DE2348658B2

DE2348658B2 - Verfahren zum Füllen von Formwerkzeugen mit Reaktionsgemischen

Info

Publication number: DE2348658B2
Application number: DE2348658A
Authority: DE
Inventors: Heinrich 5670 Opladen Boden; Ulrich Dr. 5072 Schildgen Knipp
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1973-09-27
Filing date: 1973-09-27
Publication date: 1980-02-21
Also published as: SE405946B; NO143091B; ES430449A1; DE2348658A1; JPS5061462A; IT1022314B; DD114543A5; CA1034326A; DK141688C; BR7407938D0; ATA772374A; AU7373774A; CH576333A5; FR2246375B1; NL7412818A; DE2348658C3; US3991147A; SE7412131L; AT341763B; GB1472612A

Description

Herstellung sehr großer Teile unter Verwendung solcher Reaktionsgemische, weiche sehr reaktiv sind, nicht möglich. Weiteriün ist es auch damit nicht möglich, extrem reaktive Systeme mit Startzeiten um 1 sea, also auch mit Formfüllzeiten unter 1 see, bei kleinen und mittelgroßen Formteilen anzuwenden. Diese Beschränkung der genannten Füllweise auf mäßig aktivierte Systeme ist deswegen besonders nachteilig, da dies die Möglichkeit verschließt, die extrem kurzen und damit wirtschaftlichen Verweilzeiten im Formwerkzeug zu realisieren, wie es nur mit den extrem reaktiv eingestellten Formulierungen möglich ist.

Es wurde dargelegt, daß der laminare Eintrag des Reaktionsgemisches in das Formwerkzeuf oraussetzt, daß das R.eaktionsgemiscb über den gen.ann.cn i-üllspalt auf die untere, leicht geneigte Foitowp ' zeiT^nohlraumfläche geleitet wird. Damit dies u jedem Falle angewendet werden kann, mr^Q -ias Formwerkzeug entsprechend seiner Gestak w 1 entsprechend der nur selten frei zu wählenden !.i'f der Formteiltrennebene für den Füllprozeß räumlich angeordnet werden. Dies bedeutet, daß heute nahezu alle Formwerkzeuge in einer empirisch zu ermittelnden bevorzugten Lage gefüllt werden müssen. Für die industrielle Herstellung bedeutet dies, daß im Raum beliebig anzuordnende Schwenkpressen das Formwerkzeug halten müssen. Diese Schwenkpressen erfordern einen hohen Aufwand an Verstellbarkeit, Tragkraft und Pl&tzbedarf und machen das Polyurethan-Reaktionsspritzgußverfahren daher in dieser Hinsicht den anderen Kunststoff-Formgebungsverfahren unterlegen.

Als nachteilig für das genannte Verfahren ist der maschinelle Aufwand für die Einrichtung der Schwenkpressen und die Begrenzung der Einfließgeschwindigkeit über einen Spalt anzusehen: in besonderem Maße ist es jedoch nachteilig, daß der genannte Angußkanal einschließlich Angußfilm als Abfall gewertet werden muß, da Angußkanal und Angußfilm bei jedem Formfüllprozeß wiederum anfallen und nicht wieder aufgearbeitet werden '. önnen. Dies bedeutet, daß z. B. bei der Herstellung eines Formteil von 5 kg Gewicht mit nicht wieder regenerierbaren Abfällen von 200 bis 600 g, je nach Aktivität des eingesetzten Polyurethan-Systems, gerechnet werden muß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es. ein Verfahren zu schaffen, bei dem auf komplizierte Schwenkpressen zum Einstellen der optimalen Formwerkzeuglage verzichtet werden kann und bei dem der im Angußkanal verbleibende Materialrest unerheblich ist und das insbesondere den Einsatz hochreaktiver Reaktionssysteme erlaubt damit die Formbelegungszeiten herabgesetzt werden können.

Diese Nachteile werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch vermieden, daß die Wandstärke s des Formteils im Bereich der Einlaßöffnung und zur Zeit des Gemischeintra^es zwischen 0.5 und 15 mm beträgt und diese Wandstärke s in mm sowie die radiale Verteilgeschwindigkeit »Vadiai dv;s Reaktionsgemisches in m/sec zwischen Einfüllöffnung und gegenüberliegender Formwandung und die Viskosität, des Reaktionsgemisches in mPas der Beziehung genügt:

(m/sec) · _s (mm)
η (mPas)

<0,5,

Schlüsse, die Lunker und Fehlstellen auf der Oberfläche verursachen, vermieden.

Dabei ergibt sich die radiale Verteilgeschwindigkeit des Reaktionsgemisches nach der Formel:

Q Q _ Q

^radml F U-s τι · d ■ s '

wobei bedeuten:

Q = Einfüllmenge an Reaktionsgemisch in mVsec,
¹⁰F = zylinderförmige Abströmfläche zwischen Einlauföffnung und gegenüberliegender Wandung,
d = Durchmesser der Einfüllöffnung (bzw. des Angußkanals} in mm,

S= Wandstärke des Formteils im Bereich der ¹^ Einlaßöffnung zur Zeit des Gemischeintrages in

mm.

Da die Viskosität des Reaktionsgemisches aus

Gründen der Reaktionsgeschwindigkeit nicht unmitteibar meßbar ist, muß die Viskosität aus den zugehörigen Komponemen ermittelt werden, und zwar nach der Formel:

_ Ga ' Ία + G_B ■ i_lB

wobei bedeuten:

ijGcmisch = Viskosität des Gemisches

Ga = Gewichtsteile der Komponente A

Gb = Gewichtsteile der Komponente B

Va = Viskosität der Komponen ie A

i\B = Viskosität der Komponente B

In analoger Weise läßt sich auch die Mittelwertformei für die Viskosität des Gemisches für mehr als zwei Reaktionskomponenten aufbauen.

Die Viskositäten werden vorzugsweise mit einem Koppler-Viskosimeter gemessen, wie es beschrieben ist in DIN 53 015, »Messung der Viskosität mit dem Kugelfallviskosimeter« (nach Höppler).
Verfährt man nach den angegebenen Bedingungen, so erreicht man mit ziemlicher Sicherheit Formteile, die keine Luftblaseneinschlüsse in Form von Lunkern oder Oberflächenfehlern aufweisen.

Vorzugsweise, und zwar insb?sonders bei sehr hochreaktiven Reaktionsgemischen, erfüllt man aus Gründen erhöhter Sicherheit die Beziehung

(m sec| · s
;,(mPas)

(mm| _<

Werden die genannten Bedingungen erfüllt, so werden mit ziemlicher Sicherheit die gefürchteten LufteinIn gleicher Weis? trägt man zur Optimierung des Verfahrens für höchste Ansprüche bei, indem man vo, zugsweise die Wandr.ärke s des Formteils zwischen 1 und 3 tnm wählt.

Weiterhin hat sich gezeigt, daß der Einströmwinkel von Einfluß ist. Nach einer besonderen Durchführungsform des Verfahrens schließt deshalb der Angußkanal mit der der Einfüllöffnung gegenüberliegenden Fläche der Formwandufig einen Winke! zwischen 60° und 90° ein. Vorzugsweise wählt man jedoch den Winke] zwischen 75° und 90°. Auch diese Maßnahmen dienen der Optimierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere im Zusammenhang mit hochreaktiven Reaktionsgemäschen.

Das erfindungsgemäße Verfahren sei anhand einer Zeichnung in verschiedenen Ausführungsbeispielen nachstehend näher erläutert. Es zeigen jeweils im.

Schnitt und ausschnittsweise den Bereich der Einlaßöffnung des Formwerkzeugs;

Fig. 1 ein Formwerkzeug, bei dem die Wandstärke des Formteils im Bereich der Einlaßöffnungen den Forderungen direkt entspricht«

Fig.2 ein Formwerkzeug mit einer einstellbaren Platte zur Korrektur der Wandstärke des Formteils im Einlaßbereich,

Fig.3 und Fig.4 zeigen verminderte Wandstärken im Einlaßbereich mit unterschiedlichen Übergängen zu eitler normalen Wandstärke.

F i g. 5 ein Formwerkzeug, bei dem die Einfüllöffnung in einer Ecke desselben angeordnet ist

Fig.6 einen Schnitt gemäß Linie A-Bin Fig.5 mit kreisförmiger Einlaßöffnung, und '■>

Fig.7 einen Schnitt gemäß Linie A'-B' in Fig.5. jedoch mit rechteckiger EinfüHöffnung.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 ist anwendbar für Formteile der Wandstärke im Bereich von 0,5 bis 15 mm. Sie iäßt sich darüber hinaus auch für die Hersteilung dickerer Formteile dann anwenden, wenn im Bereich der EinfüHöffnung die Wandstärke in den erfindungsgemäß genannten Maßen gehalten wird oder wenn zumindest während des Einfüllvorganges durch eine geeignete Vorrichtung (F i g. 2) die Wanddicke der Einströmöffnung in den erfinduiigsgemäß genannten Grenzen gehalten wird. Eine geeignete Vorrichtung, während des Einfüllvorganges die Wandstärke in den genannten Maßen zu halten, ist beispielsweise nach F i g. 2 ein verschiebbarer Zylinder oder eine Membrane, welcher während des Einfüllvorganges die vergleichsweise niedrigen Wanddicken einhält und unmittelbar nach der Beendigung des Einfüllvorganges auf die endgültige Wandstärke zurückweicht Dabei tritt aus einer EinfüHöffnung 1 das Reaktionsgemisch in den Formhohlraum 2 ein, der die Wandstärke s besitzt. Die Platte 3 befindet sich hierbei in der gezeichneten Position, in der sie durch eine hydraulische Kolben-Zylinder-Einheit 4 gehalten wird. Die Platte 3 ist in ihren den Formhohlraum 2 begrenzenden Flächen so ausgelegt, daß die Fließfront des Reaktionsgemische beim Austritt aus dem Hohlraumbereich mit der Dicke s eine Geschwindigkeit von hw< 1 m/sec hat Nach Füllende wird die Piatte 3 mit Hilfe der Kolben-Zylinder-Einheit 4 in die obere Totpunktlage gefahren.

In F ig. 3 sind Dickenunterschiede im Formhohlraum gezeigt, bei dem ebenfalls im Bereich des Überganges geringerer in größere Stärke die Verteilgeschwindigkeit des Reaktionsgemisches ww^ 1 m/sec ist

In Fig.4 geht das Formteil von dem Angießkanal 5 im Bereich geringer Stärke 5 »weich« in einen Bereich größerer Stärke über. Auch diese Lösung führt bei Fonnwerkzeugen mit entsprechender Formhöhlang zu positiven Angießergebnissen.

In F i g. 5 bis 7 ist die EinfüHöffnung 6 an einer Kante (F i g. b) und in einer Ecke (F i g. 7) des Formhohlraumes angeordnet Die Einfüllöffnungen 1 sind hier rund (Fig.6) bzw. quadratisch (Fig.7) ausgebildet Sie können auch, wie in F i g. 7 dargestellt, dem Verlauf der Kanten des Hohlraumes angepaßt sein, also rechteckig, oval oder geschwungen ausgeführt sein.

Die folgenden Ausführungsbeispieie belegen den erfindungsgemäßen Effekt:

Komponente A mit η = 500 mPasbe'i20^tlC 88 Gew.-Teile Polyätherpolyol 8 Gew.-Teile Trichlormonofluormethan 4 Gew.-Teile Methylcnchlorid

Komponente B mit η ~> 50 mPas bei 20⁰C Carbodiimid-modifiziertes 4_f4'-Diphenylmethandiisocyanal, NCO-GehaIt:30%

Rezeptur:

tOOGew.-Teiie Komponente A 45Gew.-Teile Komponente B

Ermittlung der Viskositätsrechengröße:

'/Gemisch

100 500 + 45.50

145

'/Gemisch

= 360 m Pas

Die Viskositäten der Einzelkomponenten wurden mit einem Höppler-Viskosimeter ermittelt

Einfüllbedingungen. Wandstärke s = 1 mm

Füllmenge von 20 l/mir, durch einen Einfüllkanaf von 10 mm 0 senkrecht auf die gegenüberliegende Form wandung WnSii - 10,6 m/sec

Die Einfüllkanalachse liegt horizontal. Das Formteil ist absolut blasenfrei.

Kennwertüberprüfung:

w ■ s

10,6 · 1 360

_^M1'J_ = 0,029

Beispiel 2

Folgende Polyurethan-Formulierung mit harter Einstellung fand Einsatz:

Komponente A mit η = 800 mPas bei 20⁰C 100 Gew.-Teile eines Polyäthergemisches»

OH-Zahl500 t2 Gew.-Teile Trichlormonofluormethan

Komponente B mit η = 200 mPas bei 20°C

modifiziertes 4,4'-DiphenyImethandiisocyanat, NCO-GehaIt:28%

Rezeptur:

112 Gew.-Teile Komponente A 150 Gew.-Teile Komponente B

Ermittlung der Viskositätsrechengröße: 112-800 + 150-200

262

Beispiel 1

Folgende Polyurethan-Formulierung fand Einsatz (elastische Einstellung):

65 = 456 m Pas

Einfüllbedingungen:

Die Wanddicke s beträgt 13 mm; durch einen Einfüllkanal von 20 mm 0 werden 200 L'min unter einem Winkel von 80° auf die gegenüberliegende Formwandung eingefüllt Die Einfüllkanalachse

verläuft vertikal, die Einfüllrichtung ist dabei nach unten gerichtet.

Wradiii ·* 4,05 m/sec; 5 = 13 mm;
■η «- 456m?as

Das Formteil ist blasenfrei.
Kennwertüberprüfung:

WS

4,05-13
456

= 0,16.

Beispiel 3

Folgende Polyurethan-Formulierung mit harter Einstellung fand Einsatz:

Komponente A mitij = 2300 mPas bei 20"C

83 Gew.-Teile eines Diamins

17 Gew.-Teile Trichlormonofluormethan Komponente B mit η = 2050 mPas bei 20⁰C

84 Gew.-Teile eines TDl-Prepofymeren,

NCO-Gehalti 12% 16 Gew.-Teile Trichlormonofluormethan

Rezeptur:

100 Gew.-Teile Komponente A 208 Gew.-Teile Komponente B

100-2300 + 208-2050

308

= 2131m Pas

35

EinfQllbedingungen:

Wandstärke 5 = 3,8 mm

Die Füllmenge von 15 l/min wird durch den senkrecht zur Formwandung stehenden Einfüllkana] von 9 mm 0 geleitet Die Achse des Einfüllkanals verläuft unter einem Winkel von 45° nach unten. Die Einströmgeschwindigkeit W_1xZ₁) beträgt 23 m/sec.

Das Formteil war einwandfrei

Kennwertüberprüfung:

'/
w -s

2,3 · 3,8
2131

= 0,0041

10

15

20

Beispiel 4

Die Formulierung entspricht derjenigen nach Beispiel 2. Die Einströmgeschwindigkeit ist tv_r,d„i = 22,4 m/sec; der Einfüllkanal ist senkrecht auf die gegenüberliegende Wand gerichtet Die Achse des EinfDIIkanals verläuft unter 45". Die Wanddicke beträgt s = 5,8 mn Das Formteil zeigt vereinzelten Luftblaseneinschlag.

Kennwertüberprüfung:

WS

Ί
w s

22,4 · 5,8
363

= 0,357

Beispiel 5

Die Formulierung entspricht derjenigen gemäß Beispiel 2. Die Bedingungen sind unter Verwendung des Formwerkzeuges nach Beispiel 4 dahingehend geändert, daß die Eir.strömgeschwindigkeit w_liia\ 19,8 m/sec beträgt und daß die Wandstärke im Angußbereich reduziert wird auf s = 4 mm in einem Radius von 60 mm um die Einfüllöffnung. Der Einsatz im Werkzeug erreicht die Wanddicke von 5 = 53 mm beim Radius 100 mm um die Einfüllöffnung.

Das Teil ist absolut blasenfrei.

Kennwertüberprüfung:

W 'S

WS

19,8-4

363

= 0,22

Bei einer weiteren Reduzierung der Einslrömgeschwindigkeit auf 14 m/sec blieb das Teil einwandfrei

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen I101/159

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Füllen von Formwerkzeugen mit Reaktionsgemischen im Viskositätsbereich von 100 mPas bis 2500 mPas, insbesondere auf Basis von Rohstoffen für Polyurethan-Kunststoffe, wobei das Reaktionsgemisch durch einen AnguOkanal in einen geschlossenen Formhohlraum auf die der EinfüUoffnung gegenüberliegende Fonnwandung geleitet wird und sich radial abfließend im Formhohlraum verteilt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke s des Formteils im Bereich der Einlaßöffnung und zur Zeit des Geinischeintrags zwischen 0,5 und 15 mm beträgt und diese ί Wandstärke s in mm sowie die radiale Verteilgeschwindigkeit Wn&A des Reaktionsgemisches in m/sec zwischen Einfüllöffnung und gegenüberliegender Formwandung und die Viskosität ?j des Reaktionsgemisches in mPas der Beziehung genügt:

(m/sec) - s (mm)
η (m Pas)

<0,5

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Angußkanal mit der der Einfüllöffnung gegenüberliegenden Fläche der Formwandung einen Winkel zwischen 60° und 90° einschließt.

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zu.n Füllen von . ormwerkzeugen mit Reaktionsgemischen im V^: kositätsbereich von lOOmPas bis 2500 mPas, insbesor«dere auf Basis von Rohstoffen für Polyurethan-Kunststoffe, beispielsweise für solche auf Basis von ungesättigten Polyesterharzen oder Epoxidharzen oder Poiyisocyanuratharzen, wobei das Reaktionsgemisch durch einen Angußkanal in einen geschlossenen Formhohlraum auf die der Einfüllöffnung gegenüberliegende Fcrmwandung geleitet wird und »ich radial abfließend im Formhohlraum verteilt.

Nachdem man in der Zwischenzeit gelernt hat, sogenannte Polyurethan-intiigralschaiimstoffe herzustellen, wobei eine massive Deckschicht und ein mikroporöser Kern in einem Arbeitsgang erzeugt wird, erweist es sich als das größte Problem, diese Polyurethan-Integralschaumstoffe blasen- und lunkerfrei ohne Oberflächenfehler reproduzierbar herzustellen. Als Voraussetzung für die Herstellung von blasenfreien und damit fehlerfreien Formteilen konnte zwischenzeitlich beobachtet werden, daß das mittelviskose Reaktionsgemisch in den üblichen Viskositäten etwa zwischen 300 und 1200 mPas ohne Luftblasenein- «■hjficcp in rfac Fnrmw<"rli7Piipr einiyetrairen werden mu3. Einmal itn Reaktionsgemisch befindliche Luftblasen können in den kurzen Reaktionszeiten aus dem Reaktionsgemisch nicht mehr entweichen und verbleiben als Lunker und Fehlstellen im gefertigten Formteil, ω Noch ungünstiger wirken sich diejenigen Fehlstellen aus, bei denen sich Luftblasen auf der Oberfläche des Formteils ansammeln. Solche Formteile können nicht mehr als Sichtteile Verwendung finden. Da man solche Fehler nur in den seltensten Fällen durch aufwendige Nachbearbeitung egalisieren kann, ist die Ausschußquote infolge von Lufiblaseneinschlüssen bei Integralschaumteilen heute leider noch sehr hoch.

Es hat nicht an Maßnahmen gefehlt, dieses die Qualität und damit die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens stark beeinträchtigende Phänomen auszuschalten.

Im einfachsten Falle hilft man sich dadurch, daß man das Reaktionsgemisch in das offene Formwerkzeug derart langsam einfließen läßt, daß es über eine möglichst leicht geneigte Ebene der tiefsten Stelle im Formwerkzeug laminar zufließt Dabei muß jedes Oberwälzen und jedes kaskadenartige Fließen vermieden werden. Verständlich ist es, daß eine solche Methode nicht für eine rationelle Fertigung geeignet ist. Diese geschilderte Methode verlangt verläßliches, geschicktes Personal und setzt ein Reaktionssystem voraus, das eine lange sogenannte »Startzeit« aufweist Die Startzeit ist bekanntlich die Zeit in der flüssigen Phase bis zum Beginn des Aufschäumens des Reaktionsgemisches. Bei der Durchführung des geschilderten Verfahrens muß mit einer sehr langen Belegunpzeit der teuren Formwerkzeuge gerechnet werden, so daß sich ein hoher Werkzeugkostenanteil bei den Produktionskosten ergibt

Oftmals ist es nicht möglich, das Reaktionsgemisch in das offene Formwerkzeug einzufüllen, weil die Formtrennebene so tief liegt, daß das Reaktionsgemisch aus der Formhöhlung ausfließen würde oder aber weil das Reaktionsgemisch schneller aufschäumt und verfestigt, als das Werkzeug geschlossen werden kann. Aus diesem Grunde wird das Füllen des geschlossenen Werkzeuges durch eine öffnung angestrebt, welche nach dem Reaktionsgemischeintrag wieder geschlossen wird.

Beim senkrechten Fall des Reaklionsgemisches durch die Eintrittsöffnung auf den Formwerkzeugboden zeigte es sich, daß hierbei wieder Luft in den flüssigen Strahl eingeschlagen wird, wodurch wiederum die besagten Fehlstellen auftraten.

In Anlehnung an den manuellen Eintrag des Reaktionsgemisches in das offene Formwerkzeug hinein auf eine leicht geneigte Oberfläche fand man schließlich eine Methode, diese e-wünschte laminare Eintrcgsweise auch auf das geschlossene Formwerkzeug unter reproduzierbaren Bedir.gungen zu übertragen:

Das Reaktionsgemisch wird durch einen kreis- oder • halbkreisförmigen Kanal innerhalb der Formwerkzeugtrennebene an die Formwerkzeughöhlung herangebracht und über einen Spalt von 3 bis 10 mm Breite und 1 bis 2 mm Spaltdicke auf die untere, leicht geneigte Formwerkzeugfläche geleitet. Diese Arbeitsweise ist unter dem Begriff »Filmanguß« bekannt geworden und auch einer Automatisation zugänglich.

Bei der angeführten Methode beträgt die Spaltlänge und damit auch die minimale Kanallänge bei Teilen von einem Formteilgewicht von 7 kg ca. 500 mm. Die ■Spaltlänge muß mit zunehmendem Formteilgewicht größer werden insbesondere dann, wenn höhere Reaktivitäten des Systems gewählt werden. Als günstiges Maß für die Eintragsgeschwindigkeit im Filmspalt hat sich eine Durchflußgeschwindigkeit von 1 m/sec. erwiesen, in Ausnahmefällen wurden auch maximale zulässige Geschwindigkeiten von 3 m/sec. beobachtet Diese Praxiswerte beziehen sich auf Viskositäten eines Reaktionspemisches von 600 mPas.

Die genannte Bedingung, nämlich Einströmen über einen Spalt von 1 bis 2 mm bei maximaler Einströmgeschwindigkeit von 1 m/sec. stellt eine sehr beachtliche Limitierung ues Verfahrens dar: Extrem hohe Dosiermengen können nicht realisiert werden. Dadurch ist die