NO312843B1 - Fremgangsmåte for skumproduksjon ved bruk av opplöst karbondioksid under trykk - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse omhandler en prosess og en apparatur for produksjon av skum ved bruk av karbondioksid oppløst under trykk som et skummemiddel, hvori sammensetningen som skal bli skumdannet blandes under trykk med fortrinnsvis flytende karbondioksid og deretter trykkavlastes under dannelsen av skum. Flytende utgangsmaterialer for plast som blir harde og former den skumdannede plasten på grunn av en addisjonspolymerisasjon - eller kondensasjonspolymerisasjonsreaksjon som starter etter skumdannelsen, brukes spesielt som skumdannende sammensetninger. Denne oppfinnelsen omhandler spesielt skumdannede materialer av polyuretan.

Bruken av fysisk oppløst karbondioksid som et skummemiddel for produksjon av polyuretanskum er kjent fra GB-A 803 771, US-A 3 181 199 og US-A 3 184 419. Imidlertid, disse kjente, tidligere forslagene har ikke resultert i industriell utnyttelse på grunn av at det produserte skummets struktur var svært uensartet; spesielt inneholdt skummet store hulrom. Grunnen til dette antas å være at det oppløste karbondioksidet har en uttalt tendens til å bli værende i løsning, selv når blandingen som reagerer og danner polyuretan er overmettet med karbondioksid. For å frigi karbondioksidet i løpet av eller etter trykkavlastningen, er det nødvendig å tilveiebringe kimbobler som fremmer den kontrollerte frigivelsen av karbondioksid i løpet av trykkavlastningen.

Det er også kjent at dette problemet forekommer når andre skummemidler brukes, slik som hydrokarboner med lav molekylvekt, klorofluorokarboner, metylenklorid eller vann (kjemisk utvikling av karbondioksid ved reaksjon mellom isocyanatet og vann). Under disse omstendighetene har kimbobler blitt tilført ved dispersjon av fint fordelt luft og/eller nitrogen i minst en av bestanddelene av blandingen som reagerer og danner polyuretan.

Når karbondioksid som er fysisk oppløst under trykk blir brukt som skummemidlet, har det på samme måte blitt foreslått ifølge EP-A 645 226 at nitrogen introduseres som en initierende gass inn i blandekammeret for polyolet og isocyanatkomponentene. I løpet av denne fremgangsmåten må mengden av nitrogen økes sammenlignet med konvensjonelle blandingsprosesser som vesentlig opererer ved normalt trykk slik at det tilsvarer det gjeldende trykket. Imidlertid har polyuretanskum som er produsert på denne måten fremdeles en utilfredsstillende skumstruktur, tilsynelatende på grunn av at kimboblestrukturen ikke er tilstrekkelig fin og ensformet.

Det er også blitt foreslått ifølge DE-A 44 22 568.7 at høye skjærkrefter som dannes ved trykkavlastningen er en faktor som initierer avgivelsen av CO2. Selv om det oppnåes en svært god skumkvalitet ifølge dette forslaget ved bruk av høy andel karbondioksid, 4-6 vekt-%, og med trykkavlastning fra et tilsvarende høyt trykk, vil ved lavere karbondioksidinnhold i reaksjonsblandingen derimot vil overmetningen av reaksjonsblandingen som er oppnådd ved trykkavlastning ikke være tilstrekkelig for å tilveiebringe ensartet skum av god kvalitet ved hjelp av høye skjærkrefter. En annen ulempe er at trykket i blandekammeret må holdes svært nær ovenfor løsningstrykket av karbondioksid, hvilket utgjør en hindring for en volumstrømningskontrollprosedyre.

Formålet ved den foreliggende oppfinnelsen er å forbedre skumkvalitetene til skumdannede materialer bestående av flere komponenter ved bruk av karbondioksid oppløst under trykk, ved å produsere en svært ensformet kimboblestruktur.

Det er blitt funnet at blandingskammertrykket kan bli variert innenfor et stort område, i den hensikt å bevirke massestrømningskontroll av komponentene, hvis luft eller nitrogen først er oppløst som et initierende middel i en av (hoved) komponentene og karbondioksid for det andre er oppløst i den andre (hoved) komponenten, og hvis komponenten som inneholder det initierende midlet er injisert under høyt trykk inn i komponenten som inneholder karbondioksid.

Den foreliggende oppfinnelsen omhandler følgelig en fremgangsmåte for kontinuerlig produksjon av polyuretanblokkskum ved bruk av karbondioksid som er fysisk oppløst under trykk som et skummemiddel, kjennetegnet ved at før polyolkomponenten og isocyanatkomponenten er blandet, er karbondioksid oppløst i polyolkomponenten og luft eller nitrogen er oppløst i isocyanatkomponenten, begge komponentene er matet til et blandingskammer som har et rådende trykk som er 70 til 150% av blandingstrykket av CO2 i polyolkomponenten, isocyanatkomponenten er matet til blandingskammeret ved et trykk på minst 10 bar over det rådende trykket i blandingskammeret og er injisert deri ved trykkavlastning ned til blandingskammertrykket, hvori luft eller nitrogen i en mengde på minst 1 g pr. kg CO2 er oppløst i isocyanatkomponenten, og etter å ha kommet ut av blandingskammeret blir blandingen trykkavlastet til atmosfæretrykk.

Foretrukket er at trykket av isocyanatkomponenten er over 30 bar, særlig foretrukket mellom 40 og 100 bar, før den introduseres inn i blandingskammeret.

Mengden av luft oppløst i isocyanatet er foretrukket 4 til 6 g pr. kg CO2; i tilfellet nitrogen er det 3 til 5 g pr. kg CO2. Tilsetningen av luft eller nitrogen kan bli regulert på inntakssiden av målepumpen. Med store mengder av luft eller nitrogen, kan imidlertid tilsetning på inntakssiden resultere i måleproblemer ved isocyanatpumpen. I denne situasjonen er det mest hensiktsmessig å tilsette på leveringssiden, dvs. nedstrøms av målepumpen. I denne forbindelse er det viktig at avstanden mellom den statiske blanderen og blandingshodets isodyse er lang nok til at en pausetid oppstår hvor luften og nitrogenet går fullstendig i løsning.

Karbondioksid er foretrukket brukt som skummemiddel i en mengde av 1,5 til 6 vektdeler pr. 100 vektdeler av polyol, tilsvarende et blandingskammertrykk på ca. 4 til 30 bar. Løsningens partialtrykk av CO2 i blandingen er ca. 3 til 14 bar, og avhengig av formuleringen, av anvendte råmaterialer og av andelen luft oppløst deri som på grunn av transport og lagring muliggjør avvik fra ca. 0,3 bar (ved lavt CC^-innhold) til 2 bar (ved høyt CCVinnhold). På grunn av at alt karbondioksidet er tilført blandingskammeret oppløst i polyolkomponenten, er polyoltrykket før introduksjonen inn i blandingskammeret er minst 5 bar (1,5 vektdeler CO2) til minst 20 bar (6 vektdeler CO2).

Passende formuleringer hvor 50 til 65 vektdeler isocyanat er brukt pr. 100 vektdeler polyol, er forutsatt i dette henseendet. I tilfellet formuleringen er syntetisert fra prepolymere komponenter, vil dette resultere i forskjellige trykkforhold for komponentene og blandingen, tilsvarende blandingsforholdet til komponentene som da er nødvendig.

Etter å ha blandet komponentene fullstendig (forutsatt at andelen av gass som frigis i kimboblene også er oppløst), er summen av løsningens partialtrykk av karbondioksid og luft eller nitrogen mindre enn blandingskammertrykket. Kimboblene som dannes ved injeksjon av isocyanatet inn i blandingskammeret er tilsynelatende ikke gjenoppløst i løpet av den korte oppholdstiden på 1 til 2 sekunder inntil trykkavlastningen til atmosfæretrykk i reaksjonsblandingen.

Ifølge oppfinnelsen er det dannet svært ensartede kimbobler i en mengde av 250.000 til 500.000 pr. g reaksjonsblanding, med en kimboblediameter mellom 10 og 30 (i i reaksjonsblandingen.

Utløpsåpningene som har små tverrsnitt i minst en dimensjon, slik som spalte- eller perforerte plater, og som utøver en strømningsmotstand på reaksjonsblandingen som er tilstrekkelig for å opprettholde trykket i blandingskammeret, er passende som et trykkavlastningselement for trykkavlastningen av den reaktive blandingen. Det er foretrukket å anvende flere perforerte plater i serie, hvori de perforerte platene i umiddelbar nærhet av blandingskammeret har et tilstrekkelig lite fritt tverrsnitt for å opprettholde trykket i blandingskammeret og minst en perforert plate er plassert fjernt fra blandingskammeret som har vesentlig større fritt tverrsnitt f.eks., slik at utløpshastigheten av reaksjonsblandingen er redusert ved passering gjennom den siste perforerte platen.

Oppfinnelsen er mer detaljert forklart nedenunder med referanse til medfølgende figurer 1 til 3.

Fig. 1 viser et røreverkblandehode 3 som er vanligvis brukt i polyuretanskumteknologi. Til denne blir isocyanat fra isocyanatforsyningsbeholder 35 og polyol fra polyolforsyningsbeholder 36 matet via rørene 31 og 32, respektivt. Isocyanatet som kommer ut av isocyanatforsyningsbeholder 35 bringes til et trykk på 95 bar, f.eks. via trykkpumpe 33. Før isocyanatet kommer inn i den statiske blanderen 37, blir isocyanatet ladet med luft, som antydet med pil 39, som blir godt blandet med isocyanatet i den statiske blanderen. Innløpet av isocyanatlinje 31 inn i blandingskammer 3 er utstyrt med en dyse og ved hjelp av denne blir isocyanatet injisert inn i blandingskammeret med et trykk Pi på 90 bar, f.eks., og er trykkavlastet til trykket i blandingskammeret Pm på f.eks. 14 bar. Pausetiden mellom den statiske blanderen 37 og blandingskammerinjeksjonen er ca. 10 sekunder. Polyolet som kommer ut av polyolforsyningsbeholder 36 bringes til et trykk på 30 bar, f.eks., ved hjelp av trykkpumpe 34. Flytende karbondioksid som er kjølt til -20°C er injisert inn i polyollinjen, som indikert ved pil 40, før den sistnevnte kommer inn i den statiske blander 38, og er blandet i den statiske blander 38. F.eks., mengden av karbondioksid som er oppløst i polyolet oppstrøms fra den statiske mikseren kan bli 4 vektdeler pr. 100 vektdeler polyol, korresponderende til et løsningspartialtrykk på 13 bar. Trykket Pp i polyolmaterøret 32 er da ca. 20 til 23 bar.

Når polyolrør 32 kommer inn i blandingskammeret 3, blir polyolet trykkavlastet, ved hjelp av en trykkavlastningsventil, ned til blandingskammertrykket Pm på 14 bar. Bortsett fra karbondioksid, kan polyolet også inneholde ca. 4,5 vektdeler vann pr. 100 deler polyol som et ytterligere kjemisk skummemiddel. Ifølge en hensiktsmessig formulering mates 60 deler isocyanat er matet inn i blandingskammeret 3 pr. 100 deler polyol, hvori isocyanatet kan inneholde 0,33 g luft/kg isocyanat.

Trykkavlastningselementet for trykkavlastning av reaksjonsblandingen til omgivelsenes trykk er anbrakt direkte ved utløpet av blandingskammeret 3. Fig. 2 viser en spesielt foretrukken utførelse av trykkavlastningselementet 4. Denne består av et hus 41 som er lukket med en eller flere perforerte trykkplater 42, som innbefatter et stort antall av hull som har en diameter på f.eks. 0,1 til 0,2 mm, hvori det frie tverrsnittarealet av alle hullene beløper seg til f.eks. 1 til 5% av platearealet. En ytterligere perforert plate 43 er plassert oppstrøms for de perforerte trykkplatene 42, og medvirker til å redusere hastigheten til reaksjonsblandingen som passerer gjennom de perforerte trykkplatene. Den hastighetsreduserende plate 43 har også hull av diametre på 0,1 til 0,2 mm, men det frie tverrsnittarealet av alle gjennomhullingene utgjør 10 til 30%. De perforerte platene er holdt på plass av en oppdemningskant 44 og har avstandsringer 45, slik at mellomrommet er fra 0,5 til 2 mm. De perforerte platene 42 og 43 er foretrukket konvekse i strømningsretningen som indikert ved de stiplede linjene 42a og 43a. Direkte etter gjennomstrømning av perforatorplatene 42 og 43, blir den oppløste karbondioksiden frigjort i boblekimene som produseres i blandingskammeret. Reaksjonsblandingen skummer deretter svært kraftig, som indikert ved skumkonturen 5.

Fig. 3 illustrerer prosessen for kontinuerlig produksjon av blokkskum. Skummet 5 som kommer ut av trykkavlastningsinnretningen 4 blir avsatt på en lavereliggende lamineringsfilm 2 som beveger seg sammen med transportbåndet 1. En barriere 6 som er plassert på tvers av transportbåndet forhindrer skummet fra å flyte av i den motsatte retningen av retningen til transportbåndet. Det øvre transportbåndet 8 er matet via en valse 7. Sidevalser 9 tjener til å mate sidelamineirngsfilmen 10. Det er også indikert at andre hjelpematerialer og modifiserende substanser kan bli matet til blandingshodet via en ekstra matelinje 30.

Med formuleringen som er gitt i beskrivelsen av fig. 1, er det produsert et svært ensartet skum, som har en tetthet i bulkform på 15 kg/m<3> og svært ensartede skumbobler.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for kontinuerlig produksjon av polyuretanblokkskum ved bruk av karbondioksid som er fysisk oppløst under trykk som et skummemiddel, karakterisert ved at før polyolkomponenten og isocyanatkomponenten er blandet, er karbondioksid oppløst i polyolkomponenten og luft eller nitrogen er oppløst i isocyanatkomponenten, begge komponentene er matet til et blandingskammer som har et rådende trykk som er 70 til 150% av blandingstrykket av CO2 i polyolkomponenten, isocyanatkomponenten er matet til blandingskammeret ved et trykk på minst 10 bar over det rådende trykket i blandingskammeret og er injisert deri ved trykkavlastning ned til blandingskammertrykket, hvori luft eller nitrogen i en mengde på minst 1 g pr. kg CO2 er oppløst i isocyanatkomponenten, og etter å ha kommet ut av blandingskammeret blir blandingen trykkavlastet til atmosfæretrykk.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at 0,5 til 6 vektdeler karbondioksid, med hensyn til 100 vektdeler polyol, er oppløst i polyolkomponenten, og blandingskammertrykket er 2 til 30 bar.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at luft i en mengde av 4 til 6 g pr. kg CO2 er oppløst i isocyanatet.

4. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 3, karakterisert ved at et trykk råder i blandingskammeret som korresponderer til 80 til 130% av løsningstrykket av CO2 i polyolkomponenten.

5. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert ved at 2 til 6 vektdeler karbondioksid, med hensyn til 100 vektdeler av polyol, er oppløst i polyolkomponenten.