DE4013287C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Schäumen, d. h. zur Aufschäumung von Stoffen aller Art, sowie zur Herstellung beliebiger Schaumprodukte.

Sowohl für industrielle und gewerbliche Zwecke als auch im Privatbereich werden eine Vielzahl unterschiedlichster geschäumter Produkte (Schaumstoffe aller Art, Schaumplatten und andere geschäumte Körper aus Hart- oder Weichschäumen, Formteile oder Halbzeuge wie Profil- und Dichtungsmaterial) sowie auch zahlreiche Schäume verwendet, die als thermodynamisch instabile aufgeschäumte Flüssigkeiten oder sich verfestigende stabile Schäume (z. B. Dichtungsmittel) genutzt werden. Die heute gebräuchlichsten Verfahren zur Herstellung von Schäumen und Schaumstoffprodukten verwenden als Treibmittel bzw. Hilfstreibmittel Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW). Bei der technischen Nutzung von FCKW und auch anderen Treibmitteln zur Schäumung wird die Phasenumwandlung dieser Stoffe (flüssig-gasförmig) und die damit verbundene Volumenvergrößerung ausgenutzt, die bei Normalbedingungen oder leicht erhöhten Temperaturen auftritt. Bei der Produktion solcher Schäume bzw. geschäumter Produkte, deren Lagerung und Verwendung sowie bei deren Vernichtung wird ein Teil der FCKW freigesetzt und führt somit zu einer Belastung der Umwelt.

Beispielsweise zum Aufschäumen von zum Verzehr bestimmten Flüssigkeiten werden zwar auch unschädliche Treibmittel in Form von Distickstoffoxiden benutzt, diese müssen jedoch unter starken Überdruck gesetzt und gehalten werden, so daß sie auf eine vergleichsweise geringe Schaumbildung an der Austrittsdüse von Druckbehältern beschränkt sind.

Insbesondere bei der Herstellung größerer Schaummengen bzw. geschäumter Produkte werden üblicherweise zwei oder mehr Substanzen zur chemischen Reaktion gebracht. Diese meist exotherm verlaufenden Reaktionen liefern die Wärme zur Phasenumwandlung des Treibmittels. Dieses muß in den zu schäumenden Substanzen homogen verteilt sein, um eine gute Schaumbildung zu gewährleisten. Flüssige Treibmittel, die keine Phasenumwandlung bei den gegebenen Druck- und Tempe­ raturbedingungen durchmachen, d. h. kein Gas liefern, sind für eine Schaumbildung ungeeignet. Feste Treibmittel (z. B. Azoverbindungen) und gasförmige Treibmittel (z. B. Kohlen­ dioxid) müssen sich bei den vorgegebenen Produktionsbedin­ gungen unter Abspaltung von Treibgasen zersetzen bzw. unter Schaumbildung entlösen können. Dies hat dazu geführt, daß in großem Maße Fluorchlorkohlenwasserstoffe angewandt werden.

In dem Artikel "Treibmittel für Kunststoffe" von H. Hurnik, Kunststoffe, Bd. 62, Seiten 687 bis 690, 1972, sind unterschiedliche physikalische und chemische Treibmittel vorgeschlagen. Unter anderem wird die Verwendung von Hydriden als chemisches Treibmittel erwähnt, das einen exothermen irreversiblen chemischen Zersetzungsvorgang unter Treibgas-Abspaltung ermöglicht. Auch in einer Reihe weiterer Schriften (DD 72 570, DE-PS 34 45 168, EP 00 67 674, EP 02 60 843) wird die Verwendung von Hydriden in Form stöchiometrischer Metallhydride eingegangen. Aus den Beschreibungen der angewandten Verfahren wird deutlich, welche Schwierigkeiten dabei zu bewältigen sind, die aggressiven Reaktionskomponenten, die die Freisetzung des Wasserstoffs aus den stöchiometrischen Hydriden (z. B. von Natrium) durch Einwirkung von Säuren ermöglichen, in der nötigen homogenen Mischung und zu einem geeigneten Zeitpunkt zusammenzubringen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein umweltfreundliches, einfaches Verfahren zur Herstellung von Schäumen und Schaumprodukten anzugeben, das unter möglichst vielfältigen Bedingungen durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach wird allein durch Temperatur oder Druckänderung der als Treibmittel wirkende Wasserstoff aus Hydridmaterial-Wasserstoffspeichersystemen, wie sie in Form von Metallhydriden an sich bekannt sind, freigesetzt. Zu Wasserstoffspeichersystemen dieser Art zählen beispielsweise LaNi₅, CaNi₅ und FeTi- Legierungen.

Damit sind die genannten Nachteile der Nutzung chemischer Reaktionen zur Treibgaserzeugung, wie sie auch bei den stöchiometrischen Metallhydriden zutreffen, vermieden. Das Zusammenbringen von Reaktionskomponenten entfällt. Ferner ist im Gegensatz zu den chemischen Reaktionen auch kein Wasser erforderlich. Dies bringt allgemein und insbesondere z. B. für die Schaumglasbildung erhebliche Vorteile. Zudem ist die Wasserstoffaufnahme in den genannten im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Wasserstoffspeichersystemen weitestgehend reversibel. Hingegen stellen die chemischen Verfahren irreversible Zersetzungsvorgänge dar. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Schaumbildung gegenüber den chemischen Reaktionen durch die Druck- und Temperaturänderung steuerbar.

Ferner stellt Wasserstoff, der in einem Hydridmaterial gespeichert ist und nach Freisetzen aus diesem Material als blasenbildendes Treibmittel wirkt, ein unschädliches Mittel dar. Weiterhin ist durch die Vielzahl der zur Verfügung stehenden, den Wasserstoff unter unterschiedlichsten Druck- und Temperaturbedingungen wieder abgebenden Metallhydride ein breites Anwendungsspektrum möglich.

Die Temperaturerhöhungen für die Freisetzung des Wasserstoffs zur Blasenbildung in den Schäumen und geschäumten Produkten sind durch Auswahl der Hydridmaterialien entsprechend auf die Reaktionsgegebenheiten abstimmbar und auf vielfältige Weise aufbringbar.

Bei Hydridmaterialien, die Wasserstoff bereits bei Zimmertemperatur freisetzen, wird das zur Schaumbildung verwendete Produkt druckentlastet. Mit anderen Worten wird der Druck, dem das Hydridmaterial ausgesetzt wird, unter dessen Gleichgewichtspartialdruck bei der vorhandenen Temperatur abgesenkt. Daneben sind gleichzeitige Druckentlastung und Temperaturerhöhung möglich. Vorzugsweise wird die Wärme in Form von Umgebungswärme zugeführt. Ferner ist es auch möglich, eine mit dem Hydridmaterial gemischte, zu schäumende Substanz zu wählen, die an Luft exotherm reagiert, und diese Substanz mit dem Metallhydrid aus einem Behälter freizusetzen, wobei die in der Luft entstehende Reaktionswärme wiederum zur Freigabe des blasenbildenden Wasserstoffs aus dem Hydrid führt. Der Vorteil eines solchen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den bekannten chemischen Verfahren allgemein besteht auch darin, daß keine Wärme auftritt, so daß es möglich ist, "kalten Schaum" herzustellen.

Obwohl zur eigentlichen Freisetzung des Wasserstoffs keine chemische Reaktion erforderlich ist, können bei Normaldruck zur Schaumbildung vorgesehene Substanzen zur exothermen Reaktion gebracht werden und die bei dieser Reaktion entstehende Wärme dazu ausgenutzt werden, den Wasserstoff aus dem Hydridmaterial freizusetzen, das selbst an der Reaktion nicht teilnimmt. Auch auf diese Weise sind beliebige Schaummengen und geschäumte Produkte einfach herstellbar.

Ein weiterer vorteilhafter Aspekt ist darin zu sehen, daß bei Anwendung der Druckentlastung der zur Aufschäumung ausgenutzte Wasserstoff gleichzeitig zum Austreiben der schaumbildenden Materialien aus einem Druckbehälter verwendbar ist.

Metallhydride sind aus den folgenden Gründen als Speicher für den freizusetzenden Wasserstoff besonders geeignet. In ihnen ist der Wasserstoff so dicht gepackt, daß in einer Raumeinheit Metallhydrid mehr Wasserstoff enthalten ist als in flüssigem Wasserstoff. Somit ist im Vergleich zu den bislang zumeist verwendeten flüssigen Treibmitteln eine besonders effektive Volumenvergrößerung erzielbar. Es tritt, wie auch bei den Treibmitteln auf FCKW-Basis, eine Phasenumwandlung auf. In diesem Fall verläuft diese jedoch nicht von flüssig nach gasförmig, sondern aus dem gebundenen Zustand des fest in den Metallen gelösten und im Metallgitter eingelagerten Wasserstoffs nach gasförmig ab.

Metallhydride lassen sich zudem einfach herstellen. Pulver mit Korngrößen von 5 µm und weniger lassen sich durch bekannte Verfahren leicht erzeugen. Darüberhinaus kann die Pulverisierung jedoch auch durch einen zyklischen Be- und Entladevorgang des Metallhydrids mit Wasserstoff einfach erzielt werden. Das feine Metallpulver ist homogen in den zur Schaumbildung verwendeten Substanzen verteilbar und mit diesen mischbar. Somit wird eine gleichmäßige und einheit­ liche Porengröße im Schaum bzw. Schaumprodukt gewährlei­ stet. Die benötigte Metallhydridmenge zur Herstellung von Schaumprodukten entspricht in etwa der Menge an FCKW, die bisher benötigt wurde. Somit wirken die im Schaumprodukt zurückbleibenden Metallhydride sich nicht störend aus.

Als weitere vorteilhafte Wirkung kommt hinzu, daß es durch die jeweilige Wahl der Legierungselemente der Metallhydride möglich ist, abhängig von der Reaktionstemperatur bzw. Umgebungstemperatur den gewünschten Druck, unter dem der Wasserstoff freigesetzt werden soll, vorzugeben. So kann gezielt die Bildung kleiner Blasen bei höherem Druck und größerer Blasen bei geringerem Druck hervorgerufen werden, indem Legierungselemente gewählt werden, die bei bestimmten Temperaturen zum gewünschten Wasserstoffpartialdruck führen. Hierbei ist auch von Vorteil, daß Metallhydride mit beträchtlichen Wasserstoffpartialdrücken existieren.

Ferner ist Wasserstoff ein Gas, das sehr gute Diffusions­ eigenschaften besitzt. Als weiterer Vorteil läßt sich daher erfindungsgemäß nutzen, daß der Wasserstoff sehr schnell aus den im Schaum bzw. den geschäumten Produkten entstan­ denen Hohlräumen ausdiffundiert. Entsprechend der Permeabi­ lität des Schaumes bzw. der geschäumten Produkte entstehen dabei Hohlräume mit sehr geringen Wasserstoffanteilen. Dadurch werden Schäume mit einer schlechten Wärmeleitfähig­ keit, d. h. gute Isolatoren gebildet. Dieser Aspekt ist insofern von Bedeutung, als zahlreiche geschäumte Produkte für Isolationszwecke verwendet werden.

Der ausdiffundierende Wasserstoff läßt sich ohne weiteres durch geeignete katalytische Rekombinatoren beseitigen. Hierzu könnten z. B. netzartige Metallgebilde um die Schaumstoffprodukte herum angeordnet werden. Ferner kann der Wasserstoff auch abgesaugt werden.

Neben der Möglichkeit, das Hydridmaterial vorab mit den zu schäumenden Substanzen zu mischen, kann das Hydridmaterial auch zunächst separat gespeichert werden und erst bei der Schaumherstellung beigemischt werden. Dies kann geschehen, indem die Substanzen während der Beimischung zu einem stabilen Schaum aufgeschlagen werden. Die Freigabe des Was­ serstoffs kann hierbei sowohl durch Wärme als auch durch Druckentlastung herbeigeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Schaumbildung kann gemäß den folgenden Erläuterungen zur Herstellung der unterschiedlichsten Schäume und Schaumprodukte angewendet werden.

Eine Anwendung besteht in der entsprechenden Verschäumung von geschmolzenen Thermoplasten sowie Duromeren und allen möglichen weiteren Kunststoffen zur Herstellung von Schaumkunststoffen. Auch kann das Verfahren zur Herstellung von Strukturschäumen z. B. durch Spritzgießen oder Strangpressen benutzt werden. Insbesondere bei der Herstellung von Polyurethan­ schaumstoffen, bei der bislang praktisch ausschließlich FCKW verwendet werden, können diese ohne weiteres durch das erfindungsgemäße Treibmittel ersetzt werden. Wegen der in weitem Maße durch die Wahl der Hydride vorgebbaren Phasenumwandlungsbedingungen sind bekannte Verarbeitungen der erfindungsgemäß mit dem Hydridmaterial gemischten Kom­ ponenten in Gießmaschinen und Spritzpistolen möglich. Ferner ist die Anwendung bei der Schaumgummiherstellung möglich. Auch ist die Aufschäumung von Polystyrolpartikeln denkbar.

Da die erfindungsgemäße Freisetzung des Treibmittels wegen der Vielzahl der bereits jetzt zur Verfügung stehenden Hydridmaterialien nicht auf bestimmte Druck- und Tempera­ turbedingungen festgelegt ist, sind somit alle möglichen bekannten Verfahren zur Herstellung sowohl von Hart- als auch Weichschaumstoffen möglich.

Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Schäumen für die Aufblähung von Beton zu Schaumbeton eingesetzt werden. Auch der Einsatz von Hydridpulver als gasbildendes Pulver für die Schaumglasbildung ist denkbar.

Werden die Reaktionskomponenten der Schaumbildner und das Hydridmaterial zusammen in einem Druckbehälter unterge­ bracht, läßt sich der aus dem Hydrid austretende Wasser­ stoff zusätzlich als Austreibungsmittel nutzen. Dies ist z. B. bei der Herstellung von Dichtungsschäumen zur Füllung von Hohlräumen von Vorteil.

Neben den hinlänglich bekannten Metallhydriden intermetal­ lischer Verbindungen bzw. metallartigen Hydriden der Über­ gangsmetalle, deren Eigenschaften z. B. als Wasserstoffspei­ chersysteme (LaNi₅, CaNi₅, FeTi usw.) und aus Leitfähig­ keituntersuchungen hinlänglich bekannt sind, sind auch nichtmetallische Hydride möglich, sofern sie den Wasser­ stoff unter bestimmten Bedingungen speichern und wieder abgeben.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Schäumen und Schaumprodukten unter Verwendung von Hydriden als Treibmittel, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der Herstellung der Schäume und Schaumprodukte verwendete Treibmittel in Hydriden gespeicherter Wasserstoff ist, der durch eine Erwärmung des Hydrids und/oder eine Erniedrigung des Drucks, dem das Hydrid ausgesetzt wird, freigesetzt wird und die notwendige blasenbildende Volumenvergrößerung herbeiführt.

2. Verfahren zur Herstellung von Schäumen und Schaumprodukten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hydridmaterial Metallhydridmaterialien, vorzugsweise in Pulverform eingesetzt werden.

3. Verfahren zur Herstellung von Schäumen und Schaumprodukten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wasserstoffspeichersysteme LaNi₅, CaNi₅, oder FeTi eingesetzt werden.

4. Verfahren zur Herstellung von Schäumen und Schaumprodukten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydridmaterial mit den Substanzen des zu bildenden Schaums bzw. Schaumprodukts homogen vermischt wird.

5. Verfahren zur Herstellung von Schäumen und Schaumprodukten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zunächst getrennt von den Substanzen des zu bildenden Schaums bzw. Schaumprodukts gespeicherte Hydridmaterial diesen Substanzen erst bei der Schaumerzeugung beigemischt wird.