DE1948871B2

DE1948871B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Formkörpern aus Schaumkunststoff

Info

Publication number: DE1948871B2
Application number: DE1948871A
Authority: DE
Inventors: Robert Frederick Joseph London Cotterell
Original assignee: H CAPLAN (FURNITURE) Ltd LONDON
Current assignee: H CAPLAN (FURNITURE) Ltd LONDON
Priority date: 1968-09-26
Filing date: 1969-09-26
Publication date: 1975-09-04
Also published as: DE1948871A1; FR2018976A1; NL6914631A; ES371896A1; SE357158B

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Formkörpern aus Schaumkunststoff, bei welchem perlenförmiges. treibmittelhaltiges, vorgeschäumtes thermoplastisches Material, insbesondere Polystyrol, in eine aus Metall bestehende Form eingefüllt und durch <>° Einwirkung von Wärme weiter aufgeschäumt und zu dem Formkörper versintert wird, wobei das an die Formwände angrenzende Material durch Zuleitung von Wärme durch die Formwände aufgeheizt wird und die Materialbereiche im Absland von den Formwänden durch Einführen eines heißen gasförmigen Mediums, insbesondere Dampf, durch Einlaßöffnungen in den Formwänden aufgeheizt und durch Herausführen des gasförmigen Mediums durch Auslaßöffnungen in den Formwänden entlüftet werden.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen von Formkörpern aus Schaumkunststoff zur Durchführung des Verfahrens, mit einer Form aus Metall, in deren Formwandungen mit Durchtrittsetffnungen versehene Einlaßdüsen und Auslaßdüsen eingesetzt sind, durch welche ein heißes gasförmiges Medium, insbesondere Dampf, in die Form und aus der Form geleitet wird.

Es ist bekannt, als Ausgangsmaterial für geschäumtes Polystyrol Polystyrolperlen zu verwenden, in denen Pentan oder ein anderer niedrigsiedender Kohlenwasserstoff als Treibmittel eingeschlossen ist. Beim Erhitzen der Perlen erhöht sich der Druck des Treibmittels, während das Polystyrol weich wird, so daß die Perlen aufgetrieben werden. Der Grad des Aufschäumens und damit die Dichte werden durch die Temperatur und die Dauer der Erwärmung bestimmt. Zur Herstellung von Formkörpern wird eine Form mit entsprechend der gewünschten Dichte vorgeschäumten Polystyrolperlen vollständig angefüllt und dann geschlossen, wonach die Perlen in der Form erwärmt werden. Die zugeführte Wärme erhöht den Druck des Treibmittels und erweicht das Material, so daß sich die Perlen bis zum Ausfüllen der zwischen ihnen vorhandenen Zwischenräume ausdehnen und zu einer Zellstruktur zusammenschmelzen.

Das Erhitzen der Form erfolgt vielfach durch Heißdampf innerhalb eines Dampfautoklavs. Hierbei werden die an die metallischen Formwandungen anschließenden Materialschichten durch Wärmeleitung durch die Formwandung verhältnismäßig stark aufgeheizt, damit diese Materialschichten besonders homogen zu einer harten Haut verschmelzen. Diese Haut ist beträchtlich härter als die übrigen Bereiche im Inneren des Formkörpers und trägt wesentlich zur Erzielung der Steifigkeit des Formkörpers bei. Die inneren Bereiche des Formkörpers können jedoch nicht mehr allein durch Wärmeleitung aufgeheizt werden. Deshalb wird der Dampf durch Öffnungen, beispielsweise in Form von in die Formwandung eingesetzten Schlitzdüsen (Zeitschrift »Kunststoffe«, Bd. 52, 1962. Heft 8. S. 497). durch die Formwandung gedruckt, um das vorge schäumte grobstückige Material durch unmittelbare Dampfbeheizung zur endgültigen Gestalt expandieren und zusammensintern zu lassen (sogenannte Dampfstoß-Verarbeitung). Wenn jedoch der Formkörper einen verhältnismäßig dicken Querschnitt hat. kondensieren überschüssige Darnpfmengen innerhalb des Formhohlraumes, und das Kondensat verhindert das Zusammensintern der Perlen insbesondere im Zentrum des Formhohlraumes. Es muß daher etwa durch entsprechende Auslaßdüsen Vorsorge getroffen werden, das Innere des Formkörpers zum Austreiben von überschüssigen Gasen, Luft und Kondensaten zu entlüften. Eine solche Entlüftung wird jedoch bei den bekannten Verfahren vielfach dadurch verhindert, daß die äußeren, durch Wärmeleitung durch die Formwandung aufgeheizten Materialschichten vorzeitig zusammenschmelzen und dann den Weg für die Gase und das Kondensat aus dem Inneren des Formkörpers zu den Auslaßdüsen versperren. Dies führt zu Formkörpern bei denen das thermoplastische Material im Innerer des Formkörpers unzureichend versintert wird.

Demgegenüber wird durch die Erfindung die Aufgabe gelöst, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, durch welche ein aus·

seichendes Entlüften des Inneren des Formkörpers gewährleisict «si.

Dies wird beim erfindungsgemäßen Verfahren da-Jurch erreicht, daß die in der Umgebung der Auslaßöffiuiigen liegenden Bereiche des Materials einer geringeren durch Wärmeleitung durch die Formwände erzeugten Wärmeeinwirkung ausgesetzt werden als die an die öffnungslosen Teile der Fo^mwände angrenzenden Bereiche des Materials.

Es wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das erwünschte Aufheizen der Randzonen des F-«-mkörpers durch Wärmeleitung durch die Formwände weiterhin vorgesehen, jedoch wird im Bereich der Auslaßöffnungen die Wärmeleitung gering gehalten. Hierdurch wird ein vorzeitiges Zusammenschmelzen der Randzonen de·. Formkörpers im Bereich der Auslaßöffnungen vermieden, so daß durch diese Bereiche das Innere des Formkörpers ausreichend entlüftet werden kann. Es bleiben daher beim erfindungsgemäßen Verfahren die Auslaßöffnungen so lange offen, bis die inneren Materialschichten durch den Dampf oder ein entsprechendes Heißgas vollständig zusammengeschmolzen sind. Als Ergebnis weist der erfindungsgemäß hergestellte Formkörper eine gleichmäßige Struktur ohne Einschlüsse od. dgl. auf. 2s

Im Bereich der Ein.aßöffnungen der Form reicht der Zeitraum bis zum Zusammenschmelzen der an die Einlaßöffnungen angrenzenden Materialteile im allgemeinen aus, eine ausreichende Gasmenge in das Innere des Formkörpers zum Aufheizen desselben gelangen zu lassen. Überdies wird durch die einströmenden Gasströme der Zugang zu den inneren Bereichen des Materials verhältnismäßig lange offengelassen. Jedoch kann es auch im Bereich der Einlaßöffnungen unter dem Einfluß der Wärmeleitung durch die Formwandung zum vorzeitigen Verschließen der Eintrittswege für das Gas kommen. Daher wird in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß auch die in der Umgebung der Einlaßöffnungen liegenden Bereiche des Materials der geringeren Wärmeeinwirkung durch Wärmeleitung ausgesetzt werden.

Das für das Aufheizen des Inneren des Formkörpers verwendete gasförmige Medium kann Heißluft sein, ist vorzugsweise jedoch Dampf mit einem Druck von etwa 1 bis 1,5 kg/cm². Das Entlüften des Forminneren kann durch ein entsprechendes Leitungssystem, welches an die Auslaßöffnungen anschließt, in da freie Atmosphäre oder in eine Unterdruckzone erfolgen.

Im Sinne der Erfindung ist eine entsprechende Vorrichtung zum Herstellen von Formkörpern aus Schaumkunststoff zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßdüsen, und vorzugsweise auch die Einlaßdüsen, aus einem Material mit gegenüber den Material der Form wesentlich geringerer Wärmeleitfähigkeit gebildet sind. Durch die erfindungsgemäßen Aus- und Einlaßdüsen können die bisher bekannten, als Pfropfen ausgebildeten Aus- und Einlaßdüsen ersetzt werden, die im allgemeinen aus die Wärme gut leitenden Aluminiumlegierungen bestehen und in Abständen von etwa 50 mm bei einem Durchmesser von etwa 12 mm in die Formwandung eingesetzt sind.

Die erfindungsgemäße Form wird vorteilhaft in einen Autoklav gesetzt, der mit Dampf beheizt ist. Dabei werden die Auslaßdüsen mit Vorteil mit einem aus dem Autoklav in die Atmosphäre führenden Leitungssystem verbunden, damit die durch Ausdehnung der Materialstückchen in der Form verdrängte Luft, Gase, Kondensate und Dampf in die Atmosphäre abgeleitet werden.

Wenn erfindungsgemäß auch die Einlaßdüsen aus einem Material von geringerer Wärmeleitfähigkeit als das der Form bestehen, werden die Einlaßöffnungen nicht nur nicht durch Festbrennen des thermoplastischen Materials blockiert, wie dies bei aus Metall bestenenden Einlaßdüsen vorkommen kann, sondern darüber hinaus auch hinterlassen Einlaßdüsen aus einem Material geringerer Wärmeleitfähigkeit keine Brandflecken oder Unebenheiten in dem fertigen Formkörper, und dieser läßt sich aus einer derartigen Form leichter entnehmen als aus einer Form mit aus Metall bestehenden Einlaßdüsen. Darüber hinaus ergibt sich eine kürzere Arbeitszeit für den einzelnen Formungsablauf.

Die Einlaßdüsen sind ebenso wie die Auslaßdüsen vorzugsweise aus Polyamid (Nylon) gefertigt, können jedoch auch aus jedem anderen geeigneten Material bestehen, das der Temperatur und dem Druck des gasförmigen Mediums ohne Schädigungen widersteht und dessen Wärmeleitkoeffizient niedrig genug ist, um an den nach innen gekehrten Flächen der Düsen eine Temperatur zu verleihen, bei der das mit den Düsen in Berührung stehende thermoplastische Material früher zusammenschmilzt als die Materialteilchen im Inneren der Form unter der Wirkung des in die Form geleiteten heißen gasförmigen Mediums.

Die Entgasung der Form kann unmittelbar nach der Zuleitung des gasförmigen Mediums in die Form erfolgen, wobei dieselben Stopfen mit geringer Wärmeleitfähigkeit sowohl für die Zufuhr des gasförmigen Mediums in die Form als auch für das folgende Entgasen der Form Verwendung finden können. Dieses Verfahren ist insbesondere anwendbar in automatischen Formmaschinen, bei denen die Dampfkästen für die Zuleitung von Dampf in die Einlaßöffnungen in der Formwandung verhältnismäßig klein sind und daher schnell entlüftet werden können.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 die Schnittansicht einer in einem Dampfautoklav befindlichen und über ein Leitungssammlersystem in die Atmosphäre entlüfteten Form,

F i g. 2 die perspektivische Ansicht einer der Düsen, die in die Wand der Form in F i g. 1 eingesetzt sind.

F i g. 3 die Teilansicht einer Wand der Form mit zwei der in F i g. 2 dargestellten Düsen, von denen eine als Zuleitung für den Dampf in die Form dient und die andere mit dem Leitungssammlersystem verbunden ist,

F i g. 4 die perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführung einer Ein- oder Auslaßdüse,

F i g. 5 die Teilansicht einer Wand der Form mit zwe der in F i g. 4 dargestellten Düsen, von denen die eine als Einlaßdüse und die andere als Auslaßdüse dient unc mit dem Leitungssammlersystem verbunden ist, und

F i g. 6 die Schnittansicht einer Formmaschine für di< Durchführung des Verfahrens.

Die in F i g. 1 dargestellte Form weist die obere unc untere Formhälfte 10 und U mit den seitlichen Steget 12, 13 auf, an denen die Formhälften zusammenge schraubt sind, so daß sie den Formhohlraum 14 bilder der in seinen Abmessungen einem aus schäumbaren Polystyrol herzustellenden Gegenstand entspricht. Dii beiden Formhälften weisen (nicht dargestellte) End wandungen auf, durch welche die Form seitlich abge schlossen wird. Die Formhälften bestehen aus eine

Aluminiumlegierung. In die Formhälften sind in Form von Nylonstopfen ausgebildete Ein- und Auslaßdüsen 15 in öffnungen 16 eingesetzt.

Die Düsen 15 weisen alle den gleichen Aufbau auf mit. wie in F i g. 2 und 3 dargestellt, einem zylindrischen Stutzen 20, der etwa 30 mm Durchmesser hat und im Paßsitz in der öffnung 16 sitzt, und dem Flansch 21 am äußeren Ende, der um die öffnung herum an der Wand der Formhälfte anliegt. Der Flansch 21 weist Löcher für Schrauben 22 auf, die die Düse an der Formhälfte befestigen. Das innere Ende des Stutzens 20 ist durch den Boden 23 abgeschlossen, der glatt mit der Innenwand der Formhälfte verläuft und Schlitze 24 für den Durchtritt eines Strömungsmediums durch die Düse aufweist. Die Düsen sind gleichmäßig über die Wand der Formhälften verteilt und haben untereinander Abstände von etwa 18 cm. Die Düsen bestehen aus Polyamid. F.s sind jedoch auch andere ähnliche Materialien geeignet, die einen vergleichsweise niedrigen Wärmeleitungskoeffizienten aufweisen und bei der Formge bung aufgetretenen Temperaturen und Dampfdrücken widerstehen können. Die Innenseite des Stui/ens 20 ist mit einem Schraubgewinde 25 versehen.

Ein Auslaß-Sammlersystem 28 ist mit einer bestimmten Anzahl von Düsen 13 verbunden, die gleichmäßig über die Wand der Formhälften verteilt sind. Das Sammlersystem weist das Sammlerrohr 29 auf, von welchem aus einzelne Leitungen 30 zu den einzelnen Auslaßdüsen verlaufen, und ein an das Sammlerrohr 29 anschließendes Auslaßrohr 31 Die Leitungen 30 haben Außengewinde, mit denen sie, wie in F i g. 3 dargestellt, in die Schraubgewinde 25 der dafür bestimmten Düsen geschraubt sind. Die Auswahl der an das Auslaß Sammlersystem anzuschließenden Düsen hängt von der Form und der Dicke des herzustellenden Gegenstandes ab. In der Praxis hat es sich herausgestellt, daß befriedigende Ergebnisse erzielt wenden, wenn jeweils eine von zwölf Düsen an das Auslaß-Sammlersystem angeschlossen wird. An Stellen der Form, an denen eine plötzliche Änderung der Dicke oder der Form stattfindet, kann es sich jedoch als notwendig erweisen, eine größere Anzahl von Düsen an das Auslaß-Sammiersystem anzuschließen. Aus Gründen der Genauigkeit werden im folgenden die an das Auslaß-Sammlersystem angeschlossenen Düsen als Auslaßdüsen 35 bezeichnet und die übrigen als Einlaßdüsen 36.

Zum Betrieb wird die Form durch Versehrauben der beiden Formhälften zusammengefügt und der Hohlraum zwischen den Formhälften mit auf die gewünschte Dichte vorgeschäumten Perlen aus schäumbarem Polystyrol ausgefüllt Darauf wird die Form in den Autoktav gesetzt, wie in F i g. 1 dargestellt, wobei das Auslaßrohr 31 des Sammtersystems durch die Wandung des Autoklav m die freie Atmosphäre geführt ist Darauf wird der Autoklav geschlossen, end Dampf unier einen Dracfcvoo 1 bis 1,5 fcgfcJB* wird tn den Auto kl»* geleitet Der m den Aotoktev egnc Dampf sn«m dort* die Ml 36 η die Form und er Mt» die darin in fterlea. wahrend Luft Gase. Kondensat end Dampf der* £e AesfaSdäsen JS und das iiinii w die Awaore entweichen Um die StriSmmg m dk Form hinein za «erstarken, kann des Aestaft-SamratersTsfeiR » eräe Usien» «ckzo.-*- pe

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halten die mit diesen in Berührung stehenden Perlen nur sehr wenig von der durch die Wand geleiteten Wärme. Dadurch bleiben die Schlitze 24 in den Auslaßdiisen 35 so lange frei, bis die davor befindlichen Perlen durch die Wärme des Dampfes in der Form verschmolzen sind. Dieser Dampf erhitzt auch die Perlen im Inneren der Form, die dadurch nahezu gleichzeitig mit den an den Düsen befindlichen Perlen aufschäumen und verschmelzen. Der gleichförmige Dampfstrom durch

,o die Einlaßdüsen 36 verhindert das sofortige Verschmelzen der diesen Düsen benachbarten Perlen lange genug, um das vollständige Expandieren und Verschmelzen im gesamten Formhohlraum zu ermöglichen. Auf Grund der geringen Wärmeleitfähigkeit der Düsen steigt die Erwärmung der Einlaßdüsen nicht auf solche Werte, bei denen ein Oberhitzen der mit den Stopfen in Berührung stehenden Perlen vor der Beendigung der Formgebung eintreten würde.

Die F i g. 4 und 5 stellen eine andere Ausführung einer Düse 40 dar, die sowohl für die Zufuhr von Dampf in die Form als auch zur Entgasung der Form verwendet werden kann. Die Düse 40 weist einen zylindrischen Stutzen 41 mit einem Durchmesser von etwa 19 mm auf. welcher ein offenes Ende und einen Boden

2s 42 am anderen Ende hat. welcher eine Anzahl Schlitze 43 für den Durchtritt eines Strömungsmediums durch die Düse aufweist. Die äußere Wandung der Düse ist mit einem Schraubgewinde versehen, und die Düse ist in eine mit Gewinde versehene Öffnung in der Wand der Form geschraubt, so daß der Boden 42 mit der Innenwand der Form bündig abschließt. Die Düsen 40 sind vorteilhaft in Abständen von etwa 180 mm gleichmäßig über die Wand der Form verteilt, wobei bestimmte Düsen mittels auf die äußeren Enden der Dusen und die I otungcn 30 geschraubten, mit Innengewinde versehenen Muffen 44 mit den Leitungen 30 des Sammlersystems verbunden sind, wie in F i g. 5 dargestellt. Die Düsen 40 bestehen vorzugsweise aus einem Material welches zusätzlich zu seiner geringen War meleilfähigkeit elastisch ist. so daß sich die Gewinde der Düse dem Gewinde in der Öffnung der Wand derart anpassen, daß ein im wesentlichen dichter Si?? ce währieistet ist Nylon ist ein hierfür geeignetes Mate rial

Die in F i g. to dargestellte automatische Formmaschine weist eine feste Backe 45 auf mit einer Formhätfte. die zusammen mit der Backe 45 einen Dampfkasten 47 bildet. Außerdem ist eine bewegliche Backe 48 mit der Formhälfte 49 verbunden, die zusammen mn der Backe 48 den Dampfkasten 50 bildet Die Backe 48 bewegt sich zwischen einer in F i g t» dargestellten Schließstellung, in der die Formhälften einen den Abmessungen des herzustellenden Gegenstandes entsprechenden Hohlraum 51 umschließen, und einer OffcnsteUung. in

ss der ein geformter gen rwtseben den ForabSff ten 46 und 49 omen wenden kann. Die beiden Dampftasten 4* and » sind ober die Rohre S2 and S3 RNt einem in Dremegbahn S4 RMtteh den die Rohre entweder ent der I

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mn der die aung der Form

Wand der Formhälften bündig abschließen. Alle Düsen 40 sind nach dem entsprechenden Dampfkasten hin offen.

Im Betrieb werden die Backen der Maschine geschlossen, und der Raum zwischen den Formhälfien wird mit auf die erforderliche Dichte vorgeschäumten Perlen von schäumbarem Polystyrol gefüllt. Die Perlen werden in bekannter Weise durch Öffnungen in den Formhälften eingefüllt. Darauf wird über das gemeinsame Ventil 54 Dampf in die Dampfkästen 47 und 50 geleitet, der dann durch die Düsen 40 in die Form eintritt. Nach einer kurzen Zeit, während welcher der Dampf die Perlen im Inneren der Form zum Schäumen bringt, werden die Dampfkästen über das Ventil 54 mit der Atmosphäre verbunden. Wegen der Ausdehnung der Perlen und dem Dampfdruck in der Form steht das Innere der Form unter höherem Druck als die Umgebung, so daß Luft, Gase, Kondensat und Dampf durcl die Düsen 40 hindurch in die Dampfkästen und voi dort über das Ventil 54 in die freie Atmosphäre ausgc stoßen werden. Anschließend werden die Formhälfter 46 und 49 durch die Sprühvorrichtungen 57 gekühlt bevor die Backe 48 gesenkt wird, so daß der Gegen stand entnommen werden kann.

Der zur Erhitzung der Perlen in der Form crfordcrli ehe Zeilraum ist abhängig von der Gestalt und Größe

ίο der Form und kann nur experimentell ermittelt werden Unabhängig jedoch von der erforderlichen Zeit bc wirkt das wenig wärmeleitfähige Material der Düsen daß die mit den Düsen in Berührung stehenden Perler nicht durch Wärmeleitung von den Wänden her ver schmelzen und die Düsen frei bleiben, bis Luft, Gase und Kondensat aus der Form entwichen sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

509536/381

1655

Claims

Patentanspräche:

1. Verfahren zum Herstellen von Fonnkörpern aus Schaumkunststoff, bei welchem perlenförmiges. s treibmiitelhaltiges. vorgeschäumtes thermoplasti sches Material insbesondere Polystyrol, in eine aus Metall bestehende Form eingefüllt und durch Einwirkung von Wärme weiter aufgeschäumt und zu dem Formkörper versintert wird, wobei das an die Formwände angrenzende Material durch Zuleitung von Wärme durch die Formwände aufgeheizt wird und die Materialbereiche im Abstand von den Formwänden durch Einführen eines heißen gasförmigen Mediums, insbesondere Dampf, durch Einlaßöffnungen in den Formwänden aufgeheizt und durch Herausführen des gasförmigen Mediums durch Auslaßöffnungen in den Formwänden entlüftet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die ·η der Umgebung der Auslaßöffnungen liegenden Bereiche des Materials einer geringeren durch Wärmeleitung durch die Formwände erzeugten Wärmeeinwirkung ausgesetzt werden als die an die öffnungslosen Teile der Formwände angrenzenden Bereiche des Materials.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die in der Umgebung der Einlaßöffnungen liegenden Bereiche des Materials der geringeren Wärmeeinwirkung durch Wärmeleitung ausgesetzt werden.

3. Vorrichtung zum Herstellen von Formkörpern aus Schaumkunststoff zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Form aus Metall, in deren Formwandungen mit Durchtrittsöffnungen versehene Einlaßdüsen und Auslaßdüsen eingesetzt sind, durch welche ein heißes gasförmiges Medium, insbesondere Dampf, in die Form und aus der Form geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßdüsen (15.40) aus einem Material mit gegenüber dem Material der Form (10, 11, 46. 49) wesentlich geringerer Wärmeleitfähigkeit gebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Einlaßdüsen (36) aus einem Material mit gegenüber dem Material der Form wesentlich geringerer Wärmeleitfähigkeit gebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßdüsen bzw. Einlaßdüsen aus Polyamid bestehen.