WO2018002101A1

WO2018002101A1 - Verfahren zur herstellung eines polypropylen-schaumkörpers

Info

Publication number: WO2018002101A1
Application number: PCT/EP2017/065928
Authority: WO
Inventors: Frank Van Lück; Rolf Heusser
Original assignee: Frank Van Lück
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2017-06-27
Publication date: 2018-01-04
Also published as: DE102016008041B4; DE102016008041A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Polypropylen-Schaumkörpers beschrieben: Es wird eine Polypropylen-Schmelze in einem Extruder (AE) erzeugt. Es wird mindestens ein erstes Treibmittel (T1) zugegeben, das bei 100°C einen Dampfdruck von nicht mehr als 40 bar aufweist und das selbstnukleierend ist, und es wird ein zweites Treibmittel (T2) zugegeben, das bei 100°C einen Dampfdruck von nicht mehr als 40 bar aufweist. Es folgen die Schritte: Homogenisieren der mit dem ersten und dem zweiten Treibmittel (T1; T2) versetzten Polypropylen-Schmelze; Kühlen des Gemisches auf eine Soll-Temperatur; und Führen der homogenisierten Polypropylen-Schmelze durch eine Abgabedüse (D).

Description

Verfahren zur Herstellung eines Polypropylen-Schaumkörpers

Auf dem Gebiet der Herstellung von Kunststoffschäumen ist bekannt, mittels eines Extruders eine Kunststoffschmelze zu erzeugen, der Treibmittel zugesetzt wird. Während und nach dem Durchtritt durch eine Düse am Ende des Extruders expandiert das Treibmittel, wodurch die Zellen des Schaums entstehen.

Es ist bekannt, zur Schäumung von nicht langkettenverzweigtem Polypropylen (PP) Kohlendioxid einzusetzen. Allerdings ergibt sich durch die geringe Löslichkeit von Kohlendioxid in Polypropylen-Schmelze eine Untergrenze für die erreichbare Dichte eines derart erzeugten Schaums. Insgesamt ist es aufgrund der geringen Viskosität von Polypropylen-Schmelze schwierig, Schäume mit geringen Dichten zu erzeugen; auch hierdurch ergibt sich eine Untergrenze für die Dichte des erzeugten Polypropylen-Schaums. So können typischerweise mit nicht langkettenverzweigtem Polypropylen keine Dichten unter 300 kg/m³ erreicht werden.

Es ist bekannt, HMS-PP, d.h. langkettenverzweigtes Polypropylen, zur Erzeugung von Polypropylen-Schaum („PP-Schaum“) zu verwenden, dessen höhere Schmelzefestigkeit den Schäumungsprozess unterstützt und zu einer geringeren Dichte führt, da die Zellen mehr aufgebläht werden können. Allerdings sind die Kosten für derartiges Material relativ hoch.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich PP-Schaum mit geringen Kosten und geringer Dichte erzeugen läßt.

Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1. Weitere Eigenschaften, Ausführungsformen und Merkmale ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.

Es wird vorgeschlagen, zunächst eine PP-Schmelze (d.h. Polypropylen-Schmelze) in einem Extruder zu erzeugen. Ferner wird mindestens ein erstes Treibmittel zu der Schmelze zugegeben. Es können ein einziges erstes Treibmittel zugegeben werden oder es können mehrere erste Treibmittel zugegeben werden. Das mindestens eine erste Treibmittel kann als Gemisch mehrerer erster Treibmittel zugegeben werden oder kann als Reinstoff zugegeben werden. Das mindestens eine erste Treibmittel wird als Gas oder Feststoff oder als Flüssigkeit der Schmelze zugefügt.

Das erste Treibmittel oder die ersten Treibmittel hat bzw. haben einen Dampfdruck von nicht mehr als 40 bar bei einer Temperatur von 100°C. Das mindestens eine erste Treibmittel erzeugt somit im Vergleich zu anderen Treibmitteln keinen besonders hohen Aufschäumdruck. Das mindestens eine erste Treibmittel ist selbstnukleierend bzw. enthält einen selbstnukleierenden Bestandteil. Das mindestens eine erste Treibmittel ist zumindest in PP-Schmelze selbstnukleierend. Aufgrund der Nukleierwirkung des Treibmittels wird eine Vielzahl von Zellen erzeugt. Wegen des geringen Dampfdruckes kommt es zu einem (im Vergleich zu Treibmitteln mit höherem Dampfdruck) langsameren Zellwachstum, wodurch viele Zellen mit geringem Zellvolumen entstehen. Mit erhöhtem Treibmittelanteil steigt die Zahl der Zellen. Die Zellen weisen aufgrund des geringen Dampfdrucks im Vergleich zu anderen Treibmitteln ein geringes Volumen auf, auch bei relativ hohen Treibmittelkonzentrationen. Das erste Treibmittel erzeugt insbesondere eine hohe Anzahl bzw. einen hohen Anteil von geschlossenen Zellen. Das erste, selbstnukleierende Treibmittel erzeugt Zellen bzw. Nukleierungszentren in hoher Zahl (bezogen auf das Volumen, indem sich die Zellen befinden und verglichen mit Treibmitteln höheren Dampfdrucks und somit mit schnellerem Zellwachstum). Das erste Treibmittel ist ein physikalisches Treibmittel. Das erste, selbstnukleierende Treibmittel ist insbesondere in Polypropylen-Schmelze nukleierend.

Das erste Treibmittel hat neben der Funktion als Treibmittel selbst (d.h. Volumenvergrößerung; „Treiben“ von Zellen) die Funktion des Nukleierens, d.h. der Keimbildung. Daher kann das Verfahren ohne weitere Treibmittel (etwa Partikel wie Talkum) ausgeführt werden. Die Vorsilbe „selbst-“ des Begriffs „selbstnukleierend“ soll auf diese zweite Funktion hinweisen, d.h. soll darauf hinweisen, dass das erste Treibmittel selbst die Funktion des Nukleierens ausführt. Anstatt „selbstnukleierend“ kann auch der Begriff „nukleierend“ verwendet werden. Nukleierende bzw. selbstnukleierende Treibmittel Treibmittel erzeugt Zellen bzw. Nukleierungszentren in einer Volumenkonzentration, die im Wesentlichen der Volumenkonzentration in Schäumen erzeugt mit chemischem Treibmittel entspricht oder über dieser liegt. Nicht nukleierende Treibmittel erzeugen Zellen bzw. Nukleierungszentren in einer Volumenkonzentration, die unter der Volumenkonzentration in Schäumen erzeugt mit chemischem Treibmittel liegt. Beispielsweise beträgt die Volumenkonzentration von Zellen bzw. Nukleierungszentren bei nicht nukleierende Treibmittel nicht mehr als 50%, 20% oder 10% der Volumenkonzentration in Schäumen, welche mit chemischem Treibmittel erzeugt werden. Die Volumenkonzentration bei einem selbstnukleierenden Treibmittel liegt über dieser Volumenkonzentration.

Zudem wird der Schmelze ein zweites Treibmittel zugegeben. Es können ein einziges zweites Treibmittel zugegeben werden oder es können mehrere zweite Treibmittel zugegeben werden. Das zweite Treibmittel kann als Gemisch mehrerer zweiter Treibmittel zugegeben werden oder kann als Reinstoff zugegeben werden. Das zweite Treibmittel wird als Gas oder Feststoff oder als Flüssigkeit der Schmelze zugefügt. Der erste und das zweite Treibmittel können an unterschiedlichen Stellen der Schmelze zugefügt werden oder können als Gemisch an der gleichen Stelle der Schmelze zugeführt werden. Der Schmelze werden als erstes und zweites Treibmittel physikalische Treibmittel zugeführt. Das zweite Treibmittel ist ein physikalisches Treibmittel.

Die Treibmittel selbst werden in der Schmelze nicht chemisch umgesetzt, insbesondere wird kein Treibmittel in der Schmelze von einem festen Zustand durch eine chemische Reaktion in eine flüssige oder gasförmige Verbindung umgewandelt wie dies im Rahmen von chemischer Nukleierung als physikalischer Vorgang zu beobachten ist. Vorzugsweise wird der Schmelze kein festes Treibmittel zugesetzt. Weder das erste noch das zweite Treibmittel sind Kohlendioxid noch Stickstoff, das bzw. der durch chemische Umwandlung eines Edukts (etwa eines Feststoff-Treibmittels) innerhalb der Schmelze erzeugt wird.

Vorzugsweise wird der Schmelze (neben dem ersten Treibmittel) keine weitere nukleierende Substanz zugeführt. Insbesondere wird der Schmelze vorzugsweise kein Nukleierungsmittel als Feststoff (bzw. als Partikel) zugeführt. Die durch die Düse (auch als Abgabedüse bezeichnet) geführte Schmelze umfasst vorzugsweise kein Talkum als Nukleiierungsmittel, insbesondere kein Talkum mit Korngrößen von kleiner als 50, 20, 10 oder 5 µm insbesondere kein Talkum mit Körngrößen von 0.1 – 10 µm.

Zellen werden unter Einwirkung (von Außen- oder Innendrücken) dann zerstört, wenn Sollbruchstellen gegeben sind. Diese wiederum entstehen durch Bereiche unterschiedlicher Temperatur, unterschiedlichem Polymeren oder durch Fremdstoffe in der Zellwand. Die Fremdstoffe führen zu Kerbeinwirkungen oder zu stark unterschiedlicher Zellwanddicke, z.B. im Schnitt 5 µm. Die Kerbeinwirkung ist lokal aufgrund von benachbartem Fremdstoffpartikeln (beispielsweise 1 µm). Dort findet dann der Zellwanddurchbruch statt. Hier bei kristallinerem (=kurzkettigem Werkstoff wie der hier verwendete) ergibt sich darüber hinaus eine Verdünnung der Zellwand lokal bei wachsender Zellgröße, mit gleichem Effekt von Bereichen von dünner Zellwand. Bei HMS-PP bleibt die Zellwand insgesamt identisch beim Verdünnen, so dass Zellen erst viel später, wenn die kritische Zellwanddicke unterschritten ist, durchbrechen.

Das zweite Treibmittel hat bevorzugt einen geringeren Dampfdruck als das erste Treibmittel (insbesondere bei 100°C, bei 120°C oder bei 140°C bzw. 160°C). Bevorzugt gilt dies für die Temperatur der Schmelze an der Abgabedüse. Durch den geringeren Dampfdruck kann das erste Treibmittel Nukleierungszentren bzw. Zellen bilden, ohne dass das zweite Treibmittel beim Übergang in die Gasphase diese stört bzw. zu schnell oder zu stark aufbläht. Das zweite Treibmittel dient insbesondere dem Wärmeentzug und hat daher vorzugsweise eine vergleichsweise hohe (spezifische) Verdampfungswärme. Durch das Entziehen von Wärme aufgrund des Phasenwechsels des zweiten Treibmittels bei Durchtritt der Schmelze durch die Abgabedüse werden die Zellwände verfestigt.

Das zweite Treibmittel hat vorzugsweise einen Dampfdruck bei 100°C, der gleich oder geringer ist als der Dampfdruck des ersten Treibmittels bei 100°C. Der Dampfdruck des zweiten Treibmittels beträgt bei 100°C insbesondere nicht mehr als 30, 35, oder 40 bar, oder nicht mehr als 2 oder 3 bar, beispielsweise nicht mehr als 4, 6 oder 8 bar, und insbesondere nicht mehr als 10, 15 20 oder 25 bar. Es können unterschiedliche Dampfdrücke (bei 100°C) abhängig von den gewünschten physikalischen Eigenschaften des zu erzeugenden Schaumprodukts bzw. abhängig von den Prozessparametern des Verfahrens (Temperatur, Druck, Fördergeschwindigkeit, Typ des Extruders oder der Extruder) verwendet werden; aufgrund der möglichen Anpassungen hieran können verschiedene Obergrenzen von 2 bar bis hin zu einer Obergrenze von 40 bar bei 100°C wünschenswert sein.

Nach dem Zufügen der Treibmittel wird die mit Treibmittel versetzte Kunststoffschmelze gekühlt. Hierzu kann die Schmelze durch einen Extruder geführt werden, der mit Kühlelementen versehen ist bzw. der so oder auf andere Weise die Schmelze kühlt. Insbesondere wird die (mit den Treibmitteln versetzte Schmelze) Kunststoffschmelze auf eine Soll-Temperatur gekühlt. Dies kann erreicht werden durch Regeln der Temperatur der Schmelze auf die Soll-Temperatur. Insbesondere kann dies erreicht werden durch Messen der Schmelzetemperatur, Vergleichen mit der Soll-Temperatur und Einstellen der Kühlung gemäß dem Ergebnis des Vergleichs. Es kann eine Steuerung vorgesehen sein, die die Kühlung steuert, insbesondere die die Kühlelemente ansteuert, d.h. deren Leistung oder Aktivierungszustand ansteuert. Die Soll-Temperatur entspricht einer Aufschäumtemperatur, d.h. einer Temperatur, bei der sich gewünschte Schaumeigenschaften ergeben, insbesondere eine Maximaldichte. Die Aufschäumtemperatur kann beispielsweise innerhalb eines Intervalls von 145 – 170°C liegen, beispielsweise in einem Intervall von 155 – 165 °C.

Die Treibmittel können mit der gleichen Förderleistung (und somit zu gleichen Teilen) in die Schmelze eingebracht werden, wobei je nach Treibmittel, Kunststoff und gewünschten Schaumprodukteigenschaften das Verhältnis von erstem Treibmittel zu zweiten Treibmittel (bezogen auf die Massenrate der Zuführung) beispielsweise von 0.1 bis 10 oder von 0.5 – 2 variieren kann. Die Untergrenze des Verhältnisses kann 0.05, 0.1 oder 0.2 betragen und die Obergrenze kann 20, 10 oder 5 betragen.

Die mit den beiden Treibmitteln versetzte Schmelze wird durch eine Abgabedüse bzw. durch ein Werkzeug oder eine Matrix geführt. Die Abgabedüse weist vorzugsweise eine Schlitz auf, beispielsweise einen Rundschlitz. Dessen Breite ist vorzugsweise nicht größer als 10 mm, insbesondere nicht größer als 5 mm oder 4 mm. Die Abgabedüse ist eine Abgabedüse geeignet zum Erzeugen einer Schaumbahn bzw. eines Schaumkörpers. Vor dem Führen der Schmelze durch die Abgabedüse wird die mit beiden Treibmitteln versetzte Schmelze homogenisiert. Bevorzugt wird hierzu ein Schmelzehomogenisator eingesetzt, welcher die Schmelzetemperaturverteilung über den Querschnitt des Strömungskanals auf geringer als +- 2°C und besonders bevorzugt nicht mehr als +-1°C verringert. Des Weiteren kann die Schmelzetemperatur selber in ihrem absoluten Wert einjustiert werden, abhängig von dem gewünschten Eigenschaften des entstehenden Schaumprodukts. Dies ist insofern sinnvoll, da die Viskosität der Schmelze dem Zellwachsen einen Widerstand entgegen setzt. Durch die Veränderung der Schmelzetemperatur kann somit der Widerstand gegen das Aufschäumen gezielt eingestellt werden. Der Effekt des Widerstands ist in diesem Verfahren aufgrund der Verwendung von Treibmitteln mit geringem Schäumdruck von großem Einfluss. Dies resultiert zu einer geringen Dichte des resultierenden Schaumprodukts, wenn die Schmelzefestigkeit verringert und die Zellen somit größer werden.

Das Homogenisieren der Schmelze kann von einem Schmelzekühler ausgeführt werden, etwa mittels eines statischen Schmelzekühlers, wie er etwa von den Unternehmen Promix Solutions AG, Schweiz angeboten wird oder im Handel erhältlich ist. Ferner kann das Homogenisieren der Schmelze von einem statischen Mischer ausgeführt werden, etwa von einem Mischer des Typs Kenics. Es kann ein Mischer verwendet werden, der unterschiedliche, aufeinanderfolgende Abschnitte aufweist, etwa Abschnitte, die Schmelze von außen nach innen zur Mitte des Querschnitts führen, und Abschnitte, die Bleche mit über den Querschnitt verteilten Ausnehmungen aufweisen.

Das erste und das zweite Treibmittel führen bei dem Führen der Schmelze durch die Abgabedüse nach dieser zu einer Volumenvergrößerung in den Zellen, insbesondere zu einer Volumenvergrößerung von geschlossenen Zellen, die insbesondere mindestens 75%, 80%, vorzugsweise mindestens, 85% oder 90% oder besonders bevorzugt mindestens 95% aller Zellen ausmachen. Aufgrund des im Vergleich zu anderen Treibmitteln geringen Dampfdrucks ist die Zellenwachstumsgeschwindigkeit vergleichsweise gering, so dass das Zellenwachstum homogen ist und ein Großteil der Zellen geschlossen bleibt. Es kommt somit nicht zu einer Agglomeration von Zellen, was zu einer inhomogenen Zellstruktur aus kleinen und großen Zellen führen würde. Zusammen mit dem ersten, selbstnukleierenden Treibmittel wird eine homogene Verteilung erreicht. Ferner sind die Zellenwände geschlossen und gleichermaßen dünn.

Vorzugsweise wird zumindest ein Verfahrensparameter (Temperatur, Druck, Fördermenge oder ähnliches) derart eingestellt, dass sich Zellwände mit einer Dicke von nicht mehr als 10 µm, 8 µm, 5 µm oder 2 µm ergeben. Bevorzugt wird das Verfahren derart geführt, dass sich Zellwände mit einer Dicke von nicht mehr als 1 µm, 0.5 µm und besonders bevorzugt von nicht mehr als 0.2 µm oder 0.1 µm ergeben.

Das zweite Treibmittel entzieht der Schmelze bei der Verdampfung eine größere Wärmemenge. Die spezifische Verdampfungswärme des zweiten Treibmittels beträgt beispielsweise mindestens 300, 400, oder 500, kJ/kg, vorzugsweise mindestens 600, 700 oder kJ/kg, besonders bevorzugt mindestens800, 900 oder 1000, insbesondere mindestens 1500 oder 2000 kJ/kg. Aufgrund der dünnen Zellwände führt der Energieentzug durch die Verdampfung zu einer Verfestigung der Schmelze. Dadurch und durch den moderaten Zellvolumenzuwachs wird die Zelle stabilisiert und zerplatzt nicht während des Aufschäumens.

Das hier beschriebene Verfahren sieht vor, zunächst eine PP-Schmelze zu erzeugen. Die Schmelze wird in einem Extruder erzeugt, insbesondere indem dem Extruder Polypropylen-Granulat (PP-Granulat) zugeführt wird, welches in dem Extruder geschmolzen wird, oder indem dem Extruder Schmelze zugeführt wird, die beispielsweise in einer vorgeschalteten Einheit (etwa ein weiterer Extruder) aus Granulat erzeugt wird.

Im Schritt des Erzeugens der Schmelze weist diese nicht-langkettenverzweigtes Polypropylen auf, insbesondere mit einem Gewichtsanteil von mindestens 90% (des Gesamt-Kunststoffanteils der Schmelze). Das Polypropylen kann ein Gemisch aus mehreren Polypropylen-Kunststoffmaterialien sein oder kann im Wesentlichen nur aus einem PP-Kunststoffmaterial geschaffen sein. Das eine oder die mehreren PP-Kunststoffmaterialien weisen im Wesentlichen kein langkettenverzweigtes Polypropylen (d.h. im Wesentlichen kein HMS-PP) auf.

Bei dem Kunststoff, der die Schmelze bildet, handelt es sich nicht um langkettenverzweigtes Polypropylen, wie etwa hochschmelzefestes Polypropylen das etwa von der Borealis AG unter dem Markennamen Daploy HMS (HMS – High Melt Strength, hochschmelzefest) vertrieben wird. Das in dem hier beschriebenen Verfahren verwendete Kunststoffmaterial ist vorzugsweise vollständig ein nicht-langkettenverzweigtes Polypropylen, das etwa unter der Bezeichnung GP-PP allgemein im Handel verfügbar ist. Das in dem hier beschriebenen Verfahren verwendete Kunststoffmaterial weist vorzugsweise einen Polypropylen-Anteil auf, der insbesondere vollständig aus nicht-langkettenverzweigtem Polypropylen besteht. Der Polypropylen-Anteil kann den gesamten Kunststoffanteil der Schmelze ausmachen, oder der Polypropylen-Anteil kann zusammen mit einem weiteren Kunststoffanteil oder mehreren Anteilen verschiedener Kunststoffe den gesamten Kunststoffanteil der Schmelze ausmachen. Die Schmelze kann insbesondere einen Anteil von nicht-langkettenverzweigtem Polypropylen enthalten. Die Schmelze kann ferner einen Anteil von nicht-langkettenverzweigtem Polypropylen und einen Anteil eines anderen Kunststoffs aufweisen. Der Anteil von Polypropylen macht vorzugsweise mindestens 80% und besonders bevorzugt mindestens 90% bezogen auf die gesamte Kunststoffschmelze aus. Die Anteile sind Gewichtsanteile.

Es wird während des Prozesses insbesondere auch kein langkettenverzweigtes Polypropylen (d.h. HMS-PP) durch Zugabe von Additiven erzeugt. Insbesondere wird im Rahmen des Verfahrens kein langkettenverzweigtes Polypropylen mit einem Anteil von mehr als 50%, 70% oder 80% der gesamten Schmelze erzeugt.

Ferner ist wie erwähnt vorgesehen, dass ein erstes Treibmittel der Schmelze zugesetzt wird. Das erste Treibmittel ist selbstnukleierend. Ferner hat das erste Treibmittel einen im Vergleich zu Kohlendioxid oder ähnlichen Treibmitteln geringen Dampfdruck. Insbesondere beträgt der Dampfdruck bei 100°C nicht mehr als 40 bar, insbesondere nicht mehr als 35 bar und vorzugsweise nicht mehr als 32 bar. Der (im Vergleich) geringe Dampfdruck spiegelt sich auch durch die (relativ hohe) kritische Temperatur wieder, die mindestens 90°C, vorzugsweise mindestens 100°C und vorzugsweise mindestens 105°C beträgt. Ferner wird dies widergespiegelt durch den (relativ geringen) kritischen Druck, der nicht mehr als 45 bar, insbesondere nicht mehr als 40 bar und vorzugsweise nicht mehr als 38 bar beträgt.

Das erste Treibmittel wird mit einer Massen-Förderleistung der Schmelze zugeführt, die vorzugsweise mindestens 2%, 3%, vorzugsweise mindestens 4%, insbesondere mindestens 5 % und besonders bevorzugt 6% der Massen-Förderleistung der Kunststoffschmelze beträgt. Mit anderen Worten wird das Zuführen des ersten Treibmittels derart ausgeführt bzw. gegenüber dem Fördern der Kunststoffschmelze gesteuert, dass sich ein Anteil des ersten Treibmittels von vorzugsweise mindestens 3 Gew.-% oder 4 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 5 Gew.-% und besonders bevorzugt von mindestens 6 Gew.-% bezogen auf den Polymeranteil der Kunststoffschmelze ergibt.

Der Dampfdruck des ersten Treibmittels bei 100°C kann mindestens 5 bar, insbesondere mindestens 10 bar und vorzugsweise mindestens 20 oder auch 25 bar oder 28 bar betragen. Ferner kann die kritische Temperatur des ersten Treibmittels nicht mehr als 180°C, insbesondere nicht mehr als 140°C oder vorzugsweise nicht mehr als 120°C oder 115°C betragen. Der kritische Druck des ersten Treibmittels kann mindestens 20 bar, insbesondere mindestens 25 bar oder vorzugsweise mindestens 34 bar betragen.

Eine erste, spezifische Ausführungsform sieht vor, dass das erste Treibmittel einen Dampfdruck bei 100°C aufweist, der gemäß einer ersten Alternative zwischen 25 bar und 35 bar liegt und gemäß einer zweiten, spezifischeren Alternative zwischen 28 und 32 bar liegt. Eine zweite, spezifische Ausführungsform sieht vor, dass das erste Treibmittel eine kritische Temperatur gemäß einer ersten Alternative zwischen 100°C und 120°C aufweist und gemäß einer zweiten, spezifischeren Alternative eine kritische Temperatur zwischen 105°C und 115°C aufweist. Eine dritte, spezifische Ausführungsform sieht vor, dass das erste Treibmittel einen kritischen Druck gemäß einer ersten Alternative zwischen 30 bar und 42 bar aufweist gemäß einer zweiten, spezifischeren Alternative einen kritischen Druck zwischen 38 bar und 40 bar aufweist.

Ein Aspekt des hier beschriebenen Verfahrens ist es, dass die kritische Temperatur des ersten Treibmittels nicht mehr als 90°C, insbesondere nicht mehr als 80°C und vorzugsweise nicht mehr als 70°C unter der Temperatur der Kunststoffschmelze beim Durchtritt durch die Abgabedüse liegt.

Neben dem ersten Treibmittel wird ein zweites Treibmittel der Schmelze zugegeben. Das zweite Treibmittel hat vorzugsweise bei 100°C einen im Vergleich zum ersten Treibmittel einen geringen Dampfdruck, der insbesondere weniger als 90%, 75%, vorzugsweise weniger als 3/4 oder 2/3 und insbesondere weniger als 1/3 oder besonders bevorzugt weniger als 1/5 oder 1/10 des Dampfdrucks des ersten Treibmittels bei 100°C betragen kann. Insbesondere beträgt der Dampfdruck des zweiten Treibmittels bei 100°C nicht mehr als 7 bar, insbesondere nicht mehr als 5 bar und vorzugsweise nicht mehr als 3 bar oder 2,5 bar. Der (im Vergleich zum ersten Treibmittel) geringe Dampfdruck spiegelt sich auch durch die (relativ hohe) kritische Temperatur wieder, die mindestens 150°C, vorzugsweise mindestens 200°C und vorzugsweise mindestens 220°C beträgt. Ein weiterer Aspekt ist es, dass die kritische Temperatur des zweiten Treibmittels über der Temperatur der Schmelze beim Durchtritt durch die Auslassdüse ist. Die Temperatur der Schmelze beim Durchtritt durch die Auslassdüse beträgt beispielsweise 140°C – 200°C, vorzugsweise 150 – 170°C. Ferner kann das zweite Treibmittel charakterisiert werden durch den (relativ geringen) kritischen Druck, der nicht mehr als 100 bar, insbesondere nicht mehr als 80 bar und vorzugsweise nicht mehr als 70 oder 65 bar beträgt.

Der Dampfdruck des zweiten Treibmittels bei 100°C kann mindestens 1,5 bar, insbesondere mindestens 1,7 bar und vorzugsweise mindestens 2 oder auch mindestens 2,1 bar betragen. Ferner kann die kritische Temperatur des zweiten Treibmittels nicht mehr als 300°C, insbesondere nicht mehr als 280°C oder vorzugsweise nicht mehr als 260°C betragen. Der kritische Druck des zweiten Treibmittels kann mindestens 40 bar, insbesondere mindestens 50 bar oder vorzugsweise mindestens 60 bar betragen.

Eine erste, spezifische Ausführungsform sieht vor, dass das zweite Treibmittel einen Dampfdruck bei 100°C aufweist, der gemäß einer ersten Alternative zwischen 2 bar und 4 bar liegt und gemäß einer zweiten, spezifischeren Alternative zwischen 2 und 3 bar liegt. Eine zweite, spezifische Ausführungsform sieht vor, dass das zweite Treibmittel eine kritische Temperatur gemäß einer ersten Alternative zwischen 200°C und 280°C aufweist und gemäß einer zweiten, spezifischeren Alternative eine kritische Temperatur zwischen 230°C und 260°C aufweist. Eine dritte, spezifische Ausführungsform sieht vor, dass das zweite Treibmittel einen kritischen Druck gemäß einer ersten Alternative zwischen 50 bar und 80 bar aufweist gemäß einer zweiten, spezifischeren Alternative einen kritischen Druck zwischen 58 bar und 68 bar aufweist.

Ein Aspekt des hier beschriebenen Verfahrens ist es, dass die kritische Temperatur des zweiten Treibmittels nicht mehr als 100°C, insbesondere nicht mehr als 90°C und vorzugsweise nicht mehr als 80°C über der Temperatur der Kunststoffschmelze beim Durchtritt durch die Abgabedüse liegt.

Die kritische Temperatur des ersten Treibmittels liegt vorzugsweise unter der kritischen Temperatur des zweiten Treibmittels. Die kritische Temperatur des ersten Treibmittels ist beispielsweise um nicht mehr als um 160°C oder vorzugsweise 140°C geringer als die kritische Temperatur des zweiten Treibmittels.

Der kritische Druck des ersten Treibmittels liegt vorzugsweise unter dem kritischen Druck des zweiten Treibmittels. Der kritische Druck des ersten Treibmittels ist beispielsweise um nicht mehr als um 40 bar oder vorzugsweise 30 bar geringer als der kritische Druck des zweiten Treibmittels.

Die Schmelze, der das erste und das zweite Treibmittel zugegeben wurde, wird homogenisiert, insbesondere um eine homogene Verteilung der Treibmittel in der Schmelze zu erreichen. Das erste Treibmittel ist unter den Bedingungen (Druck/Temperatur) der Kunststoffschmelze während dem Homogenisieren oder während dem Zufügen des ersten Treibmittels in einem überkritischen Zustand. Beispielsweise bei einer im Vergleich hierzu 80°C oder 70°C geringeren Temperatur befindet sich das erste Treibmittel insbesondere nicht im überkritischen Zustand (sondern ist insbesondere gasförmig).

Gemäß einem weiteren Aspekt weist das erste Treibmittel ein Molgewicht von mindestens 70 g/mol, vorzugsweise von mindestens 90 g/mol und vorzugsweise von mindestens 100 g/mol auf. In einer spezifischen Ausführungsform beträgt das Molgewicht von mindestens 110 g/mol, vorzugsweise mindestens 112 g/mol und besonders bevorzugt mindestens 114 g/mol. Dem im Vergleich zu Kohlendioxid hohen Molgewicht wird eine (im Vergleich) hohe Trägheit bei der Phasenwandlung bzw. bei der Wandlung von einem überkritischen Zustand in eine nicht überkritischen Zustand zugeschrieben die insbesondere beim Führen der Schmelze durch die Ausgabedüse zumindest teilweise auftritt.

Weiterhin kann das erste Treibmittel eine spezifische Wärmekapazität von mindestens 0.8 kJ/kg °K oder mindestens 0.9 kJ/kg °K aufweisen. Auch hierbei spielt die Überlegung eine Rolle, dass durch die Wahl des ersten Treibmittels der im vorangehenden Absatz genannte Wandlungsprozess mit einer gewissen Trägheit durchgeführt wird, die bei Treibmitteln mit deutlich geringeren spezifischen Wärmekapazitäten geringer ist. Mit anderen Worten kann der Zellwachstumsprozess etwa verlangsamt werden durch die Wahl der spezifischen Wärmekapazität des ersten Treibmittels, die vorzugsweise über einer Grenze von 0.7 kJ/kg °K, 0.8 kJ/kg °K oder 0.9 kJ/kg °K liegt.

Das zweite Treibmittel kann eine spezifische Wärmekapazität von mindestens 1 kJ/kg °K, mindestens 1.5 kJ/kg °K, mindestens 2 kJ/kg °K oder mindestens 2.3 kJ/kg °K aufweisen. Auch hiermit kann der Zellwachstumsprozess (gegenüber Treibmitteln mit geringeren Wärmekapazitäten) etwas verlangsamt werden.

Ein weiterer Aspekt ist die spezifische Verdampfungswärme des zweiten Treibmittels. Bei der Phasenwandlung (beim Verdampfen bzw. Überführen in den Gaszustand) wird der Kunststoffschmelze Wärme entzogen, die von der spezifischen Verdampfungswärme des zweiten Treibmittels abhängt. Das zweite Treibmittel weist insbesondere eine spezifische Verdampfungswärme von mindestens 300, 400, vorzugsweise von mindestens 500 oder 600, besonders bevorzugt von 700 oder 750 kJ/kg, und gemäß einer spezifische Ausführungsform von vorzugsweise von mindestens 780 kJ/kg oder beispielsweise mindestens 820 kJ/kg auf. Die Verdampfungswärme wird beim Phasenwechsel in den Gaszustand der Kunststoffschmelze und insbesondere den Zellwänden entzogen. Das damit verbundene Abkühlen findet statt, nachdem das (selbstnukleiierende) erste Treibmittel bereits Zellen in der Schmelze ausgebildet hat bzw. nachdem das Zellenwachstum bereits begonnen hat. Insbesondere findet das durch die Phasenwandlung des zweiten Treibmittels hervorgerufene Abkühlen der Zellwände statt, nachdem das die Zellen bereits einen Teil ihres Endvolumens erreicht haben. Durch die Erhöhung des Widerstands der Zellwand wird vermieden, dass die Zellen zu stark aufblähen. Da bei diesem Verfahren kein HMS-PP verwendet wird, würden die Zellen ansonsten zerplatzen und es würde zu Zellagglomerationen kommen.

Das erste und das zweite Treibmittel sind vorzugsweise organische Verbindungen. Das erste Treibmittel ist vorzugsweise ein Hydrofluoroolefin. Als ein erstes Treibmittel wird vorzugsweise 1,3,3,3-Tetrafluorpropen (trans-1,3,3,3-Tetrafluorprop-1-en) verwendet, das auch als R-1234ze(E) (gemäß dem ASHRAE Standard 34) bezeichnet wird. Dieses erste Treibmittel weist einen Dampfdruck von ca. 30 bar (29.9 bar) bei 100°C, eine kritische Temperatur von ca. 109°C (109.4°C) und einen kritischen Druck von ca. 36 bar (36.36 bar) auf. Ferner weist dieses erste Treibmittel eine molare Masse ca. 114 g/mol (114.04 g/mol) und eine spezifische Wärmekapazität von ca. 1 kJ/kg°K (0.9822 kJ/kg °K) auf.

Das zweite Treibmittel kann ein Alkohol, ein Alkan, ein Esther oder Wasser oder ein Mischung aus mindestens zwei dieser Stoffe sein. Das zweite Treibmittel ist vorzugsweise ein Alkohol, insbesondere mit weniger als 4 Kohlenstoffatomen (um einen Mindestwert für den Verdampfungsdruck zu gewährleisten), kann jedoch auch ein Alkan oder ein Alken sein. Insbesondere kann das zweite Treibmittel ein Alkan oder Alken mit mehr als 5, 6 oder 7 Kohlenstoffatomen sein (insbesondere um einen Mindestwert für die Verdampfungenthalpie zu gewährleisten). Beispielsweise kann das zweite Treibmittel Oktan (Siedepunkt 126°C, molare Masse 114 g/mol) oder Heptan (Siedepunkt 98°C, molare Masse 100 g/mol) sein. Gemäß einem Beispiel kann das zweite Treibmittel einen Dampfdruck von ca. 0.5 bar bei 100°C (bzw. von ca. 2.4 bar bei 160°C) aufweisen, wie es etwa für Oktan zutrifft. Gemäß einem zweiten Beispiel kann das zweite Treibmittel einen Dampfdruck von ca. 1 bar bei 100°C (bzw. von ca. 4,6 bar bei 160°C) aufweisen, wie es etwa für Heptan zutrifft. Gemäß einem dritten Beispiel kann das zweite Treibmittel einen Dampfdruck von ca. 2.4 bar bei 100°C (bzw. von ca. 9 bar bei 160°C) aufweisen, wie es etwa für Hexan zutrifft. Gemäß einem vierten Beispiel kann das zweite Treibmittel einen Dampfdruck von ca. 7.5 bar bei 100°C aufweisen, wie es etwa für Pentan zutrifft. Der Dampfdruck des zweiten Treibmittels bei 100°C kann gemäß spezifischer Ausführungsformen der hier beschriebenen Vorgehensweise beispielsweise 0.4 – 0.6 bar, 0.9 – 1.1 bar, 2 – 3 bar oder 7 - 8 bar betragen. Es sind auch Zwischenwerte wie 0.6- 0.9 bar oder 1.1 – 2 bar oder 3 – 7 bar (bei 100°C) möglich, oder auch Drücke von weniger als 0.4 bar oder mehr als 10 bar, abhängig vom verwendeten Treibmittel.

Das zweite Treibmittel kann eine molare Masse von mindestens 55, 70, 80, 100 oder 110 g/mol aufweisen. Das zweite Treibmittel kann in einer ersten spezifischen Variante eine molare Masse von mindestens 55 g/mol bei einem Siededruck von nicht mehr als 19 bar bei 100°C aufweisen, wie es etwa für Butan der Fall ist. Das zweite Treibmittel kann in einer zweiten spezifischen Variante eine molare Masse von mindestens 70 g/mol bei einem Siededruck von nicht mehr als 7,5 bar bei 100°C aufweisen, wie es etwa für Pentan der Fall ist. Das zweite Treibmittel kann in einer dritten spezifischen Variante eine molare Masse von mindestens 85 g/mol bei einem Siededruck von nicht mehr als 3 bar bei 100°C aufweisen, wie es etwa für Hexan der Fall ist. Das zweite Treibmittel kann in einer vierten spezifischen Variante eine molare Masse von mindestens 100 g/mol bei einem Siededruck von nicht mehr als 1.2 bar bei 100°C aufweisen, wie es etwa für Heptan der Fall ist. Das zweite Treibmittel kann in einer fünften spezifischen Variante eine molare Masse von mindestens 110 g/mol bei einem Siededruck von nicht mehr als 0.4 bar bei 100°C (bzw. von nicht mehr als 3 bar bei 160°C) aufweisen, wie es etwa für Octan der Fall ist.

Aufgrund des vergleichsweise hohen Siedepunkts (etwa im Vergleich zu Kohlendioxid) ergibt sich nur ein moderater Druck bei der üblichen Schmelzetemperatur für Polypropylen. Zudem ist die vergleichsweise hohe Molmasse bei vielen Stoffklassen mit einer vergleichsweise hohen Verdampfungswärme verknüpft.

Als zweites Treibmittel kommt zudem insbesondere Ethanol in betracht. Das zweite Treibmittel kann daher einen Dampfdruck bei 100°C haben, der im Bereich von 2 – 2.5 bar (Ethanol: 2.25 bar) liegt. Weiterhin weist Ethanol eine kritische Temperatur von ca. 240°C (243.1°C) und einen kritischen Druck von ca. 60 - 65 bar (63.8 bar) auf. Das zweite Treibmittel kann eine molare Masse zwischen 30 g/mol und 60 g/mol aufweisen, insbesondere von ca. 45 g/mol (46 g/mol). Die spezifische Verdampfungswärme dieses zweiten Treibmittels beträgt zwischen 800 und 900 kJ/kg, insbesondere ca. 845 kJ/kg. Die spezifische Wärmekapazität dieses zweiten Treibmittels beträgt ca. 2.4 kJ / kg°K (2.43 kJ / kg°K). Zudem kommt als zweites Treibmittel beispielsweise Propanol in betracht. Das zweite Treibmittel kann daher einen Dampfdruck bei 100°C haben, der im Bereich von 1.75 – 2.25 bar liegt (Ethanol: 2 bar) liegt. Das zweite Treibmittel kann eine molare Masse zwischen 40 g/mol und 80 g/mol aufweisen, insbesondere von ca. 88 g/mol (etwa im Fall von Propanol). Die spezifische Verdampfungswärme dieses zweiten Treibmittels beträgt zwischen 500 und 800 kJ/kg, insbesondere zwischen 600 und 700 kJ/kg, insbesondere ca. 665 kJ/kg. Auch Hexanol kann als zweites Treibmittel in Betracht kommen.

Ferner kommt als zweites Treibmittel ein Ether in betracht. Beispielsweise können Ether mit einem Siedepunkt unter 100°C oder unter 70°C verwendet werden, insbesondere mit einem Siedepunkt von unter 40°C und spezifisch unter 0°C. Es kann als zweites Treibmittel ein offenkettiger Ether wie Dimethylether oder Diethylether verwendet, oder es kann ein cyclischer Ether wie Tetrahydrofuran verwendet werden.

Schließlich kommt Wasser als Treibmittel in Betracht, insbesondere aufgrund der hohen Verdampfungswärme von mehr als 2000 kJ/kg.

Die hier genannten zweiten Treibmittel können einzeln oder als Mischung von zwei oder mehr als zwei der hier genannten Treibmittel verwendet werden. Insbesondere können die hier genannten zweiten Treibmittel als Mischung von zwei oder mehr polaren Treibmitteln oder von zwei oder mehr unpolaren Treibmitteln verwendet werden. Neben dem ersten und dem zweiten Treibmittel kann noch ein drittes Treibmittel verwendet werden, oder es können mehrere weitere Treibmittel (neben dem ersten und dem zweiten Treibmittel) verwendet werden.

Es sind Verfahren bekannt, bei denen Radikale in der Schmelze durch gezielte Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung oder durch Zugabe als Monomer erzeugt werden, um so zusätzliche Verzweigungen zu erhalten und die Viskosität des Kunststoffs signifikant zu ändern. Das hier beschriebene und beanspruchte Verfahren sieht keine derartige Modifikation vor. Innerhalb des hier beschriebenen Verfahrens findet insbesondere keine Modifikation der Viskosität der Schmelze (durch Erzeugung von Radikalen) mittels Strahlung oder durch Zugabe eines Monomers statt. Dies bezieht sich auf elektromagnetische Strahlung und auf Alpha- und Beta-Strahlung (allgemein auf ionisierende Strahlung). Zwischen dem Aufschmelzen des Kunststoffmaterials (Granulat) und der Abgabedüse wird die Schmelze ausschließlich in Vorrichtungen gefördert, die hinsichtlich Röntgenstrahlung (vollständig) geschlossen sind, d.h. die Eindringen von Röntgenstrahlung von außen im Wesentlichen vollständig blockieren (dies bezieht sich insbesondere auf Röntgenstrahlung einer Beschleunigungsspannung von 50 kV). Ebenso werden im Rahmen des Verfahrens keine Substanzen zur Kettenverlängerung (beispielsweise Monomere) verwendet, welche zu einem Anteil (insbesondere von mindestens 50%, 80%, 90% oder 100%) von HMS-PP durch chemische Umwandlungsprozesse im Extruder führen würden.

Innerhalb des Verfahrens kann aufgrund der nukleierenden Wirkung des ersten Treibmittels auf weiteres Nukleierungsmittel (abgesehen von dem ersten Treibmittel und ggf. dem zweiten Treibmittel) der Kunststoffschmelze verzichtet werden. Es kann daher vorgesehen sein, dass (neben dem ersten und/oder zweiten Treibmittel) kein Nukleiierungsmittel zugesetzt wird. Alternativ oder in Kombination hiermit wird innerhalb des Verfahrens der Kunststoffschmelze kein Zellstabilisator zugesetzt, insbesondere kein Zellstabilisator als Feststoff.

Ferner kann das Verfahren den Schritt des Homogenisierens der Schmelze umfassen. Dies bezieht sich insbesondere auf die mit dem ersten und dem zweiten Treibmittel versetze Schmelze. Vorzugsweise wird die Schmelze gemäß einer maximalen Temperaturdifferenz an der Abgabedüse von nicht mehr als +- 2, bevorzugt von nicht mehr als +-1, besonders bevorzugt von nicht mehr als +-0,5 °C homogenisiert. Zum Einsatz kommen hier statische Mischelemente. Diese sind mit der Maßgabe angeordnet und ausgestaltet, die Schmelzetemperatur über den Querschnitt der Schmelze (insbesondere unmittelbar vor der Abgabedüse) zu vereinheitlichen. Dies betrifft insbesondere die Bauform, beispielsweise die Grösse und die Länge und/oder die Anzahl. Bevorzugt kommen hier Stegmischteile zum Einsatz, da aufgrund des Querströmungsanteils die Schmelzetemperatur gezielter vereinheitlicht werden kann. Es können Mischer verwendet werden, deren Mischkörper (welche in die Schmelze ragen) Öffnungen aufweisen. Es können beispielsweise statische Mischer wie der Promix SMB ® oder der Promix SMB plus ® des Unternehmens Promix Solutions AG, Schweiz, verwendet werden.

Zudem kann vorgesehen sein, dass die Schmelze temperiert wird. Die Schmelze wird vorzugsweise auf eine Soll-Temperatur zum Aufschäumen gekühlt. Die Soll-Temperatur liegt vorzugsweise nicht mehr als 50°C oder nicht mehr als 30°C unter der Schmelzetemperatur der ursprünglichen Kunststoffschmelze beim Aufschmelzen. Die Schmelze kann bereits beim Homogenisieren temperiert bzw. gekühlt werden. Insbesondere wird die Schmelze gekühlt, bevor sie durch die Abgabedüse geführt wird. Bevorzugt wird der Prozess derart eingestellt, dass nach dem Mischer alle Maschinenkomponenten auf die Soll-Schmelzetemperatur eingestellt werden (Düse, Adapterflansche usw.). Das Verfahren kann daher mit einer Extrudervorrichtung ausgeführt werden, dass Temperierungselemente aufweist, insbesondere Heizelemente und/oder Kühlelemente. Nach dem Schritt des Homogenisierens oder auch während dieses Schrittes selbst wird die Schmelze vorzugsweise temperiert, insbesondere gekühlt. Es kann eine Extrudervorrichtung verwendet werden, die einen Schmelzehomogenisator aufweist, der selbst gekühlt ist. Insbesondere weist die verwendete Extrudervorrichtung eine Auslassdüse auf, die auf den Schmelzehomogenisator folgt, und die gekühlt ist. Die Auslassdüse, durch die die Schmelze geführt wird, kann durch eine Flanschverbindung direkt auf den Schmelzehomogenisator folgen, in dem die Schmelze homogenisiert wird. Vorzugsweise wird direkt nach dem Homogenisieren die Schmelze gekühlt (und gegebenenfalls auch während dem Homogenisieren). Besonders bevorzugt ist es, dass auf den Schritt des Homogenisierens direkt der Schritt des Führens der Schmelze durch die Abgabedüse folgt. Die Schmelze wird vorzugsweise durch eine gekühlte Abgabedüse geführt. Die Abgabedüse und ggf. ein Verbindungselement, das den Schmelzehomogenisator mit der Abgabedüse verbindet (etwa eine Flanschverbindung) werden auf eine Soll-Temperatur temperiert, insbesondere durch kühlen. Die Abgabedüse und ggf. die das Verbindungselement können ein Temperierungselement aufweisen, insbesondere ein Kühlelement. Das Temperierungselement kann einen Wärmefluidkanal aufweisen, der mit einer Wärmequelle oder einem Wärmetauscher verbunden ist. Es kann eine Regelungseinheit vorgesehen sein, die den Schritt des Temperierens gemäß einer Soll-Temperatur als Regelungsziel durchführt.

Zur Ausführung des Verfahrens kann ein Extruder verwendet werden, der die Kunststoffschmelze fördert und mittels dem das erste Treibmittel, das zweite Treibmittel oder beide Treibmittel in die Kunststoffschmelze eingebracht werden. Es kann ein weiterer Extruder verwendet werden, in dem die Schmelze (aus Granulat) erzeugt wird. Ferner kann zum Aufschmelzen die Schmelze bzw. das Kunststoffgranulat erwärmt werden. Das Erwärmen findet vorzugsweise vor dem Homogenisieren statt. Das Erwärmen kann gemäß einer Soll-Wärmeleistung ausgeführt werden oder kann im Sinne einer Regelung mit einer Soll-Temperatur als Regelungsziel ausgeführt werden. Nach dem Homogenisieren und/oder beim Führen der Schmelze durch die Abgabedüse wird die Schmelze vorzugsweise gekühlt bzw. gemäß einer Soll-Temperatur (im Sinne eines Regelungsziels) gekühlt.

Der Extruder, in dem die Kunststoffschmelze erzeugt bzw. Kunststoffgranulat erwärmt wird, fördert die Schmelze in den Extruder, der die Abgabedüse aufweist. Weiterhin können drei aufeinanderfolgende Extruder verwendet werden: Ein erster Extruder zum Aufschmelzen des Granulats d.h. zur Erzeugung der Schmelze, ein zweiter Extruder (der dem ersten Extruder folgt) oder ein statisches Mischsystem, innerhalb dessen zumindest eines der Treibmittel oder Additive (etwa Farbe oder Flammschutzmittel) der Schmelze zugeführt und eingemischt werden, und eine weiterer Extruder (der auf den zweiten Extruder bzw. auf das Mischsystem folgt), welcher das Gemisch abkühlt und am Ende die Abgabedüse aufweist.

Realisierungsbeispiel

Es wird ein schlagzähes Polypropylen-Kunststoffgranulat verwendet. Das Kunststoffgranulat wird unter der Bezeichnung „71EK71PS“ von dem Unternehmen SABIC, Saudi-Arabien, vertrieben. Das Granulat wird in einem Aufschmelzextruder (Extruder A) mit einem Durchmesser von 100 mm aufgeschmolzen. Es werden keine Additive bei Aufschmelzen verwendet. Der Extruder A erwärmt die Schmelze. Die vom Extruder A abgegebene Schmelze wird auf eine Temperatur von 180 - 220 °C eingestellt. Die Schneckengeometrie entspricht regulären Geometrien für PP-Schnecken. Der Extruder A hat einen langen und flachen Einzug. Die Schmelze wird mit einer Förderleistung von 80 kg/h in einen Extruder B abgegeben, der dem Extruder A über eine Verbindungsleitung nachgeschaltet ist. Der Extruder B ist mit Kühlelementen ausgestattet. Der Extruder B weist einen Durchmesser von 130 mm auf. Der Extruder B weist ferner eine Schnecke mit förderwirksamen Mischelementen auf. Durch die Förderelemente wird Rückströmung vermieden. (Wirkung: Durch Rückströmung würde das Verweilzeitspektrum sowie die Verweilzeit selber vergrössert werden. Es käme zu lokalen Unterschieden der Treibmittelkonzentration in der Kunststoffschmelze, was beim Zellwachstum zu Unterschieden des Zellvolumens führen kann. Dies wird durch die gemäß Realisierungsbeispiel verwendete, förderwirksame Kühlschnecke verhindert.)

An dem Ende des Extruders B, das dem Extruder A entgegengesetzt ist, schließt sich (über eine Flanschverbindung) ein Schmelzehomogenisator / Mischer des Unternehmens Promix an, der unter der Bezeichnung P1 vertrieben wird. Der Schmelzehomogenisator stellt die Schmelzetemperatur auf die Soll-Schäum-Schmelzetemperatur ein von 160 °C (beispielsweise ist ein Bereich von 145-175 °C denkbar).

Eine Abgabedüse, die sich an den Schmelzehomogenisator anschließt, wird auf die gleiche Temperatur wie der Schmelzehomogenisator eingestellt. Somit hat die Schmelze unmittelbar vor der Abgabedüse die Soll-Schäum-Schmelzetemperatur von 160°C (insbesondere sind Werte von 145-175°C). Als Abgabedüse wurde eine Rundschlitzdüse mit einer Spaltbreite von 2,5mm (es können auch Spaltbreiten von 0,2 - 4 mm verwendet werden). Die Abgabedüse ist als Schaumfolienwerkzeug ausgeführt. Der Druck der Schmelze unmittelbar vor der Abgabedüse betrug ca. 38 bar; hier sind auch Werte von mindestens 30 oder 20 bar denkbar.

Als erstes Treibmittel wird HFO-1234ze(E) verwendet. Das erste Treibmittel (in der Figur 1: Treibmittel T1) wird mit einer Förderleistung von 3 kg/h in die Schmelze eingebracht. Als zweites Treibmittel wird Ethanol verwendet. Das zweite Treibmittel (in der Figur 1: Treibmittel T2) wird (mit einer Förderleistung von 3 kg/h) in die Schmelze eingebracht.

Resultat

Der aus der Abgabedüse austretende Schaum hat gegenüber normaler PP-Schaumschmelze mit HMS-PP (direkt aus der Abgabedüse tretend) eine erhöhte Festigkeit und Steifigkeit. Der Schaum tritt im Realisierungsbeispiel nach der Düse noch ca. 5 cm waagerecht aus bevor die Schwerkraft den Schaum zu Boden zieht, wohingegen Schaum auf Basis von HMS-PP umgehend zu Boden sinkt. Dieser Unterschied gibt die grundsätzlich andere Herangehensweise wieder: Während bei der Schäumung von HMS-PP die Verzweigung der Polymerketten der austetenden geschäumten Schmelze dafür sorgt, dass auch im vollständig flüssigen Zustand die Schmelze nicht zusammenfällt, sorgt bei der hier beschriebenen Vorgehensweise die langsame Aufschäumung und die (entzogene) Verdampfungswärme für die Stabilität des Schaums. Bei der hier beschriebenen Vorgehensweise erstarren Zellwände bereits frühzeitig, wodurch der Schaum mit höherer Steifigkeit aus der Abgabedüse tritt, als bei geschäumten HMS-PP, bei welchem die Verschlaufungen der Ketten der (noch flüssigen) Schmelze die Zellen stabilisiert. Bei geschäumten HMS-PP sind aufgrund der nur geringfügig oder nicht erstarrten Schmelze die Zellen noch zueinander verschiebbar, so dass der Schaumkörper als Ganzes keine hohe Steifigkeit (bzw. keine Formstabilität) aufweist. Erst mit der Abkühlung, welche nach erfolger Verschäumung auf Soll-Geometrie einsetzt, erfolgt eine Verfestigung zu einem formstabilen Schaum. Bei der hier beschriebenen Vorgehensweise ist der Schaumkörper als Ganzes in höherem Maße stabilisiert bzw. durch Erstarrung von Zellwänden in höherem Maße verfestigt.

Die Figuren 2a und 2b zeigen die Abgabedüse und den Schaum, wobei die Figur 2a Schaum aus HMS-Polypropylen darstellt, der aus einer Düse tritt, und die Figur 2b das Ergebnis gemäß der hier beschriebenen Vorgehensweise darstellt.

In der Figur 1 ist eine Extrusionsanlage dargestellt, die zur Ausführung des Verfahrens dienen kann. Die einzelnen Komponenten sind nicht maßstabsgetreu oder gemäß einem realen Seitenverhältnis dargestellt. Insbesondere bilden die Größenverhältnisse der Komponenten nicht deren reale Größe ab. Vielmehr dient die Darstellung nur der Übersicht und der Erläuterung der funktionellen Verknüpfungen zwischen den Elementen.

Über eine Granulatzufuhr GZ wird einem Aufschmelzextruder AE (d.h. einem ersten Extruder) Polypropylen-Kunststoff als Feststoff zugeführt. Der Aufschmelzextruder AE verfügt über einen ersten Antrieb A1, der die Extruderschnecke des Aufschmelzextruders AE antreibt. Der Aufschmelzextruder verfügt über zumindest ein Heizelement H1 - H3. In der Figur 1 sind die Heizelemente beispielhaft als drei Heizelemente H1 - H3 dargestellt. Diese sind nacheinander angeordnet. Die Wärme der Heizelemente führt zum Aufschmelzen der Kunststoffschmelze in dem Aufschmelzextruder AE und erwärmen die Kunststoffschmelze auf eine Temperatur von etwa 160°C – 220°C, beispielsweise auf 210°C. Die Heizelemente können elektrische Heizelemente sein, oder Wärmefluidkanäle aufweisen, die mit einer Wärmequelle verbunden sind.

Das der Granulatzufuhr entgegengesetzte Ende des Aufschmelzextruders AE ist über ein Zwischenstück Z an einen Kühlextruder KE angeschlossen. Dadurch folgt der Kühlextruder KE als zweiter Extruder auf den Aufschmelzextruder AE als ersten Extruder. Das Zwischenstück Z kann als Verbindungsleitung ausgebildet sein.

Der Kühlextruder KE verfügt über einen Antrieb A2. Der Kühlextruder KE weist zumindest ein Kühlelement K1, K2 auf. In der Figur sind beispielhaft die zwei Kühlelemente K1, K2 dargestellt. Die Kühlelemente K1 und K2 wirken auf den Extruderkörper selbst. Das Kühlelement K3 wirkt auf eine Abgabedüse D. Die Abgabedüse D schließt sich an einen Schmelzehomogenisator bzw. Mischer M an. Der Schmelzehomogenisator M weist ein Kühlelement K3‘ auf, das auf die Schmelze in dem Homogenisator M wirkt. Der Schmelzehomogenisator M verbindet den Kühlextruder KE mit der Abgabedüse D. Der Schmelzehomogenisator M folgt somit auf den Kühlextruder KE. Der Schmelzehomogenisator M und die darauffolgende Abgabedüse D schließen sich an dasjenige Ende des Kühlextruders KE an, welches dem Zwischenstück entgegengesetzt ist. Die Kühlelemente K1 und K2 sind nacheinander angeordnet. Dies gilt auch für die Kühlelemente K3‘ und K3. Die Kühlelemente K3 und K3‘ kühlen die Schmelze auf zum Schäumen geeignete Temperatur ab. Diese beträgt insbesondere weniger als 180°C, beispielsweise auf 170°C an der Abgabedüse D. Die Kühlelemente K3 und K3‘ kühlen insbesondere die Abgabedüse D und den Schmelzehomogenisator M auf eine Soll-Temperatur ab, die eine Soll-Schmelzetemperatur entspricht, welche für das Aufschäumen geeignet ist.

Die Abgabedüse D kann als Rundschlitzdüse ausgebildet sein, oder als Breitschlitzdüse. Die Abgabedüse D gibt eine (im Querschnitt in sich geschlossene) Kunststoffbahn ab. Die Abgabedüse D ist als Schaumwerkzeug ausgestaltet.

Der Schmelzehomogenisator M ist der Abgabedüse D vorgeschaltet. Der Mischer M verbindet den Kühlextruder KE mit der Abgabedüse D. Der Mischer ist insbesondere ein statischer Mischer, beispielsweise ein Mischer des Typs Sulzer ® SMX.

Es kann ein Filter F eingerichtet zur Schmelzefilterung zwischen dem Kühlextruder KE und dem Aufschmelzextruder AE zwischengeschaltet sein. Der Filter F kann Teil des Zwischenstücks Z sein.

Zudem kann eine Steuerung oder Regelung vorgesehen sein, die auf die Antriebe A1 und A2 wirkt und die auf Heizelelemente H1-H3 sowie auf die Kühlelemente K1, K2 wirkt. Beispielhaft sind Teil-Steuereinheiten SR1-4 dargestellt. Die Teil-Steuereinheit SR1 steuert die Kühlelemente K1, K2, K3 und K3‘ an (bzw. ein Wärmetauscher oder eine andere Kältequelle, die hiermit verbunden sind). Die Teil-Steuereinheit SR1 regelt insbesondere die Kühlelemente K3, K3‘ auf eine Soll-Temperatur, welche insbesondere zum Schäumen geeignet ist. Die Teil-Steuereinheit SR2 steuert den Antrieb A2 des Kühlextruders KE an. Die Teil-Steuereinheit SR3 steuert den Antrieb A1 des Aufschmelzextruders AE an. Die Teil-Steuereinheit SR4 steuert die Heizelemente H1 – H3 des Aufschmelzextruders AE. Die von den Teil-Steuereinheiten ausgehenden Pfeile stellen die Ansteuerung der betreffenden Elemente symbolhaft dar.

Zur gezielten Einstellung der Dichte wird die Steuerung auf eine Soll-Temperatur (an der Abgabedüse D) eingestellt, welche die genannten Elemente gemäß dieser Temperatur regelt. Die Kombination der Steuerung mit dem Mischer M ermöglicht eine thermische Homogenisierung der Schmelze und insbesondere die Einstellung des Schaums auf eine bestimmte Dichte. Ferner wirken Größen wie Treibmittelanteil und die gewünschte bzw. die tatsächliche Materialverteilung zwischen Zellwand und Zellzwischenraum auf die Eigenschaften des Schaums, so dass auch diese Größen bei der Steurung oder Regelung der Temperatur (zumindest indirekt) berücksichtigt werden.

Die Treibmittel T1, T2 werden in dem dargestellten Beispiel in dem Aufschmelzextruder AE in die Schmelze eingebracht, können jedoch auch in dem Kühlextruder KE in die Schmelze eingebracht werden. Die Treibmittel T1, T2 können in unterschiedlichen Extrudern oder in gleichen Extrudern in die Schmelze eingebracht werden, insbesondere wenn nur ein Extuder verwendet wird, d.h. ein Extruder, in dem die Schmelze erzeugt wird und durch dessen Abgabedüse die Schmelze geführt wird (und ggf. auch homogenisiert wird). Das dargestellte Beispiel sieht vor, dass in einem ersten Extruder (dem Aufschmelzextruder AE) die Schmelze erzeugt wird und am Ende eines zweiten Extruders (dem Kühlextruder KE) die Schmelze durch eine Abgabedüse D geführt wird, insbesondere nach vorheriger Homogenisierung durch einen Schmelzehomogenisator M. In dem ersten Extruder (d.h. dem Aufschmelzextruder AE) werden der Schmelze das mindestens eine erste Treibmittel T1 und das mindestens eine zweite Treibmittel T2 hinzugefügt.

Die Figur 2a ist eine fotographische Darstellung von Schaum S, der aus einer Düse D (Abgaberichtung waagerecht) austritt und der mit HMS-PP erzeugt wurde. Es ist zu erkennen, dass der Schaum aufgrund der Schwerkraft unmittelbar zu Boden sinkt und somit nur eine geringe Steifigkeit aufweist. Bei der Schäumung von HMS-PP sorgt die hohe Verschlaufung der verzweigten Polymerketten dafür, dass trotz der niedrigen Materialfestigkeit der austretenden, aufschäumenden Schmelze diese auch im vollständig flüssigen Zustand nicht zusammenfällt. Allerdings ist der Schaum als Ganzes weich (gemäß der hohen Viskosität von HMS-PP, nicht aufgrund von Erstarrungsprozessen). Der HMS-PP-Schaum wird üblicherweise erst auf einer der Abgabedüse folgenden Kühlbirne fest und erreicht als Gesamtkörper erst nach diesem zusätzlichen Kühlprozess eine gewisse Starrheit.

Im Vergleich hierzu zeigt die Figur 2b eine fotographische Darstellung von Schaum S, der aus einer Abgabedüse D (Abgaberichtung waagerecht) austritt und der gemäß dem genannten Realisierungsbeispiel mit nicht-langkettenverzweigtem Polypropylen erzeugt wurde. Es ist zu erkennen, dass der Schaum nach der Düse noch ca. 5 cm waagerecht austritt, bevor die Schwerkraft den Schaum zu Boden zieht. Im Vergleich hierzu sinkt der Schaum auf Basis von HMS-PP umgehend zu Boden, siehe Figur 2a.

Bei der hier beschriebenen Vorgehensweise, siehe Ergebnis Figur 2b, ist die Verfestigung nicht bedingt durch die Viskosität sondern durch ein Materialverfestigung, die mit Erstarrungsprozessen (insbesondere der Zellwand) verknüpft ist. Die Materialverfestigung findet aufgrund der dünnen Zellwände sowie aufgrund des Verdampfungsprozesses (des bzw. der Treibmittel) direkt nach der Abgabedüse statt. Die Materialverfestigung ergibt sich beim hier beschriebenen Verfahren, siehe Figur 2b, aufgrund einer langsamen Aufschäumung (zum Erzeugen von dünnen und stabilen Zellwänden) und durch die (entzogene) Verdampfungswärme, so dass sich eine höhe Stabilität für den Schaum ergibt. Es sei bemerkt, dass die Verdampfung besonders gut zur Steifigkeit beitragen kann, wenn die Zellwände dünn sind und so sich eine merkliche Verfestigung durch die Abkühlung ergibt, die durch die Verdampfung hervorgerufen wird. Bei der hier beschriebenen Vorgehensweise erstarren Zellwände bereits frühzeitig, wodurch der Schaum mit höherer Steifigkeit aus der Abgabedüse tritt (vgl. Fig. 2a), als bei geschäumten HMS-PP (vgl. Fig. 2b), bei welchem die chemisch bedingte Viskosität der (noch flüssigen) Schmelze die Zellen stabilisiert. Bei geschäumten HMS-PP sind aufgrund der nur geringfügig oder nicht erstarrten Schmelze die Zellen noch zueinander verschiebbar, so dass der Schaumkörper als Ganzes keine hohe Steifigkeit (bzw. keine Formstabilität) aufweist und der Schaum ohne weitere Kühlung unmittelbar nach Austritt aus der Abgabedüse schwerkraftbedingt nach unten läuft, vgl. Fig. 2b. Bei der hier beschriebenen Vorgehensweise ist der Schaumkörper als Ganzes in höherem Maße stabilisiert bzw. durch Erstarrung von Zellwänden in höherem Maße verfestigt, siehe Fig. 2a.

Die Figuren 2a und 2b zeigen die Abgabedüse D und den Schaum S, wobei die Figur 2a Schaum S aus HMS-Polypropylen darstellt, der aus einer Abgabedüse D tritt, und die Figur 2b das Ergebnis gemäß der hier beschriebenen Vorgehensweise darstellt, bei dem der Schaum S mit relativ hoher Steifigkeit (als waagerechter Körper) aus der Abgabedüse D tritt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Polypropylen-Schaumkörpers mit den Schritten: (a) Erzeugen einer Polypropylen-Schmelze in einem Extruder (AE); (b) Zugeben mindestens eines ersten Treibmittels (T1), das bei 100°C einen Dampfdruck von nicht mehr als 40 bar aufweist und das selbstnukleierend ist; (c) Zugeben eines zweiten Treibmittels (T2) , das bei100°C einen Dampfdruck von nicht mehr als 40 bar aufweist; (d) Homogenisieren der mit dem ersten und dem zweiten Treibmittel versetzten Polypropylen-Schmelze; (e) Kühlen des Gemisches auf eine Soll-Temperatur; und (f) Führen der homogenisierten Polypropylen-Schmelze durch eine Abgabedüse (D).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schmelze beim Austritt aus der Abgabedüse (D) nicht-langkettenverzweigtes Polypropylen mit einem Anteil von mindestens 80%, 90% , 95% oder 99% enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Treibmittel (T1) ein Molgewicht von mindestens 100 g/mol aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Treibmittel (T1) mit einer Massen-Förderleistung der Polypropylen-Schmelze zugegeben wird, die mindestens 2%, 3%, 4%, 5% und insbesondere mindestens 6% der Massen-Förderleistung der Kunststoffschmelze beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zweite Treibmittel (T2) eine spezifische Verdampfungswärme von mindestens 300, 400, 500, 600, 700, 750 kJ/kg aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste und das zweite Treibmittel (T1; T2) organische Verbindungen sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Treibmittel (T1) ein Treibmittel ist, dessen kritische Temperatur mindestens 90°C beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Treibmittel (T1) 1,3,3,3-Tetrafluorpropen ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zweite Treibmittel (T2) ein Alkohol, ein Alkan, ein Esther oder Wasser oder ein Mischung aus mindestens zwei dieser Stoffe ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei innerhalb des Verfahrens, abgesehen von dem ersten Treibmittel (T1) und optionalen Flammschutz- und/oder Färbemitteln, kein Nukleierungsmittel der Kunststoffschmelze zugesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei innerhalb des Verfahrens abgesehen von dem ersten Treibmittel und optionalen Flammschutz- und / oder Färbemitteln, kein Zellstabilisator zugesetzt wird.