DE1950239C3 - Verfahren zum Vorschäumen von treibmittelhaltigen thermoplastischen Kunststoffteilchen und Vorrichtung zur Durchführung desselben - Google Patents

Description

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfah- in den geschlossenen, evakuierten Kessel eingeführtes rens nach Anspruch 1 und 2 mit einem geschlos- Kühlmittel gekühlt werden.

senen Kessel zum Aufnehmen des verschäum- Die vorzugsweise aus Wasser bestehende Kühl-

baren Polymerisats in einer im wesentlichen 30 mittelmenge, die dem geschlossenen Kessel zugesetzt trockenen Atmosphäre, Einrichtungen für die Zu- wird, während die erhitzten Perlen noch dem Vaführung einer vorbestimmten Teilchenmenge in kuum ausgesetzt sind, wird je nach der im Kessel beden geschlossenen Kessel, Einrichtungen zum findlichen Perlenmenge und der Größe des Kessels Rühren der Teilchen, während sich diese im ge- variieren. Wenn Wasser verwendet wird, wird diese schlossenen Kessel befinden, Einrichtungen zum 35 durch Berechnung der Wassermenge, die sich bei der Erhitzen der Teilchen in einer wesentlich trocke- bestimmten Temperatur und dem Vakuumsgrad in nen Atmosphäre, vorzugsweise durch Wärme- Dampf umwandelt, bestimmt. Obwohl sie den Perlen übertragung, während sich diese im geschlossenen zugegeben wird, ergibt diese Wassermenge keine Kessel befinden, einer Vakuumquelle zur Be- feuchten vorgeblähten Teilchen, sondern diese werhandlung der Teilchen in dem geschlossenen 4" den sich trocken anfühlen, nachdem sie aus dem Kes-Kessel mit verringertem Druck für eine bestimmte sei entfernt wurden. Zu viel Wasser könnte feuchte Zeit zur teilweisen Expansion der Teilchen auf vorgeblähte Teilchen ergeben, während zu wenig eine vorbestimmte Dichte, Einrichtungen zur Wasser bewirken würde, daß nicht alle Perlenober-Aufhebung des Vakuums und Einrichtungen zum flächen abgekühlt würden und man eine extrem Entfernen der teilweise expandierten, verschäum- 45 niedrige Dichte nicht erhält.

baren Polymerisatteilchen aus dem geschlossenen Da die Dampf-Sättigungstemperatur bei 380 bis

Kessel, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrich- 635 mm Hg niedriger ist als unter atmosphärischen tungen zum Zuführen einer steuerbaren Kühl- Bedingungen und auch niedriger als die Vorblähmittelmenge zu dem Kessel, während die Teilchen temperatur im Kessel, kühlt der Wasserdampf die einem Vakuum ausgesetzt sind, aufweist. 50 Oberfläche des vorgeblähten Materials und verur

sacht wahrscheinlich ein Erstarren der Zellen, bevor eine wesentliche Schrumpfung eintreten kann.

Eine geeignete Vorrichtung für die Vorexpandie-

rung besteht aus einem geschlossenen Kessel, der das 55 zerkleinerte Polymerisat in einer im wesentlichen

Bei der Herstellung von vorgeschäumten Poly- trockenen Atmosphäre enthält, einer Beschickungsstyrolteilchen werden expandierbare Teilchen der vorrichtung zum Einführen der Polymerisatteilchen Einwirkung von atmosphärischem Dampf ausge- in den geschlossenen Kessel, eine Rühr- und Erwärsetzt, wie dies in der US-Patentschrift 30 23 175 be- mungsvorrichtung und einer Vakuumquelle, um die schrieben ist. Der Dampf bewirkt, daß das Kohlen- 60 erwärmten, gerührten Teilchen dem Vakuum auszuwasserstoff-Blähmittel teilweise verdampft, so daß setzen, sowie aus Vorrichtungen zur Aufhebung des vorgeschäumte Teilchen entstehen. Eine solche Vor- Vakuums und zur Entfernung der vorexpandierten expansion macht die Alterung der Perlen für eine Teilchen aus dem geschlossenen Kessel. Erfindungslängere Zeitdauer, etwa für 24 Stunden, notwendig, gemäß weist diese Vorrichtung eine Einrichtung zum bevor sie zu Schaumstoffgegenständen aufgeschäumt 65 Zuführen einer steuerbaren Kühlmittelmenge zu dem und versintert werden können, da sonst eine unregel- Kessel auf, während die Teilchen im geschlossenen mäßige Schaumstruktur der Formteile entsteht. Kessel einem Vakuum ausgesetzt sind. In den Zeich-

Die geringste Dichte, die beim Schäumen mit nungen zeigt

pig 1 eine schematische Darstellung einer Räumvorrichtung für das erfindungsgemäße Ver-

^ap1g 2 eine graphische Darstellung der Wirkung _des vor der Aufhebung des Vakuum in den Kessel eeaebenen Kühlmittels bei der Herstellung vorgeblähter Teilchen einer so extrem niedrigen Dichte wie 0 0064 g/cm³,

F i g. 3 eine graphische Darstellung der Wirkung der dem Kessel zugeführten Kühlmittelmenge (hier Wasser) bei der Herstellung vorgeblähter Teilchen extrem niedriger Dichte,

Fig 4 eine graphische Darstellung der Wirkung von unterschiedlichen Vorerwärmungszeiten vor dem Vakuum auf die Produktendichte.

In F i g. 1 wird ^ein geschlossener Kessel 1 gezeigt, worin ein Rührwerk 3 vorgesehen ist. Um zu verhindern daß die vorexpandierten erweichten Perlen an den 'Kesselwänden festkleben, kann der Kessel auf der Innenseite 5 mit einem geeigneten Material, wie ζ B Polytetrafluoräthylen, beschichtet sein.

Die Beschickung des Kessels sollte so bemessen werden daß der Kessel, wenn die Teilchen völlig zu der gewünschten Dichte expandiert sind, etwa zu 85 »Ό gefüllt ist. Dies verhindert eine Verstopfung der »5 Expandiervorrichtung oder einer Perlenverschmelzuni' zu einer verschäumten Masse. Die Zuführungsvorrichtung ist mit einem Vorratstrichter 13 für die p₀l_vmerisatteilchen versehen. Die Teilchen fließen vom Trichter 13 durch Leitung 15 und Ventil 17 zu einer Dosiereinrichtung 19. Von der Dosiereinrichtung 19 fließen die Perlen durch die Leitung 21 und das Ventil 23 zur Leitung 25 und gelangen durch den Einlaß 29 in den Kessel. Bei der dargestellten Vorrichtung werden die Teilchen durch Gravitationswirkung zugeführt, jedoch sind auch andere Zufuhrungsmethoden anwendbar.

Die Teilchen werden in Kessel 1 mittels der Ruhrvorrichtung 3, hier ein Bandmischer, gerührt Die Art der Rührvorrichtung ist nicht entscheidend, jedoch ist das Rühren bzw. Mischen notwendig, da dadurch das Verklumpen oder Festkleben der erweichten Perlen aneinander während der Vorexpansion vermieden

^W1Die Teilchen in Kessel 1 werden dann durch Beheizung der Kesselwände in einer im wesentlichen trockenen Atmosphäre erhitzt.

Nachdem die Polymerisatteilchen auf die gewünschte Temperatur erhitzt worden sind, die im allgemeinen für expandierbares Polystyrol zwischen etwa 80 und 105⁰C liegt, wird ein Vakuum an den Kessel 1 gelegt. Die Vakuumquelle 41, z. B. eine herkömmliche Vakuumpumpe, ist über Leitung 35 die mit Ventilen 37 und 39 und dem Druckmesser 40 zur besseren Regelung des Vakuums versehen ist, mit dem Einlaß 33 des Kessels verbunden

In Leitung 35 ist ein Sieb 31 angebracht, das den Eintritt der Perlen von Kessel 1 in Leitung 35 verhindert, wenn die Vakuumquelle in Betneb ist. Es wurde gefunden, daß bei Verwendung einer emz.gen Leitung für den Vakuumsanschluß die öffnung _zu verstopfen neigt. Es ist daher vorteilhaft, wenn mehr als eine Vakuumleitung zum Kessel 1 fuhrt. Wie gezeigt, kann dafür eine zusätzliche Le.tung 85 vor-Lehen sein, die mit Leitung 25 des Zufuhrungssystems verbunden ist. Wenn das Vakuum angewendet werden soll, ist das Ventil 23 der Leitung 25 gecrhin«_Pn. und das Innere des Kessels 1 wird dem Vakuum über Einlaß 29, Leitung 25_: Flansch 87 und Leitung 85 sowie durch Einlaß 33 ausgesetzt.

An dem geschlossenen Kessel 1 ist eine Zuführvorrichtung 91 vorgesehen, die über die Leitung 93 mit dem Kessel 1 verbunden ist. Die Vorrichtung 91 ist geeignet, das Kühlmittel, wie z. B. Wasser oder ein anderes Kühlmittel, in den Kessel einzuleiten, während dieser unter Vakuum steht.

Nachdem das zerkleinerte Polymerisat unter Vakuum erhitzt, aufgeschäumt und anschließend durch ein Kühlmittel gekühlt worden ist, wird das Vakuum durch öffnen des Kessels zur Atmosphäre aufgehoben. Dies geschieht über die Belüftungsöffnung 51 und die Leitung 55, die das normalerweise geschlossene Ventil 53 aufweist. Zum Belüften wird Ventil 53 geöffnet und atmosphärische Luft tritt in den Kessel ein. Nach der Belüftung des Kessels müssen die vorgeschäumten Teilchen aus dem Kessel 1 entfernt werden. Dafür ist eine Druckluftquelle 71 vorgesehen, wobei die durch Leitung 73 geleitete Druckluft die Teilchen aus dem Kessel verdrängt. Das Ventil 37 zur Vakuumquelle 41 wird geschlossen und Druckluft durch Leitung 73, Leitung 75, das geöffnete Ventil 77 und die Leitung 55 in den Kessel 1 gepreßt. Luft wird auch über die Leitung 73 in den Kessel 1 gepreßt. Zusätzlich wird Luft von der Leitung 73 zur Leitung 85 gepreßt, von wo sie teilweise zur Leitung 35 und teilweise durch die Leitung 25 (Ventil 23 in Leitung 25 ist geschlossen) zum Einlaß 29 und in den Kessel 1 geleitet wird. Da die Druckluft durch die Flansche 59 und 31 einströmt, wird vermieden, daß die Flansche durch die Teilchen verstopft werden.

Wenn die Druckluft in den Kessel 1 eingeführt wird, ist das Ventil 103 geöffnet, so daß der Luftstrom und das vorexpandierte zerteilte Polymerisat durch Leitung 101 und Ventil 103 in den Sammelbehälter 105 fließen kann, von wo aus es durch die Leitung 107, entweder zur Lagerung oder gegebenenfalls direkt zu einer Formungsvorrichtung geleitet wird.

Aus Gründen der Sicherheit ist am Kessel auch ein Sicherheitsventil 115 vorgesehen, das über Flansch 113 und Leitung 111 mit dem Kessel verbunden ist.

Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich beispielsweise Homo- und Mischpolymerisate, die sich von Vinylmonomeren, wie Styrol, Vinylchlorid, Divinylbenzol, a-Methylstyrol, ringsubstituierte Dimethylstyrole, Viny!naphthaline und dergleichen ableiten. Besonders geeignet sind Polystyrol und Misch polymerisate von Polystyrol mit Monomeren, wie λ-Methylstyrol, Divinylbenzol, Butadien, Isobutylen und Acrylnitril, die etwa 50 °/o oder mehr Styrol enthalten. Treibmittel für diese verschäumbaren Materialien sind aliphatische oder cycloaliphatische Kohlenwasserstoffe mit etwa 1 bis 7 Kohlenstoffatomen im Molekül, wie z. B. Methan, Äthan, Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan, Petroläther, Cyclopentan, Cyclohexan, Cyclopentadien und deren halogenhal-•ige Derivate, die einen Siedepunkt unterhalb des Erweichungspunktes des Polymerisates aufweisen, wie z. B. Dichloräthylen, Isopropylchlorid, Methylchlorid, Dichloräthan, Dichlordifluormethan und dergleichen. Andere geeignete Blähmittel sind Aceton, Methylacetat, Äthylacetat, Methylforniiat, Äthylformiat, Propionaldehyd, Dipropyläther und dergleichen und Mischungen davon, die einen Siedepunkt aufweisen, der niedriger ist als der Erweichungspunkt des Polymerisats.

Die in dem Expansionsverfahren verwendete Temperatur ist von der Art des bei dem Verfahren verwendeten Polymerisats abhängig. Für expandierbare Homopolystyrolteilchen wird im allgemeinen eine Erhitzung auf eine Temperatur von etwa 79,4 bis 82,3°C die Erweichung des Polymerisats bewirken und Temperatur bis etwa 98,8 bis 104,5° C oder höher angewendet werden, solange genügend stark gerührt wird und andere Verfahrensvariablen vorgesehen sind.

Die Zeitdauer, während der das zerkleinerte Polymerisat vor Anwendung des Vakuums der Erhitzung ausgesetzt wird und die Zeitdauer, während der sie unter dem Einfluß des Vakuums stehen, hängen ebenfalls von der Temperatur, Polymerisatart, dem flüchtigen Anteil der Perlen oder anderen Verfahrensvariablen ab. Eine Erhöhung der Vorerhitzungszeit vermindert im allgemeinen die endgültige Dichte der vorexpandierten Teilchen, vorausgesetzt, daß die anderen Verfahrensvariablen konstant gehalten werden.

Nach der gewünschten Vorerhitzunigsdauer, werden die gerührten, erhitzten Teilchen einem Vakuum ausgesetzt. Das für eine bestimmte Polymerisatdichte geeignete Ausmaß des Vakuums ist ebenfalls von dem Temperatur/Zeit-Verhältnis für die Polymerisatart abhängig. Es wurde gefunden, daß die Erhöhung des angewendeten Vakuums eine Verminderung der Dichte der vorgeblähten Teilchen bewirkt, wenn andere Variablen konstant gehalten werden. Als ein besonders geeignetes Vakuum hat sich ein solches von etwa 254 bis 635 mm Hg erwiesen, obwohl auch etwas höhere oder niedrigere Werte angewendet werden können.

Beispiel 1

Die Vorrichtung umfaßte einen etwa 95 1 fassenden zylindrischen, horizontalen Bandmischer, der für Vakuum ausgelegt und für Dampferhitzung bei Drükken bis zu 7 atü ummantelt war, wie sie in F i g. 1 allgemein dargestellt ist. Der 95-1-Kessel war auf der Innenseite mit Polytetrafluoräthylen beschichtet, um das Festkleben der erhitzten Perlen an den Innenwänden zu vermeiden. Die bei diesem Prototyp verwendbaren Rührgeschwindigkeiten liegen zwischen 60 und 280UpM. Vakuumquelle war eine Pumpe, die die Anwendung von etwa 635 mm Hg Vakuum im Kessel in 5 bis 7 Sekunden erlaubte.

Die Wirkung der Zugabe des Wassers in den Kessel nach der Erhitzung des Vorexpandierungsmaterials und der Vakuumexpansion, jedoch vor der Vakuumaufhebung, wird in F i g. 3 veranschaulicht. In F i g. 3 werden graphisch zwei sonst identische Expansionscyclen verglichen, wobei jedoch der alleinige Unterschied darin besteht, daß bei (A) Wasser zugegeben wird, um das Schrumpfen des vorgeblähten Materials zu vermindern, während die zweite Kurve (B) die sich ergebende Dichte der Expansion des vorgeblähten Materials ohne Wasserzugabe angibt. Es wurde die oben beschriebene Vorrichtung unter folgenden Bedingungen verwendet: Erhitzung durch Dampf mit einem Druck von etwa 1,26 atü im Dampfmantel (etwa 124 C); 0,454 kg expandierbare Polystyrolperlen (6,6 "Ό Pentan); ein Vakuum von 559 mm Hg und eine Vakuumaufrechterhaltungszeit von 30 Sekunden. Bei den Versuchen der Kurve B wurden 30 ml Wasser nach 30 Sekunden langer Vakuumaufrechterhaltungsdauer (die Zeit zur Errichtung des Vakuums eingeschlossen) innerhalb 20 Sekunden zugegeben. Das Kurvenbild zeigt, daß unter den gleichen Bedingungen durch Wasserzugabe, die Dichte des vorgeblähten Produkts bedeutend verringert werden kann; so wird mit 120Sekunden Vorerhitzungszeit eine Dichte von 0,0168 gegenüber einer Dichte von 0,02643 g/cm³ erreicht.

Beispiel 2

Eine Reihe von Versuchen wurde durchgeführt, um die Wirkung von verschiedenen Wassermengen festzustellen. Bei jedem Versuch wurden in die in Beispiel 1 verwendete Vorrichtung 0,454 kg expandierbare Polystyrolperlen (6,95 ⁰O Pentan) gegeben.

Der angewandte Druck im Dampfmantel betrug 1,19 atü (etwa 121" C). Bei jedem Versuch wurde die Beschickung 60 Sekunden lang vorerhitzt, ein Vakuum von 559 mm Hg errichtet und 30 Sekunden lang aufrechterhalten. Das Wasser (in unterschied-

liehen Mengen) wurde innerhalb von 20 Sekunden zugegeben und dann der Kessel während 15 Sekunden belüftet. Wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, wirkt sich die dem vorexpandierten Material vor der Vakuumaufhebung zugeführte Wassermenge auf die endgültige

Dichte des vorgeblähten Materials aus. Es scheint, daß die Wassermenge eher proportional zu dem Kesselvolumen (hier etwa 95 1) ist, als dem Volumen der dem Kessel zugegebenen Perlen, und daß eine obere Grenze erreicht wird, jenseits der das Wasser wenig

oder keine Wirkung auf die Produktendichte ausübt. Bei Verwendung eines 9 5-1-Prototyps z. B. hat die Zugabe von mehr als etwa 100 ml Wasser keine nennenswerte Wirkung auf das Produkt.

Beispiel 3

Durch Verlängerung der Vorerhitzungszeit bei konstanten anderen Bedingungen, kann die Dichte des vorgeblähten Produkts noch zusätzlich gesenkt werden. Dies wird in F i g. 5 durch eine Reihe von Versuchen mit gleicher Vorrichtung, expandierbarer Polystyrolbeschickung und Expansionstemperatur, wie in Beispiel 2, jedoch mit Variation der Vorerhitzungszeit graphisch dargestellt. Nach der Vorerhitzungszeit wird ein Vakuum von 559 mm Hg errichtet

und 30 Sekunden lang aufrechterhalten, dann werden 40 ml Wasser innerhalb von 30 Sekunden in den Kessel gegeben und der Kessel 20 Sekunden lang belüftet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

'■r *\ Dampf in einer einzigen Vorblähbehandlung erreich- Patentansprüche: bar ist, liegt im Bereich von etwa 0,01602 g/cm». Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

1. Verfahren zum Vorschäumen von treib- Verfahren zu schaffen, mit dem vorgeschäumte Teilmittelhaltigen thermoplastischen Kunststoff teil- 5 chen einer Dichte im Bereich von etwa 0,0064 bis chen, insbesondere aus Polystyrol, wobei das 0,012 g/cm³ durch einmaliges Vorschäumen herge-Treibmittel einen Siedepunkt unterhalb des Poly- stellt werden können, die direkt zu Formkörpern vermerisaterweichungspunktes aufweist, bei dem die arbeitet werden können.

Teilchen unter Rühren in einem geschlossenen Ausgehend von einem Verfahren zum Vorschau-

Kessel und in einer im wesentlichen trockenen io men von treibmittelhaltigen thermoplastischen Kunst-Atmosphäre auf eine Temperatur erhitzt werden, stoffteilchen, insbesondere aus Polystyrol, nach der bei der die Kunststoffteilchen erweichen, die er- FR-PS 13 36 261, wobei das Treibmittel einen Siehitzten Teilchen in dem geschlossenen Kessel depunkt unterhalb des Polymerisaterweichungspunkgerührt und einem Vakuum ausgesetzt werden, tes aufweist, bei dem die Teilchen unter Rühren in bis die Teilchen zu der vorbestimmten Dichte 15 einem geschlossenen Kessel und in einer im wesentaufgeschäumt sind, danach die Teilchen gesteuert liehen trockenen Atmosphäre auf eine Temperatur gekühlt werden, dann das Vakuum aufgehoben erhitzt werden, bei der die Kunststoffteilchen erweiwird und danach die vorgeschäumten Teilchen chen, die erhitzten Teilchen in dem geschlossenen aus dem Kessel entfernt werden, dadurch ge- Kessel gerührt und einem Vakuum ausgesetzt^werkennzeichnet, daß die unter der Vakuum- ao den, bis die Teilchen zu der vorbestimmten Dichte einwirkung aufgeschäumten Teilchen durch ein aufgeschäumt sind, danach die Teilchen gesteuert gein den geschlossenen, evakuierten Kessel einge- kühlt werden, dann das Vakuum aufgehoben wird führtes Kühlmittel gekühlt werden. und danach die vorgeschäumten Teilchen aus dem

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- Kessel entfernt werden, wird diese Aufgabe erfinkennzeichnet, daß als Kühlmittel Wasser ver- »5 dungsgemäß dadurch gelöst, daß die unter der Vawendet wird. kuumeinwirkung aufgeschäumten Teilchen durch ein