DE19743187A1 - Verfahren und Mischkopf zum Herstellen eines Reaktionsgemisches aus einem Isocyanat und einer höherviskosen Polyolformulierung - Google Patents

Verfahren und Mischkopf zum Herstellen eines Reaktionsgemisches aus einem Isocyanat und einer höherviskosen Polyolformulierung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum rührwerkslosen Herstellen eines Reaktions­ gemisches aus einem Isocyanat und einer höherviskosen Polyolformulierung, wobei diese beiden Komponenten einer Mischzone zugeführt und darin miteinander ver­ mischt werden.
Neue Einsatzgebiete erfordern die Verarbeitung höherviskoser Polyolformulierungen. Der Einsatz höherviskoser Komponenten bietet viele Vorteile. In der Regel nimmt die Viskosität von Polyetherpolyolen und insbesondere von Polyesterpolyolen mit stei­ gender Funktionalität deutlich zu. Um hohe Vernetzungsgrade und damit ein besseres mechanisches Eigenschaftsniveau zu erreichen, ist der Einsatz größerer Mengen bzw. Anteile hochfunktioneller Polyolkomponenten wünschenswert.
Dabei bereitet die einwandfreie Vermischung in einer rührwerkslosen, selbstreinigen­ den Mischkammer immer noch in dem Maße Schwierigkeiten, wie die Viskosität sol­ cher Komponenten steigt. Im Kunststoffhandbuch, Band 7 "Polyurethane" (Carl Han­ ser Verlag München 1993), wird auf Seite 175, letzter Absatz, angeführt: "War früher bei 1500 mPa.s die Grenze der Mischbarkeit erreicht, sind heute Viskositäten oberhalb 2000 mPa.s nach der Injektionsmethode beherrschbar". Faktisch ist es jedoch bis heute nicht gelungen, Reaktionskomponenten mit Viskositäten oberhalb 3000 mP.s nach der Gegenstrom-Hochdruck-Injektionsmethode zu verarbeiten. Man mußte dann mit Rührwerksmischköpfen arbeiten.
Es war auch bekannt (Kunststoffhandbuch Seite 125), die Viskosität mit erhöhter Verarbeitungstemperatur auf 2000 bis 3000 mPa.s zu senken. Durch die erhöhte Komponententemperatur nimmt aber die Reaktivität der Systeme derart zu, daß der Schaumprozeß nicht mehr kontrolliert werden kann. Der resultierende Schaumstoff weist Schlieren auf und die physikalischen Werte fallen rapide ab.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und einen Mischkopf zu schaffen, womit ein Reaktionsgemisch der eingangs genannten Art ohne Verwendung eines Rührwerkes herstellbar ist, welches zu einem Produkt hoher Qualität ausrea­ giert.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß eine Viskosität von mindestens 3000 mPa.s aufweisende Polyolformulierung unter Niederdruck in die Mischzone eingespeist wird, und daß mindestens zwei Ströme aus niedrigviskosen Komponenten (Isocyanat und gegebenenfalls niedrigviskoses Polyol) unter Hochdruck in den Strom der hochvisko­ sen Polyolformulierung injiziert werden.
Überraschenderweise wird hiermit eine gute Vermischung höherviskoser Komponen­ ten erzielt. Die Erfindung macht sich zunutze, daß durch Aufteilung der höhervisko­ sen Komponente in zwei oder mehr Teilströme deren Energie zwar verlagert, aber insgesamt erhöht wird.
Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche des Stromes der Polyolformulierung 10 bis 100 mal größer als die Summe der Querschnittsflächen der Isocyanatströme.
Gegebenenfalls im Zusammenwirken mit vorzugsweisen Verarbeitungsdrücken von 50 bis 300 bar für Isocyanat und unterhalb 20 bar für die Polyolformulierung werden gute Resultate erzielt. Bevorzugt ist ein Druck zwischen 70 und 250 bar, insbesondere bevorzugt 100 bis 200 bar.
Vorzugsweise werden die Teilströme der Isocyanatkomponente im Querstrom inji­ ziert.
Hierzu sei gesagt, daß bei nicht zu großer Abweichung vom Querstromeintrag auch noch relativ gute Ergebnisse erzielbar sind.
Vorteilhaft ist auch, den Injektionsstrahl nicht auf die Mittelachse der Mischzone zu richten, denn eine zumindest angenähert tangentiale Eintragsrichtung sorgt durch zu­ sätzliche Verwirbelung für einen guten Vermischungsgrad. Im Normalfall wird man die Eintragsstellen gleichmäßig über den Umfang der Mischzone verteilen und gege­ benenfalls nur die niedrigviskose Komponente stirnseitig zuführen.
Beim klassischen Gegenstrom-Injektionsprinzip mit Komponentenviskositäten < 2000 mPa.s wird mit folgender Energieaufteilung gearbeitet:
(mPoly × pPoly) + (mIso × pIso) = E
Bei einem Austrag von 4 kg/min Polyol (Viskosität 4000 mPa.s) und 6 kg/min Isocyanat (Viskosität 50 mPa.s), also einem Gesamtaustrag von 10 kg/min bei Injek­ tionsdrücken von 100 bar, ergibt sich folgende Energieaufteilung:
(4 × 100) + (6 × 100)
Energie des Polyols 400 + Energie des Isocyanats 600 = 1000
Beim neuen Verfahren hingegen wird das Polyol mit 10 bar zugeführt und das Isocya­ nat in zwei gegeneinander gerichteten Teilströmen mit 180 bar im Querstrom einge­ düst:
(mPoly × pPoly) + [(mIso/2 × pIso) + (mIso/2 × pIso)] = E
4 × 10 + (6/2 × 180) + (6/2 × 180)
Energie des Polyols 40 + Energie des Isocyanats 1080 = 1120
Gemäß einer alternativen Durchführungsform des neuen Verfahrens werden alle Ströme in der gleichen Ebene in die Mischzone eingebracht.
Es ist auch möglich, von der Polyolformulierung nur den höherviskosen Anteil unter Niederdruck zuzuführen und davon getrennt niedrigviskose Anteile ebenso wie das Isocyanat in den Strom des höherviskosen Anteils unter Hochdruck zu injizieren.
Hier folgendes Beispiel: Verarbeitet werden 4 kg/min Polyol, wovon 2/3 hochviskos und 1/3 niedrigviskos sind. Der hochviskose Anteil wird mit einem Druck von 10 bar senkrecht in die Mischzone eingetragen. Der niedrigviskose Anteil sowie 6 kg/min Isocyanat werden in insgesamt drei um 120° versetzten Teilströmen unter 150 bar quer injiziert. Hierzu die Energierechnung, wobei "Poly H" hochviskoses Polyol und "Poly N" niedrigviskoses Polyol bedeuten:
[(1/3mPolyH × pPoly) + (2/3mPolyN × pPoly)] + [(mIso/2 × pIso) + (mIso/2 × pIso)] = E
(1,33 × 10) + (2,66 × 150) + (6/2 × 150) + (6/2 × 150)
Energie des Polyols 413 + Energie des Isocyanats 900 = 1313
Bei Aufteilung der Polyolformulierung in hoch- und niedrigviskose Anteile kann auch der hochviskose Anteil senkrecht in die Mischkammer eingebracht werden, während der niedrigviskose Anteil in einem Strom und die gesamte Isocyanatmenge in einem anderen Strom gegeneinander injiziert werden:
[(1/3mPolyH × pPoly) + (2/3mPolyN × pPoly)] + [(mIso × pIso) = E
(1,33 × 10) + (2,66 × 150) + (6 × 150)
Energie des Polyols 413 + Energie des Isocyanats 900 = 1313
Selbstverständlich können sowohl das Isocyanat und/oder das niedrigviskose Polyol auch in mehreren Teilströmen injiziert werden.
Zur Durchführung des neuen Verfahrens eignet sich bevorzugt ein rührwerksloser Mischkopf, bestehend aus einer Mischkammer mit Einlaßöffnungen für die Kompo­ nenten.
Das neue ist zu sehen in einer Einlaßöffnung für die höherviskose Polyolformulierung und mindestens zwei Einlaßöffnungen für niedrigviskose Komponenten (Isocyanat und gegebenenfalls niedrigviskoses Polyol), wobei die Querschnittsfläche der Einlaß­ öffnung für die höherviskose Polyolformulierung 10 bis 100 mal größer ist als die Summe der Querschnittsflächen der Einlaßöffnungen für die niedrigviskose(n) Kom­ ponente(n).
Derartige Mischköpfe sind selbstreinigend und erlauben vom Prinzip her je nach ihrer Steuerungsmöglichkeit einen kontinuierlichen Betrieb, beispielsweise für nachgeord­ nete Bandanlagen, oder auch einen Schußbetrieb zum Füllen von Formwerkzeugen oder sonstigen auszufüllenden Hohlräumen.
Die Erfindung erlaubt die Herstellung von Reaktionsmischungen unter Einsatz von Polyolkomponenten mit Viskositäten von oberhalb 3000 mPa.s, insbesondere zwi­ schen 10.000 und 50.000 mPa.s.
Eine Limitierung für die Viskosität der Polyolkomponente ergibt sich aufgrund der erforderlichen Fördermittel. Als Fördermittel bis 100.000 mPa.s geeignet sind Zahn­ radpumpen, Schraubenspindelpumpen oder auch Schneckenmaschinen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren naher erläutert:
Fig. 1a und 1b zeigen einen erfindungsgemäßen Mischkopf mit einem als Breitschitz­ düse gestalteten Auslauf.
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Mischkopf mit einem als Löffel- bzw. Zungen­ düse gestalteten Auslaß.
Fig. 3a und 3b zeigen einen erfindungsgemäßen Mischkopf für Schußbetrieb.
Fig. 4a, 4b und 4c zeigen eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mischkopfes für Schußbetrieb.
Der erfindungsgemäße Mischkopf 1 gemäß Fig. 1a enthält eine Zuführleitung 11 für das hochviskose Polyol, sowie Einleitöffnungen 12 für das Isocyanat. Die Einleitöff­ nungen 12 weisen gegen vorgespannte Federn bewegliche Verschlußkegel 15 auf, die sich bei der Zuleitung von Isocyanat (Pfeil 14) mit dem erforderlichen Druck öffnen. Die geometrisch nicht scharf definierte Mischzone 13 ist in Form eines einfachen Durchflußrohres gestaltet, in das die Injektionsdüsen 12 für das Isocyanat münden. Die Mischzone 13 enthält keinerlei turbulenzerzeugende Einbauten. Vorzugsweise sind die Injektionsdüsen 12 für das Isocyanat nicht in Richtung auf die Achse der Mischzone 13 ausgerichtet, sondern derart in der Ebene senkrecht zur Achse ver­ dreht, daß dem hochviskosen Polyolstrom durch die Injektion des Isocyanats eine Rotationsbewegung in der Mischzone 13 zur Unterstützung der Vermischung aufge­ prägt wird. Der Auslauf 2 des Mischkopfes 1 ist in Form einer Breitschlitzdüse aus­ gestaltet. Fig. 1b zeigt einen Schnitt senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 1a durch den Mischkopfauslauf 2.
Fig. 2 zeigt einen Mischkopf 1 wie in Fig. 1a, wobei jedoch der Auslauf 2 als Zun­ gendüse ausgebildet ist.
Der Mischkopf 1 gemäß Fig. 3a ist für den intermittierenden Schußbetrieb zur Her­ stellung von Formschaumteilen geeignet. Der Mischkopf weist einen Verschlußkol­ ben 20 auf, der in Achsenrichtung (Pfeil 21) hydraulisch beweglich ist. Zur Füllung der Form wird der Verschlußkolben 20 (wie durch Pfeil 21 angedeutet) zurückgefah­ ren, so daß der Zulauf 11 für das hochviskose Polyol und die Injektionsdüse 12 für das Isocyanat für den Eintritt in die Mischzone 13 freigegeben werden. Aus der Mischzone 13 gelangt die Mischung in das Auslaufrohr 2, durch das die Mischung in die Form gefüllt wird. Nach Beendigung der Formfüllung wird der Verschlußkol­ ben 20 in die dargestellte Position zurückgefahren, wobei die Zuläufe 11 und 12 zur Mischzone 13 abgesperrt werden. Gleichzeitig werden die Zuläufe 11 und 12 über Nuten 28 und 29 des Verschlußkolbens 20 mit den Rezirkulationsleitungen 24 und 25 verbunden, über die das hochviskose Polyol und das Isocyanat in die jeweiligen Vor­ ratsbehälter zurückgefördert werden. Der Rezirkulationsstrom wird während der Schußunterbrechung, wie in der Technik der Polyurethan-Herstellung üblich, auf­ rechterhalten. Der Mischkopf weist ferner einen hydraulisch betriebenen Reinigungs­ kolben 26 auf, der nach Schußende, nachdem der Verschlußkolben 20 in Verschluß­ stellung gefahren ist, die im Auslaufrohr 2 verbliebene Mischung aus dem Auslauf­ rohr 2 auswirft. Fig. 3b zeigt einen Schnitt A-A durch die Darstellung der Fig. 3a. In der beispielhaften Darstellung sind drei Injektionsdüsen für die Isocyanat-Einleitung vorgesehen. Im übrigen sind Variationen der konstruktiven Ausführung des Misch­ kopfes möglich, die der Fachmann ohne weiteres aus Becker/Braun, Kunststoff- Handbuch, Band 7, Polyurethane, S. 177-182 (1993) ableiten kann. Erfindungsgemäß wesentlich ist der im Vergleich zu den Isocyanat-Einleitöffnungen große Querschnitt der Zuleitung für das hochviskose Polyol mit entsprechend großen Querschnitten für die Rezirkulationsleitungen, so daß das hochviskose Polyol im wesentlichen druckfrei gefördert werden kann.
Fig. 4a zeigt eine alternative Ausführungsform für den erfindungsgemäßen Mischkopf für intermittierenden Schußbetrieb, wobei die Umlenkwinkel für das hochviskose Polyol klein gehalten werden. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente wie in Fig. 3a. Fig. 4b zeigt einen Schnitt B-B durch die Darstellung der Fig. 4a. Fig. 4c zeigt eine Darstellung gemäß Fig. 4a, wobei der Verschlußkolben 20 in Verschluß­ stellung gefahren ist. Der über Zuleitung 11 zugeführte hochviskose Polyolstrom er­ fährt bei der Einleitung in die Mischzone 13 lediglich eine Umlenkung von 20 bis 35° Die Einleitung des Isocyanats (vier paarweise gegenüberliegende Einleitöffnungen 12a und 12b) erfolgt quer zum Polyolstrom. Dabei sind die Isocyanat-Zuleitungen 14a und 14b paarweise derart versetzt, daß der Polyolstrom in den Einleitebenen gegenläufig in Rotation versetzt wird. Die Rezirkulation des Isocyanats nach Schußende erfolgt über Nuten 29 des Verschlußkolbens 20. Die Rezirkulation des hochviskosen Polyols erfolgt durch eine Bohrung 28 durch den Verschlußkolben 20, die in Verschlußstel­ lung die Verbindung zur Rezirkulationsleitung 24 herstellt.

Claims (9)

1. Verfahren zum rührwerkslosen Herstellen eines Reaktionsgemisches aus einem Isocyanat und einer höherviskosen Polyolformulierung, wobei diese beiden Komponenten einer Mischzone zugeführt und darin miteinander vermischt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Viskosität von mindestens 3000 mPa.s aufweisende Polyolformulierung unter Niederdruck in die Misch­ zone eingespeist wird, und daß mindestens zwei Ströme aus niedrigviskosen Komponenten (Isocyanat und gegebenenfalls niedrigviskoses Polyol) unter Hochdruck in den Strom der hochviskosen Polyolformulierung injiziert wer­ den.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsflä­ che des Stromes der Polyolformulierung 10 bis 100 mal größer ist als die Summe der Querschnittsflächen der Hochdruckströme.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Isocya­ nat bzw. ein niedrigviskoser Polyolanteil unter einem Druck von 50 bis 250 bar in den hochviskosen Polyolstrom injiziert wird, welcher einen Druck unter 20 bar aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teil­ ströme im Querstrom injiziert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Ströme in der gleichen Ebene der Mischzone eingebracht werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von der Polyolformulierung nur der höherviskose Anteil unter Niederdruck zugeführt wird und davon getrennt niedrigviskose Anteile ebenso wie das Isocyanat in den Strom des höherviskosen Anteils unter Hochdruck injiziert werden.
7. Rührwerksloser Mischkopf zum Herstellen eines Reaktionsgemisches aus einem Isocyanat und einer höherviskosen Polyolformulierung, bestehend aus einer Mischkammer mit Einlaßöffnungen für die Komponenten, gekennzeich­ net durch eine Einlaßöffnung für die höherviskose Polyolformulierung und mindestens zwei Einlaßöffnungen für die niedrigviskose Komponente(n) (Isocyanat und gegebenenfalls niedrigviskoses Polyol), wobei die Quer­ schnittsfläche der Einlaßöffnung für die Polyolformulierung 10 bis 100 mal größer ist als die Summe der Querschnittsflächen der Einlaßöffnungen für die niedrigviskose(n) Komponente(n).
8. Mischkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnun­ gen für die niedrigviskose(n) Komponente(n) gleichmäßig über den Umfang der Mischkammer verteilt und wenigstens annähernd senkrecht zu deren Achse der Mischkammer angeordnet sind.
9. Mischkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Einlaßöffnun­ gen in der gleichen Ebene in die Mischkammer münden.
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DE102006026609A1 (de) * 2006-06-08 2008-01-17 Krauss Maffei Gmbh Komponentenzufuhr-Düse mit Druckentlastung

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