DE4446336A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Schaumherstellung mittels unter Druck gelöstem Kohlendioxid - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Schaumherstellung mittels unter Druck gelöstem KohlendioxidInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Herstellung von Schäumen mittels unter Druck gelöstem Kohlendioxid als
Treibmittel, wobei die zu verschäumende Masse unter Druck mit vorzugsweise
flüssigem Kohlendioxid vermischt und anschließend unter Schaumbildung ent
spannt wird. Als verschäumbare Massen werden insbesondere flüssige Ausgangs
produkte für Kunststoffe eingesetzt, die aufgrund einer nach dem Verschäumen
einsetzenden Polyadditions- oder Polykondensationsreaktion zum Schaum-Kunst
stoff aushärten. Speziell bezieht sich die Erfindung auf Polyurethan-Schaumstoffe.
Bei der Herstellung von Polyurethanschaumstoffen wird mindestens eine der
Reaktivkomponenten (Polyisocyanat und Isocyanat-reaktive Wasserstoffatome
aufweisende Verbindungen, insbesondere Polyole) mit einem flüssigen oder gas
förmigen Treibmittel versetzt, danach mit der anderen Komponente vermischt und
die erhaltene Mischung entweder diskontinuierlich in eine Form oder kontinuier
lich auf ein Transportband gefördert, wo die Mischung aufschäumt und aushärtet.
Zur Erzeugung des Schaums haben eine Reihe von Verfahren breite Anwendung
in der Technik gefunden. Einerseits werden bei niedriger Temperatur verdam
pfende Flüssigkeiten wie niedermolekulare Chlorfluorkohlenwasserstoffe, Methy
lenchlorid, Pentan usw. eingesetzt, die aus der noch flüssigen Reaktivmischung
verdampfen und Bläschen bilden (physikalische Schaumerzeugung). Ferner kann in
die Reaktivmischung bzw. in eine der Komponenten Luft eingeschlagen werden
(mechanische Schaumerzeugung) und schließlich wird bei Polyurethanschäumen
Wasser als Treibmittel der Polyolkomponente zugesetzt, das nach Vermischung
mit der der Isocyanatkomponente durch Reaktion mit dem Isocyanat Kohlendioxid
als Schäumgas freisetzt (chemische Schaumerzeugung).
Aus Gründen der Umweltverträglichkeit, der Arbeitshygiene und aufgrund der ver
gleichsweise hohen Löslichkeit von flüssigem Kohlendioxid in der Polyolkompo
nente wurde flüssiges Kohlendioxid bereits vielfach als Treibmittel vorgeschlagen
(GB-A 803 771, US-A 3 184 419). Jedoch hat Kohlendioxid bisher keinen
Eingang in die Technik gefunden, offenbar aufgrund der Schwierigkeiten, bei der
erforderlichen Entspannung der Reaktivmischung von Drücken zwischen 10 und
20 bar gleichmäßige Schäume zu erzeugen. Dabei besteht das Problem einerseits
darin, daß unmittelbar nach der Entspannung das Kohlendioxid relativ plötzlich
verdampft, so daß eine sehr starke Volumenvergrößerung der Reaktionsmischung
um einen Faktor von beispielsweise ca. 10 erfolgt, die schwer zu beherrschen ist
und andererseits die Reaktivmischung zu Freisetzungsverzügen des Kohlendioxids
neigt, die 3 bis 6 bar unterhalb des Gleichgewichtsdampfdrucks von CO₂ bei der
jeweiligen Temperatur liegen können, so daß es zu plötzlichen explosionsartigen
Kohlendioxidfreisetzungen kommt, mit der Folge, daß große Blasen oder Lunker
in den Schaumstoff eingeschlossen sind.
Gemäß DE-A 26 28 785 wurde daher offenbar zur Bereitstellung von Keimen für
die Kohlendioxidfreisetzung bereits vorgeschlagen, in die Polyolkomponente Luft
einzubringen, bevor in dieser Kohlendioxid gelöst wird.
Gemäß EP-A 145 250 wird die Fähigkeit des Kohlendioxids zur Bildung von
Addukten mit Wasser und anderen niedrigmolekularen Flüssigkeiten ausgenutzt,
um eine verzögerte Freisetzung des Kohlendioxids aus der Reaktivmischung zu
erzielen, so daß die Schaumbildung durch Freisetzung des Kohlendioxids erst nach
der Entspannung der Reaktivmischung verzögert einsetzt. Nach Zerstörung des
Adduktes steht das Wasser als zusätzliches chemisches Treibmittel zur Verfügung.
Allerdings wird die Beherrschbarkeit der Schaumbildung im großtechnischen
Prozeß hierdurch kaum verbessert, da sowohl die Adduktbildung als auch deren
Zerfall äußerst labil gegenüber den sonstigen in der Reaktivmischung herrschenden
Bedingungen sind, außer man wurde die dort ebenfalls beschriebenen, in einem
separaten Schritt hergestellten Addukte unter Mitwirkung niedermolekularer
tertiärer Amine einsetzen, die offenbar gegenüber spontan gebildeten Wasser/CO₂-Addukten
eine erheblich verlängerte Zerfallszeit aufweisen.
Kombinationen von physikalisch gelöstem Kohlendioxid und anderen bei niedriger
Temperatur siedenden physikalischen oder chemischen Treibmitteln wie Wasser
oder Chlorfluorkohlenwasserstoffe werden auch bereits gemäß EP-A 89796 vorge
schlagen.
All diese Vorschläge haben nicht zu technisch anwendbaren Lösungen für den
Einsatz von physikalisch unter Druck gelöstem CO₂ als Treibmittel für die
Polyurethanschaumherstellung geführt.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Untersuchungen gehen von der
Vorstellung aus, daß die Bedingungen, unter denen die unter Druck stehende, CO₂
enthaltende Polyurethan-Reaktivmischung entspannt wird, wesentlichen Einfluß auf
die Schaumbildung hat.
Gemäß US-A 3 184 419 wird die aus der Mischvorrichtung austretende, unter
Druck stehende, Kohlendioxid enthaltende Reaktivmischung durch ein Ventil
offenbar plötzlich entspannt. Gemäß EP-A 145 250 sollte die Entspannung allmäh
lich ("gradually") erfolgen, wobei der allmähliche Druckabbau beim Durchströmen
der Kohlendioxid enthaltenden Reaktivmischung durch einen Schlauch erfolgen
kann. Dabei wird die noch im Schlauch erfolgende Freisetzung eines Teils des
Gases nicht notwendigerweise als Nachteil angesehen, da hierdurch die
Blasenkeimbildung unterstützt werden kann. Im Rahmen der der vorliegenden
Erfindung zugrundeliegenden Untersuchungen hat sich jedoch gezeigt, daß eine
solche vorzeitige, d. h. spontane und nicht induzierte Blasenkeimbildung für die
Porenstruktur des Schaumes eher nachteilig ist, da aus einer solchen spontanen
Blasenkeimbildung regelmäßig ein Schaum resultiert, der nicht nur eine stark
unterschiedliche Porenstruktur aufweist, sondern auch größere Lunker und Voids.
Das Konzept der verzögerten Kohlendioxidfreisetzung, d. h. der Freisetzung erst
nach Aufbringung der Reaktivmischung auf das Formgebungsmittel (Transport
band oder Form) durch Adduzierung des Kohlendioxid an hydroxylgruppenhaltige
Verbindungen führt auch deswegen nicht zu einer kontrollierten Schaumbildung,
weil die Addukte unter Verschäumungsbedingungen extrem instabil sind und daher
immer auch größere Mengen von nicht adduziertem Kohlendioxid vorhanden sind,
die bei entsprechender Anwesenheit von Blasenkeimen spontan vorzeitig freige
setzt werden.
Aufgrund dieser und anderer Beobachtungen wurden folgende Forderungen für die
Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von Schaumstoffen aus Zweikom
ponentenreaktivkunststoffen unter Einsatz von physikalisch unter Druck gelöstem
Kohlendioxid als Treibmittel aufgestellt:
- 1. Die Ausbildung von Blasenkeimen in der flüssigen Zweikomponenten-Reaktivmischung muß derart kontrolliert erfolgen, daß jeder erzeugte Blasenkeim in gleicher Weise an der Freisetzung des Kohlendioxids aus der Reaktivmischung teilnehmen kann, so daß möglichst gleichmäßige Poren erzeugt werden.
- 2. Bei der induzierten Blasenkeimbildung sollen bereits so viele Blasenkeime erzeugt werden, wie der Porenzahl im ausgehärteten Schaumkunststoff entspricht.
- 3. Die kontrollierte, induzierte Erzeugung von Blasenkeimen muß im Augen blick des Übergangs der flüssigen Reaktivmischung aus einem an gelöstem Kohlendioxid untersättigten Zustand in einen an Kohlenstoff übersättigten Zustand erfolgen, d. h. im Augenblick der Entspannung von einem Druck, der oberhalb des Sättigungsdruckes für das gelöste Kohlendioxid liegt auf einen Druck, der unterhalb des Sättigungsdruckes für das gelöste Kohlendioxid liegt.
- 4. Unmittelbar im Anschluß an die Keimbildung soll eine möglichst große Übersättigung der Reaktivmischung an gelöstem Kohlendioxid herbei geführt werden, d. h. die Entspannung von einem Druck oberhalb des Gleichgewichtsdrucks für das gelöste Kohlendioxid auf Umgebungsdruck soll möglichst vollständig instantan erfolgen.
Es wurde gefunden, daß die obengenannten Forderungen erfüllt werden können,
wenn die Kohlendioxid unter Druck gelöst enthaltende Reaktivmischung unter
Erzeugung hoher Schergeschwindigkeiten in der Reaktivmischung entspannt wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur
Herstellung von Schaumstoffen aus Zweikomponenten-Reaktivkunststoffen unter
Einsatz von Kohlendioxid als Treibmittel durch Vermischung mindestens einer der
Reaktivkomponenten mit Kohlendioxid unter Druck, Vermischen der Reaktions
komponenten unter Aufrechterhaltung eines Druckes, der größer ist als der
Sättigungsdruck des Kohlendioxids in der Mischung, Entspannen der Kohlendioxid
enthaltenden Reaktivmischung und Aushärten, das dadurch gekennzeichnet ist, daß
die Entspannung plötzlich unter Erzeugung von hohen Schergeschwindigkeiten
durchgeführt wird.
Vorzugsweise sollen die bei der Entspannung erzeugten Schergeschwindigkeiten
mindestens 10⁴/Sekunde, besonders bevorzugt mindestens 10⁵/Sekunde betragen.
Insbesondere bevorzugt sind Schergeschwindigkeiten oberhalb 10⁶/Sekunde.
Als Mittel zur Entspannung und Erzeugung der hohen Schergeschwindigkeiten ist
mindestens eine Durchtrittsöffnung für das Reaktionsgemisch mit einer Abmessung
in mindestens einer Dimension von unter 1 mm, insbesondere 0,05 bis 0,5 mm,
bevorzugt 0,1 bis 0,3 mm, geeignet.
Die mindestens eine Durchtrittsöffnung kann in Form eines feinmaschigen Siebes,
einer Lochplatte, eines Spaltgitters oder eines langgestreckten Spaltes ausgebildet
sein. Die Differenz des Druckes der Reaktivmischung vor und hinter dem Spalt
beträgt typischerweise zwischen 5 und 20 bar, bevorzugt 7 bis 15 bar, besonders
bevorzugt 8 bis 12 bar.
Als Zweikomponenten-Reaktivkunststoffe werden vorzugsweise Polyurethankunst
stoffe nach dem Polyisocyanat-Polyadditionsverfahren hergestellt.
Dabei werden als Komponente A aliphatische, cycloaliphatische, araliphatische,
aromatische und heterocyclische Polyisocyanate, wie sie z. B. von W. Siefken in
Justus Liebigs Annalen der Chemie, 562, Seiten 75 bis 136, beschrieben sind)
eingesetzt.
Bevorzugt eingesetzt werden aromatische Polyisocyanate, besonders bevorzugt
werden in der Regel die technisch leicht zugänglichen Polyisocyanate, z. B. das
2,4- und 2,6-Toluylendiisocyanat sowie beliebige Gemische dieser Isomeren
("TDI"), Polyphenyl-polymethylen-polyisocyanate, wie sie durch Anilin-Form
aldehyd-Kondensation und anschließende Phosgenierung hergestellt werden ("rohes
MDI") und Carbodiimidgruppen, Urethangruppen, Allophanatgruppen,
Isocyanuratgruppen, Harnstoffgruppen oder Biuretgruppen aufweisende Polyiso
cyanate ("modifizierte Polyisocyanate"), insbesondere solche modifizierten
Polyisocyanate, die sich vom 2,4- und/oder 2,6-Toluylendiisocyanat ableiten.
Als zweite Komponente B ("Polyolkomponente") werden Verbindungen mit
mindestens zwei gegenüber Isocyanaten reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit
Molekulargewichten von in der Regel zwischen 60 und 5000, vorzugsweise
zwischen 100 und 2000, besonders bevorzugt zwischen 200 und 800. Hierunter
versteht man neben Aminogruppen, Thiolgruppen oder Carboxylgruppen
aufweisenden Verbindungen vorzugsweise Hydroxylgruppen aufweisende Verbin
dungen, insbesondere 2 bis 8 Hydroxylgruppen aufweisende Verbindungen,
speziell solche mit Molekulargewichten zwischen 200 und 2000, vorzugsweise 300
bis 1200, z. B. mindestens 2, in der Regel 2 bis 8, vorzugsweise aber 2 bis 6, Hy
droxylgruppen aufweisende Polyester, Polyether, Polythioether, Polyacetale,
Polycarbonate und Polyesteramide, wie sie für die Herstellung von Poly
urethanschäumen an sich bekannt sind; ganz besonders bevorzugt sind
Polyetherpolyole.
Für den Einsatz als Polyolkomponente geeignete Verbindungen sind auf den
Seiten 6 bis 9 der EP-B 121 851 beschrieben.
Ferner können zur Herstellung der Reaktivmischung gegebenenfalls Wasser,
weitere Treibmittel, Schaumstabilisatoren, Katalysatoren sowie sonstige an sich
bekannte Hilfs- und Zusatzstoffe eingesetzt werden. Diese an sich bekannten,
weiter einsetzbaren Mittel sind auf Seiten 9 bis 11 der EP-B 121 850 offenbart.
Insbesondere bevorzugt wird erfindungsgemäß Wasser als zusätzliches Treibmittel
in einer Menge von besonders bevorzugt 1 bis 7 Gew.-%, bezogen auf die
Reaktivmischung mitverwendet. Bevorzugt wird Wasser in einer Menge von 2 bis
5 Gew.-% mitverwendet.
Die zusätzlich einsetzbaren Mittel können dem Mischaggregat zur Vermischung
von Isocyanatkomponente und Polyolkomponente getrennt zugeführt werden oder
aber bereits vor der Vermischung von Isocyanat mit Polyol einer der beiden
Hauptkomponenten zugeführt werden, wobei das mitverwendete Wasser und
weitere eventuell mit Isocyanat reagierende Zusatzkomponenten nur der Polyol
komponente zugemischt werden dürfen.
Die Verfahrenstechnik zur Herstellung von Polyurethanschäumen ist prinzipiell in
Becker/Braun, Kunststoff-Handbuch, Band 7: Polyurethane, 1993, Seiten 143 bis
149, insbesondere in Bild 4.8 und Bild 4.9 auf Seite 148 dargestellt.
Vorzugsweise werden die Komponenten in einer sogenannten Niederdruck-Rührwerksmischkammer
vermischt, wobei erfindungsgemäß in der Mischkammer
ein Druck herrscht, der oberhalb des Sättigungsdruckes für das gelöste
Kohlendioxid liegt.
In einer oder mehreren der Komponenten, insbesondere der Polyolkomponente,
wird vor der Einleitung der Komponenten in den Mischkopf Kohlendioxid gelöst.
Vorzugsweise wird Kohlendioxid in einer Menge von 1 bis 7 Gew.-%,
vorzugsweise 2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamt-Reaktivmischung gelöst.
Die Auflösung des Kohlendioxids, vorzugsweise nur in der Polyolkomponente,
kann auf beliebige Weise erfolgen, z. B.
- a) gasförmiges Kohlendioxid wird in einen die Polyolkomponente enthal tenden Behälter, der bei einem Druck von 15 bis 25 bar gehalten wird, in das Polyol mittels eines Rührwerks eingemischt;
- b) flüssiges Kohlendioxid wird bei Raumtemperatur z. B. in einem Statik mischer bei einem Druck von 70 bis 80 bar mit dem Polyol vermischt und anschließend vor der Einführung in den Niederdruck-Rührwerksmischkopf auf einen Druck von 15 bis 25 bar entspannt;
- c) flüssiges, auf z. B. -20°C abgekühltes Kohlendioxid wird bei einem Druck von 15 bis 25 bar mit der bei Raumtemperatur befindlichen Polyolkompo nente vermischt, wobei die Vermischung derart erfolgt, daß das Kohlen dioxid in der Polyolkomponente gelöst wird, bevor es verdampfen kann.
Es wurde gefunden, daß insbesondere die bevorzugte Alternative c) aufgrund der
hohen Neigung des Kohlendioxids, in Lösung zu gehen, mittels eines
schnellaufenden Durchflußrührers, der in der Polyolleitung an der Einleitstelle für
das flüssige Kohlendioxid angeordnet ist, gelingt.
Die Komponenten des Reaktivkunststoffs, von denen mindestens eine das gelöste
Kohlendioxid enthält, werden nun dem Mischkopf zugeführt, hier vermischt und
beim Austritt aus dem Mischkopf unter Erzeugung der erfindungsgemäß hohen
Schergeschwindigkeiten entspannt. Zu diesem Zweck ist am Ausgang des Misch
kopfes die mindestens eine Durchtrittsöffnung mit in mindestens einer Dimension
geringer Querschnittsabmessung angeordnet. Vorzugsweise ist die Austrittsöffnung
mit geringer Querschnittsabmessung ein Spalt oder eine Siebplatte. Die durch den
Spalt hindurchtretende Kohlendioxid enthaltende Reaktivmischung schäumt
unmittelbar nach dem Durchtritt durch den Spalt innerhalb kürzester Zeit, die im
Bereich von 1/10 bis 1/1000 Sekunden liegen kann, auf. Dabei wird im
wesentlichen das gesamte, gelöst vorliegende Kohlendioxid freigesetzt, wobei ein
Schaum mit relativ gleichmäßiger Schaumstruktur entsteht.
Sofern die Zusammensetzung der Reaktivmischung die spontane Ausbildung von
CO₂-Addukten z. B. an hydroxylgruppenhaltigen Verbindungen begünstigt, wird
verzögert um die erforderliche Zerfallszeit der Addukte zusätzlich CO₂ freigesetzt,
das im wesentlichen zur Vergrößerung des bereits vorhandenen Schaumblasen
führt. Bei Mitverwendung von Wasser als chemisches Treibmittel "steigt" der
Schaum weiter beim Beginn der Isocyanatreaktion mit dem Wasser.
Die plötzlich mit einem Druckgefälle von 5 bis 15 bar unter Erzeugung hoher
Schergeschwindigkeiten entspannte Reaktivmischung weist eine relativ hohe
Geschwindigkeit von 10 bis 50 m/Sekunde auf. Sie ist in dieser Form für die
Spritzbeschichtung von z. B. textilen Flächengebilden oder Formteilen geeignet.
Zur Herstellung von Blockschaum größerer Dicke wird die hohe Strö
mungsgeschwindigkeit der aus der mindestens einen Öffnung mit in mindestens
einer Richtung geringer Abmessung austretende Reaktionsmischung vorzugsweise
reduziert, besonders bevorzugt auf 1/5 bis 1/100 der Austrittsgeschwindigkeit.
Die Reduktion der Austrittsgeschwindigkeit soll innerhalb so kurzer Zeiträume
nach dem Austreten aus der mindestens einen Öffnung mit geringer Abmessung in
mindestens einer Richtung erfolgen, daß eine wesentliche Freisetzung des Kohlen
dioxids noch nicht stattgefunden hat. Vorzugsweise erfolgt die Geschwindigs
keitreduktion innerhalb von 0,01 Sekunden nach dem Durchtritt durch die
mindestens eine Öffnung mit geringer Abmessung, besonders bevorzugt innerhalb
weniger als 0,003 Sekunden, insbesondere bevorzugt innerhalb weniger als
0,001 Sekunde.
Die Geschwindigkeitsreduktion kann dadurch herbeigeführt werden, daß der aus
der mindestens einen Öffnung mit mindestens in einer Richtung geringer
Querschnittsabmessung austretende Strahl der Kohlendioxid gelöst enthaltenden
Reaktivmischung auf eine Prallfläche gerichtet wird, an der der Strahl um einen
Winkel von mindestens 70°, vorzugsweise etwa 90° umgelenkt wird. Beim
Aufprall auf die Prallfläche wird die lineare hohe Strömungsgeschwindigkeit des
gerichteten Strahls zerstört und in eine hochturbulente, im wesentlichen
ungerichtete Strömung aufgelöst.
Der Abstand der Prallfläche vom Ausgang der mindestens einen Öffnung mit
geringer Querschnittsabmessung kann weniger als 2 cm, bevorzugt weniger als
1 cm betragen, so daß die Strömungsreduktion innerhalb der erfindungsgemäß
kurzen Zeiten nach Erzeugung der hohen Scherkräfte erfolgen kann.
Besonders bevorzugt wird die nach dem Aufprall auf die Prallfläche herrschende
hochturbulente Strömung in der Reaktivmischung beruhigt, bevor eine wesentliche
Freisetzung des gelösten Kohlendioxids erfolgt. Die Beruhigung der turbulenten
Strömung kann dadurch bewirkt werden, daß diese durch ein Beruhigungssieb
hindurch tritt. Dabei soll das Beruhigungssieb eine so große freie Durchtrittsfläche
aufweisen, daß die gelöstes Kohlendioxid enthaltende Reaktivmischung beim
Durchtritt durch das Beruhigungssieb einen minimalen Druckabfall erfährt.
Insbesondere soll das Beruhigungssieb eine freie Querschnittsfläche, d. h. eine
Summe der Querschnittsflächen aller Durchtrittsöffnungen, aufweisen, die 5- bis
100mal größer ist, als die Gesamtquerschnittsfläche der mindestens einen Öffnung
mit geringer Querschnittsabmessung in mindestens einer Richtung zur Erzeugung
der hohen Schergeschwindigkeiten.
Bevorzugte Mittel zur Realisierung der erfindungsgemäß besonders bevorzugten
Kombination der Schritte
- a) Erzeugung hoher Schergeschwindigkeiten
- b) Strömungsreduktion, und
- c) Beruhigung
können wie folgt gestaltet sein:
- 1. Die mindestens eine Öffnung mit geringer Querschnittsabmessung in mindestens einer Richtung ist ein Spalt mit einer Spaltbreite von unter 1 mm. Hieran schließt sich ein Strömungsreduktionsraum an, der parallel zur Durchtrittsrichtung durch den Spalt ein Sieb bzw. eine Lochplatte aufweist. Dabei ist der Strömungsreduktionsraum vorzugsweise so bemessen, daß die mittlere Verweilzeit im Strömungsreduktionsraum weniger als 0,1 Sek., vorzugsweise weniger als 0,02 Sek., insbesondere zwischen 0,005 und 0,02 Sek. beträgt.
- 2. Zur Erzeugung der hohen Schergeschwindigkeiten wird ein Sieb bzw. eine Lochplatte mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen mit einem Durchgang von vorzugsweise unter 1 mm eingesetzt. Das Beruhigungssieb bzw. die Lochplatte zur Strömungsberuhigung ist parallel zu dem Sieb bzw. der Lochplatte zur Erzeugung der hohen Schwergeschwindigkeiten im Abstand von unter 2 mm, vorzugsweise unter 1 mm angeordnet. Dabei kann die freie Querschnittsfläche, d. h. die Summe der Querschnitte aller Durchtrittsöffnungen durch das Sieb zur Erzeugung der Schergeschwindigkeiten zwischen 0,5 und 5% der Siebfläche betragen. Die freie Querschnittsfläche des Beruhigungssiebes kann vorzugsweise das 10- bis 50fache der freien Querschnittsfläche des Siebes zur Erzeugung der hohen Scherkräfte betragen.
Die geringe Querschnittsabmessung in mindestens einer Richtung der mindestens
einen Öffnung zur Erzeugung der hohen Scherkräfte, der Druckabfall beim
Durchgehen durch die Öffnung, die Viskosität der Reaktivmischung und die
erzeugte hohe Schergeschwindigkeit sind keine unabhängigen Größen.
Insbesondere muß ein solcher Druckabfall gewährleistet sein, daß vor dem
Durchgang durch die Öffnung der Druck der Reaktivmischung über dem
Sättigungsdruck für das gelöste Kohlendioxid liegt. Obwohl es im Prinzip möglich
ist, durch Verkleinerung der geringen Abmessung der mindestens einen
Durchtrittsöffnung ein ausreichendes Druckgefälle zu gewährleisten, stößt die
Verkleinerung dieser Abmessung an technologische Grenzen, insbesondere nimmt
die Verstopfungsneigung der Öffnung mit geringer werdender Querschnittsab
messung zu. Gegenüber einer Verkleinerung der geringen Abmessung der Öffnung
wird es daher erfindungsgemäß vorgezogen, mehrere Siebe oder Spalte
hintereinander anzuordnen, um den erforderlichen Mindestdruckabfall zu
gewährleisten. Dabei werden die mehreren Spalte oder Siebe so dicht beieinander
angeordnet, daß eine im wesentlichen vollständige Entspannung innerhalb eines
Zeitraumes von weniger als 10-3 Sek., vorzugsweise weniger als 10-4 Sek. erfolgt.
Vorzugsweise sind die Durchtrittsöffnungen derart ausgebildet, daß sie sich auf der
Austrittsseite düsenförmig erweitern, so daß die Strömung der Reaktivmischung
sich an die Kontur der Düse anlegt und aufgefächert wird. Auf diese Weise
werden Strömungs-Toträume zwischen den Sieben bzw. Lochplatten vermieden
und größere Abweichungen von der mittleren Verweilzeit zwischen den Sieben
bzw. Lochplatten vermieden. Ferner werden sowohl die Durchtrittsgeschwindigkeit
als auch die Schergeschwindigkeit im engsten Lochquerschnitt um ein Vielfaches
erhöht.
Zur Vermeidung der Verstopfung der mindestens einen Öffnung zur Erzeugung
hoher Scherkräfte kann zwischen Mischkammeraustritt und der mindestens einen
Durchtrittsöffnung ein Sieb angeordnet sein, auf dem mit der Reaktivmasse aus
der Mischkammer mitgeförderte Feststoffteilchen abgefangen werden. Dabei soll
die Maschenweite des "Reinigungssiebes" zumindest nicht wesentlich größer sein
als die geringe Querschnittabmessung der mindestens einen Öffnung zur Erzeu
gung hoher Scherkräfte. Die freie Querschnittfläche des Sieb es, d. h. die Summe
der Querschnittsflächen aller Siebmaschen, soll so groß sein, daß der Druckabfall
beim Durchtritt durch das Reinigungssieb vernachlässigbar ist, z. B. weniger als
1 bar beträgt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert:
Fig. 1 zeigt das Prinzip der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte.
Fig. 2 zeigt eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung hoher
Scherkräfte in einem Spalt und Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit
der Reaktivmischung mittels Prallfläche.
Fig. 2a zeigt eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 2.
Fig. 3 zeigt eine verbesserte Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 2.
Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung gemäß Fig. 2, bei der zusätzlich ein
Beruhigungssieb vorgesehen ist.
Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Lochplatte zur Erzeugung
hoher Schergeschwindigkeiten und einem Sieb, das gleichzeitig als
Prallfläche und zur Strömungsberuhigung dient.
Fig. 5a zeigt eine vergrößerte Detaildarstellung der Ausführungsform gemaß Fig. 5.
Fig. 5b zeigt eine Darstellung entsprechend Fig. 5a, jedoch mit bevorzugter Kontur
der Durchtgrittsöffnungen.
Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit veränderlicher Spaltbreite.
Fig. 7 zeigt das prinzipielle Verfahren zur Blockschaumherstellung unter Einsatz
einer Schaumbildungsvorrichtung gemäß Fig. 6.
Fig. 8 zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß Fig. 7 mit pneumatisch verstellbarem Spalt.
Fig. 8a zeigt eine zweite Ansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 8.
Fig. 1 zeigt schematisch vier Zustände I, II, III und IV der Reaktivmischung. Nach
der Vermischung der Komponenten der Reaktivmischung in einem geeigneten
Mischaggregat tritt diese in einen durch die Wand 1 angedeuteten Verteilraum ein.
Sie befindet sich im Zustand I, bei einem Druck, der größer oder zumindest gleich
ist als bzw. wie der Sättigungsdruck des gelösten Kohlendioxid. Der
Sättigungsdruck des Kohlendioxids liegt bei einem Kohlendioxidgehalt von 3%
bei etwa 7,5 bar. Der Druck im dem Verteilraum im Zustand I ist daher größer
oder gleich als 7,5 bar. Er kann z. B. 8 bis 12 bar betragen. Die Wand 1 des
Verteilraums weist eine Öffnung 2 mit geringer Querschnittsabmessung d in
mindestens einer Dimension auf. Auf der anderen Seite der Öffnung 2 herrscht ein
Druck PII, der kleiner ist als der Sättigungsdruck für das gelöste CO₂,
vorzugsweise etwa Atmosphärendruck von 1-2 bar absolut. Aufgrund des
Druckunterschiedes auf beiden Seiten der Öffnung 2 wird die Reaktivmischung
durch die Öffnung unter Erzeugung hoher Scherkräfte hindurchgedrückt. Am
Ausgang der Öffnung 2 ist das Geschwindigkeitsprofil V₀ der z.Zt. t₀ aus der
Öffnung 2 austretenden Reaktivmischung über der Abmessung d dargestellt
(Zustand II). Innerhalb einer kurzen Zeit, während der noch keine Freisetzung des
Kohlendioxids aus der an Kohlendioxid übersättigten Reaktivmischung erfolgt,
wird der aus der Öffnung 2 austretende Strahl der Reaktivmischung wie durch den
Funktionspfeil 3 angedeutet unter Geschwindigkeitsreduzierung umgelenkt, wobei
die Kohlendioxid noch gelöst enthaltende Reaktivmischung in den Zustand III
übergeht, der in Form eines schematisierten Geschwindigkeitsprofiles v₁ über die
Breite des Reaktivsmischungsstromes zum Zeitpunkt t₁ nach der Umlenkung
dargestellt ist. Im Zustand IV schließlich wird das gelöste Kohlendioxid unter
Ausbildung von Blasen freigesetzt.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die perspektivische Darstellung gemäß Fig. 2a
durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Schaumerzeugung dar. Die
Reaktivmischung wird von dem nicht dargestellten Mischkopf über die Zuleitung
10 in den langgestreckten Verteilraum 11 eingeleitet. Die Öffnung geringer
Abmessung ist in Form eines langgestreckten Spaltes 12 senkrecht zur
Zeichnungsebene der Fig. 2 ausgebildet. Aus dem Spalt 12 tritt ein durch den Pfeil
II angedeuteter senkrecht zur Zeichnungsebene flächig ausgebildeter Strahl der
Reaktivmischung aus und trifft auf die dem Spalt 12 gegenüberliegende Prallfläche
13 auf. Dabei wird die hohe Strömungsgeschwindigkeit der Reaktivmasse
turbulent abgebaut. Das Volumen des Umlenkraumes 14 ist so bemessen, daß sich
eine Verweilzeit der Reaktivmischung darin ergibt, während der im wesentlichen
noch keine Kohlendioxidfreisetzung erfolgt. Erst nach dem Austritt aus dem
Umlenkvolumen 14 erfolgt die Kohlendioxidfreisetzung aus der Reaktivmischung
unter Ausbildung des Schaumes 15.
Ein verbesserter turbulenter Abbau der hohen Austrittsgeschwindigkeit der
Reaktivmasse aus dem Spalt 12 wird erreicht, wenn Begrenzungskanten 16 und
17 des Umlenkraums 14 gemäß Fig. 3 vorgesehen werden. Im übrigen entspricht
die Darstellung gemäß Fig. 3 derjenigen gemäß Fig. 2.
Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Schaumbildungsvorrichtung, bei der der
Umlenkraum 14 durch eine Lochplatte 18 als Beruhigungselement begrenzt ist.
Fig. 5 zeigt eine analoge Vorrichtung zu den vorhergehenden Figuren, wobei eine
Lochplatte 22 als Element zur Erzeugung der hohen Schergeschwindigkeiten
vorgesehen ist. Das Beruhigungssieb 18 dient, wie aus dem in Fig. 5a dargestellten
vergrößerten Detail "A" aus Fig. 5 ersichtlich, gleichzeitig als Prallfläche und zur
Beruhigung der Strömung der Reaktivmischung. Fig. 5b zeigt das Auffächern der
Materialströme bei sich auf der Austrittsseite erweiternder Kontur der
Durchtrittsöffnungen.
Fig. 6 zeigt eine kreissymmetrische erfindungsgemäße Schaumbildungsvorrichtung
mit einem Ringspalt 12 zur Erzeugung der hohen Schergeschwindigkeiten. Die
obere Begrenzung des Ringspaltes 12 wird durch einen Zentralkörper 30 gebildet,
der von einem ringförmigen Verteilraum 11 umgeben ist. Der Ringraum 11 ist
durch einen mit dem Zentralkörper 30 verbundenen Kolben 32 dichtend gegen das
Gehäuse 35 abgeschlossen. Der Kolben 32 kann durch Einführung einer
Hydraulikflüssigkeit 34 in den oberhalb des Kolbens 32 befindlichen Raum 31
vertikal zur Verstellung der Breite des Ringspaltes 12 bewegt werden. Der Kolben
32 kann ferner mit einem Führungskolben 33 zur Verhinderung des Verkantens
des Kolbens 32 im Gehäuse 35 versehen sein.
Fig. 7 zeigt eine Anlage zur Herstellung von Blockschaum. Dabei werden dem
Mischaggregat 40 die Polyolkomponente 41, die Isocyanatkomponente 42 sowie
weitere Hilfs- und Zusatzstoffe über Leitung 43 zugeführt. Vorzugsweise die
Polyolkomponente 41 enthält unter Druck gelöstes Kohlendioxid. Aus dem
Mischaggregat 40 treten die nunmehr vermischten Komponenten in den
Verteilungsraum 11 der Schaumbildungsvorrichtung 44 ein. Die beispielhaft
dargestellte Schaumbildungseinrichtung 44 entspricht der Darstellung gemäß
Fig. 6. Der aus der Schaumbildungsvorrichtung 44 austretende Schaum 15 wird
auf einer unteren Kaschierfolie 51, die auf einem Transportband 50 von der
Schaumbildungsvorrichtung 44 weg bewegt wird, abgelegt. Ferner kann von oben
eine obere Kaschierfolie 52 zugeführt werden.
Fig. 8 enthält einen alternativen Vorschlag für eine erfindungsgemäße Schaumbil
dungsvorrichtung mit einem langgestreckten, justierbaren Spalt. Dabei wird die
eine Begrenzungsfläche des Spaltes 12 durch einen elastischen Polymerschlauch
80 gebildet, der zur Verstellung des Spaltes 12 pneumatisch oder hydraulisch
gedehnt werden kann. Fig. 8a zeigt einen Schnitt AA durch Fig. 8. Fig. 8 stellt
einen Schnitt B-B durch die Darstellung gemäß Fig. 8a dar.
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffen aus Zweikomponenten-Reaktivkunststoffen
unter Einsatz von Kohlendioxid als Treibmittel durch
Vermischen von mindestens einer der Reaktivkomponenten mit Kohlen
dioxid unter Druck, Vermischen der Komponenten, von denen mindestens
eine Kohlendioxid unter Druck enthält, Entspannen der durch Vermischen
erhaltenen Kohlendioxid enthaltenden Reaktivmischung und Aushärten,
dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung plötzlich unter Erzeugung
von hohen Schergeschwindigkeiten durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung
der Reaktivmischung unter Erzeugung hoher Scherkräfte beim Durchtritt
durch mindestens eine in mindestens einer Richtung weniger als 1 mm
ausgedehnte Öffnung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktiv
mischung durch einen Spalt, oder ein Sieb entspannt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strömungsgeschwindigkeit der Reaktivmischung nach der Entspannung
reduziert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungs
richtung der Reaktivmischung zur Geschwindigkeitsreduktion um einen
Winkel von mindestens 70° umgelenkt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die mittlere Verweilzeit der Reaktivmischung zwischen Entspannung und
Beruhigung weniger als 100 msec beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strömung der Reaktionsmischung nach der Geschwindigkeitsreduktion
beruhigt werden.
8. Vorrichtung zur Herstellung von Schaumstoffen aus Zweikomponenten-Reaktivkunststoffen
unter Einsatz von Kohlendioxid unter Druck,
enthaltend ein Mischaggregat zum Vermischen der Komponenten, wobei
mindestens eine Komponente Kohlendioxid unter Druck enthält, und am
Ausgang des Mischaggregates mindestens eine in mindestens einer Quer
schnittsabmessung weniger als 1 mm ausgedehnte Austrittsöffnung.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, enthaltend eine quer zur Durchtrittsrichtung
der Reaktivmasse durch die mindestens eine in mindestens einer Quer
schnittsabmessung weniger als 1 mm ausgedehnten Austrittsöffnung
angeordnete Prallfläche.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, enthaltend ein Sieb zur Strö
mungsberuhigung im Anschluß an die mindestens eine in mindestens einer
Querschnittsabmessung weniger als 1 mm ausgedehnte Austrittsöffnung,
wobei die freie Querschnittsfläche des Siebes das 5- bis 100fache der
freien Querschnittsfläche aller Austrittsöffnungen beträgt.
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US09/065,143 US6689325B2 (en) | 1994-11-28 | 1998-04-23 | Process and device for producing foam using carbon dioxide dissolved under pressure |
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