DE3630930A1 - Verfahren zur herstellung eines hartschaumstoffes mittels eines mikrowellen- oder hochfrequenzfeldes - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines hartschaumstoffes mittels eines mikrowellen- oder hochfrequenzfeldesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Hartschaumstoffes durch Erhitzen eines in der Hitze
schäumbaren harten organischen Kunststoffes mittels eines
den Schäumvorgang auslösenden Mikrowellen- oder
Hochfrequenzfeldes bzw. einer solchen Strahlung. Die
Erfindung betrifft insbesondere das Aufschäumen von
Kunststoffen, die ein zu wenigstens 80 Gew.-% aus
Einheiten der Acryl- oder Methacrylsäure und des Acryl-
oder Methacrylnitrils aufgebautes Mischpolymerisat und ein
Treibmittel enthalten. Beim Erhitzen entstehen aus den
Säure- und Nitrilgruppen Acryl- bzw.
Methacrylimideinheiten.
G. Menges, G. Hahn und H. Reichstein beschreiben im
PLASTVERARBEITER, Bd. 34, 1883, S. 1488-92, die Herstellung
eines vernetzten Polyäthylen-Schaumstoffes. Polyäthylen-
Formmasse wird zusammen mit Treib- und Vernetzungsmitteln
in einem Extruder aufgeschmolzen und homogenisiert, zu
einem Strang extrudiert und mittels einer
Mikrowellenstrahlung bis zum Aufschäumen erhitzt. Bei
diesem Verfahren entspricht es der Wirtschaftlichkeit, den
Strang nach der Extrusion nicht abzukühlen, sondern
unmittelbar der Mikrowellenstrahlung auszusetzen.
Die Herstellung von Hartschaumstoffen, beispielsweise von
Polymethacrylimid-Schaumstoffen, durch Erhitzen einer
harten Tafel aus einem beim Erhitzen schäumbaren
Kunststoff ist aus der DE-PS 18 17 156 bekannt. Die Tafel
wird in einem Wärmeschrank auf die Schäumtemperatur
erhitzt, was wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit von
organischen Kunststoffen ein langwieriger Vorgang ist. Aus
der DE-OS 33 04 882 ist es auch schon bekannt, einen
Polymethacrylimid-Schaumstoff durch Mikrowellen zu
erhitzen, um eine weitere Ausdehnung des Schaumstoffes
hervorzurufen.
Versuche, das Aufschäumen einer harten Tafel aus einem in
der Hitze schäumbaren Kunststoff durch Einwirkung von
Mikrowellen anstelle eines Wärmeschrankes auszulösen,
erwiesen sich als erfolglos. Zwar wird erwartungsgemäß die
Tafel in ihrer ganzen Dicke gleichzeitig erwärmt, sofern
sie die erforderlichen Mikrowellenabsorptionseigenschaften
besitzt, jedoch entsteht stets ein unregelmäßig
geborstener Körper statt der erwünschten Schaumstofftafel.
Als Ursache wurde der frühzeitige Beginn des Schäumens im
Innern der Tafel festgestellt, so daß die äußeren Bereiche
platzen und aufreißen. Diese Gefahr besteht bei weichen
und zähen Kunststoffen nicht.
Es wurde gefunden, daß man im Mikrowellen- oder
Hochfrequenzfeld gleichmäßige Schaumstofftafeln erhält,
wenn man eine harte Tafel des schäumbaren Kunststoffes
vorerhitzt, bis wenigstens ein Teil seiner Oberfläche die
Erweichungstemperatur erreicht oder überschritten hat, und
danach das den Schäumvorgang auslösende Mikrowellen- oder
Hochfrequenzfeld bis zur Aufschäumung einwirken läßt.
Wesentlich ist, daß nicht eher eine solche Mikrowellen-
oder Hochfrequenzleistung auf die schäumbare
Kunststofftafel einwirkt, die den Beginn des
Schäumvorgangs auslöst, als bis wenigstens ein Teil der
Oberfläche thermisch erweicht ist. Die Art der Erwärmung
spielt keine Rolle, solange diese Voraussetzung erfüllt
ist. Wenn die Vorwärmung mittels eines Mikrowellen- oder
Hochfrequenzfeldes durchgeführt wird, muß dessen Stärke so
bemessen sein, daß noch keine Schäumung eintritt. Erst
wenn die Oberfläche erweicht, kann die Leistung des Feldes
so gesteigert werden, daß der Schäumvorgang beginnt. Der
entstehende Schaum verformt die erweichte Oberfläche
kissenförmig. In dem Maße, wie die Erweichung der
Oberfläche fortschreitet, werden weitere Bereiche der
Kunststofftafel unter Volumenzunahme geschäumt, bis die
ganze Tafel in einen Schaumstoffkörper übergegangen ist.
Durch die thermische Erweichung der Oberfläche ist
gewährleistet, daß der Kunststoffkörper dem Schäumvorgang
folgen kann, ohne daß es durch den Schäumdruck zu
örtlichen Spannungen kommt, die zum Bruch des Kunststoffes
führen würden. Sobald derartige Brüche auftreten, ist die
Ausbildung einer gleichmäßigen Schaumstofftafel in der
Regel nicht mehr möglich.
Es ist nicht erforderlich, daß beim Beginn des
Schäumvorganges bereits die ganze Oberfläche der
Kunststofftafel erweicht ist, sofern eine zusammenhängende
Zone thermisch erweichten Materials sich von der
Oberfläche bis zu dem Bereich des Schäumbeginns erstreckt.
Diese Voraussetzung wird in der Praxis immer erfüllt sein,
weil die Kunststofftafel in der Umgebung der erweichten
Oberflächenzone der Schäumtemperatur am nächsten ist, so
daß sie dort bei der Einwirkung des Mikrowellen- bzw.
Hochfrequenzfeldes zuerst erreicht wird. In der gleichen
Weise hält auch die Ausdehnung des erweichten
Oberflächenbereichs mit der fortschreitenden Schäumung
Schritt, bis schließlich die gesamte Oberfläche erweicht
ist. Von diesem Zeitpunkt an ist die Gefahr der Bildung
von Spannungsbrüchen ausgeschlossen. Der Schäumvorgang
setzt sich ungehindert bis zur vollständigen Aufschäumung
der ganzen Tafel fort.
Als Erweichungstemperatur wird die Temperatur angesehen,
bei der sich der Kunststoff unter der Einwirkung des
Schäumdruckes elastisch dehnt, ohne zu brechen. Die
Temperatur, bei der dieser Zustand eintritt, kann
überschritten werden, jedoch soll der Temperaturbereich
der plastischen Verformbarkeit möglichst nicht erreicht
werden.
Zum Vorerhitzen der schäumbaren Kunststofftafel ist jede
Wärmequelle verwendbar, mit der die Erweichungstemperatur
an der Oberfläche erreicht werden kann. Geeignet ist z.B.
ein Wärmeschrank, in welchem eine entsprechend erhitzte
Atmosphäre, in der Regel Luft, auf die Oberfläche der
Tafel einwirkt. Ebenso kann man eine Wärmestrahlung auf
die Oberfläche einwirken lassen. Die Erhitzung durch
Wärmeübertragung von einem flüssigen Medium oder einer
heißen Festkörperfläche ist ebenfalls möglich, aber
meistens weniger zweckmäßig.
Wie oben erwähnt, können Mikrowellen- oder
Hochfrequenzfelder allein oder zusammen mit den genannten
Wärmequellen zur Vorerhitzung angewandt werden, wenn
sichergestellt wird, daß der Schäumvorgang nicht vorzeitig
im Innern ausgelöst wird. Zu diesem Zweck können Felder
von entsprechend geringer Stärke zur Anwendung kommen oder
man läßt das Feld nur kurzzeitig oder intermittierend
einwirken. Wenn die Erweichungstemperatur und die
Temperatur des Schäumbeginns dicht beieinanderliegen, ist
es schwierig, das Mikrowellen- oder Hochfrequenzfeld so zu
dosieren, daß die Schäumtemperatur im Innern nicht vor der
Erweichung der Oberfläche erreicht wird. Man läßt daher
vorzugsweise zusätzlich eine der genannten anderen
Wärmequellen unmittelbar auf die Oberfläche wirken.
Sobald ein Teil der Oberfläche die Erweichungstemperatur
erreicht hat, kann das zur Auslösung des Schäumvorgangs
geeignete Mikrowellen- oder Hochfrequenzfeld zur
Einwirkung kommen. Vorzugsweise geschieht dies erst, wenn
die Oberfläche der Kunststofftafel vollständig oder nahezu
vollständig die Erweichungstemperatur erreicht oder
überschritten hat. Es ist unschädlich, wenn der
Schäumvorgang an der Oberfläche bereits einsetzt. Die
weitere Erhitzung auf die Schäumtemperatur tritt schneller
als mit jeder anderen, nur von außen wirkenden Wärmequelle
ein.
Mikrowellenöfen, die sich für das Verfahren der Erfindung
eignen, sind bekannt und werden beispielsweise für
Trocknungsverfahren eingesetzt. Sie arbeiten mit
Wellenlängen im Bereich von 1 bis 50 cm. Die
gebräuchlichste Wellenlänge beträgt 12,3 cm entspr. 2450
MHz. Die Strahlung bzw. das Feld wird durch ein sog.
Magnetron erzeugt und in dem Mikrowellenofen möglichst
gleichmäßig verteilt. Je gleichmäßiger das Feld ist, um so
geringer ist die Gefahr, daß sich isolierte Schäumzonen
bilden, die nicht mit einer erweichten Oberflächenzone in
Verbindung stehen. Hinsichtlich des Aufbaus und des
Betriebs von Mikrowellenerzeugern sei auf die einschlägige
Literatur verwiesen; vgl. H. Püschner, "Wärme durch
Mikrowellen", Philips Technische Bibliothek, 1964; G.
Nimtz, "Mikrowellen", Carl Hanser Verlag, 1980. Es
versteht sich von selbst, daß die Leistung des
Mikrowellenerzeugers der Größe der aufzuschäumenden
Kunststofftafel und der erforderlichen Schäumtemperatur
angemessen sein muß.
Hochfrequenzgeneratoren, die sich für das Verfahren der
Erfindung eignen, arbeiten bei Wellenlängen von 1 bis 50
m. Eine gebräuchliche Wellenlänge ist 11 m entspr. 127,12
MHz. Sie werden zum Schweißen von Kunststoffen und zum
Aufschäumen von befeuchteten Polystyrolperlen eingesetzt
(Vgl. "Kunststoff-Physik im Gespräch", Firmenschrift der
BASF AG, 1969, S. 179). Auch hier ist eine möglichst
gleichmäßige Feldverteilung vorteilhaft.
Das Erhitzen eines Stoffes im Mikrowellen- oder
Hochfrequenzfeld setzt voraus, daß der Stoff die
entsprechende Strahlung absorbiert. Das ist der Fall, wenn
der Stoff ausreichende Anteile an polaren Strukturen
aufweist. Solche Strukturen können Bestandteil der
Polymermoleküle sein, aus denen der Kunststoff aufgebaut
ist, oder sie können in beigemengten niedermolekularen
Stoffen, beispielsweise Wasser oder Formamid, enthalten
sein. Kunststoffe mit polaren Strukturen sind z. B.
solche, die Carbonyl-, Carboxyl-, Hydroxyl-, Halogen-,
Amino- oder Carbonamidogruppen enthalten.
Dem Verfahren der Erfindung sind besonders solche
Kunststoffe zugänglich, die ein zu wenigstens 80 Gew.-% aus
Einheiten der Acryl- oder Methacrylsäure und des Acryl-
oder Methacrylnitrils aufgebautes Mischpolymerisat und ein
beim Erhitzen gas- bzw. dampfbildendes Treibmittel
enthalten. Geeignete Treibmittel sind z.B. Formamid,
Monomethylformamid, Harnstoff, Wasser, niedere
aliphatische Alkohole. Diese Kunststoffe erweichen bei 140
bis 150 Grad C und beginnen bei 160 bis 180 Grad C zu
schäumen. Gleichzeitig findet eine Umsetzung von
polymersierten Einheiten des Acryl- oder Methacrylnitrils
und solchen der Acryl- oder Methacrylsäure zu Einheiten
des Acryl- bzw. Methacrylimids statt. Schaumstoffe auf
Basis von Polymethacrylimid haben besondere technische
Bedeutung erlangt.
Tafeln aus einem derartigen Kunststoff von beispielsweise
1 bis 4 cm Dicke werden zweckmäßig in einem Wärmeschrank
mit Luftumwälzung bei 170 bis 200 Grad C bis zur
Erweichung der Oberfläche erhitzt und dann einem
Mikrowellenfeld ausgesetzt. Die Vorerhitzung dauert in der
Regel etwa 5 bis 30 min, die Mikrowellenbehandlung etwas
kürzer. Demgegenüber wird bei alleiniger Schäumung mittels
Warmluft eine Schäumzeit von etwa 2 Stunden benötigt.
Zur Herstellung einer Platte aus Polymethacrylimid-
Schaumstoff wurde eine Platte mit den Abmessungen
70×70×23 mm aus einem harten schäumbaren Kunststoff
mit einer Erweichungstemperatur von 160 Grad C, enthaltend
ein Mischpolymerisat aus Methacrylsäure und
Methacrylnitril im Molverhältnis 3:2 und 8%, bez. auf
das Polymerisatgewicht, eines aus Formamid und tert.
Butanol bestehenden Treibmittelgemisches, in einem
Heißluftofen innerhalb 30 min auf eine etwa gleichmäßige
Oberflächentemperatur von 160 Grad C vorgewärmt und danach
6 min lang mit einem Mikrowellenfeld behandelt, dessen
Leistung durch einen Arbeitszyklus von jeweils 10 sec
Strahlungszeit und 50 sec Pausenzeit geregelt wurde. Es
entstand ein Schaumstoffblock mit einer Dichte von 38
kg/cbm.
Der verwendete Mikrowellenofen (Sharp, Modell R 8000 E)
hatte eine Leistungsaufnahme von 1,4 kW im Heißluftteil
und von 1,3 kW im Mikrowellenteil mit einer
Leistungsabgabe von 650 W bei 2 l Wasserbelastung und war
so umgerüstet, daß Mikrowellen- und Heißluftbetrieb
gleichzeitig möglich waren. Dadurch konnte das gesamte
Schäumverfahren in der gleichen Anlage durchgeführt
werden, indem während der Vorheizzeit nur mit Heißluft
gearbeitet und zur Aufschäumung die Mikrowellenheizung
hinzugeschaltet wurde.
Zur Herstellung einer Platte aus
Polymethacrylimidschaumstoff wurde eine Platte mit den
Abmessungen 120×120×23 mm aus einem harten schäumbaren
Kunststoff mit einer Erweichungstemperatur von 180 Grad C,
enthaltend ein schwach vernetztes Mischpolymerisat aus
gleichen Molteilen Methacrylnitril und Methacrylsäure und
10%, bez. auf das Polymerisatgewicht, eines
Treibmittelgemisches aus Formamid und tert. Butanol, in
einem Heißluftofen in 30 min auf eine etwa gleichmäßige
Oberflächentemperatur von 180 Grad C vorgewärmt.
Zur Aufschäumung wurde die vorgewärmte Platte zwischen die
Elektroden eines Hochfrequenzofens (Modell HGV 4001 der
Firma Herfurth GmbH.) mit einer Nutzleistung von 4 kW bei
einer Frequenz von 27,12 MHz gelegt. Die Elektroden hatten
eine Größe von 400×400 mm. Zur Fokussierung des
elektrischen Feldes wurden auf die Flächen der
vorgewärmten Platte zwei auf die gleiche Temperatur
vorgewärmte Formelektroden aus Aluminium mit einer Größe
von 80×80×10 mm und abgerundeten Ecken aufgelegt. Der
Schäumprozeß wurde mit einer Stromstärke von 0,4 A
eingeleitet und nach 5 min beendet. Es war ein
Schaumstoffblock mit einer Dichte von 48 kg/m3 entstanden.
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung eines Hartschaumstoffes
durch Erhitzen eines in der Hitze schäumbaren, harten
organischen Kunststoffes mittels eines den
Schäumvorgang auslösenden Mikrowellen- oder
Hochfrequenzfeldes,
dadurch gekennzeichnet,
daß man eine harte Tafel des schäumbaren Kunststoffes
vorerhitzt, bis wenigstens ein Teil ihrer Oberfläche
die Erweichungstemperatur erreicht oder überschritten
hat, und danach das den Schäumvorgang auslösende
Mikrowellen- oder Hochfrequenzfeld bis zur
Aufschäumung einwirken läßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine harte Kunststofftafel eingesetzt wird, die
ein zu wenigstens 80 Gew.-% aus Einheiten der Acryl-
oder Methacrylsäure und des Acryl- oder
Methacrylnitrils aufgebautes Mischpolymerisat und ein
beim Erhitzen gas- bzw. dampfbildendes Treibmittel
enthält.
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