DE19648094A1 - Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Kunststoffschaum-Beads - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Kunststoffschaum-Beads.

Zur Herstellung von Formkörpern aus sogenannten Beads werden üblicherweise Formteilautomaten verwendet.

Die Beads sind Kunststoffschaumpartikel, die auf verschiedene Weise hergestellt werden können. Ein Herstellungsweg ist durch den Autoklaven gekennzeichnet. Darin fallen unter Druck und Wärmebehandlung aus einer Suspension kleine Partikel an. Diese Partikel werden mit einem Treibmittel versetzt bzw. schließen aufgrund ihres Herstellungsvorganges bereits ein Treibmittel ein. Die Partikel werden durch schlagartige Entladung des Autoklaven zum Schäumen gebracht.

Der andere Herstellungsweg ist neuerer Art und geht von der Kunststoffextrusion aus. Es werden dünne Kunststoffschaumstränge erzeugt und sofort granuliert. Die Partikelgröße wird dabei durch die Granulierungsgeschwindigkeit bestimmt.

Die Beads lassen sich in einem Formteilautomaten zu Formkörpern verschiedenster Art verarbeiten. Der Formteilautomat ist eine Form, die im geschlossenen Zustand mit den Beads unter Druck befüllt und anschließend mit Heißdampf beaufschlagt wird. Der Heißdampf dringt zwischen den Beads durch und verursacht eine Erwärmung der Beads an der dem Dampf zugänglichen Oberfläche. Die Erwärmung führt zu einer Plastifizierung bzw. Erweichung der Oberfläche und zu einer Ausdehnung der Beads, so daß die Beads mit den erwärmten Oberflächen gegeneinander gedrückt werden und je nach Druck- und Temperaturverhältnissen versintern oder verschweißen. Auf dem beschriebenen Wege entsteht der gewünschte Formkörper.

Nach ausreichender Abkühlung des Formkörpers wird die Form geöffnet und entladen, wieder geschlossen und mit dem nächsten Herstellungsvorgang begonnen.

Mit dem Formteilautomaten lassen sich auch Platten mit den gleichen Maßen wie die Platten herstellen, die aus dem Ablängen eines Endlosstranges anfallen.

Solche Platten sind als Polystyrol-Schaumplatten am Bau in großem Umfang in der Anwendung. Das gilt für Wärmedämmungen jeglicher Art, auch für die Schalldämmung auf Decken usw.

Die Formteilautomaten haben sich bewährt. Gleichwohl liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Herstellung der Formkörper zu verbessern. Dabei knüpft die Erfindung an einen älteren Vorschlag, der davon ausgeht, daß die bisherige Herstellung mit Dampf üblicherweise ein Verschweißungsvorgang ist und die zum Verschweißen notwendige Wärme auch in anderer Weise als durch Heißdampf vermittelt werden kann. Ein bekannter Weg ist die Verschweißung mittels Mikrowelle.

Nach dem älteren Vorschlag erfolgt die Formkörperherstellung aus den Beads dadurch, daß die Beads mit einem mikrowellenaktiven Material beschichtet oder benetzt werden und in der Form mit Mikrowellen beaufschlagt werden, bis ihre Oberfläche ausreichend erwärmt ist, so daß sie unter Druck miteinander zu verschweißen. Die verwendete Form besteht aus nichtaktivem Kunststoff. Nichtaktiv ist ein Material, daß nicht in nennenswertem Umfang auf Mikrowellen reagiert. Aktiv ist ein Material mit genau gegenteiliger Eigenschaft.

Die Erfindung hat erkannt, daß die bisherige Entwicklung an den Randzonen erhebliche Probleme hatte. Während die Beads in der Formkörpermitte gut miteinander verschweißt sind, fehlt der Verbindung der Beads in den Formkörperrandbereichen der Beads die notwendige Festigkeit. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, das zu verbessern. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß das nicht aktive Material im Randbereich zwar nicht auf die Mikrowellen und sich erwärmt, gleichwohl aber durch die Berührung mit den eingeschlossenen Beads von diesen Wärme aufnimmt. Das Problem verstärkt sich noch, wenn zur Benetzung der Beads Wasser verwendet wird, das unter dem Einfluß der Mikrowellen verdampft. Dann verliert der Dampf im Bereich der Formwand deutlich an Temperatur. Dementsprechend reduziert sich die Erwärmung der Beads im Randbereich des Formkörpers. Ohne ausreichende Erwärmung kann weder eine Verschweißung noch trotz entsprechenden Druckes eine Versinterung der Beads eintreten.

Nach der Erfindung ist die Innenseite der sonst aus nichtaktivem Material bestehenden Form mit aktivem Material beschichtet. Damit wird die störende Wärmeaufnahme der Formwand beseitigt. Es entsteht je nach Druck und Temperatur eine gute Verschweißung oder Versinterung.

Vorzugsweise werden Beads aus Polystyrol und/oder Polypropylen und/oder Polyethylen und/oder Mischungen davon verwendet.

Die Sintertemperatur ist geringer als Schweißtemperatur. Dafür ist der Sinterdruck bei Beads höher als der Schweißdruck. Solange die Formkörper im wesentlichen auf Druck belastet werden, ist eine geringe Festigkeit der Verbindung zwischen den Beads ausreichend. Solche Situationen stellen sich zumeist ein, wann der Kunststoffschaum als Verpackungszwischenlage verwendet wird und in dieser Funktion, Stöße dämpfen soll. Die gleiche Situation ist z. B. gegeben, wenn Kunststoffschaumplatten als Unterlage für einen schwimmenden Estrich verwendet werden.

Eine größere Belastung entsteht z. B. bei einer Verwendung als Unterlage für Fliesen und Kacheln an Wänden. Dort können Zugkräfte auftreten und sind größere Plattenfestigkeiten gewünscht, die sich durch eine Verschweißung der Beads ergeben.

Um von einer Versinterung zu einer Verschweißung zu kommen, muß die Temperatur auf Schweißtemperatur erhöht werden, der Druck kann gesenkt werden.

Wasser ist als aktives Material zur Benetzung der Beads geeignet, weil es sich in der Mikrowelle bekanntlich sehr schnell erwärmt, auch auf Siedetemperatur und darüber hinaus so weit, daß es verdampft. Je nach Druckverhältnissen ergibt sich ein überhitzter Dampf, der für Polypropylen z. B. eine Temperatur von 160 Grad Celsius erreicht. Für Polystyrol. Polyethylen und andere Werkstoffe wird eine andere Temperatur eingestellt. Die Einstellung der Temperatur kann mit wenigen Versuchen durch Änderung der Mikrowellen-Einwirkungsdauer ausgetestet werden.

Vorzugsweise wird als Benetzungsmittel ein oberflächenentspanntes Wasser verwendet. Durch die Oberflächenentspannung wird die Benetzung verbessert. Das Wasser verteilt sich besser an der Oberfläche. Je dünner der Wasserfilm ist, desto besser ist die Einwirkung der Mikrowelle und desto schneller entsteht der gewünschte Heißdampf. Die Oberflächenentspannung kann mit Tensiden erreicht werden. Im einfachsten Fall wird die Oberflächenentspannung mit Haushalts-Spülmitteln bewirkt.

Zur Benetzung mit Wasser eignet sich eine Bedüsung der Beads. Die Beads können im Flugstrom bedüst werden. Dabei werden die Beads z. B. mit Luft entlang einer Bedüsungsstrecke bewegt und auf dieser Strecke aus verschiedenen Düsen mit Wasser beaufschlagt, die gleichmäßig verteilt um den Beadsstrom und gleichmäßig verteilt auf der Bedüsungsstrecke angeordnet sind.

Es ist auch eine Bedüsung von Beads auf einer Fördereinrichtung durch ortsfeste Düsen für eine Benetzung geeignet. Dabei liegen die Beads vorzugsweise in dünner Schüttlage auf der Fördereinrichtung. Außerdem ist es von Vorteil, die Beads auf der Fördereinrichtung zu rütteln, damit die Beads auf der Fördereinrichtung unter den Düsen gewendet und allseitig mit Wasser bedüst werden.

Die Beads können auch mittels Zwangsführung durch ein Wasserbad benetzt werden. Eine solche Zwangsführung kann durch eine unter Wasser in einem geeigneten Rohr angeordnete Förderschnecke oder durch einen in einer Rohrführung unter Wasser angeordneten Kettenförderer bewirkt werden.

Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich, wenn die Beads mit Hilfe eines Extruders hergestellt werden, indem der Extruder dünne Schaum-Schmelzestränge erzeugt die mittels einer Granuliereinrichtung zu Beads zerkleinert werden. Dabei ist eine schnelle Kühlung der Partikel wichtig und vorzugsweise Wasser zur Kühlung vorgesehen. Beads und Wasser sammeln sich in einem Wasserbad. Nach der bisherigen Verfahrensweise werden die Beads getrocknet und einem Vorratssilo zugeführt. Bei Verwendung der Beads für eine erfindungsgemäße Formkörperherstellung kann die Trocknung entfallen. Das gilt besonders bei einer sich unmittelbar an die Herstellung anschließenden Verwendung der Beads.

Die Form kann mehrwandig und mehrteilig ausgebildet sein.

Mit mehrwandig ist ein Schichtenaufbau der Formwand gemeint, wobei die einzelnen Schichten aneinander liegen oder Abstand voneinander haben können. Die Mehrwandigkeit eignet sich zur Verteilung und Optimierung der einzelnen Funktionen der Formwand. In diesem Sinne ist es günstig, die Form ganz oder zumindest nach außen hin aus einem nicht oder nur geringfügig aktiven Material herzustellen. Außen wird dadurch eine Erwärmung der Form soweit möglich vermieden. Jede Erwärmung reduziert die Festigkeit der Form. Das ist besonders gravierend, wenn Formen aus Kunststoff Verwendung finden.

Innenseitig ist eine Erwärmung der Form kaum vermeidbar. Deshalb ist innenseitig eine warmfeste Schicht vorgesehen. Die Warmfestigkeit soll vorzugsweise mindestens noch bei 200 Grad Celsius gegeben sein. Solche Warmfestigkeit hat eine Glasschicht oder eine Schicht aus einem duroplastischen Kunststoff. Auch thermoplastische Kunststoffe mit solcher Warmfestigkeit sind bekannt.

Ein geeignetes Material für die aktive Innenseite Formwandschicht ist z. B. eine Phenolharzschicht oder eine Keramikschicht.

Bei wasserbenetzten Beads aus Polypropylen kann der Druck in der Form z. B. 6 bar und der betragen.

Die relativ niedrige obere Druckgrenze und die möglichen geringen Druckänderungen für unterschiedliche Materialien haben große bauliche Vereinfachungen zur Folge.

Vorzugsweise wird zur Einhaltung der geringen Drücke in der Form mit Hilfe von unterschiedlichen Beads erreicht. Für große Raumgewichte werden danach Beads mit großem Raumgewicht eingesetzt, so daß sich die notwendige Verformungsarbeit beim Fügen der Form in Grenzen hält.

Eine besondere Hilfe können bei dieser Verfahrensweise Mikrobeads und/oder Schrumpelbeads sein. Mikrobeads sind sehr kleinvolumige Beads. Schrumpelbeads sind Beads, bei denen das für die Beads verwendete Treibmittel schneller aus den Zellen entweicht, als Umgebungsluft in die Zellen eindringt. Das Phänomen besonders bei geschlossenzelligen Beads auffallend. Bei geschlossenzelligen Beads diffundieren die Gase durch die Zellwände. Dadurch entsteht ein Unterdruck in den Beads. Die Beads werden zusammengedrückt. Dabei falten sich die Zellwände ein und entsteht der Schrumpeleindruck. Die Beads nehmen ein kleineres Volumen ein.

Der Vorgang läßt sich durch eine Wärmebehandlungsbehandlung beschleunigen bzw. verstärken. In diesem Sinne läßt sich ein gutes Schrumpelergebnis erreichen, wenn die Beads nach ihrer Herstellung für einige Zeit in einem beheizten Wasserbad verbleiben. Die Behandlungsdauer und die Wassertemperatur bestimmen den Schrumpelungsgrad. Die Schrumpelung bzw. Volumensverkleinerung führt zu einer Veränderung des Raumgewichtes der Beads. Nach der Erfindung wird das genutzt, um unterschiedliche Beads aus einem einzigen Herstellungsvorgang zu erzeugen und unterschiedliche Ausgangsbeads für eine gewünschte Formkörperherstellung verfügbar zu machen.

Es kann von Vorteil sein, die Sinterbedingungen oder Schweißbedingungen (Druck/Temperatur) nach Beendigung der Mikrowellenbeaufschlagung für einige Zeit zu halten, weil die Verschweißung und die Sinterung nicht schlagartig einsetzen, sondern eine Molekülverschiebung in den Grenzflächen erfordern, die einige Zeit benötigt.

Nach der Beendigung des Sintervorganges bzw. Schweißvorganges wird der Formkörper wahlweise zwangsgekühlt, um den Herstellungsvorgang beschleunigt zu Ende zu führen. Die Kühlung kann eine Luftkühlung oder Wasserkühlung sein.

In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Form für einen Formteilautomaten im Ausschnitt dargestellt. Mit 1 ist die Formwand aus einem nichtaktiven duroplastischen Kunststoff bezeichnet, mit 2 eine aktive Phenolharzschicht und mit 3 eine nichtaktive warmfeste Schicht, z. B. aus Glas.

Im Ausführungsbeispiel werden wasserbenetzte Polypropylen-Beads unter einem Druck von 6 bar in die Form gefüllt, bis die Form voll ist. Dabei entsteht im Ausführungsbeispiel ein Formkörper aus aneinander liegenden Beads.

Nach Füllen der Form wird der Formkörper mit Mikrowellen beaufschlagt. Unter dem Einfluß der Mikrowellen erwärmt sich das die Beads umgebende Wasser, bis es verdampft. Bei einem Druck von 6 bar ist die Heißdampftemperatur 160 Grad Celsius. Das führt zu einem Anschmelzen der Beadsoberflächen. Die gleichzeitige weitere Erwärmung der Beads verursacht eine Expansion, so daß die angeschmolzenen Oberflächen gegeneinander gedrückt werden. So entsteht eine Verschweißung der Beads.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Kunststoffschaum-Beads, insbesondere Beads aus Polystytrol und/oder Polypropylen und/oder Polyethylen und/oder Mischungen davon, wobei

• a) die Beads mit einem mikrowellenaktiven Material beschichtet oder benetzt werden
• b) die Beads eine Mikrowellen beaufschlagt werden, bis sie an ihrer Oberfläche ausreichend erwärmt sind
• c) die Beads in einer Form aus nichtaktivem Material eingeschlossen sind gekennzeichnet durch
• d) Verwendung einer Form mit Beschichtung der Innenseite mit aktivem Material
• e) Einfüllen der Beads unter Druck in die Form, bis die Beads in der Form ein Raumgewicht aufweisen, daß dem Raumgewicht des gewünschten Formkörpers entspricht

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Benetzung mit Wasser, das durch die Zumengung von Tensiden oberflächenentspannt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Spülmitteln.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Bedüsung der Beads mit Wasser und/oder die zwangsweise Durchführung der Beads durch ein Wasserbad.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Herstellung der Beads mit einem Extruder durch Extrusion dünner Materialstränge und deren Granulierung in einem Wasserbad, wobei die Beads ohne Trocknung aus dem Wasserbad der Formkörperherstellung zugeführt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Kunststoff-Form mit warmfester Innenseite.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die eine mehrschichtige Form.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Glasschicht (13) für die warmfeste Innenseite.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine innenseitige Phenolharzschicht oder Keramikschicht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Außenschicht aus Duroplast-Kunststoff oder aus einem Thermoplast-Kunststoff mit einer Warmfestigkeit von mindestens 200 Grad Celsius.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch ein Komprimieren der Beads auf ein Raumgewicht von 10 bis 300 kg pro Kubikmeter in der Form

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionsdruck kleiner 10 bar ist und Beads mit einem Raumgewicht eingesetzt werden, das unter dem Kompressionsdruck das gewünschte Raumgewicht in der Form ergibt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch den Einsatz von Mikro-Beads und/oder Schrumpel-Beads.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine Haltestrecke nach der Mikrowellenzone, in der ein Sinterdruck bei Sintertemperatur gehalten wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erwärmung auf Schweißtemperatur und eine Druckeinstellung auf Schweißdruck erfolgt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch eine Bedüsung der Beads im Flugstrom oder in dünner Schüttlage auf einer Fördereinrichtung.

17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Rüttelfördereinrichtung.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch die Verwendung einer unter Wasser angeordneten Förderschnecke und/oder eines unter Wasser angeordneten Kettenförderers zur Benetzung der Beads.