DE3722539A1

DE3722539A1 - Geschaeumter formkoerper

Info

Publication number: DE3722539A1
Application number: DE19873722539
Authority: DE
Inventors: Adolf Wegmann
Original assignee: Storopack Hans Reichenecker GmbH
Current assignee: Storopack Hans Reichenecker GmbH
Priority date: 1987-07-08
Filing date: 1987-07-08
Publication date: 1989-01-19
Also published as: US5108673A

Description

Die Erfindung betrifft ein thermoplastisches Kunststoffgranulat mit einem inkorporierten Expansionsmittel und ein Verfahren zu dessen Herstellung bzw. eine Verwendung derartigen Kunststoffgranulats zum Herstellen von geschäumten Formkörpern.

Geschäumte Formkörper finden bspw. als Verpackungsmaterial einen weit verbreiteten Einsatz. Die geschäumten Formkörper sind dabei so ausgebildet, daß sie einerseits an einer Innenseite einen Negativabdruck der Außenkontur des zu verpackenden Gegenstandes darstellen und andererseits mit der Außenseite z.B. gerade in einen Karton bzw. in eine Kiste hineinpassen. Der zu verpackende Gegenstand soll dadurch rundum, bspw. beim Transport, vor Beschädigungen geschützt werden. Bei größeren Gegenständen ist es auch üblich lediglich an den empfindlichen Ecken oder Kanten derartige schützende Formkörper vorzusehen.

Bei der Herstellung der Formkörper wird so verfahren, daß zunächst das Kunststoffmaterial, meist Polystyrol, mit einem Expansionsmittel versehen wird. Ein gebräuchliches Expansionsmittel ist dabei n-Pentan, das dem plastifizierten Kunststoffmaterial in einem Extruder zugeführt wird. Durch rasches Abkühlen des aus dem Extruder austretenden Materials bleibt das Expansionsmittel in der Kunststoffmatrix inkorporiert. Das Kunststoffmaterial wird dann üblicherweise granuliert und ist so im Handel erhältlich. Vor der endgültigen Verarbeitung zu Formkörpern werden die Granulatkörper durch eine Wärmebehandlung auf ein gewisses Maß vorgeschäumt. Bei dieser Wärmebehandlung dehnt sich das in der Kunststoffmatrix inkorporierte Expansionsmittel aus und bläht das Granulat zu Kunststoffkörperchen vorbestimmter Größe auf. Dabei wird im aufgeblähten Körperchen eine schaumartige Zellstruktur mit wabenartigen kugelförmigen Hohlräumen aufgebaut, in denen das Expansionsmittel aufgenommen ist. Im endgültigen Schäumvorgang werden dann die vorgeschäumten Körperchen in einer geschlossenen Form unter weiterer Wärmebehandlung ausgeschäumt. Dabei dehnen sich die einzelnen, im wesentlichen kugelförmigen, vorgeschäumten Kunststoffkörper bzw. Pellets auf und verschmelzen bzw. verkleben über ihre Oberflächen zu einem einheitlichen Formkörper entsprechend der vorgegebenen Form.

Nachteilig an derartigen geschäumten Formkörpern ist, daß sie eine relativ großzellige und unregelmäßige Porenstruktur aufweisen. Deshalb muß ein hartes bzw. starres Kunststoffmaterial verwendet werden, um eine ausreichende Festigkeit des Formkörpers zu gewährleisten. Solche Formkörper weisen zwar eine gewisse plastische, jedoch eine äußerst geringe elastische, Verformbarkeit auf. Bei starker Belastung neigen sie dazu, entweder zu brechen oder einen Großteil der auftreffenden Energie im Sinne eines Impulsstoßes an den zu schützenden Gegenstand weiterzugeben, so daß weiterhin eine beträchtliche Beschädigungsgefahr für den zu schützenden Gegenstand gegeben ist.

Um eine Mindeststabilität zu gewährleisten liegen die Dichten derartiger Formkörper im Bereich von etwa 20 kg pro m³, so daß eine relativ großer Materialaufwand zur Herstellung der Formkörper notwendig ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein thermoplastisches Kunststoffgranulat der eingangs genannten derart zu verbessern, daß daraus hochbelastbare dämmende, d.h. insbesondere durch Stöße und Drücke belastbare, Formkörper geschaffen werden können, die bei einer geringen Dichte gleichzeitig eine erhöhte Elastizität aufweisen.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem thermoplastischen Kunststoffgranulat dadurch erreicht, daß es einen festen Bläschenbilder (Nukleierungsmittel) inkorporiert enthält, wobei dies bei einem Herstellungsverfahren dadurch geschieht, daß auf der Oberfläche des thermoplastischen Kunststoffgranulats zunächst ein Nukleierungsmittel aufgetrommelt, d.h. feinst verteilt, fest haftend aufgebracht wird und anschließend das so vorbereitete Kunststoffgranulat in einem Extruder unter Plastifizierung zu einer einheitlichen Masse vermischt wird, wobei der aus dem Extruder austretende Massenstrang unter Kühlung und Verhinderung einer Expansion in an sich bekannter Weise in eine Granulat übergeführt wird. Bei der Verwendung derartiger thermoplastischer Kunststoffgranulatkörper in einem an sich bekannten Verfahren zur Herstellung von geschäumten Formkörpern, wobei nach einem Vorschäumen des Kunststoffgranulats, die vorgeschäumten Körper unter Wärmebehandlung in einer Form zu Formkörpern ausgeschäumt werden, entsteht eine äußerst feinzellige Schaumstruktur, die dazu führt, daß der Formkörper eine erhöhte Elastizität aufweist. Die Formkörper sind in einem gewissen Maß elastisch deformierbar, d.h. nach Stößen oder Druckbelastungen nehmen sie wieder ihre ursprüngliche Form ein. Gleichzeitig vermindert die feinzellige Struktur, d.h. die erhöhte Anzahl an Verästelungen pro Volumenelement, die Bruchgefahr derartiger Formkörper. Desweiteren können überaschenderweise derartige Formkörper gegenüber herkömmlichen, unter Beibehaltung ihrer verbesserten Eigenschaften sogar noch eine geringere Dichte aufweisen. Die erfindungsgemäßen Formkörper können überall da Einsatz finden, wo derartige Eigenschaften von Nöten sind. D.h. neben Verwendung als Verpackungsmaterial auch als Dämmplatten in Fußböden, Wänden oder dgl.

Die Verwendung von Bläschenbildern (Nukleierungsmittel) ist an sich aus einem speziellen Bereich der Extrusionstechnik bekannt, nämlich bei der Herstellung sogenannter "loose-fill" Produkte. Dabei werden kleine Verpackungsfüllkörperchen (etwa 2-4 cm Größe) mit besonderer geometrischer Form, wie z.B. Halbschalen oder dgl., hergestellt, die deshalb eine besonders feinzellige Struktur aufweisen müssen, da bereits einige wenige größere Zellen in solch einem Körperchen, dessen Stabilität so beeinträchtigen würden, daß schon bei geringster mechanischer Belastung das Teilchen auseinanderbrechen würde. Bei dieser Technik werden das Kunststoffmaterial und das Nukleierungsmittel erst unmittelbar vor dem Verarbeitungsvorgang im Extruder vermischt und das austretende Kunststoffmaterial unmittelbar und ohne Kühlung an der Extruderöffnung abgeschnitten. Die abgeschnittenen Teilchen beginnen sofort zu expandieren. Das Nukleierungsmittel setzt dabei sofort in einer chemischen Reaktion ein Gas, meist Kohlendioxid, frei, das eine Bläschenkeimbildung verursacht, und zusammen mit dem Expansionsmittel zu einer Ausdehnung des Teilchens führt. Das Vorsehen von Nukleierungsmittel war somit auf diesen speziellen Zweck in der "loose-fill" Produktion bestimmt und bisher auch darauf beschränkt.

Besonders zweckmäßig ist ein thermoplastisches Kunststoffgranulat, dadurch daß der Gehalt an Bläschenbilder etwa 0,01 bis 0,05 Gewichtsprozent beträgt, wobei besonders vorteilhaft die mittlere Korngröße des Bläschenbilders 40 µm ist.

Ein besonders vorteilhafter, d.h. einerseits bruchfester und elastischer und gleichzeitig leichter Formkörper wird dadurch erhalten, daß expandierbares Polystyrol als thermoplastisches Material verwendet wird und zwar in einer derartigen Menge, daß die endgeschäumten Formkörper eine Dichte im Bereich von 5 bis 15 kg pro m³ aufweisen.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung näher beschrieben und erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zum Herstellen eines erfindungsgemäßen thermoplastischen Kunststoffgranulats bzw. von geschäumten Formkörpern.

Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zur Herstellung von thermoplastischem Kunststoffgranulat ist in Fig. 1 schematisch dargestellt und weist eine Trommel 5 auf, die mit Öffnungen 6 und 7 versehen ist, durch die das Kunststoffmaterial und das feingemahlene Nukleierungsmittel zugegeben werden. In die Trommel 5 werden ggf. weitere Zusätze wie Farbpigmente oder Fließhilfsmittel, ein solches ist bspw. unter dem Markennamen "Extrusil" bekannt, zugegeben. In der Trommel 5 werden dann die feinpulverigen Zusätze auf die Oberfläche der Kunststoffgranalien "aufgetrommelt". Aufgetrommelt bedeutet dabei, daß eine durch Adhäsionskräfte fest haftende und gleichmäßig verteilte Schicht auf die Oberfläche aufgetragen ist. Die Korngröße des Nukleierungsmittels beträgt dabei 40 µm.

Als Kunststoffmaterial wird sog. "expandierbares Polystyrol" (EPS) eingesetzt, d.h. ein Polymerisat von Styrol, das ein Expansionsmittel, bspw. n-Pentan, enthält. Das Expansionsmittel ist dabei gleichmäßig verteilt in die Kunststoffpolymer-Matrix inkorporiert.

In der Trommel 5 werden bspw. auf 45 kg EPS 4 g (0,0089%) Nukleierungsmittel und 10 g (0,022%) "Extrusil" beigegeben. Als Nukleierungsmittel wird das unter dem geschützten Markennamen "Hydrocerol" bekannt gewordene Mehrkomponenten- Nukleierungsmittel eingesetzt. Die Säurekomponente besteht dabei entweder aus hydrophobierter Anhydrozitronensäure oder aus Zitronensäuremonohydrat. Die zweite Komponente besteht aus Natriumhydrogencarbonat, das mit der Säurekomponente ab einer bestimmten Temperatur unter Bildung von Kohlendioxid reagiert und damit die Keime schafft.

Die "aufgetrommelten" Granalien gelangen über eine Fördervorrichtung 8 und eine Förderleitung 9 in einen Fülltrichter 14, dessen unteres Ende in einer Extrusionsvorrichtung 10 mündet.

Die Extrusionsvorrichtung 10 weist einen Antriebsmotor 11, ein Getriebe 12, eine Materialeinzugszone 13, die mit dem Fülltrichter 14 verbunden ist, und einen Extruder 15 auf.

Der Extruder 15 ist im Bereich seines vorderen Austrittsendes 16 mit einer Kühlung 17 versehen. Vom Ende 16 des Extruders 15 steht eine nach unten geneigte Austrittsdüse 18 vor, aus der ein geschmolzener Kunststoffstrang 19 austritt.

Unterhalb der Düse 18 ist ein Wassertank 20 angeordnet, der mit Wasser 21 gefüllt ist. Der Wasserstand im Tank 20 ist dabei derart, daß die Wasseroberfläche etwa in einem Abstand von 1 cm unterhalb der Austrittsöffnung der Düse 18 zum Liegen kommt.

Im Tank 20 ist eine Umwälzpumpe 22, sowie eine Kühlung 23 vorgesehen, um im Wassertank 20 eine Wassertemperatur von etwa 16°C zu halten.

Der aus der Düse 18 austretende Kunststoffstrang 19 erstarrt alsbald nach Eintreten in das Wasser 21 und wird über hier nicht aufgezeigte Leitrollen im Wassertank 20 geführt. Am Ende 24 tritt der Strang 19 wieder aus dem Tank 20 heraus. Die Länge des Wassertanks 20 beträgt dabei etwa 2,5 m.

Nach dem Austreten aus dem Wassertank 20 durchläuft der Kunststoffstrang 19 ein Rollenpaar 25 und wird einer Schneidevorrichtung 26 zugeführt. Das Rollenpaar 25 ist über eine hier nicht aufgezeigte Vorrichtung antreibbar und stellt eine Zugeinrichtung für den Kunststoffstrang 19 dar. Die Schneidevorrichtung 26 zerteilt den Kunststoffstrang 19 in kleine Abschnitte 27, die in einem Behälter 28 gesammelt werden.

Das so erhaltene Kunststoffgranulat, bestehend aus den Abschnitten 27, weist somit zusätzlich zum Expansionsmittel auch noch den Bläschenbilder (Nukleierungsmittel) in die Kunststoffmatrix inkorporiert auf. Das Kunststoffgranulat kann dann zunächst gelagert oder vertrieben werden oder unmittelbar einer weiteren Verarbeitung zu geschäumten Formkörpern zugeführt werden.

Bei der Weiterverarbeitung zu geschäumten Formkörpern werden die Abschnitte 27, d.h. also das Kunststoffgranulat, aus dem Behälter 28 von einem Gebläse 29 durch eine Leitung 30 in einen Speicherbehälter 31 gefördert. Vom Speicherbehälter 31 gelangen die Abschnitte 27 in einen Vorschäumer 32 und werden dort vorgeschäumt. Die vorgeschäumten Teilchen bzw. Pellets werden dann zunächst von einem weiteren Speicherbehälter 33 aufgenommen und gelangen von diesem in eine entsprechende Form 34 und werden darin endgeschäumt. Das Nukleierungsmittel im Granulat sorgt für einen äußerst feinzelligen Schaum, der im endgeschäumten Formkörper für die äußerst günstige Polstereigenschaften sorgt. Dieser Schaum kann auch als "elastifizierter Schaum" bezeichnet werden. Die Elastizität ist dabei derart, daß äußere Stöße oder Drücke durch elastische Verformung aufgefangen werden. Die Elastizität bzw. die damit verbundene Formänderung ist natürlich nur in einem gewissen Rahmen vorhanden, d.h. durch die kleinzellige vielfach verästelte Schaumstruktur findet eine Deformation nur in einem gewissen Ausmaß statt. Dabei wird durch innere Reibung ein erheblicher Betrag der aufgenommenen Energie vernichtet, gleichzeitig jedoch nach Wegnahme der Belastung wieder die ursprüngliche Form hergestellt. Ein vom Formkörper geschützter Gegenstand wird einerseits in oder zwischen den Formkörperteilen ortsfest gehalten, ohne daß er darin "schwimmt", und gleichzeitig werden äußere, auf den Formkörper einwirkende, Kräfte durch elastische Deformation auf das Schaumgerüst verteilt und aufgenommen. Dies ergibt sehr günstige Polstereigenschaften.

Der Einsatz dieses Materials ist aber nicht auf derartiges Verpackungsmaterial eingeschränkt, sondern kann noch vielseitig verwendet werden. So können bspw. beim Verlegen von Böden aus Steinplatten, unter diese Platten geschäumte Formkörperplatten gelegt werden, wodurch einerseits eine gute Isolierung erreicht ist und gleichzeitig, durch die elastische Polsterwirkung, auch eine Schalldämmung erreicht wird. Derartige Platten können auch an großflächigen Verbindungsstellen eingesetzt werden, die mechanischen Belastungen durch Druck oder Rüttelbewegungen ausgesetzt sind. Der "elastifizierte Schaum" sorgt dabei für die zuvor beschriebenen Polsterwirkungen, unter gleichzeitiger Wärme bzw. Schalldämmung.

Zum Erreichen dieser vorteilhaften Wirkungen ist gleichzeitig nur eine geringe Dichte des geschäumten Formkörpers notwendig. Bei der Verwendung von expandierbarem Polystyrol können, im Gegensatz zu den gebräuchlichen Dichten von etwa 20 kg pro m³, die Formkörper eine Dichte im Bereich von nur 5 bis 15 kg pro m³ aufweisen. Ursächlich dafür ist wiederum die feinzellige, stark verästelte Schaumstruktur, die bei geringer Materialdichte verbesserte Polstereigenschaften bei erhöhter Stabilität ermöglicht.

Claims

1. Thermoplastisches Kunststoffgranulat mit einem inkorporierten Expansionsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß es fein verteilt einen festen Bläschenbildner (Nukleierungsmittel) inkorporiert enthält.

2. Thermoplastisches Kunststoffgranulat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Bläschenbildner etwa 0,01 bis 0,05 Gewichtsprozent beträgt.

3. Thermoplastisches Kunststoffgranulat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Korngröße des Bläschenbildners 40 µm ist.

4. Verfahren zum Herstellen von thermoplastischem Kunststoffgranulat nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst auf die Oberfläche des thermoplastischen Kunststoffgranulats ein Bläschenbilder (Nukleierungsmittel) aufgetrommelt, d.h. feinst verteilt und fest haftend aufgebracht wird, und daß anschließend das so vorbereitete Kunststoffgranulat in einem Extruder (15) unter Plastifizierung zu einer einheitlichen Masse vermischt wird, wobei der aus dem Extruder (15) austretende Massenstrang (19) unter Kühlung und Verhinderung einer Expansion in an sich bekannter Weise in ein Granulat (27) übergeführt wird.

5. Verwendung des thermoplastischen Kunststoffgranulats nach Anspruch 1, 2 oder 3, in einem an sich bekannten Verfahren zum Herstellen von geschäumten Formkörpern, wobei nach einem Vorschäumen des Kunststoffgranulats dieses unter Wärmebehandlung in einer Form (34) zu Formkörpern ausgeschäumt wird.

6. Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß expandierbares Polystyrol als thermoplastisches Material verwendet wird und zwar eine derartige Menge, daß die endgeschäumten Formkörper eine Dichte im Bereich von 5 bis 15 kg pro m³ aufweisen.