DE2056917B2 - Mischvorrichtung zum Herstellen von Polyurethanschaumstoffen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung zum Herstellen von Polyurethanschaumstoffen, mit einem eine zylinderförmige Kammer bildenden Gehäuse, mit einem koaxial in der Kammer gelagerten, bis dicht an die Kammerwand reichenden, mit vergleichsweise hoher Drehzahl angetriebenen hohlen zylinderförmigen Läufer, der eine Vielzahl von Durchtrittskanälen geringen Durchmessers von der Innenseite zur Außenseite seiner Zylinderwand verlaufend aufweist, und mit mindestens zwei oberhalb des Läufers angeordneten, in dessen Innenraum einmündenden Zufuhrleitongen für die Mischungskomponenten, wobei sich der Läufer in einem zylindrischen Rührerteil fortsetzt, auf dessen Außenfläche eine Anzahl von Vorsprüngen oder Nuten angeordnet ist, und die Innenwand des die Kammer bildenden Gehäuses glatt ausgebildet ist.

Eine derartige Mischvorrichtung ist zum Herstellen von Polyurethanschaumstoffen bekanntgeworden. Beim Verarbeiten von Ausgangsstoffen hoher Viskosität erhält man Schaumkörper mit ungleichmäßiger Farbe, Zellgröße und Zellgrößenverteilung.

Es ist auch bereits bekannt, in Kreiselmischern, die aus einem Schleuderrad bestehen, dem umfangsseitigen Schaufelkranz ein zylindrisch angeordnetes Drahtgeflecht vorzuschalten, das konzentrisch zum Schaufelkranz und radial innerhalb desselben liegt und welches die Mischungswirkung verbessert, indem die Frequenz der in der Flüssigkeit erzeugten Wellen erhöht wird (DT-AS 10 34 149).

Die zur Herstellung von Polyuethanschaumstoffen verwendeten Mischvorrichtungen lassen sich in zwei allgemeine Kategorien einteilen. Zu der ersten Kategorie gehören Vorrichtungen, bei denen die reaktionsfähigen flüssigen Komponenten gesondert unter hohem Druck (56 kg/cm² oder mehr) in dem gewünschten Gewichtsverhältnis einer Mischkammer zugeführt werden, wo sie gegebenenfalls unter dem Einfluß eines ortsfesten, schneckenförmigen Organs gemischt und dann aus der Mischkammer ausgetragen werden. Die Verwendung dieser Hochdruckvorrichtungen ist aber durch die Viscosität der miteinander reagierenden flüssigen Komponenten begrenzt, die nur so hoch sein darf, daß sich die Flüssigkeiten noch durch Hochdruck-Verdrängerpumpen, wie sie zum Einspritzen von Brennstoffen verwendet werden, fördern lassen. Für diese Hochdruckvorrichtungen dürfen die Viscositäten der Flüssigkeiten höchsten 1000 cP betragen. Solche Viscositäten sind typisch für die flüssigen Reaktionsteilnelimer, die zur Herstellung von Polyurethanschaumstoffen von niedriger Dichte (0,03 g/cm³) verwendet werden. Zu der zweiten Kategorie gehören Vorrichtungen, bei denen die miteinander reagierenden flüssigen Komponenten gesondert unter niedrigen Drücken (weniger als 28 kg/cm²) in dem gewünschten Gewichtsverhältnis der Mischkammer zugeführt werden, wo sie unter dem Einfluß eines mit hoher Geschwindigkeit umlaufenden und eine hochgradige Scherung ausübenden Rührorgans miteinander gemischt und anschließend kontinuierlich aus der Mischkammer ausgetragen werden. Diese Niederdruckvorrichtungen sind imstande. Flüssigkeiten von viel höherer Viscosität zu fördern, als es in den Hochdruckvorrichtungen möglich ist. Flüssigkeiten mit Viscositäten von mehreren Tausend cP lassen sich leicht in solchen Niederdruckvorrichtungen fördern.

Flüssige Reaktionsteilnehmer von niedriger Viscosität, wie sie zur Herstellung von Polyurethanschaumstoffen von niedriger Dichte verwendet wurden, lassen sich häufig sowohl durch Niederdruck- als auch durch Hochdruckmischvorrichtungen hinreichend miteinander vermischen. Selbst bei der Herstellung von durch freies Verschäumenlassen erhaltenen Schaumstoffen von höherer Dichte (z. B. 0,08 g/cm³) gelingt es oft, die flüssigen Reaktionsteilnehmer, die eine verhältnismäßig höhere Viscosität aufweisen, in einem Niederdruckmischer hinreichend zu vermischen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß man mit Niederdruckmischern häufig eine unzureichende Vermischung der flüssigen Reaktionsteilnehmer von hoher Viskosität erzielt, die zur Herstellung von starren Schaumstoff-Formkörpern von hoher Dichte verwendet werden, was sich durch eine ungleichmäßige Oberfläche oder innere Farbe, ungleichmäßige Zellengröße in der Oberflächenhaut und im Kern des Formkörpers, einen unerwünscht weiten Verteilungsbereich der Zellengrößen und einen unerwünscht ungleichmäßigen Abstand der einzelnen Zellen voneinander kundtut.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine mit niedrigen Drücken, d. h. weniger als 28 kg/cm², arbeitende Mischvorrichtung zur Herstellung von Polyurethanschaumstoffen aus flüssigen Reaktionsteilnehmern hoher Viscosität. d. h. ab 1000 cP und um ein Vielfaches höher zu schaffen, mit welcher sich eine bessere Vermischung und damit eine gleichmäßigere Farbe und Zellstruktur der Polyurethanschaumstoffe erzielen läßt als mit bisher für die Herstellung von Polyurethanen verwendeten Mischvorrichtungen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Abschnitt des Läufers innen mit einem Sieb ausgekleidet ist, dessen Öffnungen eine Größe zwischen 0,036 bis 0,83 mm aufweisen.

Durch die Anwendung eines Siebes an Stelle lediglich einer Reihe von öffnungen in einer zylindrischen Wandung werden die miteinander reagierenden flüssigen Polyurethankomponenten in sehr feine Tröpfchen verteilt, bevor sie unmittelbar darauf der Scherwirkung ausgesetzt werden, wodurch eine starke Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen den miteinander reagierenden Komponenten entsteht.

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Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung dar.

Die Mischvorrichtung weist ein Gehäuse 10 auf, in dem sich eine zylindrische Kammer 11 befindet In der Kammer Ii ist ein Läufer 12 drehbar gelagert, dessen Abstand »d« von der Innenwand des Gehäuses 10 in typischer Weise 0,25 bis 0,76 mm beträgt. Der Läufer 12 weist einen Abschnitt 13 auf, der mit Austrittsöffnungen versehen ist, die durch ein Sieb 18 abgedeckt sind, sowie einen Rührerteil 14. Der Abschnitt 13 des Läufers 12 weist senkrechte Seiten 15 auf, die einen Hohlraum 16 begrenzen. Die Austrittsöffnungen in den Seiten 15 sind als Schlitze 17 ausgebildet. Die Schlitze

17 können jede beliebige Form haben; bei der dargestellten Ausführungsform beträgt ihre Länge mehr als das Dreifache ihrer Breite (z. B. 32 mm χ 4,75 mm). In den Hohlraum 16 ist ein Sieb 18 eingesetzt, das auf dem Boden des Hohlraums ruht und mit der inneren Oberfläche der Seiten 15 in Berührung steht. Eine Antriebswelle 21, die durch einen nicht dargestellten Antriebsmechanismus angetrieben wird, ist starr mit dem Läufer 12 verbunden. Der Rührerteil 14 des Läufers 12 weist rautenförmige Vorsprünge 19 auf. Der untere Teil des Gehäuses 10 hat die Form eines Trichters 20. Dem Inneren des Siebes 18 wird das zur Herstellung des Polyurethanschaums verwendete Polyisocyanat durch eine Leitung 22 und das verwendete Polyol durch eine Leitung 23 zugeführt. Der Rührerteil 14 des Läufers 12 kann auch andere, an sich bekannte Formen haben, wie z. B. die Form einer Standardspirale, einer bandförmigen Spirale oder einer geschlitzten Spirale.

Beim Betrieb rotiert die Welle 21 und mit ihr der Läufer 12 in dem Gehäuse 10. Das Polyol, das gegebenenfalls ein Treibmittel enthält, und das Polyisocyanat werden aus Vorratsbehältern durch die Leitungen 22 und 23 in dem gewünschten stöchiometrischen Verhältnis und mit der gewünschten Strömungsgeschwindigkeit dem Hohlraum 16 zugeführt. Infolge der Rotationsgeschwindigkeit des Läufers 12 werden das Polyol und das Polyisocyanat unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft durch die Löcher in dem Sieb 18 hindurchgetrieben. Eine gewisse Mischwirkung kann schon in dem Hohlraum 16 stattfinden, und das teilweise gemischte Polyol und Polyisocyanat gelangt dann durch das Sieb

18 hindurch in eine Schermischzone, die von der Innenwand der Kammer 11 und der Außenwand des Abschnitts 13 gebildet wird. Wenn das Polyol-Poly isocyanatgemisch mit dem Rührerteil des Läufers 12 in Berührung kommt, findet eine zusätzliche Mischwirkung unter hochgradiger Scherung statt, und das Gemisch wird schließlich aus dem Gehäuse 10 durch den Trichter 20 ausgetrieben, bevor es zum Gel erstarrt. Dann wird das Gemisch unmittelbar in (nicht dargestellte) Formen gegossen, wo es zu einem harten oder biegsamen Polyurethanformkörper erhärtet. Wenn das Gemisch ein Treibmittel enthält, bildet sich ein Polyurethanschaum.

Die Sieböffnungen, durch die das Polyol und das Polyisocyanat hindurchtritt, können eine maximale Querschnittsabmessung von 0,025 bis 0,838 mm und Vorzugsweise von 0,15 bis 0,5 mm haben. Gemäß der in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Löcher die Form von Drahtnetzmaschen haben, beträgt die Maschendichte 7,9 bis 157,5 und vorzugsweise 12,6 bis 78,7 Maschen je cm. ⁶S Eine Maschendichle von 7,9 bis 157,5 je cm entspricht einer Größe der Öffnungen von 0,036 bis 0,83 mm. Die Summe der Flächen aller einzelnen Löcher muß mindestens so groß sein, daß der gewünschte Durchsatz des Gemisches erhielt werden kann, ohne daß ein übermäßiger Druckabfall an den Löchern auftritt

Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung lassen sich Flüssigkeiten der verschiedensten Viscositäten innig miteinander mischen; vorzugsweise wird die Vorrichtung jedoch zum Mischen von Flüssigkeiten verwendet, von denen mindestens eine bei der Mischtemperatur eine Viscosität von mehr als 1000 cP aufweist

Zu den Polyisocyanaten oder Polyisocyanatgemischen, die in flüssigem Zustand in der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung verwendet werden können, gehören Toluylen-2,4-diisocyanat, Toluylen-2,6-diisocyanat, Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat, Hexamethylen-1,6-diisocyanat, Gemische aus Toluylen-2,4-diisocyanat und Toluylen-2,6-diisocyanat, Xylylendiisocyanat, 3,3'-Bitoluylen-4,4'-d:isocyanat, Polymethylenpolyphenylisocyanat, trans-Vinylendiisoxyanat, 3,3'-Dimethoxydiphenylen-4,4'-diisocyanat und hydriertes Diphenylme than-4,4'-diisocyanat.

Ebenso können endständige Isocyanatgruppen aufweisende Reaktionsprodukte verwendet werden, die als Vorpolymerisaie bezeichnet werden und durch Umsetzung eines stöchiometrischen Überschusses an einem Polyisocyanat oder einem Gemisch aus Polyisocyanaten mit einer organischen Polyhydroxyverbindung oder einem Gemisch aus organischen Polyhydroxyverbindungen entstehen.

Beispiel

Ein auf 39,5°C befindliches Vorpolymerisat mit endständigen Polyisocyanatgruppen und das auf 22° C befindliche Polyolgemisch werden in einem Gewichtsverhältnis von Polyisocyanalkomponente zu der Polyolgemischkomponente von 53,5 :46,5 mit Hilfe zweier mit konstanter Geschwindigkeit fördernder Verdrängerpumpen in einem Gesamtausstoß von 12,3 kg/Min, in die erfindungsgemäße Mischvorrichtung eingespritzt, die mit einem Drahtnetz von einer Maschendichte von 12,6 Maschen je cm versehen ist. Der Rührer rotiert mit 4900 U/Min., und die Flüssigkeit wird kontinuierlich aus der Mischkammer ausgetragen und in eine geschlossene Aluminiumform bei einer Formtemperatur von 60°C bzw. in einen 946 cm³ fassenden Pappbehälter überführt. Die 900 g Material, die in die Aluminiumform überführt werden, werden, verschäumen gelassen, und der gehärtete Schaumstoff-Formkörper wird aus der Form entfernt und untersucht. Das Material in dem Pappbehälter wird frei auftreiben gelassen und nach dem Erstarren ebenfalls untersucht.

Der erhaltene Schaumstoff-Formkörper zeigt eine bessere Gleichmäßigkeit der Oberflächenfarbe und Zellenstruktur an der Oberfläche des Formkörpers als diejenige, die mit einer bekannten Mischvorrichtung für Polyurethankomponenten erzielt wurde, die zwar mit Scherwirkung aber ohne Anwendung eines Siebs arbeitete. Die Zellengrößenverteilung an der Oberfläche eines Formkörpers ist enger als jene die in bekannten Vorrichtungen erhalten wurde. Das Innere des Formkörpers zeigt eine verhältnismäßig gleichmäßige Farbe und Zellenstruktur im Gegensatz zu der ungleichmäßigen Farbe und Zellenstruktur des Inneren eines Schaumstoff-Formkörpers, wie er mit den bekannten Vorrichtungen erhalten wurde. Die Zellengrößenverteilung im Inneren des Schaumstoff-Formkörpers ist ebenfalls enger. Der Schaumstoff-Formkörper zeigt durchweg eine gleichmäßigere Farbe als der bisher hergestellte Schaumstoff.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Mischvorrichtung zum Herstellen von Polyurethanschaumstoffen, mit einem eine zylinderförmige Kammer bildenden Gehäuse, mit einem koaxial in der Kammer gelagerten, bis dicht an die Kammerwand reichenden mit vergleichsweise hoher Drehzahl angetriebenen hohlen zylinderförmigen Läufer, der eine Vielzahl von Durchtrittskanälen geringen Durchmessers von der Innenseite zur Außenseite seiner Zylinderwand verlaufend aufweist und mit mindestens zwei oberhalb des Läufers angeordneten, in dessen Innenraum einmündenden Zufuhrleitungen für die Mischungskomponenten, wobei sich der Läufer in einem zylindrischen Rührerteil fortsetzt, auf dessen Außenfläche eine Anzahl von Vorsprüngen oder Nuten angeordnet ist, und die Innenwand des die Kammer bildenden Gehäuses glatt ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt (13) des Läufers (12) innen mit einem Sieb (18) ausgekleidet ist, dessen öffnungen eine Größe zwischen 0,036 bis 0,83 mm aufweisen.