DE2910798A1 - Verfahren und vorrichtung zur preiswerten polyurethanverschaeumung im kleinverbrauch fuer handwerk und industrie - Google Patents

Description

• Vergahren und Vorrichtung zur preiswerten
• Polyurethan-Verschläumung im Kleinverbrauch für Handwerk und Industrie Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Einkomponenten-Polyurethanschaum und eine Vorrichtung, mit der der maschinelle PUR-Einsatz auch im Kleinverbrauch attraktiv werden könnte.
• Schäume aus Handansatz, Schüttelflasche, Sprühdose oder Schaumbombe genügen qualitätsmäßig nicht immer den Anforderungen, sind verfahrenstechnisch nicht immer einsetzbar, durch Abfall oder Einwegebehälter teuer, oder sie verursachen hohe Nebenkosten. Eine einfache konventionelle (Zweikomponenten-) Schäummaschine würde die qualitätsmäßigen und verfahrenstechnischen Nachteile in der Regel vermeiden, jedoch wird die Rentabilitätsgrenze von vielen Betrieben mengenmäßig nicht erreicht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, teurere Verfahren zu substituieren, dadurch könnte der Polyurethaneinsatz für kleinere bis mittlere Unternehmen interessant werden, die bisher keinen Polyurethanschaum einsetzten oder nur in so geringen Mengen, daß sie dafür die hohen Kosten der Schäume aus Wegwerfbehältern bezahlten.
• Das Verfahren nach der Erfindung beruht darauf, daß die Reaktionskomponenten 4,4'-Diisocyanato-diphenylmethan (MDI) mit einem geeigneten Polyol sowie Zusatzstoffen nach dem an sich bekannten Präpolymerverfahren (Zweistufenverfahren) bei Ausschluß von Luftfeuchtigkeit in inerter Atmosphäre zur Umsetzung gebracht werden.
• Bei diesem Verfahren erfolgt die Herstellung des Schaumstoffes in zwei Stufen: Zuerst wird aus einem Polyol und dem Diisocyanat ein Präpolymer hergestellt. Die Reaktionsleitung erfolgt so, daß freie Isocyanatgruppen übrig bleiben. Dieses Präpolymer ist als höhermolekulares Polyisocyanat aufzufassen. Erst in einer zweiten Reaktionsstufe findet die Verschäumung statt.
• Durch Reaktion mit zugesetztem Wasser zum Präpolymer entsteht Kohlendioxid, das als Treibmittel dient. Weitere Treibmittel sind grundsätzlich nicht notwendig.
• Das lagerfähige Präpolymer als höhermolekulares Umsetzungsprodukt ist wesentlich zähflüssiger als das 4,4'- Diisocyanato-diphenylmethan, aus dem es hergestellt wird. Bei Raumtemperatur hat es unmittelbar nach der Herstellung etwa die Konsistenz von Biene-nhonig, nach dreimonatiger Lagerung etwa die von dickem Syrup, was seine Weiterverarbeitung naturgemäß sehr einschränkt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Präpolymer aus MDI und einem Polyol im Druckluftwirbelmischverfahren mit dosiert befeuchteter Druckluft verschäumt werden kann, sowie eine zum Ausführen dieses Verfahrens verwendbare Vorrichtung zu schaffen.
• Verfahrenstechnisch wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Viskosität des Präpolymers zunächst durch geeignete Lösungsmittel, die bei der Schäumreaktion teilweise abdampfen und dadurch die Treibwirkung noch unterstützen, herabgesetzt wird.
• Ein solches Lösungsmittel ist z.B. das bei der Hartschaumherstellung häufig als Treibmittel benutzte Monofluortrichlormethan (Siedepunkt unter Normalbedingungen: 23,8°C), das sich im oben beschriebenen Präpolymeren sehr gut (Löslichkeit bei Raumtemperatur über 50% bezogen auf das Präpolymer) löst. Die Herabsetzung der Viskosität bringt außerdem den Vorteil der Lagerstabilität bei tiefen Temperaturen, das gefürchtete Auskristallisieren des Isocyanats bleibt auch bei winterlichen Temperaturen aus, was vor allem für den Polyurethan-Einsatz auf der Baustelle interessant sein dürfte.
• Das so hinreichend verdünnte Präpolymer (vorzugsweise etwa 30% Monofluortrichlormethan bezogen auf das Präpolymer) wird mit einer unten näher beschriebenen Dosiervorrichtung im Niederdruckverfahren (maximal 20 bar) einer Mischkammer zugeführt, in der es von einem Druckluftstrom (maximal 5...8 bar), der feinst verteilte Wassertröpfchen mit sich führt, verwirbelt wird. Durch die vom Luftstrom erzeugten Turbulenzen wird eine intensive Vermischung von Wassertröpfchen und Präpolymer bewirkt.
• Das Dosierwasser, das in einem konstanten Verhältnis (etwa 4% bezogen auf das Präpolymer) synchron zum Präpolymerstrom von derselben Dosiervorrichtung geliefert wird, mischt man zwekmäßigerweise dem Druckluftstrom in einem geeigneten Mischrohr, das als Venturidüse ausgebildet ist, bei, bevor der Druckluftstrom in die Verwirbelungsmischkammer eintritt. Die Wasserdosierung ist bei diesem Verfahren somit völlig unabhängig von der Größe des Druckluftstromes. Damit ständig eine rezepturgetreue Wasserdosierung erfolgt, muß die Druckluft vor dem Eintritt des Dosierwassers durch geeignete Filter (z.B. Silikat-Gel-Filter) getrocknet werden.
• Das mit der dosiert befeuchteten Druckluft verwirbelte Präpolymer tritt in sahnigem Zustand aus der Mischkammer aus, wobei (abhängig von der Umgebungstemperatur) ein großer Anteil des Lösungsmittels abdampft und der Schaum je nach Lösungsmittelgehalt mehr oder weniger schnell aufschäumt. (Größere Gehalte an niedrig siedenden Lösungsmitteln entziehen dem aufschäumenden Präpolymer durch ihr Verdunsten soviel Wärme, daß die Aufschäumgeschwindigkeit stark herabgesetzt wird.) Die Mischdüse wird zweckmäßigerweise als Wegwerfdüse aus Polyäthylen ausgelegt, so daß Spülmittel sowie Reinigung und Wartung des Mischkopfes entfallen. Solche Wegwerfmischdüsen sind bei transportablen Zweikomponenten-Schäumanlagen schon seit einiger Zeit auf dem Markt.
• Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, verfahrenstechnisch einfach einen Polyurethan-Schaum reproduzierbarer Qualität aus einem lagerfähigen Präpolymeren herzustellen.
• Darüber hinaus kann das Verfahren auch dort eingesetzt werden, wo Zweikomponentenschäume bisher gravierende Nachteile aufwiesen: z.B. bei der Hohlraumfüllung im Bergbau (Entzündungsgefahr), beim Ausschäumen von Sprengbohrungen (dito), allgemein dort, wo die exotherme Wärmeentwicklung beim Aufschäumen vermieden werden muß. (Die anfallende Reaktionswärme führt beim Schäumen aus dem oben angegebenen Präpolymer kaum zu höheren Temperaturen als 40 bis 50°Celsiuns.) In einer Zeichnung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens rein schematisch dargestellt und nachstehend im Zusammenhang mit dem Verfahren näher erlautert.
• Es zeigen: Figur 1 Schnitt durch die als Rollmembran-Kolben ausgebildete Dosiervorrichtung Figur 2 schematische Darstellung des Schäumverfahrens anhand der erfindungsgemäßen Vorrichtung Die Funktionen "feuchtigkeitsgeschütztes Lagern des Präpolymers" sowie die synchrone pulsations- und leckagefreie Förderung und Dosierung von Präpolymer- und Wasserstrom im exakten stöchiometrischen Verhältnis werden erfindungsgemäß von einem Rollmembran-Kolben-Dosiergerät erfüllt, das in Figur 1 dargestellt ist.
• Das Dosiergerät besteht aus einem Wasserzylinder 1 und einem Präpolymerzylinder 10, sowie den dazugehörigen Kolben 3 bzw. Kolben 9, die mit einer Kolbenstange 2 miteinander verbunden sind. Der Kolben 3 im Wasserzylinder 1 ist mit einer Kolbendichtung aus PTFE abgedichtet, der Kolben 9 im Präpolymerzylinder 10 trägt eine Rollmembran 11, die neben völliger Dichtheit den Vorteil des geringen Eigenwiderstandes bei konstantem Wirkdurchmesser über den gesamten Hub bietet, und als gewebeverstärkte Membran kurzzeitig Drücke bis 20 bar aushält.
• Als Werkstoff für die Rollmembran kommt erfindungsgemäß Peroxid vernetzter Äthilen-Propylen-Terolymer-Kautschuk (EPDM) in Frage, der sich auch im Langzeitversuch (1 Jahr) als ausreichend beständig gegen das verwendete Präpolymer zeigte und außerdem hinreichend preiswert ist, so daß die Rollmembran bei ausreichender Stückzahl (ab 200 Stück) als billiges Wegwerfteil bei Uberholungen der Vorrichtung angesehen werden kann.
• Kolben 9 und Zylinder 10 im Präpolymerteil können relativ grob toleriert werden (DIN 7715), wichtig ist nur eine optisch einwandfrei glatte Oberfläche im Rollbereich der Membran, die bei Leichtmetallwerkstoffen durch Eloxieren, bei Eisenwerkstoffen etwa durch Kunststoffbeschichten zu erzielen ist. Werden Zylinder 10 und 12 z.B. als Leichmetall-Druckguß-Konstruktion ausgeführt, bedürfen nur noch die Flansche eventuell einer spangebenden Bearbeitung.
• Um eine Uberholung des Dosiergerätes zu vereinfachen, ist erfindungsgemäß ein dünnwandiger Polyäthylenbehälter 15 im Zylinderdeckel 12 vorgesehen, der bei der Demontage des Gerätes mit den anhaftenden Präpolymerresten entfernt wird. Somit sind alle Teile, die innerhalb der Dosiervorrichtung mit dem Präpolymeren in Berührung kommen als preiswerte, leicht austauschbare Wegwerfteile anzusehen. Dasselbe gilt für den unten in Figur 2 näher beschriebenen Mischkopf 25. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß bei entsprechender Ausführung der Präpolymerbehälter der Dosiervorrichtung etwa den gleichen baulichen Aufwand erfordert wie der Druckbehälter einer Komponente bei konventionellen transportablen Zweikomp onentenanlagen.
• Das Dosierwasser befindet sich in dem ringförmigen Raum 6, der sich zwischen Kolbenstange 2 und Zylinder 1 bildet. Nur Zylinder 1, Kolben 3 und Kolbenstange 2 bedürfen einer sorgfältigen spangebenden Bearbeitung, unterliegen jedoch im Betrieb wegen der extrem langsamen Gleitgeschwindigkeiten (bei ausgeführten Maschinen maximal 0,001 m/s, das entspricht einer geförderten Präpolymermenge von etwa 1...4 kg/min) kaum nennenswertem Verschleiß und brauchen bei Verwendung von demineralisiertem Wasser auch nicht gewartet zu werden.
• Der Antrieb des Dosiergerätes erfolgt erfindungsgemäß hydraulisch über Druckwasser, das von einem Druckaggregat 92 in den Raum 4 gedrückt wird. Als Druckaggregat findet erfindungsgemäß eine kontinuierlich regelbare, Schwinganker angetriebene Kolbenpumpe Verwendung, wie sie als Airless-Heimwerker-Farbspritzpistole auf dem Markt zu haben ist. Sie zeichnet sich durch geringes Gewicht, hohe Drücke (ca. 150 bar) und niedrigen Preis aus und hat sich auch wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit als Hydropumpe für Druckwasser im Langzeitversuch (1 Jahr) hervorragend bewährt.
• Anhand von Figur 2 soll zunächst der Auffüllvorgang des Dosiergerätes erläutert werden: Eine Schlauchverbindung vom Präpolymervorratsbehälter (nicht eingezeichnet) mit einer geeignet ausgebildeten Schnellkupplung 13 wird an den Präpolymerzylinder 12 angekuppelt. Die Saugleitung 48 des Verdichters 27 wird dann über die Absperrventile 8 und 8'der druckabgewandten Seite der Rollmembran zugeschaltet und das Präpolymer wird durch den sich abwärts bewegenden Membrankolben 9 aus dem Vorratsbehälter in den Präpolymerzylinder 12 gesaugt. (Damit in dem Vorratsbehälter kein Unterdruck entsteht, ist an diesem ein Druckausgleich durch ein trockenes Schutzgas vorzusehen, dabei sind die behördlichen Sicherheitsvorschriften zu beachten, die für isocyanathaltige Behälter einen maximalen Überdruck von 0,3 bar zulassen.) Die Füllmenge an Präpolymer sollte etwa einem Tagesverbrauch entsprechen. Da bei Rollmembranen auch bei der Kolbenrückführung immer ein geringer Überdruck von ca. 0,15 bar vorhanden sein muß, um Falten oder Knickstellen in der Rollfalte zu vermeiden, läßt man das Druckwasser unter Gegendruck durch das geöffnete Absperrventil 35 in das Wasserrücklaufgefäß 34 zurückfließen, wobei der geforderte Druckaufbau durch die Drossel 36 eingestellt werden kann.
• Während sich der 25 bis 50 mal größere Präpolymerzylinder füllt, saugt der zweite, entsprechend kleinere Raum 6 selbsttätig Dosierwasser aus dem Vorratsbehälter 22 über das Rückschlagventil 21 an. Wegen der kleinen Wassermenge, die pro Präpolymerfüllung benötigt wird, kann der Wasservorratsbehälter so groß dimensioniert werden, daß der Wasservorrat für mehrere Wochen ausreicht.
• Nun soll anhand von Figur 2 der Schäumvorgang erläutert werden: Das Druckaggregat 32 pumpt Druckwasser in den Raum 4, dabei setzen sich synchron Wasserkolben 3 und Rollmembrankolben 9 in Bewegung und drücken die dosierten Flüssigkeiten in die flexiblen Schläuche 14 bzw. 37.
• Dabei gelangt das Präpolymer durch die Schlauchleitung 14 und das Absperrventil 23 direkt in die Verwirbelungsmischkammer 25, das Dosierwasser wird über ein Rückschlagventil in das Mischrohr 30 gedrückt, hierbei wird nach Art eines Vergasers in den Druckluft strahl zentrisch eingeleitetes Wasser vom Luftstrahl mitgerissen und damit vermischt. Nach der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Einschnürung im Mischrohr als Venturidüse ausgebildet. Der Druckluftstrom wird vor seinem Eintritt in das Mischrohr in dem Trockenfilter 29 getrocknet und mit der Drossel 28 geregelt.
• Der Schäumvorgang wird in Gang gesetzt, indem zuerst das Absperrventil 24 geöffnet wird und die trockene Druckluft die Mischkammer 25 durchströmt. Dann wird das Absperrventil 23 geöffnet, gleichzeitig das Druckaggregat 32 eingeschaltet. Sobald das Präpolymer in die luftdurchströmte Verwirbelungskammer eintritt, wird die trockene Druckluft mit Dosierwasser befeuchtet und die Schäumreaktion beginnt.
• Die aus Polyäthylen bestehende Wegwerfmischkammer 25 kann mehrmals verwendet werden, wenn die Druckluft nach Beendigung des Schäumvorganges und Schließen des Absperrventils 23 noch 1 bis 2 Minuten nachströmt. Die trockene Druckluft bläst dann die Mischkammer weitgehend vom Schaum frei.
• Die oben beschriebene Ausführungsform dürfte für einen Handmischkcpf wohl die des geringsten konstruktiven Aufwandes, des kleinsten Gewichts und der leichtesten Handhabung darstellen und bietet sich deshalb für das vorgestellte Verfahren besonders an. Es soll aber nicht unerwähnt bleiben, daß die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung auch mit Zwangsvermischern, die mit mechanischem Rührwerk arbeiten, oder mit Kombinationsmischern, die sich beider Mischverfahren bedienen, kombiniert werden kann.
• L e e r s e i t e

Claims (8)

1. Patentansprüche: 1) Verfahren zur Herstellung von Einkomponenten-Polyurethanschaum aus einem lagerfähigen Präpolymer, dadurch gekennzeichnet, daß das dosierte Präpolymer nach dem Druckluftwirbelmischverfahren von einem dosiert befeuchteten Druckluftstrom, der feinst verteilte Wassertröpfchen mit sich führt, verwirbelt wird und dadurch eine intensive Vermischung von Wassertröpfchen und Präpolymer bewirkt.
2. 2) Verfahren nach Anspruch 1 zur Vermischung des Druckluftstromes mit dem Dosierwasser, dadurch gekennzeichnet, daß nach Art eines Vergasers in den Druckluftstrom zentrisch eingeleitetes Dosierwasser vom Luftstrahl mitgerissen und damit vermischt wird.
3. 3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckluftstrom vor der Vermischung mit dem Dosierwasser in einem Trockenfilter getrocknet wird.
4. 4) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität des Präpolymers nach seiner Herstellung mit Monofluortrichlormethan, vorzugsweise zwischen 20 und 30%, bezogen auf das Präpolymer, herabgesetzt wird.
5. 5) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einer zweikanaligen Dosiervorrichtung, die das Präpolymer und das Wasser aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Massenströme (Präpolymer und Wasser) völlig synchron, pulsations- und leckagefrei im konstanten Verhältnis dosiert werden.
6. 6) Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollmembran 11 der Dosiervorrichtung aus Peroxid verntztem Äthilen-Propylen-Terpolymer-Kautschuk besteht.
7. 7) Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderdeckel 12 der Dosiervorrichtung mit einem dünnwandigen Behälter aus Polyäthylen ausgelegt ist.
8. 8) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischrohr als Venturidüse ausgebildet ist.