DE2622001A1

DE2622001A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von geschaeumtem kunststoff

Info

Publication number: DE2622001A1
Application number: DE19762622001
Authority: DE
Inventors: James W Hendry
Original assignee: Ex-Cell-O Corp
Current assignee: Ex-Cell-O Corp
Priority date: 1975-06-02
Filing date: 1976-05-18
Publication date: 1976-12-16
Also published as: JPS5545018B2; JPS528077A; US4043715A; FR2313197A1; FR2313197B1; CA1081417A; GB1508707A; CH603337A5

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von geschäumtem Kunststoff

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von geschäumtem Kunststoff durch Einleiten eines Gases in einen Strom des plastifizierten Kunststoffes sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Einsatzmöglichkeiten und Vorteile von geschäumten Kunststoffmaterialien sind seit langen Jahren in der Industrie bekannt, und es wurde eine grosse Anzahl von Versuchen unternommen, Verfahren und Vorrichtungen zum Schäumen von Kunststoff

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sowie zum Spritzgiessen von geschäumten Kunststoffmaterialien zu entwickeln. Die Festigkeit, das geringe Gewicht und die Wirtschaftlichkeit derartiger Kunststoffmaterialien sind bekannt; andererseits sind die bisher vorgeschlagenen Verfahren zum Herstellen von geschäumtem Kunststoff und zum Ausformen desselben sämtlich nicht voll befriedigend. In einigen Fällen, in denen mit dem Kunststoffgranulat vor dem Plastifizieren desselben ein festes Material gemischt wird, x-zelches später Gas freisetzt, ergeben sich nämlich relativ hohe Kosten, da einerseits das gaserzeugende Material teuer ist und andererseits der Mischvorgang zusätzliche Kosten verursacht- In anderen Fällen, wo ein Gas in Form einer kontinuierlichen Strömung mit im wesentlichen konstanten Druck in einen Strom von nlastifiziertem Kunststoffmaterial eingeleitet wird, besitzen die in dem Kunststoffmaterial erzeugten Poren eine unterschiedliche Grosse, wobei insbesondere dann, wenn in dem plastifizierten Kunststoffmaterial beträchtliche Druckschwankungen auftreten, unter Umständen viel zu grosse oder überhaupt keine Gasblasen erzeugt werden.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von geschäumtem Kunststoff anzugeben, mit dem bzw. der ein geschäumtes Kunststoffmaterial mit gleichmässiger Porengrösse und -dichte erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art gelöst, welches gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass man in schneller Folge jeweils ein vorgegebenes Volumen des unter einem vorgegebenen niedrigen Druck

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stehenden Gases komprimiert und zur Bildung mindestens einer Gasblase in den Kunststoffstrom injiziert.

Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine durch zugeordnete Antriebseinrichtungen angetriebene Pumpe mit definiertem Ansaugvolumen pro Pumpenhub vorgesehen ist, deren Ansaugreite mit einer Quelle für das Gas verbunden ist und deren Druckseite über ein Rückschlagventil mit einem Kanal verbunden ist, durch den der plastifizierte Kunststoff fliesst.

Es ist ein Vorteil von Verfahren und Vorrichtung gemäss der Erfindung, dass ein geschäumtes Material erhalten wird, indem die Hohlräume eine im wesentlichen gleiche Grosse und Verteilung besitzen.

Es ist ein weiterer Vorteil von Verfahren und Vorrichtung gemäss der Erfindung, dass auf eine Beimischung von festen oder flüssigen gasbildenden Substanzen zu dem Kunststoffmaterial verzichtet v/erden kann.

Ferner ist es ein Vorteil, dass mit einer grossen Anzahl von bekannten Injektionsvorrichtungen gearbeitet werden kann, an denen allenfalls einfache Abänderungen vorgenommen werden müssen.

Es ist auch ein Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens, dass es nach Durchführung geringer Änderungen mit den bisher bekannten Kunststoffspritzmaschinen durchgeführt werden kann, insbesondere mit Extrudern, die mit Schnecken arbeiten.

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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand der Schutzansprüche. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens;

Fig. 2 eine vergrösserte Schnittdarstellung der Injektionseinrichtungen gemäss Fig. 1 und

Fig. 3 einen noch weiter vergrösserten Teilschnitt durch die Injektionsdüse der Vorrichtung gemäss Fig. 1 und 2.

Die in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemässe Vorrichtung weist eine Plastifiziervorrichtung 1 auf, welche beim Ausführungsbeispiel aus einer Kammer 2 besteht, in der eine Schnecke 3 zu einer Drehbewegung antreibbar ist. Die Kammer 2 besitzt eine Einlassöffnung 6, über der ein Trichter 4 angeordnet ist, um der Plastifiziervorrichtung 1 in üblicher Weise ein Kunststoffgranulat zuzuführen. Für die Schnecke 3 können Antriebseinrichtungen 7 üblicher Bauart vorgesehen sein.

An das auslasseitige Ende der Kammer 2 schliesst sich ein Kanal 9 an, in dem vorzugsweise ein Sicherheitsventil 11 vorgesehen ist und der über ein Rückschlagventil 12 zur Einlassöffnung eines Zylinders 14 einer Spritzvorrichtung führt. Im Innenraum 17 des Zylinders 14 ist ein Preßstempel 16 vorgesehen, der in üblicher Weise durch einen üblichen Betätigungsmechanismus 15 betätigbar ist. Der Preßstempel 16 bzw. der Schaft des-

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selben ist in üblicher Weise mit Betätigungselementen 18 für Endschalter 19,21,46 und 47 versehen, deren Zweck v/eiter unten erläutert wird- Ausgehend von der Einlassöffnung 13 schliesst sich an den Kanal 9 ein Kanalstück 23 an, in dem ein Ventil 22 vorgesehen ist, hinter dem sich wieder ein Kanalstück 24 befindet, das zu einer Spritzform 26 führt. Die Betätigungsvorrichtung 15 der Spritzvorrichtung und das Ventil 22 werden mittels üblicher Einrichtungen, vorzugsweise synchron zueinander und automatisch betätigt, und zwar derart, dass das Ventil 22 beim Rückkehrhub des Preßstempels 16 (nach oben in Fig. 1) geschlossen und beim Arbeitshub des Preßstempels 16 (nach unten in Fig. 1) geöffnet ist.

Beim Ausführungsbeispiel weist die Spritzform 26 einen Verteiler 27 auf, über den das Kunststoffmaterial aus dem Kanalstück 24 auf eine Anzahl von Düsen aufgeteilt wird, über die das Kunststoffmaterial der Form in üblicher Weise über mehrere Einlassöffnungen zugeführt wird. Dies ist das übliche Verfahren zur Speisung grosser Spritzformen. Wenn dagegen nur eine relativ kleine Form gefüllt werden muss, dann steht das Kanalstück 24 über eine geringere Anzahl von Öffnungen oder nur über eine einzige Einlassöffnung mit der Form in Verbindung.

Gernäss der Erfindung ist nun in der Wand der Kammer 2 der Plastifiziervorrichtung 1 eine Öffnung 31 (Fig. 2) vorgesehen, in welche ein Stopfen 32 eingesetzt, insbesondere eingeschraubt ist. Der Stopfen 32 ist mit einer durchgehenden Öffnung 33 versehen, in welche eine Injektionsleitung 34 dichtend eingesetzt ist. So dicht wie möglich bei dem Stopfen 32, vorzugsweise im Inneren desselben, ist ferner ein Rückschlagventil 36

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vorgesehen. Das untere Ende 37 der Injektionsleitung 34 steht ein wenig in das Innere der Kammer 2 vor, wie dies nachstehend noch weiter erläutert wird. Das Rückschlagventil 36 kann von beliebiger üblicher Bauart sein, sollte sich jedoch in einem beheizten Bereich der Plastifiziervorrichtung, beispielsweise innerhalb des Stopfens 32 und damit im Bereich der Wandung der Kammer 2 befinden. Hierdurch wird erreicht, dass dann, wenn die Schnecke 3 zwischen aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen stillgesetzt wird und wenn über die Injektionsleitung 34 kein Gas in das plastifizierte Kunststoffmaterial injiziert wird, die Teile des Kunststoffmaterials, die in Richtung des Rückschlagventils 36 in die Injektionsleitung · 34 eindringen, nicht erstarren und durch den nächsten Gasimpuls wieder aus der Injektionsleitung 34 herausgedrückt werden.

Das obere Ende der Injektionsleitung 34 ist mit einem geeigneten Druckerzeuger 38, beispielsweise mit einer Kolben- oder einer Membranpumpe verbunden. In der Zeichnung ist eine Membranpumpe dargestellt. Der Druckerzeuger 38, der nachstehend der Einfachheit halber als Membranpumpe 38 bezeichnet ist, weist eine Kammer 39 auf, deren offene Seite durch eine Membran 39A geschlossen ist. Die Kammer 39 besitzt zusammen mit dem von ihr bis zu dem Rückschlagventil 36 reichenden Teilstück der Injektionsleitung 34 ein genau bekanntes Volumen. Das Volumen der Kammer 39 kann durch Betätigung der Membran 39A zumindest im wesentlichen auf Null reduziert werden. Eine übliche Quelle 42 für ein Gas ist mit der Kammer 39 über eine Versorgungsleitung 4OA verbunden, in welcher ein weiteres Rückschlagventil 40 vorgesehen ist. Weiterhin sind Antriebseinrichtungen 41 vorgesehen, welche schematisch angedeutet sind und dazu dienen,

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die Membran 39A in bekannter Weise mit hoher Geschwindigkeit hin- und herzubewegen, so dass bei einer Bewegung der Membran 39Λ nach rechts eine genau einstellbare Gasmenge von der Quelle 42 angesaugt wird, welche anschliessend bei einer Bewegung der Membran 39Λ nach links aus der Kammer 39 über die Leitung 34 und durch das Rückschlagventil 36 in die Kammer 2 injiziert v/ird. Das zwischen der Membranpumpe 3 8 und dem Rückschlagventil 36 liegende Teilstück 34A der Injektionsleitung wird ebenso wie das zwischen dem Rückschlagventil 36 und dem auslasseitigen Ende 37 der Injektionsleitung 34 liegende Teilstück 34B so kurz wie möglich gemacht, um bezüglich der Dosierung des zu injizierenden Gases eine möglichst hohe Genauigkeit zu erhalten. Andererseits hat es sich gezeigt, dass eine Injektionsleitung mit einer Länge von etwa 1,2 m zwischen der Membranpumpe 38 und dem Auslass 37 bei einer Membranpumpe mit einem Kammervolumen von etwa 7 dm noch zu befriedigenden Ergebnissen führt.

Die Antriebseinrichtungen 41 sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie über einen weiten Geschwindigkeitsbereich einstellbar sind. Es hat sich gezeigt, dass es für die meisten Anwendungsfälle ausreichend ist, wenn durch die Antriebseinrichtungen zwischen etwa 200 und etwa 500 Hin- und Herbewegungen der Membran pro Minute herbeiführbar sind. Auch ein engerer Einstellbereich dürfte in vielen Fällen noch ausreichen. Bei einem praktisch erprobten Ausführungsbeispiel arbeitete die Membranpumpe erfolgreich mit 350 Arbeitstakten pro Minute.

Die Membranpumpe sollte in der Lage sein, einen Druck aufzubauen, der den höchsten Druck, mit dem im Inneren der Kammer 2 der Plastifiziervorrichtung 1 zu rechnen ist, beträchtlich über-

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steigt, so dass gewährleistet ist, dass das Gas vom auslassseitigen Ende 37 der Injektionsleitung 34 sicher und mit hoher Geschwindigkeit in das Kunststoffmaterial im Inneren der Kammer 2 injiziert wird. Bei der Verarbeitung von hochschlagfestern Polystyrol schwankte der Druck des Kunststoffmaterials in der

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Kammer 2 zwischen etwa 197 kg/cm und etwa 225 kg/cm_/ und es wurde erfolgreich mit einer Pumpe gearbeitet, die für einen Maximaldruck von etwa 404 kg/cm ausgelegt war.

Das Ende 37 der Injektionsleitung 34 kann mit verschiedenartigen Austrittsöffnungen bzw. -düsen versehen sein. Bei einer erfolgreic?! erprobten Ausführungsform, welche in Fig. 3 gezeigt ist, endete die Mittelbohrung 43 der Injektionsleitung 34 in vier radialen Kanälen 44. Die vier Kanäle 44 waren um jeweils 90 gegeneinander versetzt. Es kann aber auch eine andere Anzahl von Auslassöffnungen vorgesehen sein, wobei der Winkelabstand der einzelnen Auslassöffnungen in Umfangsrichtung nicht unbedingt gleich sein muss.

Sowohl die Antriebsvorrichtung 7 für die Schnecke 3, als auch die Antriebseinrichtungen 31 für die Pumpe können über übliche Einrichtungen betätigt werden, welche die Endschalter 19 und 21 sowie die Endschalter 46 und 47 umfassen. Wenn sich beispielsweise der Preßstempel 16 nach oben bewegt, weil Kunststoff material in den Innenraum 17 des Zylinders 14 einströmt, dann kann er die Endschalter 19 und 21 betätigen und damit die Antriebseinrichtungen 7 und 41 für die Schnecke 3 bzw. die Pumpe 41 stillsetzen. Wenn sich der Preßstempel 16 dagegen nach unten bewegt, um das Kunststoffmaterial aus dem Innenraum 17 des Zylinders 14 herauszupressen, dann werden die Endschalter 46 und 47 betätigt, wodurch die Antriebseinrichtungen 7 und

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41 wieder eingeschaltet, werden. Die Endschalter 19 und 46 können das Stillsetzen und Anlaufen der Antriebsvorrichtung 7 für die Schraube 3 beispielsweise über eine übliche Relaisanordnung 19A steuern, deren Anschlüsse durch gestrichelte Linien angedeutet sind. In entsprechender Weise können die Endschalter und 4 7 das Stillsetzen und Anlaufen der Antriebseinrichtungen 41 für die Pumpe über eine übliche Relaisschaltung 21A steuern. Es kann eine beliebige Relaisschaltung 21A beliebiger Bauart verwendet werden. Die Endschalter 21 und 47 können beispielsweise mittels Federn normalerweise im geöffneten Zustand gehalten und durch Berührung mit dem Betätigungselement 18 geschlossen werden, wodurch dann entsprechende Relais betätigt werden können, um die Verbindung zwischen den Antriebseinrichtungen 41 für die Pumpe und der Speisespannung zu öffnen bzw. zu schliessen. Die Relaisschaltung 19A kann in ähnlicher Weise ausgebildet sein.

Da das Anfahren und Stillsetzen bei der Schnecke 3 im allgemeinen etwas, längert dauert als bei den Antriebseinrichtungen für die Pumpe, ist es günstig, die Endschalter für das Ein- und Ausschalten des Schneckenantriebs 7 jeweils kurz vor den Endschaltern für das Ein- und Ausschalten des Pumpenantriebs 41 zu betätigen. Im übrigen kann man die Schaltzeitpunkte für das Starten und Stoppen der einzelnen Antriebseinrichtungen jeweils entsprechend den Betriebsbedingungen der Vorrichtung geeignet wählen.

Die Betätigungsvorrichtung 15 für den Preßstempel 16 kann beispielsweise ein einfach wirkender Hydraulikzylinder (nicht dargestellt) sein, mit dessen Hilfe der Preßstempel 16 nach

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unten gedrückt werden kann, um dann unter dem Druck des in den Innenraum 17 eindringenden Kunststoffmaterials wieder in seine Ausgangsstellung zurückzukehren. Das Ventil 22 kann ein übliches Ein-Aus-Magnetventil sein. Die Hydraulikflüssigkeit zum Zylinder der Betätigungsvorrichtung 15 kann ebenfalls mittels geeigneter Magnetventileinrichtungen (nicht dargestellt) gesteuert werden. Diese Magnetventileinrichtungen und das Ventil 22 können, wenn dies erwünscht ist, mittels einer üblichen Relaisschaltung 15A über Endschalter gesteuert werden, die auf die Bewegungen des Preßstempels 16 ansprechen. Die Relaisschaltung 15A kann beispielsweise über zusätzliche Kontakte der Endschalter 19 und 46 betätigt werden. Die Relaisschaltung 15A kann ähnlich wie die Relaisschaltung 19A ausgebildet sein und bei Betätigung des Endschalters 19 einen Arbeitshub des Preßstempels 16 und ein Öffnen des Ventils 22 sowie bei Betätigung des Endschalters 46 eine Rückführung des Preßstempels 16 und ein Schliessen des Ventils 22 veranlassen. Anstelle der vorstehend besprochenen automatischen Steuereinrichtungen oder zusätzlich zu diesen können für die Einrichtungen 7,41,15 und 22 übliche von Hand betätigbare Steuereinrichtungen vorgesehen werden, insbesondere zur Einleitung und zur Beendigung der Arbeitszyklen der Vorrichtung. Andererseits befasst sich jedoch die vorliegende Erfindung nicht speziell mit den automatischen Steuereinrichtungen für den Pumpenantrieb 41, den Schneckenantrieb 7, die Betätigungsvorrichtung 15 und das Ventil 22; es können vielmehr beliebige übliche Steuereinrichtungen verwendet werden, welche für das Verfahren und die Vorrichtung gemäss der Erfindung geeignet sind.

Es versteht sich, dass die Schnecke 3 im Bereich des Endes 37

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der Injektionsleitung 3.4 mit einer entsprechenden Aussparung versehen ist, so dass sie sich frei drehen kann, obwohl das Ende 37 in die Kammer 2 vorsteht.

Im Betrieb wird in den Trichter 4 ein Kunststoffgranulat der gewünschten Art eingefüllt und gelangt von dort in die Kammer 2 der Plastifiziervorrichtung 1. Das Granulat wird in irgendeiner üblichen Weise erwärmt und in einen fliessfähigen Zustand gebracht und gelangt, wenn man die Wirkung der Injektionsvorrichtung 8 zunächst ausser acht lässt, über den Kanal 9, das Sicherheitsventil 11 und das Rückschlagventil 12 zur Einlassöffnung 13 des Zylinders 14. Wenn das Ventil 22 durch eine geeignete automatische Steuerung (beispielsweise die Relaisschaltung 15A) geschlossen ist, dringt das Kunststoffmaterial unter dem durch die Schnecke 3 erzeugten Druck in den Innenraum 17 des Zylinder 14 ein und drückt den Preßstempel 16 nach oben, bis beide Endschalter 19 und 21 betätigt werden. Hierdurch wird die Schnecke 3 stillgesetzt. Ausserdem wird das Ventil 22 geöffnet, und es wird die Betätigungsvorrichtung 15 angesteuert, durch welche nunmehr der Preßstempel 16 auf irgendeine bekannte Art nach unten getrieben wird, wobei er das Kunststoffmaterial aus dem Innenraum 17 des Zylinders 14 heraus und über das Ventil 22 in die Spritzform 26 drückt.

Am Ende dieses Arbeitshubes betätigt der Preßstempel die Endschalter 46 und 47, wodurch der Schneckenantrieb 7 und der Pumpenantrieb 41 eingeschaltet werden und das Ventil 22 geschlossen wird, woraufhin ein neuer Arbeitszyklus beginnt.

Betrachtet man nunmehr die Injektionsvorrichtung 8 näher, dann

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erkennt man, dass das Kunststoffmaterial sich zu dem Zeitpunkt, zu welchem es das Ende 37 der Injektionsleitung 34 erreicht, in einem fliessfähigen Zustand befindet, wobei alle Spuren der körnigen Struktur des Ausgangsmaterials beseitigt sind. Wenn das Kunststoffmaterial am Ende 37 der Injektionsleitung 34 vorbeiströnit, dann werden durch die mit hoher Frequenz arbeitende Membranpumpe 38 einzelne Gasmengen unter Druck aus jeder der öffnungen an den Enden der Kanäle 44 ausgestossen und gelangen dabei in den Kunststoffstrom. Da der Gasausstoss durch getrennte Arbeitshübe der Membran 39A der Membranpumpe 38 bewirkt wird, sind die einzelnen Gasmengen voneinander getrennt und bilden in dem Kunststoffmaterial einzelne Gasblasen, welche von dem Kunststoffstrom vom Ende 37 der Injektionsleitung 34 wegbewegt werden. Wenn die Plastifiziervorrichtung mit einer Schnecke (oder mit mehreren Schnecken) arbeitet, bewegt sich das Kunststoffmaterial sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung, so dass die Gasblasen, obwohl sie alle an einer Stelle eingeleitet werden, in dem Kunststoffmaterial gut verteilt sind, wenn dieses die Einlasseite des Kanals 9 erreicht. Wenn das Kunststoffmaterial dann den Kanal 9 passiert und über das Rückschlagventil 12 sowie durch die Einlassöffnung 13 hindurch in den Innenraum 17 des Zylinders 14 gelangt und anschliessend von dort durch die Kanalstücke 23 und 24 sowie über das Ventil 22 die verschiedenen Kanäle des Verteilers 2 7 erreicht, der mit der Spritzform 26 verbunden ist, dann wird es auf diesem Weg erneut wiederholt und intensiv durchmischt, wobei eine äusserst gleichförmige Verteilung der Gasblasen erreicht wird.

Ferner sei darauf hingewiesen, dass bei einem Kunststoffmaterial gegebener Viskosität ein ziemlich beträchtlicher, aber konstan-

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ter Differenzdruck zwischen dem Gas und dem Kunststoffmaterial erforderlich ist, um das Gas in das Kunststoffmaterial einzuleiten. Ausserdem ist es bekannt, dass beim normalen Betrieb eines Schneckenextruders, der Druck in dem Kunststoffmaterial an jedem gegebenem Punkt, beispielsweise am Ende 37 der Injektionsleitung 34, messbar, und zwar häufig bis zu 25%, schwankt, während das Kunststoffmaterial durch den Extruder vorrückt.
Wenn folglich das Gas am Ende 37 der Injektionsleitung 34 mit einem konstanten und kontinuierlichen Druck zugeführt würde, dann würde die in jedem Augenblick in das Kunststoffmaterial injizierte Gasmenge umgekehrt proportional zu den Druckänderungen des Kunststoffmaterials an dem betreffenden Punkt und in dem gegebenen Moment schwanken. Bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens bzw. 'bei der hier betrachteten Vorrichtung steigt jedoch das Gasdruck im Verlaufe jedes Arbeitszyklus der Membranpumpe 38, ausgehend von einem relativ niedrigen Wert, beispielsweise einem Bruchteil des Atmosphärendrucks, wie er sich in der Kammer 39 am Ende eines Saughubes der Mebran 39A ergibt, auf einen wesentlich höheren Wert an, beispielsweise

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auf einen Wert von etwa 387 kg/cm . Dieser Druck ist aber stets wesentlich grosser als der maximale Druck,der sich zu irgendeinem Zeitpunkt in dem Kunststoffmaterial, angrenzend an das Ende 37 der Injektionsleitung 34, ergibt. Dieser Druck liegt

2 üblicherweise in der Grössenordnung von etwa 141 bis 176 kg/cm Während eines Arbeitshubes der Membran 39A steigt also der
Druck des Gases in der Kammer 39 und in der Injektionsleitung 34 schnell auf einen Wert an, der wesentlich über dem Druck
in dem Kunststoffmaterial liegt. Wenn man nun beispielsweise annimmt, dass eine Druckdifferenz von etwa 3,52 kg/cm zwischen dem Gas und dem Kunststoffmaterial erforderlich ist, um eine

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Gasblase in das Kunststoffmaterial zu injizieren, dann wird diese Druckdifferenz unabhängig von dem Druck des Kunststoffmaterials im jeweiligen Augenblick sehr schnell erreicht, und das Gas wird sobald dieser Differenzdruck erreicht ist, in das Kunststoffmaterial injiziert, wobei sich eine Gasblase bildet. Es versteht sich natürlich, dass dieser Differenzdruck kein genauer Druckwert, sondern eher ein relativ schmaler Druckbereich ist. Für die vorliegende Betrachtung soll jedoch der Einfachheit halber davon ausgegangen werden, dass die Injektion des Gases bei einem bestimmten Differenzdruck erfolgt. Obwohl der Druck, unter welchem das Kunststoffmaterial im Bereich des Endes 37 der Injektionsleitung 34 von einem Zeitpunkt zum anderen beträchtlich schwankt, steigt also der Gasdruck jederzeit auf einen ausreichend hohen Wert, so dass Gasblasen in einer zumindest im wesentlichen gleichen Grosse und Anzahl injiziert werden. Die Gasinjektion folgt also den Druckänderungen in dem Kunststoffmaterial sehr wirksam, so dass die gewünschte Gleichmässigkeit der Gasblasengrösse und -häufigkeit ständig erreicht wird.

Es versteht sich, dass ausser der sehr wirksamen als Ausführungsbeispiel betrachteten Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens auch andere Einrichtungen verwendet v/erden können. Beispielsweise kann die Membranpumpe 38 durch eine Kolbenpumpe oder irgendeine andere Pumpe ersetzt werden, die in der Lage ist, einzelne Gasimpulse mit einem Druck zu erzeugen, welcher bei jedem einzelnen Impuls ausgehend von einem Druckwert, der niedriger ist als jeder in dem Kunststoffmaterial zu erwartende Druck, auf einen Druckwert ansteigt, der wesentlich höher ist, als der zu erwartende Maximalwert des Druckes in dem Kunststoff-

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material.

Ferner besteht die Möglichkeit, andere Typen von Plastifiziervorrichtungen zu verwenden, beispielsweise solche Vorrichtungen, bei denen das Kunststoffmaterial mit Hilfe eines Stempels durch eine Verengung gepresst wird, hinter der dann das Gas injiziert wird. Derartige Plastifiziervorrichtungen sind jedoch weniger gut steuerbar, so dass sie in Verbindung mit der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens nicht als besonders vorteilhaft erscheinen.

Obwohl es wünschenswert ist, dass das Fassungsvermögen der Pumpe beim Entladedruck grosser als das Fassungsvermögen der Injektionsleitung 34 bei diesem Druck ist, arbeitet das System selbst dann, wenn das Fassungsvermögen der Injektionsleitung 34 grosser ist. In diesem Fall wird der Druck bei einem Arbeitshub der Pumpe in der Injektionsleitung ausreichend angehoben, UBi ein Entweichen des Gases aus der Injektionsleitung herbeizuführen und damit die Injektion von ein oder mehr Gasblasen in das Kunststoffmaterial, woraufhin dann die Gasinjektion wieder bis zum nächsten Arbeitshub der Pumpe unterbrochen wird. Die Gesamtlänge der Injektionsleitung sollte jedoch nicht so gross sein, dass ein pulsierender Druck an ihrem ausgangsseitigen Ende verhindert wird. Grundsätzlich ist es umso besser, je kürzer das Injektionsrohr ist. Bei einem einzigen Arbeitshub der Pumpe sollte nicht mehr Gas injiziert werden, als erforderlich ist, um einige wenige Gasblasen zu bilden, und zwar vorzugsweise nur eine einzige Gasblase und selten,wenn überhaupt, mehr als zehn. Wenn eine Gasmenge ausgestossen wird, welche grosser ist als sie für eine Gasblase erforderlich ist,

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dann wird die entstehende grosse Gasblase bei der anschliessenden Bearbeitung des Kunststofmaterials, wenn dieses durch die verschiedenen öffnungen verringerten Querschnitts stromabwärts von der Injektionsleitung 34 getrieben wird, in kleine Gasblasen aufgeteilt. Dies ist jedoch, wenn überhaupt, nur in beschränktem Umfang zulässig, wenn man eine gleichmässige Schaumbildung anstrebt, v/eshalb die pro Arbeitshub von der Pumpe ausgestossene Gasmenge so klein gehalten werden sollte, wie dies oben dargelegt wurde.

In allen Fällen sollte ferner das Fassungsvermögen des zwischen dem Rückschlagventil 36 und deir. Ende 37 der Injektionsleitung 34 liegenden Teilstücks'34B kleiner sein als das Gasvolumen, welches bei dem für die Injektion des Gases in das Kunststoffmaterial erforderlichen Druck bei eimern Arbeitshub der Pumpe ausgestossen wird. Andernfalls füllt nämlich das Kunststoffmaterial, welches zwischen den einzelnen Arbeitshüben der Pumpe in das Teilstück 34B der Injektionsleitung 34 eindringt, dieses Teilstück (abzüglich des komprimierten Volumens von noch darin befindlichem Gas) und wird beim nächsten Arbeitshub der Pumpe nicht wieder ausgestossen. Theoretisch sollte man meinen, dass das Gas in dem Teilstück 34B der Injektionsleitung 34 mit einem Druck eingeschlossen würde, der im wesentlichen gleich dem Druck beim Injektionsvorgang ist. Dies würde verhindern, dass das Kunststoffmaterial merklich in dieses Teilstück eindringt. In der Praxis ist jedoch das Gasvolumen in der gesamten Injektionsleitung 34 so klein, dass zu dem Zeitpunkt, zu welchem das Rückschlagventil 36 schliesst, ein grosser Teil des Gases bereits aus dem Teilstück 34B der Injektionsleitung 34 entwichen ist, so dass die restliche Gasmenge in diesem Teilstück

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sehr klein ist. Andererseits soll das Volumen in der Injektionsleitung 34 aus den oben dargelegten Gründen möglichst klein gehalten werden. Folglich dringt das Kunststoffmaterial zwischen zwei Arbeitshüben der Pumpe und in noch stärkerem Masse bei stillstehendem Extruder und stillstehender Pumpe beim Füllen der Spritzform 26 bis zu dem Rückschlagventil oder in unmittelbare Nähe desselben vor und muss dann beim nächsten Arbeitshub der Pumpe zunächst wieder herausgepresst v/erden, ehe eine Gasblase in das Kunststoffmaterial in der Kammer 2 injiziert werden kann. Im Hinblick auf diese Zusammenhänge sollte das Fassungsvermögen der einzelnen.Teile in der beschriebenen Weise gewählt werden.

Es ist vorteilhaft, in dem Teilstück 34A der Injektionsleitung 34 ein Ablassventil 48 vorzusehen, um den Druck in diesem Teilstück während .der Injektionsphase eines Arbeitszyklus abzusenken und damit zu verhindern, dass zu diesem Zeitpunkt in dem Kunststoffmaterial eine übergrosse Gasblase erzeugt wird. Bei Verwendung des Ablassventils 48 kann es ferner vorteilhaft sein, dieses über den Endschalter 21 zu öffnen, wenn im gleichen Augenblick der Pumpenantrieb 41 stillgesetzt wird und über den Endschalter 47 zu schliessen, v/enn gleichzeitig der Pumpenantrieb 41 eingeschaltet wird. Weiterhin wird es normalerweise vorteilhaft sein, wenn der Druck in dem Teilstück 34A der Injektionsleitung nur bis auf einen Wert reduziert wird, der unterhalb des Druckwertes liegt, bei dem eine Gasblase erzeugt wird. Es erfolgt also nicht notwendigerweise eine Absenkung des Druckes bis auf Atmosphärendruck.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, dass bei dem

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erfindungsgemässen Verfahren zunächst eine Menge eines Kunststoffmaterials plastifiziert wird, wobei die Plastifizierung insbesondere unter einem pulsierenden Druck erfolgt. In den Strom des fliessfähigen plastifizierten Materials wird dann eine Reihe von einzelnen Gasblasen von im wesentlichen gleichförmiger Quantität eingeleitet. Die Quantität bzw. die Menge des Gases in den Gasblasen und die Frequenz, mit der die Gasblasen eingeleitet v/erden, werden so gewählt, dass ein Schaum bzw. ein geschäumtes Kunststoffmaterial besteht, dessen Zellen oder Poren die gewünschte Grosse und Häufigkeit bzw. Dichte besitzen. Nach dem Einleiten der Gasblasen wird ferner für eine weitere Durchmischung des plastifizierten Materials gesorgt, um eine sorgfältige Verteilung der Gasblasen in der gesamten. Masse des PCunststoff materials zu erreichen.

Die vorstehende Beschreibung zeigt ferner, dass bei einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zunächst einmal Einrichtungen zum Plastifizieren des Kunststoffmaterials und zum Herbeiführen einer Strömung desselben durch eine begrenzte Zone vorgesehen sind. Diese Einrichtungen können beispielsweise eine Schneckenpresse oder ein Extruder mit einem Stempel sein, der das Kunststoffmaterial durch eine Verengung drückt. Ferner ist eine Pumpe vorgesehen, die mit einer hohen Geschwindigkeit arbeitet, beispielsweise mit 300 bis 500 Arbeitshüben pro Minute^, und die im wesentlichen gleichmässige Mengen eines ausgewählten Gases in das fliessende Kunststoffmaterial injiziert, und zwar bei einem Druck, der bei jedem Arbeitshub im wesentlichen von Null ausgehend auf einen Pegel ansteigt, der ausreichend hoch über dem Druck in dem Kunststoffmaterial liegt, um sicherzustellen, dass das Gas in das Kunst-

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Stoffmaterial injiziert wird, und zwar unabhängig vom Momentanwert des Druckes in dem Kunststoffmaterial. Indem man die Geschwindigkeit des Stromes des Kunststoffmaterials in geeigneter Weise auf die Geschwindigkeit der Pumpe und die bei jedem Arbeitshub der Pumpe injizierte Gasmenge abstimmt, kann die Grosse und die Häufigkeit bzw. Dichte der Gasblasen in dem Kunststoffmaterial ausgewählt und gesteuert werden. Ein anschliessendes Durchmischen des Kunststoffmaterials kann in jeder beliebigen Weise ausgeführt werden, beispielsweise durch weiteres Mischen in einer Schneckenanordnung oder dadurch, dass man das Kunststoffmaterial mit den Gasblasen durch eine oder mehrere kleine öffnungen treibt oder auch dadurch, dass man den Druck im dem Kunststoffmaterial etwas verringert, indem man es in den Zylinder einer Spritzvorrichtung und/oder in eine Spritzform eintreten lässt.

Das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstellen von geschäumtem Kunststoff umfasst also folgende Schritte:

Man plastifiziert eine Menge eines Kunststoffmaterials und veranlasst dieses, mit einer im wesentlichen gleichmässigen Geschwindigkeit durch einen Kanal zu strömen; man injiziert anschliessend in den Kanal eine grosse Anzahl von aufeinanderfolgenden getrennten Blasen aus einem gegenüber dem Kunststoffmaterial inerten Gas und verhindert gleichzeitig, dass das Kunststoffmaterial zwischen dem Auftreten der Gasblasen durch die Injektionsleitung entweicht.

Insbesondere ist das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstellen von geschäumtem Kunststoffmaterial durch folgende Schritte gekennzeichnet: Man plastifiziert eine Menge des Kunststoffmate-

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rials und veranlasst dieses, unter einem pulsierenden Druck mit einer im wesentlichen gleichmässigen Durchschnittsgeschwindigkeit durch einen Kanal zu f Hessen;

man erzeugt in schneller Folge Druckimpulse in einer Säule eines gegenüber dem Kunststoffmaterial inerten Gases, wobei diese Säule bis in das Kunststoffroaterial hineinreicht; man wählt die Druckspitzen der Druckimpulse höher als die Druckspitzen in dem Kunststoffmaterial und man wählt ferner die Druckminima zwischen den Impulsen beträchtlich niedriger als die Druckminima in dem Kunststoffmaterial und man verhindert, dass Kunststoffmaterial aus dem Strom des Kunststoffmaterials zwischen den Druckimpulsen abfliesst, um auf diese Weise eine grosse Anzahl relativ kleiner Gasblasen in das Kunststoffmaterial einzuleiten und dadurch einen Schaum zu bilden.

Eine Vorrichtung zum Erzeugen eines geschäumten Kunststoffmaterials ist gemäss der Erfindung durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet:

Es sind Einrichtungen vorgesehen, welche einen Kanal definieren und welchen Plastifiziereinrichtungen zugeordnet sind, die dazu dienen, ein Kunststoffmaterial zu plastifizieren und dieses gleichzeitig veranlassen, durch den Kanal zu wandern;

es ist eine Pumpe mit positiver Verdrängung und zugeordneten Antriebseinrichtungen vorgesehen, und mit der Ansaugseite der Pumpe ist eine Quelle für ein gegenüber dem Kunststoffmaterial inertes Gas verbunden;

Es sind Leitungseinrichtungen mit einem Rückschlagventil vorgesehen, welche die Auslasseite der Pumpe mit dem Kanal verbinden, wobei das Rückschlagventil so eingebaut ist, dass es

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das Gas von der Pumpe zu dem Kanal hindurchtreten lässt, jedoch einen Durchtritt des plastifizierten Kunststoffmaterials in der Gegenrichtung verhindert, wobei das Fassungsvermögen der Pumpe im wesentlichen so ist, dass bei einem Arbeitshub der Pumpe eine ausreichende Gasmenge ausgestossen wird, um eine relativ kleine Anzahl von Zellen in dem geschäumten Kunststoffmaterial zu erzeugen und wobei aufgrund einer hohen Arbeitsgeschwindigkeit der Pumpe eine ausreichend grosse Zahl von einzelnen Gasblasen in das Kunststoffmaterial injiziert wird, um dieses in ein geschäumtes Kunststoffmaterial umzuwandeln. Vorzugsweise ist dabei das Fassungsvermögen der Pumpe so gewählt, dass je Arbeitshub nur eine Gasblase erzeugt wird. Jedenfalls sollte die Anzahl der pro Arbeitshub erzeugten Gasblasen kleiner als zehn sein. Günstig ist es ferner, wenn das Fassungsvermögen der Leitungseinrichtungen zwischen dem Rückschlagventil und dem Kanal geringer ist als das Fassungsvermögen der Pumpe. Die Leitungseinrichtungen stehen vorzugsweise über die Innenwand des Kanals vor und reichen bis in den Strom des durch den Kanal fliessenden plastifizierten Kunststoffmaterials. Günstig ist es, wenn das innere Ende der Leitungseinrichtungen verschlossen ist und wenn diese mit mindestens einer seitlichen öffnung versehen sind. Ferner ist als Plastifiziereinrichtung vorzugsweise eine Schnecke vorgesehen, die in dem Kanal angeordnet ist und sich längs desselben erstreckt.

Wenn die Leitungseinrichtungen radial bis in den Kanal hineinragen, wird beim Arbeiten mit einer Schnecke in dem betreffenden Teilstück derselben eine Aussparung für das überstehende Teilstück der Leitungseinrichtungen vorgesehen.

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In Weiterbildung der Erfindung ist es ferner vorteilhaft, wenn Sammeleinrichtungen vorgesehen sind, die eine vorgegebene Menge eines geschäumten Materials aufnehmen können, und wenn automatisch betätigbare Einrichtungen vorgesehen sind, welche nach Ansammlung der vorgegebenen Menge den Betrieb der Plastifiziereinrichtungen und der Pumpe im wesentlichen gleichzeitig beenden. Besonders günstig ist es, wenn der Betrieb der Plastifiziereinrichtungen kurz vor der Unterbrechung des Betriebs der Pumpe beendet wird. Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Druck zwischen der Pumpe und dem Rückschlagventil im wesentlichen gleichzeitig mit dem Stillsetzen der Pumpe zumindest teilweise abgebaut wird.

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Claims

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Patentansprüche :

Verfahren zum Herstellen von geschäumtem Kunststoff durch Einleiten eines unter Druck stehenden Gases in einen Strom des plastifizierten Kunststoffes, dadurch gekennzeichnet, dass man in schneller Folge jeweils ein vorgegebenen Volumen des unter einem vorgegebenen niedrigen Druck stehenden Gases komprimiert und zur Bildung mindestens einer Gasblase in den Kunststoffstrom injiziert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man in einer in den Kunststoffstrom hineinreichenden Gassäule in schneller Folge Druckimpulse erzeugt, deren Maximaldruck den maximalen Druck in dem Kunststoffstrom erheblich übersteigt und deren Minimaldruck erheblich unter dem minimalen Druck des Kunststoffstroms gehalten wird und dass man ein Ausweichen von Teilen des Kunststoffstroms verhindert, um auf diese Weise in dem Kunststoffstrom eine grosse Anzahl von relativ kleinen Gasblasen zu erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man als Gas ein gegenüber dem Kunststoff inertes Gas verwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass man je Druckimpuls eine kleine Anzahl von Gasblasen, insbesondere weniger als 10 Gasblasen, in den Kunststoffstrom injiziert.

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5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet dass man je Druckimpuls nur eine Gasblase in den Kunststoffstrom injiziert.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die Grosse der Gasblasen so wühlt, dass diese im Verlauf einer v/eiteren Durchmischung des plastifizieren Kunststoffes zumindest zum überwiegenden Teil nicht weiter unterteilt v/erden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch zugeordnete Antriebseinrichtungen (41) antreibbare Pumpe (38) mit definiertem Ansaugvolumen pro Pumpenhub vorgesehen ist, deren Ansaugseite mit einer Quelle (42) für das Gas verbunden ist und deren Druckseite über ein Rückschlagventil (36) mit einem Kanal (Kammer 2) verbunden ist, durch den der plastifizierte Kunststoff fliesst.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugvolumen der Pumpe (38) so gewählt ist, dass sich pro Pumpenhub nur wenige Gasblasen, insbesondere weniger als 10 Gasblasen,, ergeben.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugvolumen so gewählt ist, dass sich pro Pumpenhub nur eine Gasblase ergibt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch

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gekennzeichnet, dass die Druckseite der Pumpe (38) über eine ein Rückschlagventil (36) enthaltende Injektionsleitung (34) mit dem Kanal (Kammer 2) verbunden ist und dass das Fassungsvermögen des Teilstücks (34B) der Injektionsleitung (34) zwischen dem Rückschlagventil (36) und dem Kanal (Kammer 2) kleiner ist als das Ansaugvolumen der Pumpe (38).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende der Injektionsleitung (34) über die Innenwand des Kanals (Kammer 2) vorsteht und in den Strom des plastifizieren Kunststoffes hineinreicht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das überstehende Ende der Injektionsleitung (34) am Boden geschlossen und mit mindestens einer seitlichen Auslassöffnung versehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Plastifizieren des Kunststoffes eine Schnecke (3) vorgesehen ist, welche in dem Kanal (Kammer 2) angeordnet ist und sich längs desselben erstreckt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke im Bereich des überstehenden Endes der Injektionsleitung (34) mit einer entsprechenden Aussparung versehen ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch

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gekennzeichnet, dass eine Sammelvorrichtung (Zylinder 14) zur Aufnahme einer vorgegebenen Menge des geschäumten Kunststoffes vorgesehen ist und dass automatisch arbeitende Einrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe bei Erreichen der vorgegebenen Menge im wesentlichen gleichzeitig eine Abschaltung der Plastifiziervorrichtung (1) und der Pumpe (38) herbeiführbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifiziervorrichtung (1) kurz vor der Pumpe

(38) abschaltbar ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck zwischen der Pumpe (38) und dem Rückschlagventil (36) beim Stillsetzen der Pumpe

(38) im wesentlichen gleichzeitig, zumindest teilweise, abbaubar ist.

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