DE60017603T2

DE60017603T2 - Vorrichtung zum mischen und spritzgiessen von duroplastischem polyurethan

Info

Publication number: DE60017603T2
Application number: DE60017603T
Authority: DE
Inventors: Eiji Sawa; Kenichi Kawamoto; L. Gary RAIKES
Original assignee: Ten Cate Enbi International BV
Current assignee: Ten Cate Enbi International BV
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2020-11-11
Also published as: WO2001072861A2; DE60017603D1; EP1248674B1; US6435854B1; EP1248674A2; WO2001072861A3; AU7657401A; WO2001072861A8

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen und Spritzformen von thermisch aushärtendem Polyurethan.
Hintergrund der Erfindung
Zu den allgemeinen Verfahren zum thermischen Aushärten von Polyurethan gehören das Gießen und das Reaktionsspritzgießen (RIM). Jedoch gibt es bei diesen beiden Verfahren einige Beschränkungen.
Allgemein wird bei Gießverfahren jede Komponente des Harzes in einem dynamischen Drehstift- oder Propellermischer gemischt, und das gemischte Material wird dann in eine offene Form gegossen. Teilweise wird die Form mit einem oberen Formteil abgedichtet, nachdem das gemischte Material in die Bodenseite des Formstückes gegossen wurde. Da dieses Verfahren in einer offenen Luftatmosphäre durchgeführt wird, ist es schwierig, Luftblasen aus den gegossenen Teil zu eliminieren.
Gießprozesse werden hauptsächlich in der Industrie für thermisch aushärtende Polyurethanrollen zur Papierbehandlung oder für elektrische und statische Steuerrollen verwendet. Allgemein wird eine vierseitige Form oder eine U-förmige Form verwendet, um ein zylindrisches Teil mit einem Schaft in seiner Mitte zu gießen. Die Ausführungen dieser Formen führen zu einem großen Verlust an Material und zu zusätzlichen Schleifprozessen. Ferner ist es sehr schwierig, zu verhindern, dass sich Luftblasen in den gegossenen Teilen bilden. Dies beruht darauf, dass nachdem das Material gemischt ist, das Material in einer offenen Umgebungsatmosphäre behandelt wird, bevor es in eine offene Form gegossen wird.
Ferner ist es sehr wichtig, insbesondere für ein hochfunktionelles gegossenes Teil, wie etwa einer Laderolle für einen Lichtleiter bei einem elektrophotographischen Drucksystem, das die endgültige Mischung gleichmäßige Eigenschaften hat. Jedoch ist es schwierig, gleichmäßig geformte Teile unter Verwendung einer vierseitigen Form oder einer U-förmigen Form herzustellen, da es schwierig ist, die Mischung auf einer gleichförmigen Temperatur zu halten, sowohl da es schwierig ist, der Mischung gleichmäßig Wärme zuzuführen, als auch da thermisch aushärtendes Polyurethan Wärme erzeugt. Diese Probleme führen zu unterschiedlichen Wärmehistorien, die in demselben gegossenen Teil enthalten sind.
RIM-Verfahren sind sehr gute Verfahren zum Herstellen von besonders geformten schaumgegossenen Teilen. RIM-Verfahren schließen allgemein das Mischen von Komponenten bei hohen Drücken ein. Komponenten werden bei sehr hohen Drücken in eine sehr widerstandsfähige Form eingespritzt, die in einem Hohlraum einer Presse aufgenommen ist. Die Form wird unter hohem Druck gehalten, so dass die Aushärtezeit sehr kurz ist und der Prozesswirkungsgrad vergrößert wird. Dies ist eine große Einschränkung für RIM-Verfahren. Wegen der allgemein längeren Aushärtezeit ist es schwierig, ein weicheres thermisch aushärtendes Polyurethanharz unter Verwendung eines RIM-Verfahrens herzustellen.
Es ist möglich, RIM-Verfahren zum Gießen von festem thermisch aushärtenden Polyurethan zu verwenden, jedoch ist es schwierig, zu verhindern, dass sich Luftblasen in den gegossenen Teilen bilden, infolge des Hochdruckmischungssystems.
Es ist auch aus der Tatsache offensichtlich, dass fast niemand RIM-Verfahren zur Herstellung von Rollen verwendet, dass RIM-Verfahren keine guten Prozesse für diese Industrie sind.
In der Flüssigsilikon-Branche verwenden einige Leute ein drittes System zur Herstellung von gegossenen Teilen. Jede Komponente wird in einem statischen Mischer unter Verwendung von spritzenartigen Dosierpumpen injiziert, und die Mischung wird in eine Form direkt von der Auslassseite des Mischers eingespritzt. Dies wird manchmal als flüssiges Einspritzformen (LIM) bezeichnet. Dieses System ist bei Systemen mit flüssigem Silikon möglich, wegen des Reaktionsprofils von flüssigem Silikon und wegen seinem besonderen Komponentensystem. Allgemein liefern Silikonlieferanten Flüssigsilikon-Systeme als Einkomponenten- oder Zweikomponenten-Systeme. Für gegossene Teile sind allgemein Zweikomponenten-Systeme üblich. Die Fließgeschwindigkeit und die Viskosität jeder Komponente sind allgemein gleich.
Der Grund dafür, dass dies in der Silikonindustrie möglich ist, besteht darin, dass Öl oder andere Additive zugefügt werden, um die Fließgeschwindigkeit und die Viskosität einzustellen. Jedoch können zur Herstellung der meisten thermisch aushärtenden Polyurethanprodukte, insbesondere für Hochleistungsprodukte, keine Additive verwendet werden. Um Polyurethanprodukte mit schlechterer Qualität zu vermeiden, ist es notwendig, die Gegenwart von Komponenten zu reduzieren, die nicht chemisch reagieren können.
Ferner wünschen wir keine Aufheizung der Komponenten in einem Flüssigsilikon-System, so dass es leicht ist, die Reaktionsgeschwindigkeit zu steuern.
Da dieses LIM-System jedoch bei thermisch aushärtendem Polyurethan nicht gut arbeitet, außer bei sehr begrenzten Systemen, wie etwa, wenn wir ein Zweikomponenten-System haben, bei dem die beiden Komponenten im Wesentlichen in den gleichen Anteilen gemischt werden, wo die Viskosität der beiden Komponenten ungefähr die gleiche ist und wobei die chemische Reaktionsgeschwindigkeit bei Raumtemperatur sehr langsam ist. Die meisten Zusammensetzungen von thermisch aushärtenden Polyurethanprodukten besitzen keine solchen idealen Eigenschaften.
Der Stand der Technik gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist zum Beispiel durch die DE-A-34 00 309 repräsentiert, die Zahnradpumpen als das Dosiersystem verwendet. Ein Mischen wird durch eine Kombination von statischen und dynamischen Mischern oder von ausschließlich dynamischen Mischern erreicht. Auch offenbart ist die Anwendung eines Unterdruckzustandes in dem gesamten System, um die Probleme von Luft in dem System zu vermeiden, und ein Zylinder wird bei einem Einspritzventil verwendet, um ein Nadelventil zu bewegen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Hauptaufgabe der Erfindung bestand darin, eine Vorrichtung zum Herstellen von gegossenen thermisch aushärtenden Polyurethanteilen mit niedrigen Kosten, mit geringerem Materialverlust und mit einer geringeren Ausschussrate zu entwerfen. Untergeordnet zu diesem Hauptziel bestand das Nebenziel darin, die Homogenität einer Mischung zu verbessern, die Materialien enthält, die über weite Grenzen in ihren Anteilen und ihrer Viskosität variieren können.
Um einen kostengünstigen und hochwirksamen Prozess zum Herstellen von gegossenen thermisch aushärtenden Polyurethanteilen und Rollen zu erzeugen, haben wir ein vollständiges Gießsystem und ein Verfahren, um dieses zu verwenden, entwickelt. Es verwendet einige Konzepte, die bereits im Stand der Technik existieren, verbindet sie jedoch in einer neuen Weise.
Es wird eine Vorrichtung zum Mischen und Spritzgießen von thermisch aushärtendem Polyurethan offenbart, wobei ein Vormischer verwendet wird, der eine Folge von besonders ausgestalteten Vormischkammern aufweist, einen oder mehrere statische Mischer, anstatt von dynamischen Mischern, und einen besonders ausgebildeten Zweiwege-Mischer. Nachdem das Material gemischt ist, wird es in einen Injektor gepumpt und dann in eine Form gebracht.
Dieser gesamte Prozess wird in einer luftdichten Umgebung durchgeführt, es sind Ventilsysteme sowohl vor dem Vormischer als auch nach dem Zweiwege-Mischer vorgesehen. Der Injektor ist dichtend an einem Einlass der Form befestigt. Die Form, in die das Material gepumpt wird, ist an einer Vakuumpumpe befestigt, die die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass irgendwelche Luftblasen innerhalb der Form eingeschlossen werden.
Ein Verfahren, bei dem die Vorrichtung gemäß der gegenwärtigen Erfindung verwendet wird, vergrößert gleichfalls die Qualität der spritzgegossenen Teile, indem die Homogenität der Mischung vor dem Gießen vergrößert wird. Dies stellt sicher, dass die Endprodukte der Produktion durchgehend gleichförmig sind. Dies wird zum Teil durch Verwendung eines neuen Zweiwege-Mischers erreicht. Eine neue Art einer Vormischkammer verstärkt zusätzlich die Mischung der individuellen Komponenten.
Obwohl dieses System grundsätzlich bei vielen unterschiedlichen Zusammensetzungen von thermisch aushärtendem Polyurethan arbeitet, behandelt es die folgenden Situationen besonders vorteilhaft:

(1) Gießsysteme, bei denen das Endmaterial aus mehr als zwei Komponenten besteht;
(2) Gießsysteme, bei denen die Komponenten in unterschiedlichen Anteilen vorhanden sind, wie z.B., wenn das Verhältnis der beiden Komponenten 2:1 oder größer ist;
(3) Gießsysteme, bei denen die Viskosität der Mischung über 2000 cps (0,020 Gramm × Sek./cm²) bei der Gießtemperatur beträgt;
(4) Gießsysteme, bei denen ein großer Unterschied in der Viskosität der Komponenten besteht;
(5) Gießsysteme, bei denen die Formschlusszeit der Mischung bei der Gießtemperatur zwischen 3 Minuten und 60 Minuten beträgt.

Gemäß Anspruch 1 der gegenwärtigen Erfindung, wird eine Vorrichtung zum Mischen und Spritzgießen der Komponenten einer Mehrkomponentensubstanz angegeben, mit einer Quelle für jede Komponente, einer Vormischkammer, die einen ersten Einlass zum Erhalten einer ersten Komponente und einen zweiten Einlass zum Erhalten einer zweiten Komponente aufweist, wobei Kanäle die Quellen der ersten und zweiten Komponenten mit der Vormischkammer fluidmäßig und dichtend verbinden; mit einem statischen Mischer, der mit der Vormischkammer fluidmäßig und dichtend verbunden ist; wobei ein Injektor fluidmäßig und dichtend mit einem Auslass des statischen Mischers verbunden ist; und mit einer Form, die fluidmäßig und dichtend mit einem Ventil des Injektors verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass:

a) Jeder einzelne Kanal eine Querschnittsfläche hat, die proportional zu der Gesamtquerschnittsfläche sämtlicher Kanäle ist, wobei der Anteil das Verhältnis der Menge der Komponente, die von einem einzelnen Kanal transportiert wird, zu der Gesamtmenge der Komponenten, die von sämtlichen Kanälen transpor tiert werden, ist, und der Anteil nicht geringer als 70% und nicht größer als 130 ist; und
b) die Kanäle derart ausdehnbar sind, dass eine Vergrößerung des Innendruckes in jedem Kanal von 9 N/cm² auf 200 N/cm² zu einer Vergrößerung der Querschnittsfläche der Kanäle führt, die geringer als 20% ist.

Gemäß Anspruch 10 der gegenwärtigen Erfindung wird die Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zum Mischen und Spritzgießen von thermisch aushärtendem Polyurethan angegeben.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung beschrieben, in der:
1 eine Darstellung der gesamten Mischvorrichtung ist;
2 eine Darstellung einer einzelnen Vormischkammer ist;
3 eine Darstellung eines Vormischers ist, der eine Folge von Vormischkammern aufweist;
4 eine Darstellung des Zweiwege-Mischers ist;
5 eine Darstellung des Einspritzventils ist und
6 eine Darstellung der Form und der Vakuumpumpe ist.
Wir haben festgestellt, dass es möglich ist, einen Mangel an Komponenten, die in geringeren Anteilen in einer Mischung enthalten sind, zu vermeiden, in dem entweder mehrere Zweikomponenten-Vormischkammern oder ein ausgedehnter Vormischer verwendet werden.
Die in 2 gezeigte Vormischkammer ist das Basiselement entweder einer Kette von Vormischkammern oder einer einzigen ausgedehnten Vormischkammer. Weder das Rohr 24 noch der äußere Körper 26 muss irgendeine besondere Form haben. Die Form der Vormischkammer ist kein Bestandteil des Designs. Noch muss der Innendurchlass konzentrisch mit dem Außenkörper sein oder damit irgendeine Symmetrie haben. Die Barriere, die den Bereich 30 von dem Bereich 32 trennt, kann an jedem beliebigen Punkt platziert sein, der sich zwischen dem Eingang und dem Ausgang befindet.
Die Vormischkammer 20 hat ein hohles Inneres 22, durch das ein Rohr 24 verläuft, das konzentrisch mit der Achse des größeren Körpers 26 ist und das endet, bevor es das ferne Ende der Kammer erreicht. Sie hat auch eine Barriere 28 in der Mitte entlang der Längsachse, die die Kammer in eine vordere Kammer 30 und eine hintere Kammer 32 trennt. Die Barriere behindert nicht den Durchfluss durch das mittlere Rohr. Die Barriere weist eine Mehrzahl von Löchern 34 auf, durch die Material vom vorderen Bereich 30 in den hinteren Bereich 32 fließen kann.
Das Material, das zu einem geringeren Anteil vorhanden ist, tritt durch den mittleren rohrförmigen Durchlass 25 ein. Es verlässt das Rohr in dem hinteren Bereich 32 durch eine Mehrzahl von Löchern 27, die das Ende des Durchmessers umgeben. Das Material, das in einer größeren Menge vorhanden ist, tritt durch den größeren vorderen Bereich 30 ein. Es fließt dann in den hinteren Bereich 32 durch die Löcher 34 in der Barrierenwand.
Das Material wird dann aus der Kammer in ein Rohr 38 gegenüber der Barriere 28 ausgeführt. Das Rohr hat eine Mehrzahl von Löchern 36. Wenn der hintere Bereich 32 ausreichend gefüllt ist, fließt der Inhalt durch die Löcher 36 aus und gelangt weiter zu dem Mischvorgang.
Dieser kann eine weitere Zweikomponenten-Vormischkammer aufweisen. Falls dies der Fall ist, fließt Material, das die erste Mischkammer verlässt, in das mittige Eintrittsrohr einer neuen Vormischkammer. Gleichzeitig wird eine dritte Komponente in den vorderen Bereich der zweiten Vormischkammer eintreten. Dieses Konzept kann ausgedehnt werden, so dass wir für N Komponenten N-1 in Reihe miteinander verbundene Vormischkammern haben würden.
Alternativ kann man einen einzigen ausgedehnten Vormischer 39 verwenden. Der ausgedehnte Vormischer ist in 3 gezeigt. Hier ist jetzt die Kammer 20 gemäß 2 ein Teil einer einzigen Einheit, die aus einer Folge von Kammern besteht. Das Ausgangsrohr von einer Mischung aus der ersten Kammer bildet wieder das Eingangsrohr in der zweiten Kammer. Das Ausgangsrohr von dieser Kammer bildet wieder das Eingangsrohr für die dritte Kammer usw. Dies ist sehr ähnlich zu der Kette von Vormischkammern, die oben empfohlen wurde, jedoch ist ein einziger Vormischer erheblich günstiger für große Komponentensysteme.
DER ZWEIWEGE-MISCHER
Nachdem die Mischung den oben beschriebenen statischen Mischer verlassen hat, erreicht sie den Zweiwege-Mischer. Dies ist in 4 dargestellt. Der Zweiwege-Mischer 40 enthält zwei Leitungen: Eine geradere primäre Leitung 42 und eine längere sekundäre Leitung 44, die darum herum verläuft und sich wieder mit der primären Leitung verbindet. Material, das in den Einlass 46 des Zweiwege-Mischers eintritt, wird auf die zwei Wege aufgeteilt. Nachdem es durch eine der beiden Leitungen gelangt ist, kombiniert sich das Material mit Material, das durch den anderen Weg gelangt ist.
Es ist bevorzugt, dass die sekundäre Leitung 44 einen größeren Querschnitt als die primäre Leitung 42 hat. Da die sekundäre Leitung länger ist, erfährt Material, das durch die Leitung fließt, mehr Reibungskräfte als Material, das durch die primäre Leitung fließt. Dies verlangsamt den Durchlass durch die sekundäre Leitung und der Hauptteil des Materials wird durch die primäre Leitung fließen, falls die beiden Kanäle gleiche Durchmesser haben. Indem der Durchmesser des sekundären Kanals vergrößert wird, wird das Verhältnis von Volumen zur Querschnittsfläche vergrößert und letztendlich sollte die Menge des Materials, das durch jeden Kanal fließt, sich an ein Ziel von 50% annähern.
Der Materialfluss in dem Mischsystem ist intermittierend. Im Wesentlichen gleiche Volumina von Material werden in das System periodisch eingeführt. Wenn neue Volumina eingeführt werden, wird ein gleiches Materialvolumen, das bereits in der Leitung ist, weiterbewegt. In der Abwesenheit eines Zweiwege-Mischers ist die Distanz des Volumens, das sich in der Leitung vorwärts bewegt, im Wesentlichen gleichförmig. Material, das an dem Punkt A vorhanden ist, wird zum Punkt B in jedem Zyklus gelangen.
Diese Tatsache beeinflusst die Entscheidung, wie lang die sekundäre Leitung gemacht werden soll. Der Unterschied in der Länge zwischen der primären und der sekundären Leitung von unserem Mischer ist allgemein nicht bedeutsam. Jedoch ist es erwünscht, zu vermeiden, dass sich Material an dem Beginn eines Volumenflusses mit Material an dem Beginn eines anderen Volumenflusses vermengt. Deshalb ist es wichtig, dass die Volumendifferenz zwischen der sekundären Leitung der primären Leitung nicht ein Vielfaches des Volumens ist, das in jedem Zyklus eingeführt wird.
Ein potentielles Problem bei dem Zweiwege-Mischer besteht darin, dass das Material in der sekundären Leitung eine längere Zeit zur Reaktion als das Material in der primären Leitung hat. Die Reaktion beim Mischen von Polyurethan ist exothermer Natur. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist ferner temperaturabhängig. In der zweiten Leitung reagieren die Materialien länger und erfahren so eine stärkere Temperaturerhöhung und reagieren deshalb noch schneller. Dies bedeutet, dass das Material in der sekundären Leitung tatsächlich sich in einer anderen Phase des Reaktionsverfahrens befinden wird, wenn es sich wieder mit der Mischung vereinigt, die durch den primären Kanal gelangt. Dieses Ergebnis kann vermieden oder wenigstens vermindert werden, indem ein Wasserkühler oder eine andere temperaturkontrollierende Einrichtung verwendet wird, um den Zweiwege-Mischer oder wenigstens die sekundäre Leitung auf einer Temperatur zu halten, die niedrig genug ist, um die Reaktionsgeschwindigkeit auf einer gewünschten Geschwindigkeit zu halten.
MISCHEN
Der erste Schritt besteht in der Mischung der Komponenten miteinander.
Es ist bevorzugt, dass der gesamte Mischvorgang, beginnend mit der Mischung der ersten beiden Komponenten bis zum Pumpen der Endmischung in die Spritze innerhalb eines geschlossenen Systems ausgeführt wird. Dies vermeidet, dass unerwünschte Luft in die Kammer gelangt.
Die Komponenten werden in separaten Behältern 60A, 60B und 60C gehalten. Jeder Behälter pumpt seine Komponente durch eine spritzenartige Dosierpumpe 62 in den Vormischer. Der Hauptvorteil bei der Verwendung von spritzenartigen Dosierpumpen besteht darin, dass das Dosiersystem stabil bleibt, selbst wenn drastische Veränderungen im Druck auftreten. Andere Pumpen, wie etwa Zahnradpumpen, können solche Druckveränderungen nicht bewerkstelligen. Ferner erleichtert die Verwendung eines spritzenartigen Injektors die Erzeugung einer luftdichten Umgebung, was wichtig ist, um zu vermeiden, dass Luftblasen in der Mischung eingeschlossen werden.
Bei der bevorzugten Ausführung werden Dreiwege-Ventile 66 verwendet, um den Fluss von Komponenten zu und aus den spritzenartigen Dosierpumpen 62 zu steuern. Wenn die Spritzen gefüllt sind, ist ein Weg zwischen den Behältern und der Spritze offen. Ein Weg zwischen der Spritze und der Mischvorrichtung wird dann geöffnet, so dass Komponenten in die Vorrichtung injiziert werden können.
Kanäle 64 verbinden jede Dosierpumpe mit dem Vormischer. Das Verhältnis der Querschnittsfläche jedes einzelnen Kanals zu der Gesamtquerschnittsfläche sämtlicher Kanäle ist nicht geringer als 70% und nicht größer als 130% des Verhältnisses der Menge der Komponenten, die es transportiert, zu der Gesamtmenge sämtlicher Komponenten. Um dies zu verdeutlichen, falls z.B. A1 die Querschnittsfläche eines Kanals ist, der die Komponente 1 trägt, A die Querschnittsfläche sämtlicher Kanäle ist, A = A1 + A2 + A3 ..., V1 das Volumen der Komponente 1 ist, die durch den Kanal fließt, und V die kombinierte Menge aller der Komponenten ist, V = V1 + V2 + V3 ..., dann: 0,7·V1/V ≤ A1/A ≤ 1,3·V1/V
Optimale Ergebnisse werden erhalten, wenn das Verhältnis der Querschnittsfläche eines Kanals zu der Gesamtquerschnittsfläche zwischen 85% und 115% des Verhältnisses der Menge der Komponenten, die transportiert werden, zu der Gesamtmenge aller Komponenten ist. Wir haben festgestellt, dass wir dann, wenn wir die Querschnittsfläche innerhalb dieser Grenzen halten, den Anfang und das Ende unserer Prozesse besser synchronisieren können.
Wir stellten ferner fest, dass das System am besten arbeitete, wenn die verwendeten Kanäle eine begrenzte Flexibilität hatten. Optimal sollten sie in der Lage sein, Drücke zwischen 9,0 N/cm² und 200 N/cm² aushalten. Die Ausdehnungsgeschwindigkeit sollte derart sein, dass bei 200 N/cm² der Kanal maximal nur 20% größer als bei 9 N/cm² ist.
Die Spritzen 62 in unserer optimalen Konfiguration werden sämtlich gleichzeitig eingedrückt, vgl. 1. Wie die oben beschriebenen Kanäle 64 ist auch die Querschnittsfläche jeder Spritze direkt proportional zu der relativen Menge des Materials in der Mischung. Alternativ wäre es möglich, ein System zu verwenden, bei dem jede Spritze 62 für eine bestimmte Komponente verwendet würde und einzeln gesteuert würde, anstelle einer gemeinsamen Steuerung. In dem alternativen Fall wäre der Kolben in Fig. Y durch drei Kolben ersetzt, anstelle von einem. Dies würde einen etwas komplexeren Aufbau erfordern und höhere Kosten bedeuten, da mehr bewegende Teile, unabhängig automatisierte Teile, größere Teile dauern usw. notwendig wären.
Es sollte erwähnt werden, dass andere Arten von Pumpsystemen, wie etwa Zahnradpumpen, verwendet werden können.
Zahnradpumpen sind in der Branche der thermisch aushärtenden Polyurethane sehr verbreitet. Die Zahnradpumpe arbeitet sehr gut in Systemen mit kontinuierlicher Messung, jedoch nicht gut in Systemen, die diskret dosiert werden. Falls der Druck in dem Materialzirkulationsrohr nicht hoch genug im Vergleich zu dem Druck in dem Mischer ist, werden wir kein präzises Verhältnis der Materialien in den frühen Stadien der Mischung haben, und dies wird große Probleme bei den gegossenen Teilen verursa chen. Deshalb ist es sehr schwierig, einen Zirkulationskreislauf unter Verwendung einer Zahnradpumpe und eines Speicherbehälters aufzubauen, der auf einem hohen Druck (> 490 N/cm²) gehalten wird. Es ist ferner sehr schwierig, einen gleichförmigen Mischvorgang einzuhalten, wenn sich der Druck verändert.
Wir haben festgestellt, dass die spritzenartigen Dosierpumpen 62 dieses Problem lösen. Wir können den Druck in dem Mischer und in den Kanälen hoch genug halten, indem spritzenartige Dosierpumpen verwendet werden, ohne dass irgendeine besonders verstärkte Ausrüstung verwendet wird.
Ferner haben wir festgestellt, dass der Einbau von Abschaltfunktionen zwischen der Dosierpumpe und dem Vormischer die Gleichmäßigkeit der Fließgeschwindigkeit sehr verbessert. Wir verwendeten kugelartige Ventile 68 für diesen Zweck. Diese sind nach den Dreiwege-Ventilen 66 in unserer bevorzugten Ausführung angeordnet. Wenn die Spritze einer Dosierpumpe das Ausgeben einer Komponente beginnt, wird das Ventil geöffnet, und wenn die Spritze die Ausgabe beendet, wird das Ventil geschlossen. Der Druck einer Komponente in dem Mischer und dem Rohr während des Intervalls, nachdem es ausgegeben ist, kann auf demselben Druck gehalten werden, wenn es ausgegeben wird. Wir stellten fest, dass wir durch Verwendung dieses Systems jede Komponente in der geeigneten Menge zu der geeigneten Zeit zuführen können und deshalb eine hervorragende Mischung erhalten können, selbst obwohl die Verhältnisse von einzelnen Komponenten stark variieren können. Zum Beispiel kann dieses System mit Zusammensetzungen von thermisch aushärtendem Polyurethan umgehen, bei dem das Verhältnis der Menge der größten Flusskomponente zu dem der kleinsten Flusskomponente größer als ponente zu dem der kleinsten Flusskomponente größer als 50:1 ist.
Die Komponenten aus den ersten beiden Behältern werden zunächst in den Vormischer 39 injiziert. Dieser Schritt hilft sicherzustellen, dass die Materialien in dem statischen Mischer 80 in ihren geeigneten Anteilen und mit derselben Geschwindigkeit eintreten. Dort vermischen sie sich, wie oben beschrieben, in der Vormischkammer. Die resultierende Mischung fließt in eine nachfolgende Kammer in dem Vormischer. Dort wird diese Mischung in dem Abschnitt der Vormischkammer mit einer dritten Komponente wie oben beschrieben vorgemischt. Falls es N Komponenten gibt, wird der Vormischer N-1 Vormischkammern enthalten. Wir stellten fest, dass das System am besten arbeitet, falls wir die Komponente mit dem geringsten Anteil als erste Komponente verwenden, die Komponente mit dem zweitniedrigsten in der zweiten Komponente usw.
Wie oben erwähnt, sind die Vormischkammern getrennt und individuell miteinander verbunden. Die ersten beiden Behälter würden wie oben beschrieben mit einer Vormischkammer 20 verbunden. Falls eine dritte Komponente benutzt wird, würde eine zweite Vormischkammer verwendet. Falls N Komponenten vorhanden sind, werden N-1 Vormischkammern verwendet.
Nach der Vormischstufe wird die Mischung an einen ersten statischen Mischer 80 gesandt. Statische Mischer sind gegenüber dynamischen Mischern aus zwei Gründen bevorzugt: (1) statische Mischer erzeugen keine Wärme und (2) statische Mischer ermöglichen einen vollständig geschlossenen Mischvorgang. Dynamische Mischer haben allgemein bewegende Teile und mechanische Dich tungen, die Wärme erzeugen. Die Reaktion von thermisch aushärtendem Polyurethan wird schneller bei höheren Temperaturen, so dass wir den dynamischen Mischer oft während der Herstellung reinigen müssen. Da jedoch statische Mischer keinerlei wärmeerzeugende Punkte haben, können wir so die Temperatur erreichen, die wir wünschen. Ferner wird unter Verwendung eines statischen Mischers die Mischung durch den statischen Mischer geführt, während sie gemischt wird. Wir stellten fest, dass dies sehr wichtig ist, um eine kontinuierliche Herstellung aufrechtzuerhalten.
Jeder beliebige statische Mischer kann bei diesem Verfahren verwendet werden. Jedoch war der Mischer, den wir verwendet haben, ein in der Industrie üblicher Spiralkneter. Insbesondere haben wir den Spiralkneter 150–824 verwendet, der von
Mercury Supply Systems Co., Ltd.
2-16-13, Uchi-Kanda
Chiyoda-ku, Tokio, Japan
stammt.
Der Außendurchmesser war 12,95 mm, und seine Länge betrug 221,0 mm.
Der erste statische Mischer 80 muss auf einer Temperatur gehalten werden, die hoch genug ist, um sicherzustellen, dass alle Materialien während des Mischvorgangs flüssig bleiben. Insbesondere einige der Komponenten einer Polyurethan-Zusammensetzung haben einen relativ hohen Schmelzpunkt. Für die besondere Zusammensetzung von Polyurethan, für die dieses Ver fahren und diese Vorrichtung verwendet wurden, musste eine der Komponenten auf einer Temperatur oberhalb von 60°C gehalten werden. Um dies zu erreichen, wurde ein beheizter Wassermantel um den Mischer gelegt. Irgendein anderes Heizverfahren wäre gleichfalls geeignet gewesen.
Nach dem Zweiwege-Mischer kann die Mischung durch einen zweiten statischen Mischer 84 gesandt werden. Jedoch sind weder der Zweiwege-Mischer noch zusätzliche statische Mischer für diese Erfindung notwendig. Sie können hinzugefügt werden, um die Möglichkeit von Inhomogenitäten in der Mischung zu minimieren, um so eine hohe Qualität der Endprodukte zu gewährleisten.
Nachdem die Komponenten gemischt wurden, wird die Endmischung direkt in einem spritzenartigen Injektor 100 gepumpt.
Wir stellten fest, dass wir infolge der Steuerung der Temperatur entlang von getrennten Intervallen des Mischungsverfahrens dieses System über eine lange Zeit betreiben können, ohne dass irgendeine Reinigung der Leitungen notwendig ist. Dies vergrößert gleichfalls die Anzahl von thermisch aushärtenden Polyurethan-Zusammensetzungen, die verwendet werden können. Manchmal müssen wir einige Polyurethan-Komponenten auf hohen Temperaturen (zeitweise oberhalb von 60°C) halten, um ein Kristallisieren zu vermeiden. Jedoch ist es schwierig, die Reaktionsgeschwindigkeit bei derart hohen Temperaturen zu kontrollieren, da die Reaktionsgeschwindigkeit von thermisch aushärtendem Polyurethan bei höherer Temperatur erheblich zunimmt. Mit unserem entwickelten System, können wir die Temperatur separat an jeder Stufe des Mischungsverfahrens steuern. Allgemein ist die spätere Stufe der Mischung schwieriger bei höheren Temperaturen zu steuern als die erste Stufe des Mischungsverfahrens.
INJIZIERUNG
Wir verwendeten einen spritzenartigen Injektor 100, um Material in eine Form 104 zu injizieren. Der Hauptvorteil der Verwendung eines spritzenartigen Injektors besteht darin, dass der Mischvorgang und der Spritzvorgang entkoppelt werden können. Die bevorzugte Ausführung weist ein weiteres Dreiwege-Kugelventil 102 auf. Das Ventil kann entlang eines Weges geöffnet werden, um eine Mischung aus dem Mischvorgang in den Injektor zu lassen. Der Mischvorgang endet, wenn der Injektor gefüllt wird. Ein zweiter Weg kann dann zwischen dem Injektor und der Form geöffnet werden.
Andere Arten von Pumpen, wie etwa Zahnradpumpen sind nicht so vorteilhaft. Zahnradpumpen, die allgemein in der Branche mit thermisch aushärtendem Polyurethan gebräuchlich sind, arbeiten bei Spritzgießsystemen nicht so gut. Dies liegt daran, dass Zahnradpumpen keine großen oder variierenden Drücke gut handhaben können, wie oben diskutiert wurde.
Eines unserer Hauptziele bestand darin, ein System zu erzeugen, das vollständig vom Mischen bis zum Formen geschlossen ist. Es ist wichtig, Luftblasen in den Endprodukten zu vermeiden. In Hochleistungsteilen sind keine Luftblasen zulässig, wie etwa in Teilen, die Bilder beim Drucken steuern. Jedoch ist es sehr schwierig, Luftblasen in Polyurethan-Teilen zu vermeiden, da sich das Material in einem flüssigen Zustand befindet, bevor es ausgehärtet wird. Selbst wenn wir sämtliche Luftblasen wäh rend des Mischvorgangs eliminieren, können sich während des Gießvorgangs leicht Luftblasen bilden.
Um dieses Problem möglichst zu eliminieren, haben wir den Spritzen-Injektor mit einer Abschaltfunktion an dem Ventil 106 des Injektors versehen. Eine Abschaltfunktion an dem Ventil des Injektors trägt wesentlich dazu bei, das Intervall zwischen den Injektionen zu vergleichmäßigen und vergrößert die Fähigkeit, ein gutes Vakuum zu erreichen. Eine nadelartige Abschaltfunktion 108 war das wirksamste Mittel, den Durchlass durch das Ventil zu unterbrechen. Es ist einfach eine Nadel innerhalb des Schaftes der Spritze. Sie kann abgesenkt werden, um das Ventil zu verschließen, oder angehoben werden, um den Durchlass von Material durch das Ventil zu erlauben. Ein Injektor mit einer nadelartigen Abschaltfunktion ist in 5 dargestellt.
Ferner statteten wir die Form 104 mit einem Vakuumsteuersystem aus, das mit dem Injektionsvorgang synchronisiert war, um das Einschließen von Luftblasen während des Gießprozesses zu vermeiden. Der Injektor passt in einen Einlass 110 in dem Formgehäuse. Eine Vakuumpumpe 112 ist mit einer anderen Öffnung 116 in dem Gehäuse verbunden.
Zuerst wird das Einspritzventil 108 an dem Einlass der Form 110 befestigt. Das Ventil 106 bleibt während dieses Vorgangs geschlossen. Die angeschlossene Pumpe 112 erzeugt dann einen Unterdruck in der Form.
Als Nächstes wird das Ventil 106 des Injektors 100 geöffnet, und wir injizieren Material in die Form 104, bis sie gefüllt ist. Dann schließen wir das Ventil 106 des Injektors und öffnen die Vakuumöffnung der Form zur Atmosphäre. Schließlich lösen wir den Injektor von dem Einlass der Form und entfernen die Form von dem Injektor, so dass wir Material in die nächste Form durch dasselbe Verfahren injizieren können.
Einige der obigen Schritte sollten zur selben Zeit ausgeführt werden.
Es gibt keine Einschränkung bezüglich des Designs für eine Form, jedoch weist die bevorzugte Ausführung eine Form mit einem Hohlraum auf, der ein Vakuumentlüftungsloch auf der Seite gegenüber dem Einlassverschluss hat.
Falls die Größe des Druckes, der notwendig ist, um die Mischung in die Form zu injizieren, gering genug ist, dann kann die Form tatsächlich direkt mit dem Ende des zweiten statischen Mischers verbunden sein. Dieses System kann völlig ohne einen spritzenartigen Injektor gut arbeiten. In diesem Fall ist eine Abschaltfunktion, wie etwa eine Abschaltnadel, an der Auslassseite des Mischers notwendig, so dass der Fluss quantifiziert werden kann.
Die Injektionsspritze ist bei Temperaturen besser steuerbar, die eine Formdauer der Mischung zwischen 5 und 60 Minuten entsprechen, insbesondere wenn sie zwischen 15 und 30 Minuten ist. Die Formdauer bezieht sich auf die Zeitdauer, die die Mischung flüssig bleibt, nachdem sie geheizt ist. Falls die Temperatur zu hoch ist und die Formdauer zu kurz ist, wird eine Reinigung notwendig, und es ist schwierig, einen kontinuierlichen Gießprozess aufrechtzuerhalten.
Deshalb sollte gleichfalls ein Mittel zum Steuern der Temperatur des Materials in den Injektor eingeschlossen werden. Das Einwickeln des Injektors in einem Wassermantel ist eine Lösung für das Problem.
BESONDERE FORMULIERUNG
Verschiedene Kombinationen von Komponenten können verwendet werden, um Polyurethan herzustellen. Dieser Vorgang wurde unter Verwendung einer Anzahl von unterschiedlichen Kombinationen von Ausgangsmaterialien getestet. Eine Zusammensetzung, die zu qualitativ sehr hochwertigen Produkten führte, bestand aus den folgenden drei Komponenten.
Die erste Komponente war ein Polybutadien-Polyol mit einer Hydroxylzahl von 48,2, hergestellt von Elf Atochem North America, Inc. in 2000 Market Street, Philadelphia, PA 19103. Es machte 5% der Gesamtmischung aus.
Die zweite Komponente war eine Mischung aus drei unterschiedlichen Chemikalien. Zunächst gab es ein Polyether-Polyol, das eine Hydroxylzahl von 37 hat, hergestellt von Arch Chemicals, Inc. in 501 Merrit 7, Norwalk, CT 06856. Es enthielt 93,2% der Komponente. Die zweite Chemikalie war ein Polyether-Polyol mit einer Hydroxylzahl von 630, hergestellt von SEPPIC Inc. in 30 Two Bridges Road, Suite 225, Fairfield, N. J. 07004. Es enthält 6,6% der Komponente. Die dritte Komponente war Triisopropanolamin 99, hergestellt von der Dow Chemical Company in 2040 Dow Center, Midland, MI 48674. Sie enthielt 0,2% der Komponente. Diese Komponente machte 34,7 der Gesamtmischung aus.
Die dritte Komponente war ein Urethan-Präpolymer mit 8,9% NCO, hergestellt von Uniroyal Chemical Company, Inc. in Middlebury, Connecticut 06746. Diese Komponente machte 60,3% der Gesamtmischung aus.
Die Verwendung von bisher bekannten Verfahren zum Mischen dieser Zusammensetzung von Polyurethan hätte zu mehr Fehlern bei den Endprodukten geführt. Zu diesen Fehlern gehören Inhomogenitäten durch Luftblasen in der Mischung. Unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung und des oben beschriebenen Verfahren sind die gegossenen Endprodukte von sehr hoher Qualität.
Obwohl dieses System am wirkungsvollsten als ein Gesamtsystem arbeitet, könnte jede Innovation und Entwicklung mit allgemeiner Gießausrüstung gekoppelt werden, um den Herstellungsprozess von gegossenen Polyurethan-Produkten allgemein zu verbessern.
Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit gegenwärtig bevorzugten Ausführungen beschrieben wurde, werden die Fachleute verstehen, dass zahlreiche Modifikationen und Veränderungen gemacht werden können, ohne von der Lehre und dem Rahmen der Erfindung abzuweichen. Die gegenwärtige Erfindung soll nur durch den Rahmen der zugehörigen Ansprüche begrenzt sein.

Claims

Vorrichtung zum Mischen und Spritzgießen der Komponenten einer Mehrkomponentensubstanz, mit einer Quelle (60) für jede Komponente, einer Vormischkammer (39), die einen ersten Einlass (24) zum Erhalten einer ersten Komponente und einen zweiten Einlass (26) zum Erhalten einer zweiten Komponente aufweist, wobei Kanäle (34) die Quellen der ersten und zweiten Komponenten mit der Vormischkammer (39) fluidmäßig und dichtend verbinden; mit einem statischen Mischer (80), der mit der Vormischkammer (39) fluidmäßig und dichtend verbunden ist; und mit einem Injektor (100), der fluidmäßig und dichtend mit einem Auslass des statischen Mischers (80) verbunden ist; und mit einer Form (104), die fluidmäßig und dichtend mit einem Ventil (106) des Injektors (100) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass: a) jeder einzelne Kanal (64) eine Querschnittsfläche hat, die proportional zu der Gesamtquerschnittsfläche sämtlicher Kanäle ist, wobei der Anteil das Verhältnis der Menge der Komponente, die von einem einzelnen Kanal (64) transportiert wird, zu der Gesamtmenge der Komponenten, die von sämtlichen Kanälen transportiert werden, ist, und der Anteil nicht geringer als 70% und nicht größer als 130% ist; und b) die Kanäle (64) derart ausdehnbar sind, dass eine Vergrößerung des Innendruckes in jedem Kanal (64) von 9 N/cm² auf 200 N/cm² zu einer Vergrößerung der Querschnittsfläche der Kanäle führt, die geringer als 20% ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Injektor (100) ein spritzenartiger Injektor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, die ferner einen Verschluss (108) aufweist, der mit dem Injektor verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der eine Verschlussfunktion in dem spritzenartigen Injektor integriert ist, wobei die Verschlussfunktion durch eine Nadel (108) innerhalb eines Ventils (106) der Spritze gebildet ist, wobei die Nadel (108) angehoben oder abgesenkt wird, um das Ventil (106) zu öffnen oder zu verschließen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Vakuumpumpe (112), die mit der Form (104) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Form 104 an einem Ende gegenüberliegend dem Ort eine Entlüftung (110) aufweist, an dem das Einspritzventil (100) mit der Form verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch einen Zweiwege-Mischer (40) zum Mischen von Pulsen von Material, das von dem statischen Mischer (80) geliefert wird, wobei der Zweiwege-Mischer einen Einlass (46) und einen Auslass aufweist, eine primäre Leitung (42), die sich von dem Einlass (46) zu dem Auslass erstreckt, und eine sekundäre Leitung (44), die sich von dem Einlass (46) zu dem Auslass erstreckt, wobei die sekundäre Leitung (44) eine größere Länge als die primäre Leitung (42) besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vormischkammer (20) Folgendes aufweist: a) einen ersten hohlen Außenkörper (26) mit einem Einlass, wobei der erste hohle Außenkörper in eine erste Kammer (30) und eine zweite Kammer (32) durch eine Barriere (28) aufgeteilt ist, wobei die Barriere eine Mehrzahl von Löchern (34) besitzt, um einen Zutritt von Material aus der ersten Kammer (30) in die zweite Kammer (32) zu erlauben; b) einen zweiten hohlen Körper (24) mit einem Einlass, der innerhalb des ersten hohlen Körpers (26) angeordnet ist, wobei der zweite hohle Körper in die Barriere (28) eindringt und eine Mehrzahl von Löchern (27) auf einem Teil seiner Oberfläche in der zweiten Kammer (32) aufweist, um zu erlauben, dass Material von dem Inneren des zweiten hohlen Körpers (24) zu dem Inneren der zweiten Kammer (32) gelangt; und c) wobei die zweite Kammer (32) ferner einen Auslass (38) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, die ferner spritzenartige Dosierpumpen (62) aufweist, die angeschlossen sind, um die Menge jeder Komponente, die in die erste Kammer (30) und in die zweite Kammer (32) der Vormischkammer (39) eintritt, zu dosieren.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9 zum Mischen und Einspritzen von thermisch aushärtendem Polyurethan.