DE4447494C2

DE4447494C2 - Verfahren zum Formschäumen von Integralschaum

Info

Publication number: DE4447494C2
Application number: DE4447494A
Authority: DE
Inventors: Michihiko Nakamura; Masanao Ishikake; Yukio Kawakita; Akira Mabuchi; Osamu Yamanaka
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 1993-04-30
Filing date: 1994-04-14
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2014-04-15
Also published as: DE4447495C2

Description

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Formschäu men von halbhartem Integralschaum zur Verfügung, bei dem eine Formhöhlung evakuiert wird, ein Polyurethanmaterial eingespritzt wird, und das Material unter Ausfüllen der Formhöhlung geschäumt wird, wodurch ein Integralschaum gebildet wird, der einen einstückig ausgebildeten Haut bereich mit einem niedrigen Schäumungsgrad und einen Kernbe reich mit einem hohen Schäumungsgrad umfaßt. Die vorliegende Erfindung ist für das Reak tionsspritzgießverfahren (RIM) eines formgeschäumten Produkts mit einem Integralschaum wie einer Ummantelung oder Prall platte für ein Lenkrad eines Kraftfahrzeugs, einer Instrumen tentafel, einem Konsolenfach-Deckel, einem Handschuhfach- Deckel, einer Kopfstütze, einer Armlehne oder einem Spoiler geeignet.

Ein halbharter Polyurethanschaumstoff, der einen einstückig ausgebildeten Hautbereich mit einem niedrigen Schäumungsgrad auf seiner Oberfläche und eine Kernzone mit einem hohen Schäu mungsgrad in seinem Zentrum enthält, wird im allgemeinen als ein Integralschaum (IS) bezeichnet. Es ist üblich gewesen, einen IS zu formen, indem man ein Polyurethan-Material aus einem Polyol-Bestandteil und einem Isocyanat-Bestandteil, das Freon^®enthält, in eine Formhöhlung einspritzt und das Freon^® durch die durch eine Urethan-Bildungsreaktion erzeugte Wärme verdampft und expandiert.

Im Zentrum des Polyurethan-Materials finden die Urethan-Bil dungsreaktion und die Verdampfung von Freon^® gleichzeitig statt, was eine Unzahl von Freon^®-Blasen ergibt. Dies führt zur Ausbildung eines Kerns mit einem hohen Schäumungs grad. Das Polyurethanmaterial nahe der Wandoberfläche der Formhöhlung unterliegt der Reaktion zur Bildung von Urethan langsamer als das im Zentrum, da die Reaktionswärme durch die Wandoberfläche der Formhöhlung abgeführt wird. Ein Fachmann wird richtig einschätzen, daß die langsamere Reaktion durch eine niedrigere Reaktionswärme gekennzeichnet ist und folglich eine verringerte Anzahl an Blasen bei einer verringerten Ver dampfung von Freon^® gebildet wird. Die Blasen verdichten sich oder fallen durch den inneren Schäumdruck zusammen. Das Ergeb nis ist die Bildung einer einstückig ausgebildeten Haut mit einem niedrigen Schäumungsgrad.

Das vorstehend beschriebene, herkömmliche Verfahren zur Her stellung eines IS mit Hilfe von Freon^®stellt die folgenden Probleme:
In die Atmosphäre von einem industriellen oder kommerziellen Verfahren freigesetztes Freon^®wird als ein globales Problem erkannt, und Verringerungen bei seiner Verwendung werden von vielen Ländern vorgeschrieben;
die Bildung der einstückig ausgebildeten Haut durch zusammen fallende Blasen an dem Oberflächenbereich durch den inneren Schäumdruck läßt zu, daß winzige Blasen unvermeidbar in der Haut verbleiben, was letztlich die Erscheinung des formge schäumten Endprodukts beeinträchtigt, und
Überdosierung und darauffolgende Abgabe des Polyurethan-Ma terials durch eine Entlüftung ist notwendig, um den inneren Schäumdruck zu erhöhen und das Ausfüllen der Form bzw. des Formwerkzeugs zu fördern. Letztlich führt dies zu einem großen Materialverlust.

Ferner leiden mit Freon^®schäumende Verfahren, bei denen ein Kern in der Formhöhlung enthalten ist, so wie es bei der Her stellung von Lenkrädern üblich ist, an Turbulenz-induzierten Defekten wie nadelfeinen Löchern, Lunkern und ungenügender Werkzeugfüllung, aufgrund von eingeschlossener Luft. Dies ist insbesondere bei der Herstellung von Lenkrädern ein Problem, wobei in diesem Fall sich ein langer Ringkern in der Formhöh lung befindet. So ist es nötig, einen geeigneten Platz für den Anguß auszuwählen, um Turbulenzen zu minimieren und mehrere Lüftungen zur Freisetzung eingefangener Luft zu bilden.

Die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung haben früher eine Pa tentanmeldung eingereicht, die eine Erfindung eines Verfahren zum Formschäumen von IS ohne jegliche Verwendung von Freon^® umfaßt (Japanische Offenlegungsschrift Nr. 4-226313 A). Gemäß dieser Erfindung umfaßt das Verfahren das Evakuieren einer Formhöhlung, das Einspritzen eines Polyurethan-Materials in die Formhöhlung und das Expandieren des Materials, so daß es fließt und die Formhöhlung ausfüllt. Das Polyurethan-Material enthält 0,1 bis 0,6 Gewichtsteile Wasser auf 100 Gewichtsteile Polyol-Bestandteil. Es ist erwünscht, die Formhöhlung auf 1,33.10⁴Pa (100 Torr) oder darunter zu evakuieren, wenn die Wassermenge 0,1 Gewichtsteile beträgt, und auf 5,33.10⁴Pa (400 Torr) oder darunter, wenn die Wassermenge 0,6 Gewichtsteile beträgt.

Wenn das neue, vorstehend erwähnte Verfahren ausgeführt wird, indem die Wassermenge in dem Polyurethan-Material und der Va kuumgrad in der Formhöhlung variiert werden, dann ist es mög lich gewesen, unterschiedliche Schäumungsgrade zu erhalten und dadurch einen IS mit Kernbereichen zu formen, die sich in der Dichte voneinander unterscheiden.

Die Wassermenge in dem Bereich von 0,1 bis 0,6 Gewichtsteilen ist jedoch zu klein gewesen, um jeden IS mit einem Kernbe reich mit einem hohen Schäumungsgrad und niedriger Dichte leicht zu formen. Es zeigte sich aber auch, daß die bloße Erhöhung der Wassermenge auf über 0,6 Gewichtsteile nicht notwendigerweise wirkungsvoll ist, um einen Kern mit ei nem hohen Schäumungsgrad zu bilden, da das Polyurethan-Mate rial während seines Schäumens aushärtet.

Man hat auch gefunden, daß, wenn die Formhöhlung auf 6,67.10³Pa (50 Torr) oder darunter evakuiert wird, ein Ungleichgewicht zwischen Schäumen und Härten des Polyurethan-Materials auftritt, da sowohl Blasenbildung als auch Entgasen schnell stattfinden, während seine Aushärtung langsam vorangeht. Man hat gefunden, daß dieses Ungleichgewicht mit einer Erhöhung der Wassermenge größer wird, da sie eine weitere Verzögerung der Aushärtung verursacht.

Alternative Verfahren zur Herstellung von Polyurethan-Schäumen unter Verwendung von reduziertem Druck sind in den folgenden Japanischen Patentschriften beschrieben.

In den Japanischen Offenlegungsschriften Nr. 55-63237 A und 55-63238 A ist ein Verfahren beschrieben, um ein Polyurethan- Material gleichförmig expandieren zu lassen, wobei es eine Formhöhlung vollständig ausfüllt, indem die Formhöhlung durch dünne Einkerbungen, die in den Wänden der Formhöhlung gebildet sind, evakuiert wird. In diesen Patentschriften wird jedoch vermutlich die Verwendung von Standard-Treibmitteln gelehrt, da nur herkömmliche Zusammensetzungen beschrieben sind.

In der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 56-111648 A wird ein Verfahren zum Schäumen eines Polyurethan-Materials in einer Atmosphäre von reduziertem Druck beschrieben. Der Patentinha ber beansprucht, daß dieses Verfahren für eine erforderliche Verringerung der Menge eines Treibmittels wie Freon^®sorgt. Ge mäß diesem Verfahren wird jedoch, wie herkömmlicherweise, Freon^®verwendet. Das in dieser Offenlegungsschrift beschrie bene Verfahren sorgt nicht, wie das Verfahren gemäß der vor liegenden Erfindung, für die vorteilhafte Beseitigung von Freon^®.

In der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 62-164709 A wird ein Verfahren zur Herstellung eines Polyurethan-Schaums mit nied riger Dichte beschrieben, indem ein Polyurethan-Material, das Wasser als ein Treibmittel enthält, in einer Atmosphäre von verringertem Druck expandiert wird. Im Unterschied zur vorlie genden Erfindung wird bei diesem Verfahren nicht beabsichtigt, einen, IS herzustellen. Die Bildung der Haut ist nicht er wünscht.

In der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 63-268624 A wird ein Verfahren zur Herstellung eines Polyurethan-Schaums beschrie ben, indem man ein Polyurethan-Material Stickstoff-Gas in ei ner Menge von 2 bis 30 Vol.-% einfangen läßt und indem man das Material in einer Atmosphäre von reduziertem Druck expandieren läßt. Es wird nicht gelehrt, daß dieses Verfahren nützlich für die Herstellung von IS ist.

In der Japanischen Patent-Veröffentlichung Nr. 64-5528 A wird ein Verfahren zur Herstellung eines Polyurethan-Schaums be schrieben, indem ein hartes Polyurethan-Material in eine eva kuierte Formhöhlung bei einer Packungsdichte von ungefähr 150 bis 450% eingespritzt wird und das Material darauffolgend ex pandiert wird, das Polyurethan-Material enthält jedoch ein Treibmittel, wie Freon^®.

In EP 0 534 358 A1 ist ein Verfahren zum Formschäumen eines halbharten Integralschaums beschrieben, bei welchem eine Formhöhlung auf einen Druck von 6,67.10⁴Pa (50 Torr) oder darunter evakuiert und anschließend ein zu Polyurethan rea gierendes Gemisch eingespritzt wird, welches einen Polyolbe standteil, einen Isocyanatbestanteil, einen die Härtung för dernden Katalysator (Triethylendiamin) sowie aufgrund von un vermeidlicher Absorption höchstens 0,4 Gew.-% Wasser als in herenten Bestandteil umfaßt, wobei keine Treibmittel zuge setzt werden und die Schäumung unter Ausfüllen der Formhöh lung durch die Ausdehnung eingeschlossener Gase erfolgt.

In DE 32 26 818 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Inte gralschaumformkörpern offenbart, bei welchem unter Normal druck ein zu Polyurethan reagierendes Gemisch eingespritzt wird, das einen Polyolbestandteil, einen Polyisocyanatbe standteil, ein aus Triethylendiamin und Dibutylzinndilaurat bestehendes Katalysatorsystem sowie etwa 5-50 Vol.-% eines unter Druck zugesetzten Treibmittels wie beispielsweise Luft oder ein Inertgas umfaßt, wobei die Schäumung durch die Aus dehnung von Luft oder einem Inertgas erfolgt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Formschäumen eines IS mit einer Kernzone mit einem hohen Schäumungsgrad und niedriger Dichte im wesentlichen ohne, vor zugsweise vollständig ohne Anwesenheit von Freon^®zur Verfügung zu stellen und dadurch ein ökologisch vorteilhafteres Verfah ren, von dem bezweckt wird, daß es strengere Überwachungsnor men erfüllt, zur Verfügung zu stellen.

Es ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren zur Bildung einer festen, einstückig ausgebildeten Haut mit einem niedrigen Schäumungsgrad zur Verfügung zu stellen, wodurch praktisch keine Blasen übrig bleiben, das ein Produkt bereitstellt, des sen Oberflächenerscheinung und Griffigkeit so gut sind wie oder besser als bei einem Produkt sind, das unter Verwendung herkömmlicher Verfahren, bei denen Freon^®als ein Treibmittel enthalten ist, hergestellt wird.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher ein verbessertes Verfahren zum Formschäumen eines halbharten IS, der eine ein stückig ausgebildete Haut mit einem niedrigen Schäumungsgrad und eine Kernzone mit einem hohen Schäumungsgrad enthält, zur Verfügung gestellt. Das verbesserte Verfahren gemäß der vor liegenden Erfindung umfaßt die Evakuierung einer Formhöhlung auf 9,33.10⁴Pa (700 Torr) oder darunter, Einspritzen eines zu Polyurethan reagierenden Gemisches, umfassend einen Polyol-Bestandteil und einen Isocyant-Be standteil bei Abwesenheit von Freon^®,wobei das Material eine Katalysator-Zusammensetzung, welche einen Katalysator sowohl zum Schäumen als auch zum Härten und zusätzlich ein organisches Metallsatz als Katalysator zum Härten umfaßt, um ein gutes Gleichgewicht zwischen Schäumen und Härten des Materials zu erzielen, und Wasser mit höhstens 3,0 Ge wichtsteilen auf 100 Gewichtsteile Polyol-Bestandteil enthält, in die Formhöhlung, und Schäumen des Materials unter Ausfüllen der Formhöhlung.

Die Wassermenge, wie definiert, umfaßt die, die unvermeidbar in dem Polyurethan-Material absorbiert ist (normalerweise in dem Bereich von 0,1 bis 0,15 Gewichtsteile).

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung stellt ein Produkt mit verringerten Defekten wie nadelfeinen Löchern, Lunkern und ungenügender Werkzeugfüllung zur Verfügung, wodurch die allgemeine Praxis der Überdosierung von Poly urethan-Material, die zuvor zu einem vermehrten Materialver lust geführt hatte, beseitigt wird.

Das Verfahren zum Formschäumen gemäß der vorliegenden Erfin dung kann wie nachstehend beschrieben, durch geführt werden.

Die Formhöhlung wird auf 6,67.10³Pa (50 Torr) oder darun ter evakuiert, und das Polyurethan-Material enthält einen Ka talysator, um seine Aushärtung zu beschleunigen.

Der Katalysator kann aus organischen Metallsalzen, die als Ka talysatoren für Urethan verwendet werden, wie Zinnoctylat, Zinnacetat, Zinnoctoat, Zinnoleat, Zinnlaurat, Dibutylzinndi acetat, Dibutylzinndilaurat, Dibutylzinndichlorid, Bleioctoat, Bleinaphthenat und Kobaltnaphthenat ausgewählt sein. Die hin zuzufügende Katalysatormenge beträgt gewöhnlich 0,01 bis 0,2 Gewichtsteile auf 100 Gewichtsteile Polyol-Bestandteil, obwohl sie von der als Katalysator verwendeten Substanz, der für den Kernbereich erforderlichen Schäumungsgeschwindigkeit, der in dem Polyurethan-Menge enthaltenen Wassermenge und weiteren, dem Fachmann bekannten Faktoren abhängen kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung unterliegt das in die Form höhlung eingespritzte Polyurethan-Material den folgenden Ver änderungen, die von einem Teil in der Formhöhlung zum anderen variieren.

Im Zentrum, das von der Wandoberfläche der Formhöhlung ent fernt ist, wird das Polyurethan-Material ausreichend durch die Schäum- und Expandierwirkung von Wasser und die Wirkung des Katalysators für die Regelung eines Ungleichgewichts zwischen Schäumen und Härten des Materials geschäumt, wobei sich eine Kernzone mit einem hohen Schäumungsgrad und niedriger Dichte bildet.

(1) Chemisches Schäumen durch die chemische Reaktion von Was ser

Das Zentrum des Polyurethan-Materials wird heiß (beispielsweise 70 bis 90°C) aufgrund der durch die Urethan- Bildungsreaktion zwischen dem Polyol-Bestandteil und dem Isocyanat-Bestandteil erzeugten Wärme. Diese Reaktionswärme fördert auch die Reaktion zwischen dem Wasser und dem Iso cyanat-Bestandteil, wobei Kohlendioxidgas erzeugt wird, das das Polyurethan-Material schäumt. Da die Formhöhlung evakuiert ist, expandiert das Kohlendioxidgas nach den Gesetzen von Boyle und Charles. Der Schäumvorgang des Polyurethan-Materials wird jedoch mit dem Fortschreiten der Reaktion zur Bildung von Urethan eingeschränkt, da seine Härtung vorangeht.

Demgemäß wird der Kernbereich durch das gutausgewogene Schäu men und Härten des Polyurethan-Materials gebildet. Es sind im allgemeinen die Wassermenge in dem Polyurethan-Material, der Vakuumgrad in der Formhöhlung, der verwendete Katalysator und seine Menge, die einen deutlichen Einfluß auf das Schäumen des Materials haben, und es sind der Katalysator und seine Menge, die einen deutlichen Einfluß auf die Aushärtung des Materials haben.

Nach der erfindungsgemäßen Verfahrensweise finden sowohl Blasenbildung als auch Entgasen schnell statt, da die Formhöhlung auf 6,67.10³Pa (50 Torr) oder niedriger evakuiert wird. Das Polyurethan-Material enthält nicht mehr als 3,0 Gewichtsteile Wasser, und wenn es eine re lativ große Wassermenge innerhalb dieses Bereichs enthält, wird eine große Menge Kohlendioxidgas erzeugt, und die Aushär tung des Materials würde ohne jeden Katalysator zur Beschleu nigung seiner Aushärtung verzögert. Der Katalysator, der in dem Polyurethan-Material enthalten ist, fördert jedoch seine Aushärtung und ermöglicht dadurch, daß für das Material ein gutes Gleichgewicht zwischen seinem Schäumen und Härten be steht. Dies führt zu einer verkürzten Aushärtungszeit und zur Bildung eines Kernbereichs mit einem hohen Schäumungsgrad im Zentrum des Polyurethan-Materials.

Ein Kernbereich mit variabler Schäumungsgeschwindigkeit kann hergestellt werden, indem man den Vakuumgrad in der Formhöh lung, den Wassergehalt in dem Polyurethan-Material, den ver wendeten Katalysator oder seine Menge variiert.

(2) Physikalisches Schäumen durch Sieden und Verdampfen von Wasser

Die Formhöhlung wird evakuiert, und dies führt zur Erniedri gung des Siedepunkts von Wasser. Das Zentrum des Polyurethan- Materials verbleibt jedoch bei einer hohen Temperatur, wie vorstehend beschrieben. Wenn die Formhöhlung in großem Maße evakuiert wird oder die Temperatur des Polyurethan-Materials absichtlich erhöht wird, kann die Temperatur im Zentrum des Materials erhöht werden, so daß sie höher ist als der Siede punkt von Wasser. In diesem Fall siedet das Wasser und ver dampft unter Erzeugung von Dampf, der zusammen mit dem vorste hend beschriebenen chemischen Schäumen zum Schäumen der Kern zone beiträgt.

Das Polyurethan-Material nahe der Wand-Oberfläche der Formhöh lung wird nicht heißer als die Temperatur des Formwerkzeugs (gewöhnlich 40 bis 60°C), da die Reaktionswärme von dem Poly ol-Bestandteil und dem Isocyanat-Bestandteil durch die Wan doberfläche der Formhöhlung abgeführt wird. In dieser Situa tion reagiert Wasser kaum mit dem Isocyanat-Bestandteil und erzeugt daher sehr wenig Kohlendioxidgas. Ferner wird, da die Formhöhlung evakuiert ist, das Kohlendioxidgas leicht entgast. Dies führt zur Bildung einer Haut mit einem niedrigen Schäu mungsgrad, und ihre Oberfläche hat fast unsichtbare winzige Blasen. Die Haut hat daher eine Oberflächenerscheinung, die so gut wie oder besser als die eines Produkts ist, das unter Ver wendung von Freon^®als einem Treibmittel hergestellt wurde.

Da die Formhöhlung evakuiert wird, ist es weniger wahrschein lich, daß irgendwelche Defekte wie nadelfeine Löcher, Lunker und ungenügende Werkzeugfüllung auftreten. Daher ist eine Überdosierung des Polyurethan-Materials, im Gegensatz zu Ver fahren unter Verwendung von Freon^® als Treibmittel, nicht unbe dingt erforderlich, wodurch Materialverluste verringert wer den.

Die folgenden Bei spiele und Ausführungsformen dienen zur Veranschaulichung der Erfindung.

Fig. 1 ist ein Querschnitt, der ein Formwerkzeug und eine Va kuumkammer (in ihren offenen Positionen) zur Verwendung für ein RIM einer IS-Ummantelung für ein Lenkrad zeigt, welches gemäß der vor liegenden Erfindung hergestellt wird;

Fig. 2 ist eine Draufsicht von oben, die die bewegliche Hälfte des Formwerkzeugs und das untere Gehäuse der Vakuumkammer zeigt;

Fig. 3 ist eine Prinzipskizze, die eine Einspritzvorrichtung zeigt;

Fig. 4 ist ein Querschnitt, der das Formwerkzeug und die Vaku umkammer im für das RIM geschlossenen Zustand zeigt;

Fig. 5 ist eine Seiten-Rißansicht von Fig. 4, die ein Kon trollfenster zeigt;

Fig. 6 ist eine teilweise vergrößerte Schnittansicht von Fig. 4, die das Kontrollfenster zeigt;

Fig. 7 ist ein Querschnitt des Formwerkzeugs und der Vakuum kammer im geöffneten Zustand und einer von der Form gelösten IS-Um mantelung;

Fig. 8 ist ein teilweise vergrößerter Querschnitt der IS-Um mantelung, wie in Fig. 7 gezeigt;

Fig. 9 ist ein Querschnitt, der ein Formwerkzeug und eine Va kuumkammer (in ihren offenen Positionen) zur Verwendung für ein RIM einer IS-Prallplatte für ein Lenkrad zeigt, welches gemäß der vor liegenden Erfindung hergestellt wird;

Fig. 10 ist ein Querschnitt, der das Formwerkzeug und die Va kuumkammer in für das RIM geschlossenen Zustand zeigt;

Fig. 11 ist ein Querschnitt, entnommen entlang der Linie XI-XI von Fig. 10;

Fig. 12 ist ein teilweise vergrößerter Querschnitt einer form geschäumten IS-Prallplatte; und

Fig. 13 ist ein Querschnitt, der ein weiteres Beispiel des Formwerkzeugs zeigt.

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei der Herstellung einer IS-Ummantelung für ein Lenkrad wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 8 beschrieben. Wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, wird gemäß dieser Ausführungsform eine Vorrichtung verwendet, die aus einem Formwerkzeug (1) (zusammengesetzt aus 2 mehrteiligen Werkzeugen), einer Vakuum kammer (11), die in dem Formwerkzeug (1) angeordnet ist, einer Vakuumpumpe (20), um die Vakuumkammer (11) zu evakuieren und einer Einspritzvorrichtung (21), die an der Vakuumkammer (11) befestigt ist und die zum Einspritzen von Polyurethan-Material in die Formhöhlung (4) des Formwerkzeugs (1) vorgesehen ist, aufgebaut ist. Ein Kern (42) eines Lenkrads (41), verwendet gemäß dieser Ausführungsform, ist aus einem Ring, Speichen und einer Nabe im Zentrum des Kerns zusammengesetzt. Eine IS-Um mantelung (43) wird um den gesamten Ring und einen Teil der Speichen gebildet.

Das Formwerkzeug (1) ist aus einer oberen festen Hälfte (2) und einer unteren beweglichen Hälfte (3) aufgebaut. Die zwei Hälften haben Einkerbungen (4a), die einander gegenüber stehen und eine kreisförmige Formhöhlung (4) bilden, wenn sie ge schlossen sind. Im Zentrum des Querschnitts der Formhöhlung (4) befindet sich der Kern (42) (umfassend den gesamten Ring und einen Teil der Speiche). Die Oberfläche (2a) der Gratlinie der festen Hälfte (2) und die Oberfläche (3a) der Gratlinie der beweglichen Hälfte (3) sind vertieft, wobei sich ein Angußkanal (6), ein Angußverteiler (7) und ein Anschnitt (8), durch die das Polyurethan-Material in die Formhöhlung (4) ein gespritzt wird, bilden. Der Anschnitt (8) öffnet sich auf dem äußeren Rand der Einkerbung (4a) (an der linken Seite in Fig. 2). Bei Einspritzen in die Formhöhlung (4) durch den Anschnitt (8) fließt das Polyurethan-Material M in zwei Richtungen in die Formhöhlung (4), und die zwei Ströme treffen sich an der Position L (an der rechten Seite in Fig. 2), wo die Füllung der Formhöhlung beendet ist.

Ein Loch zur Be- und Entlüftung (5) ist an der End-Befüllungs position L in der festen Hälfte (2) gebildet. Das Loch zur Be- und Entlüftung (5) hat gewöhnlich einen Durchmesser von 1 bis 10 mm. Bei einem Durchmesser kleiner als 1 mm führt das Loch zur Be- und Entlüftung (5), wenn die End-Befüllungsposition L des Polyurethan-Materials schwankt, Be- und Entlüftung nicht nach Wunsch aus. Bei einem Durchmesser größer als 10 mm hin terläßt das Loch zur Be- und Entlüftung (5) einen bemerkbaren Lüftungs-Abdruck, was das geformte. Produkt schlecht aussehen läßt. Das Loch zur Be- und Entlüftung (5) gemäß dieser Ausfüh rungsform ist ein gerades Loch, 15 mm lang und mit 3 mm Durchmesser. Wenn das Formwerkzeug geschlos sen ist, gibt es einen Abstand von ungefähr 0,03 bis 0,06 mm (aufgrund der Begrenzung der Bearbeitungsgenauigkeit) zwischen den Gratlinien Oberflächen (2a) und (3a) über den gesamten Rand der Formhöhlung (4). Dieser Abstand wirkt als ein Lüftungssteg zum Be- und Entlüften, näher nachstehend beschrieben.

Innerhalb jeder Einkerbung (4a) der festen Hälfte (2) und der beweglichen Hälfte (3) sind Paßstifte (31), um die zwei Hälften auszurichten, und eine Einbuchtung (32) und ein Sockel (33), um die Nabe des Kerns (42) in Position zu halten. Der Sockel (33) ist mit einem Auswerferbolzen (34) versehen, um das formgeschäumte Lenkrad (41) zu lösen.

Das Formwerkzeug (1) kann aus Aluminium oder wegen der Wirt schaftlichkeit durch Elektroformung nach bekannten Verfahren hergestellt sein, vorausgesetzt, daß das Formwerkzeug eignem Schäumdruck von ungefähr 50 bis 500 kPa standhalten wird.

Die Vakuumkammer (11) ist aus einem oberen Gehäuse (12), an das die feste Hälfte (2) befestigt ist, und einem unteren Ge häuse, an das die bewegliche Hälfte (3) befestigt ist, aufge baut. Eine Einbaukerbe, gebildet in der zusammenpassenden Oberfläche des oberen Gehäuses (12), ist mit einem abdichten den O-Ring (14) ausgestattet, der die verschlossene Vakuumkam mer (11) luftdicht macht. Das untere Gehäuse (13) ist mit ei ner Saugöffnung (16) versehen, die mit einer Vakuumpumpe (20) durch einen Saugschlauch (15) und ein Dosierventil (17), wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, verbunden ist. Die Vakuumkam mer (11) ist so aufgebaut, daß sie das Formwerkzeug (1) auf nehmen kann, das in der Vakuumkammer einen Raum K bildet. Der Raum K hat ein größeres Volumen als die Formhöhlung (4).

Das untere Gehäuse (13) der Vakuumkammer (11) ist mit einem Kontrollfenster (51) ausgestattet, das die Umgebung des Lochs zur Be- und Entlüftung (5) von der Außenseite des unteren Ge häuses (13) sichtbar macht, wie in den Fig. 5 und 6 ge zeigt. Das Kontrollfenster (51) ist aus einer in dem unteren Gehäuse (13) gebildeten Öffnung (52), einer transparenten Platte (54) aus Glas oder Kunststoff, die gegen die Innenseite des unteren Gehäuses (13) gepreßt wird, wobei sich ein Dich tungsring zwischen der transparenten Platte und der Innenseite des unteren Gehäuses befindet, so daß die Öffnung (52) von der Innenseite geschlossen wird, und einem Gestell (56) aufgebaut, das an das untere Gehäuse (13) durch Bolzen (55) befestigt ist, so daß es den Rand der transparenten Platte (54) drückt. Es ist erwünscht, eine Abdichtung (57) zwischen das Gestell (56) und die transparente Platte (54) zu legen und zwischen das Gestell (56) und das untere Gehäuse (13).

Die feste Hälfte (2) und das obere Gehäuse (12) sind ein stückig aufgebaut, und die bewegliche Hälfte (3) und das un tere Gehäuse sind auch einstückig aufgebaut. Das untere Ge häuse (13) ist mit der Kolbenstange eines Hydraulikzylinders (nicht gezeigt) verbunden, so daß es gehoben und gesenkt wird, wenn das Formwerkzeug geschlossen und geöffnet wird. Zur Zeit der Formschließung wird das untere Gehäuse (13) gehoben, bis sein Rand den Rand des oberen Gehäuses (12) berührt.

Die Einspritzvorrichtung (21), wie in Fig. 3 gezeigt, ist aus einem Lagerbehälter (25) für eine Polyolmischung, einem Lager behälter (26) für einen Isocyanat-Bestandteil, einem Mischkopf (22) und zwei Leitungen (29), die jeweils den Lagerbehälter und den Kopf durch eine Hochdruckpumpe (27) und Filter (28) verbinden, aufgebaut. Dieser Aufbau läßt das Mischen und den Kreislauf der Polyolmischung und des Isocyanat-Bestandteils zu. Der Mischkopf (22), wie in Fig. 1 gezeigt, ist mit einer Spritzdüse (23) ausgestattet, die mit dem Angußkanal (6) des Formwerkzeugs (1) durch O-Ringe (24) verbunden werden kann.

Ein gemäß dieser Ausführungsform verwendetes Polyurethan-Mate rial besteht im wesentlichen aus einem Polyol-Bestandteil und einem Isocyanat-Bestandteil, bei Abwesenheit von Freon^®, und enthält einen Katalysator, um ein gutes Gleichgewicht zwischen Schäumen und Härten des Materials zu erzielen, und nicht mehr als 3,0 Gewichtsteile Wasser auf 100 Gewichtsteile Polyol-Be standteil.

Der Verfahrensablauf gemäß dieser Ausführungsform wird nach stehend beschrieben.

Zuerst wird bei offenem Formwerkzeug (1), wie in Fig. 1 ge zeigt, der Kern (42) in die bewegliche Hälfte (3), wie in Fig. 2 gezeigt, eingebaut. Das Formwerkzeug (1) wird unter Bil dung der Formhöhlung (4) geschlossen, und fast gleichzeitig wird die Vakuumkammer (11) luftdicht verschlossen, wie in Fig. 4 gezeigt. Gemäß dieser Ausführungsform wird das untere Gehäuse (13) durch die Kolbenstange eines Hydraulikzylinders (nicht gezeigt) gehoben, bis die Dichtung (14) das obere Ge häuse (12) berührt, so daß die Vakuumkammer (11) luftdicht verschlossen wird, und gleichzeitig werden die feste Hälfte (2) und die bewegliche Hälfte (3) geschlossen. Übrigens ist es möglich, das Formwerkzeug (1) und die Vakuumkammer (11) unab hängig unter Verwendung separater Hydraulikzylinder zu schlie ßen und zu öffnen, so daß es auch möglich ist, das Formwerk zeug (1) und die Vakuumkammer (11) gleichzeitig oder getrennt zu schließen und zu öffnen.

Dann wird die Vakuumpumpe (20) in Gang gesetzt, um den Raum K in der Vakuumkammer (11) auf 9,33.10⁴Pa (700 Torr) oder niedriger durch die Saugöffnung (16) zu evakuieren. Während dieses Schritts steht die Formhöhlung (4) durch den Angußkanal (6), den Abstand zwi schen den Gratlinien-Oberflächen (2a) und (3a) und das Loch zur Be- und Entlüftung (5) in Verbindung mit dem Raum K in der Vakuum kammer (11). Daher wird auch die Formhöhlung (4) auf fast den selben Vakuumgrad wie in dem Raum K evakuiert. Während die Evakuation fortgesetzt wird, wird das Polyurethan-Material M für das RIM in die Formhöhlung (4) durch die Spritzdüse (23), wie in Fig. 4 gezeigt, eingespritzt. Das Einspritzvolumen be trägt gewöhnlich 1/4 bis 3/4 des Volumens der Formhöhlung (4). Die Einspritzdauer beträgt 2 bis 4 Sekunden. Der Raum K, der mit der Formhöhlung (4) durch den Abstand zwischen den Gratlinien- Oberflächen (2a) und (3a) in Verbindung steht, wirkt als ein Speicher. Daher verhindert der Raum K, daß der Druck in der Formhöhlung (4) steigt, wenn das Polyurethan-Material M schäumt.

Im Zentrum, das von der Wandoberfläche der Formhöhlung und dem Kern (42) entfernt ist, bildet das eingespritzte Polyurethan- Material M aufgrund des vorstehend beschriebenen Schäum-Vor gangs eine Kernzone (45) mit einem hohen Schäumungsgrad und niedriger Dichte (wie in Fig. 8 gezeigt). Das Polyurethan-Ma terial M nahe der Wandoberfläche der Formhöhlung bildet durch das vorstehend beschriebene Entgasen eine feste, einstückig ausgebildete Haut (44) mit einem niedrigen Schäumungsgrad, so daß praktisch keine Blase übrigbleibt (wie in Fig. 8 ge zeigt). Das Polyurethan-Material M nahe dem Kern (42) bildet durch das vorstehend beschriebene Entgasen auch eine feste Klebstoffschicht (47) mit einem niedrigen Schäumungsgrad (wie in Fig. 8 gezeigt). Gewöhnlich ist die Klebstoffschicht (47) geringfügig dünner als die Haut (44).

Wenn das Polyurethan-Material M in die Formhöhlung fließt, verschließt es den Abstand zwischen den Gratlinien-Oberflächen (2a) und (3a). Die Reaktionsgeschwindigkeit des Polyurethan-Mate rials M wird so gesteuert, daß, sobald das vordere Ende des fließenden Polyurethan-Materials M die End-Befüllungsposition L erreicht und geringfügig von dem Loch zur Be- und Entlüftung (5) austritt, es unter Verschließen des Lochs zur Be- und Ent lüftung (5) aushärtet.

Gemäß dieser Ausführungsform kann man durch das Kontrollfen ster (51) von der Außenseite der Vakuumkammer (11) beobachten, was in der Umgebung des Lochs zur Be- und Entlüftung (5) ge schieht, wie in Fig. 5 gezeigt. Das heißt, man kann sehen, wie das Polyurethan-Material M von dem Loch zur Be- und Ent lüftung (5) austritt oder schäumt, während die Vakuumkammer (11) geschlossen gehalten wird.

Ein zusätzlicher Effekt beim Evakuieren der Formhöhlung (4) ist, daß das Polyurethan-Material M Hinterschneidungen und Verzweigungen in der Formhöhlung (4) vollständig ausfüllt. Ferner werden in dem Polyurethan-Material absorbierte Gase entgast, wobei sie durch das Loch zur Be- und Entlüftung (5) und den Abstand zwischen den Gratlinien-Oberflächen (2a) und (3a) ent laden werden. Daher ist eine Überdosierung des Polyurethan-Ma terials, im Gegensatz zu Verfahren unter Verwendung von Freon^® als Treibmittel, nicht unbedingt erforderlich, wodurch Materi alverluste verringert werden.

Wenn das Polyurethan-Material M in der Formhöhlung gehärtet ist, wird das Formwerkzeug (1) geöffnet und gleichzeitig wird die Vakuumkammer (11) geöffnet, wie in Fig. 7 gezeigt. Der Formöffnungs-Vorgang ist mit dem Auswerferbolzen (34) verkup pelt, der das fertiggestellte Lenkrad (41) mit der IS-Umman telung (43) automatisch freisetzt.

Gemäß dem Verfahren und dem Material dieser Ausführungsform können die folgenden Effekte, die für das Formschäumen der IS-Ummantelung (43) für das Lenkrad (41) besonders geeignet sind, erhalten werden. Das Polyurethan-Material M wird auf grund des langen Rings des Kerns (42) einer Turbulenz unter worfen, und Turbulenz verursacht normalerweise Defekte wie na delfeine Löcher, Lunker und ungenügende Werkzeugfüllung. Gemäß dieser Ausführungsform jedoch ist das Polyurethan-Material M weniger anfällig für Turbulenzen, da die Formhöhlung (4) eva kuiert wird. Dies erlaubt einem, die Position des Anschnitts (8) freier auszuwählen. Gemäß dieser Ausführungsform ist der Anschnitt (8) auf dem äußeren Rand des Rings, und es gibt nur ein Loch zur Be- und Entlüftung (5). Das eingespritzte Poly urethan-Material M fließt normalerweise in zwei Richtungen, und die zwei Ströme treffen sich an der End-Befüllungsposition L, wie vorstehend beschrieben. Der Strom in dieser Weise er zeugte gewöhnlich eine Schweißmarkierung an dem Treffpunkt und schloß Gase ein, was zu Defekten wie nadelfeinen Löchern, Lun kern und ungenügender Werkzeugfüllung führte. Gemäß dieser Ausführungsform wird dieses Problem jedoch gelöst, da die Formhöhlung evakuiert wird und das Polyurethan-Material am Treffpunkt durch das Loch zur Be- und Entlüftung (5) austritt.

Gemäß dieser Ausführungform klebt die IS-Ummantelung (43) fest an dem Ring des Kerns (42), da die feste Klebstoffschicht (47), die sehr wenige winzige Blasen enthält, auf der Oberflä che des Kerns (42) gebildet wird.

Jedes Polyurethan-Material von den in der folgenden Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen wurde für Bei spiel 2, das innerhalb des Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt, hergestellt und verwendet, wobei die Vorteile dieses Verfahrens gegenüber dem Vergleichsbeispiel 1, das nicht innerhalb des Rahmens des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt, festgestellt wurden. Das verwendete Polyetherpolyol war eine Mischung, die aus gleichen Anteilen eines bifunktionellen Polyetherpoylols mit einem Molekulargewicht von 4000 und eines dreifunktionellen Polyetherpolyols mit einem Molekulargewicht von 6000 bestand. Triethylendiamin war ein Katalysator, der herkömmlicherweise verwendet wurde, um sowohl Schäumen als auch Härten zu för dern, und er wurde gewöhnlich in der Menge von 0,5 bis 1,0 Ge wichtsteilen auf 100 Gewichtsteile des Polyol-Bestandteils hinzugefügt.

Zusätzlich zu dem Triethylendiamin wurde Dibutylzinndilaurat in Beispiel 1 als ein Katalysator zur Beschleunigung der Aushärtung des Polyurethan-Materials verwendet; und Zinnoctylat in Beispiel 2. Kein Katalysator zur Beschleunigung seiner Aushärtung wurde in Vergleichsbeispiel 1 verwendet.

In jedem Beispiel oder Vergleichsbeispiel wurde die Formhöh lung (4) auf den in der Tabelle angezeigten Vakuumgrad evakuiert, und jedes Polyurethan-Material wurde un ter Schäumen und dadurch Bildung der IS-Ummantelung (43) für das Lenkrad in die Formhöhlung (4) eingespritzt.

Tabelle 1: Zusammensetzung des Polyurethan-Materials und Vakuumgrad der Formhöhlung

In Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 1 zeigte die Kernzone (45) eine niedrige Dichte von 0,7 g/cm³ mit einem hohen Schäumungsgrad, wie in Tabelle 1 gezeigt. In Ver gleichsbeispiel 1 war jedoch eine Aushärtungszeit, die 45 Se kunden dauerte, erforderlich, aber sie betrug sowohl in Bei spiel 1 als auch 2 nur 25 Sekunden.

Jeder der einstückig ausgebildeten Hautbereiche (44), wie ge mäß den Beispielen 1 und 2 geformt, hatte sehr wenige winzige Blasen auf seiner Oberfläche und hatte eine Oberflächener scheinung und Griffigkeit, die so gut sind wie oder besser als bei einem Produkt sind, das unter Verwendung von Freon^®als ei nem Treibmittel hergestellt worden ist.

Bezug wird nun auf die Fig. 9 bis 12 genommen, die eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, die zum Formschäumen einer IS-Prallplatte für ein Lenkrad verwen det wird. Die gemäß dieser Ausführungsform verwendete Form schäumvorrichtung unterscheidet sich von der für die erste Ausführungsform verwendeten Vorrichtung insofern, als daß eine Formhöhlung (4) zum Formschäumen einer IS-Prallplatte zwi schen einer Einbuchtung in einer beweglichen Hälfte (3) und einem Vorsprung auf einer festen Hälfte (2) definiert ist, und daß ein unteres Gehäuse (13) mit einer Abdichtung (14) verse hen ist, die daran angepaßt ist, seinen oberen Teil zu berüh ren. In jeder anderen Hinsicht sind die zwei Vorrichtungen im Aufbau im wesentlichen identisch, und ähnliche Bezugszeichen sind daher zur Bezeichnung ähnlicher Teile durch alle Zeich nungen, die die zwei Vorrichtungen zeigen, hindurch verwendet, so daß keine wiederholte Beschreibung vorgesehen ist.

Ein Polyurethan-Material M besteht, wie gemäß der ersten Aus führungsform, im wesentlichen aus einem Polyol-Bestandteil und einem Isocyanat-Bestandteil, ist im wesentlichen frei von Freon^®,vorzugsweise ganz frei von Freon^®,und enthält einen Ka talysator, um ein gutes Gleichgewicht zwischen Schäumen und Härten des Materials zu erzielen, und nicht mehr als 3,0 Ge wichtsteile Wasser auf 100 Gewichtsteile Polyol-Bestandteil. Das Polyurethan-Material M wird für das RIM in die auf 9,33.10⁴Pa (700 Torr) oder niedriger evakuierte Formhöhlung (4) eingespritzt. Im Zentrum, das von der Wandoberfläche der Formhöhlung entfernt liegt, bildet das eingespritzte Polyurethan-Material M eine Kernzone (38) mit einem herausragend hohen Schäumungsgrad (wie in Fig. 12 gezeigt), während das Polyurethan-Material M nahe der Wandoberfläche eine feste, einstückig ausgebildete Haut (39) mit einem niedrigen Schäumungsgrad bildet, so daß praktisch keine Blasen übrig bleiben (wie in Fig. 12 gezeigt). So hat eine so formgeschäumte IS-Prallplatte (37) eine überlegene Erscheinung und bessere physikalische Eigenschaften.

Gemäß der zweiten Ausführungsform werden dieselben Vorteile wie gemäß der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform bereitgestellt.

Obwohl die Vorrichtung gemäß der Ausfüh rungsformen aus dem Formwerkzeug (1) und der Vakuumkammer (11), die voneinander getrennt sind, aufgebaut ist, kann das Formwerkzeug von einer Doppel-Wandstruktur sein, wobei die äu ßere Wand als die Vakuumkammer (11) wirkt, so daß der Raum in dem Formwerkzeug einstückig mit dem Formwerkzeug gebildet ist. Es ist möglich, eine Einkerbung (9) überall oder in Teilen des Rands der Formhöhlung (4) des Formwerkzeugs (1) zu bilden, wie in Fig. 13 gezeigt, so daß die Formhöhlung (4) durch diese Einkerbung (9) evakuiert wird. In diesem Fall wirkt die Ein kerbung (9) als der Raum. Diese Einkerbung (9) kann entweder in der festen Hälfte (2), der beweglichen Hälfte (3) oder in beiden gebildet sein. Es ist erwünscht, daß die Einkerbung (9) durch eine Abdichtung (10) von der Atmosphäre isoliert ist. Obwohl das in den vorstehend erwähnten Ausführungsformen ver wendete Formwerkzeug ein Loch zur Be- und Entlüftung (5) hat, ist es möglich, das Formwerkzeug durch eines von einem anderen Typ mit einem porösen Kern anstelle des Lochs zur Be- und Ent lüftung zu ersetzen, wobei der poröse Kern mit der Formhöhlung abschließt und an einer Stelle positioniert ist, die das ein gespritzte Polyurethan-Material am Ende erreicht. Der poröse Kern läßt zu, daß das eingespritzte Polyurethan-Material ent gast wird, bevor der Formschäum-Vorgang beendet ist. Das Form werkzeug ist werkstoffmäßig auf Metall beschränkt; sondern es kann durch ein keramisches Formwerkzeug oder Harz-Formwerkzeug ersetzt werden, das dem Schäumdruck standhält.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und ein Polyurethan-Material zum Formschäumen eines halbharten Inte gralschaums, der eine einstückig ausgebildete Haut mit einem niedrigen Schäumungsgrad und eine Kernzone mit einem hohen Schäumungsgrad umfaßt, zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfaßt das Evakuieren einer Formhöhlung auf 9,33.10⁴Pa (700 Torr) oder niedriger; das Einspritzen eines Polyurethan-Materials in die evakuierte Formhöhlung; und Schäumen des Materials unter Aus füllen der Formhöhlung. Das Polyurethan-Material enthält einen Polyol-Bestandteil und einen Isocyanat-Bestandteil mit einem Katalysator, um ein gutes Gleichgewicht zwischen seinem Schäu men und Härten zu erzielen, und höchstens 3,0 Gewichtsteile Wasser auf 100 Gewichtsteile Polyol-Bestandteil, bei Abwesen heit von Freon^®.

Claims

1. Verfahren zum Formschäumen eines halbharten Integralschaums mit den folgenden Schritten:
Evakuieren einer Formhöhlung auf einen Druck von 6,67 10³Pa (50 Torr) oder darunter;
Einspritzen eines Gemisches, das zu Polyurethan reagiert und zumindest folgende Bestandteile enthält: Polyol, Isocyanat, Wasser mit höchstens 3,0 Gewichtsteilen auf 100 Gewichtsteile Polyolbestandteil als Schäumungsmittel, sowie eine Katalysator- Zusammensetzung, welche einen Katalysator sowohl zum Schäumen als auch zum Härten und zusätzlich ein organisches Metallsalz als einen Katalysator zum Härten umfaßt; und
Schäumen des Materials unter Ausfüllen der Formhöhlung und dadurch Bildung des Integralschaums.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das organische Metallsalz in einer Menge von 0,01 bis 0,2 Gewichtsteilen auf 100 Gewichts teile Polyolbestandteil enthalten ist.