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Zellulare Kunststoffe/geschäumte Kunststoffe lassen sich in
zwei Hauptgruppen einteilen:
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1) solche mit überwiegend geschlossenen Zellen; und
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2) solche mit überwiegend offenen Zellen.
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Geschlossene Zellen in dem Kunststoffschaum (d.h. Zellen, die
nicht miteinander verbunden sind) sind eine notwendige
Voraussetzung dafür, daß der Schaum keine Feuchtigkeit absorbiert.
Außerdem sind geschlossene Zellen sehr wichtig, wenn es
erforderlich ist, daß der zellulare Kunststoff gute, lang anhaltende
thermoisolierende Eigenschaften aufweisen soll. Darüber hinaus
sind die mechanischen Festigkeitseigenschaften eines zellularen
Kunststoffes mit geschlossenen Gaszellen, im Vergleich zu einem
offenzellularen Kunststoff, d.h. einem, bei dem die Gaszellen
miteinander verbunden sind, erheblich besser (z.B. wie bei
einem Schwamm).
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Es gibt zur Herstellung von geschäumten Kunststoffen mit
geschlossenen Gaszellen mehrere grundsätzlich verschiedene
Technologien. Alle Verfahren haben zur Bedingung, daß der
Kunststoff nicht geschert wird, d.h., daß die Schichten der
Kunststoffverbindung nicht relativ zu einer anderen bewegt werden,
nach Expansion des Treibmittels in der Kunststoffverbindung und
bevor die Zellwandungen der Kunststoffverbindung eine
ausreichende Stabilität erreicht haben, entweder durch eine chemische
Reaktion, oder durch Kühlung, um eine Zertrümmerung der Zellen
zu verhindern. Wenn ein physikalische Treibmittel verwendet
wird, ist es eine Bedingung, daß das Gas in die
Kunststoffverbindung, bei einem Druck oberhalb des Expansionsdruckes des
Gases, gemischt wird, d.h., daß das Gas in flüssiger Form in die
Kunststoffverbindung gemischt wird. Wenn man das Gas vorher
oder gleichzeitig mit dem Einmischen des Gases in die
Kunststoffverbindung
expandieren läßt, erhält man als Ergebnis einen
geschäumten Kunststoff mit einem größeren oder geringeren
Anteil offener, kontinuierlicher Zellen. Wenn ein chemisches
Treibmittel verwendet wird, um geschlossenzelligen Schaum zu
erhalten, ist es eine Bedingung, daß die Zersetzung des
Treibmittels bei einem Druck stattfindet, der hoch genug ist, die
Expansion des Gases zu verhindern, bis der Freisetzungs- bzw.
Zersetzungszeitraum vollständig abgeschlossen ist. Wenn der
Druck während der Zersetzung zu niedrig ist, erhält man einen
Schaum mit offenen Gaszellen.
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Ein häufig verwendetes Verfahren ist Reaktions - Spritzguß
(reaction injection moulding = RIM). Bei diesem Verfahren
werden zwei oder mehrere flüssige Komponenten miteinander gemischt
und in eine geschlossene Formhöhlung eingespritzt. Am
häufigsten wird Polyuretan (PUR) in diesem Verfahren eingesetzt, aber
daneben werden auch andere Kunststoffrohmaterialien, wie
thermoplastisches Polyamid, Polyester und Epoxid eingesetzt.
Dieses Verfahren hat, verglichen mit den meisten anderen
Verfahren, den großen Vorteil, daß es die Herstellung von sehr
großen Produkten erlaubt und die Schäumung des Kunststoffs am
verwendungsort gestattet (in situ).
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PUR - Schaum kann mit geringer Dichte produziert werden und
hat, solange keine Feuchtigkeit in den Schaum eingedrungen ist,
sehr gute thermisch isolierende Eigenschaften. Dieser Schaum
ist jedoch relativ teuer, er ist spröde und seine
Kompressionsfestigkeit ist begrenzt. Darüber hinaus brechen die Gaszellen
bei sehr niedrigem Flüssigkeitsdruck ein, welches sich äußerst
nachteilig auf die Isolationseigenschaften des Schaums unter
Wasser auswirkt. Dieser Schaum hat auch im Hinblick auf die
Umwelt nachteilige Seiten. (Einer der Bestandteile des Schaums
ist Isocyanat. Außerdem wird momentan umfangreich CFKW- Gas
(KFK) als Treibmittel in dem Schaum verwendet.)
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Andere bekannte Verfahren die wir erwähnen können, die speziell
zur Schäumung von Thermoplasten zur Formung leichter
zellularer Kunststoffe mit geschlossenen Zellen verwendet werden, sind
insbesondere statische Verfahren, Extrusionsverfahren und
Spritzgußverfahren.
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Von den statischen Verfahren ist das ,, Styropor Verfahren" das
bekannteste Verfahren. Es wurde speziell für Polystyrol
entwikkelt und ermöglicht die Verwendung von flüchtigen Kohlen -
Wasser-stoffen als Treibmittel. Der Schaum kann mit sehr geringer
Dichte hergestellt werden und läßt sich am Verwendungsort
schäumen. Seine Feuer- und chemischen Eigenschaften sind jedoch
in vielen Fällen ungenügend. Zudem sind die mechanischen
Eigenschaften relativ begrenzt. Das Verfahren kann zur Herstellung
großer Schaumprodukte verwendet werden.
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Ein weiterer häufig verwendeter statischer Prozeß ist das
sogenannte "statische Hochdruckverfahren". Dieses Verfahren wird in
erster Linie zur Herstellung von PVC - Leichtschaum, mit einem
chemischen Treibmittel, verwendet. Der Schaum kann mit einer
niedrigen Dichte (ungefähr 30 g/cm²) hergestellt werden, wobei
dieser eine einheitliche geschlossenzellige Struktur aufweist
und sehr gute mechanische und chemische Eigenschaften besitzt.
Was die Größenordnung angeht, hat dieses Verfahren jedoch große
Einschränkungen, da es überwiegend manuell ist und hohe
Produktionskosten verursacht.
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Eine Variante dieses Verfahrens ist der Spritzguß von nicht
expandierten, ein chemisches Treibmittel enthaltenden,
thermoplastischen "Tabletten", welche dann in einer Druckvorrichtung
plaziert werden, worin die "Tabletten" unter Zersetzung des
Treibmittels erhitzt werden. Die Härte des Produkts ist
üblicherweise sehr mäßig und der Vertahrensprozeß ist langsam.
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Ein Verfahren, das vorzugsweise zur Herstellung von EVA
Schaumprodukten verwendet wird, ist ein Produkt mit einer Masse,
dessen Temperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur des
Treibmittels liegt, in eine Spritzform einzuspriczen. Die Form wird
mit der Kunststoffverbindung vollständig gefüllt und die
Verbindung wird einem Druck ausgesetzt, der höher als der
Expansionsdruck des Treibmittels ist. Die Form - und damit die
Kunststoffverbindung - wird dann auf eine Temperatur oberhalb der
Freisetzungs- bzw. Zersetzungstemperatur des Treibmittelsystems
in der Verbindung erhitzt. Nach Zersetzung des Treibmittels
wird die Form geöffnet und der Kunststoff kann sich unmittelbar
ausdehnen. Dieses Verfahren ist sehr empfindlich gegenüber
Veränderungen der Verfahrensbedingungen und ist sehr langsam.
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Desweiteren gib es mehrere bekannte Extrusionsverfahren zur
Herstellung von zellularem Kunststoff. Eine Bedingung für die
Erlangung geschlossener Gaszellen ist, daß das Treibmittel in
der Kunststoffverbindung in der eigentlichen Extrusionsmaschine
oder im ersten Abschnitt des Formwerkzeuges (der Düse) nicht
expandiert. Um einen Druck in der Kunststoffverbindung zu
erreichen, der ausreichend ist die Gasexpansion zu verhindern,
wird hierfür fast ausschließlich die Reibung entlang der Düse
- genutzt. Dieses Verfahren verursacht
Geschwindigkeitsschwankungen von der Kunststoffverbindung am Auslaß der Düse, was
wiederum bedeutet, daß die Kunststoffverbindung einer Scherung
ausgesetzt wird, und zwar in dem Umfang, wie das Expansionsgas
als Folge von Druckabfall - expandiert. Dies führt zu Zellen,
die leicht auseinandergerissen werden, und bei denen die
expandierte Kunststoffverbindung nach kurzer Zeit einbricht. Die
"Celuka Verfahren", "Armocel Verfahren", und "Woodlite
Verfahren" sind Beispiele für den erforderlichen Druckaufbau der
Masse mit Hilfe von Reibung. Um eine übermäßige Scherung der
Kunststoffverbindung und ein Platzen der Gaszellen am
Düsenausgang zu vermeiden, kann die zugesetzte Menge Treibmittel
verringert
werden, was zu einer höheren Dichte führt. Die
Extrusion von sehr dünnen Profilen (Folien) durch die Düsenöffnung
ergibt ein flacheres Geschwindigkeitsprofil (weniger Schwankungen
in der Geschwindigkeit der Kunststoffverbindung) und die
Probleme der Scherung der Kunststoffverbindung) hinsichtlich
Zerreißen der Zellen, lassen sich dadurch reduzieren. Bei
Verwendung eines physikalischen Treibmittelgases anstelle eines
chemischen Treibmittels läßt sich der Druck in der
Kunststoffschmelze vermindern, da der Gasdruck üblicher verwendeter
physikalischer Gase im Vergleich zu chemischen Treibmitteln weit
geringer ist. Die Scherung des Kunststoffs durch Reibung läßt
sich dabei verringern. Scherungsprobleme der Kunststoffschmelze
lassen sich außerdem durch Einstellung.der Viskosität der
Schmelze, z.B. über eine Temperaturkontrolle oder durch
Vernetzen des Kunststoffes während der Schaumbildung, vermindern.
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Außerdem gibt es Extrusionsverfahren zur Herstellung von
geschlossenzelligen Leichtschaumprodukten, die keine Reibung in
der Düse, zur Erzielung des erforderlichen Drucks, nutzen. Ein
Beispiel hierfür ist das "BASF Verfahren", bei dem die
Kunststoffverbindung in einen unter Druck gesetzten Behälter
extrudiert wird. Die Verbindung wird dann aus dem Behälter
gespritzt. Dieses ist ein halb - kontinuierliches Verfahren mit
einer natürlichen Begrenzung der Produktabmessung.
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In dem "Scandinor Verfahren" zur Herstellung von zellularem
Leichtkunststoff mit geschlossenen Zellen wird der
erforderliche Druck der Masse, durch Abkühlen der Kunststoffverbindung
unter hohem Druck in einer speziellen Kühleinheit mit äußerer
Kühlung nach dem Ausgang der Gußformdüse und Überführung dieser
direkt in eine Halte-/Stauungsvorrichtung, in der die
Kunststoffverbindung als solche einen fortlaufenden "Kolben"
ausbildet, aufgebaut. Der "Kolben" wird auf eine Geschwindigkeit
verringert, die der Kunststoffschmelze in der Maschine und In
der Düse den notwendigen Druck verleiht. Der Druckaufbau in der
plastikschmelze wird ohne Geschwindigkeitsschwankungen
erhalten. Nach der Halte-/ Stauungsvorrichtung wird die
Kunststoffverbindung erneut erhitzt und die Verbindung dehnt sich ohne
Scherung der Gaszellen aus. Verschiedene Thermoplasten können
verwendet werden, trotzdem ist die Halte-/Stauungsvorrichtung
eine relativ komplizierte Einheit.
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Spritzguß von zellularem Leichtkunststoff mit geschlossenen
Zellen wird heutzutage nach verschiedenartigen Verfahren
gemacht und die erhaltenen Produkte werden üblicherweise als
Strukturschaum bezeichnet. Das Spritzgußverfahren läßt sich
üblicherweise in zwei Hauptgruppen einteilen:
Niederdruckverfahren und Hochdruckverfahren. Im Vergleich zu nicht expandierten
Kunststoffschmelzen wird eine Verringerung der Schaurndichte von
ungefähr 40% erreicht.
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Im Zusammenhang mit Spritzguß von zellularem Kunststoff werden
sowohl physikalische, als auch chemische Treibmittel verwendet.
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Das wiederdruckverfahren ist durch das Merkmal gekennzeichnet,
daß die Gas enthaltende Verbindung schnell in die
Werkzeughöhlung eingespritzt wird. Die Menge der eingespritzten Verbindung
hat am Anfang ein kleineres Volumen als die Höhlung, wobei man
die Kunststoffverbindung nach Ausfüllung des gesamten
Hohlraums ausschäumen läßt. Üblicherweise wird der Werkzeughohlraum
zu 70 - 80% gefüllt. Aufgrund des vorherrschenden geringen
Druckes sind die Kosten von dem Werkzeug relativ niedrig. Nach
einem Niederdruckverfahren hergestellte Schaumprodukte haben
gewöhnlich eine nicht einheitliche Schaumstruktur voller
geplatzter Gaszellen oder Ablösungen und weisen viele offene
Zellen und eine unebene Oberfläche auf. Versuche dieses zu beheben
sind unternommen worden, beispielsweise mittels Kontrolle der
Werkzeugtemperatur, einer speziellen Behandlung der
Werkzeughohlraumoberfläche und einer Nachbehandlung des
Schaumproduktes.
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Beim Hochdruckverfahren wird die Gas enthaltende
Kunststoffverbindung schnell, bei hohem Druck in die Werkzeugform
eingespritzt, die vollständig mit der Kunststoffverbindung gefüllt
wird. Eine Haut auf dem Produkt wird durch Abkühlung der
Oberfläche in dem Werkzeug, erhalten, und die Kunststoffverbindung
expandiert aufgrund der Tatsache, daß das Formvolumen zunimmt.
Dies geschieht beispielsweise durch ein Auseinanderziehen der
Formplatten des Werkzeugs, nachdem die gesamte
Kunststoffverbindung in den Hohlraum eingebracht worden ist. Durch dieses
Verfahren erhält man eine relativ gute Produktoberfläche, so
daß eine Nachbehandlung häufig überflüssig ist. Ferner werden
hierdurch Schaumprodukte mit im wesentlichen geschlossenen,
gleichmäßig verteilten Gaszellen hergestellt. Der
Expansionsgrad des Kunststoffs läßt sich mit diesem Verfahrensprodukt auf
eine bestimmte Ausdehnung variieren. Die Formwerkzeuge für
dieses Verfahren sind relativ kompliziert und die Reduzierung der
Dichte ist begrenzt. Eine Variante, basierend auf diesem
Hochdruckprinzip, ist das "Allied Chemieverfahren". Bei diesem wird
der Druck reduziert, so daß sich die Kunststoffverbindung
ausdehnen kann, wobei es möglich ist, daß ein Teil der
Kunststoffverbindung nach Befüllung, in die Spritzgußmaschine
zurückfließen kann. Dieses Verfahren erzeugt eine ungleichmäßige
Zellenstruktur. Ein weiteres bekanntes auf dem Hochdruckprinzip
beruhendes Verfahren ist das "TAF Verfahren". Nach Befüllung des
Hohlraums unter hohem Druck der Masse wird ein Einschub in dem
Werkzeug herausgezogen, in Folge dessen wird das Volumen der
Form vergrößert und der Druck wird gesenkt. Das Gas und die
Verbindung sind so in der Lage, zu expandieren. Der normale
Expansionsgrad macht 20-30% aus.
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Es gibt mehrere spezielle Spritzgußverfahren, die dem Prinzip
nach als Niederdruck - oder Hochdruck -Spritzgußverfahren
klassifiziert sind. Beispielhaft hierfür ist das "Gas -
Computerdruckverfahren". Bei diesem wird der Werkzeughohlraum zuerst
mit Gas unter hohem Druck gefüllt. Die Kunststoffverbindung,
die nicht expandiertes Gas enthält wird in die Formhöhlung
gespritzt, die aufgrund des in dieser enthaltenen Gases mit der
Verbindung nicht vollständig gefüllt wird. Das Gas in dem
Hohlraum wird dann evakuiert und die Kunststoffverbindung dehnt
sich mit dem verminderten Druck in dem Hohlraum aus. Das
Werkzeug für dieses Verfahren ist teuer und es wird nur ein
geringer Expansionsgrad erreicht. Es können jedoch relativ
großvolumige Produkte hergestellt werden und man erhält eine weiche
Produktoberfläche.
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Noch ein Verfahren ist das "Union Carbide Verfahren". Nach
diesem Verfahren wird eine Kombination von Extrusions- und
Spritzgußverfahren genutzt, obwohl es sich tatsächlich um ein
Niederdruckverfahren handelt. Das Zweikomponentenverfahren oder
Sandwich - Verfahren (ICI) ermöglicht die Herstellung von Produkten
mit zwei verschiedenen Kunststoffrohmaterialien, die
beispielsweise eine harte Außenschicht mit einem geschäumten Kern
aufweisen. Diese Verfahren ist teuer und die Schäumung gering. Das
Co - Spritzgußverfahren mit Expansion des Kernmaterials mittels
Auseinanderziehen der Werkzeugformplatten (USM) weist
grundsätzlich die gleichen Vorteile wie das ICI - Verfahren auf.
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Mit dem Mehrfachkomponentenverfahren wird üblicherweise ein
Schäumungsgrad von 5 bis 30 % erreicht.
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Die WO-88/01934 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von
zellularem, geschlossenzelligem Kunststoff, enthaltend
Polyvinylchlorid, chemisches Treibmittel, Stabilisierungsmittel
und, gegebenenfalls andere verfahrenssteuernde Stoffe und
Additive, wobei die Kunststoffmischung in einer
Kunststoffverarbeitungsmaschine mechanisch behandelt wird, und diese dann in der
Bearbeitungsphase, im Zustand ausreichender Gelatinierung, mit
einem Treibmittel versetzt wird, das in der Kunststoffmischung
während des Gelatinierungsprozesses fein verteilt wird, und
zwar ohne daß es zersetzt / verdampft wird oder nur in einem
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Ausmaß zersetzt / verdampft wird, das vernachlässigbar ist. Die
Kunststoffmischung wird in einer
Kunststoffverarbeitungsmaschine bei einer Temperatur oberhalb der Zersetzungs- /
Verdampfungstemperatur des Treibmittels mechanisch bearbeitet, so daß
das letztere während der Verarbeitung zersetzt/verdampft wird,
und zwar bei einem Druck oberhalb des inneren Expansionsdruckes
des zersetztenden/verdarnpfenden Treibmittels, wobei man die
Kunststoffrnischung sich nach Zersetzung/Verdampfung des
Treibmittels auf die gewünschte Form, mittels Reduzierung des
äußeren Druckes, expandieren läßt.
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In den Verfahren, in denen die Kunststoffverbindung in der
Kunststoffverarbeitungsrnaschine Gas enthält, entweder
zersetztes chemisches Treibmittel oder physikalisches Gas, wird die
Kunststoffmischung in der Düse Scherkräften ausgesetzt, bevor
die Kunststoffschmelze die Düse verläßt, wegen des zur
Verhinderung einer Expansion des Treibmittels auf die
Kunststoffmischung in der Verarbeitungsrnaschine notwendigerweise
ausgeübten Drucks. Dieser führt beim Verlassen der Düse zu einem
Geschwindigkeitsprofil der Schmelze, bei dem die mittlere Zone
eine höhere Geschwindigkeit als die weiter nach außen zur
Düsenwand gelegenen Zonen aufweist. Infolge des äußeren Drucks
und des verringerten Drucks der Kunststoffverbindung nach der
Düse expandiert die Kunststoffverbindung umgehend. Die
expandierten Gaszellen in dem Kunststoff werden aufgrund des
Geschwindigkeitsprofils einer Scherung ausgesetzt und zerreißen
so leicht in Stücke, so daß der expandierte Kunststoff in sich
zusammenfällt.
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Die vorliegende Erfindung macht sich das pHänomen zunutze, daß
es für chemische Treibmittel ein Intervall gibt, das zwischen
dem Zeitpunkt, zu dem eine ausreichende Temperatur für den
Beginn der Zersetzung erreicht ist, und dem Zeitpunkt, zu dem die
Zersetzung tatsächlich beginnt, liegt. In der
Kunststoffverarbeitungsrnaschine, die beispielsweise eine Spritzgußmaschine
sein kann, wird die Kunststoffverbindung einer Temperatur
ausgesetzt, bei der diese schmilzt, wobei diese auf eine
Temperatur erhöht wird, die oberhalb der Zersetzungstemperatur des
Treibmittelsysterns liegt. Vor Beginn der Zersetzung des
(Treibmittels wird die Kunststoffverbindung in einen geschlossenen
Hohlraum einer Form eingefüllt. In dem Hohlraum, der mit der
Kunststoffverbindung gefüllt ist, wird ein Druck auf die
Verbindung ausgeübt, der ausreichend hoch genug ist, um ein
Ausdehnen des Treibmittels, wenn es zersetzt wird, zu verhindern,
oder eine Ausdehnung nur zu einem unbedeutenden Grad
zuzulassen. Eine weitere Bedingung, um geschlossene Gaszellen zu
erhalten, ist es, daß das Treibmittel in der Zersetzungsphase
nicht expandiert oder nur zu einem unbedeutenden Grad
expandiert. Da weder das in der Kunststoffverbindung enthaltende
Treibmittel in Gasform in der Kunststoffverarbeitungsmaschine,
noch in der Düse ist, läßt sich der Kunststoff ohne besonders
hohen Druck verarbeiten. Zudem bedeutet es nicht, daß bei einem
Geschwindigkeitsprof 11 bei dem die Verbindung in der Mitte eine
höhere Geschwindigkeit aufweist als der nach außen zu den
Wänden des Werkzeugs hin gerichtete Hauptstrom, daß die Zellen in
Stücke zerrissen werden, vorausgesetzt das Treibmittel wird
nicht zu diesem, sondern erst zu einem späteren Zeitpunkt in
einem geschlossenen Hohlraum zersetzt. Die geschlossene
Formhöhlung kann eine statische Kammer mit Wänden, beispielsweise
aus Stahl, Metall oder aus einem Kunststoff mit hoher
Viskosität sein, oder eine oder mehrere der Hohlraurnwände sind
bewegbar, wobei der Hohlraum während des Verlaufs des Einspritzens
der Kunststoffverbindung vergrößert werden kann, so daß die
neue Kunststoffverbindung konstant in die Aushöhlung gepreßt
werden muß, um den notwendigen Druck aufrechtzuerhalten.
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Das Treibmittelsystem kann zusätzlich zu dem chemischen
Treibmittel Stoffe enthalten, die beispielsweise die
Zersetzungsternperatur oder die Zersetzungsgeschwindigkeit des chemischen
Treibmittels ändern können (z.B. ZnO). Außerdem kann das
Treibmittelsystem
Stoffe enthalten, die entsprechend der erreichten
Reaktionstemperatur chemisch exotherrn oder endotherm reagieren.
So ist man in der Lage, beispielsweise eine viel schnellere
Zersetzung des chemischen Treibmittels zu erreichen, und man
kann ein chernisches Treibmittel wählen, das sich bei einer
höheren Temperatur zersetzt, als es ansonsten möglich wäre.
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Der Druck in der Kunststoffverbindung, der notwendig ist, damit
sich das Treibmittel während der Zersetzungsphase nicht
ausdehnt, ändert sich mit dem Treibmittelsystem, der Temperatur
und der Menge des Treibmittels. Wenn z.B. Azodicarbonamid
eingesetzt wird, mit Zinkoxid als "Starter", bei einer Masse mit
einer Temperatur von 165 ºC, vor der Zersetzung, und mit einem
Treibmittelgehalt von 10 phr, ist ein Druck von 150 bar
normalerweise ausreichend, um eine Expansion zu verhindern oder eine
Expansion auf einem ausreichend geringen Niveau zu halten.
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Die benötigte Zeit bis zu der eine vollständige oder fast
vollständige Zersetzung des Treibmittels erreicht wird ist auch von
Faktoren, wie dem gesamten Treibmittelsystem, der Temperatur
der Kuststoffverbindung, dem Druck in der Kunststoffverbindung
der Treibmittelmenge und der Kunststoffzusammensetzung,
abhängig.
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Nach dem man die Kunststoffverbindung für einen ausreichend
langen Zeitraum in der Gußhohlforrn belassen hat, um den
gewünschten Zersetzungsgrad des Treibmittels zu erhalten, wird
die Form geöffnet. Wenn die Kunststoffverbindung vor dem Öffnen
der Form nicht abgekühlt wird, dehnt sich die
Kunststoffverbindung sofort aus, bis sich ein Gleichgewicht zwischen dem
Treibmitteldruck in der Verbindung und den Zugkräften der Verbindung
eingestellt hat. Um eine Verformung des Produktes zu
verhindern, wenn es im erhitzten Zustand aus der Form entfernt wird,
muß die Form mit großer Schnelligkeit geöffnet werden, und das
Produkt ohne Verzögerung entfernt werden. Wenn jedoch die
Oberfläche
von der Kunststoffverbindung ausreichend gekühlt wird,
bevor die Form geöffnet wird, kann die Expansion der
Kunststoffverbindung lang genug verzögert werden, so daß diese bei
einer normalen Öffnungsgeschwindigkeit aus der Form genommen
werden kann, wobei das Produkt wahlweise in einer anderen
plaziert werden kann, die eine Kühlungs-/Expansions-Form sein
kann, bevor das Produkt sich ausdehnt oder bevor es sich
bereits zu einem erheblichen Maß ausgedehnt hat. In der Praxis
wird sich das Produkt immer etwas ausdehnen, aber bei einer
ausreichenden Kühlung wird die Ausdehnung so gering sein, daß
sich das Produkt nicht verformt, und es wird sich erst auf die
gewünschte Größe ausdehnen, nachdem die Form entfernt worden
ist oder gegebenenfalls, nachdem man es in einer Expansionsform
plaziert hat. Selbst wenn man die Oberfläche abgekühlt hat, ist
die Wärmekapazität im Inneren des Produktes üblicherweise groß
genug, so daß dadurch die Oberfläche nach kurzer Zeit
aufgeheizt wird, und sich das Produkt ausdehnen kann.
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Die vorliegende Technologie ermöglicht es, zellulare
Kunststoffprodukte mit einer Oberflächenhaut aus nicht ausgedehntem
Kunststoff herzustellen, und zwar aus demselben
Kunststoffmaterial wie für den zellularen Kunststoff. Nachdem die
Kunststo(ffverbindung in der Werkzeugform plaziert worden ist, bei
einer Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des
Treibmittelsystems, braucht es etwas Zeit, bevor die tatsächliche
Zersetzung bzw. Zersetzung beginnt. Die "Startzeit" ändert sich
in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Parametern, wie der
Temperatur und des Treibmittelsystems. Bei Kühlung der
Kunststoffverbindungsoberfläche in der Form vor dem Beginn der
Zersetzung, läßt sich die Freisetzung bzw. Zersetzung an der
Oberfläche verhindern. Das Produkt erfährt lediglich eine begrenzte
Expansion, bevor es vollständig aus der Form entnommen wird.
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Die Viskosität der Kunststoffverbindung muß normalerweise bei
der Expansion höher sein als die Viskosität der
Kunststoffverbindung,
wenn diese In den Hohlraum der Form gespritzt wird.
Falls die Viskosität zu gering ist, wenn der externe Druck
verringert wird, besteht ein Risiko, daß die Expansion des
Kunststoffs zu schnell und in einem zu großen Ausmaß verläuft, so
daß die Zellwände von dem Kunststoff nicht stark genug und
nicht elastisch genug sind, um geschlossene Gaszellen innerhalb
des gesamten Produkts, in einer zufriedenstellenden Art,
auszubilden. Die Viskosität des Kunststoffes läßt sich erhöhen,
indem man die Temperatur der Verbindung, vergleichsweise zur
Temperatur der Verbindung beim Einspritzen, abkühlt. Das wird
üblicherweise mit amorphen Thermoplasten, wie PVC oder mit
anderen Thermoplasten, die ein vorteilhaftes
Viskositäts/Temperaturverhältnis aufweisen, gemacht. Wenn kristalline oder
teilweise kristalline Kunststoffe mittels Vorrichtungen des
vorliegenden Verfahrens verarbeitet werden, führt man häufig
eine Vernetzung des Kunststoffs durch, bevor die Expansion
stattfindet. Die Vernetzung kann chemisch, beispielsweise durch
Verwendung von Silangruppen, mit Bestrahlung oder falls ein
Polyethylenkunststoff verwendet wird, beispielsweise mit
Peroxiden bewirkt werden.
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Eine übliche Voraussetzung ist es, daß der Kunststoff in der
Kunststoffverarbeitungsmaschine nicht vernetzt wird, aufgrund
der Gefahr, daß die Viskosität von dem Kunststoff
möglicherweise zu hoch für eine mechanische Bearbeitung wird. Wenn
Strahlung zur Vernetzung eingesetzt wird, führt man die Bestrahlung
durch, nachdem man die Verbindung in dem Hohlraum plaziert hat.
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Bei Verwendung von Peroxiden als Vernetzungsrnittel muß man die
Vernetzung des Kunststoffs in der Forrnhöhlung zuerst
durchführen. Peroxide benötigen eine bestimmte Temperatur, um sie zu
zersetzen. Sowohl die Zeit, die zwischen dem Erreichen der
"Starttemperatur" und dem tatsächlichen Beginn der Zersetzung
nd der Vernetzung des Kunststoffs vergeht, als auch die
Vernetzungszeit sind unter anderem abhängig von der Art des
Peroxids und der Temperatur. Es ist üblich, Wärme durch die
Wandungen der Form in den Hohlraum zuzuführen, um eine ausreichend
hohe Temperatur zu erhalten. Gemäß dem Verfahren der
vorliegenden Erfindung läßt sich jedoch die zusätzliche Wärme, die in
der Kunststoffverbindung durch die exotherme Zersetzung bzw.
Zersetzung des chemischen Treibmittels entsteht, derart nutzen,
daß man die Temperatur über den Zersetzungspunkt des in Rede
stehenden Peroxids ansteigen läßt. Das Ausmaß der exothermen
Reaktion verbunden mit der Zersetzung des chemischen
Treibmittels läßt sich beispielsweise durch eine Auswahl verschiedener
Treibmittel, durch Verwendung unterschiedlicher Beschleuniger
oder durch eine Änderung der Mengenverhältnisse in dem
Treibmittelsystem steuern. Die Höhe des Druckes in der
Kunststoffverbindung ist außerdem von beträchtlicher Bedeutung für den
Wärmeanteil, der bei der Freisetzung bzw. Zersetzung entsteht.
Gegebenenfalls kann man außerdem Additive in das
Treibmittelsystern einbringen, die zur Kontrolle der Peroxidzersetzung
chemisch exotherm oder endotherm reagieren.
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Die vorliegende Erfindung wurde mittels einer relativ kleinen
Spritzgußrnaschine ausgeführt. Dies schließt aber die Verwendung
verschiedenster Kuns ts toffverarbeitungsmaschinen,
beispielsweise Extruder, nicht aus.
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Bei der Entwicklung der erfindungsgemäßen Technologie wurden
zellulare Leichtkunststoffprodukte mit geschlossenen Zellen aus
Polyvinylchlorid (PVC), Ethylenvinylacetat (EVA) und aus
Polyethylen (LDPE und MDPE) hergestellt. Es wurde eine
Spritzgußmaschine der Marke Demag DC 80, mit einer maximalen Schußmasse
von ungefähr 100 g und mit einem geschlossenen Druck von 80
Tonnen, verwendet. Der Schraubendurchmesser der
Spritzgußmaschine betrug 32 mm mit einem 1/d Verhälnis von 20, und der
Zylinder war mit drei Heizbändern mit Temperaturkontrolle
ausgestattet. Das Formwerkzeug war aus Stahl und wies ein
Gußformvolumen von 80 ml auf. Es war mit einer Öltemperierung zur
Temperaturkontrolle
ausgestattet. Ferner war es mit Sensoren zur
Temperatur- und Druckmessung der Kunststoffverbindung
ausgerüstet.
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Beispiel von einer auf PVC basierenden Zusammensetzung.
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PVC, S-Grad, K-Wert 58 100.0 phr (Teile pro 100)
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Parrafinwachs 0.8 phr
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Glycerinester 0.4 phr
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Calciumstearat 0.7 phr
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Zinbutylmercaptid 0.2 phr
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Natriumbicarbonat 7.0 phr
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Azodicarbonamid 5.0 phr
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Zinkoxid 2.0 phr
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Polymethylmethacrylat 8.0 phr
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Dioctylphtalate 10.0 phr
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Aluminiumhydroxid 2.5 phr
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Die Rohmaterialien wurden in herkömmlicher Weise in einem
Hochgeschwindigkeitsmixer gut gemischt, wobei die Temperatur auf
125 ºC gebracht wurde, und danach ließ man die Temperatur auf
50 ºC abkühlen, bevor man die Verbindung aus dem Mixer
herausnahm. Die Mischung wurde in den E(inlaßtrichter der
Spritzgußmaschine gegeben. Die Maschinengeschwindigkeit betrug 100 rpm und
die Zylindertemperatur wurde vom Trichter an weiter
fortschreitend auf: 110 ºC, 125 ºC, und 140 ºC eingestellt. Die
Düsentemperatur wurde auf 150 ºC eingestellt. Die Gesamtverweilzeit der
Kunststoffverbindung in der Maschine betrug 50 Sekunden. Die
Temperatur der Verbindung wurde jedoch bis zum letzten
Abschnitt der Spritzgußmaschine nicht über die Freisetzungs- bzw.
Zersetzungstemperatur des Treibmittelsystems erhöht, so daß es
kein - oder wenn nur eine vernachlässigbar kleine Menge -
zersetztes bzw. freigesetztes Treibmittel in der Maschine auftrat.
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Die Verbindung wurde nach der Behandlung in der
Spritzgußmaschine gut gelatiniert und wies eine Temperatur von 155 ºC auf,
als sie in den Hohlraum der Werkzeugform eingespritzt wurde.
Das tatsächliche Einspritzen dauerte ungefähr 3 Sekunden. Der
Einspritzdruck betrug ungefähr 180 bar. Die Wandungen der
Hohlform hatten bei der Einspritzung eine Temperatur von 175 ºC.
Die Zersetzung des Treibmittels begann ungefähr nach 2 Minuten
und war im wesentlichen nach ungefähr 2,5 Minuten nach dem
Start beendet. Die Kunststoffverbindung wurde dann in der
Formhöhlung auf eine Kerntemperatur der Verbindung von 130 ºC und
auf eine Oberflächentemperatur von 80 ºC abgekühlt. Das Produkt
wurde aus der Form entfernt und dehnte sich nach ein paar
Sekunden auf eine Dichte von 90 g/cm³ mit einer einheitlichen
Zellenstruktur innerhalb des gesamten Produktes aus. Die
Gaszellen waren klein und geschlossen.
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Außerdem wurden Produkte mit einer integrierten Haut aus PVC
- Material hergestellt. Die Haut wurde nicht geschäumt und der
Übergang zwischen der nicht expandierten Haut und dem
expandierten zellularen Kunststoff in dem restlichen Produkt war
relativ scharf. Die Schichtdicke der Haut kann in der Abmessung
von einem Ort des Produkts zu einem anderen variieren. Die Haut
wurde durch Absenken der Temperatur der Forrnwandungen auf 120
- 130 ºC während der tatsächlichen Einspritzung der
Kunststoffverbindung in den Hohlraum der Form gebildet, d.h. unterhalb
der Zersetzungstemperatur von dem Treibmittelsystem. Auf diese
Weise wurde das Treibmittelsystem in der äußeren Schicht
"ausgeschaltet", um eine Zersetzung in diesem Bereich der
Kunststoffverbindung zu verhindern, weil die Temperatur von der
Verbindung, vor Beginn der Freisetzung bzw. Zersetzung, unter
die der Zersetzungstemperatur des Treibmittelsystem gesenkt
wurde. Nachdem die Zersetzung von dem Rest des Produktes
beendet worden war, wurde die Kunststoffverbindung auf etwa 110 ºC
abgekühlt, bevor sie aus der Form entfernt wurde und man sie
auf eine Dichte von etwa 90 g/cm³ expandieren ließ.
Beispiel von einer auf EVA basierenden Zusammensetzung.
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EVA, Schmelzindex 4, VA Gehalt 13% 100 phr
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Azodicarbonamid 5 phr
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Natriumbicarbonat 8 phr
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Zinkoxid 2 phr
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Aluminiumhydroxid 4 phr
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2,5-B-2,5-Dimenthylhexin-3, 45% 4 phr
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Die Verbindung 2,5-B-2,5(-Dimenthylhexin-3 wurde zur Vernetzung
der Kunststoffverbindung hinzugefügt. Dieser Typ Peroxid, der
bei "normalen" Temperaturen eine hohe Zersetzungs-temperatur
und eine lange Halbwertzeit aufweist, wurde ausgewählt, um
sicherzustellen daß die Zersetzungstemperatur des
Treibmittelsystems niedriger ist als die Zersetzungstemperatur von dem
Vernetzungsmittel. (Andernfalls würde ein Risiko für eine
Vernetzung in der Spritzgußmaschine bestehen.)
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Das Kunststoffrohmaterial wurde unter Verwendung eines
Flügelmixers gemischt. Die Heizbänder der Spritzgußmaschine wurden
auf 125 ºC, 135 ºC und 150 ºC eingestellt (vom Trichter aus
weiterführend). Die Maschinengeschwindigkeit wurde auf 110 rpm
eingestellt. Die Düsentemperatur betrug 155 ºC. Die
Stahltemperatur des Werkzeuges wurde auf 170 ºC eingestellt. Diese
Temperatur wurde nach etwa 5 Minuten auf etwa 130 ºC erniedrigt.
Die Kunststoffverbindung hatte eine Temperatur von 150 ºC am
Auslaß der Spritzgußmaschine bevor sie in dem Werkzeug plaziert
wurde. Keine oder wenn überhaupt nur eine vernachlässigbare
Menge Treibmittel war freigesetzt bzw. zersetzt worden, noch
ließ sich Irgendeine sichtbare Zersetzung von dem Peroxid
beobachten. Die Verbindung wurde in dem Werkzeug innerhalb von 3
Sekunden plaziert und der Spritzdruck betrug 200 bar.
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Im Anschluß an die Einspritzung wurde das Treibmittel in der
Kunststoffverbindung nach ungefähr 2 Minuten zersetzt und die
Temperatur auf etwa 200 ºC erhöht. Diese Temperatur war fur
eine schnelle Zersetzung des Peroxidmaterials hoch genug. Das
peroxid wurde im Verlauf von etwa 5 Minuten vollständig oder
zumindest im wesentlichen vollständig freigesetzt bzw.
zersetzt.
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Dann wurde die Werkzeugstahltemperatur auf 80 ºC
herunterreguliert und das Produkt nach 2 Minuten entfernt. Nach ein paar
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Sekunden dehnte sich das Produkt auf eine Dichte von 70 g/cm
mit kleinen, vollständig einheitlich verteilten, geschlossenen
Zellen, aus. Das Produkt hatte keine Haut, aber eine zellulare
Struktur entlang der gesamten Oberfläche.
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Außerdem wurden auf EVA - basierende Produkte mit dichter,
nichtexpandierter Haut und mit zellularern Leichtkunststoff im
übrigen Produkt hergestellt. Dieses wurde gemacht indem man die
Verbindung, wie in dem obigen Beispiel, im Werkzeug bei einer
Temperatur von etwa 150 ºC plazierte. Die Stahlwände des
Werkzeugs hatten eine Temperatur von etwa 130 ºC bei der
Einspritzung der Verbindung, deren Oberfläche unverzüglich auf eine
Temperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur des
Treibmittelsystems gekühlt wurde. Auf diese Weise erhielt man ein Produkt,
bei dem sich weder das Treibmittel, noch das Peroxidmaterial an
der Oberfläche zersetzt hatte, hingegen der restliche Teil des
Produktes zu einem zellularen Kunststoff, mit einer Dichte von
etwa 70 g/cm³, kleinen, geschlossenen Gaszellen mit
einheitlicher Verteilung, expandiert war.
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In sämtlichen, mittels der oben beschriebenen technischen
Ausstattung durchgeführten Versuchsläufen, wurde das Produkt aus
der Spritzgußform entfernt und man ließ es frei expandieren. In
der Praxis wird es oft erforderlich sein, das Produkt aus der
Spritzgußform in eine Expansionsform zu überführen, bevor man
das Produkt expandieren läßt oder bevor es zu einem bestimmten
Grad expandiert ist. Dadurch läßt sich das Endprodukt mit
eindeutig definierten äußeren Abmessungen herstellen. Der
Expansionsgrad wird jedoch durch die Verwendung einer Expansionsform
begrenzt, da das in der Expansionsform enthaltende Produkt,
bevor es gekühlt wird, immer einen Überdruck an
Produkttreibmittel enthält.