DE19654860A1 - Teilweise Befüllung von Formteilautomaten mit 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 übliche Handhabung von Formteilautomaten sieht vor, daß deren Formhohlraum unter Druck mit den Beads gefüllt und anschließend mit Heißdampf beaufschlagt wird. Der Druck ist bei herkömmlichen Formteilautomaten notwendig, um dem Dampf eine höhere Temperatur als 100 Grad Celsius zu geben und den Kunststoffe der z. B. im Falle von Propylen eine Erweichungstemperatur von etwa 160 Grad Celsius hat, zu plastifizieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den älteren Vorschlag zur Anwendung von Mikrowellen zur Praxisreife zu bringen. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß die herkömmliche Bedampfung Nachteile hat. Ein Nachteil ist die notwendige vollständige Füllung des Formhohlraumes, um zu verhindern, daß der Dampf an den Beads vorbeistreicht. Diese Verfahrensweise bedingt ein Vorschäumen der in der Ausgangsform aus verschiedenen Gründen sehr kleinvolumigen Beads auf eine Größe, bei der es unter dem gewählten Druck zu einer vollständigen Befüllung der Form kommt. Nach der Erfindung wird die Form in der Anwendung der Mikrowellen ohne Vorschäumen der Beads teilweise befüllt. Dadurch entfällt ein wesentlicher Verfahrensschritt und verringert sich der Umfang der Anlage ganz erheblich. Auch die Befüllung erleichtert sich.

Nach der Erfindung wird das Beadsvolumen aber so gewählt, daß deren Volumenanteil nicht kleiner als 1/15, vorzugsweise 1/8 bis 1/10 des Formhohlraumes ist. Durch die Erwärmung der Beads mit den Mikrowellen entsteht bei Erreichen einer Vorschäumtemperatur eine Expansion der Beads. Die Expansion tritt bei geschrumpelten Polypropylen-Beads zwischen 95 und 100 Grad Celsius ein und verläuft mit relative großer Geschwindigkeit. Danach ist die Form gefüllt und bewirkt eine weitere Expansion eine deutliche Druckerhöhung. Wahlweise wird diese Druckerhöhung und/oder die Expansion der Beads mit einem Taster gemessen und danach die weitere Beaufschlagung mit Mikrowellen gesteuert.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch für die Verwendung von Wasser als aktives Material. Dabei wird das Wasser durch die Erwärmung in der Form verdampft. Nach der Erfindung wird der Dampf zumindest nach dem Aufschäumen der Beads in der Form eingeschlossen, damit es zu einer Druckerhöhung und einem überhitzten Dampf mit der gewünschten Temperatur kommt.

Je nach Temperatur und Druck kommt es zu einer Versinterung oder Verschweißung der Beads. 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, wenn 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 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.

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.

Bei wasserbenetzten Beads aus Polypropylen kann der Druck in der Form z. B. 6 bar 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 Füllen 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 der Schrumpelung ist 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 Wärmebehandlung 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. Volumenverkleinerung 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.

Es ist von Vorteil, eine Mikrowellenanlage mit mehreren Formen in der Weise zu betreiben, daß die Formen nacheinander in die Mikrowellen bewegt werden bzw. dort verharren. Bei dem Betrieb einer solchen Anlage ist es von Vorteil, vor der Mikrowellenstation eine Füllstation für die Formen und nach der Mikrowellenstation eine Kühl- und Entleerungsstation anzuordnen.

In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Anlage schematisch dargestellt:
Die Anlage besteht aus fünf Stationen, einer Füllstation I, einer Schließstation II, einer Mikrowellenstation III, einer Kühlstation IV und einer Öffnungs- und Entleerungsstation V.

In der Füllstation I wird eine untere Formhälfte 2 auf einem Rollgang 1 mit einer Beadsmenge 4 befüllt, so daß die Beads ¼ der Vertiefung in der Formhälfte 2 ausfüllen.

Von der Füllstation gelangt die Formhälfte 2 auf dem Rollgang 1 in die Schließstation. Dort wird die zweite und obere Formhälfte 3 auf die untere Formhälfte 2 gelegt und die Form dadurch geschlossen. Die Form bildet im Ausführungsbeispiel einen Hohlraum für eine Wärmedämmplatte. Aufgrund gleicher Ausbildung beider Formhälften 2 und 3 wird der Formhohlraum zu 1/8 durch die Beads ausgefüllt. Die beiden Formhälften 2 und 3 bestehen aus nicht aktivem Kunststoff und sind innen mit einem aktiven Material (Phenolharz) und darunter mit einer warmfesten Material (Glas) beschichtet.

Bei den Beads handelt es sich um Polypropylen-Schrumpelbeads, die vor dem Einfüllen mit Wasser als aktivem Material benetzt worden sind.

Die geschlossene Form gelangt aus der Schließstation II in die Mikrowellenstation III. Die Mikrowellenstation wird durch eine ringförmige Mikrowelleneinrichtung 5 gebildet. In der Mikrowelleneinrichtung werden die Beads mit Mikrowellen beaufschlagt. Dadurch entsteht eine Erwärmung des Wassers und danach Wasserdampf. Bei Erreichen einer Temperatur von 95 Grad Celsius füllen die Beads den Formhohlraum schlagartig aus. Der Druck erhöht sich zugleich. Die Expansion wird durch einen nicht dargestellten Taster gemessen, der mit einem Zeitglied in der Steuerung der Mikrowelleneinrichtung verbunden ist und die weitere Beaufschlagung mit den Mikrowellen nach Ablauf einer bestimmten Zeit einstellt. Diese Zeit wird durch einige Versuche ermittelt. Bei zu kurzer Zeit erfahren die Beads nur eine unzulängliche Verbindung. Das zeigt sich an der Festigkeit der Verbindung zwischen den Beads. Dann wird die Einwirkungszeit der Mikrowellen (Stellgröße des Zeitgliedes) verlängert, bis die Festigkeit der Verbindung ein gewünschtes Maß erreicht hat. Bei übermäßiger Beaufschlagung mit Mikrowellen entsteht eine übermäßige Erwärmung. Die Beads werden dadurch an der Oberfläche zu stark angeschmolzen. Auch das ist leicht erkennbar. Dementsprechend wird die Einwirkungszeit verkürzt.

Unter dem Einfluß der Mikrowellen entsteht in der Form weiterer Dampf und überhitzter Dampf. 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 weitere Expansion, so daß die angeschmolzenen Oberflächen gegeneinander gedrückt werden. So entsteht eine Verschweißung der Beads und ein Formkörper 7.

Aus der Mikrowellenstation III gelangt die Form mit dem Formkörper 7 in eine Kühlstation IV. Dort wird die Form gekühlt, um dem Formkörper Festigkeit zu verleihen. Aus der Kühlstation gelangt die Form auf dem Rollgang 1 in eine Öffnungs- und Entleerungsstation. In der letzten Station wird die obere Formhälfte 3 entfernt und der Formkörper 7 aus der unteren Formhälfte herausgenommen. Danach kann die untere Formhälfte wieder der Füllstation I zugeführt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Kunststoffschaum-Beads, insbesondere Beads aus Polystyrol 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 mit Mikrowellen beaufschlagt werden, bis sie an ihrer Oberfläche ausreichend erwärmt sind
• c) die Beads in einer Form aus nichtaktivem Material eingeschlossen sind insbesondere
• d) unter Verwendung einer Form mit innenseitiger Beschichtung aus aktivem Material
  dadurch gekennzeichnet,
  daß die Form (2, 3) nur teilweise mit Beads (4) gefüllt wird und der Volumenanteil der Beads in der Form nicht kleiner als 1/15 des Formhohlraumes ist und durch Erwärmung der Beads mit den Mikrowellen zunächst eine Expansion der Beads bei Vorschäumtemperatur und nach Ausfüllen des Formhohlraumes durch weitere Erwärmung ein Temperaturanstieg an der Beadsoberfläche auf Sintertemperatur bzw. Schweißtemperatur und ein Druckanstieg auf Sinterdruck bzw. Schweißdruck bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil 1/8 bis 1/10 beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschäumtemperatur für Polypropylen-Beads 95 bis 100 Grad Celsius beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nasser als aktives Material verwendet wird und in der Form durch Erwärmung mittels Mikrowelle verdampft wird und daß der Dampf zumindest nach dem Aufschäumen der Beads in der Form eingeschlossen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Form (2, 3) gemessen und/oder die Expansion der Beads in der Form gemessen und danach die Dauer der Mikrowellenbeaufschlagung gesteuert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beadsmenge (4) in die Form gefüllt wird, deren Gewicht gleich dem Gewicht des Formkörpers (7) ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Formen (2, 3) verwendet werden, die nacheinander durch eine Mikrowellenfeld bewegt werden und/oder dort für eine Zeitdauer verharren.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Anlage mit einer Füllstation (I) für die Formen (2, 3) vor der Mikrowellenstation (III) und einer Kühl- und Entleerungsstation (IV, V) nach der Mikrowellenstation.