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Verfahren zum Herstellen zelliger voneinander getrennter Körnchen
aus thermoplastischen Kunststoffen Die Erfindung betrifft eine verbesserte Methode
zum Herstellen voneinander getrennter, zelliger Körnchen aus thermoplastischen Kunststoffen.
Insbesondere betrifft sie das Herstellen getrennter (frei rieselnder), zelliger
Körnchen aus einem einer Expansion ausgesetzten thermoplastischen Kunststoff, bestehend
aus einem fließenden Gel, das aus einem thermoplastischen Kunststoff und einem bei
normalem Druck und normaler Temperatur gasförmigen Mittel besteht.
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Das Herstellen zelliger Produkte aus thermoplastischen Kunststoffen,
bei der ein fließendes Gel behandelt wird, das aus einem thermoplastischen Kunststoff
besteht, z. B. Polystyrol, in dem ein normalerweise gasförmiges Mittel, z. B. Methylchlorid,
Methyläther, Äthyläther od. dgl., unter Druck gelöst ist, ist bekannt; hierbei tritt
das Gel aus einer Druckkammer durch ein Ventil oder eine Öffnung in eine Zone niedrigeren
Druckes über. Hierbei verdampft, wenn der Druck aufgehoben wird, das normalerweise
gasförmige Mittel und dehnt den Kunststoff aus, wobei ein beständiger, zelliger
Körper gebildet wird. Das so hergestellte, zellige, thermoplastische Harzprodukt
ist z. B. bei der Herstellung von Eisschränken, Kühlschränken als Isoliermaterial
zu gebrauchen, und man kann es zerschneiden oder zersägen zwecks Herstellung von
Brettern, Blöcken oder Leisten. Das zellige Produkt kann auch gebrochen, gemahlen
oder zerschnitzelt oder in anderer Weise zu kleinen Teilchen verarbeitet werden,
die in eng umgrente Kammern oder in schwierig zugängliche Räume, z. B. in die Mauern
von Gebäuden oder in Kühlhauswände eingefügt oder gelagert werden können. Wenn jedoch
das zellige Produkt in dieser Weise zu kleinen Bruchstücken verarbeitet worden ist,
so erhält man es in unregelmäßig geformten Teilchen, die aus einzelnen, dünnwandigen
Zellen mit einer äußeren, rauhen Oberfläche aus zerbrochenen
Zellen
bestehen. Solche Zellteilchen können leicht zerstoßen oder zerbrochen werden, und
sie können auch nicht leicht durch schmale Öffnungen in Behälter oder Kammern eingeführt
werden, da die unregelmäßigen Oberflächen der zerbrochenen Zellen die Teilchen aneinander
haften lassen.
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Es wurde nun gefunden, daß beständige, frei rieselnde, zellige Körnchen
aus plastischen Kunststoffen durch ein Verfahren hergestellt werden können, bei
dem ein fließendes Gel, hergestellt aus einem thermoplastischen Kunststoff, in dem
ein normalerweise gasförmiges Mittel unter Druck gelöst wurde, dazu gebracht wird,
aus einer Druckkammer durch eine oder mehrere verengte Durchgänge oder Ausstoßöffnungen
in eine Zone von niederem Druck überzutreten, wobei das ausgestoßene, bewegliche
Gel in Abschnitte oder Kügelchen zerschnitten wird, ehe eine wesentliche Expansion
der Masse vor sich geht, worauf dann erst die Expansion der Kügelchen des Kunststoffgels
erfolgt.
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Man kann wesentlich kuglige, iellige Körnchen thermoplastischer Kunststoffe
herstellen, wenn man die Geschwindigkeit der Schneidmaschine mit der Ausstoßgeschwindigkeit
des beweglichen Gels durch eine runde Öffnung derart in Übereinstimmung bringt,
daß das ausgestoßene, fließende Gel in Abschnitte oder Kügelchen zerschnitten wird,
ehe noch eine wesentliche Expansion stattgefunden hat, wobei die Abschnitte eine
Länge haben, die dem Durchmesser der Durchtrittsöffnung gleichkommt. Anschließend
läßt man die Abschnitte oder Kügelchen des harzartigen Gels frei durch die Luft
oder durch ein anderes gasförmiges Medium fallen, wobei die Expansion zum Abschluß
gebracht wird. Wenn das ausgestoßene, bewegliche Gel zu Längen zerschnitten wird,
die wesentlich größer oder auch kleiner als der Durchmesser der Durchgangsöffnung
sind, so hat das zellige Kunstharz gewöhnlich zylindrische oder eiförmige Form.
Man kann eiförmige, zellige Körnchen auch dadurch erhalten, daß man das Gel durch
eine nicht runde Öffnung, z. B. durch eine ovale Öffnung ausstößt und dabei den
ausgestoßenen Strom während dessen Expansion zu Kügelchen schneidet.
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Die Dichte, Bruchfestigkeit und Zerreißfestigkeit der zelligen, thermoplastischen
Kunststoffkügelchen hängt von dem Grade ab, bis zu dem das bewegliche, harzartige
Gel durch Verdampfung des normalerweise gasförmigen Mittels beim Nachlassen des
Druckes ausgedehnt wird. Im allgemeinen ist der Grad, bis zu dem das bewegliche,
harzartige Gel ausgedehnt wird, von dem Anteil des normalerweise gasförmigen Mittels
abhängig, das im Kunststoff gelöst ist, und auch von der Temperatur des fließenden
Gels gerade vor dem Nachlassen des Druckes, d. h. dann, wenn das Gel in eine Zone
von niedrigerem Druck ausgestoßen wird. So kann unter Regelung des Anteils des normalerweise
gasförmigen Mittels, unter Berücksichtigung des Gewichtes des thermoplastischen
Kunststoffes und der Temperatur des beweglichen, harzartigen Gels, während des Ausstoßvorgangs
das bewegliche Gel durch eine Ausstoßöffnung in eine Zone niederen Druckes ausgestoßen
und in Abschnitte zerschnitten werden, ehe eine erhebliche Expansion eintritt, und
die Abschnitte des Gels, die sich ausgedehnt haben, bilden beständig getrennte,
frei rieselnde, zellige Harzkörnchen von niederer Dichte.
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Die Produkte, die man nach der Methode der Erfindung erhält, sind
nicht klebrige, frei rieselnde, zellige Körnchen einer thermoplastischen Kunststoffmasse
und bestehen zum größten Teil aus Kugeln und eiförmigen Gebilden, die im Innern
eine zellige Struktur aus einzelnen, dünnwandigen Zellen aufweisen, umschlossen
von einer durchgehenden, äußeren Haut aus thermoplastischem Kunststoff. Die Körnchen
aus dem zelligen Kunststoff sind bruchfest und lassen sich nicht zerstoßen. Das
Produkt hat infolge seiner niedrigen Dichte und seiner einheitlichen Zellstruktur
ausgezeichnete wärmeisolierende Eigenschaften. Es wird nicht vom Wasser durchfeuchtet
und ist schwimmfähig. Es kann leicht durch kleine Öffnungen in enge und schwer zugängliche
Räume eingeführt werden, z. B. in Wände von Gebäuden, Kältemaschinen oder Kühlschränken,
und kann auch als Isoliermaterial zur Verhinderung einer schnellen Wärmeübertragung
dienen. Es kann auch dazu gebraucht werden, Rettungsringe, Schwimmwesten oder Flöße
zu füllen, bei denen ein hoher Grad von Schwimmfähigkeit erwünscht ist.
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Die Zeichnung zeigt eine Anordnung der Apparatur, die zur Ausführung
der Erfindung dienen kann. Die Apparatur besteht in ihren wichtigsten Teilen aus
einem Ventil mit einer mit einem Flansch versehenen Öffnung an der Zufuhrseite,
so daß sie an eine Druckkammer angeschlossen werden kann; ferner besitzt sie eine
durchlöcherte Ausstoßplatte an der Ausstoßseite und ein rotierendes Messer, das
so angebracht ist, daß es an der durchlöcherten Ausstoßplatte entlang streift, sowie
Mittel, das rotierende Messer mit bestimmter Umlaufgeschwindigkeit anzutreiben.
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In der Zeichnung stellt Fig. i die Apparatur zum Teil im Schnitt dar;
Fig.2 ist eine Aufsicht des rotierenden Messers. Die Zeichnung zeigt ein Hahnventil,
das dadurch abgeändert wurde, daß ein Teil der einen Seite des Ventilkörpers 3 entfernt
wurde und daß eine Ausstoßplatte 4 vörgesehen wurde, die ringförmige Öffnungen oder
Bohrlöcher 5 an der Aüslaßseite des Ventilkörpers enthält. Die Platte 4 ist an den
Ventilkörper 3 angeschweißt und ein untrennbarer Teil desselben. Ein rotierendes
Messer 6 ist am Schaft 7 eines Getriebes 8 mittels einer Schraube 9 oder durch einen
Schlüssel oder gleichwertige Mittel befestigt. Das rotierende Messer kann aus einer
einzelnen oder aus mehreren Klingen bestehen. Das Getriebe 8 ist an einem Winkel
io mittels Bolzen oder anderer Mittel befestigt und kann an diesem verstellt werden,
um das rotierende Messer so einzustellen, daß die Klingen gerade an den Öffnungen
5 in der Platte 4 vorbeistreichen. Der Winkel io ist wiederum an dem Ventilkörper
3 durch Vorkehrungen, z. B. durch Schraubbolzen, befestigt. Das Getriebe 8 arbeitet
mit veränderlichen Geschwindigkeiten, so daß die Geschwindigkeit der Welle 7 geregelt
werden kann. Das Getriebe kann durch geeignete Mittel, z. B. durch einen Elektromotor,
der hier nicht gezeigt ist, angetrieben werden. Öffnet man den Zapfenhahn ii, so
tritt
das fließbare Gel durch die Öffnung 5 in der Platte 4 hindurch. Das Verfahren wird
durch Schließen des Hahnes unterbrochen.
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Man kann das Verfahren der Erfindung zum Herstellen kugelförmiger,
frei rieselnder, zelliger Körnchen aus festen, thermoplastischen, harzartigen, benzollöslichen
Polymeren und Mischpolymeren aromatischer Monovinylverbindungen benutzen, bei denen
sich die Vinylgruppe unmittelbar an einem Kohlenstoffatom des aromatischen Kerns
befindet. Beispiele für solche aromatische Monovinylverbindungen sind Styrol, meta-Äthylstyrol,
meta-Chlorstyrol, Methylstyrol, para-Isopropylstyrol, ortho-Chlorstyrol und a-Methylstyrol.
Das Verfahren kann auch dazu benutzt werden, frei rieselnde, zellige Körnchen aus
anderem normalerweise festen, thermoplastischen Kunststoffen herzustellen, z. B.
aus Polymethylmethacrylat und Mischpolymeren von Vinylchlorid und Vinylacetat oder
Mischpolymeren von Methylmethacrylat und Styrol.
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Die normalerweise gasförmigen Mittel, die zum Herstellen der zelligen,
thermoplastischen Kunststoffkörnchen dienen sollen, müssen in den thermoplastischen
Stoffen unter den Temperatur- und Druckbedingungen, die bei der Ausführung des Verfahrens
angewandt werden, löslich oder zum Teil löslich sein. Derartige normalerweise, d.
h. bei gewöhnlicher Temperatur gasförmige Mittel, die für das Verfahren geeignet
sind, sind Methylchlorid, Methyläther, Äthyläther, Methyläthyläther, Äthylchlorid,
Methylbromid, Dichlormethan und normalerweise gasförmige Olefine, wie Propylen oder
Butylen. Man kann auch geknackte Öle, die gasförmige Olefine als Hauptbestandteile
enthalten, benutzen.
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Das bewegliche Gel kann dadurch hergestellt werden, daß man den thermoplastischen
Kunststoff, z. B. Polystyrol, vorzugsweise gemahlen oder gepulvert in ein Druckgefäß'
bringt und in dieses noch ein normalerweise gasförmiges Mittel, z. B. Methylchlorid,
Methyläther, Propylen oder Butylen einbringt, wobei man die Mischung unter Druck
hält, bis ein homogenes fließendes Gel gebildet worden ist. Vorzugsweise sollte
der Betrag an normalerweise gasförmigem Mittel, das in dem thermoplastischen Kunststoff
gelöst ist, gerade ausreichend sein, die Ausdehnung des Stoffes zu bewirken und
ein zelliges Produkt zu bilden, das aus einheitlichen kleinen Zellen besteht, wobei
das normalerweise gasförmige Mittel nahezu völlig beim Nachlassen des Druckes verdampft.
Das Harz erlangt hierbei ein Volumen, das das 25- bis 4ofache des Volumens des beweglichen
Gels beträgt. Das gasförmige Mittel wird in Beträgen von io bis 25 Gewichtsprozent
des thermoplastischen Kunststoffes angewandt.
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Das unter Druck befindliche fließbare Kunststoffgel wird in eine Zone
niederen Druckes ausgestoßen. Hierbei sollte das Gel unmittelbar vor dem Ausstoßen
eine Temperatur zwischen 6o und i2o° haben, vorzugsweise zwischen 9o und iio°. Der
Ausstoß erfolgt üblicherweise beim Dampfdruck des angewandten, normalerweise gasförmigen
Mittels, obgleich auch höhere Drücke angewandt werden. Ein erhöhter Druck kann durch
Zugabe von Kohlendioxyd, Luft, Stickstoff od. dgl. in die Druckkammer, die das harzartige
Gel enthält, erhalten werden.
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Man kann auch andere Wege einschlagen, um einen zusätzlichen Druck
hervorzurufen, um hiermit das fließbare Gel durch die verengten Durchgänge hindurchzupressen;
z. B. kann man eine Zahnradpumpe benutzen, um das bewegliche Gel aus einem unter
Druck befindlichen Vorratsgefäß abzuziehen und es bei höherem Druck durch eine Ausstoßöffnung
zu pressen, die einen oder mehrere verengte Durchgänge besitzt, derart, daß wenigstens
ein Teil des normalerweise gasförmigen Mittels als Lösung im thermoplastischen Harz
verbleibt, bis der Druck durch das Austreten des fließbaren Gels durch die verengten
Durchgänge in eine Zone niederen Druckes aufgehoben wird.
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Veränderungen in der Zusammensetzung des thermoplastischen Kunststoffes
und des gasförmigen Mittels und der Verfahrensbedingungen führen zu geringen Veränderungen
der Ausstoßgeschwindigkeit. Um die Größe oder Länge der voneinander getrennten Körnchen
oder Abschnitte des fließbaren Gels nach Wunsch zu regeln und insbesondere um kuglige
Gebilde gleichmäßiger Größe, bei beliebiger Ausstoßgeschwindigkeit zu erhalten,
wird das rotierende Messer durch leicht zu überwachende Mittel betätigt, z. B. durch
einen Elektromotor, der ein eine veränderliche Geschwindigkeit zulassendes Getriebe
antreibt. Die Messerklingen, die entsprechend der Zeichnung angeordnet sind, schneiden
den Gelstrom unter Ausübung einer Scherwirkung ab. Die Geschwindigkeit des Messers
wird von Hand so geregelt, daß es das ausgestoßene, harzartige Gel in Abschnitte
oder Kügelchen einer gewünschten Größe zerschneidet, so daß man als Endprodukt bei
einer bestimmten Ausstoßgeschwindigkeit, kuglige, zellige, thermoplastische Kunststoffkörnchen
erhält. Das fließbare harzartige Gel, das aus der Öffnung austritt, wird gewöhnlich
in Abschnitte oder Kügelchen geschnitten, die eine Länge haben, die dem o,5- bis
2-, vorzugsweise 0,75- bis r,5fachen vom Durchmesser der Ausstoßöffnung entspricht.
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Die Größe der zelligen Kunststoffkügelchen kann dadurch abgeändert
werden, daß man die Größe der Öffnungen der Durchlässe oder Öffnungen in der Ausstoßplatte
verändert, durch die das harzartige Gel ausgestoßen wird. Um frei rieselnde, zellige,
thermoplastische Harzkügelchen von 5 bis 12 mm Durchmesser zu erhalten, wird das
bewegliche Gel durch eine oder mehr runde Öffnungen von 1,5 bis zu 3 mm Durchmesser
hindurchgepreßt und zu Abschnitten annähernd gleicher Länge abgeschnitten, ehe eine
wesentliche Aufblähung erfolgt. Größere Öffnungen, z. B. von 12,7 bis i9
mm Durchmesser, kann man verwenden, um zellige, thermoplastische Kunststoffkugeln
mit einem Durchmesser von 38 bis 76 mm herzustellen. Die Zahl der Öffnungen in der
Ausstoßplatte kann auch verändert werden. Es ist vorteilhaft, bei dem Herstellen
kleiner Kügelchen eine Ausstoßplatte zu benutzen, die mehr als eine Öffnung aufweist.
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Die Aufblähung der Kügelchen des fließbaren Gels wird gewöhnlich dadurch
bewirkt, daß man die Abschnitte oder Kügelchen des Gels bei gewöhnlicher
Temperatur
oder bei einer in der Nähe liegenden Temperatur in der Luft frei fallen läßt oder
aber, daß man sie durch auf eine Temperatur zwischen 40 und 8o° erhitzte Luft oder
andere inerte Gase, z. B. Stickstoff oder Kohlendioxyd, fallen läßt, so daß das
normalerweise gasförmige Mittel, das sich in den Kügelchen des harzartigen Gels
gelöst hat, rasch verdampft und die Aufblähung zum Abschluß bringt. Die folgenden
Beispiele erläutern die gewerbliche Ausführung der Erfindung. Beispiel Eine Apparatur,
deren wesentliche Teile weiter oben beschrieben und in der Zeichnung dargestellt
wurden, bestand aus einem eisernen Hahnventil von 13 mm, das an der Austrittsseite
eine Platte enthielt, die zwei Bohrlöcher von 2 mm Durchmesser aufwies und das am
Boden eines mit einem Mantel versehenen druckbeständigen Gefäßes einer Fassung von
etwa 251 befestigt war. Ein bewegliches Gel wurde dadurch hergestellt, daß man ioo
Gewichtsteile eines körnigen Polystyrols in das Gefäß brachte; hierzu 15 Teile Methylchlorid
unter Druck zugab und die Mischung 16 Stunden lang auf eine Temperatur von g5° erhitzte.
Der Hahn wurde dann geöffnet, und man ließ dann das fließbare Gel unter dem Dampfdruck
des Methylchlorids durch die Bohrlöcher in die freie Atmosphäre austreten. Die Geschwindigkeit
des rotierenden Messers wurde so eingestellt, daß das ausgestoßene, plastische Gel
in Zylinder oder Kügelchen mit Längen, die annähernd dem Durchmesser der Bohrlöcher
gleichkamen, geschnitten wurde. .Die Abschnitte des harzartigen Gels ließ man bei
gewöhnlicher Temperatur frei durch die Luft fallen, wobei die Länge des Fallraumes,
in dem die Aufblähung stattfand, etwa go cm betrug. Das Produkt bestand aus einheitlichen,
zelligen Kügelchen eines Polystyrols, das aufgebläht worden war. Die zelligen Körper
hatten einen Durchmesser von annähernd 6 mm. Sie stellten frei rieselnde, zellige
Körper dar, die im Innern aus einer Anzahl einzelner Zellen bestanden und außen
von einer durchgehenden Schicht der harzartigen Masse überzogen waren.
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Schmiermittel oder Mittel, die ein Loslösen aus der Form bewirken,
wie Stearinsäure, Soyaöl, Maisöl, Fett oder Butylstearat kann man gleich zu Anfang
der Mischung des thermoplastischen Kunststoffes mit dem gasförmigen Mittel in Beträgen
von o,2 bis 2 Gewichtsprozent berechnet auf den thermoplastischen Kunststoff zugeben,
um das Ausstoßen des fließbaren Gels und die Zerteilung desselben zu Kügelchen oder
Segmenten zu unterstützen.
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Vor der Ausstoßung des Gels können feste Substanzen, z. B. feinverteilter
Kohlenstoff, Aluminiumpulver, Titandioxyd, Fullererde, gepulvertes Calcium-Silicat
oder Ton der harzartigen Mischung als Füllmittel, Bindemittel oder Pigment in einem
Gesamtbetrage, der o,2 bis 5 Gewichtsprozent des angewandten Kunststoffes entspricht,
zugefügt werden.
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Andere Bestandteile, z. B. Bariumstearat, Calciumstearat, Bleistearat
oder Zinkstearat, die die Wirkung haben, die Ausdehnung des Gels bei Druckentlastung
zu verzögern, können vorteilhaft der Mischung des thermoplastischen Kunststoffes
und des gasförmigen Mittels in Beträgen, die 0,4 bis i Gewichtsprozent der Harzkomponente
ausmachen, zusammen mit einem Schmiermittel und einem Pigment zugefügt werden.