DE2460548A1

DE2460548A1 - Extrudierverfahren fuer schaeumfaehige, thermoplastische harze

Info

Publication number: DE2460548A1
Application number: DE19742460548
Authority: DE
Inventors: Vinod Kumar Luthra
Original assignee: Mobil Oil Corp
Current assignee: ExxonMobil Oil Corp
Priority date: 1973-12-26
Filing date: 1974-12-20
Publication date: 1975-07-10
Also published as: CA1054764A; NL7416751A; ES432434A1; FR2256023A1; JPS5097664A; US3978182A; GB1441228A; FR2256023B1; IT1028052B

Description

PATENVANWiSLTE

DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT

MÖNCHEN HAMBURG

TELEFON = 555470 ' 8000 M 0 N C H E N 2,

TELEGRAMME: KARPATENT ■ MATHILDENSTRASSE TELEX: 529068 KARP D

2o. Dezember 1974

V 42 196/74 Kd/tr

Mobil Oil Corporation New York, N.Y., (V.St.A.)

Extrudierverfahren für schäumfähige, thermoplastische Harze

Extrudierte, thermoplastische Schaummaterialien in Form von Bahnen können durch Wärmeverformung in eine andere Form gebracht werden. Bei einem Verfahren zur Bildung von Bahnen aus Schaummaterial wird Polystyrol (in Form von Perlen) zusammen mit einem geeigneten Keimbildner und einem !Treibmittel oder Blähmittel verwendet, anschliessend erhitzt und gekühlt, bevor es in das Werkzeug des Extruders

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eintritt. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in den US-PS 3 444 283 und 3 482 006 beschrieben. Der Keimbildner bei diesen Verfahren besteht aus einer Mischung aus Citronensäure und IJatriumbicarbonat.

Bei gewissen Extrudierarbextsweisen ist das Werkzeug kreisförmig,und die geschäumte Bahn wird aus dem kreisförmigen Werkzeug als sich ausweitender, im allgemeinen konischer Stumpf oder als sich ausweitende Blase ausgedrückt oder ausgeführt. Dabei wird das Material über einen Dorn geführt. Ein oder mehrere Messer,, die an dem zylindrischen Dorn befestigt sind, spalten die zylindrische Bahn in eine oder mehrere getrennte Bahnen, die anschliessend durch Flachwalzen geführt werden, wodurch flache Schaumstoxfbahnen aus geschäumtem Harz gebildet werden.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung dieser Verfahren und auf ein Verfahren zur Wärmeverformung von geschäumten Bahnen in geeignete Produkte, wie Eierbehälter. Das Verfahren ist besonders zur· Herstellung und Wärmeverformung von geschäumten Bahnmaterialien mit einer Dicke von bis zu 12 mm geeignet, obwohl im allgemeinen die Dicke 5 mm nicht übersteigt und meistens 2,5 ram nicht übersteigt.

Gemäss der Erfindung wird ein Weg aufgezeigt, um die Dicke und Dichte von extrudiertem, thermoplastischem Schaummaterial längs der Breite der extrudierten Bahn zu variieren. Dies wird durch eine besondere Konstruktion des Werkzeugs oder der Düse erreicht. Der Vorteil des Extrudierverfahrens gemäss der Erfindung liegt

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darin, dass es die Möglichkeit schafft', Schaumstoff-' bahnen herzustellen, die Eigenschaften haben, die besonders für eine nachfolgende Wärmeverformung vorteilhaft sind. Beispielsweise ist die Herstellung von Eierbehältern aus geschäumten Bahnen durch Wärmeverformen leichter, wenn Bahnen verwendet werden, die in dem Teil dicker sind, der zur Bildung der die Eier aufnehmenden Vertiefungen verwendet wird, während der Deckel vorzugsweise aus einem Teil der Bahn hergestellt wird, der dünner und dichter ist. Gemäss der Erfindung wird die Herstellung solcher extrudierter Bahnen aus Schaummaterial erleichtert.

Gegenstand der Erfindung ist ein Extrudierverfahren für schäumfähige, thermoplastische Harze, bei dem das Harz durch eine Düse (vorzugsweise eine kreisförmige öffnung) mit wenigstens .zwei unterschiedlichen Breiten unter Bildung eines extrudierten, geschäumten Bahnmaterials mit Abschnitten unterschiedlicher Dicke und Dichte extrudiert wird. Diese Abschnitte erstrecken sich selbstverständlich längs der Länge der extrudierten Bahn in Form von Bändern.

Da die Änderungen der Dicke und Dichte des extrudierten Materials die Verteilung des Gewichts oder der Masse des extrudierten Materials längs dessen Breite verändern, kann das Extrudierverfahren als ein solches bezeichnet werden, bei dem Bahnen mit "verteilter Masse" oder Bahnen, bei denen die Konzentration der Masse längs der Breite variiert, gebildet werden.

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Die extrudierte Bahn kann, wie vorstehend erwähnt, einer Wärmeverformung unterworfen werden. Die extrudierten Bahnen sind besonders für eine Wärmeverformung geeignet, bei der verschiedene Teile der Bahn in einem verschiedenen Ausmass gezogen werden. Beispielsweise wird bei der Herstellung von Eierbehältern der Teil der Bahn, der die Vertiefungen für die Eier bilden soll, tiefgezogen, während der Teil der Bahn, der den Deckel des Behälters bilden soll, nur flachgezogen wird. In diesem Fall wird das Tiefziehen am besten bei diesem Teil der extrudierten Bahn vorgenommen, der die grösste Massenkonzentration aufweist, d.h. das grösste Gewicht je Flächeneinheit.

Der Teil mit den Vertiefungen für die Eier trägt hauptsächlich zur Festigkeit des Eierbehälters bei. Deshalb ist es bei der Herstellung eines Eierbehälters mit minimalem Gewicht und angemessener Festigkeit wünschenswert, die Konzentration der Masse in dem Teil mit den Vertiefungen für die Eier, der tiefgezogen wird, zu erhöhen, und die Konzentration der Masse im Deckelteil der geschäumten Bahn, der flachgezogen wird, zu verringern.

Es wurde gefunden, dass das Gewicht des Behälters durch Verwendung einer Bahn mit verteilter Masse verringert werden kann. Ferner wird nicht nur die Festigkeit des Teils mit den Vertiefungen für die Eier erhöht, ohne das Behältermaterial zu erhöhen, sondern die Materialkosten für den Behälter können sogar durch Verringerung der zur Herstellung des Behälters erforderlichen Menge an Material verringert werden. Ferner gestattet eine Bahn mit verteilter Masse auch

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einen grosseren Toleranzbereich bei der Wärmeverformung selbst.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf ein spezielles Verfahren zur Herstellung von Eierbehältern aus Polystyrolschaum beschrieben. Es ist jedoch festzuhalten, dass auch andere geschäumte Harze verwendet werden können und selbstverständlich verschiedene Produkte hergestellt werden können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur IA eine graphische Wiedergabe einer Düse (axiale Ansicht);

Figur IB eine graphische Ansicht eines Querschnitts einer Bahn aus Schauimriat erial, die durch die Düse der Figur IA extrudiert wurde;

Figur II die Beziehung bei Eierbehältern zwischen dem- Gewicht des Deckelteils und des Teils mit den Vertiefungen, die mit massenverteilten Schaumstoffbahnen erhalten werden, im Vergleich zu jenen, bei denen geschäumte Bahnmaterialien mit gleichmässiger Masse verwendet werden;

Figur III die Beziehung der Seiten- und Enddruckfestigkeit von Eierbehältern mit verschiedenem Gewicht, die aus geschäumten Polystyrolbahnen mit gleichförmiger Masse und verteilter Masse erhalten wurden; 509828/0816

Figur IV die Beziehung der Druckfestigkeiten von

Behältern bei Eierbehältern mit verschiedenem Gewicht, die aus geschäumten Polystyrolbahnen mit gleichmässiger Masse und verteilter Masse erhalten wurden;

Figur V eine zweite Ausführungsform der Düse (axiale Ansicht); und

Figur VI eine Querschnittsansicht einer Extruderdüse die zur Herstellung von geschäumten Polystyrolbahnen mit verteilter Masse verwendet werden kann.

Die normalen Eierbehälter, die bisher hergestellt wurden, wurden aus extrudierten Polystyrolschaumbahn?η mit verhältnismässig gleichförmiger Massenkonzentration (oder Grundgewicht) längs der Breite der Bahn gebildet. Für einen Eierbehälter, dessen Gesamtgewicht etwa 20 g beträgt, waren deshalb etwa 9 g für den Deckelteil des Behälters und 11 g für den Teil mit den Vertiefungen für die Eier erforderlich.

Um einen besseren Schutz für die Eier zu erreichen, ist es wünschenswert, mehr Masse in dem Teil für die Vertiefungen für die Eier und weniger in dem Deckelteil zu konzentrieren. Dies kann durch Verwendung einer Extruderdüse erreicht werden, die die in Figur IA gezeigte Form aufweist. Das Werkzeug weist einen äusseren Körper 10 und einen axialen Dorn 11 auf. Der Dorn 11 ist mit Ausbuchtugen oder erhöhten Lippen 12 und Vertiefungen oder tieferliegenden Teilen 13 versehen. Dies führt zu einem ringförmigen Extrusionsspalt 14, der zwei breite Teile und zwei schmale Teile aufweist.

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Die tafelförmige Bahn aus Polystyrolschaum, die durch diese Düse extrudiert wird, weist deshalb zwei dicke Teile und zwei dünne Teile auf. Wenn diese Bahn mit Hilfe von Messern längs der Linie B-B'gespalten wird, werden zwei gleiche Schaumbahnen erhalten, die die in Figur IB gezeigte Form aufweisen. Jede Bahn weist einen dickeren Teil 15, in dem die Masse konzentriert ist, und zwei dünnere Teile 16 auf. Die Bahn wird dann wärmeverformt, wobei sie in einen Eierbehälter unter Verwendung geeigneter Formelemente geformt wird. Der Teil 15 wird zur Bildung des Teils mit den Vertiefungen für die Eier und der Teil 16 zur Bildung des Deckels verwendet. In diesem Fall werden zwei. Behälter nebeneinander aus einer Extrudatbreite gebildet, wie dies in Figur IB unten gezeigt ist. Zwei Teile mit den Vertiefungen für die Eier 17 und zwei Randteile 1,8 werden durch eine Wärmeverformung gebildet und die Behälter anschliessend längs der Linie C-C' durch geeignete Schneidvorrichtungen getrennt.

Der dicke Teil 15 ist besonders zum Tiefziehen geeignet, das bei der Bildung der Vertiefungen für die Eier angewandt wird, während der dünne Teil 16 zum Flachziehen geeignet ist, das bei der Bildung des Deckelteils 18 angewandt wird.

Die Verwendung einer Düse mit einem Extrudierring mit Abschnitten verschiedener Breite führt nicht nur zu einem geschäumten Extrudat mit Teilen verschiedener Dicke, sondern auch zu unterschiedlicher Dichte in den verschiedenen Teilen. Der Grund dafür liegt darin, dass die Scherbeanspruchung, die aufdie Polymer-

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schmelze wirkt, wenn diese durch die Düse geführt wird, eine Funktion des Düsenspaltes ist, und die Quellung an der Düse (das Ausmass der Expansion des Harzes beim Verlassen der Düse) für verschiedene Düsenspalte unterschiedlich ist. Je breiter der Düsenspalt ist, desto grosser ist die Quellung an der Düse und folglich wird die Düite des geschäumten Materials geringer. Es wird die Theorie vertreten, dass die unterschiedlichen Druckprofile in den verschiedenen Teilen der Düse eine Wanderung des Treibmittels in der Düse bewirken. Je grössere Kräfte in dem schmalen Teil der Düse wirken, desto mehr wird das Treibmittel in Bereiche niedrigeren Drucks getrieben. Was auch immer der Grund sein mag, es wurde jedenfalls festgestellt, dass die dickeren Teile eine geringere Dichte als die dünneren Teile aufweisen.

In der nachstehenden Tabelle I sind die Dichteänderungen gezeigt, die sich längs der Breite eines geschäumten Extrudats der in Figur IB gezeigten Art ergeben. In der Tabelle ist die Verteilung über die gesamte Bahn, d.h. über zwei Behälter, gezeigt. In Tabelle II sind die Gewichtsverteilungen (in g) der Teile mit den Vertiefungen für die Eier und der Deckelteile bei Eierbehältern gezeigt, die aus einer normalen Polystyrolschaumbahn und einer Bahn mit verteilter Masse hergestellt sind. Es werden zwei Beispiele aus normalem, geschäumtem Bahnmaterial (Standard A und Standard B) und drei Beispiele mit Bahnen verteilter Masse (C, D und E) aufgeführt. Dieser Vergleich zeigt deutlich, dass bei Verwendung von Bahnen mit verteilter Masse das Gewicht der Behälter mehr in dem Teil mit den Vertiefungen für die

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Eier konzentriert ist, wo es notwendiger gebraucht wird. In der nachstehenden Tabelle III ist das Verhältnis des Gewichtes des Teiles mit den Vertiefungen für die Eier zum Gewicht des Deckelteiles für die Behälter der Tabelle II gezeigt.

Tabelle I

Dicke (mm)

Grundgewicht (g/100cm²)

Dichteverhältnis

Deckel (16) Vertie- Deckel (16) fungen (15)

1,524

2,32

2,540 3,25

0,84

1,524

2,32.

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- ίο -

	Tabelle II	Vertie fungen	Vertie fungen	Deckel
	Deckel	11	11	9
Standard A (20 g-Behälter)	9	11,8	11,8	10
Standard B (21,8 g-Behälter)	10	12	12	7
Bahn mit verteil ter Masse G (19 g Behälter)	7	12,6	12,6	7,4
Bahn mit verteil ter Hasse D (20 g Behälter)	7,4	15,6	15,6	8,2
Bahn mit verteil ter Masse E (21,8 g Behälter)	8,2

Tabelle III

Gewichtsverhältnis Vertiefungen/Deckel

Standard A Standard B Bahn C Bahn D Bahn E

1,2 1,18

1,71 1,70 1,66

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In Figur II ist in der oberen Graphik gezeigt, dass das Verhältnis zwischen dem Gewicht des Teils mit den Vertiefungen zum Gewicht des Behälters bei Behältern, die aus Bahnen mit verteilter Masse hergestellt sind, (Linie A) höher ist, als bei Behältern, die aus normalen Bahnen hergestellt sind, (Linie B) und zwar für verschiedene Behältergewichte. Ferner kann mit einem geringeren Gewicht des gesamten Behälters ein angemessener Schutz erzielt werden. Dies ist ersichtlich, wenn die Linie A zu niedrigeren Behältergwichten verlängert wird. Mit einer Bahn mit verteilten Massen von geeigneter Form gelingt es daher, bei einem Behälter, der nur 17 g wiegt, einen Teil mit den Vertiefungen herzustellen, der etwa 11 g wiegt. Demgegenüber weist ein Behälter aus einer normalen Bahn bei gleichem Gewicht für den Teil mit den Vertiefungen ein Gesamtgewicht von etwa 20 g auf.

In der unteren Graphik der Figur II ist das Verhältnis des Gewichts des Deckels zum Gesamtgewicht des Behälters sowohl für Behälter, die aus normalen Polystyrolschaumbahnen hergestellt sind, (Linie B) wie für solche, die aus Bahnen mit verteilter Masse hergestellt sind (Linie A) gezeigt. Daraus ist ersichtlich, dass bei üblichen Behältern ein grosserer Teil des Materials unnötigerweise für den Deckelteil verwendet wird.

In Figur III sind die Verbesserungen bezüglich der Seitendruckfestigkeit und Enddruckfestigkeit gezeigt, die mit Behältern erreicht werden, die aus Bahnen mit verteilter Masse hergestellt, sind. Die beiden oberen Linien in der Graphik zeigen die Werte für die

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Seitendruckfestigkeit für Behälter aus Bahnen mit verteilter Masse (Linie SG-A) und für übliche Behälter (Linie SG-B). Die beiden unteren Linien zeigen die Werte der Enddruckfestigkeit für Behälter aus Bahnen mit verteilter Masse (Linie EG-A) und übliche Behälter (Linie EC-B). Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass die Behälter, die aus Bahnen mit verteilter Masse hergestellt sind, für ein gegebenes Behältergewicht stärker als übliche Behälter sind.

In Figur IV ist die Verbesserung der Druckfestigkeit des Behälters gezeigt, bei dem Bahnen mit verteilter Masse verwendet werden. Die obere Linie (Linie CG-A) gibt die Werte der Behälterdruckfestigkeit (cell crush resistance) bei Behältern, die aus Bahnen mit verteilter Masse hergestellt sind, an, während die untere Linie (Linie CG-B) die Werte für übliche Behälter zeigt.

Die Standardbedingungen, die zur Messung der Druckfestigkeit angewandt wurden, waren folgende:

Seitendruckfestigkeit: erforderliche Kraft, um einen Weg von 25 mm zu erreichen

Enddruckfestigkeit: erforderliche Kraft, um einen Weg von 12 mm zu erreichen

Behälterdruckfestigkeit: erforderliche Kraft, um einen Weg von 6 mm zu erreichen

Die Behälter wurden mehr als 24 Stunden gealtert,

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In Figuren III und IY sind die Festigkeitswerte auf der Ordinate in Einheiten angegeben, die direkt in die tatsächliche Druckkraft umgewandelt werden können, indem mit einem Faktor k multipliziert wird. Der Faktor beträgt k » 0,4-54·, um die Kraft in Kilogramm zu erhalten.

In Figur Y ist eine andere Form der Düse gezeigt. In diesem Fall umgibt der Düsenkörper 20 einen Düsenzapfen oder Dorn 21, der an gegenüberliegenden Seiten zwei, breite Erhöhungen 22 und an gegenüberliegenden Seiten zwei schmale Bänder 23 aufweist. Die Vertiefungen 24- liegen zwischen diesen Erhöhungen. Die Lippen des Werkzeugs bilden einen kreisförmige Extrudieröffnung 25» durch die das geschäumte Harz exti-udiert wird. Das Extrudat weist in diesem Fall vier verdickte Teile (extrudiert durch die Zonen der Vertiefungen 24·), zwei breite, dünne· Teile (extrudiert durch die Zonen der Erhöhungen 22), und zwei schmale,'dünne Teile (extrudiert durch die Zonen der Erhöhungen 23) auf. Die Erhöhungen und Vertiefungen im Dorn können durch geeignete Bearbeitung gebildet werden.

Bei einer typischen Ausführungsform wird der Dorn so bearbeitet, dass er einen Durchmesser zwischen den Vertiefungen von 68,174 mm und zwischen den Erhöhungen von 68,428 mm aufweist. Die Bahn mit verteilter Masse, die in Tabelle I genannt ist, kann beispielsweise durch Verwendung einer Düsenöffnung mit einem minimalen Abstand von 0,711 mm und einem maximalen Abstand von 0,838 mm zwischen dem Verkzeug-

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körper und dem Dorn hergestellt werden. Selbstverständlich können Änderungen in der Ausgestaltung und der Dimension erfolgen, um andere gewünschte Extrudatformen zu bilden.

In Figur VI ist ein Längsschnitt einer typischen Extrudierdüse gezeigt. Der Körper 26 umgibt den Dorn 27· Entweder der Körper oder der Dorn, oder beide, können bearbeitet sein, um die gewünschte Form des Extrudats zu ergeben. Es ist im allgemeinen jedoch einfacher, den Dorn in die gewünschte Form zu bringen. Die Polymerschmelze 28 mit einer Temperatur von etwa 15O⁰C (für Polystyrol) tritt in das Werkzeug oder die Düse ein und wird durch den Ring unter Bildung eines geschäumten Extrudats 29 extrudiert. Die Verteilung der Schmelze kann in einem gewissen Abstand vor der tatsächlichen Vorderseite der Düse beginnen. Normalerweise reicht eine Bearbeitung der Erhöhungen der Düse zurück bis zu einem Abstand von 10 bis 12 mm aus.

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Claims

- 15 Patentansprüche

Extrudierverfahren für schäumfähige, thermoplastische Harze, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz durch eine Düse mit wenigstens zwei unterschiedlichen Breiten unter Bildung eines extrudierten, geschäumten Bahnmaterials mit Abschnitten unterschiedlicher Dicke und Dichte extrudiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die extrudierte Bahn wärmeverformt wird, wobei in verschiedenen Bereichen der Bahn tiefgezogen und flachgezogen wird, und der Teil der Bahn mit mehr Mssse tiefgezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die extrudierte Bahn zu einem Eierbehälter geformt wird, wobei der dickere Teil der extrudierten Bahn durch Tiefziehen und Wärmeverformen zu - dem Teil mit den Vertiefungen für die Eier geformt wird, und der dünnere Teil der extrudierten Bahn durch !nachziehen und Wärmeverformen zum Deckelteil des Behälters geformt wird.

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