vorzugsweise eine glatte Innenwandung hat. An der Welle sitzt wenigstens ein Satz 26 von Scheiben, die abwechselnd aus perforierten Scheiben 3o,

909838/1264

nicht perforierten Scheiben 32 und perforierten Scheiben 3o bestehen. Der Kopf 4o der Welle ist vorzugsweise um etwa 45° abgeschrägt, um ein Zusammenballen der Mischung an dieser Stelle zu vermeiden.

Die äußere Oberfläche der Scheiben befindet sich in einem solchen Abstand von der Innenwandung des feststehenden Hohlzylinders, daß ein Gebiet 34 starker Scherkraft in dem Zwischenraum zwischen den äußeren Umfang der nicht perforierten Scheibe 32 und der inneren Wandung des Hohlzylinders 22 entsteht· Die perforierten Scheiben 3o stehen bei 36 in gleitender Berührung mit der inneren Yifandung des Hohlzylinders 22. Die perforierten Scheiben 3o habeb mehrere axial verlaufende Öffnungen 38, vorzugsweise in der Hahe der Welle. Die erforderliche Zahl der Öffnungen 38 in den perforierten Scheiben 3o hängt ab von der Art des zu verarbeitenden Materials. Üblicherweise haben die perforierten Scheiben 4 bis 24 Öffnungen um die Welle herum.

Bei der Verarbeitung gewissar hoch viskoser Schmelzen oder Lösungen von Polymeren genügt ein einziger derartiger Scheibensatz. In der Regel weist aber die Welle 24 zwei und mitunter auch drei solche? Scheibensätze auf. Die Fig* 1 zeigt, daß jeder zusätzliche Scheibensatz 28 außer dem ersten Satz 26 nur eine nicht perforierte Scheibe 32 und eine perforierte Scheibe 3o hat. Wenn zusätzliche Einheiten verwendet /werden, so sind sie derart an der Welle angeordnet, daß die erste und die letzte Scheibe immer perforiert sind, und eine abwechselnde Reihenfolge von perforierten und nicht perforierten Scheiben vorhanden ist.

Vorzugsweise sind die Scheiben in Abständen voneinander angeordnet, die etwa der Hälfte oder dem ganzen Radius des Innendurchmessers des Hohlzylinders entsprechen. Der Abstand zwische#Öen Scheiben entspricht auch etwa dem kürzesten Abstand zwiöchej/der

909838/1264 -

Innenwandung des Hohlzylinders und der Welle. Dadurch wird das viskoelastische Mischen des Polymers verbessert. Die Dicke der perforierten Scheiben ist nicht kritisch. Die nicht perforierten Scheiben sollten aber vorzugsweise eine Dicke von etwa 1/4 bis etwa 1/24 des Durchmessers des Hoh^zylinders haben, insbesondere von 1/8 bis 1/12 des Durchmessers des Hohlzylinders. Es kommt nicht darauf an, daß diese Dimensionen sehr genau eingehaltei werdeh, aber es hat sich gezeigt, daß bei zu dünnen nicht perforierten Scheiben die Phase mit geringer Viskosität durch den ringförmigen Zwischenraum un die Scheibe herumgeht, ohne gut verteilt zu werden.

Die Scheiben können aus einem Stück mit der Welle bestehen oder sie können auch auf ihr montiert sein. Um den verschiedenen Anforderungen hinsichtlich des zu verarbeitenden Materials zu entsprechen, können die Abmessungen des Gebietes mit den Scherkräften, die Dicke der nicht perforierten Scheiben und die Anzahl der Scheibeneinheiten geändert werden. Hierzu können entweder auswechselbare Wellen oder verschiedene Scheibeneinheiten verwendet werden. Das hängt davon ab, ob die Einheiten

auf
und 28 nurraer Welle montiert sind oder mit dieser aus einem Teil bestehen.

Vom oberen Teil 4o des Verteilers führt eine Leitung 42 mit einem Druckventil 43 aus dem Verteiler 2o zu der inneren Leitung 44' eines unteren T_eiles 44, das auf dem Träger 46 ruht. Über dem unteren Teil 44 befindet sich ein Sammler mit einem Zylinder 5o und einem Kolben 52, der im Zylinder hin- und herbeweglich ist. Der Kolben 52 hat einen kegelstumpfförmigen Kopfteil 42·. Ein üblicher 0~Ring 54 an dem Kolben 52 bildet eine Dichtung zwischen dem Zylinder 5o und dem Kolben 52. Am

9098 38/126

- 1ο -

anderen Ende des Kolbens 52 und von ihm nach oben ragend ist eine Kolbenstange 56. .

Ein Plansch 58 ist am anderen Ende der Kolbenstange 56... Zwischen dem Kolben 52 und dem flansch 58 ist ein weiterer Kolben 6o an der Kolbenstange angeordnet. Der Kolben 6o kann in einem Kolbengehäuse 62 sich, hin— und herbewegen. Der Flansch 58 ist an dem oberen funktionalen Ende der Kolbenstange 56 angebracht, was nicht notwendigerweise dem wirklichen Ende der Kolbenstange entspricht. Die Ausbildung des Flansches 58 ist nur in soweit wichtig, daß er aus der Kolbenstange 56. hervorragt und beim Hin-und Herbewegen der Kolbenstange 56 einen Kontakt mit den Schaltern 64 und 66 herstellt.

Anstelle dessen können auch photoelektrische Schalter verwendet werden, wobei ein hervorragender Teil auf der Kolbenstange 56 nicht notwendig ist. Zwei photoelektrische Einheiten können so angeordnet werden, daß die Kolbenstange 56 den Lichtstrahl der unteren Einheit unterbricht, wenn die Stange sich aus ihrer untersten Stellung nach oben bewegt, und den Lichtstrahl der oberen Einheit unterbricht, wenn die Kolbenstange ihre oberste Stellung erreicht.

Aus der inneren Leitung 44' des unteren TEiles 44 führt eine Leitung 7o zu einer inneren Leitung 72· eines zweiten unteren Teiles 72, das ebenfalls auf dem Träger 46 ruht. Yon dem unteren Teil 72 durch den Träger 46 hindurch führt ein Mundstück 74. Es ist klar, daß man auch mehrere derartige Mundstücke verwenden kann, um einen oder mehrere Formkörper aus Schaumstoff zu bilden. Das untere Ende des Mundstücks 74 fluchtet mit der Wandung einer Spritzgußform aus einer latrix 76 und einer Matrix 78« Die Matrix 78 ist in üblicher Weise mit dem Träger 46 verbunden. Die

909838/1264

Patrix 76 wird getragen von dem aufwärts und abwärts bewegbaren Träger 77, mittels dessen die Patrix und die Matrix leicht voneinander getrennt werden können.Gleitbar in dem Mundstück 74 und dem unteren Teil 72 ist eine Stange 8o angeordnet. Das obere Ende der Stange 8o hat einen Kolben 82, der in dem Kolbengehäuse 84 sich aufwärts und abwärts bewegen kann. Das Kolbengehäuse 84- hat zwei Leitungen 85 und 86, die abwechselnd mit einer Quelle für Druckgas verbunden werden können.

Die in I¹Ig. 1 dargestellte Vorrichtung arbeitet wie folgt: Man bringt thermoplastisches Material in einen Extruder 1o. Unter Druck wird ein flüssiges Treibmittel direkt in den Zylinder des Extruders durch die Leitung 12 eingeführt. Der geschmolzene thermoplastische Stoff und das flüssige Treibmittel, die aus dem Extruder 1o extrudiert werden, werden bei einer Temperatur über der Erweichungstemperatur des thermoplastischen Stoffes und bei einem Druck erheblich über dem Sehäumdruck des Treibmittels gehalten. Der Extruder 1o steht in kontinuierlicher Verbindung mit einem ringförmigen Zwischenraum 17 des Verteilers zwischen dem Hohlzylinder 22 und der rotierenden Welle 24. Die Vormischung gelangt kontinuierlich durch die Leitung 16 in den ringförmigen Zwischenraum 17. Man kann auch ein flüssiges Treibmittel in den ringförmigen Zwischenraum 17 gesondert einführen, wo es dann mit der Vormischung aus dem Extruder 1o gemischt wird. Die Vormischung wird durch den Verteiler 2o gedrückt, wobei dieser bei einer Temperatur und einem Druck oberhalb der Schäumtemperatur und des Schäumdruckes gehalten wird. Die Welle wird durch geeignete Antriebsmittel, z.B. durch einen Elektromotor in rotierende Bewegung versetzt, mit beispielsweise 1oo bis 1ooo Umdrehungen je Minute. Die Welle kann daher mit derselben Geschwindigkeit betrieben werden, wie der Extruder,

909838/1264

gegebenenfalls auch schneller.

Der Verteiler 2o ist mit Heizvorrichtungen versehen, die nicht abgebildet sind, um das Gemisch in geschmolzenem Zustande zu halten und damit ein Erstarren·des thermoplastischen Stoffes zu vermeiden. Ein besonderes Heizen des Gemisches in dem Verteiler 2o ist nicht erforderlich. Die notwendige Wärme liefert der Extruder 1o, und die Temperatur muß in dem Verteiler lediglich aufrechterhalten werden.

Das Treibmittel niederer Viskosität wird grob verteilt, wenn . das Gemisch durch die erste schnell rotierende perforierte Scheibe hindurchgedrückt wird. Beim weiteren Durchwandern des Gebietes zwischen der ersten perforierten Scheibe 3o und der nicht perforierten Scheibe wandert das Treibmittel niedriger Viskositätt in eine Stellung an der Außenkante der nicht perforierten Scheibe 32. Dort wird das Gemisch sehr starken Scherkräften unterworfen, wobei innerhalb des thermoplastischen Stoffes Hohlräume entstehen, die von dem Treibmittel .-gefüllt werden. Die Scherkräfte sind so hoch, daß die Geschwindigkeit, mit welcher die Schmelze oder Lösung des Polymers aus dem Mischgebiet hinter der ersten perforierten Scheibe zum Gebiet der starken Scherkräfte strömt, größer"ist als die Relaxationszeit der Schmelze oder Lösung des Polymers. Ein weiteres Mischen findet in dem Gebiet 35 zwischen der nicht perforierten Scheibe und der zweiten perforierten Scheibe statt. Die Öffnungen der zweiten perforierten Scheibe benetzen die Viekoelastizität des Polymers, um durch eine viskoelastische Strömung das Mischen zu verstärken, wobei das Treibmittel fein in dem geschmolzenen thermoplastischen Stoff verteilt wird. Diese Verfahrensschritte werden dann wiederholt, wenn mehr als eine Scheibeneinheit vorgesehen ist.

909838/1264

Es ist nicht unbedingt notwendig für das erfindungsgemäße Verfahren, den geschmolzenen thermoplastischen Stoff und das flüssige Treibmittel in Form einer Vormischung aus dem Extruder einzuführen. Man kann auch das flüssige Treibmittel gesondert in den Verteiler einführen, und zwar durch eine hierfür vorgesehene Leitung. Man kann aber auch beispielsweise den erfindungsgemäßen Verteiler direkt in den Extruder einbauen. Bei einer solchen Anwendungsform können die Scheibeneinheiten direkt auf der Extruderschnecke montiert werden oder einen Teil mit ihr bilden. In diesem Falle steht der Extruder in direkter Verbindung mit der Sammelzone.

steht

•Der Verteiler 2"öYin Verbindung mit der expandierenden Sammelzone 45 zwischen dem Zylinder 5o, dem Kolben 52 und dem unteren Teil 44. Das Gemisch aus thermoplastischem Stoff und Treibmittel gelangt kontinuierlich durch die Leitung 42 in die Zone 45 gegen den Kolben 52. In der Leitung 42 ist ein Druckventil 43 vorgesehen, um einen Druckabfall im Verteiler 2o während des Spritzgießens zu vermeiden. Wenn das Gemisch, aus dem Verteiüer in die Zone 45 gelangt, so wird der Kolben aus seiner unteren Stellung in eine obere vorbestimmte Stellung bewegt. Die untere Stellung des Kolbens 52 wird erreicht, wenn er in Berührung mit dem unteren Teil 44 kommt. Der Aufwärtsbewegung des Kolbens 52 und des Kolbens 56 wird "begegnet durch ein unter Druck befindliches Gas in dem Gebiet 51 über dem Kolben 6o in dem Kolbengehäuse 62. Anstelle von Druckgas kann hierzu auch eine geeignete hydraulische Flüssigkeit verwendet werden. Das Gebiet 51 in dem Kolbengehäuse 62 ist versehen mit einer Leitung 63, die zu einer Quelle von Druckgas führt. Wenn das Material aus dem Verteiler 2o den Kolben 52 aufwärts drückt und gleichzeitig der Kolben 6o aufwärts geht,

909838/1264

wird das Gas im Gebiet 52 zusammengedrückt. Das kann nur geschehen, wenn der Druck im Verteiler 2o höher isiTala der Hückdruck auf dem Kolben 52. Beim Aufwärtsbewegen des Kolbens wird das Gas im Gebiet 51 zusammengedrückt und sein Druck nimmt zu. Der Druck im Verteiler 2o muß also dauernd höher sein als der Druck auf den Kolben während der Vergrößerung der Zone 45. Der Druck im Verteiler 2o wird aufrechterhalten durch den konstanten Druck aus dem Extruder, der mit dem Verteiler in ständiger Verbindung steht. Man kann aber auch während der Erweiterung der Zone 45 den Gasdruck im Gebiet 51 so regeln, daß ein im wesentlichen konstanter Druck auf den Kolben 6o ausgeübt wird. In jedem !Falle muß die Mischung in dem Gebiet 45 bei einem Druck über dem Schäumdruck gehalten werden. In der Regel genügt hierzu ein

ρ ρ

Druck von etwa 35 kg/cm . Brücke von wenigstens 1oo kg/cm bringen die besten Ergebnisse. Drücke über 7oo kg/em~ sind üblicherweise nicht erforderlieh für das normale Arbeiten und sollten vermieden werden, da sie unnötige Kosten verursachen.

Der Zylinder 5o ist mit nicht abgebildeten Heizvorrichtungen versehen, um die Mischung in einem geschmolzenen Zustande zu erhalten und ein Erstarren des thermoplastischen Materials zu verhindern. Ähnlich wie beim Verteiler 2o ist aber ein Aufheizen des Gemisches in dem Zylinder 5o nicht erforderlich. Die Wärme wird nur dem Gemisch im Extruder 1o zugeführt, und die temperatur in dem Zylinder 5o und in dem Verteiler 2o soll lediglich aufrechterhalten werden.

Der Kolben 52 bewegt sich aufwärts, bis der Flansch 58 an der Stange 56 den Schalter 66 in einer bestimmten Stellung berührt» In an sich bekannter Weise bewirkt die Aktivierung des Schalters 66 den Zutritt des Druckgases in ä&e Kolbengehäuse 84 durch die Leitung 85. Dadurch wird der Kolben 82 nach oben be-

909838/1264

wegt. Das untere Ende der Stange 80 wird also aus dem Mundstück 74 herausgezogen, "bis es die durch 87 gekennzeichnete Stellung erreicht. Damit ist eine Verbindung zwischen der Spritzgußform aus den beiden Teilen 76 und 78 und der Zone45 hergestellt. Die Mischung wird also aus der Sammelzone 45 in die Spritzgußform hineingedrückt. Der Druck im Gebiet 51 ist jetzt größer geworden als der Druck innerhalb der Zone 45, wodurch der Kolben 52 bis in seine unterste Stellung-herabbewegt wird. Notwendigenfalls können die Leitung 7o und der untere Teil 72 mit nicht abgebildeten Heizvorrichtungen versehen sein, um ein. Erstarren des thermoplastischen Materials zu verhindern. In der Regel bringen aber die kurzen Zeitabstände zwischen den einzelnen Spritzgüssen nicht die Hotwendigkeit für eine zusätzliche Heizung mit sich.

Wenn der Kolben 52 seine unterste Stellung erreicht, ist die Zone 45 praktisch zusammengefallen. Der Plansch 58 berührt den Schalter 66 und in an sich bekannter Weise tritt Druckgas durch die Leitung 86 in das KoIb engehätf 8^84 ein. Hierdurch werden der Kolben 82 und die Stange 80 nach unten bewegt. Wenn die Stange 80 in das Mundstück 74 bei 73 eintritt, wird die Verbindung zwischen der Spritzgußform und der Sammelzone 45 dann unterbrochen, wenn der Druck über dem Schäumdruck des Gemisches liegt. Beim Abwärtsbewegen drückt die Stange das Gemisch in das Mundstück 74 zwischen- dem Punkt 73 und der Spritzgußform, bis das Ende der Stange mit dem Formkörper 79 fluchtet. Dadurch wird ein Formkörper ohne verlorenen Kopf hergestellt, und es entstehen keine ungeschäumten Anteile. Man kann natürlich auch Schaumkörper nach der Erfindung herstellen, die entweder einen verlorenen Kopf oder eine Vertiefung haben. Das wird durch Einstellung der Stange 80 erreicht. In manchen Fällen ist das zulässig. Wit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch im Spritzguß feste thermoplastische Gegenstände hergestellt werden.'

909 838/1264

Y/egen des großen Druckunterschiedes zwischen der Spritzguß form und der Sammelzone schäumt das Gemisch schnell auf und füllt die Form. Zum Pullen der Form durch die Wirkung des Korbens 52» des Stabes 8o und der Ausdehnung des Gemisches in der Form werden vorzugsweise Zeiten von 1 "bis 15 Sekunden benötigt.

Der Strom des Druckgases durch die leitungen 05 und 86 wird in an sich bekannter Weise durch ein Yentilsystem und-die Schalter 64 und 66 geregelt.

Der Schalter 66 hat eine solche Stellung, daß die erforderliche Materialmenge in die Form gelangt. Je größer der Abstand zwischen den Schaltern 66 und 64 ist, desto größer ist auch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 52. Daher wird bei größerem Abstand auch eine größere Materialmenge in der Sammelzone gesammelt und anschließend in die Form gedruckt. Bei Verringerung des Abstandes zwischen den Schaltern 66 und 64 nimmt die in die Form gelangende Materialmenge ab. .

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Form schnell und vollständig ausgefüllt werden, so daß ein geschäumter Gegenstand entsteht, der keine orientierende und isotropische Spannungen hat, und aus einem aufgeschäumten Inneren und einer zusammenhängenden, im wesentlichen nicht zellenförmigen Außenschicht besteht. Die üblichen Schwierigkeiten, wie ein unvollständiges Ausfüllen der Form durch vorzeitiges Erstarren deB thermoplastischen Materials und hohe innere Spannungen treten nicht auf. Die beim erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Ergebnisse sind abhängig von dem Gewicht des aufgeschäumten Formkörpers, der Temperatur der geschmolzenen thermoplastischen Mischung, der Menge des Treibmittels in dem Gemisch, dem Druck in dem Extruder

909839/1264

und in der Sammelzone, der Temperatur der Form und der Ausbildung der Form. Wenn das geschmolzene Gemisch in der Sammelzone, das unte:/einem höheren als dem Schäumdruck steht, schnell in die Form gefördert wird, so veranlaßt der Druckunterschied ein schnelles Ausdehnen und die Bildung einer Zellenstruktur. In einigen Hlen. explodiert das Gemisch auch zu kleinen zellenförmigen Teilchen, die in der Form zusammenschmelzen und diese dadurch schnell ausfüllen. Y/enn die Form mit dieser zellenförmigen Masse gefüllt ist, so verursacht das Hineindrücken weitere Masse in die Form und ihre schnelle Ausdehnung einen nach außen wirkenden Druck, der. die äußeren Teile der zellenförmigen Masse gegen die Wandung der Form drückt. Hierbei wird ihre Zellstruktur zerstört und es entsteht eine dichte, nicht zellenförmige Haut mit einer Dicke von wenigstens o,5 mm um das zellenförmige Innere. Das beim Zusammendrücken der äußeren Teile entwAchende Gas tritt durch Öffnungen der Spritzgußform aus, z.B. durch den Stoß oder die Teillinie zwischen den beiden Teilen der Form. Wahrscheinlich hierdurch entsteht eine besondere runzelige oder gemaserte Oberfläche. Die Dicke der nicht zellenförmigen Außenschieht wird geregelt durch4ie Temperatur des Gemisches und den Druck in Extruder und in der Sammelzone.

Die Temperatur der Spritzgußform ist nicht kritisch. Kalte Formen, z.B. von Räumtempertür, über 2o°C können verwendet werden, um geschäumte Gegenstände mit einer stumpfen gemaserten Oberfläche herzustellen, die so aussehen wie Holz. Niedrigere Formtemperaturen sind vorzuziehen, da dadurch die Zeit zum Abkühlen der Gegenstände in der Form herabgesetzt wird. Bei höheren Temperaturen tritt mehr von der geschmolzenen Mischung in die Form ein, bevor sie abkühlt, wobei eine glatte und glänzende gemaserte Oberfläche entsteht. Wenn man Polyäthylen hoher Dichte verarbei-

9098 38/IaβΑ

tet, so entstehen bei Temperaturen von wenigstens etwa 13o°C glatte gemaserte Oberflächen.

Bei Spritzgußformen, in welchen dank einer komplizierten lOrm oder dank scharfer Ecken oder dergl, große Druckabfälle entstehen, werden größere Mengen des Treibmittels benötigt. Bei der Herstellung einfacher Gegenstände ist das nicht erforderlich.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können verwendet werden, um schnell, wirksam und automatisch durch Spritzguß in chargenweisem, halbkontinuierlichem oder kontinuierlichem Verfahren geschäumte Gegenstände herzustellen.

9098 3^/1284

Claims

Union Carbide Corporation 6. Februar 1969

Gzy/ih.

Patentansprüche:

1i Verfahren zum Verteilen einer vorzugsweise niedrig viskosen J Flüssigkeit in einer vorzugsweise mit der Flüssigkeit nicht mischbaren hoch viskosen Schmelze oder Lösung eines Polymers,

.man °

dadurch gekennzeichnet, daßrein Gemisch der Flüssigkeit mit der Schmelze oder Lösung des Polymers durch schnell rotierende Öffnungen hindurchdrückt, das erhaltene Gemisch dann so starken Scherkräften unterwirft, daß die Relaxationszeit der Schmelze oder Lösung überschritten wird, das Gemisch weiterhin viskoelastisch bei geringeren Scherkräften strömen läßt, es anschließend wieder durch schnell rotierende Öffnungen hindurchdrückt und gegebenenfalls das Gemisch anschließend abwechselnd wieder starken Scherkräften unterwirft und es durch schnell rotierende Öffnungen hindurchdrückt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Flüssigkeit mit der Schmelze oder Lösung vormischt und diese Mischung dann der Verteilerzone zuführt,
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man in die Verteilerzone die Vormischung und einen weiteren Anteil der Flüssigkeit getrennt einführt.
4. Die Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung von geschäumten Formkörpern aus einem thermoplastischen Stoff mit einem zellenförmigen Inneren und einer zusammenhängenden, im wesentlichen nicht zellenförmigen Außenschicht, dadurch gekennzeichnet, daß man einen thermoplastischen Stoff kontinuierlich mittels eines Extruders in

909838/1264

eine Verteilerzone einführt, in die gleichzeitig ein flüssiges Treibmittel eingeführt wird, daß man das. flüssige Treibmittel innerhalb der Verteilerzone nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 3 in dem thermoplastischen Stoff verteilt, wobei man den Druck und die Temperatur innerhalb der Yerteilerzone über dem Erweichungspunkt des thermoplastischen Stoffes, aber unter dem Verdampfungspunkt des flüssigen Treibmittels hält, daß man das verteilte Gemisch in geschmolzenem Zustande und bei einem Druck über dem Verdampfungsdruck des Treibmittels in eine Sammelzone fördert, aus dieser in eine unter geringerem Druck stehende Spritzgußform bringt, und die Verbindung zwischen der Sammelzone und der Spritzgußform unterbricht, wenn der Schäumdruck erreicht ist,
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Hohlzylinder, in dem sich eine rotierende Welle befindet, an der zwei oder mehr perforierte Scheiben befestigt sind, deren äußerer Umfang in gleitender Berührung mit der Innenwandung des Hohlzylinders steht, und wobei zwischen je zwei perforierten Scheiben eine nicht perforierte Scheibe angeordnet ist, deren äußerer Umfang¹ einen engen Ringspalt mit der Innenwandung des Hohlzylinders bildet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstünde zwischen den Scheiben wenigstens ein Viertel des Innendurchmessers des Hohlzylinders betragen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der nicht perforierten Scheiben 1/8 bis 1/12 des Innendurchmessers des Hohlzylinders ist.

90983 8/1264
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Aispruch 4, gekennzeichnet durch einen Extruder für den thermoplastischen Stoff, eine Verteilervorrichtung nach einem der Ansprüche 5 "bis 7, eine Sammelkammer, in welcher das aus dem Verteiler kommende Gemisch über der Erweichungstemperatur des thermoplastischen Stoffes und unter dem Schäumdruck des Treibmittels gehalten wird, eine Spritzgußform, die unter einem Druck unter dem Schäumdruck des Treibmittels gehalten wix-d, Mittel zur Herstellung und zum Unterbrechen einer Verbindung zwischen der Sammelkammer und der Spritzgußform, wenn der Druck den Schäumdruck übersteigt, und Mittel zum schnellen Fördern des Gemisches aus der Sammelkammer in die Spritzgußform.

909838/1264

2 2
Leerseite