DE4432111A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffschaumes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunst­ stoffschaumes mit einem fluorchlorkohlenwasserstoffreien Treibmit­ tel, insbesondere mit einem physikalischen Treibmittel hohen Dampf­ druckes wie CO₂ und N₂ oder ein Edelgas.

Kunststoffschäume werden in großem Umfang zur Wärmeisolierung an Gebäuden eingesetzt. Auch andere Anwendungsfälle sind bekannt.

Vorzugsweise werden Kunststoffschäume durch Extrusion hergestellt. Beim Extrudieren wird der Kunststoff üblicherweise in Granulatform in einen Extruder eingetragen und dort plastifiziert. Allein ist der Kunststoff nicht schäumfähig. Dazu dient ein Treibmittel. Das Treibmittel ist Gas. Das Gas wird wahlweise direkt in den Extruder gedrückt. Dabei handelt es sich um Gase, deren Siedepunkt unterhalb des Schmelzpunktes der Kunststoffschmelze liegt. Diese Gase werden als physikalische Treibmittel bezeichnet. Solche Gasen sind Kohlen­ dioxid, Stickstoff und Edelgas. Nach dieser Definition gehören auch bestimmte Kohlenwasserstoffe mit entsprechendem Siedepunkt zu den physikalischen Treibmitteln.

Von chemischen Treibmitteln wird gesprochen, wenn das Gas in gebund­ ener Form mit dem Einsatzkunststoff in den Extruder eingetragen wird. Im Extruder wird aufgrund der Erwärmung Gas freigesetzt.

In jedem Fall ist es wichtig, daß das Gas bzw. Treibmittel im Extruder gleichmäßig in der Kunststoffmasse verteilt/dispergiert bzw. an die in der Kunststoffmasse vorhandenen Nukleierungspar­ tikel/Porenregler angelagert wird. Nach Verlassen des Extruders expandiert das Gas. Dadurch entsteht der Schäumvorgang.

In der Vergangenheit sind zunächst Kohlenwasserstoffe wie Butan, Pentan und Isobutan als Treibmittel eingesetzt werden, bevor Fluor­ chlorkohlenwasserstoffe entdeckt worden sind. Fluorchlorkohlenwas­ serstoffe sind außerordentlich stabile Verbindungen und nicht toxisch. Sie lassen sich sehr leicht verarbeiten. Ohne große be­ triebliche Erfahrung läßt sich mit diesen Treibmitteln ein geeigne­ ter Kunststoffschaum herstellen. Fluorchlorkohlenwasserstoffe haben aber den Nachteil hoher Schädlichkeit für die Ozonschicht in der Erdatmosphäre. Seit langem bestehen daher Bestrebungen, Fluor­ chlorkohlenwasserstoffe durch umweltverträgliche Treibmittel zu ersetzen. Dabei wurde auch die Anwendungsmöglichkeit von physikali­ schen Treibmitteln wie Kohlendioxid CO₂ und Stickstoff N₂ sowie Edelgase untersucht. Allerdings hat sich gezeigt, daß die physikali­ schen Treibmittel starke Dampfdrücke haben. Das führt zu einer extremen Expansion des Kunststoffes nach Verlassen der Extru­ derdrüse. Dies führt wiederum zu schlechter Zellbildung, schlechter Oberflächenbildung. Hinzu kommt, daß die Wärme im Schauminnern schlecht abgeführt wird. Auch das stärkt die vorgesehene Zellbil­ dung.

Zur Begrenzung der extremen Expansion bei Verwendung physikalischer Treibmittel ist mit der EP 88119636.4 bereits vorgeschlagen worden, in eine Zone zu extrudieren, in der ein Überdruck bis 2 bar herrscht. In dieser Zone findet eine Expansion des Schaumes gegen den umgebenden Überdruck statt. Dies bremst die Expansion des Schaumes. Insbesondere soll ein Aufreißen von Poren unter Bildung offener Zellen verhindert werden. Ausweislich dieser Druckschrift liegen zu diesem Verfahren Erfahrungen für eine Herstellung von Kunststoffschaumplatten bis zu einer Dicke von 80 mm vor. Dies ist in der Praxis jedoch unzureichend, weil Dämmplattendicken bis 200 mm gefordert werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, auch Dämmplattendic­ ken von mehr als 80 mm zu ermöglichen. Dabei geht die Erfindung von der Einschätzung aus, daß sich mit dem Gegendruckverfahren nach der EP 88119636.4 nur beschränkte Schichtendicken beeinflussen lassen, weil die Wärmeabfuhr aus dem Platteninnern mit zunehmender Dicke sich verschlechtert.

Nach der Erfindung wird eine größere Plattendicke beim Extrudieren von Kunststoffschäumen mit physikalischen Treibmitteln hoher Dampf­ drücke wie CO₂ und N₂ der Edelgasen mit Hilfe einer an sich bekann­ ten Koextrusion erreicht. Im Unterschied zu den bisherigen Verfahren wird jedoch ein Materialkern mit einem Treibmittel niedrigeren Dampfdruckes erzeugt und die Außenschicht mit dem physikalischen Treibmittel geschäumt. Geeignetes Treibmittel für den Materialkern sind Kohlenwasserstoffe wie Propan, Pentan, En-Pentan, Butan, Isobutan und Ethan. Diese Kohlenwasserstoffe sind in der Kunststoff­ schmelze gut löslich und haben niedrige Dampfdrücke gegenüber den physikalischen Inertgasen. Im Ergebnis führen so geschäumte Kunst­ stoffe die Wärme besser ab.

Die Dicke des Materialkerns kann bis zu 75% der Gesamtplattendicke, vorzugsweise bis zu 50% der Gesamtplattendicke betragen.

Wahlweise läßt sich die Anwendung der unterschiedlichen Treibmittel für innen und außen auch umkehren. Voraussetzung ist, daß eine vergleichbare Wärmeabfuhr für das Gesamtprodukt gegeben ist. Das wird vorzugsweise durch die Schichtdicken und/oder Treibmittelantei­ le in den Schichtdicken gesteuert.

Die Außenschicht kann wie bei dem Verfahren nach EP 88119636.4 mit Überdruck einer kontrollierten Expansion unterworfen werden. Ausrei­ chend können je nach Schichtdicke auch einfache Führungen sein, die z. B. in der Form von Rohren oder Platten die Expansion des Kunst­ stoffschaumes begrenzen.

Im Materialkern bewirkt die bessere Wärmeabfuhr eine vorteilhafte Zellbildung oder die eingangs erläuterten Nachteile.

Der Materialkern verbindet sich beim Koextrudieren fest mit der Außenschicht. Das resultiert aus dem schmelzflüssigen Zustand der Berührungsflächen und dem sich aufbauenden Druck. Dabei kommt es zur Verschweißung des Materiales in der Expansionsphase.

Im übrigen wurde erkannt, daß es von Vorteil ist, dem pysikalischen Treibmittel Anteile an Kohlenwasserstoffen zuzumischen. Der Zumi­ schungsanteil beträgt bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 6-10 Gew.-%, bezogen auf auf die Treibmittelmenge für den Schaumplattenteil, der mit dem physikalischen Treibmittel hergestellt wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darge­ stellt. Fig. 1 zeigt eine zweiteilige Düse mit einem Innenmantel 1 und einem Außenmantel 2. Der Innenmantel 1 wird aus einem nicht dargestellten Extruder mit einer Einsatzmischung zur Herstellung eines Materialkernes für Kunststoffschaumplatten aus Polystyrol gespeist. Das Material ist mit 4 bezeichnet. Treibmittel ist dabei Isobutan. Der Zwischenraum zwischen dem Innenmantel 1 und dem Außenmantel 2 wird durch einen zweiten Extruder mit einem Einsatzma­ terial gespeist, das als Treibmittel Kohlendioxid enthält, mit 10 Gew.-% Isobutan. Das Material ist mit 3 bezeichnet.

Nach Verlassen der Düse tritt der extrudierte Kunststoff in ein Rohr 5 ein. Dort expandiert der koextrudierte Schaum mit einem Material­ kern 6 und einer Außenschicht 7. Fig. 2 zeigt einen schematischen Schnitt durch den extrudierten Kunststoffschaum.

Die Gesamtdicke des entstehenden Schaumes beträgt 120 mm, die des Materialkernes 60 mm.

Im übrigen führt die Erfindung das vorteilhafte Qualitätsergebnis des neuen Schäumvorganges darauf zurück, daß die Expansionswege, für den Kunststoffschaum beschränkt werden. In konsequenter Verfolgung dieser Überlegung wird der Expansionsweg des Kunststoffschaumes mit dem Düsenschlitz ins Verhältnis gesetzt. Nach der Erfindung soll der Expansionsweg, d. h. die anteilige Plattendicke die Öffnungsweite des Düsenschlitzes nicht mehr als das 40fache überschreiten, vorzug­ sweise nicht mehr als das 25fache. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Düsenschlitzöffnung 1,6 mm. Zusätzlich sind nach der Erfindung kammartige Schlitze am Düsenschlitz vorgesehen, die sich bei hori­ zontal verlaufendem Düsenschlitz vertikal nach oben und unten erstrecken. Die Gesamthöhe des Kammes vom unteren bis zum oberen Ende beträgt im Ausführungsbeispiel 20 mm, in anderen Ausführungs­ beispielen 30-40 mm. Wahlweise enden die Kämme in ringförmigen Austrittsöffnungen mit einem Durchmesser von 1-5 mm. Obige Abmes­ sungen sind für styrene Polymere, z. B. Polystyrol, und für Polyole­ fine. Für PVC und andere Stoffe gelten äquivalente Grenzen.

Die Fig. 3-5 zeigen Einzelheiten erfindungsgemäßer Düsenschlit­ ze.

Nach Fig. 4 ist ein zur Erzeugung eines Kunststoffschaumstranges für die Kunststoffschaumplattenherstellung bestimmter Düsenschlitz 20 in Abständen von 150 mm mit vertikal verlaufenden Schlitzen 21 versehen, während der Düsenschlitz 20 im übrigen horizontal ver­ läuft. Die Schlitze 21 enden in Rundungen 22. Die Schlitze 21 haben mit den Rundungen 22 zusammen eine Höhe von 30 mm. Der Düsenschlitz 20 mit den Schlitzen 21 besitzt durchgängig eine Öffnungsweise von 1 mm, die Rundungen 22 eine Öffnungsweite von 2 mm. Zur Herstellung einer solcher Düse werden zunächst Bohrungen für die Rundungen 22 gesetzt und dann, ausgehend von den Bohrungen, die Schlitze gefräst oder gesägt.

Fig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Düsenschlitzes 25, bei dem sich die vertikalen zusätzlichen Schlitze auf kreisför­ mige Ausnehmungen 26 beschränken. Die Ausnehmungen 26 entstehen z. B. dadurch, daß zunächst Bohrungen auf der Mittellinie des Düsenschlit­ zes 25 gesetzt werden, bevor der Düsenschlitz 25 gesägt oder gefräst wird.

Fig. 3 zeigt eine Düse für die Herstellung besonders dicker Kunst­ stoffschaumplatten. Im Unterschied zur Ausführung nach Fig. 4 sind zwei Düsenschlitze 10 und 15 vorgesehen, die horizontal verlaufen. Von dem Düsenschlitz 10 gehen Schlitze 11 vertikal nach oben und Schlitze 12 vertikal nach unten. Von dem Düsenschlitz 15 gehen Schlitze 16 vertikal nach oben und Schlitze 17 vertikal nach unten. Die Schlitze 11 haben untereinander den gleichen Abstand wie die Schlitze 21. Das gleiche gilt für die Schlitze 12, 16 und 17.

Die Schlitze 10 und 15 sind jedoch so angeordnet, daß die Schlitze 16 jeweils mittig zwischen den Schlitzen 12 positioniert sind und umgekehrt.

Im übrigen enden die Schlitze 11, 12, 16 und 17 rechteckig im Unterschied zur Rundform 22. Die vertikale Höhe der Schlitze 16 und 17 ist die gleiche wie die der Schlitze 21.

Die horizontal verlaufenden Düsenschlitze 10 und 15 haben einen Abstand von 60 mm im Ausführungsbeispiel.

Die Schlitzbreite ergibt sich aus der Breite der gewünschten Schaum­ stoffplatten.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffschaumes mit einem fluorchlorkohlenwasserstofffreien Treibmittel, insbesondere mit einem physikalischen Treibmittel hohen Dampfdruckes wie CO₂ und N₂ oder Edelgasen, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte Koextrusion, wobei ein Treibmittelkern (6) und eine Außen­ schicht geschäumt werden und für den Materialkern ein anderes Treibmittel als für die Außenschicht verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialkern mit einem Treibmittel niederigen Dampfdruck und die Außenschicht mit einem physikalischen Treibmittel wie CO₂, N₂ oder Edelgasen geschäumt werden oder umgekehrt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Materialkern geschäumt wird, dessen Dicke bis zu 75% der Gesamtkunststoffschaumdicke beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von Kohlenwasserstoffen als Treibmittel niedrigen Dampfdruckes.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlen­ wasserstoffe wie Pentan, Butan, Isobutan und Propan verwendet werden.

6. Verfahren nach ein oder mehrende Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß dem durch Kohlendioxid, Stickstoff oder Edelgasen gebildeten Treibmittel ein Anteil von bis zu 20 Gew. -% Kohlenwasserstoffen zugemischt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Verwendung des gleichen Kohlenwasserstoffes wie für das Treibmittel der anderen Kunststoffschaumschicht.

8. Verfahren nach ein oder mehrende Ansprüche 1-5, gekennzeich­ net durch Aufnahme des extrudierten Schaumes in eine Führung.

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Rohr­ führung.

10. Verfahren nach ein oder mehrende Ansprüche 1-9, gekennzeich­ net durch die Verwendung einer Extruderdüse mit einem Düsen­ spalt von 0,1-3 mm und Beschränkung der mit dem Düsenspalt hergestellten Materialschichtdicke auf das 40fache des Düsen­ spaltes.

11. Verfahren nach ein oder mehrende Ansprüche 1-9, gekennzeich­ net durch die Verwendung einer Extruderdüse mit einem Düsen­ spalt von 0,1-3 mm Öffnungsweite und zusätzliche vertikale Schlitze und/oder Rundungen in der Düse, ausgehend vom horizontalen Düsenschlitz.

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Düse mit vertikalen Schlitzlängen von 3-40 mm und/oder Öffnungsweiten der Vertikalschlitze von 1-5 mm.

13. Verfahren nach einem oder mehrende Ansprüche 10 oder 12, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Düse mit mehreren übereinander angeordneten horizontal verlaufenden Düsenschlitzen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Vertikalschlitzen des einen Düsenschlitzes die zusätzlichen Vertikalschlitze des anderen Düsenschlitzes in der Ansicht von oben zwischen sich einschließen.