DE2628854A1

DE2628854A1 - Verfahren zur herstellung von glasfaserverstaerkten formteilen aus reaktionsharz-schaumstoffen, insbesondere polyurethan-schaumstoffen

Info

Publication number: DE2628854A1
Application number: DE19762628854
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Laube
Original assignee: LAUBE KUNSTSTOFFENSTER
Current assignee: LAUBE KUNSTSTOFFENSTER
Priority date: 1976-06-26
Filing date: 1976-06-26
Publication date: 1978-01-05

Description

Laube Kunststoffensterbau GmbH

Verfahren zur Herstellung von glasfaserverstärkten

Formteilen aus Reaktionsharz-Schaumstoffen, j nsbesondere iolyurethan-Schaumstoffen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von glasfaserverstärkten Normteilen aus Reaktionsharz-ochaumstoffen, bei dem die gemischten keaktionsharz-Gchaumstoff-Komponenten aus einer Düse unter Druck ausgestoßen werden und vor Beendigung der Topfzeit in eine Form gelangen.

Iss ist bekannt, bei der Herstellung von Polyurethan-Schaumstoffen die Komponenten des Schaumstoffsystems einem Hochdruckmischkopf zuzuführen, in dem diese Komponenten in sehr kurzer Zeit intensiv miteinander vermischt und dann durch eine Düse in eine Form ausgestoßen werden. Dabei liegt die Mischzeit innerhalb des Fiischkopfes ganz beträchtlich unterhalb der Topfzeit, so daß der Bläh- bzw. Uteigvorgang erst innerhalb der Form einsetzt. Es ist infolgedessen auch üblich, bei einem solchen Verfahren bzw. bei einer solchen Vorrichtung offene Formen zu benutzen, die nach Einfüllen der Komponentenmischung vor Einsetzen des Blähvorganges

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geschlossen werden. Mit diesem Verfahren isst en irrjglich, ^;ⁱtechnisch ökonomische Weise Formteile aus i olyurethan ^ucr. serienmäßig herzustellen. Bei diesem Verfahren ist iedocr; bisher immer angenommen worden, daß es unmöglich sei, mit ihm zusammen gleichzeitig Glasfaserhäcksel in die hiscnung einzubringen und so eine relativ gleichmäßige Verteilung der Glasfaserhäcksel in dem Schaumstoff zu erreichen.

Das Bestreben, auch iolyurethanschäume durch Glasfasern zu verstärken, ist jedoch seit langem vorhanden. So ist mit mehr oder weniger Erfolg bereits versucht worden, Formteile unter Einbeziehung von Glasfasern in Form von Glasfasermatten aus Polyurethan herzustellen. Dabei war es durchaus möglich, in eine Form eine (ilasmatte einzuspannen und diese For.Ti dann von Hand in senkrechter Richtung zur Ausdehnung der Glasmatte mit einer Polyurethan-Schaumstoffmischung zu füllen. Wenn dann die Steigwege während_ades Blähvorganges nicht zu groß waren, wurden durchaus brauchbare {formteile erhalten, die durch Glasmatten verstärkt waren. Dieses Verfanren besaß jedoch insbesondere, wenn man es mechanisch und serienmäßig nutzen wollte, seine erheblichen Nachteile. Sobald nämlich die Steigwege zu lang waren und euch dann noch ggfs. nicht senkrecht zur Glasmattenausrichtung verliefen, wurden die Formen beim Blähvorgang nicht mehr vollständig gefüllt, da die Glasmatten einen zu großen Widerstand boten. Bei nicht fest verspannten Glasmatten ergab sich dabei der Nachteil, daß diese beim Blähvorgang verschoben wurden und somit Inhomogenitäten in Bezug auf die Glasfaserverteilung auftraten. Zur Behebung dieser Wachteile ist versucht worden, Glasmatten in geschlossenen Formen zu verspannen und die Lolyurethan-Schaumstoffmischung zwischen die Glasmatten zn injizieren. Dieses ist jedoch ein aufwendiges Verfahren und nicht für

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- pralle Arten von Formteilen zu verwenden. Außerdem bestand dabei weiterhin die Gefahr, daß bei nicht fest verspannten Glasfasermatten Inhomogenitäten während des Blähvorganges auftraten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von mit Glasfaserhäckseln verstärkten Forinteilen aus Reaktionsharz-Schaumstoffen, insbesondere Polyurethan-Schaumstoffen zu schaffen, bei dem die Glasfaserverteilung im fertigen Formteil relativ gleichmäßig ist. Die Herstellung von solchen Formteilen, die durch Glasfaserhäcksel verstärkt sind, ist außerordentlich rationell und sehr gut für Serienfertigungen geeignet, da das Spanner von Glasfasermatten und ein kompliziertes Jnjisieren der Schaumstoff-Komponentenmischung entfällt.

• /■iese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren dadurch gelöst, daß die Mischung der Komponenten aus der Düse in einem flachen Strahl ausgestoßen wird und zumindest auf eine Breitseite des flachen Strahls Glasfaserhäcksel aufgebracht werden.

Die Glasfaserhäcksel lagern sich dabei mehr oder weniger im Bereich der Oberflächen des flachen Strahles auf diesem ab und werden dann beim Auftreffen des Strahls in der Form weiter mit der Mischung vermischt, so daß sich eine intensive benetzung der Glasfasern und eine gleichmäßige Verteilung in der Mischung ergibt. Aufgrund der guten Benetzung und der gleichmäßigen Verteilung der Glasfaserhäcksel in der Mischung wird diese gleichmäßige Verteilung auch beim anschließenden Bläh- bzw. Steigvorgang aufrechterhalten. Dies ermöglicht eine schnelle und rationelle Herstellung von glasfaserver-

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stärkten Formteilen, wobei sowohl mit während des Einfüllens offenen Formen, die nach dem Einfüllen vor Beginn des Steigvorganges geschlossen werden, als auch mit ursprunglich bereits geschlossenen Formen gearbeitet werden kann, in die die Komponentenmischung samt Zugabe der Glasfasern durch eine öffnung eingebracht werden können. Beides ermöglicht naturgemäß ein äußerst rationelles Herstellen von glasfaserverstärkten Reaktionsharz-Schaumstoff-Formteilen, da das Einlegen bzw. sogar Spannen von Glasfasermatten und die dabei auftretenden Schwierigkeiten entfallen.

Obgleich für dieses Verfahren die verschiedensten Reaktionsharze verwendet werden können, ergibt sich ein besonders vorteilhaftes Produkt, wenn das Reaktionsharz iolyurethan ist. Dieses ergibt sich schon aus den bekannten Vorteilen von Polyurethan-Schaumstoff, die sich aus dessen Leichtgewichtigkeit, schwerer Entflammbarkeit, Druck-, Zug- und Biegefestigkeit und dgl. ergeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich für alle Arten von Reaktionsharz-Schaumstoffen geeignet. Als besonders günstig hat es sich jedoch erwiesen, wenn in an sich bekannter Weise die Steigwege in der Form und die Steigfähigkeit des Schaumsystems dergestalt aufeinander abgestimmt werden, daß ein Integralschaum gebildet wird. Bei einem solchen Integralschaum sind naturbedingt die Steigwege geringer als bei einem frei geschäumten Schaumstoff. Diese Verringerung der Steigwege bewirkt eine noch gleichmäßigere Verteilung der Glasfaserhäcksel in dem fertigen Formteil. Hei der Herstellung von Formteilen aus solchen Integralschäumen haben sich besonders gute Ergebnisse gezeigt.

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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens, insbesondere bei Verwendung von Polyurethan, besteht darin, daß ein Schaumsystern gewählt wird, das bei freier Aufschäumung ein Raumgewicht zwischen 100-4 00 kg/m³ ergibt. Auch die Wahl derart relativ hoher Raumgewichte bedeutet mit anderen Worten relativ kurze Steigwege, was sich günstig in bezug auf dio Glasfaserverteilung und insbesondere auch auf die Höhe der möglichen Glasanteile auswirkt. So gestatten derartige Raumgewichte beispielsweise einen Glasfaseranteil in dem Schaumstoff von bis zu 30 Gewichtsprozenten.

Grundsätzlich kann die Länge der Glasfaserhäcksel auch in sehr breiten Bereichen variieren und auch in unterschiedlichen Längen gleichzeitig dem Gemisch zugegeben werden. Bei Versuchen hat sich herausgestellt, daß eine solche Länge von weniger als 35 mm noch zu guten Verteilungen und Benetzungen führt und daß eine Länge von 6 mm unter den meisten Bedingungen die besten Ergebnisse gibt. Ebenso hat sich gezeigt, daß erwartungsgemäß auch bei diesen Verfahren sich eine bessere Benetzung der Fasern ergibt, wenn die Glasfaserhäcksel in an sich bekannter Weise mit Kunstseidehäckseln vermischt sind.

Grundsätzlich ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, die Glasfaserhäcksel auf unterschiedlichste Weise in den Strahl zu bringen. So können beispielsweise die Glasfaserhäcksel aus einem Vorratsbehälter auf den Strahl fallen. Sie können auch durch andere Transporteinrichtungen gegen die Breitseiten des Strahls geschleudert werden. Besonders rationell wird das Verfahren jedoch dadurch, daß die Glasfaserhäcksel in unmittelbarer Nähe der Düse aus einem Glasfaserroving durch in an sich bekanntes Schnitzeln im sogenannten Oszillationsverfahren hergestellt und durch die beim Schnitzeln auf die Glasfaserhäcksel ausgeübten Vorscfoubimpulse ge-

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gen den flachen Strahl bewegt werden. Dieses Verfahren ist nicht nur rationell in der Beziehung, daß die beim Zerschnitzeln des Glasfaserrovings sowieso notwendige Vorschubgeschwindigkeit zum Aufbringen der Glasfaserhäcksel ausgenutzt wird, ein derartiges Aufbringen geschieht auch - wie allerdings auch bei anderen möglichen Verfahren - ohne einen zu Transportzwecken vorhandenen Luftstrom, welcher leicht zu Klunkerbildungen innerhalb der Schaumstoffmischung führt.

Der Verhinderung solcher Klunkerbildungen, die unter? ungünstigen Bedingungen auch durch von den Glasfaserhäckseln mitgerissene Luft entstehen könnten, ist in zweckmäßiger Weise vorgesehen, daß die Glasfaserhäcksel unter einem flachen Winkel gegen den Strahl bewegt werden. Ein solcher flacher Winkel würde auch einen entsprechenden flachen Winkel von mitströmender Luft bedeuten, die infolgedessen nicht so leicht zu Lufteinschlüssen innerhalb des Strahls führen kann.

Die Erfindung ist grundsätzlich nicht auf bestimmte Schaumstoff systeme und deren Eigenschaften beschränkt. Bei Versuchen mit Polyurethan haben sich jedoch beispielsweise sehr

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gute Ergebnisse gezeigt, wenn das Verhältnis der Zeit vom Beginn des Mischens der Komponenten bis zum Aufbringen der Glasfaserhäcksel auf den Strahl zur Topfzeit und zur Steigzeit im Bereich von 1 : 50 : 1?0 liegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich nicht an bestimmte Vorrichtungen gebunden. Als senr gut hierfür geeignet hat sich jedoch eine bekannte Vorrichtung mit einem Hochdrück-Mischkopf erwiesen, dem die Komponenten nebst Additiven zugeführt werden und der eine Düse aufweist, aus der die Mischung der Komponenten ausgestoßen wird, wenn diese Vorrichtung dadurch erweitert wird, daß die Düse einen fäc.-.er

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artigen, flachen Strahl erzeugt und daß an dem Mischkopf ein an sich bekanntes, im Oszillationsverfahren arbeitendes Schnitzelwerk befestigt ist und daß dieses Schnitzelwerk zwei Ausstoßöffnungen für die erzeugten Glasfaserhäcksel besitzt, die die Glasfaserhäcksel in ebenfalls fächerartigen, flachen Strahlen gegen die Breitseiten des flachen Komponentenstrahles richten.

Um dabei eine gute flächenmäßige Ausdehnung des Komponentenstrahls zu erreichen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Düse die Form eines flachgedrückten Trichters aufweist und in etwa senkrecht zu den Breitseiten dieses Trichters liegende und sich in Strahlrichtung erstreckende Führungsbleche besitzt. Derartige Führungsbleche, die beispielsweise in Richtung auf die Randbereiche auch konkav ausgebildet sein können, wirken sich vorteilhaft auf die fächerartige Ausbildung des flachen Komponentenstrahls aus.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen in einem schematischen Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt: <

Fig. 1 in schematischer Weise die Seitenansicht eines Mischkopfes zur Herstellung eines Polyurethan-Schaumstoffes und

Fig. 2 in schematischer Weise eine um 90° in Bezug auf Fig. 1 gedrehte Seitenansicht.

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In den Zeichnungen bezeichnet 1 einen bekannten Mischkopf, in dem im Hochdruckverfahren die Komponenten A und B zur Herstellung eines Polyurethan-Schaumstoffes gemischt werden. A besteht dabei aus Polyol nebst Additiven, die beispielsweise Katalysatoren, Blähmittel, Stabilisatoren und evtl. Flammenverhütungsmittel umfassen, während die Komponente B als Vernetzer Isocyanat nebst Additiven enthält. Wenn diese Komponenten A und B in einem bestimmten Gewichtsverhältnis miteinander gemischt werden, entsteht ein Schaumstoff, der anschließend erstarrt. Diese Komponenten A und B werden dem Mischkopf 1 zugeführt, in diesem unter Hochdruck in sehr kurzer Zeit, die beispielsweise unterhalb einer Sekunde liegt, miteinander vermischt, woraufhin dann diese Mischung auf der die Form eines flachgedrückten Trichters besitzenden Düse 2 in Form eines flachen, fächerartigen Strahls 3 ausgestoßen wird. Damit dieser Strahl 3 flach und fächerartig bleibt, sind Leitbleche 4 vorgesehen, die in etwa senkrecht zu den Breitseiten dieses flachgedrückten Trichters verlaufen und sich in Richtung des Strahls 3 erstrecken. Diese Leitbleche können dabei über den Bereich der Düse 2 hinausragen.

An dem Mischkopf 1 ist ein Schnitzelwerk 5 befestigt, dem von einer Spule 6 ein Glasfaser-Roving 7 zugeführt wird. Dieser wird innerhalb des Schnitzelwerkes 5 im bekannten üszillationsverfahren zu Glasfaserhäckseln verarbeitet, die aufgrund der Vorschubgeschwindigkeit beim Schnitzeln des Glasfaser-Rovings 7 und somit auch der entstehenden Häcksel über Ausstoßöffnungen 8 unter einem flachen Winkel gegen den Strahl 3 gestoßen werden. Die Ausstoßöffnun^en 8 bzw. die Zuleitungen sind dabei so ausgebildet, daß die Glasfaserhäcksel ebenfalls in Form fächerartiger, flacher Strahlen gegen die Breitseiten des Strahles 3 gerichtet sind. Dabei ist dafür Sorge getra-

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gen, daß die Glasfaserhäcksel möglichst gleichmäßig auf die Breitseiten des Strahles 3 auftreffen. Bei diesem Auftreffen findet bereits eine gewisse Benetzung der Glasfaserhäcksel statt, die beim Auftreffen des Strahles 3 in der Form vervollständigt wird.

Als Schnitzelwerk 5 ist bei durchgeführten Versuchen ein solches der Firma J. Coudenhove-Kunststoffe-Maschinen-Gesellschaft mbH, Lang Enzersdorf, Österreich, verwendet worden, das bisher - auch in Deutschland - vornehmlich zur Herstellung von glasfaserverstärktem Beton eingesetzt wurde. Ein solches Schnitzelwerk zerhackte die Rovings 7 und transportierte die Glasfaserhäcksel ohne Luft als Transportmittel gegen den Strahl 3.

Als Mischkopf wurde bei den durchgeführten Versuchen der bekannte Hochdruck-Mischkopf, der von der Elastogran-Polyurethan-Gruppe der BASF propagiert wird, verwendet.

Bei den durchgeführten Versuchen wurden mehrere Schaumsysteme und mehrere Glasanteilprozente getestet. Ein verwendetes Schaumsystem war dabei das TAG-Duromer-Schaumsystem RMS 103/2 der BASF. Dieses besaß eine Topfzeit von 50 s, eine Steigzeit von 150 s und ein Raumgewicht bei Freischäumung von 200 kg/m . Der Glasfaseranteil betrug dabei 20 Gewichtsprozente. Dieses System gab durchaus eine zufriedenstellende Glasfaserverteilung auch bei frei'er Verschäumung. Die Qualität wurde jedoch umso besser, je geringer die Schäumwege, d. h. je größer das Raumgewicht des fertigen Produktes wurde. Aber auch Versuche mit anderen Systemen oder abgewandelten Systemen mit anderen Raumgewichten und Topfzeiten führten zu guten Ergebnissen. Im Grunde war lediglich wesentlich, daß

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die Topfzeit größer war als die ^eit vom Beginn des Mschens bis zum Auftreffen des mit Glasfasern beaufschlagten Strahls in der Form. Die Versuche ergaben, daß bei frei geschäumt gemessenen Raumgewichten von 100 bis 400 kg/m' sich eine sehr gute gleichmäßige Verteilung der Glasfasern einstellte. Je größer die Steigwege (je kleiner das Haumgewichtjwaren, desto weniger Glas konnte verarbeitet werden. Dabei bezog sich dieses Raumgewicht nicht auf das frei geschäumte, sondern auf das tatsächliche Raumgewicht des fertigen Produktes. Dj^s bedeutet, daß auch frei geschäumt betrachtet, größere Raumgewichte zu besseren Glasfaserverteilungen führten, daß aber andererseits auch durch den Druck der Form bewirkte kurze Steigwege - die bei Herstellung von Integralschäumen naturgemäß immer kleiner sind als bei frei geschäumten Schaumstoffen - zu einer besseren Glasfaserverteilung führten. Bei großen Steigwegen konnte infolgedessen - eine gute gleichmäßige Glasfaserverteilung /vorausgesetzt - am wenigsten Glas zugesetzt werden. Je größer das Raumgewicht, nicht nur frei geschäumt gesehen, sondern des tatsächlichen Formteils war, desto mehr Glas konnte zugesetzt werden. Festgestellt wurde im übrigen aber, daß bei langen Topfzeiten, die in der Regel auch mit langen Steigzeiten einhergehen, der Glasfaseranteil vergrößert werden konnte und trotzdem eine gleichmäßige Glasfaserverteilung erreicht wurde. Dies beruht einerseits vermutlich darauf, daß bei nicht zu großen Strahlgeschwindigkeiten des Strahles 3 relativ viel Glasfaserhäcksel zur intensiven Benetzung und Mischung gebracht werden können, und daß andererseits bei langen Steigzeiten die Gefahr einer Kntmischung des reinen Schaums von den Glasfasern geringer wird.

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Grundsätzlich hat sich aber bei den Versuchen gezeigt, daß da; erfindungsgemäße Verfahren nicht nur für Integralschäume, sondern für alle Arten von Reaktionsschäumen vorteilhaft und rationell anwendbar ist.

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Claims

Schutzansprüche

1.J Verfahren zur Herstellung von glasfaserverstärkten Formteilen aus Reaktionsharz-Schaumstoffen, bei dem die gemischten Reaktionsharz-Schaumstoff-Komponenten aus einer Düse unter Druck ausgestoßen werden und vor Beendigung der Topfzeit in eine Form gelangen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung der Komponenten (A,B) aus der Düse (2) in einem flachen Strahl (3) ausgestoßen wird und zumindest auf eine Breitseite des flachen Strahls (3) Glasfaserhäcksel aufgebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsharz Polyurethan ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Steigwege in der Form und die Steigfähigkeit des Schaumsystems dergestalt aufeinander abgestimmt werden, daß ein Integralschaum gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaumsystem gewählt wird, das bei freier Aufschäumung ein Raumgewicht zwischen 100 400 kg/m³ ergibt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Glasfaserhäcksel weniger als 35 mm, vorzugsweise 6 mm beträgt.

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6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Glasfaserhäcksel unterschiedlicher Länge auf den Strahl (3) aufgebracht werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaserhäcksel in an sich bekannter Weise mit Kunstseidehäcksel vermischt sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaserhäcksel in unmittelbarer Nähe der Düse (2) aus einem Glasfaser-Roving (7) durch an sich bekanntes Schnitzeln im sogenannten Oszillationsverfahren hergestellt und durch die beim Schnitzeln auf die Glasfaserhäcksel ausgeübten Vorschubimpulse gegen den flachen Strahl (3) bewegt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaserhäcksel unter einem flachen Winkel gegen den Strahl (3) bewegt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasfaseranteil in dem Schaumstoff 30 Gewichtsprozente und weniger beträgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Zeit vom Beginn des Mischens der Komponenten (A,B) bis zum Aufbringen der Glasfaserhäcksel auf den Strahl (3) zur Topfzeit und zur Steigzeit im Bereich von 1 : 50 : 150 liegt.

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12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit einem Hochdruck-Mischkopf, dem die Komponenten nebst Additiven zugeführt werden und der eine Düse aufweist, aus der die Mischung der Komponenten ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (2) einen flachen Strahl (3) erzeugt und daß an dem Mischkopf (1) ein an sich bekanntes, im Oszillationsverfahren arbeitendes Schnitzelwerk (5) befestigt ist und daß dieses Schnitzelwerk (5) zwei Ausstoßöffnungen (8) für die erzeugten Glasfaserhäcksel besitzt, die die Glasfaserhäcksel in ebenfalls gleichartigen, flachen Strahlen gegen die Breitseiten des flachen Komponenten-Strahles (3) richten.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (2) die Form eines flachgedrückten Trichters aufweist und in etwa senkrecht zu den Breitseiten dieses Trichters liegende und sich in Strahlrichtung (des Strahles 3) erstreckende Leitbleche "(4) besitzt.

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