DE2547082C3

DE2547082C3 - Platte aus thermoplastischem Kunststoffschaum und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE2547082C3
Application number: DE2547082A
Authority: DE
Inventors: Geoge Tokyo Murota; Naonori Tokyo Shiina
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1974-10-22
Filing date: 1975-10-21
Publication date: 1982-03-11
Also published as: DE2547082A1; IT1043509B; FI63887C; FR2289321B1; FR2289321A1; GB1518847A; AU8586675A; AU498581B2; FI63887B; FI752939A; DE2547082B2

Description

(a) einen thermoplastischen Kunststoff, 2 bis 20 Gewichtsteile eines flüchtigen Treibmiteis, bezogen auf 100 Gewichtsteile des Kunststoffes, das bei Extrudiertemperatur in dem Kunststoff löslich ist, und weniger als 3 Gewichtsteile eines Keimbildners, bezogen auf 100 Gewichtsteile des jo Kunststoffes, in einen Extruder einbringt,

(b) die Mischung in Form einer Platte durch eine Werkzeugöffnung bei eir-;r Temperatur zwischen dem Erweichungs- oder Schmelzpunkt der Mischung und einer Te-nperatur von 30° C oberhalb des Erweichungs- oder Schmelzpunkts des thermoplastischen Kunststoffes in die Atmosphäre extrudiert,

(c) die Ober- und Unterseite der Platte so schnell abkühlt, daß sich darauf Deckschichten bilden to und

(d) die Platte mit den Deckschichten so langsam abkühlt, daß sich Schaumkerne darin bilden und die Zellen wachsen,

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dadurch gekennzeichnet, daß man zur Begrenzung der Expansion der extrudieren Platte in Richtung ihrer Dicke auf 50 bis 95% der Dicke im unter atmosphärischem Druck ausgeschäumten Zustand, auf die Ober- und Unterseite der Platte Druck anlegt.

Die Erfindung betrifft eine Platte aus thermoplaste schem Kunststoffschaum mit ungeschäumten, materialeinheitlichen Deckschichten an beiden Außenseiten und großen, länglichen Zellen, die in Richtung der Dicke der Platte angeordnet sind, und ein Verfahren zur Herstellung derselben.

Gegenstände aus geschäumtem Kunststoff werden aufgrund ihrer ausgezeichneten Eigenschaften bezüglich der Wärmeisolierung, Stoßdämpfung und ihrer Schwimmfähigkeit in großen Mengen in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Ein Nachteil der bekannten, *"> geschäumten Kunststoffe liegt jedoch in ihrer geringen mechanischen Festigkeit. Es besteht seit langem ein Bedürfnis, Gegenstände aus geschäumtem Kunststoff zu

schaffen, die hohe mechanische Festigkeit aufweisen.

Ein nach üblichem Verfahren hergestellter Schaum aus thermoplastischem Kunststoff ist im allgemeinen eine weiche Masse, die feine Zellen aufweist und eine Dichte von etwa 0,03 g/cm³ hat Diese Stoffe weisen eine gute Wärmeisolierung und Stoßdämpfung auf, haben jedoch sehr schlechte mechanische Eigenschaften.

In der DE-OS 20 48 865 ist die Herstellung geschäumter Platten aus thermoplastischem Harz durch Extrudieren beschrieben. Hierbei gelangt die aus dem Extrudermundstück austretende Masse in eine Zone geringen Drucks, die durch ein Paar konkaver, gegenüberliegender Oberflächen begrenzt ist Diese Flächen sind so ausgebildet daß ihre Krümmung im wesentlichen der ',^:orm der extrudierten Masse entspricht so daß diese ständig mit den Flächen in Kontakt steht Alternativ kann man auch ein Paar flache, voneinander in Extrusionsrichtung divergierende Flächen vorsehen. Der Zweck dieser Maßnahmen besteht darin, eine Platte mit besonders glatter Oberfläche zu erhalten. Die nach der Lehre der DE-OS 20 48 865 erhältliche Platte besteht aus zwei Deckschichten auf der Ober- und Unterseite der Platte und dazwischen befindlichen, relativ kleinen Zellen, wobei die Dichte der zwischen den Deckschichten befindlichen Masse nach der Mitte der Platte hin abnimmt Die nach der DE-OS 20 48 865 erhältliche, geschäumte Platte, die keine massive Zwischenschicht besitzt weist relativ geringe Druck- und Biegefestigkeiten auf.

In der US-PS 35 23 988 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Schaums mit größerer mechanischer Festigkeit beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein Werkzeug verwendet, das eine Expansionskammer zur Verringerung des Druckes aufweist In einem Werkzeugschlitz neben der Expansionskammer wird eine Mischung eines Polyolefins, eines flüchtigen Treibmittels und eines Keimbildners gebildet Druck wird angewandt, um die Zellen ar. der Oberfläche des Schaums zusammenfallen zu lassen, 30 daß sich eine harte Haut bildet Der Schaum wird in der Expansionskammer unter einem Druck vollständig expandiert Bei diesem Verfahren wird der Schaum expandiert während er in einer begrenzten Zone einer Scherbeanspruchung unterworfen wird. Aus diesem Grund besteht der gebildete Schaum aus Zellen mit weniger als 5 mm Durchmesser. Mit diesem Verfahren sind nur Platten mit einer Minimaldichte von 0,16 g/cm³ und einer Dicke von weniger als 10 mm herstellbar.

Ferner ist aus der US-PS 38 63 000 (DE-OS 22 51 937) ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus geschäumtem Kunststoff beschrieben, die eine relativ hche mechanische Festigkeit aufweisen. Dieses Verfahren basiert auf einem Extmdierverfahren. Dabei wird eine Mischung aus einem Kunststoffmaterial, z. B. Polyolefin, Polystyrol, Polyamid, Polyester, Polycarbonat einem üblichen Treibmittel, z. B. Kohlenwasserstoffe, halogenierte Kohlenwasserstoffe und üblichen Kernbildnern, z. B. Calciumcarbonat Ton, etc. durch einen Extruder in Form einer Platte extrudiert. Die obere und untere Oberfläche der Platte wird vor dem Schäumen abgekühlt, damit sich materialeinheitliche Deckschichten bilden. Aufgrund der festen Deckschichten sowie einer langsamen Abkühlung erfolgt die Aufschäumung in der Platte anschließend nur in Richtung der Dicke der Platte, so daß sich in diese Richtung Zellen mit einem Durchmesser von mehr als 5 mm bilden. Die Expansion des Schaums erfolgt unter

im wesentlichen scherkraftfreien Bedingungen. Die Zellen weisen überwiegend eine langgestreckte Form auf. Die extrudierten Platten besitzen bei Abmessungen von 10 bis 200 mm eine Dichte von ca. 0,05 bis 0,3 g/cm³.

Die nach dem bekannten Verfahren hergestellten Platten weisen eine relativ hohe mechanische Festigkeit auf. Bei diesem Verfahren besieht jedoch die Schwierigkeit, daß die Zellen in der geschäumten Platte in Richtung der Dicke zu lang ausgebildet werden. Aus diesem Grund -.-/eisen insbesondere dicke Platten trotz der harten Ober- und Unterschicht eine verringerte Druckfestigkeit auf.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Platten aus thermoplastischem Kunststoffschaum zur Verfügung zu stellen, die auch bei geringem Raumgewicht eine sehr hohe mechanische Festigkeit und gute Bearbeitbarkeit aufweisen. Darüber hinaus sollen die Platten eine hohe Druck- und Biegefestigkeit und gute stoßdämpfende Eigenschaften besitzen.

Gegenstand der Erfindung ist daher eine Platte der eingangs geschilderten Art aus thermoplastischem Kunststoffschaurn, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Zwischenschicht hoher Dichte mit einer Dicke von mehr als 0,1 mm etwa in der Mitte zwischen den Deckschichten vorgesehen ist

Eine solche Platte wird nach dem im Patentanspruch 3 angegebenen Verfahren hergestellt. Dabei wird eine Mischung aus Kunststoffmaterial und Treibmittel in Form einer Platte in die Atmosphäre extrudiert, die obere und untere Oberfläche so rasch gekühlt, daß sich Häute oder Deckschichten bilden, und zwar vor dem nennenswerten Einsetzen des Zellwachstums, anschließend werden die Zellen in Richtung der Dicke der Platte wachsen gelassen, wobei die Expansion etwas beschränkt wird, wodurch eine Zwischenschicht hoher Dichte, die im wesentlichen in der Mitte zwischen der oberen und unteren Deckschicht der geschäumten Platte angeordnet ist, ausgebildet wird. Auf diese Weise werden zwei Zellgruppen, die sich in Richtung der Dicke der geschäumten Platte erstrecken und beispielsweise die Form eines Rugbyballs aufweisen, oberhalb und unterhalb der Zwischenschicht ausgebildet Gemäß der Erfindung wird das Schäumverhältnis, d. h. die endgültige Dicke der geschäumten Platte auf 95 bis 50% und vorzugsweise 90 bis 70% der durchschnittlichen Dicke begrenzt, die erreicht werden würde, wenn die Platte frei unter atmosphärischem Druck geschäumt werden würde.

Die Erfinung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Platte aus thermoplastischem Kunststoffschaurn,

Fig.2a und 2b Längsschnitte von Platten, die mit Verbindungsteilen versehen sind, und

Fig.3 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Das Material 7, das aus dem Werkzeug 6 extrudiert wird, wird an der oberen und unteren Oberfläche mit Hilfe eines wassergekühlten Rohrs 8 schnell abgekühlt. Dadurch bilden sich feste Deckschichten 4. Anschließend wird es einer geregelten Expansion und Kühlung mit Hilfe der die Expansion begrenzenden Einrichtungen 9 unterworfen, durch die ein Wärmemedium geführt werden kann. Die Zellen 2 bilden sich zuerst in der Nähe der Oberflächen und wachsen dann allmählich zur Mitte des Materials 7. Da die Expansion durch Druck begrenzt wird, verbinden sich jedoch die Zellen 2, die vom oberen und unteren Teil des Materials 7 auswachsen. nicht untereinander in der Mitte, wodurch eine dichte Schicht 3 ausgebildet wird. Die geschäumte, auf diese Weise gebildete Platte 1 wird zu gleichmäßiger Dicke endbehandelt und dann durch die Walzen 10 der

ι Aufnahmeeinrichtung abgenommen. Die die Expansion begrenzende Einrichtung 9 kann entweder aus einer langen Einheit bestehen oder, wie in F i g. 3 gezeigt, in einigen Einheiten unterteilt sein. Durch die Unterteilung wird die Regelung der Expansion durch die einzelnen

in Teile der Einheit möglich. Dadurch können Platten verschiedener Dichte und Dicke gebildet werden und ferner kann die Dicke und die Zellstruktur der Zwischenschicht hoher Dichte geregelt werden.

Das Schäumen wird in Richtung der Dicke der

li geschäumten Platte im allgemeinen mechanisch beschränkt, d. h. durch Begrenzung der Dicke bezüglich der Oberseite und Unterseite der Platte, vorzugsweise während der Expansion oder det; Zellwachstums. Während des Verfahrens erstrecken sich die Zellen, die in der Nähe der oberen und unteren Deckschicht zu wachsen beginnen, allmählich in den '-.littelbereich der geschäumten Platte. Es bilden sich daher zwei Gruppen von großen Zellen aus, die nicht miteinander verbunden sind, sondern oberhalb und unterhalb der Zwischenschicht hoher Dichte ausgebildet sind. Zur Begrenzung der Expansion wird mechanisch Druck angewandt, z. B. kontinuierlich durch mehrere Sätze von oben und unten angeordneten Metallplatten, so daß die extrudierte, schäumbare Mischung nicht frei expandieren kann. Ein

jo freies Ausschäumen nach der Bildung der oberen und unteren Deckschicht durch Kühlen führt nicht zur Bildung einer geschäumten Platte, die eine Schicht hoher Dichte im Bereich der Mitte zwischen den Deckschichten aufweist Die Schicht hoher Dichte hat eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 3 mm, die durch größeren mechanischen Druck ansteigt Die Schicht hoher Dichte solhe möglichst den ganzen Zwischenbereich umfassen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Ober- und Unterseite der extrudierten Platt·; möglichst gleichförmig zu kühlen. Der Grund, warum eine Schicht hoher Dichte mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,1 !um und 3 mm gewählt wird, liegt darin, daß, wenn die Schicht geringere Dicke als 0,i mm aufweist, die thermische Bearbeitbarkeit der geschäumien Platte abnimmt und, wenn andererseits die Dicke 3 mm übersteigt, die geschäumte Platte nicht die gewünschte niedrige Dichte aufweist. Für praktische Anwendungen wird es bevorzugt, daß die Dichteschicht eine Dicke im Bereich zwischen 03 und 2 mm aufweist.

so Wenn die Expansion der geschäumten Platte in Richtung der Dicke begrenzt wird, wie es vorstehend beschrieben wurde, haben die in Richtung der Dicke ausgebildeten Zellen einen mittleren Durchmesser, der 1,5 bif 5 mal so groß ist wie jener der Zellen, die in Richtung der Breite der Platte angeordnet sind. Im Gegensatz dazu v/ird, wenn eine dicke Platte frei ausgeschäumt wird, keine Zwischenschicht hoher Dichte gebildet und die Zellen, die sich in Richtung der Dicke der Platte erstrecken, weisen einen durchschnittliehen Durchmesst!-, der mehr als das 5fache jener Zellen ausmacht, die sich in Richtung der Breite der Platte erstrecken, auf. Dies führt zu geschäumten Platten mit geringerer Druckfestigkeit und schlechterer thermischer Bearbeitbarkeit.

b\ Nachstehend wird ein Verfahren zur Herstellung der geschäumten Platten beschrieben.

Bei dem Verfahren wird die extrudierte Platte mit den festen Deckschichten expandiert, wobei die exoandie-

rende Platte einem leichten Zug ausgesetzt wird. Der Zug wird im allgemeinen auf die expandierende Platte zwischen wenigstens 2 Sätzen der vorerwähnten, die Expansion begrenzenden Einrichtungen, die mit der expandierenden Platte in Kontakt stehen, in Längsrichtung angewandt, indem die Abnahmegeschwindigkeit und/oder der Kontaktdruck der die Expansion beschränkenden Einrichtungen vordem Kühlen der Platte geregelt wird. Auf diese Weise ist es möglich zu erreichen, daß die Zellen in Längsrichtung der Platte einen größeren Durchmesser als in Querrichtung aufweisen. Wenn der Zellendurchmesser in Längsrichtung das 1,1- bis l,5fache des Durchmessers in Querrichtung aufweist, werden geschäumte Platten erhalten, die nicht nur eine hohe Druckfestigkeit, sondern auch eine hohe Biegefestigkeit in Längsrichtung aufweisen. Diese Verbesserung ist daher besonders dann von Interesse, wenn geschäumte Platten verwen-

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Nachstehend wird das Verfahren zur Herstellung der geschäumten Platten ausführlicher beschrieben.

Bei dem Verfahren zur Herstellung von zähen, festen geschäumten Platten wird eine Mischung eines thermoplastischen Harzes und eines flüchtigen Treibmittels in Form einer Platte durch eine Werkzeugöffnung bei einer Temperatur etwas oberhalb dem Erweichungspunkt der Mischung extrudiert. Die Ober- und Unterseite der Platte wird rasch abgekühlt, um darauf Deckschichten auszubilden. Die mit den Deckschichten versehene Platte wird dann so langsam abgekühlt, daß sich darin Schaumkerne bilden und die Zellen bis zu einem mitileren Durchmesser von mehr als 5 mm wachsen. Dabei wird an der Ober- und Unterseite der Platte Druck angewandt, um die Expansion in Richtung der Dicke auf das 0.5- bis 0.95fache der Dicke zu beschränken, die erreicht werden würde, wenn die extrudiene Platte f^rei unter atmosphärischem Druck ausgeschäumt werjen würde. Die Ausbildung der Haute auf der Ober- und Unterseite der extrudierten Platte ν ρ rhi rider τ die Expansion in Extrudierrichtung und in Querrichtung und führt dazu, daß die Schaumkerne im wesentlichen in Richtung der Dicke der extrudierten Platte wachsen. Auf diese Weise wird eine dicke, geschäumte Platte gebildet, die rugbyballähnliche Zellen aufweist. Durch die Beschränkung der Expansion der extrudierten Platte in Richtung der Dicke wird die Bildung einer festen Schicht hoher Dichte, die im wesentlichen in der Mitte zwischen den Außenschichten der Platte liegt, erreicht. Bei dem Verfahren können Deckschichten von mehr als 0.5 mm. vorzugsweise 1 bis 3 mm Dicke, erreicht werden und Zwischenschichten hoher Dichte mit einer Dicke von mehr als 0.1 mm. Durch diese Deckschichten und die Zwischenschicht wird nicht nur eine wesentliche Erhöhung der Druckfestigkeit, sondern auch der Biegefestigkeit erreicht. Das Abkühlen der Ober- und Unterseite der extrudierten Platte kann durch Aufblasen von kaltem Gas, ζ. B. kaher Luft, Aufsprühen einer Flüssigkeit, wie Wasser, in Kontakt bringen mit gekühlten Metaliteilen, wie einer Metallwalze oder Metallplatte, oder durch Verbindung mit einem bahnartigen Material, wie einer Metallplatte, einer Gipsplatte oder einem Gewebe aus Glasfasern, erreicht werden.

Die nach dem Verfahren hergestellten geschäumten Platten weisen außerordentliche große Zellen auf. Obwohl der Mechanismus, nachdem sich solche großen Zeilen büden. noch nicht theoretisch vollständig geklärt ist. wird angenommen, daß dies darauf beruht, daß das Treibmittel sehr langsam ohne Anwendung wesentlicher Scherbeanspruchung vergast wird und sich dadurch verhältnismäßig wenige Schaurr.kerne ausbilden.

Folgende Erfordernisse sind zur Ausbildung von großen Zellen durch langsame Vergasung des flüchtigen Treibmittels erforderlich:

(1) Das thermoplastische Harz wird extrudiert, wobei das flüchtige Schäummittel in gelöstem Zustand gehalten wird,

(2) die Harzmischung wird bei möglichst tiefer Temperatur extrudiert, und

(3) es wird kontinuierlich lange Zeit, vorzugsweise unter solchen Bedingungen, bei denen keine Scherbeanspruchung auftritt, extrudierl.

Die Herstellung eines Kunststoffschaums mit Zellen mit einem Durchmesser von mehr als 5 mm ist nur erreichbar, wenn dis vorerwähnten Eirforiiern!S5^p τί''!!ί sind. Der hier verwendete Ausdruck »Schaumzellcn mit einem größeren Durchmesser als 5 mm« ist so definiert, daß das Gesamtvolumen, das von Zellen mit einem größeren Durchmesser als 5 mm eingenommen wird, mehr als 50% des gesamten Volumens einer geschäumten Platte ausmacht. Wenn die Mischung aus Kunststoff und flüchtigem Treibmittel in gelöstem Zustand bei verhältnismäßig niederiger Temperatur in die Atmosphäre extrudiert wird, tritt eine Übersättigung des Treibmittels im Kunststoff ein. Das übersättigte Treibmittel sammelt sich in nichthomogenen Teilen der Mischung beispielsweise dor' wo ein Keimmittel zugegen ist. Dadurch werden Schaumkerne gebildet.

Die Schaumzellen wachsen durch den Dampfdruck des Treibmittels, der bei der angewandten Temperatur herrscht. Die Viscoelastizität des thermoplastischen Kunststoffs wirkt jedoch diesem Wachstum entgegen. Die Wachstumsgeschwindigkeit der Schaumzellen hängt daher vom Ausmaß der Übersättigung und dem Dampfdruck des flüchtigen Treibmittels und der Viscoelastizität des thermoplastischen Harzes ab. Durch Regelung dieser Faktoren zwecks Erreichung einer geeigneten Wachstumsgeschwindigkeit der Zellen kann ein Schaum mit großen Zellen gebildet werden.

Es wird angenommen, daß das Wachstum der Schaumzellen aufhört, wenn der Dampfdruck des flüchtigen Treibmittels und die Viscoelastizität des thermoplastischen Harzes im Gleichgewicht stehen. Wenn die Abkühlung zu schnell vorgenommen wird, hört das Wachstum der Zellen auf, bevor diese voll ausgebildet sind, was zu kleineren Zellen führt. Es kann dann kein Schaum niederer Dichte und ge^r gneter Dicke erhalten werden. Andererseits wird, wenn die Abkühlung zu langsam vorgenommen wird, das Zellwachstum zu stark, was zu Lücken im Schaum führt.

Geeignete thermoplastische Harze sind beispielsweise: Polyolefine, Copolymere von Olefinen, Polystyrol, Styrolcopolymere, Polyvinylchlorid, Copolymere des Vinylchlorids, Acrylharze, Polyamide, Polyester, Polyacetale und Polycarbonate. Bevorzugt werden Polyolefine und Olefincopolymere. Insbesondere bevorzugt sind Polypropylen und Polyäthylen hoher Dichte mit einem geringeren Schmelzindex (MI) als 0,5. Obwohl die Gründe dafür nicht vollständig bekannt sind, wurde festgestellt, daß Polypropylen und Polyäthylen hoher Dichte das Wachstum von Schaumzellen mit dicken Wänden und Stegen erleichtern, wodurch die Bildung eines stabilen Schaums vereinfacht wird.

Geeignete Treibmittel sind Kohlenwasserstoffe, halo-

genierte Kohlenwasserstoffe. Alkohole. Äther, Ester und Mischungen derselben mit einem Siedepunkt unterhalb dem Erweichungspunkt des verwendeten thermoplastischen Harzes. Bevorzugt werden Kohlenwasserstoffe und halogeniertc Kohlenwasserstoffe mit einem Siedepunkt im Bereich von -20 bis 50"C. Insbesondere wird Trichlormonofluormethan eingesetz*. Dies deshalb, weil angenommen wird, daß dieses Material eine hohe Löslichkeit im thermoplastischen Kunststoff im Extruder aufweist und einen steilen Abfall der Löslichkeit bei Verringerung vor Druck und Temperatur nach Extrusion zeigt. Die Menge des verwendeten flüchtigen Treibmittels, das dem thermoplastischen Kunststoff zugesetzt wird, hängt von dessen Art ab. Im allgemeinen werden Mengen von 2 bis 20 Gewichtsteilen und vorzugsweise b bis 15 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile thermoplastisches Harz, verwendet. Wird zuviel Treibmittel zugegeben, bilden sich viele Schäumkerne im Werkzeug. Wird dip Kunststoffmischung dann extrudiert. entstehen feine Zellen im Schaum, die ein weiteres Wachstum der Zellen verhindern. Ferner geht ein Teil des Treibmittels verloren, weil dieses durch die Zellwand entweicht. Es werden daher keine großen Zellen und folglich keine dicke geschäumte Platte erhalten.

Wird andererseits das Treibmittel in zu geringen Mengen eingesetzt, nimmt das Wachstum der Schaumkerne ab und die gewünschte Zellen werden nicht ausgebildet. Eine dicke geschäumte Platte niedriger Dichte kann dann nicht erhalten werden. Wird ein für das 'hermoplastische Harz geeignetes Treibmittel in den vorstehend genannten Mengen zugegeben, ist es erforderlich, daß sich keine oder nur wenige sichtbare Schaumkerne im Werkzeug bilden. Werden andererseits zahlreiche Schaumkerne gebildet, wird kein Schaum mit großen Zellen erhalten. Die bei dem Verfahren gemäß der Erfindung angewandte Extrudiertemeratur liegt im allgemeinen zwischen dem Erweichungs- oder Schmelzpunkt der Harzmischung und 30° höher als der Erweichungs- oder Schmelzpunkt des Harzes selbst. Wird bei zu hoher Temperatur extrudiert, weist das Treibmittel einen zu hohen Dampfdruck auf und die Viscoelastizität des thermoplastischen Materials ist zu niedrig. Wird dann die Harzmischung durch ein Werkzeug in die Atmosphäre extrudiert, bildet das Treibmittel zahlreiche feine Blasen, die teilweise aus der Mischung austreten ohne Schaumzellen zu bilden. Es wird dann kein Schaum mit großen Zellen und guter mechanischer Festigkeit erhalten.

Da das vorzugsweise verwendete Schaummittel im thermoplastischen Harz löslich ist, ist der Erweichungsoder Schmelzpunkt der Harzmischung beträchtlich niedriger als jener des Harzes selbst. Wird daher bei niedrigeren Temperaturen als dem Erweichungs- oder Schmelzpunkt der Harzmischung zu extrudieren versucht, treten erhebliche Schwierigkeiten auf.

Die Abkühlung der extrudierten Harzmischung wird lange genug fortgesetzt um das gewünschte Zellwachstum zu erzielen. Im allgemeinen erfolgt die Abkühlung nach 2 bis 25 Minuten.

Die langsame Abkühlung wird im allgemeinen dadurch erreicht, daß die extrudierte Mischung in Luft stehen gelassen wird, Luft aufgeblasen wird oder in die die Expansion beschränkenden Einrichtungen, durch die die expandierende extrudierte Mischung geführt wird, ein Wärmeübertragungsmediutn eingeführt wird, wie Wasser oder eine andere Flüssigkeit mit höherer Temperatur als Raumtemperatur.

Ks ist wichtig, daß verhältnismäßig wenige Schaumkerne, die mit dem freien Auge nicht sichtbar sind, gebildet werden und wachsen, und es ist daher wünschenswert, eine geringe Menge an Keimbildner zu verwenden. Der Kcimbildncr kann aus anorganischen Materialien, wie Calciumcarbonal, Ton, Talk. Zinkweiß, Silicat, Glaspulver oder Ruß, oder organischen Materialien, wie Holzpulver, bestehen. Der Keimbildner wird vorzugsweise in geringeren Mengen als 3 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 1,5 Gew.-%, bezogen auf 100 Gewichtsteile des thermoplastischen Harzes, verwendet. Bei Abwesenheit des Keimbildners wird eine ungleichförmige, räumliche Verteilung der Zellen erhalten. Andererseits führen zu große Mengen an Keimbidner zu einer übermäßigen Bildung von Schaumkernen und daher zum Auftreten von feinen Zellen. Es werden dann nicht die gewünschten Schäume mit großen Zellen, die die erforderliche mechanische

Fpititrkpit trpwährlpi<;tpn. pphilHpt.

Es ist wünschenswert, daß das Wachstum der Schaumkerne unter solchen Bedingungen erfolgt, bei denen im wesentlichen keine Scherbeanspruchung erfolgt. Folglich ist es nicht vorteilhaft, ein Verfahren anzuwenden, bei dem die Schaumkerne im Extruderkopf gebildet werden und die Harzmischung zu extrudieren, während diese expandiert.

Da eine langsame Abkühlung der extrudierten Mischung zwecks langsamer Expansion erfolgt, wird diese vom Werkzeug mit langsamerer Geschwindigkeit als die Extrusionsgeschwindigkeit im Werkzeug abgenommen. Dadurch erfolgt eine Expansion im wesentlichen ohne Scherbeanspruchung. Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens, bei dem die Harzmischung ohne Scherbeanspruchung expandieren kann, besteht darin, daß die extrudierte Mischung einer Quellung im Werkzeug unterworfen wird und die Expansion vorgenommen wird, indem die Querschnittsform der im Werkzeug gequollenen Masse im wesentlichen unverändert gehalten wird. Wird andererseits die extrudierte Kunststoffmischung vom Werkzeug schneller abgezogen als diese sich durch das Werkzeug bewegt und anschließend expandiert, bilden sich zahlreiche feine Zellen im Harz und der gewünschte Schaum mit den ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften wird nicht erzielt. Der Grund, warum der Schaum hohe mechanische Festigkeit, insbesondere eine hohe Druckfestigkeit aufweist, liegt darin, daß er große Zellen und folglich dicke Wände und Stege sowie an der Ober- und Unterseite eine Deckschicht und eine Zwischenschicht hoher Dichte aufweist.

Ein anderer Grund liegt darin, daß beim Wachstum dtr Schaumzellen die Zellwände und Stege zur Orientierung gestreckt werden.

Bei bekannten Schäumen haben die Zellwände und Stege eine im wesentlichen gleichförmige Dicke von 1 bis 10 μ. Bei dem Schaum gemäß der Erfindung erstreckt sich jedoch die Dicke über den weiten Bereich von 10 bis 2000 u_ Folglich kann gemäß der Erfindung ein Schaum erhalten werden, der im allgemeinen eine Dicke von 5 bis 200 mm und vorzugsweise 10 bis 80 mm aufweist Bei einem Schaum mit einer geringeren Dicke als 5 mm ist die Ausbildung von großen Zellen und folglich eine niedere Dichte nicht möglich. Wenn die Dicke 200 mm übersteigt bilden sich große Leerstellen im Zentrum des Schaums aus. wodurch die mechanische Festigkeit nachläßt

Der Schaum zeichnet sich durch hohe mechanische Festigkeit und niedere Dichte, die im allgemeinen

zwischen 0,05 und 0,35 g/cm¹ und vorzugsweise zwischen 0,08 und 0,25 g/cm¹ liegt, aus.

Der Harzmischung können verschiedene Zusätze, wie Antioxidationsmittel, Ultraviolettabsorber, feuerhemmende Mittel und Pigmente zugesetzt werden.

Die geschäumten Platten weisen an der Ober- und Unterseite feste Deckschichten auf und haben etwa in der Mitte der Platte eine Zwischenschicht hoher Dichte. In Richtung der Dicke der Platte erstrecken sich lange Zellen, die in zwei Gruppen unterhalb und oberhalb der Zwischenschicht angeordnet s<nd. Auf diese Weise wird eine ausgezeichnete Druckfestigkeit und Biegefestigkeit erzielt. Durch die Zwischenschicht hoher Dichte ist ferner die Möglichkeit zur Verbindung und eine gute thermische Bearbeitbarkeit gegeben. Werden mehrere geschäumte Platten untereinander thermisch an den Schmalseiten verbunden, kann aufgrund der Deckschichten und der Zwischenschicht hoher Dichte eine sehr feste Verbindung erfolgen. Beim Biegen der

gbJt.iiuuiiiii.il ■ iuiit.fi in uv>i tt ut iuv rritvi vjv-i g ^LSVsg^i ι ν Teil aufgrund der Gegenwart der Zwischenschicht kaum dünner. Andererseits werden geschäumte Platten, die diese Zwischenschicht nicht aufweisen, im gebogenen Teil meist dünner, was zu einer Verringerung der Wärmeisolierung und der mechanischen Festigkeit führt. Die geschäumten Platten schrumpfen manchmal nach der Herstellung. Dieses Schrumpfen kann jedoch durch einfache Wärmebehandlung leicht ausgeschaltet werden.

Die Schäume weisen nicht nur hohe Druck- und Biegefestigkeit auf, sondern sind auch gegenüber Chemikalien und Kälte beständig. Die Schäume zeigen eine bessere Wärmeisolierung und Stoßdämpfung als Holzplatten oder andere harte Platten, obwohl sie in dieser Hinsicht etwas schlechter sind als Schäume mit feinen Zellen. Die Schäume können verschiedene Anwendung finden, wie als Frostschutzmaterialien für Eisenbahnen und Siraßen, Gerüstplatten, Baumaterialien, wie Betonschalungsplatten, Platten für Fußböden, Wände und Dächer, Wärmeisolationsplatten für Gebäude, Wärmeisolationsmaterial für Kühlhäuser, Verpakkungsmaterial für Behälter, in denen schwere Gegenstände befördert werden sollen, Paletten und schallschluckende Materialien.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel I

Ein Extruder mit 80 mm Durchmesser wurde mit einer Mischung aus 100 Gewichtsteilen Polyäthylen

tnl\Ci mm

2.16 kg) von 0,2, einer Dichte von 0,96 g/cm³ und einem Schmelzpunkt von 134⁰C und einem Gewichtsteil Calciumcarbonat als Keimbildner beschickt. Beim Durchführen der Mischung durch den Extruder wurde ein flüchtiges Treibmittel, nämlich Trichlorfluormethan in verschiedenen Mengen, wie sie in Tabelle I angegeben sind, zugegeben. Die Harzmischung wurde durch ein flaches Werkzeug mit 400 mm Breite und 3 mm Dicke extrudiert und mit verschiedenen Geschwindigkeiten, wie sie in der nachstehenden Tabelle I angegeben sind, aufgenommen.

Tabelle I
Parameter

Trichlorfluormethan (Gewichtsteile)

Extrudiergeschwindigkeit (cm/min etwa)

Aufnahmegeschwindigkeit (cm/min)

Erforderliche Zeit zum vollen Wachstum der Zellen (min) Schaumdicke (mm)

Dicke der Zwischenschicht (mm)

Dicke der Deckschicht (mm)

Dichte des Schaums (g/cm³)

Prozentsatz des Volumens eingenommen von Zellen mit

Durchmesser von mehr als 5 mm (%)
Form der Zellen (a/blT)
Drjckmodul (kg/cm²)
Biegemodul (kg/cm²)

*) a gibt die Länge einer Zelle in Richtung der Dicke der gesamten Platte und b die Länge in Richtung der Breite an.

Beispiel	Nr.	3	4	5	6
1	2	9,0	10.4	11,8	13,2
7,0	8.2	30	30	30	30
30	30	11,0	'2,0	12,5	13,0
10,0	10,5	11.5	12,0	12,5	13,0
10,5	11,0	37	40	42	43
36	37	0,4	0,4	0,4	0.5
0,5	0,3	0,8	0,8	1,0	1,0
0,5	0,5	0,15	0,13	0,10	0,08
0,24	0,20	80	90	90	95
80	82	3.2	3,2	3,5	3,5
3.0	3.0	135	199	70	58
330	215	1090	830	520	380
2990	1910

Die Temperatur der Harzmiscung betrug 142°C
Unter Verwendung der in F i g. 3 gezeigten Vorrichtung wurde die Harzmischung durch das flache Werkzeug 6 extrudiert und mit einem Kupferrohr 8 in Kontakt gebracht, das einen Durchmesser von 20 mm aufwies und am Werkzeugausgang angeordnet war. Es wurde auf 15° C gekühlt, so daß nur die beiden Oberflächen zur Ausbildung der Deckschichten 4 schnell abgekühlt wurden. Schaumkerne begannen sich in der extrudierten Mischung zu bilden, als diese einen Abstand von 1 cm von dem Werkzeugauslaß erreichte. Das Wachstum der Zellen in der extrudierten Mischung begann in einem Abstand von etwa 3 bis 4 cm von der Werkzeugöffnung. Die Zellen wuchsen nur in Richtung der Dicke der Platte. Die Expansion der extrudierten Platte wurde durch die die Expansion begrenzenden Metallplatten 9 auf etwa 80% der Expansion begrenzt, die erreicht worden wäre, wenn die Platte frei unter atmosphärischem Druck ausschäumend gelassen worden wäre. Das Zellenwachstum hörte in einem Abstand von etwa 150 cm vom Werkzeugausgang auf. Die erhaltene Platte mit einer Breite von etwa 400 mm zeigte eine Schicht 3 hoher Dichte, die im wesentlichen in der Mitte zwischen der oberen und unteren Deckschicht der Platte angeordnet war.
Rugbyähnliche Ze'Jen waren in zwei Gruppen

angecdnet, wobei die meisten einen größeren Durchmesser als 5 mm aufwiesen. Sie erstreckten sich in Richtung der Platte.

Die Dicke der Platte, die Dicke der Zwischenschicht hoher Dichte, die Dicke der Deckschicht, die Dichte, der Druckmodul und der Biegemodul der verschiedenen Proben I bis 6 wurde bestimmt. Ferner wurde die Form und die Größe der Zellen bestimmt. Die Ergebnisse sind in der vorstehenden Tabelle I wiedergegeben.

Beispiel 2

Ein Extruder mit einem Durchmesser von 65 mm wurde mit einer Mischung aus 100 Gewichtsteilen kristallinem Polypropylen mit einem MFI (g/10 mm, 230°C, 216 kg) von 0,3 und einer Dichte von 0,90 g/cm¹ und einem Gewichtsteil Calciumcarbonat beschickt. Während die Mischung durch den Extruder geführt wurde, wurden der Mischung 12 Gewichtsteile Trichlor-

F ig. 3 gezeigten Vorrichtung wurde die Mischung durch eine Hache Düse 6 mit einer Breite von 240 mm und einer Dicke von 2 mm extrudiert. Die Temperatur der Harzmischung betrug 170⁰C. Die Mischung wurde mit einer Geschwindigkeit von 30 cm/min extrudiert und vom Werkzeug mit einer Geschwindigkeit von 20 cm/min aufgenommen. Die extrudierte Mischung wurde mit einem Kupferrohr 8 in Kontakt gebracht, das einen Durchmesser von 20 mm aufwies und am Auslaß des Werkzeuges angeordnet w.t. Es wurde bei einer Temperatur von 15°C gehalten, um die Oberflächen des erhaltenen Schaums schnell abzukühlen, um auf diese Weise die Deckschichten 4 auszubilden. In einer Entfernung von 0,5 cm vom Werkzeugauslaß bildeten sich Schaumkerne und in einem Abstand von 3 cm begann das Zellwachstum, das in Richtung der Dicke der Platte erfolgte. Durch Metallplatten 9 wurde die Expansion der extrudierten Platte in Richtung der Dicke auf etwa 85% des Wertes begrenzt, der beim freien Schäumen unter atmosphärischem Druck erreicht worden wäre. Die geschäumte Platte wurde auf 3O⁰C abgekühlt. Das Zellwachstum wurde in einer Entfernung von etwa 60 cm vom Werkzeugauslaß beendet. Die erhaltene Platte war 15 mm dick, 240 mm breit, hatte eine Dichte von 0,14 g/cm³ und Deckschichten von 0,5 mm Dicke. Die Dicke der Zwischenschicht hoher Dichte betrug 0,5 mm. Die Zellen erstreckten sich in Richtung der Dicke der Platte. Diese waren in zwei Gruppen oberhalb und unterhalb der Zwischenschicht angeordnet. Das Gesamtvolumen, das von Zellen mit einem größeren Durchmesser als 5 mm eingenommen wurde, betrug 80% des Gesamtvolumens der geschäumten Platte. Das Verhältnis a/b der Zellängen betrug etwa 2,2. Auf diese Weise wurde ein geschäumtes Breit mit ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften, wie einem Druckmodell von 175 kg/cm² und einem Biegemodul von 1400 kg/cm² erhalten.

Beispiel 3

Ein 80-mm-Extruder wurde anfänglich mit 100 Gewichtsteilen Polyäthylen hoher Dichte mit einem Schmelzindex von 0,2 und einer Dichte von 0,96 g/cm³ und 0,5 Gewichtsteilen Calciumcarbonat beschickt Anschließend wurden 10 Gewichtsteile Trichlorfluormethan in den Mittelteil des Extrudierzylinders zugegeben, um diese in der Beschickung zu lösen. Unter Verwendung der in F i g. 3 gezeigten Vorrichtung wurde durch ein Werkzeug 6 mit 400 mm Breite und 3 mm Dicke bei 140⁰C eine Platte extruciiert. Sofort nach dem Extrudieren wurde ein wassergekühltes Rohr 8 gegen die obere und untere Seite der Platte gedruckt, um Deckschichten 4 einer Dicke von etvn 0,3 mm auszubilden, um auf diese Weise die Expansion in Quer- und Längsrichtung zu unterdrücken. Die geschäumte Platte hatte eine Enddicke von 40 mm, was durch mechanische Begrenzung (wie in Beispiel 1) der Expansion auf etwa 70% der Expansion in Richtung der Dicke der Platte 1 erreicht wurde. Die Aufnahme der Platte wurde so ausgeführt, daß ein leichter Zug auf die Platte in Längsrichtung durch Einstellung der Aufnahmegeschwindigkeit ausgeübt wurde. Die Platte 1 hatte eine Dichte von 0.15 g/cm³. Der mittlere Durchmesser der Zellen, die in zwei Gruppen angeordnet warei, betrug 5,1 mm in Längsrichtung, 4,0 mm in Querrichti'ng und 19 mm in Richtung der Dicke der Platte. Eine

tJI-tllV.nl -T IIWI11.I !./11.111I* Hill t.lttl,l LSlt.fM. «ISM f.-/ llltll bildete sich im wesentlichen zwischen der oberen und unteren Oberfläche der Platte aus.

Die Platte zeigte einen Druckmodul von 230 kg/cm² und einen Biegemodul von 1200 kg/cm² in Längsrichtung und von 900 kg/cm² in Querrichtung, guie Wasserbeständigkeit, Bearbeitbarkeit und Wärmeisolation.

Die in F i g. 2a und 2b gezeigten Platten 1 und la sind mit einer Vertiefung 5 bzw. einem Vorsprung 5a im Bereich der Schichten 3, 3a hoher Dichte versehen. Auf diese Weise ist eire Verbindung der Platten 1 und la möglich. Die festen Verbindungsteile können fest zusammengefügt werden und bleiben auch bei langem Gebrauch in Verbindung. In F i g. 2 sind mit 2 und la die in zwei Gruppen angeordneten Zellen bezeichnet und mit 4 und 4a die Deckschichten.

Es wurde der Druckmodul einer Platte mit einer Dicke von etwa 57 mm, die im Gegensatz zum vorerwähnten Beispiel frei ausgeschäumt wurde und nur eine Zellgruppe aufwies, bestimmt. Der Druckmodul betrug 120kg/cm^:. Diese Vergleichsprobe einer geschäiifPten Platte hatte geringe Wasserfestigkeit und zeigte tine unzureichende Bearbeitbarkeit und Wärmeisolierung.

Beispiel 4

Es wurde im wesentlichen, wie im Beispiel 3 beschrieben, ein extrudiertes Material hergestellt, wobei jedoch anstelle von Polyäthylen hoher Dichte Polypropylen mit einem Schmelzflußindex von 03 und einer Dichte von 0,90 g/cm³ verwendet wurde und bei 180⁼C extrudiert wurde. Die geschäumte Platte hatte eine Dichte von 0,13 g/cm³ und wies eine Schicht hoher Dichte von etwa 1 mm auf. Diese war etwa in der Mitte zwischen der oberen und unteren Deckschicht ausgebildet und die Zellen waren in zwei Gruppen oberhalb und unterhalb der Deckschicht angeordnet Die Zellen hatten einen mittleren Durchmesser von 6,0 mm in Längsrichtung, 5,2 mm in Querrichtung und 19,0 mm in Richtung der Dicke der Platte. Das Produkt wies ausgezeichnete mechanische Festigkeit und Wärmebeständigkeit auf.

Beispiel 5

Zwei geschäumte Platten, die gemäß Beispiel 3 hergestellt waren und die etwa in der Mitte eine Schicht

hoher Dichte aufwiesen, wurden durch Aufeinanderdrücken der erhitzten Schmalseiten verbunden.

Aufgrund der Zwischenschicht hoher Dichte erfolgte eine feste Verbindung.

Zum Vergleich wurden zwei geschäumte Platten in gleicher Weise miteinander verbunden, die gleiche Dicke aufwiesen und aus Material etwa der gleichen Dichte bestanden und Zellen mit ungefähr dem gleichen Durchmesseer aufwiesen, jedoch die Zwischenschicht hoher Dichte nicht aufwiesen. Die verbundenen Platten wiesen in diesem Fall eine bedeutend niedrigere Biegefestigkeit als im vorhergehenden Fall auf.

Beispiel 6

Eine gemäß Beispiel 3 erhaltene geschäumte Platti wurde im wesentlichen im rechten Winkel abgeboger wobei sie auf etwa 140⁰C erhitzt wurde. Im Biagebe reich war die Dicke gegenüber der Dicke vor den Biegen nur geringfügig verändert. Im Gegensatz dazi zeigte sich bei einer ähnlichen Probe, die keim Zwischenschicht hoher Dichte aufwies, eine merklich* Abnahme der Dicke im gebogenen Teil, was zeigt, dal dieses Material eine schlechte thermische Verarbeitbar keit aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

t. Platte aus thermoplastischem Kunststoffschaum mit ungeschäumten, materialeinheitlichen Deckschichten an beiden Außenseiten und großen, länglichen Zellen, die in Richtung der Dicke der Platte angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenschicht (3) hoher Dichte mit einer Dicke von mehr als 0,1 mm etwa in der Mitte zwischen den Deckschichten (4) vorgesehen ist
2. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) hoher Dichte eine Dicke zwischen 0,1 und 3 mm, insbesondere zwischen 03 und 2 mm, aufweist
3. Verfahren zur Herstellung von Platten aus thermoplastischem Kunststoffschaum mit ungeschäumten, materialeinheitlichen Deckschichten an beiden Außenseiten und großen, länglichen Zellen, die in Richtung der Dicke der Platte angeordnet sind, sowie einer Zwischenschicht hoher Dichte etwa in der Mitte zwischen den Deckschichten, wobei man