EP2300208A1 - Herstellung eines feststoff-enthaltenden pur-sprühstrahls - Google Patents

Herstellung eines feststoff-enthaltenden pur-sprühstrahls

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Publication number
EP2300208A1
EP2300208A1 EP09753634A EP09753634A EP2300208A1 EP 2300208 A1 EP2300208 A1 EP 2300208A1 EP 09753634 A EP09753634 A EP 09753634A EP 09753634 A EP09753634 A EP 09753634A EP 2300208 A1 EP2300208 A1 EP 2300208A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spray
gas
pur
gas stream
solid
Prior art date
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Ceased
Application number
EP09753634A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Guido Wirtz
Andreas Frahm
Hannig Frithjof
Stephan Schleiermacher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Covestro Deutschland AG
Original Assignee
Bayer MaterialScience AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayer MaterialScience AG filed Critical Bayer MaterialScience AG
Publication of EP2300208A1 publication Critical patent/EP2300208A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B7/00—Mixing; Kneading
    • B29B7/74—Mixing; Kneading using other mixers or combinations of mixers, e.g. of dissimilar mixers ; Plant
    • B29B7/76—Mixers with stream-impingement mixing head
    • B29B7/7615—Mixers with stream-impingement mixing head characterised by arrangements for controlling, measuring or regulating, e.g. for feeding or proportioning the components
    • B29B7/7621—Mixers with stream-impingement mixing head characterised by arrangements for controlling, measuring or regulating, e.g. for feeding or proportioning the components involving introducing a gas or another component in at least one of the components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/10—Mixing by creating a vortex flow, e.g. by tangential introduction of flow components
    • B01F25/104—Mixing by creating a vortex flow, e.g. by tangential introduction of flow components characterised by the arrangement of the discharge opening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/50—Mixing liquids with solids
    • B01F23/57—Mixing high-viscosity liquids with solids

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of a solid-containing PUR spray jet and a spray attachment.
  • a currently common method for introducing solids into a pressurized gas atomized polyurethane spray jet is the lateral injection of the particles via one or more entry organs mounted outside the mixing head. With ideal conditions and coordination of the flow velocities, the introduced solid stream jet experiences a jet breakup in the center of the polyurethane spray jet, which causes sufficient wetting and distribution of the solid particles.
  • the gas flow rate is a decisive parameter for the function.
  • the gas flows influence each other, so that only a Koimpromiss is reached as the optimum.
  • the solids to be used with one of the two polyurethane components - usually the polyol component - mixed and the resulting solid component mixture used to prepare a solid-containing PUR composite material.
  • the solids to be used with one of the two polyurethane components - usually the polyol component - mixed and the resulting solid component mixture used to prepare a solid-containing PUR composite material.
  • Examples in this context are DE 39 09 017 C1 and DE 40 10 752 A1, in which the production of expanded graphite or expandable graphite / melamine-containing polyurethane flexible foams is described.
  • solids with very different specific gravity such as wood flour or hollow glass spheres can be processed poorly by this method.
  • wood flour or hollow glass spheres can be processed poorly by this method.
  • solids tend to float in the reservoir, in the case of wood flour also to swell.
  • the presence of the solid in the liquid polymer component has changed the physical properties, for example the viscosity, relative to the pure polyol component, thereby adversely affecting the miscibility of the reaction components.
  • the second variant for the production of solid-containing PUR composite materials consists in the injection process, in which a solid-containing gas stream is passed into a PUR spray.
  • the solids are fed to the spray.
  • the addition of the solids is preferably carried out via one or more external, laterally attached to the spray mixing head entry organs, the solids are preferably introduced laterally assisted gas assisted in the spray.
  • this method could not meet the increasing demand for uniformity of distribution.
  • a PUR spray jet is understood to mean a jet which consists essentially of fine particles (droplets) of a PUR material dispersed in a gas stream, that is to say a mixture of at least one polyol and at least one isocyanate component.
  • Such a PUR spray may be obtained in a variety of ways, for example by atomizing a liquid jet of PUR material through a gas stream introduced into it or by discharging a liquid jet of PUR material from a corresponding (atomizing) nozzle.
  • the object underlying the present invention is achieved by a process for the preparation of a solid-containing PUR spray jet, which is characterized in that a solid-containing gas stream is introduced into a liquid jet of a PUR reaction mixture.
  • a "liquid jet of a PUR reaction mixture” is understood as meaning a fluid jet of a PUR material, in particular in the region of a mixing chamber for mixing the reaction components in liquid form, which is not yet in the form of fine reaction mixture droplets dispersed in a gas stream, ie
  • a liquid jet of a PUR material is therefore not understood to mean a PUR spray jet already described above.
  • the prior art methods of the above-described second alternative essentially use a gas stream or nozzle to atomize a PUR reaction mixture and blow into such an atomized PUR spray another solid-containing gas stream
  • the method is characterized of the present invention characterized in that a solid containing the gas stream is used in a spray mixing nozzle for atomizing a liquid jet of a PUR reaction mixture at the exit from this mixing chamber.
  • the solids are lossless mixed with the PUR reaction mixture inside the spray nozzle, forcibly wetted and obtained a homogeneous gas / solid / PUR material mixture.
  • solids are understood essentially to mean those compounds and substances which are present in a solid state of aggregation at the temperature used for the process, that is to say, for example, relatively high-density solids, which are commonly referred to as fillers, fibrous solids , such as glass or carbon fibers or recycled in powder form and flame-retardant solids, such as expanded graphite, melamine and ammonium sulfate.
  • relatively high-density solids which are commonly referred to as fillers
  • fibrous solids such as glass or carbon fibers or recycled in powder form
  • flame-retardant solids such as expanded graphite, melamine and ammonium sulfate.
  • the term solids also includes those of lower density, lower specific gravity, as defined in the introduction to the description.
  • the solid-containing gas stream is preferably prepared by passing a gas stream over solids-containing dosing cells of a cell wheel metering device. Due to the overflow of the cell spaces, the solid is entrained by the compressed air flow and transported as a solid / air or gas mixture to the mixing chamber / mixing head. To avoid pulsation, the channel must be designed in the interior of the metering device of the diameter such that a positive overlap can be excluded. This embodiment further ensures that even with a shutdown or speed changes of the Zellraddos ist a quantitatively unchanged air flow rate for spraying the PUR reaction mixture is available and thus can be sprayed optionally without or with variable amounts of solids. A particular advantage of such a Zellraddosier Anlagen is to mention that the solids content in the produced PUR composite material can be variably adjusted.
  • a special embodiment undergoes the method using a Zellraddosier founded to the effect that the gas stream and the solids reservoir can be connected to each other via a pressure equalization.
  • the maximum possible gas to solid volume ratio when entering the spray mixing nozzle is preferably in the range from 20: 1 to 200: 1, particularly preferably 50: 1 to 100: 1
  • AIs solid is used in the process according to the invention in particular expanded graphite.
  • expanded graphite-modified PUR composite materials which are currently of great interest, in particular because of their flame-retardant properties.
  • Other possible solids are, for example, barium sulfate, calcium sulfate, chalk, melamine or wood flour or powdered polyurethane waste.
  • a further embodiment of the present invention consists in a spray attachment for introducing a gas stream into a jet of liquid PUR raw material comprising a) a spray channel through which the jet of PUR raw material flows, b) at least one gas channel opening into the spray channel via an inlet through which flows the gas stream, which is characterized in that the flow direction of the gas stream when entering the spray channel runs outside the center of the spray channel.
  • the jet of liquid PUR raw material continues after leaving the PUR mixing head in the spraying channel of the spray attachment.
  • the spray channel therefore preferably has the same diameter as the mixing chamber in the PUR mixing head. However, it can also have smaller or larger diameters.
  • the spray channel is designed tubular, wherein the longitudinal axis is preferably located on a straight line with the longitudinal axis of the mixing chamber of the polyurethane mixing head.
  • the inlet openings for the gas stream entering into the spray channel are preferably arranged in the vicinity of the transition from the polyurethane mixing head to the spray header, that is to say at the beginning of the spray channel (seen in the flow direction).
  • Both the "flow direction of the gas stream" and the “flow direction of the PUR raw material" to be entered further below are to be understood vectorially, the length of the respective vectors being proportional to the respective volume flow and their direction parallel to the flow direction of the gas stream or of the PUR raw material are.
  • the exact spatial position of these vectors is due to the non-straight or punctiform configuration of the inlet opening or the spray channel defined so that the flow direction of the gas flow does not pass through the center of the inlet opening and the spray channel.
  • the above-described orientation of the flow direction of the gas stream as it enters the spray channel comprises all possible arrangements of inlet openings in the spray channel, apart from those in which the flow direction of the gas flow runs exactly through the center of the spray channel.
  • the flow direction of the gas stream when entering the spray channel, passes through the spray channel at a distance y of 0.8 • r ⁇ y ⁇ r from the center of the spray channel, where r corresponds to the radius of the spray channel.
  • a rotation component supplied. This arrangement serves to optimally distribute and mix the solid / liquid / gas mixture with the liquid jet of the PUR material.
  • the device according to the invention comprises a plurality of gas ducts, in particular an even number of gas ducts, whose gas flows can be changed independently of one another.
  • Independently changeable in the sense of the present invention may refer both to the flow direction of the gas stream entering the spray channel, the volume flow of the gas stream and the actual composition of the gas stream, for example, solids or liquids contained therein Number of gas channels is preferred insofar as it can be realized by this one for the material of the spray attachment particularly gentle process variant.
  • the diameter of the gas channel in particular shortly before entry into the spray channel, be reduced in the direction of the flow direction of the gas flow.
  • the flow rate is increased, prevents backflow of gas-solid / liquid mixture in the gas channel and the intensity of the rotation effect in the spray channel amplified.
  • the gas flow rates should be adjusted so that comparable flow rates are present in the respective gas channels.
  • the usual supply quantities of spray headers are in this method between 1.5 to 5 dm 3 / s gas.
  • the ratio of the cross-sectional area of the inlet opening to the cross-sectional area of the gas channel at its widest point is in a range of 1: 8 to 1:40, i. the cross-section of the gas channel tapers towards the outlet (inlet opening).
  • the inlet opening (s) preferably has a cross-sectional area in the range from 1 to 4 mm 2 .
  • the design of the cross-sectional area of the inlet opening is usually carried out experimentally, since in addition to the particle size and surface structures and particle geometries are responsible for the delivery characteristics. As a design orientation, a diameter of 3.3 x equivalent diameter can be assumed.
  • the flow direction of the gas flow and the direction of flow of the PUR material preferably enclose an angle of 110 to 115 °.
  • Tests have shown that expandable graphite platelets show a significantly better discharge behavior into the jet of the liquid PU material as a result of this measure (s). Centrifugal forces cause a deflection and compression of the Particle beam.
  • Flow rate and the streamlined particle orientation can be promoted in this way even larger diameter solids without constipation phenomena by the tapered gas flow in the flow direction.
  • the spray attachment according to the invention is characterized in that it is combined with a high-pressure mixer or a low-pressure mixer
  • the components of the spray attachment coming into contact with the optionally solids-laden gas stream are preferably made of a wear-resistant material, in particular aluminum oxide, tungsten carbide, silicon carbide and / or boron carbide.
  • the gas channel is formed by a two-part insert, in particular an insert made of a wear-resistant material. These measures significantly reduce the material removal both in the gas channel and in the spray channel.
  • the two-part insert can also be formed from a less wear-resistant material - in this case is preferably a ceramic disc between the lower and the upper component, in particular a ceramic disc made of a wear-resistant material, which covers the gas channels upwards and thus as the actual Deflection component for the particle-laden gas stream acts.
  • PUR systems such as those used for insulators, cable ducts and floor sealing.
  • solids for better flame retardancy, better mold release, a better electrical insulation or improved mechanical properties are used.
  • Hot casting systems solid and foamed elastomers - such as those used in dampers or wheels of forklift trucks.
  • solids for better flame retardancy, better mold release, a lower abrasion, a better electrical conductivity, a variation of the spring characteristic or improved mechanical properties can be used.
  • Elastic and hard spray skins which are used to produce wear-resistant coatings on simple profiled, large-area metal parts such as silos, bulk containers, conveyors or pipes, for the production of waterproof layers in construction, eg roof and bridge sealing, for the production of elastic forms, for the insulation of syntactic foam pipes, as a fire protection layer for example, containers or as outer skin / protective layer of moldings, for example, seat foams and sound absorption parts are used.
  • Linear expansion coefficients a higher density or a lower abrasion are used.
  • Soft (form) foams via spray discharge as used for example in Wegstal. Molded foam for applications in private and public spaces and in passenger transport such as seating for bus, train, ship, plane, car, theater, cinema, furniture and (hospital) beds occurrences.
  • solids for better flame retardancy, better electrical conductivity, better mold release, increased or decreased water absorption, improved mechanical properties, better sound absorption or lower abrasion are used.
  • Soft (form) foams via spray discharge such as those used for example as seal and filter foams in the automotive industry.
  • solids for better flame retardancy, better electrical conductivity, better mold release, improved mechanical properties or lower abrasion can be used.
  • Hard foams via spray discharge such as those used in pipe insulation, in metal composite panels, in refrigerators, tanks, reactors or hot water storage tanks.
  • solids for better flame retardancy, a better connection to the substrate, a better electrical conductivity, a better thermal resistance and insulation and improved mechanical properties can be used.
  • Semi-hard foams via spray application such as those used for instrument panels, interior door linings or headliners.
  • solids for better flame retardancy, a better connection to the ground, a better electrical conductivity, improved mechanical properties, increased or decreased water absorption, improved acoustic properties or improved thermal properties can be used.
  • solids for better flame retardancy, a better connection to the substrate, a better electrical conductivity, a better thermal resistance and insulation and improved mechanical properties can be used.
  • Soft and hard integral foams via spray discharge such as those used for protectors, armrests, headrests, furniture, housings of electrical appliances, ski cores, decorative elements or trim parts of vehicles become.
  • Linear expansion coefficient or a lower abrasion are used.
  • Fire protection lacquers or colored lacquers via spray discharge where the fire retardants or the color pigments can be directly added to any desired base lacquer using the procedure described above.
  • Spackling compounds with spray-on agent such as those used for surface smoothing of hand laminates, SMC, BMC and RTM laminates.
  • spray-on agent such as those used for surface smoothing of hand laminates, SMC, BMC and RTM laminates.
  • solids for better flame retardancy, better electrical conductivity, improved paint adhesion, improved sandability, improved mechanical properties, a smaller linear thermal expansion coefficient, a higher density or lower abrasion can be used.
  • the size of the solid particles to be introduced is of some importance.
  • the size of the particles is particularly preferably up to 1 mm particle size.
  • the process of the invention is preferably carried out by spraying a solid-containing PUR spray jet as described above in an open mold or on substrate support.
  • Figures 1 to 4 show the spray attachment according to the invention and its use in conjunction with a mating mixing head.
  • FIGS. 1 and 2 show by way of example a spray attachment, which consists of two parts, namely the components 2 and 6 shown in FIGS. 1 and 2.
  • the lower part 2 of the spray attachment is.
  • the gas channels can be fed through the inlets 1 with gas or solid mixture; they continue through the component to its visible in Fig. 1 surface. Since the gas channels run obliquely within the component, they appear on the surface of the component 2 in an elliptical shape. Starting from this gas channel 3, a passage 4 of smaller diameter leads to the spray channel 5.
  • FIG. 2 an upper cover member 6 for the lower part of the spray attachment 2 is shown (which is located in the finished assembly between the lower part of the spray attachment 2 and the mixing head).
  • FIG. 3 and 4 show the spray attachment according to the invention, again consisting of the two components 2 and 6, in conjunction with a PUR high-pressure mixing head 10th
  • Fig. 3 it is shown how the gas channels 3 and gas passages 4 shown in Fig. 1 are covered by the ceramic cover 8, so that the passing through the gas channels 3 gas stream 9 when hitting the ceramic disc 8, a deflection at an angle of 5 ° to 10 ° experiences.
  • the diameter ratio of the Sprühkanaleingangs to the inner diameter of the Mischkopfauslaufs 1 1.
  • a plunger 7, which serves to clean the mixing head channel.
  • the embodiment shown in Fig. 4 corresponds to an essential part of the embodiment shown in Fig. 3 - with the difference that no ceramic cover 8 is provided.
  • the inserts 2 and 6 are preferably formed of a wear-resistant material.
  • Fig. 5 shows a Zellraddosier device in side view. As shown, the diameter of the channels inside the cell wheel of the cell wheel metering device is smaller than the diameter of the channel through which the gas is directed to the cell wheel metering device.
  • Fig. 6 shows the Zellraddosier device of FIG. 5 in side view. Shown is the pressure equalization, which connects the solid storage tank and leading to the solid storage gas stream with each other.
  • the aim of the following embodiment was the introduction of expanded graphite in a PUR spray to produce a flame-retardant PUR layer.
  • the desired amounts of solids were 20 percent by weight based on the PUR output.
  • Output reaction mixture 50 g / s (mixture density 1.088 g / cm 3 )
  • Diameter spray nozzle 5 mm
  • Polyol 1 A commercially available tri-functional PO / EO polyether with 80 to 85% primary OH groups and an OH number of 28.
  • Polyol 2 A commercially available tri-functional PO / EO filler polyether (filler: polyurea dispersion, about 20%) with an OH number of 28.
  • Polyol 3 A commercially available tri-functional PO / EO polyether with 83% primary OH groups and an OH number of 37.
  • Stabilizer Tegostab ® B 8629, polyether polysiloxane copolymer from Evonik Goldschmidt GmbH.
  • Activator 1 bis (2-dimethylaminoethyl) ether dissolved in dipropylene glycol, for example Niax A 1 from Air Products.
  • Activator 2 tetramethyliminobispropylamine, for example Jeffcat® Z 130 from Huntsman
  • Polyisocyanate A prepolymer with an NCO content of about 30%, prepared on the basis of 2-core MDI and its higher homologues and a polyether having the OH number 28.5 and a functionality of 6.
  • the operating principle of the spray attachment is based on compressed air atomization. Downstream of the mixing chamber located in the mixing head, the spray air was introduced by means of a header by means of 4 tangential grooves. The grooves were supplied via a circumferential annular groove, which in turn was fed via a compressed air network.
  • the exiting reaction mixture was accelerated in the outlet of the spray attachment by the addition of air and additional atomized by the generated twist of Tangentialnuten to a spray jet (Fig. 1).
  • the introduction of the gas / solid mixture through the circumferential annular groove can lead to a separation of the solids due to centrifugal forces, resulting in a clogging of the significantly smaller tangential grooves or an irregular introduction of solids.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Feststoff-enthaltenden PUR-Sprühstrahls sowie einen Sprühvorsatz, wobei man einen Feststoff-enthaltenden Gasstrom in einen flüssigen Strahl eines PUR-Reaktionsgemisches einbringt.

Description

Herstellung eines Feststoff-enthaltenden PUR-Sprühstrahls
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Feststoff-enthaltenden PUR-Sprühstrahls sowie einen Sprühvorsatz.
Zur Herstellung Feststoff-enthaltender PUR-Verbundmaterialien werden im Stand der Technik zwei verschiedene Herangehensweisen beschrieben:
Ein zur Zeit übliches Verfahren zum Einbringen von Feststoffen in einen druckgaszerstäubten Polyurethan-Sprühstrahl ist das seitliche Einblasen der Partikel über ein oder mehrere außerhalb des Mischkopfes angebaute Eintragsorgane. Bei idealer Vorraussetzung und Abstimmung der Strömungsgeschwindigkeiten erlebt der eingeleitete Feststoffstrahl im Zentrum des Polyurethan-Sprühstrahls einen Strahlzerfall, was eine ausreichende Benetzung und Verteilung der Feststoffpartikel bewirkt.
Bei beiden Verfahren, dem druckgasunterstützten Sprühen sowie dem Einblasen der Partikel ist der Gasdurchsatz ein entscheidender Parameter für die Funktion. Bei der Kombination beider Verfahren beeinflussen sich die Gasströme gegenseitig, so dass als Optimum nur ein Koimpromiss erreichbar ist.
Auswirkungen der unzureichenden Abstimmungsmöglichkeiten sind eine grenzwertige Benetzung beziehungsweise Verteilung der Feststoffpartikel im Polyurethan-Sprühstrahl bei teilweise hohen Feststoffverlusten.
Bei der ersten Variante werden die zu verwendenden Feststoffe mit einer der beiden Polyurethankomponenten - normalerweise der Polyolkomponente - vermischt und das so erhaltene Feststoff-Komponentengemisch zur Herstellung eines Feststoff-enthaltenden PUR-Verbundmaterials eingesetzt. Beispiele in diesem Zusammenhang sind DE 39 09 017 Cl und DE 40 10 752 Al, in welchen die Herstellung von Blähgraphit- bzw. Blähgraphit/Melamin- enthaltenen Polyurethan-Weichschaumstoffen beschrieben wird.
Eine solche Herangehensweise ist jedoch mit verschiedenen Nachteilen verbunden. So ergibt sich ein generelles Problem bei der Verwendung von Feststoffen zum Beispiel daraus, dass diese in der Regel in der Polyolkomponente nicht löslich sind. Dies hat zur Folge, dass die Dispersion aus der Polyolkomponente und dem Feststoff fortwährend gerührt werden muss, um eine Sedimentation des Feststoffs im Vo rratsbe hälter zu vermeiden und um eine homogene Verteilung des Feststoffs innerhalb des Verbundmaterials zu gewährleisten. Melamine zum Beispiel haben darüber hinaus auch die unerwünschte Eigenschaft, nach einer Sedimentation sehr schnell „zusammenzubacken", was eine Redispergierung des Feststoff- Kuchens wesentlich erschwert.
Auch Feststoffe mit sehr unterschiedlichem spezifischem Gewicht (bezogen auf die Trägerflüssigkeit) wie beispielsweise Holzmehl oder Hohlglaskugeln können über dieses Verfahren schlecht verarbeitet werden. Üblicher Weise neigen solche Feststoffe zum Aufschwimmen im Vorratsbehälter, im Falle von Holzmehl auch zum Verquellen.
Darüber hinaus wurde durch die Anwesenheit des Feststoffs in der flüssigen Polymerkomponente die physikalischen Eigenschaften, beispielsweise die Viskosität gegenüber der reinen Polyolkomponente verändert, wodurch die Vermischbarkeit der Reaktionskomponenten negativ beeinflusst wird.
Die Verarbeitung solcher Systeme ist dabei nur auf speziell dafür konstruierten Maschinen möglich, was wiederum höhere Produktionskosten zur Folge hat. Zusätzlich kommt es bei der Verwendung von Hochdruckmischköpfen bei der Verarbeitung von Polyurethanrohstoffen zu sehr hohen Scherkräften in den Düsen der Mischköpfe, bei denen die Feststoffteilchen, wie zum Beispiel Blähgraphit, stark in Mitleidenschaft gezogen werden und dadurch ihre gewünschte Wirkung zumindest teilweise einbüßen können.
Die zweite Variante zur Herstellung Feststoff-enthaltender PUR- Verbundmaterialien besteht im Einblasverfahren, bei welchen ein Feststoffenthaltender Gasstrom in einen PUR-Sprühstrahl geleitet wird.
Bei dieser Variante werden die Feststoffe dem Sprühstrahl zugeführt. Die Zugabe der Feststoffe erfolgt dabei bevorzugt über ein oder mehrere externe, seitlich dem Sprühmischkopf angebaute Eintragsorgane, wobei die Feststoffe vorzugsweise druckgasunterstützt seitlich in den Sprühstrahl eingeleitet werden. Bei der Verwendung von Feststoffen mit niedrigem spezifischem Gewicht konnte dieses Verfahren dem zunehmenden Anspruch auf Gleichmäßigkeit der Verteilung nicht erfüllen.
Unter einem PUR-Sprühstrahl wird dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Strahl verstanden, welcher im Wesentlichen aus feinen in einem Gasstrom dispergierten Partikeln (Tröpfchen) eines PUR-Materials, das heißt eines Gemisches mindestens einer Polyol- und mindestens einer Isocyanatkomponente, besteht.
Ein solcher PUR-Sprühstrahl kann auf verschiedene Weisen erhalten werden, zum Beispiel durch Zerstäuben eines flüssigen Strahls eines PUR-Materials durch einen in diesen eingeleiteten Gasstrom oder durch den Austritt eines flüssigen Strahls eines PUR-Materials aus einer entsprechenden (Zerstäuber-) Düse.
Solche Verfahren werden zum Beispiel in DE 10 2005 048 874 Al, DE 101 61 600 Al, WO 2007/073825 A2, US 3,107,057 und DE 1 202 977 B beschrieben. Eine Besonderheit der in den beiden letztgenannten Schriften beschriebenen Verfahren besteht darin, dass das Einblasen des Feststoff-enthaltenden Gasstroms in den PUR-Sprühstrahl in einer separaten Kammer erfolgt, welche sich direkt an den Austrittsort des PUR-Sprühstrahls anschließt. Durch diese zusätzliche Hohl-/Mischkammer soll die Vermischung des PUR-Sprühstrahls mit den Feststoffpartikeln verbessert werden.
Bei allen der oben beschriebenen zweiten Alternative folgenden Verfahren zur Herstellung eines Feststoff-enthaltenden PUR-Sprühstrahls muss jedoch festgestellt werden, dass die Benetzung der verwendeten Feststoffpartikel nach wie vor noch nicht so gleichmäßig erfolgt, wie dies wünschenswert wäre. Dies liegt u. a. daran, dass Größen und Massen der Feststoffpartikel variieren, wodurch sich das Einleitverhalten in den Sprühstrahl verändert. Teilweise werden sehr hohe Verluste der eingesetzten Feststoffpartikel beobachtet.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Feststoff-enthaltenden PUR-Sprühstrahls bereitzustellen, welches die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere ist es eine Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine gleichmäßigere Benetzung des Feststoffs bei gleichzeitig geringerem oder gar keinem Feststoffverlust ermöglicht.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Feststoff-enthaltenden PUR-Sprühstrahls, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man einen Feststoff-enthaltenden Gasstrom in einen flüssigen Strahl eines PUR-Reaktionsgemisches einbringt.
Ein wesentlicher Unterschied der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik, insbesondere der zweiten Variante besteht also darin, dass der Feststoff enthaltende Gasstrom nicht in den bereits dispergierten Sprühstrahl des Reaktionsgemisches, sondern in den noch flüssigen nicht dispergierten Strahl in der Mischkammern eingetragen wird. Hier liegt noch eine im Wesentlichen laminare Strömung des Reaktionsgemisches vor. Unter einem „flüssigen Strahl eines PUR- Reaktionsgemisches" wird erfindungsgemäß ein solcher Fluid-Strahl eines PUR-Materials, insbesondere im Bereich einer Mischkammer zur Vermischung des Reaktionskomponenten in flüssiger Formverstanden, welcher noch nicht in Form feiner, in einem Gasstrom dispergierter Reaktionsgemischtröpfchen vorliegt, d. h. insbesondere in einer flüssigen viskosen Phase. Insbesondere wird unter einem solchen flüssigen Strahl eines PUR-Materials also nicht ein oben schon beschriebener PUR-Sprühstrahl verstanden.
Während also die Verfahren des Standes der Technik nach der oben beschriebenen zweiten Alternative im Wesentlichen einen Gasstrom oder eine entsprechende Düse zur Zerstäubung eines PUR-Reaktionsgemisches verwenden und in einen solchen zerstäubten PUR-Sprühstrahl einen weiteren Feststoff-enthaltenden Gasstrom eingeblasen wird, kennzeichnet sich das Verfahren der vorliegenden Erfindung dadurch aus, dass ein Feststoffenthaltender Gasstrom in einer Sprüh-Mischdüse zur Zerstäubung eines flüssigen Strahls eines PUR-Reaktionsgemisches beim Austritt aus dieser Mischkammer eingesetzt wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die Feststoffe verlustfrei mit dem PUR-Reaktionsgemisch im Inneren der Sprühdüse vermischt, zwangsbenetzt und ein homogenes Gas/Feststoff/PUR-Material-Gemisch erhalten.
Bei Sprühverfahren mittels Druckgaszerstäubung wird prozessbedingt mit hohen Gasdurchsätzen gearbeitet, was bei entsprechender Dimensionierung und Ausführung der Druckgasleitungen einen Transport der Feststoffe über Flugförderung (beispielsweise 10 bis 40 m/s) möglich macht. Durch eine hohe Fördergeschwindigkeit bei niedrigem Beladungsverhältnis entsteht kaum Kontakt zwischen den einzelnen Partikeln, wodurch die Bildung von Agglomeraten verhindert wird und bei entsprechender
Schnittstellenausführung eine problemlose Übergabe des Gas/Feststoffgemisches in die Sprüh-Mischdüse möglich ist. Feststoffe mit guten Fließeigenschaften bzw. geringen Neigungen zur Agglomeratbildung wie beispielsweise Hohlglaskugeln können im Dichtstromverfahren (beispielsweise 3 bis 10 m/s) bei deutlich geringeren Strömungsgeschwindigkeiten gefördert werden, wodurch sich der Verschleiß der feststoffbeladenen gasführenden Leitungen und Bauteilen stark reduziert. Die für den Sprühprozess notwendige Druckgasmenge wird beim Dichtstromfördern erst unmittelbar vor dem Sprüh- Mischdüse dem Feststoff ström zugeführt.
Unter Feststoffen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen solche Verbindungen und Stoffe verstanden, welche bei der für das Verfahren eingesetzten Temperatur in einem festen Aggregatzustand vorliegen, das heißt zum Beispiel Feststoffe mit einer relativ hohen Dichte, welche gemeinhin als Füllstoffe bezeichnet werden, faserartige Feststoffe, wie zum Beispiel Glas oder Kohlefasern oder auch Recyclate in Pulverform sowie flammhemmende Feststoffe, wie zum Beispiel Blähgraphit, Melamin und Ammoniumsulfat. Gleichermaßen umfasst der Begriff der Feststoffe aber auch solche mit geringerer Dichte, geringeren spezifischem Gewicht, wie in der Beschreibungseinleitung definiert.
Es ist daher bevorzugt, den Feststoff-enthaltenden Gasstrom über eine Sprühdüse mit Mischfunktion in einen flüssigen Strahl eines PUR- Reaktionsgemisches einzubringen. Darüber hinaus bevorzugt ist es, wenn der Feststoff-enthaltende Gasstrom der Sprüh- Mischdüse über eine Druckluftversorgungsleitung zugeführt wird.
Bei der Entwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat es sich nämlich gezeigt, dass sich in zufriedenstellender Weise auch Sprühmischköpfe mit einer oder mehreren Druckluftversorgungsleitungen des Standes der Technik verwenden lassen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insofern besonders kosteneffizient, da Nachrüstungen marktüblicher PUR-Sprühmaschinen auf Basis von Druckluftzerstäubung mit geringen Modifikationen Füllstofftauglichkeit erlangen, wobei die Eintragsmengen durch den Gasdurchsatz limitiert werden.
Der Feststoff-enthaltende Gasstrom wird bevorzugt dadurch hergestellt, dass man einen Gasstrom über Feststoff-enthaltende Dosierzellen einer Zellraddosiereinrichtung leitet. Durch das Überströmen der Zellräume wird der Feststoff vom Druckluftstrom mitgerissen und als Feststoff-/ Luft- oder Gasgemisch zur Mischkammer/Mischkopf transportiert. Zur Vermeidung von Pulsation muss der Kanal im Inneren der Dosiereinrichtung vom Durchmesser derart ausgelegt werden, dass eine positive Überdeckung ausgeschlossen werden kann. Diese Ausführungsform gewährleistet weiterhin, dass auch bei einer Abschaltung bzw. Drehzahländerungen der Zellraddosierung ein quantitativ unveränderter Luftdurchsatz zum Sprühen des PUR- Reaktionsgemisches zur Verfügung steht und somit wahlweise ohne oder mit variablen Feststoffmengen gesprüht werden kann. Als besonderer Vorteil einer solchen Zellraddosiereinrichtung ist zu nennen, dass sich der Feststoffanteil in dem herzustellenden PUR-Verbundmaterial variabel anpassen lässt.
Eine besondere Ausgestaltung erfährt das Verfahren unter Verwendung einer Zellraddosiereinrichtung dahingehend, dass der Gasstrom und der Feststoffvorratsbehälter über einen Druckausgleich miteinander verbunden sein können.
Es hat sich gezeigt, dass sich durch eine solche Differenzdruck-freie Einleitung des Feststoffs in den Gasstrom ein besonders reproduzierbares Dosieren des Feststoffanteils in dem herzustellenden PUR-Verbundmaterial nach den soeben beschriebenen Möglichkeiten erzielen lässt. Für eine reproduzierbare Feststoffversorgung durch Überströmen der Dosierzellen und Mitreißen der Feststoffe in den Luftstrom ist eine lose Schüttung in den Dosierzellen zu bevorzugen. Durch die differenzdruckfreie Vorlage der Feststoffe wird ein Verdichten der Feststoffschüttung bei Eintritt in den Gasstrom verhindert. Weiterhin wird über den Druckausgleich verhindert, dass Teilströme der Transportluft über das Dosieraggregat (Dosierzellen und Spalttolleranzen) zurück in den Vorratsbehälter entweichen. Gerade bei abrasiven Feststoffen sind konstruktionsbedingt größere Spaltmaße unvermeidbar.
Andere Feststoffdosierprinzipien wie beispielsweise, das Dosieren über Geräte mit Förderscheiben oder über Pulverpumpen sind ebenfalls möglich. Die zuvor beschriebene Zellraddosierung zeichnet sich jedoch dadurch aus, dass Agglomeratbildungen vermieden werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, die Erzeugung des Feststoff-enthaltenden Gasstroms so zu steuern, dass der Feststoff bei der Einbringung des Feststoffenthaltenden Gasstromes in den flüssigen Strahl eines PUR- Reaktionsgemisches homogen im Gasstrom verteilt ist.
Bei der Dichtstrom- wie auch bei der Flugförderung liegt das maximal mögliche Volumenverhältnis Gas zu Feststoff bei Eintritt in die Sprüh- Mischdüse bevorzugt im Bereich von 20: 1 bis 200: 1, besonders bevorzugt 50: 1 bis 100: 1
Erreicht werden kann dies zum Beispiel durch die Veränderung der Feststoffförderrate.
Weiterhin ist es bevorzugt, als Gas Stickstoff oder insbesondere Luft einzusetzen. Diese Gase sind besonders kostengünstig und tragen somit zu einer entsprechenden Kostenreduzierung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei. - S -
AIs Feststoff wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere Blähgraphit eingesetzt. Auf diese Weise lassen sich mit Blähgraphit modifizierte PUR-Verbundmaterialien erhalten, welche insbesondere aufgrund ihrer flammhemmenden Eigenschaften gegenwärtig von großem Interesse sind. Andere mögliche Feststoffe sind beispielsweise Bariumsulfat, Calciumsulfat, Kreide, Melamin oder Holzmehl oder auch pulverisierte PUR- Abfälle.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht in einem Sprühvorsatz zum Einbringen eines Gasstromes in einen Strahl eines flüssigen PUR-Rohmaterials umfassend a) einen Sprühkanal, durch den der Strahl des PUR-Rohmaterials strömt, b) mindestens einen über eine Eintrittsöffnung in den Sprühkanal mündenden Gaskanal, durch welchen der Gasstrom strömt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Strömungsrichtung des Gasstromes bei Eintritt in den Sprühkanal außerhalb des Mittelpunkts des Sprühkanals verläuft.
Der Strahl des flüssigen PUR-Rohmaterials setzt sich nach dem Verlassen des PUR-Mischkopfes im Sprühkanal des Sprühvorsatzes fort. Der Sprühkanal weist demnach bevorzugt den gleichen Durchmesser auf, wie die Mischkammer im PUR-Mischkopf. Er kann jedoch auch kleinere oder größere Durchmesser aufweisen. Bevorzugt ist der Sprühkanal röhrenförmig ausgestaltet, wobei dessen Längsachse bevorzugt auf einer Geraden mit der Längsachse der Mischkammer des PUR-Mischkopfes liegt.
Die Eintrittsöffnungen für den in den Sprühkanal eintretenden Gasstrom sind bevorzugt in der Nähe des Übergangs vom PUR-Mischkopf zum Sprühvorsatz, das heißt also am Beginn des Sprühkanals (in Strömungsrichtung gesehen), angeordnet. Sowohl die „Strömungsrichtung des Gasstromes" als auch die weiter unten noch einzugehende „Strömungsrichtung des PUR-Rohmaterials" sind vektoriell zu verstehen, wobei die Länge der jeweiligen Vektoren proportional zum jeweiligen Volumenstrom und deren Richtung parallel zur Strömungsrichtung des Gasstroms bzw. des PUR-Rohmaterials sind. Die genaue räumliche Lage dieser Vektoren wird aufgrund der nicht gerad- bzw. punktförmigen Ausgestaltung der Eintrittsöffnung bzw. des Sprühkanals so definiert, dass die Strömungsrichtung des Gasstroms nicht durch den Mittelpunkt der Eintrittsöffnung bzw. des Sprühkanals verläuft.
Durch die oben beschriebene Ausrichtung der Strömungsrichtung des Gasstromes bei Eintritt in den Sprühkanal werden alle möglichen Anordnungen von Eintrittsöffnungen in den Sprühkanal umfasst, abgesehen von denjenigen, bei denen die Strömungsrichtung des Gasstromes genau durch den Mittelpunkt des Sprühkanals verläuft.
Bevorzugt durchläuft die Strömungsrichtung des Gasstromes bei Eintritt in den Sprühkanal den Sprühkanal in einem Abstand y von 0,8 • r < y < r vom Mittelpunkt des Sprühkanals, wobei r dem Radius des Sprühkanals entspricht. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Strömungsrichtung des Gasstroms bei Eintritt in den Sprühkanal im Wesentlichen tangential zu der den Sprühkanal einfassenden Begrenzung angeordnet ist. Es dürfte in diesem Zusammenhang offensichtlich sein, dass aufgrund der nicht punktförmigen Ausgestaltung der Eintrittsöffnung eine 100 % tangentiale Anordnung der Strömungsrichtung des Gasstromes bei Eintritt in den Sprühkanal in Bezug auf die den Sprühkanal einfassende Begrenzung nicht realisierbar ist - dennoch ist es in diesem Zusammenhang eindeutig, was unter „im Wesentlichen tangential" zu verstehen ist. Noch deutlicher wird dies bei der Diskussion der Fig. 1 bis 4.
Durch die im Wesentlichen tangentiale Anordnung wird der axialen Strömungskomponente, das heißt der Strömungsrichtung des PUR-Materials, eine Rotationskomponente (Drall) zugeführt. Diese Anordnung dient der optimalen Verteilung und Vermischung des Feststoff-/Flüssigkeits-Gas- gemisches mit dem flüssigen Strahl des PUR-Materials.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung mehrere Gaskanäle, insbesondere eine geradzahlige Anzahl von Gaskanälen, aufweist, deren Gasströme unabhängig voneinander veränderbar sind. „Unabhängig voneinander veränderbar" im Sinne der vorliegenden Erfindung kann sich dabei sowohl auf die Strömungsrichtung des Gasstroms bei Eintritt in den Sprühkanal, den Volumenstrom des Gasstromes als auch auf die eigentliche Zusammensetzung des Gasstromes zum Beispiel hinsichtlich darin enthaltender Feststoffe bzw. Flüssigkeiten beziehen. Eine geradzahlige Anzahl von Gaskanälen ist dabei insofern bevorzugt, als sich durch diese eine für das Material des Sprühvorsatzes besonders schonende Verfahrensvariante realisieren lässt.
Dadurch, dass die Gasströme unabhängig voneinander veränderbar sind, kann ein Partikeltransport in Form einer „Flugförderung" (> 20 m/s) sichergestellt werden. Durch die hohe Fördergeschwindigkeit bei niedrigem Beladungsverhältnis (offizielle Definition der Flugförderung : < beispielsweise 15 kg/kg entsteht nur geringer Kontakt zwischen den einzelnen Partikeln, was die Bildung von Agglomeraten verhindert.
Bei zwei Gaskanälen liegen deren Eintrittsöffnungen bevorzugt auf einer Geraden, bei mehr als zwei Gaskanälen liegen deren Eintrittsöffnungen bevorzugt in einer Ebene, welche jeweils senkrecht zur Strömungsrichtung des PUR-Materials im Sprühkanal angeordnet sind.
Weiterhin ist es bevorzugt, das sich der Durchmesser des Gaskanals, insbesondere kurz vor Eintritt in den Sprühkanal, in Richtung der Strömungsrichtung des Gasstromes verringert. Durch diese Maßnahme wird die Strömungsgeschwindigkeit erhöht, ein Rückströmen von Gas-Feststoff/Flüssigkeitsgemisch in den Gaskanal verhindert und die Intensität des Rotationseffekts im Sprühkanal verstärkt. Die Gasdurchsätze sollten dabei derart abgestimmt sein, dass vergleichbare Strömungsgeschwindigkeiten in den jeweiligen Gaskanälen vorliegen. Die üblichen Versorgungsmengen der Sprühvorsätze liegen bei diesem Verfahren zwischen 1,5 bis 5 dm3/s Gas.
Bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, dass das Verhältnis der Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung zur Querschnittsfläche des Gaskanals an seiner weitesten Stelle in einem Bereich von 1:8 bis 1:40 liegt, d.h. sich der Querschnitt des Gaskanals sich zum Auslass (Eintrittsöffnung) hin verjüngt.
Die Eintrittsöffnung/en weist/weisen bevorzugt eine Querschnittsfläche in einem Bereich von 1 bis 4 mm2 auf. Die Auslegung der Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung erfolgt dabei in der Regel experimentell, da neben der Partikelgröße auch Oberflächenstrukturen und Partikelgeometrien für die Fördercharakteristik verantwortlich sind. Als Auslegungsorientierung kann ein Durchmesser von 3,3 x Äquivalentdurchmesser angenommen werden.
Bevorzugt schließen die Strömungsrichtung des Gasstromes und die Strömungsrichtung des PUR-Materials (also die entsprechenden Vektoren, vgl. oben) einen Winkel von 110 bis 115° ein.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Strömungsrichtung des Gasstromes bis zum Eintritt in den Sprühkanal, insbesondere kurz vor Eintritt in den Sprühkanal, eine Umlenkung in einem Winkel von 5 bis 10°, bevorzugt von 7,5°, hin zur Strömungsrichtung des PUR-Materials erfährt. Versuche haben nämlich gezeigt, dass Blähgraphitplättchen durch diese Maßnahme(en) ein deutlich besseres Einleitungsverhalten in den Strahl des flüssigen PUR- Materials zeigen. Zentrifugalkräfte bewirken ein Auslenken und Verdichten des Partikelstrahls. Durch die gleichzeitige Erhöhung der
Strömungsgeschwindigkeit und der strömungsgünstigen Partikelausrichtung lassen sich auf diese Weise auch Feststoffe größeren Durchmessers ohne Verstopfungserscheinungen durch die in Strömungsrichtung verjüngenden Gasaustritte fördern.
In einer weiteren Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Sprühvorsatz dadurch gekennzeichnet, dass dieser mit einem Hochdruckmischer oder einem Niederdruckmischer kombiniert ist
Die mit dem gegebenenfalls Feststoff-beladenen Gasstrom in Kontakt kommenden Bauteile des Sprühvorsatzes sind bevorzugt aus einem verschleißfesten Material, insbesondere Aluminiumoxid, Wolframcarbid, Siliciumcarbid und/oder Borcarbid, gefertigt.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Gaskanal durch einen zweigeteilten Einsatz, insbesondere einen Einsatz aus einem verschleißfesten Material, ausgebildet wird. Durch diese Maßnahmen wird der Materialabtrag sowohl im Gaskanal als auch im Sprühkanal deutlich vermindert.
Alternativ kann der zweigeteilte Einsatz auch aus einem weniger verschleißfesten Material ausgebildet sein - in diesem Falle befindet sich zwischen dem unteren und dem oberen Bauteil bevorzugt eine keramische Scheibe, insbesondere eine keramische Scheibe aus einem verschleißfesten Material, welche die Gaskanäle nach oben abdeckt und somit als eigentliches Umlenkungsbauteil für den partikelbeladenen Gasstrom fungiert.
Ausführungsbeispiele:
• PUR-Systeme wie sie beispielsweise für Isolatoren, Kabelkanäle und zur Fußbodenversiegelung verwendet werden. Hier können beispielsweise Feststoffe für einen besseren Flammschutz, eine bessere Entformbarkeit, eine bessere elektrische Isolation oder verbesserte mechanische Eigenschaften eingesetzt werden.
• Heißgießsysteme - massive und geschäumte Elastomere - wie sie beispielsweise in Dämpfern oder Rädern von Gabelstaplern eingesetzt werden. Bei Verarbeitung über das zuvor beschriebene Verfahren können beispielsweise Feststoffe für einen besseren Flammschutz, bessere Entformbarkeit, einen geringeren Abrieb, eine bessere elektrische Leitfähigkeit, eine Variation der Federkennlinie oder verbesserte mechanische Eigenschaften eingesetzt werden.
• Elastische und harte Sprühhäute welche zur Herstellung verschleißhemmender Schichten auf einfach profilierten, großflächigen Metallteilen beispielsweise Silos, Schüttgutcontainern, Förderrinnen oder Rohren, zur Fertigung wasserundurchlässiger Schichten im Bauwesen beispielsweise Dach- und Brückenabdichtung, zur Herstellung elastischer Formen, zur Isolation von Rohren mit syntaktischem Schaum, als Brandschutzschicht für beispielsweise Container oder als Außenhaut / Schutzschicht von Formteilen beispielsweise Sitzschäumen sowie Schallabsorptionsteilen eingesetzt werden. Hier können beispielsweise Feststoffe für einen besseren Flammschutz, eine bessere elektrische Leitfähigkeit, bessere Entformbarkeit, verbesserte mechanische Eigenschaften, einen kleineren linearen thermischen
Längenausdehnungskoeffizienten, eine höhere Dichte oder einen geringeren Abrieb eingesetzt werden.
• Weich(form)schäume über Sprühaustrag, wie sie beispielsweise im Sitzbzw. Formschaum für Anwendungen in privaten und öffentlichen Räumen und beim Personenverkehr wie beispielsweise Bestuhlungen für Bus, Bahn, Schiff, Flugzeug, Auto, Theater, Kino, Möbel und (Krankenhaus)betten vorkommen. Hier können beispielsweise Feststoffe für einen besseren Flammschutz, eine bessere elektrische Leitfähigkeit, bessere Entformbarkeit, eine erhöhte oder erniedrigte Wasseraufnahme, verbesserte mechanische Eigenschaften, eine bessere Schallabsorption oder einen geringeren Abrieb eingesetzt werden.
• Weich(form)schäume über Sprühaustrag, wie sie beispielsweise als Dichtungs- und Filterschäume beispielsweise in der Automobilindustrie zum Einsatz kommen. Hier können beispielsweise Feststoffe für einen besseren Flammschutz, eine bessere elektrische Leitfähigkeit, bessere Entformbarkeit, verbesserte mechanische Eigenschaften oder einen geringeren Abrieb eingesetzt werden.
• Hartschäume über Sprühaustrag, wie sie beispielsweise in der Rohrisolation, bei Metallverbundpanelen, in Kühlschränken, Tanks, Reaktoren oder Warmwasserspeichern eingesetzt werden. Hier können beispielsweise Feststoffe für einen besseren Flammschutz, eine bessere Anbindung zum Untergrund, eine bessere elektrische Leitfähigkeit, eine bessere thermische Beständigkeit und Isolation sowie verbesserte mechanische Eigenschaften eingesetzt werden.
• Halbhartschäume über Sprühauftrag, wie sie beispielsweise für Instrumententafeln, Türinnenverkleidungen oder Dachhimmel eingesetzt werden. Hier können beispielsweise Feststoffe für einen besseren Flammschutz, eine bessere Anbindung zum Untergrund, eine bessere elektrische Leitfähigkeit, verbesserte mechanische Eigenschaften, erhöhte oder erniedrigte Wasseraufnahme, verbesserte akustische Eigenschaften oder verbesserte thermische Eigenschaften eingesetzt werden.
• Sprühschäume wie sie für die Isolation von Kühlräumen, Gebäuden, Tanklastzügen, Kesselwagons, Flüssiggastanks, Schiffen, Seecontainern, Intermediate BuIk Containern und Flugzeugen eingesetzt werden. Hier können beispielsweise Feststoffe für einen besseren Flammschutz, eine bessere Anbindung zum Untergrund, eine bessere elektrische Leitfähigkeit, eine bessere thermische Beständigkeit und Isolation sowie verbesserte mechanische Eigenschaften eingesetzt werden.
• Weiche und harte Integralschäume über Sprühaustrag, wie sie für Protektoren, Armlehnen, Kopfstützen, Möbel, Gehäuse von Elektrogeräten, Ski-Kerne, Dekorelemente oder Verkleidungsteile von Fahrzeugen einsetzt werden. Hier können beispielsweise Feststoffe für einen besseren Flammschutz, eine bessere elektrische Leitfähigkeit, eine erhöhte oder erniedrigte Wasseraufnahme, verbesserte mechanische Eigenschaften, bessere Entformbarkeit, geringeren thermischen
Längenausdehnungskoeffizienten oder einen geringeren Abrieb eingesetzt werden.
• Füllschaumstoffe über Sprühaustrag, wie sie beispielsweise zur Hohlraumversiegelung oder -Versteifung von Bauteilen eingesetzt werden können. Hier können beispielsweise Feststoffe für eine erniedrigte Wasseraufnahme, eine bessere Anbindung zum Untergrund oder verbesserte mechanische Eigenschaften eingesetzt werden.
• Brandschutzlacke oder farbige Lacke über Sprühaustrag, bei denen die Brandschutzmittel oder die Farbpigmente mit dem oben beschriebenen Verfahren direkt jedem beliebigen Grundlack zugeführt werden können.
• Ein- und Zweikomponentenkleber bei denen mechanische Eigenschaften und thixotropes Verhalten durch die Zuführung von Feststoffen gezielt und lokal individuell eingestellt werden können.
• Spachtelmassen über Sprühautrag, wie sie beispielsweise zur Oberflächenglättung von Handlaminaten, Laminaten nach SMC, BMC und RTM Technik eingesetzt werden. Hier können beispielsweise Feststoffe für einen besseren Flammschutz, eine bessere elektrische Leitfähigkeit, verbesserte Lackhaftung, verbesserte Schleifbarkeit, verbesserte mechanische Eigenschaften, einen kleineren linearen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten, eine höhere Dichte oder einen geringeren Abrieb eingesetzt werden.
• Elastische und harte Sprühhäute zur nahtlosen Herstellung strahlenabschirmender Schichten, beispielweise Bodenabdichtung zum Auffangen radioaktiver Flüssigkeiten
Die Größe der einzubringenden Feststoffteilchen ist von gewisser Bedeutung. Besonders bevorzugt beträgt die Größe der Partikel bis 1 mm Teilchengröße. Des weiteren wird das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt so durchgeführt, dass man einen Feststoff-enthaltenden PUR-Sprühstrahl wie soeben beschrieben in eine offene Form oder auf Substratträger sprüht.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen den erfindungsgemäßen Sprühvorsatz und seinen Einsatz in Verbindung mit einem dazu passenden Mischkopf.
Die Fig. 1 und 2 zeigen beispielhaft einen Sprühvorsatz, welcher aus zwei Teilen, nämlich den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Bauteilen 2 und 6 besteht. In Fig. 1 ist der untere Teil 2 des Sprühvorsatzes darstellt. Die Gaskanäle können durch die Einlasse 1 mit Gas bzw. Feststoffgemisch beschickt werden; sie setzen sich durch das Bauteil bis zu seiner in Fig. 1 sichtbaren Oberfläche hin fort. Da die Gaskanäle innerhalb des Bauteil schräg verlaufen, erscheinen sie an der Oberfläche des Bauteils 2 in elliptischer Form. Ausgehend von diesem Gaskanal 3 führt ein Durchlass 4 geringeren Durchmessers hin zum Sprühkanal 5. Es ist erkennbar, dass bei einer Abdeckung der Kanäle 3 und der Durchlässe 4 zum Beispiel mit einer keramischen Abdeckscheibe der bei 1 eintretende und bei 3 austretende Gasstrom bei Auftreffen auf die Abdeckung eine Umlenkung erfährt (welche bevorzugt in einem Winkel von 5° bis 10° liegt). Innerhalb des verjüngten Gasdurchlasses 4 erfährt der zugeführte Gasstrom eine Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit.
In Fig. 2 ist ein oberes Abdeckbauteil 6 für den unteren Teil des Sprühvorsatzes 2 dargestellt (des befindet sich bei fertiger Montage zwischen dem unteren Teil des Sprühvorsatzes 2 und dem Mischkopf).
Die Fig. 3 und 4 zeigen den erfindungsgemäßen Sprühvorsatz, bestehend wiederum aus den zwei Bauteilen 2 und 6, in Verbindung mit einem PUR- Hochdruck-Mischkopf 10. In Fig. 3 ist dargestellt, wie die in Fig. 1 gezeigten Gaskanäle 3 und Gasdurchlässe 4 durch die keramische Abdeckscheibe 8 abgedeckt werden, so dass der durch die Gaskanäle 3 hindurchtretende Gasstrom 9 bei Auftreffen auf die keramische Scheibe 8 eine Umlenkung in einem Winkel von 5° bis 10° erfährt. In der dargestellten Ausführungsform beträgt das Durchmesserverhältnis des Sprühkanaleingangs zum Innendurchmesser des Mischkopfauslaufs 1 : 1. Ebenfalls dargestellt ist ein Stößel 7, der der Reinigung des Mischkopfkanals dient.
Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform entspricht zu einem wesentlichen Teil der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform - mit dem Unterschied, dass keine keramische Abdeckscheibe 8 vorgesehen ist. In diesem Falle sind die Einsatzteile 2 und 6 bevorzugt aus einem verschleißfesten Material ausgebildet.
Fig. 5 zeigt eine Zellraddosier-Einrichtung in Seitenansicht. Wie dargestellt, ist der Durchmesser der Kanäle im Inneren des Zellrades der Zellraddosier- Einrichtung kleiner als der Druchmesser des Kanals, durch den das Gas zur Zellraddosier-Einrichtung geleitet wird.
Fig. 6 zeigt die Zellraddosier-Einrichtung aus Fig. 5 in Seitenansicht. Dargestellt ist der Druckausgleich, der den Feststoff-Vorratsbehälter und den zum Feststoff- Vorratsbehälter führenden Gasstrom miteinander verbindet.
Ausfϋhrungsbeispiel :
Ziel des nachfolgenden Ausführungsbeispiels war das Einbringen von Blähgraphit in einen PUR-Sprühstrahl zum Erzeugen einer flammhemmenden PUR-Schicht. Die angestrebten Feststoffmengen lagen bei 20 Gewichtsprozent bezogen auf den PUR-Austrag. Austrag Reaktionsgemisch: 50 g/s (Gemischdichte 1,088 g/cm3)
Austrag Feststoff: 10 g/s Blähgraphit
(Dichte 1,5 g/cm3) mittlere Teilchengröße Feststoff: 600 μm
Mischprinzip: Hochdruckvermischung über Gegen- tromnjektion einer handelsüblichen PUR- Sprühanlage
Sprühluftmenge: 2,5 dm3/s
Durchmesser Sprühdüse: 5 mm
Beschreibung der Ausgangsstoffe:
Es kamen die folgenden Polyole - entweder rein oder in Form verschiedener Gemische -, sowie Stabilisatoren, Aktivatoren und Polyisocyanat- Komponenten zum Einsatz.
Polyol 1 : Ein handelsüblicher tri-funktioneller PO/EO-Polyether mit 80 bis 85 % primären OH-Gruppen und einer OH-Zahl von 28.
Polyol 2: Ein handelsüblicher tri-funktioneller PO/EO-Füllstoffpolyether (Füllstoff: Polyharnstoffdispersion, ca. 20 %) mit einer OH-Zahl von 28.
Polyol 3: Ein handelsüblicher tri-funktioneller PO/EO-Polyether mit 83 % primären OH-Gruppen und einer OH-Zahl von 37.
Stabilisator: Tegostab® B 8629, Polyetherpolysiloxan Copolymer der Firma Evonik Goldschmidt GmbH. Aktivator 1 : Bis-(2-dimethylaminoethyl)-ether in Dipropylenglycol gelöst, beispielsweise Niax A 1 der Firma Air Products.
Aktivator 2: Tetramethyliminobispropylamin, beispielsweise Jeffcat® Z 130 der Firma Huntsman
Polyisocyanat: Ein Prepolymer mit einem NCO-Gehalt von etwa 30 %, hergestellt auf der Basis von 2-Kern-MDI und dessen höheren Homologen sowie einem Polyether mit der OH-Zahl 28,5 und einer Funktionalität von 6.
Funktionsprinzip:
Das Funktionsprinzip des Sprühvorsatzes basiert auf Druckluft-zerstäubung. Stromab der im Mischkopf befindlichen Mischkammer wurde über einen Vorsatz die Sprühluft mittels 4 tangentialen Nuten eingeleitet. Die Versorgung der Nuten erfolgte über eine umlaufende Ringnut, die wiederum über ein Druckluftnetz gespeist wurde.
Das austretende Reaktionsgemisch wurde im Auslauf des Sprühvorsatzes durch die Luftzugabe beschleunigt und zusätzlichen durch den erzeugten Drall der Tangentialnuten zu einem Sprühstrahl zerstäubt (Fig. 1).
Modifikation:
Die Einleitung des Gas/Feststoffgemisches durch die umlaufende Ringnut kann aufgrund von Zentrifugalkräften zu einer Separation der Feststoffe führen, was eine Verstopfung der deutlich kleineren Tangentialnuten bzw. eine unregelmäßige Feststoffeinleitung zur Folge hat.
Durch eine Einzelversorgung der Tangentialnuten ohne Umlenkungen über die umlaufende Ringnut konnte eine Einleitung des Gas/Feststoff-gemisches mit homogener Verteilung erreicht werden (Fig. 2). Im beschriebenen Beispiel wurde lediglich eine der vier Tangentialnuten zum Einbringen des Gas/Feststoffgemisches verwendet, wobei der Querschnitt auf den notwendigen Durchmesser von 2 mm erweitert wurde. Die verbleibenden Nuten konnten unverändert zum Eintrag reiner Sprühluft verwendet werden. Bei Bedarf kann der Feststoff ein trag über mehrere Dosiereinrichtungen bzw. unterschiedliche Nuten erfolgen. Durch eine solche Anordnung besteht die Möglichkeit, höhere Austragsmengen oder unterschiedliche Feststoffe zu verarbeiten, die bedarfsgerecht zugeschaltet werden können.
Der Luftdurchsatz aller Nuten wurde unter Berücksichtigung gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeiten abgestimmt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Feststoff-enthaltenden PUR- Sprühstrahls, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Feststoffenthaltenden Gasstrom in einen flüssigen Strahl eines PUR-Materials einbringt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Einbringen in einer Sprüh-Mischdüse durchführt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man den Feststoff-enthaltenden Gasstrom über eine Gasversorgungsleitung der Sprüh- Mischdüse zuführt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man den Feststoff-enthaltenden Gasstrom dadurch herstellt, dass man mit einer Feststoffdosierung die Partikel in den Gasstrom einbringt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffgehalt variabel einstellbar ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die Erzeugung des Feststoff-enthaltenden Gasstromes dadurch steuert, dass der Feststoff bei der Einbringung des Feststoff- enthaltenden Gasstromes in den flüssigen Strahl eines PUR-Materials homogen im Gasstrom verteilt ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man als Gas Stickstoff oder insbesondere Luft einsetzt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man als Feststoff Blähgraphit einsetzt.
9. Verfahren zur Herstellung von PUR-Formteilen, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Feststoff-enthaltenden PUR-Sprühstrahl nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in eine offene Form oder auf einen Substratträger sprüht.
10. Sprühvorsatz zum Einbringen eines Gasstromes in einen Strahl eines flüssigen PUR-Rohmaterials umfassend a) einen Sprühkanal, durch den der Strahl des PUR-Rohmaterials strömt, b) mindestens einen über eine Eintrittsöffnung in den Sprühkanal mündenden Gaskanal, durch welchen der Gasstrom strömt, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung des Gasstromes bei Eintritt in den
Sprühkanal außerhalb des Mittelpunkts des Sprühkanals verläuft.
11. Sprühvorsatz nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung des Gasstromes bei Eintritt in den Sprühkanal den Sprühkanal in einem Abstand 0,8*r < y < r vom Mittelpunkt des Sprühkanals durchläuft, mit r = Radius des Sprühkanals und y = Abstand der Strömungsrichtung des Gasstromes vom Mittelpunkt des Sprühkanals.
12. Sprühvorsatz nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere Gaskanäle, insbesondere eine geradzahlige Anzahl von Gaskanälen, umfasst, deren Gasströme unabhängig voneinander veränderbar sind.
13. Sprühvorsatz nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnungen der Gaskanäle auf einer Geraden oder in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Strömungsrichtung des PUR-Materials im Sprühkanal angeordnet ist.
14. Sprühvorsatz nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Durchmesser des Gaskanals, insbesondere kurz vor Eintritt in den Sprühkanal, in Richtung der Strömungsrichtung des Gasstromes verringert.
15. Sprühvorsatz nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung zur Querschnittsfläche des Gaskanals an seiner weitesten Stelle in einem Bereich von 1 :8 bis 1 :40 liegt.
16. Sprühvorsatz nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung eine Querschnittsfläche in einem Bereich von 1 bis 4 mm2 aufweist.
17. Sprühvorsatz nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung des Gasstromes und die Strömungsrichtung des PUR-Rohmaterials einen Winkel von 110 bis 115° einschließen.
18. Sprühvorsatz nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung des Gasstromes bis zum Eintritt in den Sprühkanal, insbesondere kurz vor Eintritt in den Sprühkanal, eine Umlenkung in einem Winkel von 5 bis 10°, bevorzugt von 7,5°, hin zur Strömungsrichtung des PUR-Materials erfährt.
19. Sprühvorsatz nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühvorsatz mit einem Hochdruckmischer oder einem Niederdruckmischer kombiniert ist.
EP09753634A 2008-05-28 2009-05-19 Herstellung eines feststoff-enthaltenden pur-sprühstrahls Ceased EP2300208A1 (de)

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EP2300208A1 true EP2300208A1 (de) 2011-03-30

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