DE69229866T2

DE69229866T2 - Verfahren zum extrudieren von schaumstoff niedriger dichte unter verwendung von wasser als treibmittel

Info

Publication number: DE69229866T2
Application number: DE69229866T
Authority: DE
Inventors: Alan Demello; Louis Halberstadt; Douglas Hartford; Peter Mertinooke; Dan Muessel
Original assignee: Amesbury Group Inc
Current assignee: Amesbury Group Inc
Priority date: 1991-04-23
Filing date: 1992-04-23
Publication date: 2000-02-24
Anticipated expiration: 2012-04-24
Also published as: US5607629A; CA2102227C; GB2271742A; EP0603183B1; DK0603183T3; EP0603183A1; US5788889A; GB2271742B; DE69229866D1; JP3655302B2; GB9321967D0; AU650762B2; ES2134806T3; WO1992018326A3; WO1992018326A2; CA2102227A1; JPH06507128A; AU1911692A; ATE183685T1

Description

VERFAHREN ZUM EXTRUDIEREN VON SCHAUMSTOFF MIT NIEDRIGER DICHTE UNTER VERWENDUNG VON WASSER ALS TREIBMITTEL

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen das Extrudieren von elastomerem Thermoplastschaumstoff und insbesondere ein Verfahren zum Extrudieren von elastomerem Thermoplastschaumstoff unter Verwendung von Wasser bzw. Dampf als Treibmittel.

Hintergrund der Erfindung

Gemäß einem herkömmlichen Verfahren kann Thermoplastschaumstoff hergestellt werden, indem Thermoplastharz in einen Extruder eingeleitet wird und das Harz durch die Scherwirkung einer oder mehrerer Schnecken im Zylinder des Extruders zum Schmelzen gebracht wird. In einem Zwischen- bzw. Mischabschnitt wird ein Lösungstreibmittel normalerweise in flüssigem oder gasförmigem Zustand kontinuierlich in das geschmolzene Harz eingespritzt. Als Alternative dazu kann ein chemisches Treibmittel in dem teilchenförmigen Harz in Pulverform dispergiert werden, bevor das Harz dem Extruder zugeführt wird, wie dies im US Patent Nr. 4,107,260 erläutert ist. In beiden Fällen wird das Treibmittel durch die Extruderschnecke so gleichmäßig wie möglich mit dem geschmolzenen Harz vermischt und darin gelöst. Gründliches gleichmäßiges Mischen ist für die Herstellung eines Schaumstoffs hoher Qualität ausschlaggebend. Das entstehende Gemisch muß in dem Extruder unter genau gesteuerten Temperatur- und Druckbedingungen gehalten werden, um die vorzeitige Verflüchtigung des Treibmittels zu verhindern. Wenn das geschmolzene Gemisch durch eine Düse gedrückt wird, wird das Material auf atmosphärischen Druck dekomprimiert, so daß sich das Treibmittel in dem Körper des Materials als Blasen ausdehnt und ein Schaumstoff entsteht.
Seit einiger Zeit gibt es gewisse Vorbehalte gegenüber dem Einsatz von Fluorchlorkohlenwasserstoffen wegen vermuteter negativer Auswirkungen auf die Atmosphäre und insbesondere die Ozonschicht. Der Einsatz derartiger Treibmittel wird zunehmend eingeschränkt und wird in der Zukunft praktisch völlig eingestellt werden. Des weiteren bestehen, obwohl andere Lösungstreibmittel wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe als weniger nachteilig für die Atmosphäre angesehen werden als Fluorchlorkohlenwasserstoffe, bei Kohlenwasserstoffen Probleme hinsichtlich der Entflammbarkeit, und daher ist ihr Einsatz mit Gefahren verbunden und/oder unerwünscht. Da Lösungstreibmittel im allgemeinen eingesetzt werden, um Schaumstoffe niedriger Dichte, d. h. Schaumstoffe mit einer Dichte von weniger als 0,5 g/cm³ (31,2 Ibs/ft³), herzustellen, stellt der Verzicht auf den Einsatz von Lösungstreibmitteln und/oder die Einschränkung desselben die Schaumstoffindustrie vor erhebliche Probleme.
Alternativen zur Fluorkohlenwasserstoffen und Kohlenwasserstoffen sind beispielsweise Stickstoff und Kohlendioxid. Es ist jedoch schwierig, Stickstoff und Kohlendioxid in die Thermoplastelastomere zu mischen.
Ein besonders vorteilhafter handelsüblicher Thermoplastgummi ist Santopren®, das von Advanced Elastomers vertrieben wird. Santopren ist ein eingetragenes Warenzeichen von Advanced Elastomers. In der Veröffentlichung "Extrusion Foaming Technology for Santopren Thermoplastic Rubber" (Extrusionsverschäumungsverfahren für Santopren- Thermoplastgummi) (10. Mai 1985) von Monsanto Company wird ein Verfahren zur Herstellung von Extrudiererzeugnissen aus verschäumtem Santopren beschrieben. Die obengenannte Veröffentlichung von Monsanto empfiehlt zur Herstellung von hochdichtem verschäumten Santopren den Einsatz eines modifizierten chemischen Azodicarbonamid-Treibmittels. Fluorkohlenwasserstoff-11 wird als Treibmittel zur Herstellung eines Schaumstoffs mit niedriger Dichte mit einer Dichte von 0,2-0,5 g/cm³ (12,5-31,2 Ibs/ft³) empfohlen. Das gemeinsame übertragene US Patent 4,898,760 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines weichen Thermoplast-Gummischaumstoffs mit Dichten in einem Bereich von ungefähr 0,03-0,30 g/cm³ (2-19 Ibs/ft³). Wie in dem Patent 4,898,760 beschrieben, eignet sich ein derartiger Schaumstoff beispielsweise besonders zum Einsatz als Dichtungsstreifen. Das bevorzugte Treibmittel ist jedoch ein Fluorchlorkohlenwasserstoff, der die oben aufgeführten Mängel aufweist. Des weite ren sind die neuentwickelten Treibmittel im allgemeinen in der Entwicklung sehr teuer und führen letztendlich zu steigenden Herstellungskosten.
Trotz umfangreicher Forschungen und Investitionen besteht nach wie vor ein Bedarf nach einem kostengünstigen, umweltfreundlichen, nichtentflammbaren Treibmittel für Thermoplastelastomere und zwar insbesondere thermoplastische Gummischaumstoffe mit niedriger Dichte.

Zusammenfassung der Erfindung

Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zum Herstellen eines weichen Elastomerschaumstoffs mit niedriger Dichte zu schaffen, der thermoplastische Eigenschaften und gute Druckverformungsbeständigkeit aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines qualitativ hochwertigen Schaumstoffs unter Verwendung eines umweltfreundlichen Treibmittels zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines qualitativ hochwertigen Schaumstoffs unter Verwendung eines Treibmittels zu schaffen, das kostengünstig, sicher und leicht zu handhaben ist.
Die oben aufgeführten Aufgaben können gelöst werden, indem ein Verfahren genutzt wird, bei dem ein verschäumbares thermoplastisches Elastomer, wie beispielsweise ein Thermoplastgummi, gewählt wird. Das ausgewählte thermoplastische Elastomer wird dann einem Extruderzylinder zugeführt, in dem es durch die Wirkung einer Schnecke zusammengedrückt und zum Schmelzen gebracht wird. Ein Treibmittel, das aus Wasser besteht, wird in das geschmolzene thermoplastische Elastomer eingeleitet. Das geschmolzene thermoplastische Elastomer und das Wasser werden gründlich miteinander vermischt und dann auf eine einheitliche vorgegebene Temperatur abgekühlt. Das Gemisch wird dann durch eine Düse gedrückt, um ein extrudiertes Schaumstoffprofil herzustellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung und viele mit ihr einhergehende Vorteile lassen sich umfassender würdigen, wenn die Erfindung unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich wird.
Fig. 1 ist ein Schema, das eine Vorrichtung zum Umsetzen der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 2 zeigt einen Anschluß eines Wassernetzes an einen Extruder.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf einen Thermoplastgummi, d. h. Santopren, beschrieben. Die Erfindung ist jedoch in dieser Hinsicht nicht beschränkt und kann auch bei thermoplastischen Elastomeren eingesetzt werden. Der Begriff thermoplastische Elastomere, wie er hier verwendet wird, bezeichnet ein gummiartiges Material mit den Herstellungseigenschaften herkömmlicher Thermoplaste und den Funktionseigenschaften eines herkömmlichen wärmehärtbaren Gummis. Ein thermoplastisches Elastomer kann beispielsweise ein Gemisch aus Natur- oder Synthesegummi und Thermoplastmaterial umfassen.
Santopren ist ein thermoplastischer Elastomergummi, der verschäumt werden kann, um extrudierte Rohre und Profile herzustellen. Die Merkmale und Eigenschaften von Santopren sind in den US Patenten Nr. 4,130,535 sowie 4,311,628 beschrieben. Bei Santopren handelt es sich um ein thermoplastisches Vulkanisat, das ein Gemisch aus Olefingummi und thermoplastischem Olefinharz umfaßt, bei dem der Gummi vollständig ausgehärtet ist. Das Patent Nr. 4,130,535 beschreibt vollständig ausgehärtete Vulkanisate mit Zusammensetzungen, die Gemische aus (a) 25-75 Gew.-% thermoplastischem Gummiolefinharz und (b) ungefähr 75 - 25 Gew.-% Molo-Olefin-Copolymergummi umfassen.
Der erste Schritt beim Verfahren der vorliegenden Erfindung ist die Auswahl eines verschäumbaren thermoplastischen Elastomers. Bei einer bevorzugten Ausführung wird ein verschäumbarer thermoplastischer Gummi ausgewählt, der einen geeigneten Härtewert aufweist und die Erzeugung eines weichen, geschlossenzelligen Schaumstoffs mit niedriger Dichte zum Einsatz als Dichtungsstreifen für ein Fenster oder eine Tür ermöglicht. Bei dieser bevorzugten Ausführung sollte der entstehende Schaumstoff vorzugsweise Zusammendrückbarkeitseigenschaften (Lastaufnahmeeigenschaften) aufweisen, die es zulassen, daß sich der Schaumstoff bei den Drücken, die beim Schließen einer Tür oder eines Fensters ausgeübt werden, leicht verformt, und daß er dennoch dauerhafter Verformung (bleibende Druckverformung) widersteht, wenn die Last nicht mehr wirkt. Bei Santopren-Elastomeren betragen die Durometerhärtewerte 73 (Shore A) oder weniger, um die angemessenen Eigenschaften bezüglich der Weichheit und der Druckverformungsbeständigkeit zu erzielen. Die Auswahl vergleichbarer Härtegrade für andere thermoplastische Elastomere kann leicht unter Bezugnahme auf die Lehren der vorliegenden Erfindung getroffen werden.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Extrusionsvorrichtung zum Extrudieren eines thermoplastischen Elastomers. Zusätzliche Details der Vorrichtung zum Einsatz bei der vorliegenden Erfindung finden sich in dem US Patent Nr. 4,898,760.
Pellets aus thermoplastischem Elastomer, wie beispielsweise Santopren, werden in einen Beschichtungstrichter 5 gefüllt, von wo aus sie durch Schwerkraft in den Extruderzylinder 10 gelangen. Der Motor 28 treibt den Extruder an und wird mit Steuereinrichtungen 27 gesteuert. Stopfmechanismen, wie sie dem Stand der Technik nach bekannt sind, können eingesetzt werden, um die Pellets in den Extruderzylinder zu drücken, obwohl derartige Mechanismen nicht unbedingt erforderlich sind. Nach dem Einleiten in den Extruderzylinder 10 werden die Harzpellets zusammengedrückt, geschmolzen und mit einem Treibmittel vermischt, das aus Wasser besteht. Wasser wird mit der Einspritzdüse 35 in den Extruderzylinder eingespritzt. Einspritzdüse 35 ist über Schlauch 40 mit einer Pumpe 45 verbunden. Pumpe 45 ist mit einer Wasserzufuhr 50 verbunden. Das geschmolzene Harz mit dem beigemischten Wasser wird dann durch eine Düse 15 gedrückt. Dabei wird das geschmolzene Gemisch dekomprimiert, und es wird ein Schaumstoffprofil hergestellt, das der Düsenform entspricht. Anschließend wird das extrudierte Profil zum Abkühlen auf eine Fördereinrichtung 20 geleitet.
Um dem Extruder Wasser zuzuführen, kann das Wassernetz direkt an ein Pumpensystem 200 angeschlossen werden, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Anordnung ist insofern vorteilhaft, als damit der Umfang an Materialtransport verringert wird, der erforderlich ist, um das Treibmittel in den Extruder einzuleiten. Ein Auf/Zu-Ventil 205 und ein Rückschlagventil 210 steuern den Strom von Wasser aus dem Wassernetz zu dem Pumpsystem 200. Ein doppeltes Filtersystem 215 filtert das zugeführte Wasser, um Teilchenverunreinigungen herauszufiltern, die die Pumpe ansonsten negativ beeinflussen würden. Ventile 212 können vorhanden sein, um den Strom von Wasser drosseln zu können, wenn beispielsweise ein Filter gewechselt wird. Pumpe 220 steuert das Pumpen von Wasser zur Einspritzdüse 35 des Extruders. Entlastungsventil 225 läßt den überschüssigen Druck ab, der von Pumpe 220 erzeugt werden kann. Gegendruckregler 230 gewährleistet, daß ausreichender Gegendruck zum ordnungsgemäßen Einspritzen von Wasser in den Extruder 5 aufrechterhalten wird. Dieser Druck muß den Druck in dem Zylinder übersteigen, um das Wasser in den Zylinder zu spritzen. Ventilbaugruppe 235 ermöglicht die Steuerung der relativ geringen Wassermengen, die für die Funktion des Systems erforderlich sind. Ventilbaugruppe 235 ermöglicht es, der Einspritzdüse 35 verschiedene Wassermengen zuzuführen. Ventilbaugruppe 235 kann beispielsweise ein Mikrodosierventil umfassen. Da für den Verschäumungsvorgang wenig Wasser erforderlich ist, kann die Pumpe 220 möglicherweise, wie weiter unten erläutert, zuviel Wasser bereitstellen, und das selbst bei der niedrigsten Einstellung. Ein Mikroventil ermöglicht das Dosieren sehr kleiner Mengen Wasser mit konstanter Rate. Vorzugsweise wird das Wasser dem Extruderzylinder 10 mit 3.447 kPa bis 20.684 kPa (500 bis 3000 PSI) zugeführt.
Andere Verfahren zum Einleiten von Wasser in den Extruderzylinder, wie beispielsweise der Einsatz eines Drucktanks, können genutzt werden, und die vorliegende Erfindung ist in dieser Beziehung nicht beschränkt.
Das in den Extruderzylinder 10 eingespritzte Wasser wird der großen Hitze des Harzes und der Mischwirkung der Schnecke 12 ausgesetzt. Das erhitzte Wasser wird in dem geschmolzenen Thermoplastharz dispergiert. Wenn das geschmolzene Material, das das Wasser mit hoher Temperatur erhält, aus der Düse 15 austritt, verringert sich der Druck, das Wasser geht in Dampf über, und das Harz dehnt sich aus, so daß Schaumstoff entsteht.
Tabelle I zeigt ein Temperaturprofil für einen 51-mm-Extruder (2 Zoll), bei dem die Schnecke mit 22 Umdrehungen pro Minute bei einer bestimmten Schaumstofform arbeitet. Es ist anzumerken, daß die Schneckengeschwindigkeit, das Temperaturprofil und das Material von der erzeugten Schaumstofform und -dichte abhängen. So kann die Schneckengeschwindigkeit beispielsweise von weniger als 10 U/min bis 100 U/min reichen. Das Temperaturprofil und die Schneckengeschwindigkeit, die in Fig. 1 dargestellt sind, sind veranschaulichend für eine bevorzugte Ausführung, und die Erfindung ist in dieser Hinsicht keinerlei Einschränkungen unterworfen. Tabelle I
Es hat sich herausgestellt, daß eine relativ geringe Wassermenge erforderlich ist, um einen qualitativ hochwertigen Schaumstoff mit niedriger Dichte herzustellen. Tabelle II stellt die Ergebnisse von Versuchen dar, mit denen die Menge an Treibmittel gemessen wird, die zum Herstellen von Schaumstoff erforderlich ist.

Tabelle II

TREIBMITTEL EINGESETZTE MENGE

Wasser 8,55 kg pro m³
(0,11 Ibs pro ft³)
von 10 P/cF SCHAUMSTOFF
CFC-11 128 kg pro m³
(1,65 Ibs pro ft³)
von 10 P/cF SCHAUMSTOFF
Diese Ergebnisse zeigen, daß Wasser einen erheblich größeren Wirkungsgrad bei der Entwicklung von Zellen in dem Thermoplastschaumstoff aufweist. So sind ungefähr 1500 Gew.-% mehr an Treibmittel erforderlich, wenn Fluorkohlenwasserstoff-11 statt Wasser eingesetzt wird. Das heißt, es ist weniger als 7 Gew.-% Treibmittel erforderlich, wenn Wasser statt Fluorkohlenwasserstoff-11 eingesetzt wird.
Vorzugsweise wird bei der vorliegenden Erfindung ein Extruder mit einer Schnecke eingesetzt, der ein Längen/Durchmesser-Verhältnis von ungefähr 32 : 1 bis 48 : 1 aufweist. Obwohl thermoplastischer Elastomerschaumstoff mit Extrudern mit kürzeren Längen/Durchmesser-Verhältnissen hergestellt werden kann, sind die Dichte und die Druckkraft des Schaumstoffs höher, die Oberfläche rauher, und im allgemeinen lassen sich bestimmte Abmessungen schwerer erzielen. Der längere Extruder ermöglicht besseres Vermischen des Treibmittels mit dem geschmolzenen thermoplastischen Elastomer, höhere Streckengeschwindigkeiten (faster line rates) und die Einhaltung enger Toleranzen. Die längere Schnecke und die größere Zylinderlänge ermöglicht besseres Vermischen, besseres Abkühlen und Steuerung des Abkühlen des thermoplastischen Elastomers, so daß ein einheitlicheres Produkt bei niedrigen Dichten entsteht. Das heißt, die längeren Längen/Durchmesser-Verhältnisse ermöglichen bessere Steuerung bzw. Feinabstimmung, was für die Herstellung von komplexen Formen und verschiedenen Dichten wichtig ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind Schaumstoffe mit Dichten bis zu 0,06 g/cm³ (3,5 Ibs/ft³) hergestellt worden.
Es liegt auf der Hand, daß die Düsen so geformt sein können, daß verschiedene Schaumstoffquerschnitte hergestellt werden können. Düsen mit einer Formensteglänge von 0,0254 mm bis 7,62 mm (0,001 Inch bis 0,300 Inch) haben sich als gut funktionierend erwiesen. Im allgemeinen funktionieren Düsen, bei denen hohe Drücke bis zur Düsenöffnung aufrechterhalten werden, beim Einsatz von Wasser als Treibmittel gut.

Beispiel

Santopren mit einer Härte von 64 Shore A wurde in einem Extruder mit einem Längen/Durchmesser-Verhältnis von 48 : 1 extrudiert. Das Temperaturprofil entsprach dem in Tabelle I dargestellten, und die Menge an Wasser, die als Treibmittel eingesetzt wurde, entsprach der in Tabelle II dargestellten Menge.
Obwohl sich die obenstehende Beschreibung nur auf gegenwärtig bevorzugte Ausführungen bezieht, liegt für den Fachmann auf der Hand, daß verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der lediglich durch die beigefügten Ansprüche begrenzt wird.

Claims

1. Verfahren zum Extrudieren eines thermoplastischen Elastomers, das die Schritte des Auswählens eines verschäumbaren thermoplastischen Elastomers, das im wesentlichen vollständig ausgehärtete Vulkanisate einer Zusammensetzung umfaßt, die ein Gemisch aus zwischen 25 und 75 Gew.-% thermoplastischem Polyolefinharz und entsprechend 75 bis 25 Gew.-% Mono-Olefin-Copolymergummi enthält, wobei die Zusammensetzung einen Durometerhärtewert von Shore A73 oder weniger hat, des Zusammendrückens und Schmelzens des thermoplastischen Elastomers in einem Extruder, des Einleitens eines aus Wasser bestehenden Treibmittels in die erhitzte thermoplastische Elastomerzusammensetzung während sie sich in dem Extruder unter Druck befindet, des Mischens der erhitzten thermoplastischen Elastomerzusammensetzung, die geschmolzenes thermoplastisches Harz und das Wasser enthält, in dem Extruder, des Hindurchdrückens der erhitzten Zusammensetzung und des Wassers durch eine Düsenöffnung, um ein extrudiertes Schaumstoffprofil aus im wesentlichen geschlossenzelligem, verschäumtem thermoplastischem Elastomer mit einer Dichte zwischen 0,06 und weniger als 0,29 g/cm³ (3,5-19 lbs/ft³) herzustellen, umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das thermoplastische Elastomer in dem Extruder kontinuierlich extrudiert wird und der Extruder ein Längen/Durchmesser- Verhältnis von mehr als ungefähr 32 : 1 hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das thermoplastische Elastomer zu einem vorwiegend geschlossenzelligen Schaumstoff-Dichtungsstreifen extrudiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das thermoplastische Elastomer in dem Extruder kontinuierlich extrudiert wird, und das des weiteren den Schritt des Bereitstellens eines direkten druckregulierten Anschlusses an ein Wassernetz ein schließt, wobei beim Schritt des Einleitens von Wasser aus dem direkten Anschluß verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Bereitstellens eines direkten Anschlusses das Filtern des Wassers mit einem doppelten Filtersystem, das zwei Ventile umfaßt, einschließt, und wobei das Verfahren des weiteren den Schritt des Schließens eines der Ventile und den Schritt des Auswechselns eines der Filter des Systems einschließt.