DE60004541T2

DE60004541T2 - Vorrichtung und verfahren zur ausgabe von polyurethanschaummaterial

Info

Publication number: DE60004541T2
Application number: DE60004541T
Authority: DE
Inventors: Carlo Fiorentini
Original assignee: WORLDWIDE POLYURETHANES BV
Current assignee: WORLDWIDE POLYURETHANES BV
Priority date: 1999-08-09
Filing date: 2000-06-13
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2020-06-14
Also published as: IT1313609B1; ITMI991795A1; DE60004541D1; ITMI991795A0; EP1216131B1; AU5532000A; EP1216131A1; WO2001010623A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Produktion von Polyurethanschäumen entweder des flexiblen oder des starren Typs aus einem chemisch reaktiven flüssigen Gemisch, bestehend aus einem Polyol und einem Isocyanat, das durch ein inertes, tiefsiedendes Blähmittel, das unter Druck in dem das Polyurethan bildenden Gemisch in hohem Maße löslich ist, wie etwa Kohlendioxid (CO₂), vorgeschäumt oder aufgeschäumt ist.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11 zur Ausgabe eines Polyurethanschaummaterials bei der kontinuierlichen Produktion von Polyurethanplattenvorräten.
Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind zum Beispiel aus EP-A-0 645 226 bekannt. Für die Produktion von Polyurethanschäumen sowohl des flexiblen als auch des starren Typs sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen worden, einschließlich der Verwendung der bekannten "Aufschäum-" oder Voraufschäum-Technologie, bei welcher ein nicht-reaktives, tiefsiedendes Blähmittel, insbesondere Kohlendioxid (CO₂) unter Druck in dem das Polyurethan bildenden Gemisch, hierin nachfolgend auch als Polyurethangemisch bezeichnet, oder in einer seiner chemischen Komponenten unter einem Druck gelöst wird, der gleich oder größer als der Gleichgewichtsdruck ist, zum Beispiel bei einem Druck, der zwischen 5 und 6 Atmosphären liegt, um das in dem flüssigen Gemisch gelöste CO₂ zu halten, bis das Zuführen zu einer Ausgabevorrichtung erfolgt, in welcher das Aufschäumen stattfindet.
Die Verwendung von Kohlendioxid, das der chemischen Zusammensetzung als Blähmittel bei der Produktion von Polyurethanschäumen hinzugefügt wird, ist seit langem in zahlreichen früheren Dokumenten vorgeschlagen worden, wie zum Beispiel in US-A-3,184,419 (MERRIMAN) aus dem Jahr 1965 und EP-A-089796 (ICI) aus dem Jahr 1982, und ist empfohlen worden, um bestimmte Umwelt- und Ökonomieprobleme zu vermeiden, die bei herkömmlichen Blähmitteln, wie Fluorkohlenstoffen oder Chlorfluorkohlenstoffen auftreten. Diese früheren Vorschläge stellen jedoch kein Verfahren und keine Ausgabevorrichtung zur Verfügung, die für Anwendungen im industriellen Maßstab geeignet sind.
Bei der Verwendung von durch CO₂ vorgeschäumten Polyurethanschäumen sind auch technische Probleme entstanden, bei denen es sich herausstellte, dass sie schwer zu lösen sind. Insbesondere bei der Ausgabe oder beim Ablagern des Gemisches war es schwierig, eine ausreichende Steuerung bei der Verringerung des Drucks und eine allmähliche Freisetzung des CO₂ in dem aufgeschäumten Polyurethangemisch zu erreichen. Der Schaum wies allgemein zahlreiche Fehler auf, wie etwa Hohlräume oder größere Löcher und eine unregelmäßige Zellenstruktur, was den hergestellten Schaum vom kommerziellen Gesichtspunkt aus unakzeptabel machte.
Um eine industriell wirksame Lösung für dieses schwierige Problem zu finden, hat EP-A 0 645 226 eine spezielle Ausgabevorrichtung vorgeschlagen, mit deren Hilfe es möglich ist, in einer gesteuerten Art und Weise ein Polyurethanschaumgemisch zu verteilen, während es auf einem Substrat verteilt wird. US-A-5,833,930 und EP-A-0 786 321 beinhalten ebenfalls Schaumausgabevorrichtungen.
Insbesondere ist in EP-A-0 645 226 die Verwendung einer Ablagerungsvorrichtung für das Ausgeben eines Polyurethanschaummateri als vorgeschlagen worden, um ein flüssiges Polyurethangemisch auszugeben, das einen bestimmten Prozentsatz von Kohlendioxid (CO₂) und Blasenkeimbildungsgas enthält, in dem das CO₂ vorher unter Druck in einer der chemischen Komponenten oder in dem Gemisch selbst bei einem kritischen Druck von zum Beispiel zwischen 5 und 20 bar, der ausreichend ist, um das Kohlendioxid in dem flüssigen Gemisch zu halten und es erlaubt, das Aufschäumen unter druckgesteuerten Bedingungen zu beginnen, um eine turbulente Verdampfung von CO₂ nach der Abgabe der Mischung aus der Druckabfallzone zu vermeiden, gelöst wurde.
Diese Vorrichtung umfasst im Wesentlichen eine Druckausgleichskammer und eine Druckabfallzone, welche sich zu einem Aufschäumhohlraum öffnet. Die Druckabfallzone ist durch einen länglichen Schlitz mit begrenzter Höhe, der glatte Wände aufweist, die sich in Fließrichtung des Gemisches erstrecken, oder durch eine Vielzahl von Löchern definiert. Durch eine solche Druckabfallzone ist es möglich, eine allmähliche Druckverringerung in dem laminaren Fluss des flüssigen Gemisches und eine gesteuerte Freigabe des CO₂ in Gasform stromabwärts des Auslasses des Druckabfallschlitzes in einen vergrößerten Aufschäumhohlraum zu erreichen, der für die Verteilung des Schaums vorgesehen ist.
In der Praxis hat es sich erwiesen, dass Vorrichtungen dieses Typs zufriedenstellend funktionieren und die Produktion von vorgeschäumten Schäumen in guter Qualität mit einer regelmäßigen Zellenstruktur erlauben, die im Wesentlichen frei von großen Blasen oder Hohlräumen sind.
Trotzdem ist es, um einen guten Beginn des Aufschäumens zu erreichen, erforderlich, in das flüssige Polyurethangemisch eine Menge von nicht-löslichem Blasenkeimbildungsgas, zum Beispiel Stickstoff oder Luft, in einer großen Menge von 70 bis 90 Litern/Minute, je nach Flussdurchsatz, einzuleiten, das ausreichend in das flüssige Gemisch zu dispergieren ist, um fein verteilte gasförmige "Keime" zu bilden, um die herum die mikrosko pischen Blasen von CO₂ in die Gemischmenge freigegeben werden, um das Aufschäumen zu bewirken.
Die Verwendung von Blasenkeimbildungsgas wirft trotzdem andere Probleme auf, die teilweise durch einen Kompromiss zwischen der Menge des in das Polyurethangemisch dispergierten Blasenkeimbildungsgases und der Qualität oder der Eigenschaften des Polyurethanschaums gelöst werden können.
Ferner kann zuviel Blasenkeimbildungsgas zu einem ungesteuerten Aufschäumen mit einem heftigen Freisetzen des CO₂ in das Gemisch und folglich zum Ausbilden einer unregelmäßigen Zellenstruktur führen. Daher kann bei der Produktion von Polyurethanschäumen ein Überschuss oder ein Mangel von Blasenkeimbildungsgas zu Fehlern in der Zellenbildung führen, d.h. in der Bildung einer unregelmäßigen oder ungleichmäßigen Zellenstruktur mit Erzeugung von großen Blasen und Hohlräumen. Bei dem herkömmlichen Verfahren und Ausgabevorrichtungen ist es daher schwierig, zeitlich und in Bezug auf die Größe der Ausgabevorrichtung das korrekte Mengenmaß von Blasenkeimbildungsluft, die in dem flüssigen Polyurethangemisch dispergiert ist, zu steuern.
Es besteht daher die Notwendigkeit, diese Technologie weiter zu verbessern und sie gleichzeitig für viele Anwendungen geeignet zu gestalten.
Aufgaben der Erfindung
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren und eine Schaumausgabevorrichtung für die Produktion von sowohl flexiblen als auch starren Polyurethanschäumen aus einem vorgeschäumten Polyurethangemisch durch eine Aufschäumtechnologie zur Verfügung zu stellen, um so die Nachteile der vorher angeführten Vorrichtungen zu vermeiden.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für die Produktion von Polyurethanschaum durch Aufschäumen eines flüssigen Polyurethangemisches zur Verfügung zu stellen, das Kohlendioxid (CO₂) als Blähmittel enthält, um so die Verwendung von Blasenkeimbildungsgas zu vermeiden oder um eine wesentliche Reduzierung des Gehalts an Blasenkeimbildungsgas, das in das flüssige Gemisch dispergiert wird, zu erlauben und auf diese Weise die Probleme der fehlerhaften Zellenbildung zu vermeiden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, wie es vorher angeführt ist, welches ebenfalls eine ausreichende Steuerung des Aufschäumschritts und der Schaumqualität erlaubt.
Eine noch andere Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung zum Durchführen des vorher angeführten Verfahrens zur Verfügung zu stellen, die eine vereinfachte Konstruktion aufweist und die eine Steuerung der Blasenkeimbildungs- und Aufschäumschritte erlaubt, die auf einem mikoskopischen Niveau direkt auf die Stränge des Fluids wirkt, das entlang eines länglichen und eingeschränkten Pfades oder eines Schlitzes der Druckabfallzone fließt, anders als bei der Vorrichtung des herkömmlichen Typs, bei der die Steuerung in beträchtlich größeren Dimensionen in einem Aufschäumhohlraum erfolgt, der an einem Ausgangsende der Druckabfallzone vorgesehen ist, wie es zum Beispiel in dem früheren EP-A-0 645 226 aufgezeigt ist, bei dem das Aufschäumen erfolgt, nachdem die kinetische Energie des den Schlitz verlassenden Flusses fast vollständig gedämpft ist, wie es in 9 der beigefügten Zeichnungen dargestellt ist.
Letztendlich ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Ausgabevorrichtung für die Produktion von Polyurethanschaum zur Verfügung zu stellen, die für die kontinuierliche Herstellung von Polyurethanschaumplattenvorräten geeignet ist.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren für die Produktion von Polyurethanschäumen, wie es in Anspruch 1 definiert ist, zur Verfügung, nämlich mit den Schritten:

– Mischen von wenigstens einer ersten und einer zweiten chemisch reaktiven Komponente, wie etwa einem Polyol und einem Isocyanat mit Kohlendioxid (CO₂) unter kritischer Druckbedingung, um das Kohlendioxid in dem resultierenden flüssigen Gemisch gelöst zu halten,
– allmähliches Reduzieren des Drucks in dem Gemisch, während es in laminarem Zustand entlang eines ersten Bereiches eines eingeschränkten Fließweges fließt, der einen Druckabfallschlitz aufweist, der in der Fließrichtung sich in Längsrichtung erstreckende Seitenwände hat und so dimensioniert ist, um einen Rückstaudruck auf das Gemisch stromaufwärts zu liefern, der ausreicht, um das Kohlendioxid im gelösten Zustand zu halten, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt:
– Bewirken von Blasenkeimbildung und Aufschäumen des Gemisches, indem lokalisierte Turbulenzen und Wirbelbildungen erzeugt werden, um gasförmiges Kohlendioxid allmählich in das flüssige Gemisch freizusetzen, durch aufeinanderfolgende abrupte Winkelablenkungen des Gemisches, während es entlang eines verbleibenden Bereiches des eingeschränkten Fließweges fließt, der aus Fortsätzen der Wände des Druckabfallschlitzes besteht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des vorher angeführten Verfahrens werden die lokalisierte Turbulenz oder die Verwirbelungszustände in dem Fluss des fließenden Gemisches dicht an dem Ausgangsende des Druckabfallschlitzes erzeugt, indem plötzliche Veränderungen in der Fließrichtung des Gemisches um geschärfte Kanten erzeugt werden, zum Beispiel durch Ausbilden eines Endbe reiches des Fließweges mit einem oder mehreren aufeinanderfolgenden, unter einem Winkel zueinander angeordneten Schlitzen, zum Beispiel mit einer Z-förmigen Gestalt, oder durch Bereitstellen einer Vielzahl von feinen Zähnen an den gegenüberliegenden Seitenwänden, um eine oder mehrere wiederholte Flussablenkungen der Fluidstränge und einen Zustand von lokalisierten Mikrowirbeln oder von Wirbeln zu erzeugen, die ihrerseits eine diffundierte Blasenkeimbildung in dem flüssigen Gemisch und eine allmähliche Freisetzung des gasförmigen CO₂ in das Gemisch erzeugen, das in Richtung zu dem Ausgang des Fließweges fließt, um auf ein Substrat oder in einen darunterliegenden Bereich transportiert zu werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird eine Vorrichtung, wie sie in Anspruch 11 definiert ist, für die Abgabe von aufgeschäumtem Polyurethanmaterial bei der Produktion von Polyurethanschäumen zur Verfügung gestellt, wobei die Vorrichtung aufweist:
eine Verteilungskammer (15, 22) für CO₂ enthaltendes Polyurethanschaumgemisch, die sich in eine Druckabfallzone öffnet, die einen eingeschränkten Fließweg (16, 24) hat, der sich in Fließrichtung erstreckt, wobei der Fließweg einen ersten Fließbereich aufweist, der mit einem Druckabfallschlitz (16A, 24A) versehen ist, wobei der Druckabfallschlitz Seitenwände hat, die den Druck in dem fließenden Gemisch allmählich reduzieren, dadurch gekennzeichnet, dass der eingeschränkte Fließweg (16) einen zweiten Fließbereich (16B, 16D, 16E, 24B) aufweist, der eine Ausgangsseite hat und aus einer Fortsetzung der Seitenwände des Druckabfallschlitzes (16) besteht, wobei der zweite Fließbereich dazu angepasst ist, Blasenkeimbildung und allmähliche Freisetzung von CO₂ durch aufeinanderfolgende Winkelablenkungen in dem fließenden Gemisch stromaufwärts der Ausgangsseite zu bewirken.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorher angeführten Vorrichtung hat die Schaumabgabevorrichtung die Form einer kreisförmigen Vorrichtung oder eines länglichen Stabes, welcher sich zum Beispiel in einer Querrichtung zu dem fließenden Gemisch oder zu einem sich bewegenden Substrat erstreckt, auf welches das Polyurethanschaummaterial transportiert ist, erstreckt, zum Beispiel bei der kontinuierlichen Produktion von Polyurethanschaumplattenvorräten oder sie kann für eine andere Anwendung andere Formen annehmen.
Die Schaumabgabevorrichtung weist vorzugsweise auf eine Strömungsverteilungskammer, der ein flüssiges Polyurethangemisch zugeführt ist, das unter Druck stehendes CO₂ enthält, eine Druckabfallzone in Form eines schmalen und länglichen Schlitzes, der sich in Fließrichtung des Gemisches erstreckt und der einen ersten axial verlängerten Bereich für die Druckreduzierung und einen kurzen Zwischen-Aufschäumbereich für die Erzeugung von lokalisierten Wirbeln direkt in dem Fluss des Gemisches dicht an dem Ausgang des Druckabfallschlitzes.
Weitere bevorzugte Ausführungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Diese und weitere Merkmale der Erfindung und einige ihrer Ausführungen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei die Zeichnungen zeigen in
1 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Systems für die kontinuierliche Produktion von Polyurethanschäumen und ausgestaltet, um das Verfahren und eine Ausführung der Vorrichtung gemäß der Erfindung darzustellen;
2 eine vergrößerte Querschnittsansicht der Vorrichtung von 1;
3 eine stark vergrößerte Einzelheit des Ausgangsbereiches der Vorrichtung von 2;
4 eine vergrößerte Einzelheit des Ausgangsbereiches für eine zweite Ausführung der Vorrichtung von 1;
5 eine vergrößerte Einzelheit des Ausgangsbereiches für eine dritte Ausführung;
6 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführung der Schaumabgabevorrichtung gemäß der Erfindung;
7 eine vergrößerte Querschnittsansicht, geschnitten entlang der Linie 7-7 von 6 für eine erste Ausführung der Vorrichtung von 6;
8 eine Querschnittsansicht ähnlich der von 7 für eine zweite Ausführung der Vorrichtung von 6;
9 eine simuliertes Strömungsschaubild für eine Schaumabgabevorrichtung von bekanntem Typ;
10 eine schematische Ansicht einer geprüften Ausführung, ähnlich der von 4;
11 eine vergrößerte Einzelheit von 10;
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen einige bevorzugte Ausführungen dargestellt sind.
Wie vorher angeführt, sind das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung für die Produktion von sowohl flexiblen als auch starren Schäumen mit offenem oder geschlosse nem Zellentyp nützlich, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, bei der kontinuierlichen Produktion von Schaumplattenvorräten.
Ein Polyurethanschaum wird normalerweise produziert, indem verschiedene chemisch reaktive flüssige Komponenten in einer an sich bekannten Art und Weise zu einer Reaktion gebracht werden, wie zum Beispiel Polyol, ein organisches Isocyanat und Wasser mit einem Emulgator, einem nicht-löslichen Blasenkeimbildungsgas, zum Beispiel Luft oder Stickstoff, einem Katalysator und einem Blähmittel, wobei die starre oder flexible Art des Schaums allgemein von dem Herstellungsrezept des Gemisches abhängt. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung bedeuten die flüssigen Polyurethankomponenten jedes Polyol, jedes Isocyanat (TDI–MDI) oder seine Derivate, wobei allgemein Standardrezepte verwendet werden oder spezielle Rezepte für die Produktion von starren oder flexiblen Polyurethanschäumen.
Die vorliegende Erfindung geht bei von der bei mehreren experimentellen Tests gemachten Beobachtung aus, dass es, anders als bei den allgemein bekannten herkömmlichen Verfahren, möglich ist, den Gehalt an in dem Gemisch dispergierten Blasenkeimbildungsgas beträchtlich zu reduzieren und daher das Entstehen von Zellenbildungsfehlern zu verringern, wobei gleichzeitig ein gesteuertes Aufschäumen des Polyurethangemisches erhalten wird, indem direkt auf die Fließbedingungen des Gemisches vor der Ausgabe eingewirkt wird. Insbesondere ist ermittelt worden, dass die Fließbedingungen vorteilhaft modifiziert werden können, während das flüssige Gemisch entlang einem eingeschränkten Fließweg fließt, der einen eingeschränkten Schlitz darstellt, der sich in Längsrichtung in der Fließrichtung erstreckt und einen Druckabfallschlitz darstellt, in welchem das Fluid sich in einem im Wesentlichen laminaren Zustand bewegt, wobei der größte Teil des Druckes in dem Polyurethangemisch im Wesentlichen ohne jede Freisetzung von CO₂-Gas reduziert wird, und der sich in einen Aufschäumschlitz oder verbleibenden Bereich des eingeschränkten Fließweges erstreckt, um eine lokalisierte Turbulenz oder Wirbelzustände zu erzeugen, der eine extrem verringerte Länge im Vergleich zu dem Druckabfallschlitz aufweist oder nahe dem Ausgang des Gemisches etwas größer ist, und in dem eine diffundierte Blasenkeimbildung durch eine mechanische oder hydraulische Wirkung erfolgt sowie eine allmähliche Freisetzung des CO₂ in Gasform, um das Vorauf schäumen zu beginnen oder um gesteuerte Aufschäumbedingungen direkt in dem Fluss des Polyurethangemisches zu erzeugen, während es entlang dem abschließenden Bereich des Fließweges fließt.
Unter Bezugnahme auf 1 bis 4 werden nun das Verfahren und eine erste bevorzugte Ausführung der Schaumabgabevorrichtung gemäß der Erfindung ausführlicher beschrieben.
In 1 ist eine schematische Ansicht der Grundelemente einer Vorrichtung für die kontinuierliche Produktion von Polyurethanschaumplattenvorräten in einer Art und Weise gezeigt, die an sich bekannt ist, zum Beispiel wie sie in dem vorher angeführten EP-A 0 645 226, eingereicht am 11. Juli 1994 auf den Namen der holländischen Firma FOAMING TECHNOLOGIES CARDIO BV, beschrieben ist, die einen integrierten Bestandteil der vorliegenden Beschreibung bildet.
Die Bezugszahl 10 bezeichnet eine Abgabevorrichtung für das Zuführen eines aufgeschäumten Polyurethangemisches in der Form eines geradlinigen Stabes, der sich quer teilweise oder über die gesamte Breite eines mobilen Substrats 11 erstreckt, auf dem das aufgeschäumte Polyurethangemisch 12 kontinuierlich abgelagert wird, und dazu veranlasst wird, sich mit einer voreingestellten Geschwindigkeit entlang einer Aushärtezone vorwärts zu bewegen, um kontinuierlich Plattenvorräte von aufgeschäumtem Schaum zu bilden.
Die Schaumabgabevorrichtung 10 ist durch eine Leitung 13 mit einer Mischvorrichtung 14, zum Beispiel vom Niederdrucktyp, verbunden, in welcher die zu vermischenden Polyurethankomponenten A und B mit den verschiedenen Additiven und mit einem vor eingestellten Prozentsatz von Kohlendioxid, das vorher in einer der beiden Komponenten gelöst ist, oder direkt dieser Mischvorrichtung zugeführt wird, zusammengeführt werden.
Wegen der ausgeprägten Fähigkeit des Kohlendioxids (CO₂), in einer Flüssigkeit mit den chemischen Komponenten oder mit dem Polyurethangemisch eine Lösung einzugehen, ist der Gehalt an gelöstem CO₂ als ein Prozentsatz des Gesamtgemisches im allgemeinen variabel kompatibel mit dem. geforderten Expansionsgrad des Polyurethanschaums und mit den geforderten Dichteeigenschaften für den Schaum.
Allgemein kann die Menge von CO₂ zwischen 1% und 10% oder mehr des Gesamtgemisches betragen, wobei sein Lösen durch Einblasen direkt in den Fluss einer der Polyurethankomponenten, wie es zum Beispiel durch C für die Komponente A gekennzeichnet ist, und sein Vormischen in einer statischen Mischvorrichtung vor dem definitiven Mischen mit den anderen Komponenten in der Mischvorrichtung 14 erreicht werden kann.
Um das in dem Polyurethangemisch gelöste CO₂ ohne Bildung von Gas zu halten, ist es während des Mischens erforderlich, bei einem Druck zu arbeiten, der in Abhängigkeit von der CO₂-Menge in der Mischung gleich oder höher als der kritische Druck ist, zum Beispiel bei einem Druck zwischen etwa 5 und 20 bar gemäß dem Prozentsatz des gelösten CO₂.
Gleichermaßen kann die Menge des Wassers, das als zusätzliches Blähmittel für die Erzeugung des chemischen Kohlendioxids, das für die abschließende Expansion des Schaums erforderlich ist, zwischen 0% und 5% im Vergleich zu dem Gewicht der reaktiven Mischung sein oder sie kann entsprechend den Forderungen der Anwendung größer sein.
Gleichermaßen kann gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung die Menge des Blasenkeimbildungsgases in dem reaktiven, flüssigen Gemisch oder in einer der Komponenten vergleichsweise nied rig gehalten sein, zum Beispiel 1/10 oder 1/5 weniger, als das Blasenkeimbildungsgas, das normalerweise bei herkömmlichen Verfahren verwendet wird und als Höchstwert bei Null. Auf diese Weise werden die Gefahren und die Nachteile reduziert, die mit möglichen Fehlern der Zellenbildung in dem Schaum im Zusammenhang stehen.
Eine bevorzugte Ausführung der Abgabevorrichtung 10 und ihre Betriebsweise gemäß der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf 2 bis 4 beschrieben.
Wie in dem vergrößerten Schnitt von 2 dargestellt ist, weist die Abgabevorrichtung 10 im Wesentlichen zwei Seite an Seite angeordnete Stäbe 10A und 10B auf, von denen jeder eine breite Längsaussparung hat, um zusammen eine rohrförmige Kammer 15 zu bilden, die mit der Leitung 13 (1) zum Zuführen des flüssigen Polyurethangemisches aus der Mischvorrichtung 14 verbunden ist.
Die rohrförmige Kammer 15 erlaubt einen Druckausgleich und eine Verteilung des flüssigen Gemisches, das einem eingeschränkten Fließweg 16 zugeführt wird, der einen Druckabfallschlitz bildet, der durch strikt geschlossene Seitenwände definiert wird, die über die gesamte Länge der Kammer 15 verlaufen und sich in Bewegungsrichtung des entlang dem Fließweg 16 fließenden Gemisches fortsetzen.
Wie in 2 und in der vergrößerten Einzelheit von 3 dargestellt ist, ist der Fließweg 16 nahe dem Ausgang 16' für die Mischung mit einem Z-förmigen Bereich versehen, um so zu bewirken, dass lokalisierte Turbulenzbedingungen durch eine oder mehrere abrupte Flussablenkungen des Gemisches entstehen, während es sich entlang dem Schlitz 16 bewegt, wie es noch ausführlicher erläutert wird.
Wie in 2 und 3 dargestellt ist, weist der Fließweg 16 einen ersten geradlinigen Abschnitt auf, der mit einem vergleichsweise langen Schlitz 16A versehen ist, welcher durch ebene Wände definiert ist und in dem laminare Fließbedingungen herrschen, um so eine allmähliche Reduzierung des Drucks in dem Gemisch gleich oder größer als 90% des in der Kammer 15 vorhandenen Drucks zu bewirken. In vielen Fällen kann der Druckabfall entlang dem Schlitzabschnitt 16A dicht bei der gesamten Druckdifferenz zwischen der Kammer 15 und dem offenen Ende des Ausgangs 16' des Fließweges 16 liegen oder nur wenige Prozente als die gesamte Druckdifferenz geringer sein.
Lediglich als Hinweis dienend, kann bei der Produktion von flexiblen Polyurethanschäumen der Schlitz 16A eine Höhe S zwischen 0,1 und 0,8 mm aufweisen, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,6 mm, während die Gesamtlänge L1 zwischen etwa 1 und 30 mm für Durchsatzmengen Q von normalerweise zwischen 50 und 500 Liter/Minute und bei einer Viskosität η zwischen 100 und 1000 Centipoise betragen kann. Vorzugsweise im Fall des vorher angeführten Beispiels kann L1 entsprechend dem in der Kammer 15 oder innerhalb der Mischvorrichtung 14 zu erzeugenden Druck und gemäß dem Ausstoß oder dem Durchsatz und der Viskosität des flüssigen Polyurethangemisches zwischen 15 und 25 mm sein, selbst wenn Werte größer oder kleiner als die vorher angeführten nicht auszuschließen sind.
Der Endabschnitt 16' des Fließweges 16, der aus einem Fortsatz des Schlitzes 16A besteht, ist in einer solchen Weise ausgeführt, dass die Erzeugung von Turbulenz- oder Verwirbelungsbedingungen bewirkt wird, die für das Auslösen einer intensiven Blasenkeimbildung und eines Voraufschäumungs- oder Aufschäumschrittes durch allmähliche Freisetzung von CO₂ in Gasform in das Polyurethangemisch, während es entlang dem Endabschnitt 16' fließt, wie es in der vergrößerten Einzelheit von 3 dargestellt ist, geeignet sind.
Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, setzt sich das untere Ende des ersten geradlinigen Abschnitts oder des Schlitzes 16A, in dem das Gemisch laminar fließt, in einem zweiten Abschnitt 16B fort, der auch als Zwischenabschnitt bezeichnet wird und eine äußerst begrenzte Länge hat. Der Zwischenabschnitt 16B ist unter einem Winkel von 90° in Bezug zu dem Schlitz 16A positioniert, um so abrupte Flussablenkungen und, sich daraus ergebend, eine erste lokalisierte Verwirbelung oder Wirbel in dem Gemischfluss zu erzeugen, gefolgt von einem dritten Abschnitt 16C für den Austritt des Gemisches, der zum Beispiel parallel zu dem Schlitz 16A angeordnet ist, um so, zusammen mit dem Zwischenabschnitt 16B eine zweite abrupte Veränderung in dem Gemischfluss und eine zweite Erzeugung einer lokalisierten Turbulenz oder von Verwirbelungsbedingungen dicht bei den vorherigen zu bewirken.
In dem dargestellten Fall definieren die drei Abschnitte 16A, 16B und 16C des Weges 16 einen Z-förmigen Fließweg, in welchem die benachbarten Abschnitte des Schlitzes zueinander einen Winkel von 90° bilden. Der Winkel kann jedoch größer oder kleiner als 90° sein und in einem Bereich zwischen 70° und 120° liegen, wobei der Zwischenbereich 16B zu dem Endbereich 16C in einer entgegengesetzten Richtung in Bezug auf den Fluss des Gemisches in dem Schlitz 16A geneigt ist.
Wie vorher angeführt, kann die Höhe "S" des Schlitzes in dem Bereich 16A zwischen 0,1 und 0,8 mm betragen, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,6 mm und kann in den verbleibenden Abschnitten 16B und 16C größer sein. Aus Testen wurde ermittelt, dass es durch Verändern der Höhe S und der Länge der Abschnitte 16A, 16B und 16C des Schlitzes und allgemeiner ausgedrückt durch ihre gegenseitige Anordnung und Ausgestaltung, möglich ist, einen positiven Einfluss auf den Fließzustand des Gemisches und auf die Veränderung der Eigenschaften des vorgeschäumten Polyurethangemisches am Ausgang der Abgabevorrichtung, insbesondere auf den Grad der Blasenkeimbildung und auf das Aufschäumen des Gemisches sowie auf die Eigenschaften des fertig aufgeschäumten Materials auszuüben.
Als eine allgemeine Regel für das Beispiel gemäß 2 und 3 gilt, dass die drei Abschnitte 16A, 16B und 16C des Fließweges 16 die gleiche Höhe aufweisen können. Es wird jedoch bevorzugt, dass die Abschnitte 16B und 16C, in welchen die Blasenkeimbildungs- und die Aufschäumschritte des Gemisches stattfinden, die das Volumen des flüssigen Gemisches beträchtlich erhöhen, zunehmende Abmessungen des Fließweges aufweisen.
Lediglich als ein Beispiel angeführt, wurden, wenn man mit S1, S2 und S3 die Höhe des Weges 16 in den Abschnitten 16A, 16B bzw. 16C bezeichnet und mit L1 die Gesamtlänge des Weges 16, mit L2 den Raum zwischen den Längsachsen der Schlitzabschnitte 16A und 16C von 3 bezeichnet, d.h. den minimalen Raum zwischen den beiden Flussablenkungen und wenn man mit Q den Durchsatz und mit η die Viskosität des Gemisches bei fluiddynamischen Bedingungen bezeichnet, ausreichende Ergebnisse erzielt, wenn diese Parameter in den folgenden Bereichen liegen:
Allgemein ist es ratsam, dass der Raum zwischen zwei aufeinander folgenden Flussablenkungen und zwei aufeinander folgenden Erzeugungspunkten von lokalisierter Turbulenz so bemessen ist, dass verhindert wird, dass der Fluss in einen laminaren Zustand oder zu einem im Wesentlichen laminaren Zustand zurückkehrt.
Die allgemeinen Prinzipien des Verfahrens gemäß der Erfindung und der Betrieb der dargestellten Schaumabgabevorrichtung werden nun ausführlicher unter Bezug auf 2 und 3 beschrieben.
Die chemisch reaktiven Polyurethankomponenten, wie zum Beispiel ein Polyol A und ein Isocyanat B, wobei in einer dieser Komponenten ein bestimmter Prozentsatz von Kohlendioxid gelöst ist, werden in der Mischvorrichtung 14 zusammen mit Hilfskomponenten bei einem Druck in der Mischvorrichtung 14 gemischt, der ausreichend ist, um das in dem flüssigen Gemisch gelöste CO₂ zu halten. Das sich ergebende Gemisch wird dann der Verteilungskammer 15 zugeführt, um entlang der gesamten Breite der Abgabevorrichtung 10 und auf das darunterliegende Substrat 11 in Form eines Aufschäummaterials verteilt zu werden.
Spezifischer ausgedrückt fließt das Polyurethangemisch, das der Verteilungskammer 15 bei einem kritischen Druck gleich oder höher als der Gleichgewichtsdruck des in dem flüssigen Gemisch gelösten CO₂ bei einer Betriebstemperatur zwischen 18 und 30°C zugeführt ist, entlang dem ersten Abschnitt des Fließweges 16, der durch einen Schlitz 16A bereitgestellt wird, wobei eine allmähliche Reduzierung des Drucks erfolgt, wobei ein Fluss des Gemisches in einem im Wesentlichen laminaren Zustand gehalten wird.
In dem Schlitz 16A erfolgt daher weder eine Blasenkeimbildung noch ein Entmischen des CO₂, weil der vorhandene Druck noch hoch genug ist, um die Entwicklung von Gasblasen in dem Gemisch zu verhindern, die zu der Austrittsseite des Fließweges 16 strömen.
Jedoch beginnt nahe dem Ende des geradlinigen Schlitzabschnitts 16A, wo das flüssige Gemisch berechnet für die Flüssigkeit eine relativ geringe Geschwindigkeit zwischen 3 und 10 m/s aufweist, d.h. wenn der größte Teil des Drucks in dem Gemisch etwa um 90-95% des Druckes, der in der Verteilungskammer 15 vorhanden ist, reduziert ist, wegen der größeren relativen Scherkraft zwischen den Fluidsträngen nahe den Wänden des Schlitzes im Vergleich zu dem mittleren Teil, wo die Scherkraft zwischen den Fluidsträngen beträchtlich geringer ist, eine erste Mikroblasenerzeugung des gasförmigen CO₂ entlang den Wänden des Schlitzes, die ermöglicht, dass in den nachfolgenden Abschnitten 16B und 16C des Fließweges ein intensiver Blasenkeimbildungseffekt und ein Aufschäumen des Polyurethangemisches erzeugt werden.
Beginnend mit diesem Schritt, in welchem der Effekt eines differenzierten Entmischens des Gases in dem Zwischenabschnitt des Schlitzes auftritt, wird eine scharfe oder abrupte Veränderung der Fließrichtung von dem Schlitz 16A zu dem Zwischenabschnitt 16B bewirkt, gefolgt von einer zweiten scharfen und abrupten Veränderung der Fließrichtung von dem Zwischenabschnitt 16B und dem Endabschnitt 16C.
Diese plötzlichen Veränderungen in der Fließrichtung erzeugen eine hochlokalisierte Turbulenz oder Verwirbelung, welche das Entmischen des CO₂-Gases in dem gesamten Fluss des Gemisches verstärkt, weil der Druck jetzt ausreichend niedrig ist, um die Entwicklung von Gasblasen zu erlauben.
Gemäß der Erfindung erzeugt somit der erste Abschnitt des Weges 16, der durch den Schlitz 16A vorgesehen ist, den Druckabfall, der erforderlich ist, um den Übergang von der unter Druck stehenden Zone der Kammer 15 zu den Endabschnitten 16B, 16C des Weges 16 zu erlauben, um die Löslichkeitsbedingungen des CO₂ stromaufwärts der Abgabevorrichtung zu stabilisieren und die laminaren Strömungsbedingungen aufrechtzuerhalten. Nachfolgend erfolgt entlang den Endabschnitten 16B, 16C des Weges eine intensive Freisetzung von Mikroblasen des CO₂ sowohl entlang den peripheren Wänden als auch in dem gesamten Fluss des Gemisches infolge der lokalisierten Turbulenz oder der Verwirbelungsbedingungen, die durch die plötzlichen Veränderungen in der Fließrichtung sowie durch die erhöhte Geschwindigkeit des Gemisches selbst, während es aufschäumt und zu dem Ausgang hin fließt, erzeugt werden.
In der Praxis tritt in dem Zwischenabschnitt 16B des Weges 16 ein intensiver Blasenkeimbildungseffekt mit Bildung von Mikroblasen des CO₂ in dem gesamten Fluss des Gemisches und ein anfänglicher Voraufschäumungs- oder Aufschäumungseffekt auf, der sich in dem Endabschnitt 16C, dem Ausgang des Weges 16, verstärkt.
Es wurde eine Analyse der Druckverluste in dem Schlitz, entlang dem Fließweg durchgeführt, wobei die spezifische kinetische Energie Ec in dem Gemisch in jedem Schlitzabschnitt, in welchem die Veränderung der Fließrichtung erfolgt, berechnet wurde.
Die spezifische kinetische Energie der Flüssigkeit an dem Punkt des Weges, an dem eine Richtungsänderung erfolgt, wird nach der folgenden Formel erhalten:
Darin ist:
ho – maximale Höhe des Fließweges
η – Viskosität; und
V(h) – Geschwindigkeit des Fluids in den entsprechenden Abschnitten des Fließweges.
Wenn mit k = 0,3 der Verlustkoeffizient in Richtung von 90° bezeichnet wird, wird der Druckverlust und somit die Energie, welche der Mischung bei jeder Richtungsänderung zugeführt wird, aus der folgenden Formel erhalten: 2) Δp = kEc
Durch mehrere Versuche, die unter Veränderung der Abmessungen der Abschnitte 16A, 16B und 16C des Fließweges 16 innerhalb der vorher angeführten Werte durchgeführt wurden, wurde ermittelt, dass ein gutes Aufschäumen erreicht wird, wenn der Energieverlust oder der Druckabfall in dem Endabschnitt des Weges 16 bei jeder Richtungsänderung etwa zwischen 0,02 und 1 bar, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,5 bar beträgt, wobei der abschließende Aufschäumeffekt auch von dem Raum zwischen den aufeinanderfolgenden Richtungsänderungen abhängt.
Da jede Richtungsänderung eine lokalisierte Turbulenz oder einen Verwirbelungszustand erzeugt, was bewirken würde, das Entmischen des CO₂-Gases schnell zu dämpfen, wenn es nicht wirksam gehalten wird, und das Entmischen zu verhindern oder im Wesentlichen zu reduzieren, ist zu erkennen, dass gute Blasenkeimbildungsbedingungen und ein Vorschäumen des Gemisches erhalten werden, wenn die Strecke zwischen aufeinanderfolgenden Richtungsänderungen zwischen ho und 3ho beträgt.
Die aus den Versuchen ermittelten experimentellen Daten haben diese Hypothese bestätigt.
Unterhalb und oberhalb von den vorher angeführten Werten wird der Druckabfall an den Flussablenkungen des Gemisches, der das Vorschäumen oder Aufschäumen bewirkt, nicht als gut eingeschätzt, weil zu wenig bzw. zu viel kinetische Energie zugeliefert wird.
4 der Zeichnungen zeigt eine zweite Ausführung für den Endabschnitt des Strömungsweges 16 gemäß der vorliegenden Erfindung, der dazu ausgestaltet ist, mehrere Richtungsänderungen des Flusses und eine allmähliche Erzeugung von lokalisierter Turbulenz oder von Wirbeln zu bewirken.
In Fall von 4 ist ein Endabschnitt 16D des Fließweges 16 mit einem Satz von feinen Zähnen 17 und 18 an den gegenüberliegenden Seitenwänden versehen, zum Beispiel mit Zähnen in Dreieckform, die sich über die gesamte Länge des Stabes 10 erstrecken.
Im Fall von 4 sind diese Sätze von Zähnen 17 und 18 einander gegenüberliegend und erzeugen einen Weg, der durch eine Aufeinanderfolge von divergierenden und konvergierenden Abschnitten gebildet wird, die dazu ausgestaltet sind, kontinuierliche Ablenkungen des Flusses an beiden Seiten mit lokalisierten Erzeugungen von Mikroturbulenz oder Mikrowirbeln zu bewirken.
Die Anzahl der Zähne 17, 18 oder der divergierenden/konvergierenden Abschnitte entlang dem verzahnten Abschnitt 16D des Weges 16 kann von Fall zu Fall variieren. Gute Ergebnisse wurden unter Verwendung einer Anzahl von Zähnen oder divergierenden/konvergierenden Abschnitten zwischen 1 und 5 erzielt.
5 der Zeichnungen zeigt eine im Vergleich zu der Ausführung von 4 alternative Ausführung hinsichtlich der Anordnung der Zähne 17, 18 an den beiden Wänden des Endabschnitts des Weges 16.
Während im Fall von 4 die beiden Sätze von Zähnen sich einander gegenüberliegen, ist im Fall von 5 der Satz von Zähnen einer Wand des Schlitzes in Bezug auf den Satz von Zähnen an der gegenüberliegenden Wand versetzt, zum Beispiel um die Hälfte eines Abstandes zwischen den Zähnen, um so einen serpentinenförmigen Weg 16E zu bilden, der sich in der allgemeinen Richtung des Schlitzabschnitts 16A erstreckt, um so wiederholte Veränderungen der Fließrichtungen und eine allmähliche Zerstreuung der Energie, bewirkt durch eine Folge einer lokalisierten Mikroturbulenz zur Verfügung zu stellen.
Sowohl in 4 als auch in 5 weisen die Sätze von Zähnen 17 und 18 einen dreieckigen Querschnitt mit einem Scheitelwinkel auf, der zwischen 60° und 120° betragen kann, vorzugsweise zwischen 60° und 105°. Weiterhin muss der Abstand zwischen den Zahnsätzen besonders klein sein und in einer Größenordnung liegen, die mit dem minimalen Raum, der zwischen den gegenüberliegenden Zähnen vorhanden ist, vergleichbar ist, zum Beispiel gleich oder äquivalent dem 1- bis 4-fachen der minimalen Höhe des Schlitzes selbst oder des Fließweges.
6 zeigt schematisch eine weitere Ausführung, die besonders für kreisförmige Schaumabgabevorrichtungen geeignet ist. In dieser Figur bezeichnet die Bezugszahl 20 den Hohlkörper der Abgabevorrichtung, der einen Einlass 21 für das flüssige Polyurethangemisch aufweist, der in eine kegelförmige Verteilungskammer 22 führt, die sich in Richtung auf einen kreisförmigen Fließweg 24 zwischen dem Außenkörper 20 und einem Innenkern-Element 23 erweitert.
Wie vorher angeführt, ist zwischen dem zylinderförmigen Kernelement 23 und der inneren Oberfläche des Körpers 20 ein kreisförmiger Weg 24 gebildet, zum Beispiel des Typs, der in 7 dargestellt ist, der einen ersten zylindrischen Schlitz 24A, der sich in Fließrichtung des Gemisches erstreckt und koaxial zu der Vorrichtung angeordnet ist, einen ringförmigen Abschnitt 24B, der in einer Ebene 90° zu der des vorhergehenden Abschnitts angeordnet ist und einen dritten Abschnitt 24C unter 90° zu dem vorhergehenden Abschnitt umfasst, und der sich zu dem Hohlraum eines Diffusors hin öffnet.
Im Fall von 6 sowie für den Fall von 7 kann der Schlitz 24A glatte Seitenwände aufweisen, wie es in 7 dargestellt ist. Dagegen kann der erste Schlitzabschnitt, in dem laminare Strömungsbedingungen herrschen, aus einer Vielzahl von Löchern und/oder Längsnuten 24A' gebildet sein, wie es in 8 dargestellt ist, und sich wiederum in Fließrichtung erstrecken und eine Länge und einen Durchmesser in den Größenordnung der vorher angeführten Werte aufweisen.
Im Fall von 6 ist es als eine Alternative zu der Z-Form in dem Endabschnitt des Weges 16 möglich, ein gezahntes Profil gemäß dem von 4 oder 5 oder eine andere geeignete Form für das Erzeugen von lokalisierter Turbulenz oder von Verwirbelungszuständen durch plötzliche Veränderungen der Fließrichtung des Polyurethangemisches verwenden, um eine Blasenkeimbildung und ein Aufschäumen durch das Freisetzen von gasförmigem CO₂ in dem Gemisch, das in den Endabschnitt des Strömungswegs 16 fließt, zu erzeugen.
9 der Zeichnungen zeigt vergleichend die Verteilung des Flusses eines Polyurethangemisches, das sich entlang einem engen Schlitz 26 bewegt, der eine Höhe S1 von 0,25 mm aufweist, und der in einen Hohlraum 27 mit einer Vorderwand 28 in einem Abstand von 3 mm von dem Ausgang 26 führt, d.h. einem Abstand, der das Zwölffache der Höhe S1 des Schlitzes 26 aufweist.
Die Darstellung von 9 wurde durch Computersimulation unter Verwendung des Simulationsprogramms Fluent 4.42 der FLUENT INC. erhalten. 9 zeigt sehr deutlich, wie die kinetische Energie des Flusses, welche den Schlitz 26 verlässt, auf einer sehr kurzen Strecke in der Größenordnung von 1 mm, d.h. in einer Größenordnung gleich dem 3- oder 4-fachen der Höhe des Schlitzes oder weniger, von der Vorderwand 28 entfernt, aufgebraucht wird. Diese Simulation bestätigt, dass lokalisierte Veränderungen der Fließrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise auftreten müssen, wenn der Fluss einen ausreichend hohen Turbulenzgrad aufweist.
Schließlich zeigen 10 und 11 eine weitere Ausführung und das Ergebnis wurde wiederum durch numerische Computersimulation mit dem Programm Fluent 5.3 erhalten, um das Verhalten von in einem Polyurethangemisch gelöstem CO₂ und das Ablösen der Fluidstränge von der inneren Wand eines divergierenden Diffusors bei. Veränderung der Winkelweite zu untersuchen.
Präziser ausgedrückt, zeigt 10 eine besondere Form des Fließweges 16 und des divergierenden Diffusors 29. In 10 und 11 werden die gleichen Bezugszahlen verwendet, wie in 4, um gleiche oder äquivalente Teile zu kennzeichnen.
Wie in 10 gezeigt ist, weist die Vorrichtung einen Schlitz 16A mit einer Höhe S1 von 0,3 mm und einer Länge L3 von 20 mm, einen gezahnten Zwischenabschnitt 16D und einen Endabschnitt 16E auf, der sich in einen Diffusor 29 öffnet, der eine Winkelweite α zwischen 12° und 30° und eine Länge L4 von 10 mm aufweist. Die Zähne haben Höhen von 1,2 mm und einen Abstand von 1,5 mm. Das getestete Fluid war ein Polyurethangemisch, bestehend aus einem Polyol, einem Isocyanat und CO₂, gelöst mit 4,7% in Bezug auf die Gesamtmasse.
Das Polyol-Isocyanat-Gemisch hatte eine Dichte von 1050 kg/m³ und eine Viskosität von 0,05 Ns/m², während das CO₂ eine Dichte von 1,78 kg/m³ und eine Viskosität von 1,37 × 10^–5 Ns/m². Der Ausstoß betrug 235 l/min und die Durchschnittsgeschwindigkeit des Gemisches in dem Schlitz 6,50 m/s.
Entlang dem gezahnten Abschnitt 16D, wie er in 11 dargestellt ist, wurden ein Entgasungsgrad und eine CO₂-Konzentration in der Wirbelzone 30A, 30B und 31A, 31B festgestellt, die von der Reynold'schen Zahl abhängt. Gleichzeitig wurde bei Verändern der Winkelweite des Diffusors 29 zwischen 12° und 30° ermittelt, dass die Ablösung der Fluidstränge bei Winkel von 18 bis 22° oder darüber auftrat.
Die Computersimulation bestätigte die gute Blasenkeimbildungswirkung des gezahnten Abschnitts des Druckabfallschlitzes 16 und das Freisetzen von CO₂ für das Auslösen des Aufschäumens des Polyurethangemisches. Die Computersimulation bestätigte auch die guten Ergebnisse bei einer kleinen Winkelweite des Diffusors 29.
Aus den vorhergehenden Ausführungen wird deutlich, dass ein Verfahren und eine Schaumabgabevorrichtung für ein Polyurethangemisch, das durch unter Druck stellendes CO₂ vorgeschäumt oder aufgeschäumt ist, insbesondere für die Produktion von fertig aufgeschäumten Polyurethanschäumen sowohl des flexiblen als auch des starren Typs, zum Beispiel mit einer Vorrichtung oder mit Systemen des kontinuierlichen Typs, zur Verfügung gestellt wird. Trotzdem können andere mögliche Anwendungen des Verfahrens und der Vorrichtung ausgeführt werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

Verfahren für die Produktion von Polyurethanschäumen, mit den Schritten: – Mischen von wenigstens einer ersten und einer zweiten chemisch reaktiven Komponente (A, B), wie etwa einem Polyol und einem Isocyanat mit Kohlendioxid (CO₂) unter kritischer Druckbedingung, um das Kohlendioxid in dem resultierenden flüssigen Gemisch gelöst zu halten, – allmähliches Reduzieren des Drucks in dem Gemisch, während es in laminarem Zustand entlang eines ersten Bereiches eines eingeschränkten Fließweges (16; 24) fließt, der einem Druckabfallschlitz (16A; 24A) aufweist, der in der Fließrichtung sich in Längsrichtung erstreckende Seitenwände hat und so dimensioniert ist, um einen Rückstaudruck auf das Gemisch stromaufwärts zu liefern, der ausreicht, um das Kohlendioxid im gelösten Zustand zu halten, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt: – Bewirken von Blasenkeimbildung und Aufschäumen des Gemisches, indem lokalisierte Turbulenzen und Wirbelbildungen erzeugt werden, um gasförmiges Kohlendioxid allmählich in das flüssige Gemisch freizusetzen, durch aufeinanderfolgende abrupte Winkelablenkungen (16B, 16C; 16D; 16E; 24B, 24C) des Gemisches, während es entlang eines verbleibenden Bereichs (16B, 16C; 16D; 16E; 24B, 24C) des eingeschränkten Fließweges (16; 24) fließt, der aus Fortsätzen der Wände des Druckabfallschlitzes (16A; 24A) besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die lokalisierte Turbulenz, Blasenkeimbildung und Aufschäumen durch aufeinanderfolgende Ablenkung des fließenden Gemisches stromaufwärts des Ausgangs des verbleibenden Bereiches (16C, 16E) des Fließweges (16) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ablenkungen der Strömung zwischen 60° und 120° liegen.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Winkel der Ablenkungen der Strömung vorzugsweise zwischen 60° und 105° liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die lokalisierten Turbulenzbedingungen erzeugt werden, indem das Gemisch zum Fließen entlang eines Z-förmigen Bereichs (16E) des verbleibenden Fließweges veranlasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die lokalisierten Turbulenzbedingungen erzeugt werden, indem man das Gemisch entlang eines verbleibenden Bereichs (16D) des Fließweges (16) fließen lässt, der mit gezahnten Seitenwänden (17, 18) versehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Druckabfall in dem verbleibenden Bereich (16B, 16C; 16D; 16E) des Fließweges (16) im Bereich zwischen 0,02 und 1 bar liegt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Druckabfall vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,5 bar liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt des Aufteilens des Flusses des Gemisches in eine Vielzahl von einzelnen Flüssen entlang des ersten Bereichs (16A, 24A) des Fließweges (16, 24).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei lokalisierte Turbulenz und Aufschäumen erzeugt werden, indem man das Gemisch entlang eines verbleibenden Bereichs (16B, 16C) des Fließweges mit zunehmenden Höhen fließen lässt.
Vorrichtung zur Ausgabe von geschäumten Polyurethanmaterial bei der Herstellung von Polyurethanschäumen, gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Verteilungskammer (15, 22) für ein CO₂ enthaltendes Polyurethanschaumgemisch, die sich in eine Druckabfallzone öffnet, die einen eingeschränkten Fließweg (16, 24) hat, der sich in Fließrichtung erstreckt, wobei der Fließweg einen ersten Fließbereich aufweist, der mit einem Druckabfallschlitz (16A, 24A) versehen ist, wobei der Druckabfallschlitz Seitenwände hat, die den Druck in dem fließenden Gemisch allmählich reduzieren, dadurch gekennzeichnet, dass der eingeschränkte Fließweg (16) einen zweiten Fließbereich (16B; 16D; 16E; 24B) aufweist, der eine Ausgangsseite hat und aus einer Fortsetzung der Seitenwände des Druckabfallschlitzes (16) besteht, wobei der zweite Fließbereich dazu angepasst ist, Blasenkeimbildung und allmähliche Freisetzung von CO₂ durch aufeinanderfolgende Winkelablenkungen in dem fließenden Gemisch stromaufwärts der Ausgangsseite zu bewirken.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Winkelablenkung der Strömung zwischen 60° und 120°, vorzugsweise zwischen 60° und 105° liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der zweite Bereich (16E) durch einen Z-förmigen Fließweg definiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die axiale Länge des zweiten Bereichs (16B; 16D; 16E; 24B) zwischen aufeinanderfolgenden Ablenkungen des Fließweges zwischen einmal und viermal der minimalen Höhe des Fließweges liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der zweite Bereich (16D; 16E) des Fließweges mit gezahnten Seitenwänden (17, 18) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Zähne (17) an einer Seitenwand gegenüber den Zähnen (18) an der anderen Seitenwand liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Zähne (17) auf der einen Seitenwand versetzt gegenüber den Zähnen (18) an der anderen Seitenwand sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Anzahl der Zähne (17, 18) an jeder Seitenwand zwischen 1 und 5 liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Zähne (17, 18) im Querschnitt eine dreieckige Form haben.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Winkelweite der Zähne (17, 18) zwischen 60° und 120°, vorzugsweise zwischen 60° und 105° liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Abstand zwischen den Zähnen (17, 18) zwischen einmal und viermal der minimalen Höhe des Fließweges liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Druckabfallschlitze (16A) des Fließweges (16) eine geradlinige Querschnittsform hat.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Druckabfallschlitz (24A) des Fließweges (24) eine kreisförmige Querschnittsform hat.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der erste Bereich (16A, 24A) des Fließweges eine Mehrzahl von axial verlaufenden Löchern aufweist.