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Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen polycellularer Produkte
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen polycellularer Produkte durch Freisetzen
und Verteilen von Gas in Massen, welche im plastischen Zustand in einer gefüllten,
geschlossenen, selbst unnachgiebigen Formkammer in Anwesenheit eines Ausdehnungshilfsmittels
unter Druck durch das zu expandierende Gas zu Zellstruktur aufgebläht und dann in
diesem Zustand fixiert werden. Die Erfindung betrifft auch Vorrichtungen zur Durchführung
des Verfahrens.
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Polycellulare Produkte sind Materialien oder Gegenstände von bestimmter
oder unbestimmter Gestalt, in denen zahlreiche Hohlräume von kugeliger, polyedrischer
oder anderer Zellenform künstlich hervorgerufen wurden. Diese Zellen, die mit Gas
oder Flüssigkeit gefüllt sind, können - im wesentlichen - geschlossen sein und bleiben.
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Kommunizieren jedoch die Zellen miteinander, sind sie also offen oder
werden bei Produkten mit geschlossenen Zellen diese durch eine Nachbehandlung, etwa
durch Walzen, geöffnet, so ist das Endprodukt ein Porenkörper oder Schwamm mit den
bekannten Eigenschaften. Endprodukte mit geschlossenen Zellen werden hauptsächlich
hergestellt zur Herabsetzung des Gewichtes der durch die Zellen aufgeblähten Masse,
also zur Erzeugung leichter Materialien und Gegenstände, die infolge der Struktur
aus geschlossenen Zellen durchweg wie massive Körper verwendet werden können und
als Zellkörper bezeichnet werden. Eine andere Kategorie polycellularer Produkte
mit geschlossenen Zellen wird hergestellt, um kompressible Materialien und Gegenstände
zu erzeugen, die also durch erhöhten Außendruck unter Komprimierung
des
in den Zellen eingeschlossenen Gases progressiv oder abrupt in ihrem Volumen verkleinert
werden können. Hat in diesem Falle das die Zellen einschließende massive Zellwandgerüst
ausreichende elastische Eigenschaften, so wird der Körper nach Aufhören des erhöhten
Außendruckes sein normales Volumen mehr oder weniger wieder einnehmen und ganz allgemein,
als formbestimmter Körper, auf Temperatur- und Druckänderungen mehr oder weniger
reagieren als ein etwa gleich großer Körper mit eingeschlossenem Gas. Bei mangelnden
elastischen Eigenschaften wird das Zellwandgerüst durch die Komprimierung mehr oder
weniger bleibend deformiert. Man bezeichnet diese Kategorie polycellularer Produkte
als kompressible Körper.
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Die Zellstruktur wird in geeigneten Massen im allgemeinen dadurch
hervorgerufen, daß letztgenannte in eine druckfeste Formkammer gebracht und dort
mit Gas imprägniert werden und daß dann das Gas im plastischen Zustand der Masse
zur Expansion gebracht wird, wobei es die Masse unter Zellbildung aufbläht, die
dann in diesem Zustand stabilisiert und gegebenenfalls weiteren Nachbehandlungen
zwecks weiterer Aufblähung, Härtung usw. unterzogen wird. Erhöhter Druck und/ oder
erhöhte Temperatur werden in den einzelnen Stadien des Verfahrens angewendet. Die
Imprägnierung der Masse erfolgt durch Einführung des Gases von außen in die Masse
oder durch Erzeugung des Gases in ihrem Schoß, beispielsweise durch Freisetzung
resorbierten Gases wie CO2, durch Verdampfung von Bestandteilen bei erhöhter Temperatur,
also Verdampfung von flüchtigen Lösungsmitteln, durch Zersetzung von Bestandteilen,
z. B. Zersetzung von Karbonaten oder von Azoisobuttersäuredinitril bei erhöhter
Temperatur, oder durch Reaktion verschiedener Bestandteile miteinander wie Isocyanaten
mit Wasser.
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Im einzelnen ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Zellkautschukformlingen
in zweistufiger Arbeitsweise in ein und derselben Form bekannt, wobei eine gasdichte
Form mit veränderbarem Fassungsraum verwendet wird. Der Form ling erhält in der
ersten Stufe in der verkleinerten Form eine Vorbeheizung und dann nach Vergrößerung
des Fassungsraumes der Form in der zweiten Stufe die Fertigbeheizung. Die Form besteht
dabei aus einem starren und einem das Fassungsvermögen veränderbaren Deckelteil,
der nach Art eines Kolbens im Formunterteil gasdicht eingepaßt ist und bewegt wird.
Hierzu ist ein erheblicher Aufwand an maschinellen Einrichtungen erforderlich und
vor allem eine sehr genaue Bearbeitung der Formteile.
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In einem anderen bekannten Verfahren zur Herstellung von heißvulkanisiertem
Kautschukschaum wird so vorgegangen, daß die Substanz in einer Druckkammer, welche
während des ganzen Vorganges mit einer Gasquelle verbunden bleibt, also nicht verschlossen
wird, dauernd unter Überdruck mit Gas beaufschlagt wird, welches in die Substanz
eindringt und sich darin löst, wobei der Gummi vorvulkanisiert wird. Dann wird unter
Beibehaltung der Beaufschlagung durch Gas der Druck reduziert, wodurch die Substanz
sich unter Zellbildung zu einem polycellularen Produkt aufbläht, ohne jedoch die
gesamte Druckkammer auszufüllen und ihre Form anzunehmen. Dann erfolgt durch Ausvulkanisilerung
das Fixieren, woraufhin das Produkt entnommen wird. Der Nachteil dieses Autoklavverfahrens
liegt in seiner Aufwendigkeit für die Einrichtung, vor allem aber auch darin, daß
die Produkte nicht maßhaltig sind.
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Schließlich ist noch ein Verfahren bekannt, welches bei thermoplastischen
und ähnlichen Massen angewendet wird. Dabei wird die Masse gemeinsam mit Gas und/oder
gemeinsam mit Hilfsmitteln, welche Gas erzeugen können und welche sich gelöst oder
fein verteilt in der entsprechend vorbehandelten Masse befinden, in eine Formkammer
gegeben, und unter Wärmezufuhr wird ein Überdruck erzeugt, woraufhin bei einer Temperatur,
bei der die Masse plastisch ist, eine Gasfreisetzung erfolgt und das Gas sich in
der Masse verteilt und vorzugsweise löst. Dann wird die Masse durch Druckreduzierung
unter Zellbildung zu einem polycellularen Produkt aufgebläht, so daß es die Formkammer
ausfüllt und ihre Form annimmt, aus welcher es dann nach Fixierung durch Ausvulkanisieren
und Abkühlen entnommen werden kann.
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Das aufgeblähte polycellulare Produkt nimmt jedoch mehr Raum ein
als das Ausgangsmaterial, denn die Aufblähung der Masse kann nur stattfinden, wenn
ihr der dazu notwendige Ausdehnungsraum zur Verfügung steht. Bei dem bekannten Formkammerverfahren
wird daher die oben offene, mit losem Deckel verschlossene und mit vorbehandelter
Masse vollständig gefüllte Formkammer zwischen den Platten einer Presse angeordnet
und von diesen unter einem bestimmten Druck geschlossen gehalten. Durch die bei
einer bestimmten Temperatur beginnende Freisetzung von Gas entsteht in der Form
ein Überdruck, unter dessen Wirkung sich einerseits Gas in der Masse verteilt und
vorzugsweise löst, andererseits mit einer gewissen Verzögerung der Deckel gegen
den Schließdruck abgehoben wird, so daß Formkammerinhalt so lange austritt, bis
der Innendruck wieder unter den Schließdruck gesunken ist und dieser die Formkammer
wieder schließt. Die Menge des ausgetretenen Formkammerinhaltes bzw. der dadurch
in der Formkammer frei gemachte Raum bestimmt, in welchem Verhältnis die in der
Formkammer verbliebene Masse sich aufblähen kann.
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Mit diesem Formkammerverfahren lassen sich zwar Zellkörper mit gleichmäßig
polyedrischer Zellstruktur und präziser Formgebung herstellen, aber die Nachteile
des Verfahrens liegen wiederum in der Aufwendigkeit für Einrichtung und Betrieb
sowie in der Beschränkung der Formgebung, welche durch das präzise Einspannen der
Form zwischen den parallelen Platten einer Presse bedingt ist, und vor allem im
Verlust an wertvollem Formkammerinhalt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten
Verfahren und Vorrich-
tungen zu vermeiden und zu ermöglichen, daß
auf einfache und sichere Weise Erzeugnisse gewonnen werden, die allen Anforderungen
entsprechen. Die Lösung geschieht nach der Erfindung in verfahrensmäßiger Hinsicht
dadurch, daß die Massen in Anwesenheit eines oder mehrerer kompressibler fester
Körper aufgebläht werden.
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Bei der Durchführung des Verfahrens werden Formkammern verwendet.
In ihnen werden nach der Erfindung ein oder mehrere kompressible Körper und die
zu verarbeitende Mass derart angeordnet, daß die Formkammer unter normalem oder
erhöhtem Druck vollständig gefüllt ist oder dieses doch wenigstens zur Zeit der
beendeten Imprägnierung der Masse mit Gas der Fall ist. Dann wird die Formkammer
während des Herstellungsvorganges und namentlich während der Expansion geschlossen
gehalten, und die Expansion und Fixierung der Masse in der geschlossenen Form sowie
die übrigen etwa darin angestrebten Vorgänge werden durch Wärmezufuhr und Wärmeentzug
unter entsprechenden Temperaturen im Formkammerinhalt hervorgerufen oder durch andere
äußere Einwirkungen, beispielsweise auch Strahlungen.
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Der kompressible Körper ermöglicht dabei die gewollte Expansion der
Masse im gewollten Ausmaß durch entsprechende eigene Volumensverminderung, die durch
die Eigenschaften des gewählten kompressiblen Körpers und durch die Verfahrensbedingungen
vorbestimmt und gesteuert werden kann.
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Es können nach der Erfindung kompressible Körper verschiedenster
Art verwendet werden, beispielsweise sogenannte Faltkörper (Harmonikaprinzip) oder
polycellulare kompressible Körper.
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Gerade die Verwendung von polycellularen kompressiblen Körpern, die
in zahlreichen verschiedenartigen Ausführungen mit den verschiedensten Eigenschaften
bekannt sind, ermöglicht zahlreiche Varianten der Verfahrensführung.
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Beispielsweise werden Körper mit elastischem Zellwandgerüst durch
die fortschreitende Ausdehnung der Masse progressiv zusammengedrückt unter fortschreitender
Erhöhung des in der Kammer herrschenden Druckes. Bei solchen mit starrem und sprödem
Zellwandgerüst wird der Druck in der Formkammer ansteigen, bis der kritische Druck
des Körpers überschritten wird und seine Zellwände platzen oder das Zellwandgerüst
fortschreitend oder abrupt zusammenbricht, wobei dann unter Komprimierung des bis
dahin in den geschlossenen Zellen eingeschlossenen Gases ein Druckabfall im Formraum
eintritt.
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Da der Verlauf der Kompressionskurve bzw. der kritische Druck für
jeden Körper bekannt oder bestimmbar ist, können durch Verwendung von Körpern entsprechender
Charakteristik und durch das Verhältnis des Körpervolumens zum Formkammervolumen
der Verlauf der Vorgänge vorbestimmt werden.
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Die kompressiblen Körper können durch die angewendeten Temperaturen
beeinflußt werden und das in besonderem Maße, wenn polycellulare kompressible Körper
mit thermoplastischem Zellwandgerüst verwendet werden, deren eigener Kompressionswiderstand
bei genügend hohen Temperaturen gleich Null wird. Das Verfahren bietet damit die
Möglichkeit, durch die Verwirklichung solcher kritischer Temperaturen zu einer willkürlichen
Zeit in der Masse druckabhängige, beispielsweise gasentwickelnde Reaktionen anzuregen,
auszulösen, zu fördern oder weiterzutreiben, beispielsweise indem ein starrer polycellularer
kompressibler Körper angeordnet wird, dessen Zellwandgerüst der Kompression einen
hohen Widerstand entgegensetzt.
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Dehnt sich dann infolge Wärmeausdehnung und geringer Gasentwicklung
die Masse aus, so steigt der Druck in der Formkammer an; wird dann eine entsprechend
hohe Temperatur erreicht, so wird unter dem Einfluß der Wärme und des Druckes das
Zellwandgerüst zusammenbrechen, und da das in seinen Zellen eingeschlossen gewesene
Gas sich noch unter Atmosphärendruck befand, tritt unter Komprimierung dieses Gases
ein Druckabfall in der Formkammer ein, der durch die Dimensionierung des Körpers
so bemessen werden kann, daß die druckabhängige gasentwickelnde Reaktion nunmehr
ablaufen und die Masse sich entsprechend ausdehnen kann.
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Masse einerseits und polycellularer kompressibler Körper andererseits
können nach der Erfindung auch so aufeinander abgestimmt werden, daß Wechselwirkungen
zwischen ihnen eintreten. Beispielsweise kann sich der Körper mit der Masse verbinden
oder in ihr lösen. In diesem Falle werden meist Körper verwendet werden, welche
eine ähnliche oder gleiche Zusammensetzung haben wie die Masse oder das angestrebte
Produkt. Oder es können Bestandteile des einen mit Bestandteilen des anderen reagieren
(Isocyanate mit Alkoholen usw.).
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Nach einer Durchführungsform der Erfindung kann der kompressible
Körper in vorkomprimiertem Zustand, d. h. schon teilweise komprimiert, in die Form
eingebracht werden, oder es kann so verfahren werden, daß er beim Füllen und Schließen
der Form vorkomprimiert wird, so daß der Formkammerinhalt von Beginn an unter einem
gewissen Druck steht.
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Für diesen und andere Fälle eignen sich Formkammern, die, wie die
bekannten Preßformen aus mehreren Teilen, zur Entnahme des Fertigproduktes zerlegt
werden können, die aber außerdem eine oder mehrere Einfüllöffnungen haben, die etwa
mittels Schrauben verschlossen sind, wobei so vorgegangen werden kann, daß dadurch
in einfacher Weise besagte Vorkomprimierung erzielt wird.
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Solche Formkammern können mit kompressiblen Körpern beschickt und
dann geschlossen werden, worauf die Masse durch die Einfüllöffnungen eingebracht
wird.
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Beispiele solcher im vorkomprimierten Zustand eingebrachten kompressiblen
Körper sind: ein Faltkörper aus Eisenblech, der in teilweise komprimiertem Zustand
durch eine Lötung fixiert ist, welche
bei einer bestimmten Temperatur,
mindestens der höchsten Verfahrenstemperatur, schmilzt und den Faltkörper freisetzt,
oder ein polycellularer kompressibler Körper, der sich unter der Einwirkung erhöhter
Temperatur noch weiter ausdehnen kann (z. B. ein unfertiger, unvollständig expandierter
Körper), oder ein solcher Körper, der in teilweise komprimiertem Zustande durch
Unterkühlung oder durch Einschlagen in einen bei erhöhter Temperatur schmelzenden
Umschlag fixiert ist.
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Obwohl abweichende Verfahrensführungen etwa durch Kombination mit
anderen Verfahren nicht ausgeschlossen sind und in den Geltungsbereich des vorliegenden
Verfahrens fallen, wird es als besonderer Vorteil angesehen, daß die Ausdehnung
der Masse bei geschlossener Formkammer durchgeführt werden kann, so daß keine Masse
und kein Gas verlorengehen und ebenso keine in der Kammer etwa erzeugte Druckenergie,
und ferner, daß zusätzliche Druckenergie von außen entbehrt werden kann. Durch den
Wegfall der Notwendigkeit der Anpassung der Formvorrichtungen an die Platten einer
hydraulischen Presse oder an einen Autoklav usw. ergibt sich als ein weiterer Vorteil
eine größere Freizügigkeit in der Gestaltung der Formkammer und des Äußeren der
Vorrichtung.
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Als weiteres Beispiel der vielen neuen Möglichkeiten, welche das
Erfindungsverfahren eröffnet, ist die erfindungsgemäße Beschickung der Formkammer
mit mehreren Schichten gleicher oder unterschiedlicher Masse anzuführen, wobei je
zwei Schichten durch einen kompressiblen Körper voneinander getrennt werden oder
aber miteinander verbunden werden. In letzterem Falle wird man einen polycellularen
kompressiblen Körper vorsehen, der sich mit den beiden benachbarten Schichten verbindet
oder sogar mit ihnen verschmilzt. Ferner kann ein polycellularer kompressibler Körper
an denjenigen Stellen im Formraum angebracht werden, wo man im Fertigprodukt Eigenschaften
haben möchte, die von denen der übrigen Masse abweichen, und wo man diese durch
die Einwirkung eines Körpers entsprechender Zusammensetzung erzielen kann.
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Die beim erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich aufzuwendenden kompressiblen
Körper sind nicht verloren, sondern werden entweder wiedergewonnen und sind dann
beliebig oft verwendbar, oder sie verbleiben im Endprodukt und sind dann produktiv.
Werden als Ausdehnungshilfsmittel Zellkörper verwendet, so wird man vorzugsweise
Abfälle aus der laufenden Fertigung benutzen, welche dann, wenn sie im Endprodukt
verbleiben, noch eine produktive, verbilligende Verwendung gefunden haben.
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Die erfindungsgemäß hergestellten Produkte können anschließend in
beliebiger Weise weiterbehandelt werden, z. B. zwecks weiterer Ausdehnung oder Härtung
des Produktes oder in anderer Weise.
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Statt in der Formkammer kann ein kompressibler Körper auch in einer
mit dieser kommunizierenden besonderen Kammer angeordnet sein, und zwar vorteilhafterweise
so, daß der Körper nach Beendigung des Verfahrens die Nebenkammer ausfüllt, so daß
das polycellulare Produkt die Gestalt der Hauptkammer aufweist. Der Körper kann
inbeiden Fällen mit der Kammer bzw. Formvorrichtung fest verbunden sein, etwa durch
Schweißen, Verschrauben, Kleben, Vulkanisieren, oder auch lose darin angeordnet
werden und dann von der Masse mehr oder weniger eingeschlossen sein.