DE4431913A1 - Verfahren zur Herstellung von Kunststoffschaum - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoff­ schaum unter teilweiser Verwendung physikalischer Treibmittel wie CO₂, N₂ oder Edelgasen, insbesondere zur Herstellung von Styrolschaum oder Polyolefinschaum, wobei eine Tandem-Extruderanlage verwendet wird und im Primärextruder eine Plastifizierung und Einarbeitung des Treib­ mittels stattfindet und die Masse im Sekundärextruder durch Kühlung auf eine für den Schäumvorgang erforderliche Viskosität gebracht wird.

Der Kunststoff ist aus sich heraus nicht schäumfähig. Durch ein gasförmiges Treibmittel werden im plastifizierten Kunststoff Gasblasen erzeugt. Für die Qualität des Schaumes ist maßgebend, daß Gasblasen in möglichst feiner und gleichmäßiger Verteilung entstehen. Auf diesen Entstehungsvorgang hat das jeweils verwendete Treibmittel entscheiden­ den Einfluß. In den Anfängen des Herstellens von Kunststoffschaum wurden noch einfache Kohlenwasserstoffe (Butan, Pentan) als Treib­ mittel verwendet. Es wurde jedoch schnell erkannt, daß sich hervor­ ragende Schäumergebnisse mit Fluorchlorkohlenwasserstoffen erreichen lassen. Die Fluorchlorkohlenwasserstoffe sind einfach zu handhaben. Auch ohne Betriebserfahrung lassen sich mit Fluorchlorkohlenwasserstoffen sehr gute Betriebsergebnisse erzielen. Diese Situation hat sich jedoch grundlegend geändert, nachdem Fluorchlorkohlenwasserstoffe wegen der Umweltgefahr auf eine Verbotsliste gekommen sind. Die Fachwelt ist zwischenzeitlich seit Jahren bemüht, alternative Treibmittel zu entwickeln. Dabei konzentrieren sich die Bemühungen in der Hauptsache auf die Verwendung von Kohlendioxyd. Kohlendioxyd ist wie N₂ oder Edelgase ein physikalisches Treibmittel/Inertgas, das nur sehr schwer zu beherrschen ist. Zum Beispiel entstehen unkontrolliert große Blasen und eine sehr schlechte Oberfläche des Schaumes. Von der BASF und anderen ist deshalb vorgeschlagen worden, den Schaum nach Verlassen des Extruders einem Überdruck auszusetzen, d. h. den Schaum gegen Überdruck expandieren zu lassen. Das reduziert die Gefahr schädlicher Blasenbildungen.

Andere Überlegungen gehen dahin, Treibmittelgemisch aus physikalischem Treibmittel wie Kohlendioxyd und Stickstoff mit Anteilen an Kohlen­ wasserstoffen wie Propan, Butan, Isobutan und Pentan einzusetzen. In der Praxis bereitet dieser Vorschlag jedoch Schwierigkeiten in der gegenseitigen Beeinflussung beim Einmischen in die Polymerschmelze.

Auch der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Treibmittelalternative zu Fluorchlorkohlenwasserstoffen zu schaffen. Dabei hält die Erfindung an dem Gemisch physikalischer Treibmittel mit Kohlenwasserstoffen fest und werden die gesehenen Betriebsschwierig­ keiten in besonderer Weise vermieden. Die Erfindung geht nämlich von einer Tandem-Extruderanlage aus, deren Primärextruder die Aufgabe der Plastifizierung und Einarbeitung des Treibmittels hat und deren Sekundärextruder die entstandene Masse durch Kühlung auf den für den Schäumvorgang erforderlichen Viskositätsgrad bringt.

Nach der Erfindung wird der Primärextruder mit einem Teil der ursprünglich für den Primärextruder vorgesehenen Kunststoffmasse beschickt und als Treibmittel ein Kohlenwasserstoff wie Pentan, Propan, Butan, Isobutan oder Ethan verwendet. Der übrige Teil der Kunststoffmasse wird unter Verwendung von physikalischen Treibmitteln wie Kohlendioxyd oder Stickstoff oder Edelgasen in dem Zusatzextruder plastifiziert.

Anteil der Kunststoffmasse im Zusatzextruder beträgt 50 bis 80% der gesamten Kunststoffmasse. Der Zusatzextruder wird mit einem Druck von 150 bis 400 bar betrieben, vorzugsweise 280 bar bei Verwendung von Kohlendioxyd als Treibmittel.

Die Mischlänge des Zusatzextruders beträgt 4 bis 6 D bei Verwendung eines Einschneckenextruders. Bei Verwendung eines Doppelschnecken­ extruders kann die gleiche Mischlänge gewählt werden. Für andere Plastifizierungseinheiten wie beispielsweise Planetwalzenextrudern wird eine äquivalente Mischlänge gewählt.

D ist der Schneckendurchmesser.

Der Primärextruder mit dem Kohlenwasserstoff als Treibmittel wird mit einem Druck von 220 bis 280 bar betrieben, vorzugsweise 260 bar für Pentan. Die Mischlänge kann die gleiche wie bei dem Zusatzextruder und der Verwendung von physikalischen Treibmitteln sein.

Die in beiden Extrudern, dem Primärextruder und dem Zusatzextruder, plastifizierten Kunststoffmassen werden dem Sekundärextruder gemeinsam aufgegeben. Dies kann dadurch erfolgen, daß beide Extruder in eine gemeinsame Zuführungsleitung/Eintrag zum Sekundärextruder arbeiten. Es kann jedoch auch von Vorteil sein, die im Zusatzextruder plastifi­ zierte Masse in den Primärextruder zu geben. Dies erfolgt im letzten Drittel der Mischlänge des Primärextruders, vorzugsweise weitgehend am Ende des Primärextruders.

Je nach Druckverhältnis im Zusatzextruder bzw. Primärextruder ist zwischen dem Zusatzextruder und dem Primärextruder eine Pumpe oder eine Drossel geschaltet. Die Pumpe kann zusätzlichen Druck aufbauen, die Drossel baut Überdruck ab.

Soweit vorgesehen ist, daß der Primärextruder und der Zusatzextruder gemeinsam in eine Zuführungsleitung zum Sekundärextruder arbeiten bzw. an den Sekundärextruder angeschlossen sind, ist es gleichfalls von Vorteil, durch Pumpe oder Drossel für einen Druckausgleich zu sorgen. D. h. im Falle eines höheren Druckes im Zusatzextruder kann durch Zwischenschaltung einer Drossel bewirkt werden, daß beide Schmelzen in etwa mit gleichem Druck aufeinandertreffen. Die Drossel kann durch ein Ventil gebildet werden, dessen Drosselfunktionen durch Öffnen oder Schließen verändert werden kann. Im Falle eines Unterdruckes im Zusatzextruder bewirkt die Zwischenschaltung einer Pumpe eine gewünschte Druckerhöhung.

Sofern beide Extruder, d. h. der Primärextruder und der Zusatzextruder in eine gemeinsame Zuleitung/Eintrag zum Sekundärextruder arbeiten und der kleinere Druck beider Extruder als Eintrittsdruck in den Sekundärextruder ausreicht, ist vorzugsweise eine Drosselung/Reduzie­ rung des höheren Druckes der anströmenden Schmelze aus dem Primär­ extruder oder Zusatzextruder vorgesehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vereinfacht sich die Betriebsweise mit den verschiedenen Treibmitteln. Die einzelnen Treibmittel können unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Drücken in die plastifi­ zierte Kunststoffmasse eingearbeitet werden. Entsprechend der geringen Neigung von Kohlendioxyd (CO₂), N₂ oder Edelgasen als physikalische Treibmittel, sich in der plastifizierten Kunststoffmasse zu verteilen, kann der Verteilungsvorgang besonders intensiv und lange und gezielt durchgeführt werden.

Im Primärextruder kann das durch Kohlenwasserstoffe wie Butan, Propan, Isobutan, Pentan und Ethan gebildete Treibmittel mit den für das jeweilige Treibmittel optimalen Verfahrensparametern behandelt werden. Kohlenwasserstoffe haben in der Kunststoffmasse den Vorteil hoher Löslichkeit. In dem Zumengungsanteil von 0,5 bis 20 Gew.% fällt die Brennbarkeit dieser Treibmittel nicht besonders nachhaltig ins Gewicht. Ihr kann durch Belüftung der Werkshalle wirkungsvoll begegnet werden.

Wenn die beiden Extruder (Primärextruder und Zusatzextruder) auf eine gemeinsame Zuleitung/Eintrag in den Sekundärextruder arbeiten, ist es von Vorteil, einen Mischer zwischenzuschalten. Ausreichend für den Mischer ist ein statischer Mischer. Statische Mischer werden zum Extrudieren in Hülsenform angeboten. Sie lassen sich gut in vorhandene Leitungen einbauen. Innen sind die statischen Mischer wahlweise aus Elementen zusammengesetzt. Es handelt sich um gitterartige Blechstruk­ turen. Die Gitter bewirken eine Verwirbelung des durchströmenden Mediums.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

In Fig. 1 sind mit 1 und 5 zwei Einschneckenextruder bezeichnet, die in Tandemanordnung stehen. Das Einsatzmaterial/Grundstoff ist Polystyrol und wird durch einen Aufgabetrichter 2 dem Extruder 1 zugeführt. Das im Extruder 1 vorgesehene Treibmittel ist ausschließ­ lich Pentan als Kohlenwasserstoff; im Extruder 3 ausschließlich Kohlendioyxd. Das Kohlendioxyd wird unter Druck zwischen der Aufgabestelle des Kunststoffes und der Austrittsdüse des Extruders zugegeben. Der Extruder 1 ist der Primärextruder und hat die Aufgabe, den Kunststoff zu plastifizieren. Das zum Schäumen erforderliche Treibmittel wird als Pulver mit in den Aufgabetrichter aufgegeben. Dies geschieht nach ausführlicher Vermischung mit dem Einsatzkunst­ stoff. Beim Plastifizieren im Primärextruder 1 verteilt sich das Treibmittel bzw. wird im Kunststoff dispergiert. Aufgrund der Erwärmung kommt es zur Bildung des Treibgases im Extruder. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Treibmittel dem Einsatzkunststoff vor dem Extrudieren im Masterbatch zugemischt. In beiden Ausführungs­ beispielen wird ein Treibmittel zugegeben, daß unter Erwärmung einen Kohlenwasserstoff, hier Pentan, freisetzt.

In einem dritten Ausführungsbeispiel wird das Pentan, dessen Siedepunkt wesentlich niedriger als die Schmelztemperatur des Einsatzkunststoffes ist, in Flüssigform in den Extruder 1 einge­ spritzt.

Darüber hinaus sind Ausführungsbeispiele möglich, in denen das Pentan in den Extruder eingedrückt wird. In den beiden letztgenannten Treibmittelversionen bildet das Pentan zwar auch ein physikalisches Treibmittel, soweit die Definition für diese Treibmittel sich auf den Siedepunkt im Verhältnis zum Erweichungspunkt des Thermoplasten beschränkt. Gleichwohl handelt es sich um ein anderes Treibmittel als Kohlendioxyd, Stickstoff und Edelgase, die als Inertgase physikalische Treibmittel bilden.

Von dem Extruder 1, dem Primärextruder, führt eine Rohrleitung zu dem Sekundärextruder 5.

Zusätzlich zu den beiden Extrudern 1 und 5 ist der Zusatzextruder 3 vorgesehen, in dem gleichfalls Kunststoff plastifiziert wird. Als Treibmittel wird dabei ausschließlich Kohlendioxyd eingesetzt. Das Kohlendioxyd wird als Gas durch eine strichpunktiert dargestellte Leitung 8 dem Zusatzextruder zwischen dem Aufgabetrichter 4 und dem Extruderende zugeführt. Diese Form der Zuführung wird als Direkt­ begasung bezeichnet.

Vom Zusatzextruder 3 führt gleichfalls eine Rohrleitung zu dem Extruder 5. Beide Rohrleitungen zu dem Extruder 5 vereinigen sich. Zwischen der Vereinigungsstelle und dem Extruder 5 ist ein Mischer 7 vorgesehen. Es handelt sich um einen statischen Mischer, der in Fig. 2 dargestellt ist. Der Mischer besteht aus einzelnen Elemen­ ten 11, und zwar vier hintereinander angeordneten Elementen 11. Die Elemente 11 sind jeweils um 90° um die Längsachse des Rohres 10, welches das Mischergehäuse bildet, versetzt zueinander angeordnet. Jedes Element besteht im Ausführungsbeispiel aus Blechstreifen 12 und 13, wobei die Blechstreifen 12 und 13 unterschiedlich geneigt zur Längsachse angeordnet sind. Zueinander bilden die Blechstreifen 12 und 13 in der Seitenansicht einen Winkel von 90°, so daß das in der Zeichnung nach Fig. 2 rechts dargestellte Element in der Schnitt­ darstellung eine Gitterstruktur bildet. Zu den Blechstreifen 12 gehören Streifen 12a und 12b, die aus der Richtung 14 der anströmen­ den Kunststoffmasse gesehen, hintereinander angeordnet sind. Zu den Blechen 13 gehören Bleche 13a, 13b und 13c, die wie die Bleche 12 a und 12b hintereinander angeordnet sind. Diese Bleche bewirken eine Umlenkung der anströmenden Kunststoffmasse schräg zur Längsachse des Mischers 7, wobei jeweils an der Rohrinnenwand des Rohres 10 eine Umlenkung erzwungen wird. Eine weitere Umlenkung wird dadurch erzwungen, daß die Elemente 11 jeweils versetzt zueinander angeordnet sind. D. h. nach Verlassen eines Elementes wird die Kunststoffmasse beim Eintritt in das nachfolgende Element 11 zu einer erneuten Änderung der Strömungsrichtung gezwungen. Im Ergebnis entsteht eine vorteilhafte Durchmischung/Teilhomogenisierung der Kunststoffmasse.

Die weitere Homogenisierung bewirkt der Extruder 5. Im übrigen hat der Sekundärextruder 5 die Aufgabe, die angeförderte Kunststoffmasse auf eine Temperatur zu kühlen, bei der die Masse eine zum Schäumen notwendige Viskosität erreicht. Aufgrund der Vormischung im Mischer 7 und auch aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften des Kohlenwasser­ stoffes als Treibmittel in der Mischung ist eine sehr viel geringere Homogenisierung als bei ausschließlicher Verwendung von inerten Gasen wie CO₂, N₂ und Edelgasen als Treibmittel erforderlich. Das ist gleichbedeutend mit einer geringeren Energiezufuhr zur Kunststoffmasse im Sekundärextruder und Reduzierung der erforderlichen Kühlleistung.

Die im Zusatzextruder plastifizierte Kunststoffmasse/Polystyrolmasse beträgt im Ausführungsbeispiel 65% der gesamten Kunststoffeinsatz­ masse.

Bei beiden Extrudern 1 und 3 handelt es sich um Einschneckenextruder. Die Mischlänge beträgt in beiden Extrudern 5 D. Beide Extruder werden im Ausführungsbeispiel mit gleichem Druck, nämlich 260 bar, betrieben.

Im Ausführungsbeispiel beträgt die Menge Pentan 8 Gew.% von der gesamten Treibmittelmenge aus Kohlendioxyd und Pentan. Diese Treibmittelmenge kann in weiteren Ausführungsbeispielen zwischen 0,5 und 20 Gew.% von der Gesamttreibmittelmenge betragen, vorzugsweise 6 bis 10 Gew.%. Außerdem kann es von Vorteil sein, in dem Zusatzextruder nicht nur reines Kohlendioxyd, sondern Kohlendioxyd mit geringem Anteil an Pentan einzudüsen. Die Ausführungen zu den Anteilen an Pentan zur Gesamttreibmittelmenge und zur Treibmittelmischung im Zusatzextruder 3 gelten auch für andere erfindungsgemäß vorgesehene Kohlenwasserstoffe.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei in der Zuführungsleitung vom Primärextruder 1 zum Mischer 7 eine Pumpe 15 vorgesehen ist, um die am Extruder 1 mit 260 bar austretende Kunststoffmasse im Druck auf 280 bar zu erhöhen, mit dem die Kunststoffmasse aus dem Zusatzextruder austritt. Wie nach Fig. 1 wird dabei als Treibmittel im Zusatzextruder Kohlendioxyd und als Treibmittel im Primärextruder 1 Pentan verwendet.

Nach Fig. 4 ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel in der von dem Zusatzextruder 3 zu dem Mischer 7 führenden Leitung ein Drosselven­ til 16 vorgesehen, um den Druck in der Schmelze von 280 bar auf 260 bar zu reduzieren. Bei sonst gleichen Betriebsverhältnissen wie nach Fig. 3 wird damit dem Mischer 7 ein Druck von 260 bar einge­ stellt, der gleich dem bevorzugten Druck im Primärextruder bei der Verwendung von Pentan als Treibmittel ist.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist anstelle des Primärextruders 1 ein Primärextruder 20 mit größerer Mischlänge vorgesehen, dem die aus dem Zusatzextruder 3 austretende Kunststoff­ masse am Ende zugesetzt wird, so daß noch im Primärextruder 20 eine Vermischung der Kunststoffmassen stattfindet und sich ein zusätzlicher Mischer 7 erübrigt.

In allen Ausführungsbeispielen 1 bis 4 ist es möglich, den Zusatz­ extruder als Primärextruder zu betrachten und den Primärextruder als Zusatzextruder. Beide Extruder arbeiten parallel zueinander auf den Sekundärextruder. Bei der angesprochenen anderen Betrachtungsmöglich­ keit müssen natürlich konsequenterweise die Einzelheiten, die unter Bezugnahme auf den Zusatzextruder dargelegt worden sind, dem Primärextruder zugeordnet werden und umgekehrt.

Hinsichtlich dieses Parallelbetriebes umfaßt die Erfindung folglich auch die Verwendung von Kohlendioxyd im Primärextruder und von Kohlenwasserstoffen im Zusatzextruder.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Kunststoffschaum, insbesondere Styrolschaum oder Polyolefinschaum, mit einem Treibmittelgemisch, wobei eine Tandem-Extruderanlage verwendet wird und im Primär­ extruder eine Plastifizierung und Einarbeitung des Treibmittels stattfindet und der Sekundärextruder vorzugsweise zur Kühlung der plastifizierten Kunststoffmasse auf eine für den Schäumvorgang erforderliche Viskosität dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärextruder (1) mit einem Zusatzextruder (3) auf den Sekundär­ extruder (5) arbeitet und im Primärextruder (1) und im Zusatz­ extruder (3) unterschiedliche Treibmittel eingesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Primärextruder (1) ein Kohlenwasserstoff wie Propan, Butan, Isobutan, Pentan oder Ethan als Treibmittel eingesetzt wird und im Zusatzextruder (3) ein physikalisches Treibmittel wie Kohlen­ dioxyd, Stickstoff oder Edelgas als Treibmittel eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß 0,5 bis 20 Gew.% Kohlenwasserstoff als Treibmittelmenge, bezogen auf die Gesamttreibmittelmenge, eingesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenwasserstofftreibmittel 6 bis 10 Gew.%, bezogen auf die Gesamttreibmittelmenge, besitzen.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem physikalischen Treibmittel im Zusatzextruder (3) geringe Mengen Kohlenwasserstoff als Treibmittel zugesetzt werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die im Zusatzextruder (3) eingesetzte und mit dem physikalischen Treibmittel wie Kohlendioxyd, Stickstoff oder Edelgasen vermischte Kunststoffmasse 50 bis 80% der gesamten plastifizierten Kunststoffmasse beträgt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischlänge im Primärextruder (1) und/oder Zusatzextruder (3) 4 bis 6 D beträgt und/oder der Betriebsdruck im Zusatzextruder (3) 150 bis 400 bar und/oder der Betriebsdruck im Primärextruder (1) 220 bis 280 bar.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Mischers (7) vor dem Sekundärextruder (5).

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem physikalischen Treibmittel wie CO₂, Stickstoff oder Edelgas vermischte Kunststoffmasse dem Primärextruder (1) an dessen Ende zugegeben wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Drossel (16) oder Pumpe (15) zur Angleichung der Drücke in den angeförderten plastifizierten Kunststoffmassen.