DE3624909C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer geschäumten thermoplastischen Masse - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer geschäumten thermoplastischen Masse

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer geschäumten thermoplastischer Masse.
Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Herstellung geschäumter thermoplastischer Massen bekannt und Strangpressen zu diesem Zweck sind in breitem Umfang im Einsatz. Die Herstellung geschäumter thermoplastischer Massen mittels einer Strangpresse hat den Vorteil, daß, das Gemisch unter einem niedrigen Druck stranggepreßt wird, um thermoplastische Schaumstoffe gewünschter Formgebung, beispielsweise Folien oder Platten, kontinuierlich herzustellen, nachdem der Thermoplast mit einem Treibmittel oder einem anderen Zusatz unter Druck homogen gemischt wurde.
Bei dem vorausgehend aufgeführten Herstellungsverfahren wurde jedoch dem Umstand Bedeutung beigemessen, daß ein Treibmittel oder ein anderer Zusatz homogen mit dem geschmolzenen Thermoplast zu mischen ist und das Gemisch extrudiert wird, nachdem die geschmolzene Kunststoffzusammensetzung, die das Treibmittel enthält, ausreichend gleichmäßig abgekühlt wurde, um für das Schäumen geeignet zu sein.
Infolgedessen wurden bereits verschiedene Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen, um einen Thermoplast mit einem Treibmittel oder dergleichen zu mischen und die das Treibmittel enthaltende Kunststoffzusammensetzung gleichmäßig abzukühlen. Die US-PS 37 51 377 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, wonach ein Mischer verwendet wird, der einer Strangpresse nachgeschaltet ist, die eine Schnecke aufweist, um den geschmolzenen Kunststoff mit einem Treibmittel zu mischen und das Gemisch gleichmäßig auf eine für das Schäumen geeignete Temperatur abzukühlen. Obgleich eine derartige Anordnung zur Herstellung dicker, großer Schaumstoffe niedriger Dichte in einem gewissen Umfang mit Erfolg verwendet wurde, hat sie den Nachteil, daß die Strangpreßgeschwindigkeit verringert wird, da der Fließwiderstand des Kunststoffs zum statischen Mischer groß ist, der statische Mischer teilweise verformt oder beschädigt wird, insbesondere wenn er von außen gekühlt wird und die Dispersionseigenschaften des gemischten Treibmittels nicht ausreichend sind.
Es wurden Versuche unternommen, diese Mängel zu beheben. Gemäß der US-PS 44 54 087 und der EP 0066977 A1 werden ein umlaufender Mischkühler und ein Zick-Zack-Mischer in der Art eines statischen Mischers gleichzeitig verwendet, die der Strangpresse nachgeschaltet sind. Obgleich bei diesem Verfahren der Zick-Zack-Mischer vor einer Verformung bewahrt bleibt, da er nicht gekühlt wird, besteht weiterhin der Wunsch, Schaumstoffe niedriger Dichte sowie solche herzustellen, bei welchen eine verbesserte homogene Dispersion eines Zusatzes sichergestellt ist.
Andererseits zeigt die US-PS 44 19 014 und die GB 2163088 A ein Verfahren zum homogenen Mischen geschmolzener Kunststoffe, Kautschuk und dergleichen mit anderen Zusätzen, wobei ein Extrusionsmischer mit einem Hohlformtransfermischer ausgestattet ist, der unmittelbar an das vordere Ende der in der Strangpresse befindlichen Schnecke angeschlossen ist.
Schließlich ist aus der EP 0 048 590 A1 ein Extrudermischer bekannt, der einen hohlzylindrischen Stator und einen zylindrischen Rotor aufweist. Die einander gegenüberliegenden zylindrischen Flächen des Rotors und des Stators sind dabei mit mehreren Reihen halbkugelförmiger Hohlräume versehen, die in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind.
Es ist das der Erfindung zugrundeliegende Problem (Aufgabe), ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen eine homogene Mischung eines geschmolzenen Thermoplasten mit einer großen Menge Treibmittel ermöglicht wird, um stark geschäumte, dicke thermoplastische Massen niedriger Dichte zu erhalten.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Verfahrensanspruches 1, beziehungsweise des Vorrichtungsanspruches 4.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
Durch die Erfindung wurde gefunden, daß bei der Herstellung von geschäumten thermoplastischen Massen durch die Einführung des im obenerwähnten Extrusionsmischer verwendeten Hohlformtransfermischers in das übliche Strangpreßverfahren verbesserte geschäumte thermoplastische Massen erhalten werden können.
Thermoplaste, die einem erfindungsgemäßen Extrusionsschäumen unterzogen werden können, sind nicht besonders begrenzt. Repräsentative Thermoplaste umfassen Polystyrol, Styrol-Acrylonitril-Copolymer, Styrol-Acrylonitril- Butadien-Copolymer, Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymer, Styrol-Ethylen-Copolymer, Poly-alpha-methylstyrol, Polyethylen, Polypropylen, Ethylen-Propylen-Copolymer, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer, Polyvinylchlorid, Polymethylmethacrylat, Polyamid etc. Diese Copolymere können unabhängig voneinander oder in Kombination verwendet werden. Da verhältnismäßig inkompatible Polymere erfindungsgemäß gleichförmig gemischt werden können, kann ein weiter Bereich von Thermoplasten ausgewählt werden. Entsprechend können Thermoplaste mit gewünschten physikalischen Eigenschaften mühelos hergestellt werden.
Treibmittel, die sich zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung eignen, sind ebenfalls nicht begrenzt. Flüchtige oder zersetzbare Treibmittel werden normalerweise verwendet.
Als flüchtige Treibmittel sollen erwähnt werden aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie Propan, Butan, Isobutan, Pentan, Neopentan, Isopentan und dergleichen; alicyclische Kohlenwasserstoffe, wie Cyclobutan, Cyclopentan, Cyclohexen und dergleichen; Methylchlorid; Methylenchlorid; Dichlorfluormethan; Chlortrifluormethan; Dichlordifluormethan; Chlordifluormethan; Trichlorfluormethan; Trichlortrifluorethan und Dichlortetrafluorethan. Als zersetzbare Treibmittel sollen erwähnt werden Dinitrosopentamethylentetramin; Trinitrosotrimethylentriamin; p,p′-Oxybis(benzolsulfonylhydrazid); Azodicarbonamid und dergleichen. Diese Treibmittel können einzeln oder in Kombination verwendet werden.
Ein Treibmittel wird erfindungsgemäß an der stromaufwärtigen Seite eines Mischers zugegeben. Das normale Mischverfahren umfaßt das Erhitzen und Schmelzen von Thermoplasten in einer Strangpresse und Zuführung eines Treibmittels zur Strangpresse unter Druck. Das weitere Verfahren besteht in der Förderung der das Treibmittel enthaltenden Thermoplasten zur Kühl-Strangpresse.
Wird eine große Menge eines Treibmittels gemischt, um einen Schaumstoff niedriger Dichte zu erhalten, beispielsweise 100 Gew.-Teile eines Thermoplasten, gemischt mit 5 bis 50 Gew.-Teilen eines flüchtigen Treibmittels, so werden vorzugsweise der geschmolzene Thermoplast und ein Treibmittel in einer Strangpresse oder in irgendeiner anderen Mischvorrichtung vorgeknetet und anschließend wird das Gemisch einem Mischer zugeführt.
Ein normalerweise verwendeter Zusatz kann hinzugegeben werden, wenn der Schaumstoff hergestellt wird.
Als Zusätze können Kristallisationskernbildungsmittel, feuerhemmende Mittel, Stabilisatoren, Treibmittel, Weichmacher, Farbstoffe, Füllstoffe etc. verwendet werden.
Strangpressen zur Verwendung beim erfindungsgemäßen Schmelzen und Strangpressen von Thermoplasten sind Ein-Schnecken- oder Zwillings-Schneckenpressen, deren Schnecken vorzugsweise mit Stiften oder anderen Mischeinrichtungen ausgestattet sind, nachdem das Treibmittel unter Druck zugeführt wurde.
Kühleinheiten, die im Einklang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind solche, wie sie üblicherweise für die Herstellung von geschäumten thermoplastischen Massen entwickelt und verwendet wurden; derartige Kühleinheiten sind mit Wärmetauschereinrichtungen ausgestattet und können die Temperatur verschiedener Kunststoffe einstellen. Vorzugsweise wird eine Kühleinheit verwendet, die eine umlaufende, mit Flügeln ausgestattete Welle innerhalb des äußeren Kühlzylinders aufweist, wie sie in den US-PSen 44 54 087 und 26 69 751 beschrieben sind. Vorzugsweise wird ferner eine Kühlstrangpresse verwendet, die einen größeren Durchmesser aufweist als die Strangpresse zum Schmelzen des Thermoplasten, damit der Thermoplast gleichmäßig abgekühlt wird, indem er zusammen mit der Schnecke mit einer geringeren Pumpwirkung gedreht wird.
Die erfindungsgemäß verwendbaren Mischer sind Hohlformtransfermischer zum Schmelzen von Thermoplasten, die in Statoren angeordnete Rotoren aufweisen, wobei der Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor als Durchtrittsweg für die geschmolzenen Kunststoffe verwendet wird. Eine Anzahl isolierter Hohlformen sind auf der Innenseite des Stators und der Außenseite des Rotors ausgebildet. Die am Stator und Rotor ausgebildeten Hohlformen sind derart angeordnet, daß sie sich gegenseitig während des Umlaufs überlappen. Die Hohlformen weisen eine Halbkugelform auf, die wenig Stau der geschmolzenen Kunststoffe verursacht. Die Hohlformen sollten im Einklang mit der Zeichnung auf der Innenseite des Stators und der Außenseite des Rotors jeweils in Axialrichtung und Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sein. Die Gesamtfläche der Öffnung der Hohlformen sollte, bezogen auf die Transferfläche derselben, auf über 60% der Fläche der Innenseite des Stators oder der Außenseite des Rotors erhöht sein. Der Mischer sollte an einer Stelle aufgestellt werden, wo Temperatur und Druck während des Strangpreß- Schäumungsvorganges am höchsten sind. Somit kann der Mischer mit dem vorderen Schneckenende der Strangpresse gekoppelt werden, so daß der Mischer synchron mit der Schnecke umläuft oder die Montage kann so erfolgen, daß der Mischer unabhängig hiervon umlaufen kann. Im letzteren Falle werden die Beheizung und das Mischen zweckmäßig geregelt, da die Anzahl der Umdrehungen entsprechend der Art des Thermoplasten und der Treibmittel sowie anderer Zusätze frei steuerbar ist. Anders ausgedrückt, der Mischer kann mit niedriger Drehzahl umlaufen, wenn ein feuerhemmendes Mittel, welches einer Zersetzung durch Wärme unterliegt, und eine faserartige Masse verwendet werden, die bei der Ausübung hoher Scherkräfte leicht abgeschert wird und der Mischer kann mit hoher Drehzahl betrieben werden, wenn ein flüchiges Treibmittel verwendet wird, das eine gegenüber dem Kunststoff unterschiedliche Viskosität aufweist.
Die Erfindung wird anschließend durch ausgewählte Ausführungsformen anhand der Zeichnungen erläuert; es zeigt
Fig. 1 einen Vertikalschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2a bis 2h schematische Ansichten, die das Prinzip des Mischens und Rührens bei Verwendung eines Hohlformtransfermischers darstellen,
Fig. 3 einen Vertikalschnitt einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 4 einen Vertikalschnitt einer abgeänderten Kühleinheit der Vorrichtung nach den Fig. 1 und 3,
Fig. 5 eine Schnittdarstellung längs der Linie V-V der Fig. 4, und
Fig. 6 einen Vertikalschnitt einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In Fig. 1 ist eine Anordnung einer Schneckenstrangpresse (1), einer Kühl-Strangpresse (2), die parallel zur Schneckenstrangpresse (1) verläuft und deren Achse gegenüber jener der Schneckenstrangpresse versetzt ist, und eines zwischen den Strangpressen (1, 2) liegenden Mischers (3) dargestellt.
Die Schneckenstrangpresse (1) umfaßt einen ersten Zylinder (4), eine erste freitragende Schnecke (5), die drehbar im ersten Zylinder (4) angeordnet ist, eine erste Knetvorrichtung (6), die am vorderen Ende der ersten Schnecke (5) montiert ist, eine am vorderen Ende der Schneckenwelle montierte Säule (7), eine Anzahl Stifte (8), die vom Umfang der Säule (7) abstehen, eine Einlaßöffnung (9) zur Eingabe eines Treibmittels unter Druck, wobei die Einlaßöffnung (9) der Grenzfläche zwischen der ersten Schnecke (5) des ersten Zylinders (4) und der ersten Knetvorrichtung (6) gegenüber liegt; eine Auslaßöffnung (11), die an jedem Ende liegt, wo die Schnecke des ersten Zylinders (4) frei beweglich ist, eine Einlaßöffnung (12) zur Stoffzuführung, wobei die Einlaßöffnung (12) an jenem Ende liegt, wo die Schnecke des ersten Zylinders (4) gelagert ist, einen Einfülltrichter (13), der sich an der Einlaßöffnung (12) befindet, und Heizvorrichtungen (14), die am Umfang des ersten Zylinders (4) angeordnet sind.
Die Kühl-Strangpresse (2) umfaßt einen zweiten Zylinder (16) mit einer spiralförmigen Kühlmittelleitung (17), eine Einlaßöffnung (18) und eine Auslaßöffnung (19) der Kühlmittelleitung (17), eine zweite freitragende Schnecke (20), die drehbar im zweiten Zylinder (16) angeordnet ist, eine Strangpreßform (21), die an dem Ende befestigt ist, wo die Schnecke (20) des zweiten Zylinders (16) frei beweglich ist, wobei die Strangpreßform (21) eine Auslaßöffnung für Thermoplaste aufweist, ein Lager (23), um die Basis der zweiten Schnecke (20) drehbar zu lagern, eine Dichtung (24), eine Dichtungsandrückvorrichtung (25), eine Kühlmittelleitung (26) zur Kühlung der Dichtung, eine Einlaßöffnung (27) zum Einspritzen von Thermoplasten, wobei die Einlaßöffnung (27) an dem Ende liegt, wo die Schnecke (20) des zweiten Zylinders (16) gelagert ist, und ein Rohr (28) zur Kühlmittelzufuhr zur Innenseite der zweiten Schnecke (20).
Der Mischer (3) umfaßt einen stationären Zylinder (30), einen freitragenden Rotor (31), der drehbar vom stationären Zylinder (30) aufgenommen wird, wobei die Achse des letzteren senkrecht zu den Achsen der ersten und zweiten Schnecke (5, 20) verläuft; eine Einlaßöffnung (32), die an einer Seite liegt, wo der Rotor (31) im stationären Zylinder (30) gelagert ist und die mit der Auslaßöffnung (11) der Hauptstrangpresse (1) in Verbindung steht; eine Auslaßöffnung (33), die an der anderen Seite liegt, wo der Rotor (31) im stationären Zylinder (30) frei beweglich ist und die mit der Einlaßöffnung (27) zum Einspritzen von Thermoplasten in die Kühl-Strangpresse (2) in Verbindung steht; einen Stator (34), der an der Innenseite des stationären Zylinders (30) befestigt ist; eine Anzahl getrennter, halbkugelförmiger Hohlformen (35, 36), die an der Innenseite des Stators und an der Außenseite des Rotors (31) ausgebildet sind, wobei die Hohlformen (35) an der Innenseite des Stators (34) teilweise die Hohlformen (36) am Umfang des Rotors (31) bei dessen Drehung überlappen; ein Lager (37), das den Rotor (31) drehbar aufnimmt, eine Dichtung (38), eine Dichtungsandrückvorrichtung (39); eine Kühlmittelleitung (40) zur Kühlung der Dichtung; eine Heizvorrichtung (41), die am Umfang des stationären Zylinders (30) liegt, und eine Leitung (42) zur Zufuhr eines Kühlmittels zur Innenseite des Rotors (31).
Es wird nunmehr der Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung beschrieben. Durch Umlauf der ersten und zweiten Schnecke (5, 20) in Richtung des Pfeils (A, B) und Umlauf des Rotors (31) getrennt von der ersten und zweiten Schnecke (5, 20) in Richtung des Pfeils (C), wird ein Thermoplast vom Einfülltrichter (13) dem ersten Zylinder (4) zugeführt. Der zugeführte Kunststoff wird durch die erste Schnecke (5) in Richtung des Pfeils (D) gefördert und erhitzt und mittels der Heizvorrichtung (14) zum Schmelzen gebracht. Ein Treibmittel wird über die Einlaßöffnung (9) dem geschmolzenen Kunststoff unter Druck zugegeben und das zugegebene Treibmittel wird mit dem Thermoplasten mittels der Stifte (8) der ersten Knetvorrichtung (6) vorgemischt. Der das Treibmittel enthaltende Thermoplast wird anschließend durch die Auslaßöffnung (11) und die Einlaßöffnung (32) gefördert, bevor er in den stationären Zylinder (30) des Mischers (3) gelangt. Im Mischer (3) wird der Thermoplast mittels der Hohlformen (36) des Rotors (31) und der Hohlformen (35) des Stators (34) gerührt und gemischt und das Treibmittel wird homogen im Thermoplasten verteilt.
Es wird nunmehr auf die Fig. 2a bis 2h Bezug genommen. Der typische Grundgedanke des Rührens und Mischens wird unter Verwendung eines linearen Materials beschrieben. Die vom Boden der Hohlform (35) in Fig. 2a links extrudierte Schlierenmasse wird längs des Innenumfangs der Hohlform weiterbewegt und, wie aus Fig. 2b ersichtlich, (a) das vordere Ende der Schlierenmasse wird durch den Rand der Hohlform (36) des Rotors (31), der in Richtung des Pfeils (C) umläuft, gezogen und veranlaßt, seine Richtung zu ändern, um den in Fig. 2c dargestellten Zustand einzunehmen. Wie aus Fig. 2d ersichtlich, wird (b) das vordere Ende der Schlierenmasse durch den Rand umgelegt und, wie in Fig. 2e dargestellt ist, (b) das vordere Ende der Schlierenmasse wird durch den Rand und den Stator (34) durchschnitten und, wie sich aus Fig. 2f ergibt, (c) das vordere Ende der Schlierenmasse wird mittels des Randes umgebogen und, wie aus Fig. 2g ersichtlich, (c) das vordere Ende der Schlierenmasse wird durch den Rand und den Stator (3) durchschnitten und, wie in Fig. 2h dargestellt, (d) das vordere Ende der Schlierenmasse wird durch den Rand umgebogen. Der gleiche Vorgang wiederholt sich anschließend und das vordere Ende der Schlierenmasse wird aufeinanderfolgend durchschnitten und der durchschnittene Abschnitt wird innerhalb der Hohlformen gesammelt.
Im Einklang mit diesem Grundgedanken wird die Kunststoffmasse ausgebreitet, um eine dünne Platte zu bilden, und in Stücke geschnitten, wobei ein Treibmittel homogen im Thermoplasten verteilt wird. Der Thermoplast mit dem darin homogen verteilten Treibmittel wird dem zweiten Zylinder (16) der Kühl-Strangpresse (2) über die Auslaßöffnung (33) und die Einlaßöffnung (27) zugeführt. Der das Treibmittel enthaltende Thermoplast wird mittels der Drehung der zweiten Schnecke (20) in Richtung des Pfeils (E) gefördert und durch das durch die Kühlmittelleitung (17) strömende Kühlmittel auf eine zum Schäumen geeignete Temperatur gekühlt. Der Thermoplast wird gefördert und zum Schäumen aus der Auslaßöffnung (22) stranggepreßt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschrieben. In Fig. 3 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauelemente gemäß Fig. 1 und eine Beschreibung solcher Bauelemente unterbleibt. In der Vorrichtung gemäß Fig. 3 ist eine Kühleinheit (44), die ein Kopplungselement (45) aufweist, mit der Auslaßöffnung des Stators (34) des Mischers (3) gekoppelt; ein Zwischenelement (46) ist mit dem Kopplungselement (45) verbunden; ein Innenkern (47) ist in der Mitte der Seite des Zwischenelementes (46) vorgesehen; ein Außenzylinder (48) ist konzentrisch um den Innenkern (47) angeordnet, wobei ein Ende mit dem Zwischenelement (46) gekoppelt ist; und eine Strangpreßform (49) ist am anderen Ende des Außenzylinders (48) befestigt. Eine Durchtrittsöffnung (50) für die thermoplastische Masse, die zwischen dem Innenkern (47) und dem Außenzylinder (48) gebildet wird, steht mit dem Mischer (3) über eine Verbindungsöffnung (51) in Verbindung, die im Kopplungselement (45) und im Zwischenelement (46) ausgebildet ist. Ein Kühlraum (52) wird im Innenkern (47) gebildet und eine Einlaßleitung (53) sowie eine Auslaßleitung (54) für Kühlmittel erstrecken sich vom Umfang des Zwischenelementes (46) durch dieses hindurch bis zum Kühlraum (52). Eine spiralförmige Kühlmittelleitung (55) ist im Außenzylinder (48) ausgebildet und eine Austrittsöffnung (56) in der Strangpreßform (49). Eine L-förmige Leitung (48) dient dazu, die Auslaßöffnung (11) der Schneckenstrangpresse (1) mit der Einlaßöffnung (32) des Mischers (3) zu verbinden. Ein statischer Mischer (59) ist an der Mischerstirnseite der zur Verbindung dienenden Leitung (58) angeordnet und eine Drosseldüse (60) liegt an der Extruderseite der Leitung (58). Eine Heizvorrichtung (61) befindet sich am Umfang der zu Verbindung dienenden Leitung (58).
Es wird nunmehr der Betrieb der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung beschrieben. Die Geschwindigkeit des aus der Auslaßöffnung (11) der Strangpresse (1) extrudierten geschmolzenen Kunststoffs wird mittels der Drosseldüse (60) beschleunigt und das aus der Einlaßöffnung (9) zugeführte Treibmittel wird dem beschleunigten Thermoplasten unter Druck zugeführt. Der das Treibmittel enthaltende Thermoplast wird zum statischen Mischer (59) gefördert, in welchem der Thermoplast und das Treibmittel einleitend gemischt werden. Anschließend wird der das Treibmittel enthaltende Thermoplast vom statischen Mischer (59) abgegeben und dem Mischer (3) zugeführt, wobei Thermoplast und Treibmittel unter der gleichen Einwirkung wie im Falle der ersten Ausführungsform gründlich geknetet werden. Der Thermoplast mit dem im Mischer (3) homogen verteilten Treibmittel wird anschließend der in der Kühleinheit (44) vorhandenen Durchtrittsöffnung für den Thermoplasten zugeführt. Der das Treibmittel enthaltende Thermoplast wird in der Durchtrittsöffnung (50) für den Thermoplasten durch das Kühlmittel gekühlt, das durch die Kühlmittelleitung (55) strömt, währenddessen der Thermoplast sich in Richtung des Pfeils (E) bewegt und anschließend von der Austrittsöffnung (56) zum Schäumen abgegeben wird.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Kühler (63) gemäß Fig. 4 oder die Kühleinheit (44) gemäß Fig. 3 anstelle der in Fig. 1 gezeigten Kühl-Strangpresse (2) verwendet werden. Der in den Fig. 4 und 5 dargestellte Kühler (63), der stromabwärts des Mischers (3) gemäß den ersten und zweiten Ausführungsformen nach Fig. 1 und 3 angebracht wird, ist im einzelnen nachstehend beschrieben. Der Kühler (63) umfaßt einen Außenzylinder (64) mit einer spiralförmigen Kühlmittelleitung (65), eine freitragende Hauptwelle (66), die drehbar in den Außenzylinder (64) eingesetzt ist, eine Einlaßöffnung (67) für den Thermoplasten, die sich durch die Nachbarschaft des Endes erstreckt, in welchem die Hauptwelle des Außenzylinders (64) gelagert ist, eine Strangpreßform (68) mit einer Austrittsöffnung (69), und eine Leitung (70) zur Zuführung eines Kühlmittels zu einem in der Hauptwelle (66) vorgesehenen Kühlraum. Die Hauptwelle (66) weist einen Endabschnitt (66A) mit großem Durchmesser auf, der mittels eines Lagers (71) drehbar im Außenzylinder (64) gehalten wird, einen mittleren Abschnitt (66B) mit kleinem Durchmesser und einen vorderen Endabschnitt (66C) mit grossem Durchmesser, wobei ein ringförmiger Vorsprung (66D) in einer Lage angeordnet ist, die etwas näher an der stromabwärtigen Seite des mittigen Abschnittes (66B) mit kleinem Durchmesser liegt, der der Einlaßöffnung für die Kunststoffmasse zugewandt ist. Eine Anzahl hürdenartig ausgebildeter Knetstäbe (72) stehen von einem Abschnitt vor, der weiter stromabwärts liegt als der ringförmige Vorsprung (66D) des mittigen Abschnittes (66B) mit kleinem Durchmesser.
In dem gemäß Fig. 4 aufgebauten Kühler (63) wird der das Treibmittel enthaltende Kunststoff, der vom Mischer (3) durch die Einlaßöffnung (67) für den Kunststoff in den Außenzylinder (64) eingegeben wird, über den ringförmigen Vorsprung (66D) in Richtung des Pfeils (E) getrieben und mittels der Knetstäbe (72) der Hauptwelle (66) geknetet, die in Richtung des Pfeils (F) umläuft, und anschließend aus der Austrittsdüse (69) durch den Spalt zwischen dem vorderen Endabschnitt (66C) mit großem Durchmesser und dem Außenzylinder (64) stranggepreßt.
BEISPIELE 1, 2 UND 3 UND VERGLEICHSBEISPIEL 1
Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 wurde in den Beispielen 1, 2 und 3 verwendet und wies folgende Daten auf: einen Innendurchmesser von 50 mm beim ersten Zylinder (4) der Strangpresse (1); einen Innendurchmesser von 65 mm des zweiten Zylinders (16) der Kühl-Strangpresse (2); einen Innendurchmesser von 50 mm des Stators (34) des Mischers (3); einen Spalt von 0,4 mm zwischen dem Stator (34) und dem Rotor (31); sechs Hohlformen jeweils in Umfangsrichtung des Stators (34) und des Rotors (31) und sieben Reihen Hohlformen (35, 36) in Axialrichtung von Stator und Rotor; jeweils Durchmesser von 23 und 24,5 mm der halbkugelförmigen Hohlformen (35, 36); Tiefen von 8 und 9,5 mm der Hohlformen (35, 36); Abstände von 22 mm zwischen den Mittelpunkten der Hohlformen in Axialrichtung; 106 l/min des Rotors des Mischers (3); eine Temperatur von 123°C der geschmolzenen Masse am Ausgang der Kühl-Strangpresse (2); eine Breite von 100 mm und eine Höhe von 1 mm der Austrittsdüse (22) der Strangpreßform (21).
100 Gew.-Teilen Polystyrol als Ausgangsharz wurden gleichmäßig von 0,3 Gew.-Teilen feinpulverigen Talkums als Kristallisationskernbildungsmittel und 2,0 Gew.-Teilen Hexabromcyclododecan als feuerhemmendes Mittel gemischt und der Schneckenstrangpresse (1) zugeführt, die derart betrieben wurde, um die Masse in einer Menge von 55 kg/Stunde strangzupressen. Zusätzlich wurden 12,5 Gew.-Teile Dichlordifluormethan als Treibmittel aus der Einlaßöffnung (9) für das Treibmittel zu 100 Gew.-Teilen des thermoplastischen Ausgangsharzes unter Druck zugegeben. Dabei wurden geschäumte Platten mit einer Breite von etwa 250 mm, einer Stärke von 25 mm und einer Dichte von 40 kg/m3 mittels einer an der Strangpreßform (21) befestigten Kalibriervorrichtung (siehe Tabelle 1) erhalten.
Die für die Beispiele 2 und 3 dargestellten Ergebnisse wurden mittels ähnlicher Prüfungen erhalten, die unter Änderung der Menge des Treibmittels und der Drehzahl des Rotors (31) durchgeführt wurden. Das Vergleichsbeispiel gemäß Tabelle 1 zeigt einen Fall, bei welchem der Mischer (3) von der Vorrichtung gemäß Fig. 1 entfernt wurde.
BEISPIEL 4 UND VERGLEICHSBEISPIEL 2
Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 wurde bei diesem Beispiel verwendet und wies folgende Daten auf: einen Innendurchmesser von 50 mm des ersten Zylinders (4) der Strangpresse (1); einen Innendurchmesser von 65 mm des zweiten Zylinders der Kühl-Strangpresse (2); einen Innendurchmesser von 90 mm des Stators (34) des Mischers (3); einen Spalt von 0,2 mm zwischen Stator (34) und Rotor (31); 10 Hohlformen jeweils in Umfangsrichtung des Stators (34) und des Rotors (31) und 7 Reihen Hohlformen (35, 36) in Axialrichtung derselben; jeweils Durchmesser von 27 und 28 mm der halbkugelförmigen Hohlformen (35, 36); Tiefen von 8 und 9,5 mm der Hohlformen (35, 36); Abstände von 25 mm zwischen den Mitten der Hohlformen in Axialrichtung; 100 l/min des Rotors des Mischers (3), eine Temperatur von 159°C der durch die Kühlstrangpresse (2) hindurchtretenden geschmolzenen Masse, einen Durchmesser von 60 mm und einen Spalt von 0,6 mm der Austrittsdüse (22) der Strangpreßform (21) in Gestalt eines kreisförmigen Schlitzes.
100 Gew.-Teile Polystyrol als thermoplastische Ausgangsmasse wurde gleichförmig mit 2,0 Gew.-Teilen feinpulverisierten Talkums als Kristallisationskernbildungsmittel gemischt und der Schneckenstrangpresse (1) zugeführt, die derart betrieben wurde, daß die Masse in einer Menge von 28 kg je Stunde stranggepreßt wurde. Zusätzlich wurden 3,5 Gew.-Teile Butan als Treibmittel aus der Einlaßöffnung (9) für das Treibmittel zu 100 Gew.-Teilen der thermoplastischen Ausgangsmasse unter Druck zugegeben. Dabei wurden sehr fein geschäumte Folien mit einer Breite von 633 mm, einer Stärke von 25 mm und einem Einheitsgewicht von 179 kg/m2 gekühlt und mittels eines Kühldorns kalibriert, der an der Strangpreßform in einem Abstand befestigt und an einer Stelle in Strangpreßrichtung geschlitzt war.
Schließlich wurden die auf diese Weise erhaltenen Schaumstoffe während mehrerer Tage bei Raumtemperatur gealtert und anschließend wurde der Zelldurchmesser gemäß ASTM D 2842-69 (American Societ for Testing Materials) gemessen, wobei die Schaumstoffe während 12 Sekunden auf 120°C erhitzt wurden, um die sekundäre Schaumstärke alpha beta zu prüfen, die ein Maß für die Formbarkeit darstellt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
Ein ähnlicher Test, bei welchem der Mischer (3) von der in Beispiel 4 verwendeten Vorrichtung entfernt war, wurde durchgeführt, um geschäumte Folien mit einer Stärke von etwa 2 mm, einer Breite von 633 mm und einem Einheitsgewicht von 176 g/m2 zu erhalten, wobei die Temperatur des Thermoplasten auf 158°C eingestellt wurde. Dabei wurde jedoch eine Anzahl pulverförmiger Talkkonzentrationen in den grobzelligen Folien beobachtet. Das sekundäre Schäumen war ebenfalls schlechter.
Tabelle 2
BEISPIEL 5
Die in Beispiel 4 verwendete Vorichtung wurde bei diesem Beispiel verwendet, mit der Maßgabe, daß die Strangpreßform (21) und der Kühldorn gemäß Anspruch 1 verwendet wurden.
Bei einer derart aufgebauten Vorrichtung wurde Polyethylen als thermoplastische Ausgangsmasse verwendet. 100 Gew.-Teile der thermoplastischen Ausgangsmasse wurde mit 10 Gew.-Teilen eines gegenseitigen Imprägnierungspolymeren (Piocelan; Warenzeichen; von Sekisui Kaseihin Kogyo K.K.) gemischt, das durch Imprägnierung eines Styrolmonomeren in einem Polyethylen-Kunststoff unter Polymerisierung des Monomeren erhalten wurde und das aus 30 Gew.% Ethylen und 70 Gew.% Styrol besteht und 18,6 Gew.% Vernetzungsverhältnis aufweist, sowie 0,5 Gew.-Teile Talkum als Kristallisationskernbildungsmittel. Das Vernetzungsverhältnis kann beispielsweise erhalten werden, indem ein Anteil der unlöslichen Komponente der Prüfungseinheit in kochendem Xylen gemessen wird. Ein auf diese Weise erhaltenes Gemisch wurde der Strangpresse in einer Menge von 30 kg je Stunde zugeführt.
Andererseits wurden 14 Gew.-Teile eines Gemisches aus 70 Gew.-Teilen aus Dichlordifluormethan und 30 Gew.-Teilen Butan als Treibmittel unter Druck zugeführt. Das Strangpressen erfolgte dann bei 100 l/min am Mischer (3) und Kühlen auf eine Temperatur von 110°C für den geschmolzenen Thermoplasten, der zum Schäumen durch die Kühlstrangpresse geleitet wurde. Die erhaltenen Schaumstoffe waren äußerlich feine, gleichmäßig geschäumte Platten mit einer Stärke von etwa 20 mm, einer Breite von 230 mm und einer Dichte von 33 kg/m3.
VERGLEICHSBEISPIEL 3
Dieses Beispiel wurde entsprechend dem Verfahren des Beispiels 5 ausgeführt, mit der Maßgabe, daß der Mischer (3) von der Vorrichtung entfernt wurde. Dabei traten als Folge einer schlechten Mischung und Verteilung des Piocelanharzes in hoher Dichte geschäumte Stellen auf und eine Anzahl von Treibmittelgasansammlungen. Es wurden nur geschäumte Platten mit ungleichmäßigen Oberflächen erhalten.
Unter Bezugnahme auf Fig. 6 wird nunmehr eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschrieben. In Fig. 6 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche und entsprechende Bauelemente der Fig. 1 und 4, in welchen eine Strangpresse (1) und ein Kühler (63) parallel angeordnet sind aber ihre Achsen gegeneinander versetzt sind. Eine Leitung (32a) zur Zuführung der thermoplastischen Masse verbindet die Auslaßöffnung (11) der Strangpresse (1) und die Spritzöffnung (67) des Kühlers (63). Das Bezugszeichen (31) bezeichnet einen Rotor, der konzentrisch an eine Säule (7) angeschlossen ist, die am vorderen Ende einer Schnecke (5) montiert ist und der eine Anzahl als Ausnehmungen ausgebildete einzelne halbkugelförmige Hohlformen (35, 36) aufweist, die jweils an der Außenseite des Rotors (31) und der Innenseite eines Zylinders (4) angebracht sind, der dem Rotor gegenüber liegt. Die Hohlformen (35) des Zylinders (4) und die Hohlformen (36) des Rotors (31) überlappen sich jeweils, um einen Mischer zu bilden, durch den die Kunststoffmasse gefördert wird.
Die Länge des Rotors (31) sollte zwei- bis achtmal (vorzugsweise vier- bis achtmal) so groß wie der Durchmesser der Schnecke (5) sein. Ist die Länge kürzer als das Doppelte des Durchmessers, so erfolgt das Kneten nicht ausreichend, wohingegen eine zu starke Erwärmung eintritt, falls sie mehr als das 8fache des Durchmessers beträgt.
Die Länge der Säule (7) ist normalerweise das 1- bis 7fache (vorzugsweise das 2- bis 5fache) des Durchmessers der Schnecke (5). Ist die Länge kleiner als der Schneckendurchmesser, so ist das Vorkneten nicht ausreichend, wohingegen die Knetwirkung nicht weiter verbessert wird, falls die Länge mehr als das 7fache des Durchmessers beträgt.
Der Querschnittsbereich, bei welchem der Thermoplast durch die Säule (7) hindurchtritt, ist größer bemessen (vorzugsweise das 1,5- bis 3fache) als das vordere Ende der Schnecke (5). Im anderen Falle wird die Menge des der Säule (7) zugeführten Thermoplasten extrem groß und macht ein ausreichendes Kneten unmöglich. Für die an der Säule (7) vorgesehenen Vorsprünge (8) werden säulenartige Stifte, Schneckenabschnitte und Dulmage-Schrauben (vgl. US 2,753,595) verwendet.
Die Schnecke (5) und die Hauptwelle (66) laufen jeweils in Richtung der Pfeile (A) und (F) um und der Thermoplast wird dem Zylinder (4) über die Einlaßöffnung (12) zugeführt. Der Thermoplast wird durch die Schnecke (5) in Richtung des Pfeils (D) gefördert und durch die Heizvorrichtung (14) während dieser Zeit erhitzt und geschmolzen. Das Treibmittel wird von der Einlaßöffnung (9) dem geschmolzenen Thermoplasten unter Druck zugegeben, wobei Treibmittel und Thermoplast einleitend miteinander vermischt werden. Anschließend wird der das Treibmittel enthaltende Thermoplast veranlaßt, in den Spalt zwischen dem Rotor (31) und dem Zylinder (4) einzutreten und wird durch die Hohlformen (35, 36) geknetet, so daß das Treibmittel gleichmäßig im Thermoplasten verteilt werden kann. Der Grundgedanke des Knetvorganges ist der gleiche wie er in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben wurde. Der Thermoplast, in welchem das Treibmittel gleichmäßig verteilt wurde, wird zum Außenzylinder (64) des Kühlers (63) über die Zuführleitung (32a) zugeführt und anschließend in Richtung des Pfeils (E) über die ringförmigen Vorsprünge (66D) gefördert. Der Thermoplast wird mittels hürdenartig geformter Knetstäbe geknetet, die in Richtung des Pfeils (F) umlaufen, gelangt, nachdem er in der erforderlichen Weise gekühlt wurde, durch den Spalt zwischen dem vorderen Endabschnitt (66C) mit großem Durchmesser und dem Außenzylinder (64) und wird schließlich von der Auslaßöffnung (69) zum Schäumen stranggepreßt.
BEISPIEL 6 UND VERGLEICHSBEISPIEL 4
Es wurde die in Fig. 6 dargestellte Vorrichtung verwendet, die folgenden Daten aufwies: einen Innendurchmesser des ersten Zylinders (4) der Strangpresse (1) von 50 mm; einen Durchmesser der Schnecke (5) von 50 mm; eine Länge der Säule (7) von 250 mm; eine Länge des Rotors (31) von 250 mm; einen Spalt zwischen dem Rotor (31) und dem Zylinder (4) von 0,4 mm; 6 Hohlformen jeweils in Umfangsrichtung des Rotors (31) und des Zylinders (4) und 7 Reihen Hohlformen (35, 36), jeweils in Axialrichtung derselben; einen Durchmesser der halbkugelförmigen Hohlformen (35, 36) von jeweils 23,0 und 24,5 mm, eine Tiefe der Hohlformen (35, 36) von jeweils 8 und 9,5 mm, einen Abstand von 22 mm zwischen den Hohlformen in Axialrichtung; eine Drehzahl der Schraube (5) von 106 l/min eine Temperatur der durch den Kühler (63) hindurchtretenden geschmolzenen Masse von 123°C, eine Breite der Austrittsdüse (69) der Strangpreßform (68) von 100 mm und eine Höhe derselben von 1 mm.
100 Gew.-Teile Polystyrol wurden als thermoplastische Ausgangsmasse gleichmäßig mit 0,3 Gew.-Teilen Talkum als Kristallisationskernbildungsmittel sowie 2,0 Gew.-Teilen Hexabromcyclododecan als feuerhemmendes Mittel gemischt und der Schneckenstrangpresse (1) zugeführt, die derart betrieben wurde, um die Masse in einer Menge von 55 kg/Stunde strangzupressen. Darüber hinaus wurden 12,5 Gew.-Teile Dichlordifluormethan als Treibmittel aus der Einlaßöffnung (9) für das Treibmittel für 100 Gew.-Teile der thermoplastischen Ausgangsmasse unter Druck zugegeben. Dabei wurden geschäumte Platten von einer Breite von etwa 250 mm, einer Stärke von 25 mm und einer Dichte von 40 kg/m3 mittels einer an der Strangpreßform (21) angebrachten Kalibriereinrichtung erhalten (siehe Tabelle 3).
Beim Vergleichsbeispiel 4 wurde der Rotor (31) entfernt, so daß die Hohlformen (35) des Zylinders (4) nicht verwendet wurden.
Wie aus Tabelle 3 ersichtlicht ist, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung gleichmäßig geschäumte Massen erhalten werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung einer geschäumten thermoplastischen Masse mit folgenden Verfahrensschritten:
  • a) Schmelzen der thermoplastischen Masse mittels einer Schneckenstrangpresse (1),
  • b) Zugabe eines Treibmittels zum geschmolzenen Thermoplasten,
  • c) Mischen des Treibmittels und des geschmolzenen Thermoplasten in einem ggf. beheizbaren Mischer (3) in solcher Weise, daß dieses Gemisch durch einen von einem mit halbkugelförmigen Hohlformen (36) versehenen inneren Rotor (31) und einen mit halbkugelförmigen Hohlformen (35) versehenen äußeren Stator (34) gebildeten schmalen Spalt bewegt wird und dabei das Treibmittel homogen im Thermoplasten verteilt wird,
  • d) Kühlen des durch das Mischen erhaltenen Gemisches aus Treibmittel und Thermoplasten auf eine zum Schäumen geeignete Temperatur.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermoplast und das Treibmittel vor dem Verfahrensschritt c) vorgemischt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischintensität im Verfahrensschritt c) unabhängig von der Schneckenstrangpresse (1) einstellbar ist.
4. Vorrichtung zur Herstellung einer geschäumten thermoplastischen Masse, mit
  • - einer Schneckenstrangpresse (1) zum Schmelzen der thermoplastischen Masse,
  • - einer Einlaßöffnung (9) für ein Treibmittel,
  • - einem stromabwärts der Einlaßöffnung (9) angeordneten und der Schneckenstrangpresse (1) nachgeordneten Mischer (3), der einen Rotor (31) und einen Stator (34) aufweist, wobei
  • - der Rotor (31) in dem Stator (34) derart gelagert ist, daß er einen Spalt bildet,
  • - der Rotor (31) an seiner Außenseite halbkugelförmige Hohlformen (36) aufweist,
  • - der Stator (34) an seiner Innenseite halbkugelförmige Hohlformen (35) aufweist,
  • - sich die halbkugelförmigen Hohlformen (36) des Rotors (31) und die halbkugelförmigen Hohlformen (35) des Stators (34) während der Rotordrehung gegenseitig überlappen, und
  • - dem Mischer (3) eine Kühlvorrichtung (2) nachgeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (31) des Mischers (3) unabhängig von der Schnecke der Schneckenstrangpresse antreibbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (31) des Mischers (3) mit dem vorderen Ende der Schnecke der Schneckenstrangpresse gekoppelt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch einen Vormischer (6; 59) zwischen der Schneckenstrangpresse (1) und dem Mischer (3).
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