DE19610330A1 - Herstellung von Kunststoffschaum - Google Patents

Description

Die Herstellung von Kunststoffschaum gewinnt in der heutigen Zeit zunehmend an Bedeutung. Verarbeitet werden thermoplastische Kunststoffe. Hauptgrunde dafür, daß die Schaumherstellung zunimmt, sind der geringe Rohstoffeinsatz pro Volumenseinheit und

• - geringere Wärmeleitfähigkeit
• - günstigere mechanische und akustische Dämpfung
• - Zunahme der Steifigkeit bei gleichem Gewicht.

Die Herstellung erfolgt vorzugsweise durch Extrusion oder durch die Herstellung von Formkörpern aus Beads.

Der Verarbeitungsbegriff Extrusion leitet sich von dem Verarbeitungswerkzeug ab, das als Extruder bezeichnet wird. Üblicherweise besitzen Extruder eine oder mehrere Schnecken. Bei Verwendung mehrerer Schnecken kämmen die Schnecken entweder unmittelbar oder mittelbar miteinander. Die unmittelbare Situation ist bei einem Zweischneckenextruder gegeben. Planetwalzenextruder besitzen mehr als zwei Schnecken, wobei die Schnecken die Bezeichnung Spindeln tragen und Planetspindeln um eine Zentralspindel umlaufen. Die Planetspindeln kämmen zugleich mit der Zentralspindel und dem umgebenden Gehäuse, das mit einer entsprechenden Innenverzahnung versehen ist. In den meisten Ausführungsformen sitzt in dem Gehäuse eine Buchse, welche die Innenverzahnung bildet.

Der Kunststoff wird in der Regel in Granulatform in den Extruder aufgegeben. Der Kunststoff gelangt zunächst in den Einzugbereich der Extruderschnecke. Im Einzugbereich wird der Kunststoff komprimiert, ggfs mit Zuschlägen vermischt und plastifiziert. Daran schließt sich eine Homogenisierungs- und Dispergierungszone an. In dieser Zone werden die Bestandteile der Einsatzmischung fein verteilt. Zuletzt gelangt die Schmelze in die Kühlzone. Dort wird die Schmelze auf die Extrusionstemperatur abgekühlt. Die Extrusionstemperatur ist die Temperatur, mit der die Schmelze den Extruder verlassen soll. Beim Schäumen ist es wichtig, der Schmelze durch Abkühlung die richtige Viskosität/Festigkeit zu geben, damit ein brauchbarer Schaum entsteht.

Das Schäumen entsteht durch eingeschlossene Treibmittel. Es gibt organische Treibmittel und anorganische Treibmittel. Allen Treibmitteln ist gemeinsam, daß sie gasförmig sind oder Gase bilden. Die Gasblasen müssen spätestens beim Austritt der Schmelze aus dem Extruder entstehen.

Solange die Schmelze im Extruder ist, verhindert ein hoher Druck ein Expandieren der Gase im Extruder. Nach Verlassen des Extruders expandieren die eingeschlossenen Treibgase jedoch bei Atmosphärendruck und entstehen mehr oder weniger Blasen.

Die Treibmittel lassen sich auch zwischen chemischen und physikalischen Treibmitteln unterscheiden. Physikalische Treibmittel sind Treibmittel, deren Siedepunkt unter dem Erweichungspunkt der Kunststoffe liegt.

Zu den physikalischen Treibmitteln gehörigen die Fluorchlorkohlenwasserstoffe, die aliphatischen Kohlenwasserstoffe und im begrenzten Maße Stickstoff und Kohlendioxyd. Im allgemeinen lassen sich mit physikalischen Treibmitteln leichter Kunststoffschäume als mit chemischen Treibmitteln herstellen. Besonders leicht ist die Handhabung von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW). Leider ist mit derartigen Treibmitteln eine Gefährdung der die Erde umgebenden Ozonschicht verbunden, so daß der Gebrauch bereits wesentlich eingeschränkt worden ist und in absehbarer Zeit völlig verboten sein wird.

Die chemischen Treibmittel zersetzen sich in einem bestimmten Temperaturbereich und spalten dabei gasförmige Bestandteile ab. Dementsprechend muß dieser Temperaturbereich im Arbeitsbereich des Extruders liegen. Zu den chemischen Treibmitteln gehören Azodicarbonamid (spaltet Stickstoff ab), Azodiisobutyronitril, Trihydrazinotriazin, Barium­ azodicarbonat und P-touensulfonyl-semicarbazid; desgleichen Zitronensäure und Natriumbicarbonat (spalten CO2 und H2O ab).

Die Bedeutung der chemischen Treibmittel war in der Vergangenheit gegenüber dem FCKW- Treibmittel gering.

Bei der Schaumbildung wird eine gleichmäßige und kleinteilige Gasblasenbildung angestrebt. Je kleiner und gleichmäßiger die Blasen sind, desto höher wird die Schaumqualität eingestuft Ein solches Schaumergebnis läßt sich ohne Hilfsmittel kaum erreichen. Das auch im Zusammenhang mit FCKW-Treibmitteln verwendete Hilfsmittel ist ein Keimzellenbildner, auch Nukleierungsmittel genannt. Ein sehr weit verbreitetes Nukleierungsmittel ist Talkum in feiner, pulverförmiger Aufmahlung. An den fein in der Schmelze verteilten Talkumpartikeln lagern sich die Gasblasen in ebenso feiner Verteilung an.

Allerdings ist die Verwendung von Talkum nicht ohne Gefahr. Die bei Talkum auftretende Gefahr sind sogenannte Hot Spots (heiße Stellen) bei ungenauer Temperaturführung. An den heißen Stellen kommt es zu unkontrolliertem Zellwachstum bis hin zum Kollabieren der Zellen.

Neben den Nukleierungsmitteln sind auch andere Hilfsmittel beim Extrudieren von Kunststoffschaum im Gebrauch. Dazu gehörigen z. B. Stabilisatoren, gelegentlich auch Beschleunigungsmittel, sogenannte Kicker.

Solange ein Kunststoff in reiner Form verwendet wird, ist seine Handhabung relativ überschaubar. In der Praxis kommen die Kunststoffe jedoch zumeist in Mischung mit anderen Kunststoffen oder Zuschlägen, auch mit Füllstoffen, vor. Das kompliziert das Extrudieren ganz erheblich.

Eine weitere wesentliche Schwierigkeit ist dadurch entstanden, daß die FCKW-Treibmittel nur noch eingeschränkt und teilweise gar nicht mehr zur Verfügung stehen. Es ist bekannt, die FCKW-Treibmittel durch Inertgase oder durch Kohlenwasserstoffe wie Propan, Butan und Pentan zu ersetzen. Dabei wird nicht nur der Schäumvorgang kompliziert, sondern auch eine erhebliche Betriebsgefahr erzeugt. Die gasförmigen Kohlenwasserstoffe werden nämlich bei der Herstellung des Kunststoffschaumes in großer Menge frei. In Mischung mit Luft liegt die Explosionsgrenze dieser Stoffe bei 1,9 Vol% bis 9 Vol%. Üblicherweise ist deshalb die Verwendung brennbarer Gase an Sicherheitsauflagen gebunden. Für Treibmittel wie Propan, Butan und Pentan ist eine automatische Vorwarnung bei Erreichen einer Konzentration von 0,36 Vol% und eine automatische Abschaltung der Extrusionsanlage bei Erreichen einer Konzentration von 0,76 Vol% in der Luft vorgeschrieben.

Es ist bekannt, FCKW nicht ausschließlich mit Hilfe der gasförmigen Kohlenwasserstoffe wie Propan, Butan und Pentan zu ersetzen, sondern zusätzlich Inertgase wie Kohlendioxyd als Treibmittel in der Treibmittelmischung einzusetzen. Das kompliziert das Verschäumen von Kunststoff noch weiter, weil die unterschiedlichen Treibmittel sich bei der Einmischung in den Kunststoff unterschiedlich verhaften.

Es ist zwar auch der Versuch bekannt, FCKW im wesentlichen durch Inertgase zu ersetzen. Das ist im Grundsatz möglich, jedoch muß dabei das Problem mangelnder Löslichkeit der Inertgase in der Schmelze überwunden werden. Das hat einen Entmischungstrend mit der Neigung zur Folge, daß sich die Inertgase in übermäßigen Gasblasen sammeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Kunststoffschäumen wieder zu vereinfachen. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, daß auch ein übermäßiger Anteil an gasförmigen Kohlenwasserstoffen wie Propan, Butan und Pentan zu schwerwiegenden Problemen führen kann. Die gute Löslichkeit dieses Gases im Kunststoff verhindert nämlich bei hohem Anteil an dem Treibmittel ein anschließendes Freiwerden aller eingemischten gasförmigen Kohlenwasserstoffe. Das verfälscht den Einsatzkunststoff.

Nach der Erfindung wird der Schäumvorgang mit Hilfe von Zeolith deutlich erleichtert. Zeolith ist ein ganz besonderer Stoff mit einer überraschenden Eigenschaft. Zeolith setzt unter Erwärmung in dem Extruder Kristallwasser frei. Das verdampfte Kristallwasser bildet kleinste Gasblasen, an denen sich das eingemischte Treibmittel anlagern kann. Das verbessert die Schaumbildung bzw. die Qualität.

Überraschenderweise trägt das Zeolith auch zur Stabilisierung des Kunststoffschaumes nach seiner Entstehung bei. Das geschieht dadurch, daß das Kristallwasser nach geringfügiger Abkühlung der Schmelze an der Umgebungsluft wieder von dem Zeolith aufgenommen wird. Ferner wird ein Teil des Treibmittels aufgenommen.

Dadurch wird der Gasdruck in dem Schaum schlagartig gesenkt.

Ein weiterer überraschender Effekt der Zeolithbeigabe ist ein deutlich verbesserter Brandschutz. Die Brandschutzverbesserung basiert auf dem Zeolith an sich und auf dem eingeschlossenen Kristallwasser, daß im Brandfall verdampft und eine Kühlung bewirkt.

Zeolith entfaltet nicht nur bei der Extrusion von Kunststoffschaum erhebliche Vorteile sondern auch bei der Herstellung von Formkörpern aus nachschäumbaren Schaumstoffperlen (Beads). Die Beads besitzen einen relativ kleinen Durchmesser und werden wahlweise durch chemische Reaktion in einem Reaktor oder auch durch Extrusion erzeugt. Bei der Extrusion wird der kontinuierlich austretende Schmelzestrang allerdings fein granuliert.

Die Beads sind dazu bestimmt, in einer Form zu einem Kunststoff-Formkörper zusammengefugt zu werden. Dazu werden die Beads üblicherweise zunächst mit einem Treibmittel beladen, weil das eingeschlossene Gas das gewünschte Nachschäumen allein nur unzureichend bewirkt. Bei Verwendung von Zeolith kann das Zeolith sowohl eine Verbesserung der Beads-Qualität als auch eine Erleichterung des Nachschäumens bewirken. Die Ursache für die Verbesserung der Beads-Qualität ist die gleiche wie die oben erläuterte für die Herstellung des Kunststoffschaumes. Darüber hinaus wird das Nachschäumen durch das Zeolith unterstützt, wenn die für das Nachschäumen vorgesehene Erwärmung wieder zu einem Freiwerden/Verdampfen des Kristallwassers führt.

Die notwendige Erwärmung kann mit Heißgas bewirkt werden. Die übliche Erwärmung erfolgt mit Heißdampf, der zwischen die Beads geblasen wird. Die dann nachschäumenden Beads schließen den Hohlraum zwischen sich und füllen die Form aus, in der der Nachschäumvorgang stattfindet. Je nach Intensität der Erwärmung findet zwischen den Beads bei dem Nachschäumen nur eine Sinterung oder sogar eine Verschweißung statt.

Ein anderer Anwendungsbereich für das Nachschäumen ist die Herstellung von Schaumstoffieilchen für die Ausfüllung von Verpackungshohlräumen. Dafür werden zumeist bestimmte Formen, z. B. Ausgangs-Teilchen in einer S-Form verwendet. Die Ausgangsteilchen werden einem mehrfachen Nachschäumen unterzogen, bis die Teilchen eine gewünschte Größe erreicht haben. Auch in diesem Anwendungsfall bewirkt das Zeolith eine Qualitätsverbesserung.

Mit der erfindungsgemäßen Zeolithbeigabe lassen sich ohne weiteres 4 bis 5 Nachschäumvorgänge durchführen. In der Regel sind die angestrebten Größenverhältnisse bereits mit 2 bis 3 Nachschäumvorgängen erreichbar.

Das Zeolith bedarf einer Erläuterung: Der Name Zeolith kann als Siedestein übersetzt werden. Er ist eine Sammelbezeichnung für kristalline Metall-Alumo-Silikate mit großer innerer Oberfläche und starken elektrostatischen Feldern im Kristallgitter. Der Name beschreibt den sich einstellenden Effekt, wenn eine trockene Zeolith-Schüttung mit Wasser übergossen wird. Von den starken elektrostatischen Kräften werden polare Wasser-Moleküle angezogen (adsorbiert) und unter heftiger Wärme-Abgabe in die Kristall-Struktur eingebunden. Der Rest des die Kristalle umgebenden Wassers wird dabei stark erhitzt und beginnt, nach Bruchteilen von Sekunden zu verdampfen.

Zeolithe weisen eine spezifische innere Oberfläche von ca. 1000 Quadratmeter pro Gramm (g) auf. Sie sind ungiftig und umweltverträglich. Neben den etwa 30 natürlichen Zeolithen, die als Mineral in der Natur vorkommen sind etwa 100 synthetische Zeolithtypen bekannt. Durch den Einsatz in der Waschmittelindustrie sind Zeolithe großtechnisch zu sehr günstigen Preisen verfügbar.

Die Herstellung von Zeolithen erfolgt beispielsweise durch hydrothermale Synthese: Aus einem Gel, das durch Zusammenmischen der Grundstoffe NaOH, Al2O3, SiO2 und Wasser entsteht, kristallisieren die Zeolithe bei Temperaturen von 50 bis 300 Grad Celsius in Form einzelner Mikrokristalle mit Durchmessern von 0,001 bis 0,1 mm aus. Je nach Art der zugesetzten Metallkationen lassen sich Zeolitheigenschaften wie Porendurchmesser oder Temperaturstabilität gezielt steuern. Die Mikrokristalle können vorteilhafterweise in der anfallenden Form dem Kunststoff zugemischt werden.

Andere Zeolithe basieren auf NaA, NaX, CaA und MgA.

Die Zeolithbeigabe beträgt nach der Erfindung 0,1 Gew% bis max. 2 Gew%, bezogen auf die Gesamteinsatzmischung. Vorzugsweise ist die Zeolithmenge 0,8 bis 1,2 Gew%.

Im folgenden sind einige Versuchsergebnisse mit Zeolithzugabe wiedergegeben. Es wurden Zeolithe mit der Produktbezeichnung Wessalith von Degussa eingesetzt. Es handelt sich um ein NaA-Zeolith mit der Summenformel für Wessalith P mit Na12(AlO2)12·27H2O. Der Anteil des Kristallwassers beträgt nach dieser Form 22%. Die chemische Zusammensetzung ist: 18% Na2O; 28% Al2O3; 33% SiO2. Beim Erhitzen von Wessalith tritt zwischen ca. 70 und 370 Grad Celsius aus.

Wessalith NaP hat die Summenformel Na2O·Al2O3·(2-5)SiO2·(3,5-6)H2O. Wie aus der Summenformel ersichtlich, ist theoretisch ein Verhältnis Si:Al von 1,0 bis 2,5 möglich. Die Anteile des Kristallwassers können im Bereich von 11 bis 27 Gew% variieren. Unter normalen Umgebungsbedingungen wird sich in Wessalith NaP ein Kristallwassergehalt von etwa 20% einstellen.

Wessalith XD unterscheidet sich von Wessalith P und Wessalith NaP durch geringeren CaO- Gehalt und deutlich höheren MgO-Gehalt.

Die Partikelgröße von Wessalith beträgt 0,0015 bis 0,0035 mm.

Durch den Gebrauch von Zeolith im Umfang von etwa 1% der Gesamteinsatzmischung für die Herstellung von Polystyrolschaum konnte in der Treibmittelmenge der Anteil von brennbaren, gasförmigen Kohlenwasserstoffen auf 30 Vol% verringert und der Anteil von Inertgasen auf 70 Vol% erhöht werden. Im Vergleich dazu beträgt der notwendige Anteil von gasförmigen Kohlenwasserstoffen bei sonst gleichen Rahmenbedingungen 60 Vol% und der Anteil an Inertgas 40 Vol%. Inertgas ist in diesen Fällen CO2.

In allen chemischen Formeln sind die hinter den Substanzen angegebenen Zahlen allein aus schreibtechnischen Gründen in gleicher Größe angegeben. Zur Umsetzung auf herkömmliche Schreibweise müssen diese Zahlen tiefergestellt werden.

Claims (8)

1. Kunststoff zur Herstellung von Kunststoffschaum, gekennzeichnet durch einen Anteil von 0,1 Gew% bis 2 Gew% Zeolith, bezogen auf die Einsatzmischung.

2. Kunststoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zeolithmenge von 0,8 bis 1,2 Gew%.

3. Kunststoff nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Schaumherstellung mittels Extruder oder im Reaktor.

4. Kunststoff nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Herstellung von nachschäumbaren Teilchen oder Strängen.

5. Kunststoff nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch die Zugabe des Zeoliths in den Extruder.

6. Kunststoff nach einem oder mehreren der Anspruche 1 bis 5, durch ein Treibmittelgemisch aus gasförmigen Kohlenwasserstoffen mit mindestens 45 Vol% und höchstens 55 Vol% Inertgas.

7. Kunststoff nach einem oder mehreren der Anspruche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Zeolith auf der Basis von Na2O, Al2O3 und SiO2.

8. Kunststoff nach einem oder mehreren der Anspruche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Kristallwasseranteil von mindestens 11 Gew% im Zelith.