Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Schaumstoffen aus härtbaren synthetischen Harzen
Es ist bekannt, Schaumstoffe aus härtbaren synthetischen Harzen durch Vermischen der Lösung eines Harzes, z. B. eines Harnstoff-Formaldehyd-Kondensa- tes, und einer aufgeschäumten Schaummittellösung unter Härten der entstandenen Mischung herzustellen.
So hat sich in die Technik eine Verfahrensweise eingeführt, bei der man zunächst eine Lösung des Schaummittels, die gegebenenfalls einen Härter enthalten kann, in einen Schaum überführt und diesen Schaum danach mit der Lösung des synthetischen Harzes mischt. Es sind verschiedene Vorrichtungen bekannt geworden zur Herstellung von schaumförmigen Harzen nach dem genannten Verfahren. Eine gebräuchliche Apparatur besteht z. B. aus einem einseitig geschlossenen Rührbehälter, in den eine mit Schaummittel und Härtern versetzte Lösung eingebracht wird, die durch kräftiges Rühren in einen Schaum übergeführt wird.
Diesem Schaum wird dann an einem in der Nähe der Behälteraustrittsöffnung angeordneten Einlassventil eine Lösung des synthetischen Harzes zugeführt. Eine Abwandlung einer solchen Vorrichtung ist z. B. mit zwei getrennten Rührbehältern ausgestattet, wobei in dem ersten Behälter der Schaum erzeugt und in einem zweiten Behälter die Lösung des synthetischen Harzes zugesetzt wird. Nach solchen Verfahren und mit den genannten Vorrichtungen werden vor allem Schaumstoffe auf der Grundlage von Harnstoff-Formaldehyd- Kondensaten hergestellt. Die unter Anwendung der genannten Vorrichtungen ausgeführten Verfahren haben einen beträchtlichen Nachteil. Es hat sich gezeigt, dass sich an den Wandungen der Mischbehälter, an den Harzeintrittsöffnungen sowie an den Austragsrohren für den fertigen Schaum Harzreste ablagern.
Die Ursache ist vor allem in der ungleichmässigen Verteilung der Harze in den Schaumlösungen zu suchen.
Infolge dieser Ablagerungen verringert sich der wirksame Querschnitt in den Einbring- und Austrittsöffnungen sowie in den Mischgefässen, so dass die Dosierung von Harz und Schaum ungenau wird. Zudem wird der Schaum durch gelegentlich abplatzende Harzbzw. Schaumkrusten aus gehärtetem Harz durchsetzt, so dass ein inhomogenes Endprodukt entsteht. Es ist dauer erforderlich, derartige Vorrichtangen öfter zu rei nigen, so dass die bisher gebräuchlichen Verfahren umständlich sind.
Nach einem neueren Vorschlag soll die wässrige Lösung eines Schaummittels und die Lösung eines Harnstoffharzes in ein Gehäuse eingeleitet werden, in dem sich mehrere einseitig gelagerte Scheiben bewegen.
Die auf die Scheiben aufgespritzte Harzlösung wird infolge der Fliehkraft gegen die Innenwand des Gehäuses hinbefördert, an der die wässrige Schaumlösung eingebracht wird. Hierbei mischt sich Schaum und Harz, so dass der entstandene Kunstharzschaum an der Seite des Gehäuses, die der Antriebswelle für die bewegte Scheibe gegenüberliegt, abgezogen werden kann. Derartige Apparaturen sind mit Vorrichtungen zum Abkratzen sich absetzender Harzreste versehen. Ein solches Mischverfahren arbeitet technisch aufwendig, so dass es sich nicht in die Praxis eingeführt hat.
Gegenstand der Erfindung ist ein besonders vorteilhaft arbeitendes Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Schaumstoffen aus härtbaren synthetischen Harzen. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zu dieser Herstellung von Schaumstoffen aus härtbaren synthetischen Harzen durch Verschäumen von wässrigen Lösungen eines Schaummittels und Mischen des erhaltenen, Härtungsmittel enthaltenden Schaumes mit einer wässrigen Lösung des härtbaren synthetischen Harzes in einer Vormisch- und einer Hauptmischzone und Austragen des Schaumstoffes aus der Mischzone und Härten des Schaumstoffes wird so vorgegangen, dass man den Schaum durch ein zylindrisches Rohr fördert und konzentrisch in diesem Rohr in Bewegungsrichtung des Schaumes die Lösung des Harzes unter Druck einbringt,
wobei die grösste Querschnittsfläche des Harzstrahles kleiner als die Querschnittsfläche der Rohrleitung ist und wobei die Strecke zwischen dem Einbringen Ides Harzes und dem Eintreten des Gemisches in die Mischzone nicht länger als das eins- bis zweifache des Durchmessers der Rohrleitung ist, das mit Schaum so vorgemischte Harz in eine Hauptmischzone eintreten lässt, wo beide Komponenten in der gesamten Hauptmischzone ständig bewegt werden und den erhaltenen Schaumstoff aus der Hauptmischzone austrägt.
Das Verfahren eignet sich zur Herstellung von Schaumstoffen aus synthetischen härtbaren Harzen.
Darunter sind z. B. Aminoplast- und Phenoplastharze zu verstehen, die vorteilhaft in wässriger Lösung verarbeitet werden. Besonders vorteilhaft arbeitet das Verfahren zum Verschäumen von wässrigen Lösungen von Harnstoff-Formaldehyd-Kondensaten. Es werden dabei sogenannte Vorkondensate verwendet, die mit Hilfe von Härtungsmitteln zu vernetzten Produkten verhärtet werden können. Für die Harnstoffharze eignen sich als Härter Säuren und unter der Einwirkung von Formaldehyd säurebildende Verbindungen.
Die Harze sollen mit einem Schaum gemischt werden, der durch Verschäumen einer wässrigen Lösung eines Schaummittels erhalten wurde. Zur Schaumerzeugung eignen sich die hierfür üblichen Substanzen, z. B. Fettalkoholsulfate mit 8 bis 18 Kohlenstoffatomen in der Kette, oxäthylierte Sulfate von Alkoholen, Alkylbenzosulfate und Alkylphenolen. Die Lösungen können gegebenenfalls die üblichen Härter für die synthetischen Harze enthalten. Die Schaummittellösung wird vorteilhaft durch Einwirken von Druckluft in die Lösung aufgeschäumt. Es können jedoch auch andere Gase als Luft zum Verschäumen der Schaummittellösung verwendet werden.
Besonders vorteilhaft verschäumt man die Lösungen, indem man sie in ein zylinderförmiges Gefäss mit angeschlossenem langem Rohr axial einleitet und tangential in das zylinderförmige Gefäss ein Gas unter Druck zuführt und den so erhaltenen Schaum aus dem Rohr abzieht.
Zum Vormischen des Schaumes mit dem Harz wird der Schaum durch ein zylindrisches Rohr gefördert, in das konzentrisch die Harzlösung in Bewegungsrichtung des Schaumes unter Druck eingeführt wird. Die grösste Querschnittsfläche des eingebrachten Harzstrahles soll kleiner als die Querschnittsfläche der Rohrleitung sein. Zvieckmässig beträgt die grösste Querschnittsfläche des Harzstrahles etwa 75 bis 80 0/o des Rohrquerschnitts. Das in die Rohrleitung einströmende Harz kann also an keiner Stelle die Wandung berühren. Somit wird vermieden, dass sich Harzteile an den Wänden des Rohres absetzen.
Nach einer besonders vorteilhaft arbeitenden Ausführungsform des Verfahrens wird das Harz und die Pressluft tangential in eine Leitung eingebracht und vermischt, die an ihrem Ende eine Austrittsöffnung hat, deren Durchmesser kleiner als der Leitungsdurchmesser ist. Besonders vorteilhaft arbeitet das Verfahren, wenn das Gemisch von Harz und Luft mit der gleichen oder nahezu gleichen Strömungsgeschwindigkeit aus der Austritts öffnung in den Schaumstrom eingebracht wird, mit der sich der Schaum durch das Rohrstück bewegt. Unter annähernd gleicher Geschwindigkeit von Harz- und Schaumstrom sollen Unterschiede innerhalb eines Bereiches von t 10 bis 25 O/o der Strömungsgeschwindigkeiten verstanden werden.
Der mit härtbaren synthetischen Harzen vorge mischte Schaum wird in eine Hauptniischzone einem bracht. Hierin soll das Gemisch derart gerührt werden, dass es über der gesamten Mischzone ständig mechanisch bewegt wird. Das heisst also, die Komponenten sind an jeder Stelle der Mischzone in Bewegung, so dass sie sich nicht ablagern können.
Der mit den härtbaren synthetischen Harzen gemischte Schaum wird, bevor er ausgehärtet ist, aus den Mischzonen ausgetragen. Die Erhärtung erfolgt erst nach dem Verlassen der Mischzonen. Es ist dafür Sorge zu tragen, durch geeignete Auswahl der Härtungsmittel, dass die Härtungsgeschwindigkeit grösser als die Verweilzeit des Schaumes in den Mischzonen ist.
Eine zweckmässige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist beispielhaft in der Figur wiedergegeben. Sie besteht aus einem Rohr 1 zum Vormischen des wässrigen Schaumes mit der wässrigen Lösung des synthetischen härtbaren Harzes. In diesem Rohr ist konzentrisch eine Leitung 2 zum Einbringen der Harzlösung, gegebenenfalls mit Pressluft, angeordnet. Die Querschnittsfläche dieser konzentrisch angeordneten Leitung 2 verhält sich zur Querschnittsfläche des Vormischrohres 1 zwecl:mässig wie 1:2 bis 1:4. Über der Austrittsöffnung der Leitung 2 ist in das Rohr 1 ein Rohr 3 angeordnet, durch das die aufgeschäumte Schaummittellösung in das Rohr 1 eingebracht wird.
Der Abstand zwischen der Austrittsöffnung der Leitung 2 und dem Rohr 3 beträgt vorteilhaft das zehnbis fünfzehnfache des Durchmessers der Leitung 2.
Das Ende der Leitung 2 hat vorteilhaft eine Verengung, die aus einem dünnwandigen Rohr 4 besteht, dessen innerer Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Leitung 2 ist. Am Kopf der Leitung 2 sind zwei tangentiale Stützen für das Einbringen von Harz 11 und von Pressluft 12 angeordnet. Das Mischrohr 1 ist an dem einen Ende eines zylindrischen Mischgefässes 5 in radialer Richtung angeordnet. Der Abstand zwischen dem Ende der Leitung 2 und der Mantel des Mischgefässes 5 soll vorteilhaft das eins- bis zweifache des Durchmessers des Rohres 1 betragen. In dem zylindrischen Mischgefäss 5 ist konzentrisch eine Rührwelle 6 angeordnet. Diese Welle ist beidseitig in Lagern 7 gelagert. An der Welle 6 sind einarmige Rührarme 8 angeordnet, die vorteilhaft die Länge des halben Durchmessers des Mischgefässes 5 haben. Je zwei Rührarme 8 bilden ein Rührerpaar.
Sie sind um die Breite des Armes und um einen Winkel von 180 Grad gegeneinander versetzt. Jedes Rührerpaar ist gegenüber dem nächstliegenden um 45 Grad versetzt, so dass die Rührarme eine Schraubenlinie bilden. Die Rührarme 8 sind derart angeordnet dass sie den ganzen Raum 1üB- kenlos bis auf ein geringes Spiel an der Mantel fläche und an den Zylinderwänden bestreichen. Besonders vorteilhaft haben sich Rührarme erwiesen, die einen rechteckigen Querschnitt haben. Die Enden der Rührarme sollen vorteilhaft breiter ausgebildet sein als die Schäfte, z. B. schwalbenschwanzförmig. An dem Ende des Mischgefässes 5, das der Eintrittsöffnung des Mischrohres 1 entgegenliegt, ist ein Austrittsstutzen 9 zweckmässig tangential angeordnet.
Aus den Stutzen 9 tritt der fertige Schaum aus und wird durch einen dehnbaren Schlauch 10, der an den Stutzen 9 befestigt ist, abgeleitet.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn man mit horizontal angeordneten Mischgefässen 5 arbeitet, deren Länge im Verhältnis zum Durchmesser zwischen 1:1 bis 1:2 liegt. Der Rauminhalt des Mischgefässes 5 beträgt etwa ein Tausendstel bis ein Eintau sendfünfhundertstel der stündlich erzeugten Schaummenge. Die Umfangsgeschwindigkeit der Rührarme 8 soll 12 bis 30 m/sec betragen. Der Schlauch 10 ist vorzugsweise aus einem elastischen Kunststoff hergestellt. Bei einer Drucksteigerung von 0,1 bis 0,5 atü gegenüber dem Druck in der Anlage soll der Schlauch 10 zweckmässig eine Dehnung von 15 bis 25 o/o des Durchmessers erfahren.
Bei der Arbeitsweise mit der oben angegebenen Vorrichtung bilden sich in der Mischzone mehrere zylindrische Abschnitte entsprechend der Anzahl der Rührarme aus. In diesen Abschnitten wird der Schaum in Drehung versetzt, wobei sich vor den Rührarmen eine Druck- und hinter den Rührarmen eine Unter druckzone ausbildet. Infolge der Drehbewegung werden nicht eingemischte Harzanteile bzw. solche Anteile des Schaumes, die mit Harz übersättigt sind, aufgrund ihres relativ höheren spezifischen Gewichts durch die Fliehkraft gegen die Begrenzung der Mischzone befördert. Dort verteilen sich die Harzanteile und gelangen in eine Unterdruckzone des nächsten Abschnittes, so dass sie dort erneut mit dem Schaum vermischt werden.
Es ist erforderlich, die Mischzonen derart auszubilden, dass mindestens 6 bis 8 Abschnitte entstehen, in denen sich Druck und Unterdruckzonen ausbilden.
Meist ist es nicht erforderlich, dass mehr als 12 solcher Abschnitte vorhanden sind.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren und der erfindungsgemässen Vorrichtung können Schaumstoffe auf der t : Grundlage von synthetischen härtbaren Harzen besonders gleichmässiger Qualität erhalten werden.
Dabei ist es möglich, die Mengen an wässrigen Schaum- und Kunstharzlösungen innerhalb bestimmter Grenzen zu variieren. Die Verhältnisse richten sich nach der gewünschten Dichte des Schaumes.
Es hat sich gezeigt, dass beim Einbringen der Lösung des synthetischen Harzes in den Schaumstrom innerhalb des Mischrohres keine Harzablagerung an den Rohrwänden entstehen. Arbeitet man, wie erfindungsgemäss vorgeschlagen, unter solchen Bedingungen, dass die Strömungsgeschwindigkeit von Harz- und Schaumstoffstrom gleich bzw. annähernd gleich sind, wird die Harzablagerung an der Austrittsöffnung der Leitung 2 bzw. an den Stellen, an denen das Gemisch in die Mischzone eintritt, vermieden. Ebenso günstig sind die Verhältnisse während des Mischens innerhalb der Mischzone sowie beim Ausbringen des erhaltenen Harzschaumes durch einen elastischen Schlauch, der zum Austragen des Schaumes bzw. zum Fördern des Schaumes an die Stelle der Verwendung dient.
Das Verfahren der Erfindung arbeitet insofern vorteilhaft, als keine Störungen eintreten, die auf Harzablagerungen innerhalb der Einbring- und Mischzone zurückzuführen sind. Es ist ein besonderer Vorteil, dass man absolut gleichmässige Schaumstoffe erhält, deren Unterschied in der Qualität innerhalb der Fehlergrenzen liegen, die bei der Dosierung der Ausgangsstoffe entstehen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung garantiert eine Leistung über einen längeren Zeitraum, wobei es nicht erforderlich ist, den Betrieb der Vorrichtung durch etwaige Reinigungsmassnahmen zu unterbrechen. Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich daher besonders zur Herstellung grosser Mengen von Schaumstoffen auf der Grundlage synthetischer Harze, wie sie vor allem für Anwendungen in der Landwirtschaft benötigt werden.
Beispiel 1 a) In einer Schaumapparatur, die im Prinzip der in der Figur dargestellten entspricllt, werden in einem Rohr 1 von 40 mm Durchmesser 7,2 Liter einer wässrt- gen Schaummittellösung pro Minute eingebracht. Die Schaummittellösung enthält 1 Gewichtsprozent als Schaummittel sowie 1,5 Gewichtsprozente Phosphorsäure als Härter. In den wässrigen Schaum wird durch eine Leitung 2, deren Durchmesser 20mm beträgt, 13,0 Liter pro Minute einer Lösung eines Harnstoff Formaldehyd-Kondensates eingebracht. Die Lösung enthält 34 Gewichtsprozent des Harnstoff-Formaldehyd-Kondensates (Molverhältnis von Harnstoff:Form- aldehyd wie 1 zu 1,3). Das Ende der Leitung 2 ist in 65 mm Abstand von der Eintrittsöffnung in das zylindrische Mischgefäss 5 angeordnet.
Das Mischgefäss 5 hat einen Durchmesser von 300 mm und eine Länge von 300 mm. Um die Rührwelle 6 sind jeweils um 45 Grad versetzt, vier Rührarmpaare angeordnet. Die Austrittsöffnung 9 hat einen Durchmesser von 50 mm.
Der entstandene Schaumstoff wird durch einen Schlauch 10 aus weich eingestelltem Polyvinylchlorid abgezogen. Die Apparatur liefert etwa 24 cbm Schaumstoff pro Stunde. Die Druckfestigkeit des Schaumstoffes beträgt nach dem Trocknen zwischen 500 und 520 g/qcm. Unter der Druckfestigkeit wird das Gewicht verstanden, das auf einer Fläche von 1 qcm den Schaum von 10 mm eindrückt. Die Messungen werden an Probestücken von 50 mm Kantenlänge vorgenommen. Die Apparatur kann für die Dauer von 12 Stunden betrieben werden. In gleicher Weise können auch Phenol-Formaldehyd-Kondensate verschäumt werden. b) In einer zylindrischen Mischkammer, in der ein Rührer angeordnet ist, werden die gleichen Mengen von wässrigem Schaum und Harnstoff-Formaldehyd Kondensat, wie sie unter a) genannt werden, gemischt.
Der Durchmesser der Mischkammer beträgt 400 mm und die Höhe 900 mm. Um die Rührachse sind in einem Abstand von 50 mm drei Rührflügel angeordnet. Das Harz wird vor dem Eintritt in das Rührgefäss mit dem Schaum gemischt. Die Vorrichtung liefert 6 cbm Schaumstoff pro Stunde.
Es zeigte sich, dass die Mischkammer bereits nach zweistündigem Betrieb stark verschmutzt war, so dass sie gereinigt werden musste. Die Druckfestigkeit des erhaltenen Schaumes betrug 380 bis 420 g/qcm. c) In eine zylindrische Mischkammer von 40 mm Durchmesser und 400 mm Länge wird an einem Ende ein wässriger Schaum, wie unter a) angegeben, einge- bracht. In der Mischkammer wird die Harzlösung derart eingemischt, dass eine turbulente Durchmischung von Harz und Schaum über den ganzen Querschnitt erfolgt.
Der erhaltene Schaum wird am Ende des Gefässes abgezogen und durch einen dickwandigen Schlauch abgeleitet.
Das Gerät erzeugt 6 cbm Schaumstoff pro Stunde.
Die Druckfestigkeit des erhaltenen Schaumes schwankt zwischen 290 und 380 g/qcm.
Nach 11/2-stündigem Betrieb des Gerätes war dieses infolge sich absetzender Harzteile so stark ver schmutzt, dass es gereinigt werden musste.
Beispiel 2
Wie in Beispiel 1 unter a) angegeben, wird in einer Apparatur, wie sie dort beschrieben ist, ein Schaumstoff aus einem Harnstoff-Formaldehyd-Kondensat hergestellt. Es werden die Umdrehungsgeschwindigkeiten der Rührarme 8 variiert. Wie die untenstehende Tabelle zeigt, erhält man Schaumstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften. Der günstigste Drehbereich liegt zwischen 1000 und 1800 Umdrehungen pro Minute. Dies entspricht einer Umfangsgeschwindigkeit von 15,8 bis 28,5 m/sec.
Die erhaltenen Schäume werden bis auf eine durchschnittliche Teilchengrösse von 5 mm zerkleinert. Es werden die Schüttvolumina ermittelt, die aus einem Liter Schaum entstehen. Je höher das Schüttvolumen ist, desto besser ist die Qualität des Schaumes.
Tabelle Einfluss der Rührerdrehzahl auf Druckfestigkeit und Schüttvolumen von zerkleinertem Schlaum Verweilzeit des Schaumes im Mischgefäss: : 3 Sekunden
EMI4.1
<tb> <SEP> w
<tb> <SEP> bfl <SEP> I
<tb> <SEP> ell <SEP> o
<tb> zoll
<tb> <SEP> II
<tb> n <SEP> Verschmutzung <SEP> des <SEP> a8
<tb> <SEP> 425 <SEP> 15 <SEP> 357 <SEP> grobporig <SEP> 1,8 <SEP> leichter <SEP> Belag <SEP> auf <SEP> Welle <SEP> und <SEP> Flügel
<tb> <SEP> 600 <SEP> 15 <SEP> 385 <SEP> grobporig <SEP> 2,0 <SEP> leichter <SEP> Belag <SEP> auf <SEP> Welle <SEP> und <SEP> Flügel
<tb> <SEP> 860 <SEP> 15 <SEP> 494 <SEP> etwas <SEP> grobporig <SEP> 2,2 <SEP> leichter <SEP> Belag
<tb> 1000 <SEP> 15 <SEP> 500 <SEP> kl.
<SEP> Lunker <SEP> 2,45 <SEP> frei
<tb> 1200 <SEP> 15 <SEP> 540 <SEP> fesnporig <SEP> 2,65 <SEP> frei
<tb> 1500 <SEP> 15 <SEP> 550 <SEP> feinporig <SEP> 2,7 <SEP> frei
<tb> 1800 <SEP> 15 <SEP> 502 <SEP> Lunker <SEP> 2,6 <SEP> frei
<tb> 2000 <SEP> 15 <SEP> 500 <SEP> Lunker <SEP> 2,37 <SEP> frei
<tb> Der optimale Drehzahlbereich liegt zwischen 1000 und 18 000 Imin. Das entspricht einer Umfangsgeschwin digkeit von 15,8 bis 28,5 m/sec.