DE2202133A1

DE2202133A1 - Verfahren zum herstellen von bauteilen aus schaumkunststoffen in formwerkzeugen

Info

Publication number: DE2202133A1
Application number: DE19722202133
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dipl-Ing Hensel; Georg Prof Dr-Ing Menges; Konrad Dipl-Ing Schwanitz
Original assignee: Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Current assignee: Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Priority date: 1972-01-18
Filing date: 1972-01-18
Publication date: 1973-08-09
Also published as: DE2202133B2; IT976484B; GB1398464A; FR2168589A1; BE794126A; NL7300557A; CH545685A; FR2168589B1

Description

Vereinigung zur Förderung des Instituts 22UiC IJo

für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der Rhein.-Westf .Techn. Hochschule Aachen e.V., 51 Aachen
Pontstr. 49

Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus Schaumkunststoffen in Formwerkzeugen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus Schaumkunststoffen, die aus reaktionsfähigen Einzelkomponenten gebildet sind, z.B. Polyurethan, in Formwerkzeugen.

Derartige Schaumkunststoffe, nachstehend als Reaktionsschaumstoffe bezeichnet, werden durch gleichzeitig verlaufende und aufeinander abgestimmte Polymer- und Treib-Reaktionen gebildet, wobei an den Polymer-Aktionen mindestens zwei reaktionsfähige Gruppen besitzende niedermolekulare Komponenten teilnehmen, während die Treibreaktionen durch Treibmittel ausgelöst werden, die entweder den Ausgangskomponenten zugesetzt oder bei der Polymerisation freigesetzt werden. Außer dem schon eingangs genannten Polyurethan gehören in diese Klasse der Reaktionsschaumstoffe solche auf der Basis von z.B. Polyisocyaiiürat, Phenol-Formaldehyd, Polyesterharze, Polyamid, Epoxidharz. Diese Stoffe vernetzen sich chemisch, indem sich die Moleküle der flüssigen Reaktionskomponenten miteinander verknüpfen und ein räumliches starres Netzwerk bilden. Dieser Vorgang ist kunststoffbildend und ergibt Duroplaste.

Im Gegensatz dazu wird bei den sogenannten thermoplastischen Massen die Kunststoffbildung bereits beim Rohstoffhersteiler vorgenommen. Durch Lösungsmittel lassen sich dann diese Stoffe, die nur lineare oder nur schwach vernetzte Molekülketten aufweisen, aufweichen. Bei einer Erwärmung dieser Stoffe wird dann das zugefügte Lösungsmittel verdampfen und die Masse gelieren, so daß sie geformt werden kann.

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Diese Technik läßt sich aber bei den starr vernetzten Reaktionsschaumstoffen nicht anwenden, da die hergestellten chemischen Bindungen nicht zerstört werden dürfen. Der Reaktionsprozeß ist daher bei den Reaktionsschaumstoffen allgemein ohne Zerstörung des Kunststoffes nicht reversibel.

Bei den bisher bekannten Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Reaktionsschaumstoffen wird das Reaktionsgemisch (z.B. aus Polyol, Polyisocyanwrat, Stabilisatoren und Aktivatoren) und ein flüssiges, niedrigsiedendes Treibmittel, z.B. Trichlormonofluormethan, bis zu einem gewissen Füllstand in ein ruhendes Formwerkzeug eingefüllt, dessen Einfüllöffnungen nach dem FUllvorgang verschlossen werden. Die Reaktionspartner (z.B. Polyol und Polyisocyanerat) reagieren dann miteinander und bilden so den eigentlichen Kunststoff. Bei diesem Prozeß wird Wärme frei, die ihrerseits das den Reaktionspartnern beigegebene Treibmittel zum Verdampfen bringt, wodurch das Reaktionsgemisch aufschäumt. Die sich oberhalb des vorgenannten Füllstandes in dem Formwerkzeug befindliche Luft wird von dem aufschäumenden Reaktionsgemisch, das von den insbesondere in der Mitte des Formwerkzeuges liegenden Stellen höchster Temperatur (bis etwa 200⁰C) sehr schnell, im Bereich von Sekunden, in den Raum oberhalb des Füllstandes quillt, über enge Entlüftungskanä-Ie ins Freie gedrückt; schließlich ist das ganze Formwerkzeug mit dem Reaktionsgemisch gefüllt. Da nun aber die Wand des Formwerkzeugs gekühlt wird, wird auch der mit der gekühlten Wand in Berührung kommende Reaktionsschaum gekühlt, so daß das dampfförmig gewordene Treibmittel kondensiert und in dem Reaktionsgemisch wieder in Lösung geht. Hierdurch wird der Beginn einer Hautbildung an der Werkzeuginnenwand oberhalb des vorgenannten Füllstandes eingeleitet; unterhalb des Füllstandes hat die Hautbildung schon beim Einfüllen des Reaktionsgemisches begonnen. Der Vorgang der Hautbildung ist aber bei der hier zunächst erörterten praktisch drucklosen Schäumung zeitlich eng begrenzt, da einerseits durch die

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schlechte Wärmeleitfähigkeit des ReaktionsSchaumes und andererseits durch dessen schnell eintretende Erhärtung oberhalb des vorgenannten Füllstandes nur eine dünne und nicht einmal kompakte Schicht entstehen kann. Die Hautbildung ist daher oberhalb des Füllstandes so schlecht, daß ein derartiges praktisch drucklos arbeitendes Verfahren von der Fachwelt bisher für die Herstellung von hochwertigen Polyurethan-Schäumen mit Haut für ungeeignet gehalten wurde (vgl. OS 1 504 198 Seite 4 Mitte).

Um nun Reaktionsschaumstoffe mit Haut doch mit besserem Erfolg herstellen zu können, hat man durch erhöhte Zugabe von Treibmitteln zu dem Reaktionsgemisch in dem Formwerkzeug unter Anwendung gezielter Wandtemperaturen Drücke von etwa 3 bis 10 at. erzeugt. Auf diese Weise wurde die Kondensation des Treibmittels an der Werkzeuginnenwand beschleunigt und die Bildung einer einigermaßen brauchbaren Haut auch oberhalb des genannten Füllstandes ermöglicht. Der Nachteil dieses bisher angewendeten Verfahrens besteht aber darin, daß zur Bewältigung der dabei auftretenden hohen Drücke nicht nur sehr aufwendige, kompakte Formwerkzeuge, sondern auch entsprechend aufwendige Halte- und Schließvorrichtungen für diese Werkzeuge benötigt werden, die einer wirtschaftlichen Herstellung insbesondere von größeren Formteilen erschwerend entgegenstehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bisher bekannten Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus Reaktionsschaumstoffen zu vermeiden.

Gemäß der !Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

a) voi? Beginn des Schäumprozesses die gesamte Innenwand des Formwerkzeuges, die gegebenenfalls bereits mit einem Formentrennmittel versehen sein kann, zunächst mit einer zur Bildung einer Außenhaut des Formteiles dienenden Hasse nur benetzt wird, und daß dann

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b) zur Durchführung des Schäumprozesses die zum Kernaufbau des Formteiles dienende Masse (Reaktionsgemisch mit Treibmittel), sofern sie nicht mit der zur Bildung der Außenhaut dienenden Masse identisch ist, in das Formwerkzeug eingefüllt wird, wo sie aufschäumt, und dass dabei

c) der Druck im Innern des Formwerkzeuges durch Steuerung der die Schaumbildung beeinflussenden Größen praktisch auf dem das Formwerkzeug umgebenden Druck gehalten wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird also erreicht, daß zunächst einmal, auf Jeden Fall vor dem Aufschäumen des Reaktionsgemisches, durch Benetzen der gesamten Formwerkzeug-Innenwand eine einwandfreie, den jeweiligen Anforderungen entsprechende Außenhaut für das Formteil geschaffen wird, ohne daß es dabei irgendwelcher Druckanwendung bedarf. Erst wenn diese Außenhaut des Formteiles vorhanden ist, kommt die zum Kernaufbau des Formteiles dienende, in das Formwerkzeug eingefüllte Masse, also das Reaktionsgemisch mit Treibmittel, zum Aufschäumen, wobei aber durch Steuerung der die Schaumbildung beeinflussenden Größen wiederum dafür gesorgt wird, daß der Druck im Innern des Formwerkzeuges praktisch immer auf dem das Werkzeug umgebenden Druck gehalten wird. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß die ganze Herstellung des Formteiles im Formwerkzeug praktisch drucklos abläuft, so daß der Aufwand für die Formen sowie für ihre Halterung und ihr Verschließen sehr gering ist.

Die für die Bildung der Außenhaut dienende Masse kann nun mit der für den Kernaufbau des Formteiles dienende Masse entweder identisch oder aber von ihr verschieden sein.

Wird für die Außenhaut und für den Kernteil eines Formteiles ein- und dieselbe Masse verwendet (sogenannter

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Strukturschaumstoff), so wird gemäß einer weiteren Ausge-»· staltung der Erfindung die Innenwand des geschlossenen Formwerkzeuges bei Aufbau der Außenhaut des Formteiles auf einer Temperatur unterhalb des Siedepunktes des im Reaktionsgemisch in Lösung befindlichen Treibmittels gehalten. Wird dann die für das Formteil erforderliche Gesamtmenge der Masse (Reaktionsgemisch mit Treibmittel) in das Formwerkzeug eingefüllt, so wird, vorteilhaft durch ein- oder mehrmaliges Schwenken des Formwerkzeuges, die gesamte Innenwand des dann verschlossen gehaltenen Formwerkzeuges vollständig und einwandfrei mit dem noch flüssigen, d.h. noch nicht schäumenden Gemisch benetzt, das dabei genügend Gelegenheit hat, an der Werkzeuginnenwand herunterzufließen. Die nach diesem Benetzungsvorgang haftenbleibende Schicht bildet für das Formteil die kompakte Außenhaut, deren Dicke nlber die Anfangeviskosität des Gemisches und über die Temperatur der Werkzeuginnenwand direkt beeinflußbar ist. Der Prozeß dieser Hautbildung soll abgeschlossen sein, bevor der Aufschäumvorgang beginnt. Wenn dann - bei inzwischen geöffneten Entlüftungsspalten und ruhendem Werkzeug - das Aufschäumen des Reaktionsgemisches anfängt, wird der Druck im Innern des Formwerkzeugs in Abhängigkeit von der Menge bzw. Art des Treibmittels und/oder durch die Menge bzw. Art der zur Bildung des Formteiles verwendeten reaktionsfähigen Einzelkomponenten des Schaumstoffes derart gesteuert, daß der Druok im Innern des Formwerkzeuges praktisch auf dem das Formwerkzeug umgebenden Druck gehalten wird. Ist schließlich das Formwerkzeug mit Reaktionsschaum gefüllt, so werden der oder die Entlüftungsspalte, die auch die Einfüllöffnungen für das Gemisch sein können und die vorteilhaft an den höchstgelegenen Stellen des Formwerkzeuges angeordnet sind,Vwieder verschlossen. Das fertige Formteil wird nach Festwerden des Schaumes dem geöffneten Formwerkzeug entnommen, das gegebenenfalls durch Einsprühen eines Trennmittels für den nächsten Füllvorgang vorbereitet wird.

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Für dieses Verfahren selen nachstehende Zahlenbeispiele genannt:

Verfahrensparameter Beispiel 1 Beispiel 2

Schaumdruck <0,2 bar < 0,2 bar

Werkzeugwand-Temperatur 3O⁰C 3O⁰C

Raumgewicht 0,15 kg/dm ■ 0,3 kg/dnr⁵

Treibmittelanteil 15 Gew.#/Polyol 8 Gew.tf/Polyol

In denjenigen Fällen, in denen die für die Bildung der Außenhaut eines Formteils vorgesehenen Massen (Hautmaterial) von den zum Kernaufbau des Formteiles dienenden Massen (Kernmaterial) verschieden sind (2. Art des erfindungsgemäßen Verfahrens), werden bei dem Hautmaterial, wenn dieses aus Reaktionsgemischen besteht, die Treibmittel fortgelassen. Hierbei braucht dann auch die Temperaturführung nur auf den chemischen Reaktionsvorgang dieses Hautmaterials abgestimmt zu sein mit dem Ziel, in möglichst kurzer Zeit ein Formteil möglichst wirtschaftlich herzustellen.

Bei dieser 2. Art des erfindungagemäßen Verfahrens kann die Außenhaut des Formteils aus einer oder aber auch aus mehreren übereinanderliegenden S diichten gebildet werden, die dann auch noch aus z.B. bezüglich der Einfttrbbarkeit, der Oberflächengüte oder der Festigkeit verschiedenen Massen bestehen können. Es lassen sich also verschiedene Kombinationen von Außenhaut- und Kern-Werkstoffen bilden. So können z.B. hochfeste oder einfärbbare Werkstoffe vorteilhaft für die Deckschichten der Formteile geschaffen werden. Es ist aber auch möglich, z.B. eine dünne Lackschicht vorzusehen, an die sich dann eine hochfeste Deckschicht anschließt. Es können daher für jeden Anwendungefall treffend angepaßte Verbund-Bauteile hergestellt werden.

Bei dieser 2. Art des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nun das Benetzen der Innenwand des Formwerkzeuges entweder vor

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dem Schließen des Formwerkzeuges oder aber bei geschlossenem Fonnwerkzeug erfolgen.

Im erstgenannten Fall, bei noch geöffnetem Werkzeug, können dessen Innenwandungen z.B. durch Bespritzen mit einem Gemisch, das die Außenhaut bilden soll, benetzt werden. Danach wird das Werkzeug geschlossen und die eigentliche Füllmenge zur Erlangung des gewünschten Raumgewichtes für das Formteil durch eine Einfüllöffnung eingefüllt. Die weiteren Vorgänge des AufSchäumens entsprechen den schon beschriebenen Vorgängen·

Das Benetzen der Innenwand bei geschlossenem Formwerkzeug kann vorteilhaft durch die nachstehend beschriebenen Verfahren auf verschiedene Weise durchgeführt werden:

a) durch eine bewegliche Spritzeinrichtung, die z.B. als geteilte Spritzdüse ausgebildet ist, wie es Fig. 1 zeigt. Diese Düse D, der die eine Komponente des Reaktionsschaumstoffes über die Zuleitung A, die andere Komponente über die Zuleitung B und das Treibmittel über die Zuleitung C zugeführt wird, wobei sich alle 3 Stoffe in der Mischkammer M mischen, wird Über einen sich über die gesamte Werkzeuglänge erstreckenden Einfüllspalt Sp in Längsrichtung dieses Spaltes hin- und herbewegt. Dabei werden in einem oder mehreren Arbeitsvorgängen die einander gegenüberliegenden, senkrecht stehenden Werkzeug-Innenwände W1, W2 durch den aus den beidseitig vorgesehenen Öffnungen 01, 02 der Düse D gespritzten Reaktionsschaumstoff benetzt. Das von oben herabfließende Schäumgemisch wird dabei einwandfrei auch leichte Vertikalkrümmungen K1, K2 der Werkzeug-Innenwand benetzen.

Gegebenenfalls könnte die Düse aber auch festangeordnet und so lang wie der ganze Einfüllspalt sein.

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b) Durch eine bewegliche Spritzeinrichtung, die als rotierender Spritzkopf oder aber als ruhender Spritzkopf mit nachgeschalteter rotierender Scheibe ausgebildet ist, wie es Fig. 2 zeigt. Dieser Spritzkopf K ist am Ende einer während des Spritzvorganges senkrecht auf und ab beweglichen, gegebenenfalls auch noch allseitig schwenkbar ausgebildeten FUnrungsstange F angebracht; er wird über Zuleitungen Z1, Z2, Z3 mit den reaktionsfähigen Komponenten des Reaktionsschaumstoffes, gegebenenfalls auch mit Treibmittel, versorgt, die im Spritzkopf K gemischt und dann über eine unter dem Spritzkopf vorgesehene, gegebenenfalls pneumatisch oder elektrisch angetriebene rotierende Scheibe RS, die auch als Schaufelrad ausgebildet sein könnte, gegen die Innenwandungen IW des Werkzeuges W3 zum Erzeugen der Außenhaut des Formteils gespritzt werden. Dieses Verfahren ist sowohl für rotationssymmetrische Formteile mit im Querschnitt kurvenförmig geschwungenen Oberflächen (siehe Fig. 2) als auch für solche mit hohem Schlankheitsgrad besonders geeignet, da alle Teile der Werkzeug-Innenwand, auch wenn sie nicht unmittelbar durch das Spritzen erreicht werden, durch das herabfließende Reaktionsgemisch einwandfrei ^ benetzt werden.

Derselbe Effekt kann im Bedarfsfall dadurch erreicht werden, daß das Formwerkzeug selbst rotiert, während die Spritzeinrichtung ruhend angeordnet ist, wobei erforderlichenfalls der Spritzkopf entsprechend geändert auszubilden ist.

Bei allen diesen nach der 2. Art des erfindungsgemäßen Verfahrens herzustellenden Formteilen wird nach der Bildung der Außenhaut des jeweiligen Formteiles auf der Innenwand des Formwerkzeuges das zum Kernaufbau des Formteiles dienende Reaktionsgemisch in das Formwerkzeug eingefüllt, wo es in der schon beschriebenen Weise aufschäumt und den Innenraum des Werkzeugs ausfüllt.

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Das erfindungsgemäße Verfahren bringt bei allen genannten Variationen immer den Vorteil mit sich, daß die nach diesem Verfahren hergestellten Formteile eine gleichmäßige stete Dichteverteilung im Querschnitt aufweisen, wodurch sich für diese Formteile eine gleichmäßig gute Festigkeit ergibt. Während bei den bisher bekannten Herstellungsverfahren infolge der unterschiedlichen Dichte der Festigkeitsabfall bei Formteilen größer als 60 % ist, beträgt er bei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Formteilen höchstens 2 Ji. Auch die Formteilgröße ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht begrenzt; es sind z.B. Groß-

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formteile von etwa 5 m ohne weiteres herstellbar.

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Claims

Vereinigung zur Förderung des Instituts 2202133 für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der Rhein.-Westf. Techn. Hochschule Aachen e.V., 51 Aachen Pontstr. 49 ~* Patentansprüche

1.) Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus Schaumkunst-J stoffen, die aus reaktionsfähigen Einzelkomponenten gebildet sind, z.B. Polyurethan, in Formwerkzeugen,

dadurch gekennzeichnet,

a) daß vor Beginn des Schäumprozesses die gesamte Innenwand des Formwerkzeuges, die gegebenenfalls bereits mit einem Formentrennmittel versehen sein kann, zunächst mit einer zur Bildung einer Außenhaut des Formteiles dienenden Masse nur benetzt wird, und daß dann

b) zur Durchführung des Schäumprozesses die zum Kernaufbau des Formteiles dienende Masse (Reaktionsgemisch mit Treibmittel), sofern sie nicht mit der zur Bildung der Außenhaut dienenden Masse identisch ist, in das Formwerkzeug eingefüllt wird, wo sie aufschäumt, und daß dabei

c) der Druck im Innern des Formwerkzeuges durch Steuerung der die Schaumbildung beeinflussenden Größen praktisch auf dem das Formwerkzeug umgebenden Druck gehalten wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Außenhaut des Formteiles aus mehreren übereinanderliegenden Schichten gebildet wird.

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3. Verfahren nach Patentanspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Schichten der Außenhaut des Formteiles aus mehreren voneinander z.B. bezügl. der Einfärbbarkeit, Oberflächengüte oder der Festigkeit verschiedenen Massen gebildet werden.

4· Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet,

daß bei Verwendung von für die Außenhaut des Formteils vorgesehenen reaktionsfähigen Massen, die von den zum Kernaufbau des Formteiles dienenden Massen (Kernmaterial) verschieden sind, bei diesen Massen Treibmittel fortgelas» sen werden.

5. Verfahren nach Patentanspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß bei Verwendung ein- und derselben schäumfähigen Masse (Strukturschaum) sowohl für die Außenhaut des Formteiles als auch für den Kern des Formteiles selbst die Innenwand des Formwerkzeuges auf einer Temperatur unterhalb des Siedepunktes des im Reaktionsgemisch in Lösung befindlichen Treibmittels gehalten wird.

6· Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß das Benetzen der Innenwand des Formwerkzeuges vor dem Schließen des Werkzeugs durch Bespritzen mit der zur Bildung der Außenhaut des Formteiles dienenden Masse erfolgt.

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ORlGiNAL INSPECTED

7. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß das Benetzen der Innenwand des Formwerkzeuges bei geschlossenem Formwerkzeug durch Schwenken des Formwerkzeuges erfolgt·

8. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet,

daß das Benetzen der Innenwand des Formwerkzeuges bei geschlossenem Formwerkzeug durch eine bewegliche Spritzeinrichtung erfolgt.

9. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 8,

dadurch gekennzeichnet,

daß als bewegliche Spritzeinrichtung eine geteilte Spritzdüse vorgesehen ist.

10. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 8,

dadurch gekennzeichnet,

daß als bewegliche Spritzeinrichtung ein rotierender Spritzkopf vorgesehen ist.

11. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 8,

dadurch gekennzeichnet,

daß als bewegliche Spritzeinrichtung eine einem ruhenden Spritzkopf nachgeschaltete rotierende Scheibe vorgesehen ist.

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12. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzei cn η e t ,

daß das Benetzen der Innenwand des Formwerkzeugs bei geschlossenem Formwerkzeug dadurch erfolgt, daß das Formwerkzeug um eine ruhende Spritzeinrichtung rotiert.

13· Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuerung des Druckes im Innern des Formwerkzeuges durch die Menge bzw. Art des Treibmittels und/ oder durch die Menge bzw. Art der zur Bildung des Ker nes verwendeten reaktionsfähigen Einzelkomponenten des Schaumstoffes bewirkt wird.

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