DK141688B - Fremgangsmaade til fyldning af formvaerktoej med reaktionsblandinger - Google Patents

Description

141688

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til fyldning af formværktøj med reaktionsblandinger, især på basis af råstoffer for polyurethanformstoffer, med en viskositet fra 100 cP til 2500 cP, ved hvilken reaktions-5 blandingen gennem en støbekanal i en lukket form ledes til en over for påfyldningsåbningen liggende formvæg og ved radialt bortløb fordeler sig i formhulrummet.

Ved fremstillingen af såkaldte polyurethan-integralskums toffer, hvor støbte genstande med et massivt dæk-lo lag og en mikroporøs kerne fremstilles i én arbejdsgang, har det største problem vist sig at være reproducerbart at kunne fremstille disse polyurethan-integralskumstoffer uden overfladefejl og fri for blærer og hulrum. Sådanne blærer og hulrum i det indre og på overfladen af formstøbte 15 genstande beror i vidt omfang på luftindeslutninger, scan den til støbningen i regelen benyttede middelviskose reaktionsblanding, dvs. med en viskositet mellem ca. 300 og ca. 1200 cP, indfanger og medriver under sin tilstrømning til formhulrummet. Luftblærer, der først er indespærret i 20 reaktionsblandingen kan ikke mere undslippe fra sådanne hurtigt reagerende reaktionsblandinger og vil forblive deri og altså optræde som hulrum og fejl, især overfladedefekter, i den færdige støbte genstand. Endnu mere ugunstige virker disse fejlkilder, fordi luftblærerne navnlig samler sig 25 på overfladen efter reaktionsblandingens indløb i formen.

Sådanne genstande kan ikke anvendes på grund af svækkelse og synlige defekter. Da man kun i de allersjældneste tilfælde kan udbedre sådanne fejl ved kostbar efterbearbejdning, er kassationsprocenten på grund af indeslutningen 30 af luftblærer ved fremstilling af støbte integralskumstof-genstande desværre stadig meget høj.

Det har ikke manglet på anstrengelser for at overvinde dette fænomen, der stærkt påvirker produktkvaliteten og dermed fremstillingsmetodens økonomi.

35 I det simpleste tilfælde hjælper man sig ved at lade reaktionsblandingen flyde så langsomt ud i det åbne formværktøj, at den over en så vidt mulig let skrånende 2 141888 flade strømmer laminart til de dybeste steder i formværktøjet. Herved skal enhver omvæltende og kaskadeagtig strømning undgås. Denne metode kræver et pålideligt, veluddannet personale og forudsætter et reaktionssystem, der udvi-5 ser en lang såkaldt "starttid", dvs. tiden i flydende fase, indtil reaktionsblandingens opskumning begynder. Ved gennemførelsen af den skildrede fremgangsmåde må man regne med en meget lang påfyldningstid i det dyre formværktøj, således at værktøjsomkostningerne udgør en høj andel af produk-10 tionsomkostningerne.

Ofte er det ikke muligt at fylde reaktionsblandingen i et sådant åbent formværktøj, fordi formskillefladerne ligger så dybt, at reaktionsblandingen vil strømme ud fra formhulningen, eller fordi reaktionsblandingen skummer 15 hurtigere op og bliver fast, end værktøjet kan lukkes. Af denne grund tilstræbes påfyldning i et lukket værktøj gennem en åbning, der igen kan lukkes efter tilledningen af reaktionsblandingen.

Ved lodret fald af reaktionsblandingen gennem til-20 ledningsåbningen og ned på formværktøjsbunden har det dog vist sig, at der også herved kommer luft ind i den flydende stråle, hvorved de nævnte fejl igen optræder.

I analogi med manuel påfyldning af reaktionsblandingen i det åbne formværktøj via en let skrånende over-25 flade har man endelig fundet en metode til at overføre den ønskede laminare påfyldningsmåde også til brugen af det lukkede formværktøj under reproducerbare betingelser: Reaktionsblandingen indføres gennem en cirkel- eller halveirkelformet kanal ved formværktøjsadskillelsesfladen 30 i formværktøjshulningen og ledes over en spalte med en bredde på 3 til 10 mm og en spaltehøjde på 1 til 2 mm til den underste, let skrånende formværktøjsflade. Denne arbejdsmåde er kendt under begrebet "Filmstøbning" og kan også udøves automatisk.

35 Ved den anførte metode udgør spaltelængden og her med den minimale kanallængde ca. 500 mm ved støbning af genstande med en vægt på 7 kg. Spaltelængden bliver større med tiltagende støbevægt, især når der vælges et system 141688 3 med højere reaktivitet. Det gunstigste mål for tilledningshastigheden i filmspalten har vist sig at være en strøm på 1 m/sek., men kan dog i undtagelsestilfælde maksimalt tillades at nå op på 3 m/sek. Denne praktiske værdi hen-5 fører til en reaktionsblanding med en viskositet på 600 cP.

Den nævnte betingelse, nemlig tilledning via en spalte på, 1-2 mm ved en maksimal strømningshastighed på 1 m/sek. udgør en meget betydelig begrænsning af metoden, således at ekstremt høje doseringsmængder ikke kan realiseres. Derfor 10 bliver fremstillingen af meget store genstande ved støbning under anvendelse af sådanne reaktionsblandinger, der er meget reaktive, ikke mulig. Det er heller ikke muligt at anvende ekstremt reaktive systemer med starttider på ca. 1 sek., og altså med formfyldningstider på under 1 sek., 15 ved støbning af små og middelstore genstande. Denne begrænsning af den nævnte påfyldningsmetode under brug af moderat aktiverede reaktionssystemer er derfor særdeles uheldig, da dette udelukker muligheden for at opnå de ekstremt korte opholdstider i formværktøjet, som forøger produktions-20 hastigheden og som ellers er mulige med de ekstremt reaktive reaktionsbetingelser (men med lave viskositeter).

Det er konstateret, at laminar påfyldning af reaktionsblandingen i formværktøjet forudsætter, at reaktionsblandingen skal ledes over den nævnte påfyldningsspalte 25 og selv løbe til de underste, let skrånende flader i formværktøjets hulrum. Por at dette skal kunne gennemføres i hvert enkelt tilfælde, må formværktøjet alt efter sin udformning og svarende til formadskillelsesfladens beliggenhed, der kun sjældent kan vælges frit, anbringes i over-30 ensstemmelse hermed ved påfyldningen. Dette betyder, at næsten alle formværktøjer må påfyldes reaktionsblanding, medens de er anbragt i en foretrukket hældning, der skal bestemmes empirisk. Por den industrielle fremstilling betyder dette, at man må fastspænde formværktøjet i sving-35 presser, der kan anbringes med vilkårlig hældning. Disse svingpresser kræver et stort opbud af canstillelighed, bæreevne og plads og gør derfor sprøjtestøbning med poly- 4 141688 urethanreaktionsblandinger af sådanne genstande underlegen i forhold til andre formstofformgivningsmetoder, specielt ved støbning af store emner.

Udover den nævnte metodes ulemper med stort maski-5 nelt opbud til indretningen af svingpresserne og begrænsningen af tilledningshastigheden over en spalte, er det uheldigt, at den hertil anvendte lange støbekanal indeholder hærdet støbefilm, der må betragtes som affald, idet støbekanalen ved hver formpåfyldning fyldes med støbefilm, som 10 ikke igen kan oparbejdes. Dette betyder, at der f.eks. ved støbning af en genstand med en vægt på 5 kg må regnes med et materialespild på 200 til 600 g alt efter aktiviteten af det anvendte polyurethansystem, der ikke kan regenereres og bruges igen ved ny støbning.

15 Grunden til, at man ved den kendte teknik arbejder med så lange støbekanaler til påfyldning af formvsrktøjet, er naturligvis som allerede anført, at fagmanden har erkendt det ønskværdige i at opnå laminar strømning for at undgå det frygtede fænomen medrivning og indespærring af luft, der 20 fremkalder blærer i de støbte genstande. Dette sikres ganske vist, når man omdanner den fra blandekammeret udtrædende tykke stråle til en bred, flad strøm ved at lade reaktions-blandingen løbe langsomt (ofte ved sin egen tyngde alene) hen over en stor flade eller gennem en snæver, bred, lang 25 støbekanal og træde ind i formværktøjets hulrum som en film, der så ved passende hældning af formen selv fordeler sig ved laminar strømning hen over formens skrånende nedenfor liggende flader; men det indebærer de omtalte ulemper med alt for lange formpåfyldningstider og stort materialespild 30 på grund af den hærdede rest i den meget lange støbekanal.

Hertil kommer, at man ikke kan benytte blandehoveder med udstødning af reaktionsblandingen fra blandekammeret ved hjælp af et stempel og direkte ind i formværktøjets hulrum således som f.eks. kendt fra tysk fremlæggelsesskrift 35 nr. 2.145.547, da denne operation har vist sig også at give indespærrede luftblærer, idet den normalt benyttede stempeludpresningshastighed og de gængse indløbsforhold ved tilledning direkte fra blandekammeret til formhulrummet, dvs.

141688 5 helt uden støbekanal, bevirker endog kraftig omvæltning af reaktionsblandingen, når den presses ind i formhul-rummet, hvor den hurtigt indfanger tilstedeværende luft, som hidrører fra tømningen af formen efter den foregåen-5 de støbning.

Det har nu imidlertid vist sig, at man kan afhjælpe ovennævnte problemer ved i stedet at ændre indløbsbetingelserne, således at der opnås en kort støbekanal med et mindre tværsnit (og dermed altså en mindre støberest 10 end ved den kendte teknik) og således at man helt undgår at skulle hælde formværktøjet (og dermed undgår brugen af svingpresser). Dette sikres ved at vælge formhulrummets spaltehøjde s inden for et bestemt interval i kombination med styring af reaktionsblandingens indløbshastig-15 hed i afhængighed af dens viskositet og påfyldningskanalens tværsnit.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er i overensstemmelse hermed ejendommelig ved, at formhulrummets spaltehøjde s i området ud for påfyldningsåbningen og til på-20 fyldningstidspunktet er mellem 0,5 og 15 mm, og at påfyldningshastigheden samt påfyldningsåbningens tværsnit er dimensioneret således, at der opnås laminar strømning, idet spaltehøjden s i mm sammen med reaktionsblandingens radiale fordelingshastighed mellem påfyldningsåbningen og den 25 over for liggende formvæg wra(jj_a]_/ der i m/sek. defineres som Q/F, hvor Q er påfyldningsmængden af reaktionsblandin-gen i m /sek., og F er en cylinderformet afstrømningsflade mellem påfyldningsåbningen og den over for liggende form- 2 væg i m , og reaktionsblandingens viskositet u i cP målt på 30 et Hoppler-viskosimeter ifølge DIN 53015 ved 20°C opfylder betingelsen: "radial (m/sek-> s (mm) L_ _ 1 (OP)

Herved sikres laminar strømning under sådanne for-35 hold, at produktionshastigheden kan øges væsentligt, idet formhulrummet udluftes ved simpel fortrængning, uden den indstrømmende reaktionsblanding omvæltes, og luftindeslut- 6 141688 ninger undgås således.

Da påfyldningstiden nedbringes effektivt, kan også højreaktive reaktionssystemer nu støbes og selv fremstilling af store emner gennemføres. Svingpresser er unødven-5 dige, og støberesten i kanalen kan gøres væsentligt mindre, så affaldsmængden minimeres. I øvrigt kan fremgangsmåden ifølge opfindelsen udøves i direkte tilslutning til det fra ovennævnte tyske fremlæggelsesskrift nr. 2.145.547 kendte blandehoved med stempeludpresning, men uden brug 10 af svingpresse.

Ovennævnte cylinderformige afstrømningsflade Ψ mel-lem tilledningsåbning og over for liggende væg i m kan også bestemmes som 7 = V* · d · s, hvor d er diameter af påfyldningsåbningen (eller støbekanalen) i m, og s er 15 som ovenfor defineret.

Da reaktionsblandingens viskositet på grund af reaktionshastigheden ikke umiddelbart kan måles, må viskositeten beregnes ud fra de tilhørende komponenter, nemlig ifølge formlen:

20 GA *2a + GB

blanding = —----—— ga + gb i hvilken iblanding = viskositet af blanding 25

= vægtdele af komponenten A Gg = vægtdele af komponenten B

= viskositeten af komponenten A |g = viskositeten af komponenten B

30 På analog måde kan også middelværdi formlen for viskositeten af blandingen opstilles for mere end to reaktionskomponenter .

Viskositeterne måles med et Hoppler-viskosimeter, således som det er beskrevet i DIN 53 015, "Messung der 35 Viskositåt mit dem Kugelfallviskosimeter" (ifølge Hoppier).

141688 7

Især ved meget højreaktive reaktionsblandinger, overholdes under hensyn til ønsket om øget sikkerhed betingelsen ' 5 "radial lm/selt·» ' 8 <™> C 0.1 t (cP) På samme måde har det vist sig, at man optimerer fremgangsmåden i henseende til ovennævnte tekniske virkninger, når man fortrinsvis vælger spaltehøjden s mellem 10 1 og 8 mm.

Det har endvidere vist sig, at den tilstrømmende reaktionsblandings indføringsvinkel i formen har en vis betydning. Ifølge en særlig udførelsesform for fremgangsmåden er det ifølge opfindelsen hensigtsmæssigt, at s tø-15 bekanalens akse danner en vinkel på mellem 60 og 90° med den flade af formvæggen, der ligger over for påfyldningsåbningen. Fortrinsvis vælger man imidlertid en vinkel på mellem 75 og 90°, da også denne foranstaltning tjener til en optimering af fremgangsmåden, især i sammenhæng i høj-20 reaktive reaktionsblandinger.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen skal belyses nærmere under henvisning til tegningen, der viser forskellige udførelsesformer i snit af området for påfyldningsåbningen i formværktøjet, idet 25 fig. 1 viser et formværktøj, hvis spaltehøjde s i området for tilledningsåbningen overalt er som ovenfor defineret, fig. 2 viser et formværktøj med en indstillelig plade til variabel indstilling af spaltehøjden s i til-30 ledningsområdet, fig. 3 og fig. 4 viser en formindsket spaltehøjde s i tilledningsområdet med forskellige overgange til en normal spaltehøjde i resten af formen, fig. 5 viser et formværktøj, hvis påfyldningsåb-35 ning er anbragt i et hjørne af formhulrummet, fig. 6 viser et snit langs linien A-B i fig. 5, hvor påfyldningsåbningen har cirkulært tværsnit, og 8 141688 fig. 7 viser et snit langs linien A'-B' i fig. 5, hvor påfyldningsåbningen er kvadratisk (dog med afrundede hjørner).

Arrangementet i fig. 1 kan anvendes til forme med 5 spaltehøjder fra 0,5 til 15 mm. Det kan også anvendes til forme med højere hulrum, når spaltehøjden s holdes inden for de ifølge opfindelsen foreskrevne mål i området for påfyldningsåbningen, eller når spaltehøjden s ved påfyldningsåbningen i det mindste under påfyldningen holdes in-10 den for de ifølge opfindelsen foreskrevne grænser ved hjælp af en egnet anordning (fig. 2), f.eks. en forskydelig cylinder eller en membran, der under påfyldningen tilvejebringer den forholdsvis lave spaltehøjde s og umiddelbart efter afslutningen af påfyldningen viger tilbage 15 til en endelig, større spaltehøjde.

Herved kommer reaktionsblandingen gennem en påfyldningsåbning 1 til et formhulrum 2, der har spaltehøjden s.

En bevægelig plade 3 befinder sig herved i den viste position, hvor den holdes ved hjælp af en hydraulisk stempel-20 -cylinder-enhed 4. Pladen 3 er sænket, så dens frie flade begrænser formhulrummet 2, således at reaktionsblandingen ved sin udtræden i formhulrummet strømmer gennem en spalte med højden s og med en hastighed wmax i 1 m/sek. Efter påfyldningen trækkes pladen 3 ved hjælp af stempel-cylin-25 der-enheden 4 til sin øverste stilling, så spaltehøjden øges, specielt til samme niveau som resten af formhulrummet, så den støbte genstand får ensartet godstykkelse.

I fig. 3 er der vist spalteforskelle i formhulrummet, ved hjælp af hvilke man i udløbsområdet ved højden s 30 styrer fordelingshastigheden af reaktionsblandingen wmax “ 1 m/se·^· °9 derefter overgår til større højde og dermed godstykkelse.

I fig. 4 går formdelen fra støbekanalen 5 i udløbsområdet med spaltehøjden s "blødt" over i et område med 35 større spaltehøjde. Også denne løsning fører til positive støberesultater ved formværktøj med tilsvarende formhulning.

1A1688 9 I fig. 5 til 7 er en påfyldningsåbning 6 anbragt ved en kant (fig. 6) og i et hjørne (fig. 7) af formhul-rummet. Påfyldningsåbningerne 6 er her udformet rundt (fig. 6) eller kvadratisk (fig. 7). De kan også, som vist 5 i fig. 7 være tilpasset efter kanten af hulrummets forløb, altså være udført retvinklet, ovalt eller buet.

De følgende udførelseseksempler illustrerer fremgangsmåden ifølge opfindelsen nærmere.

Eksempel 1 Følgende polyurethan-sammensætning anvendes (elastisk indstilling):

Komponent A med 7 = 500 cP ved 20°C 88 vægtdele polyetherpolyol 8 vægtdele trichlormonofluormethan •*•5 4 vasgtdele methylenchlorid

Komponent B med *1 = 50 cP ved 20°C

Carbodiimid-modificeret 4,4'-diphenylmethandiisocya-20 nat, NCO-indhold: 30%

Recept: 100 vægtdele komponent A 45 vægtdele komponent B

25 Beregning af viskositetsregnestørrelsen: iblanding- 10P ·, 500^+ 45 · 50

*1 blanding = 362 cP

30 Viskositeterne af de enkelte komponenter blev målt med et Hoppler-viskosimeter ifølge DIN 53015.

Påfyldningsbetingelser:

Spaltehøjde s = 1 mm Påfyldningsmængde på 20 liter/min. gennem en påfyld-35 ningskanal med en diameter på 10 mm lodret ned på den overfor liggende formvæg 141688 -3 ίο w , . , = i = m/sek = 10,6 m/sek.

radial F go · 10 3 · 10 V

*1 = 362 cP

Påfyldningskanalaksen ligger horisontalt.

5 Den støbte genstand er absolut blærefri, både i god set og på overfladen.

Undersøgelse af kendeværdierne; %---362--°'029 10 Eksempel 2

Der anvendes følgende polyurethansammensætning med hård indstilling:

Komponent A medT= 800 cP ved 20°C, målt ifølge DIN 53015.

100 vægtdele af en polyetherblanding, OH-tal 500 15 12 vægtdele trichlormonofluormethan

Komponent B med *1 — 200 cP ved 20°C, målt ifølge DIN 53015. modificeret 4,4r-diphenylmethandiisocyanat, NCO-indhold: 28%

Recept: 112 vægtdele komponent A

20 150 vægtdele komponent B

Beregning af viskositetsregnestørrelsen * , ,_ ,. _ 112 · 800 + 150 · 200 Z blanding = - 252-

25 % blanding = 495 cP

Påfyldningsbetingelser:

Spaltehøjden 13 mm. Gennem en påfyldningskanal med en diameter på 20 mm påfyldes 200 liter/min., og hvis akse danner en vinkel på 80° med den over for liggende form-30 væg. Påfyldningskanalaksen forløber vertikalt, så påfyldningsretningen er rettet nedad.

wradi al = 2 - -200· 10-- - = 4,05 m/sek., s = 13 mm og 't = 495 cP.

35 Den støbte genstand er blærefri både inde i godset og på overfladen.

141688 11

Undersøgelse af kendeværdierne: w · s _ 4,05 · 13 ,nf ---495--°'106

Eksempel 3 5 Følgende polyurethansammensætning med hård ind stilling blev anvendt:

Komponent A med *1 = 2.300 cP ved 20°C, målt ifølge DIM 53015 83 vægtdele af en diamin 10 17 vægtdele trichlormonofluormethan

Komponent B med X = 2.050 cP ved 20°C, målt ifølge DIN 53015.

84 vægtdele af en diisocyanatd-toluen-præpolymer, NCO-indhold: 12% 16 vægtdele trichlormonofluormethan

15 Recept: 100 vægtdele komponent A 208 vægtdele komponent B

% blanding - 100 ' 23%0+ 210 ' 2050 20 % blanding = 2230 Påfyldningsbetingelser:

Spaltehøjde s = 3,8 mm Påfyldningsmængden på 15 liter/min. ledes nedad 25 gennem den lodret stående påfyldningskanal med en diameter på 9 mm. Påfyldningskanalens akse danner en vinkel på 45° med formvæggen

Wradial = F 60 · 3,8 · 10“^ . 9 · 10“^ 2,4 m/sek* 30 Den støbte genstand er fejlfri, både i godset og på overfladen.

Undersøgelse af kendeværdierne: ^ · w3 - 35 Eksempel 4

Reaktionsblandingen er ifølge eksempel 2. wradial = 22,4 m/sek· Påfyldningskanalen står vinkelret på den over for liggende væg. Påfyldningskanalens akse 12 141683 danner en vinkel med lodret på 45°. Spaltehøjden s = 5,8 mm.

Den støbte genstand udviser enkelte luftblæreindeslut-ninger.

5 Undersøgelse af kendeværdierne: w · s _ 22,4 · 5,8 _ „ ,,.Q ---363--°'368

Eksempel 5 10 Reaktionsblandingen er ifølge eksempel 2. Betingel serne ved anvendelse af formværktøjet er i forhold til eksempel 4 ændret således, at wra^^al 19,8 m/sek., og spaltehøjden i støbeområdet er reduceret til s = 4 mm i en radius på 60 mm rundt om påfyldningsåbningen. Form- 15 hulrummet i værktøjet går derefter jævnt over til en spaltehøjde s på 5,8 mm ved en radius på 100 mm rundt om påfyldningsåbningen. Den støbte genstand er absolut uden blærer.

Undersøgelse af kendeværdierne: 20 w s = 1-9'8 · 4 = 22 \I 363

Ved en yderligere reduktion af tilstrømningshastigheden til 14 m/sek. er også her den støbte genstand dadel- 25 fri·