DE3708082C2 - - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Extrusionsschäumen von Thermoplasten zur Erzeugung von mecha­ nisch hoch beanspruchbaren Schaumextrudaten mit grober Zell­ struktur.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Verschäumung von Thermoplasten mittels Extrusion beruht darauf, daß in der Schmelze auf physikalischem Weg oder durch chemische Reaktion eingetragene Gase unter Druck verteilt werden und im darauffolgenden Entspannungsschritt zum Schäumen des Extrudats führen.

Die Schaffung von für den Schäumprozeß geeigneten Druck- und Temperaturbedingungen in der Schmelze unmittelbar vor und wäh­ rend der Entspannungsphase stellt neben dem Einbringen der als Treibmittel wirkenden Substanzen das schwierigste Problem dar. Es gilt, die Diffusionsbeständigkeit der sich bildenden Zell­ wände, den Treibdruck des Schäumgases und die Fließfähigkeit der Plastschmelze aufeinander abzustimmen. Der Massedruck muß während der Extrusion so hoch gehalten werden, daß kein Treib­ gas vor dem Eintreten der Schmelze in die Schäumzone aus der Lösung treten kann. Die Massetemperaturen, bei denen die Bedingungen hinreichender Diffusionsbeständigkeit und Fließfähigkeit der Schmelze vorliegen, sind für die Thermoplaste sehr unterschiedlich. Bei den teilkristallinen Polyolefinen liegen sie im technologisch schwierig zu steuernden Bereich wenig unterhalb der Kristallitschmelzpunkte, während bei den amorphen Thermoplasten, wie Polystyrol und Polyvinylchlorid, breitere Temperaturintervalle innerhalb der Erweichungsbereiche zum Schäumen möglich sind.

Die Anforderungen an die Konditionierung der Thermoplastschmelzen für das Extrusionsschäumen haben zu einer Vielzahl apparativ aufwendiger Lösungen geführt.

So werden zwei Extruder in Tandem-Anordnung hintereinander ge­ schaltet. Die Extrusionsstrecke ist in eine Plastifizierungs­ zone, eine Injektionszone, eine Misch- und Kühlzone und eine Extrusionszone untergliedert. Der zweite Extruder mit den Zonen des Mischens und Kühlens ist von einem Kühlmantel umgeben, in dem sich eine Kühlflüssigkeit bewegt (US-PS 31 51 192).

Bei einem anderen Extruder mit einem sehr großen Länge-Durchmes­ ser-Verhältnis der Schnecke von 40 D und mehr wird in der letzten Zylinderzone vor dem Extrusionswerkzeug eine Konditionierung der Schmelze für das Schäumen vorgenommen (US-PS 44 24 287). In der US-PS 26 69 751 ist im verlängerten Extruderzylinder zum Konditionieren der Schmelze eine gekühlte Welle angeordnet. Die US-PS 37 51 377 offenbart Zwischenfläche-Oberfläche-Generatoren als statische Mischer, und die DE-PS 29 06 973 zeigt eine Schmelz­ kühlvorrichtung mit Aufteilung der Schmelze in Teilströme auf. Bei allen bekannten Vorrichtungen ist das Extrusionswerkzeug stets nach der Kühlzone bzw. der Kühlvorrichtung angeordnet. In der Kühlzone wird zusätzlich noch gemischt, wobei Wärme dissipiert wird. Das wirkt dem Kühleffekt entgegen. Bei teilkristallinen Polymeren sind diese Vorrichtungen teilweise nicht anwendbar, da die erreichbare Kühlung zu gering ist. Die meisten bekannten Vorrichtungen sind außerdem an bestimmte zu verschäumende Substanzen gekoppelt bzw. auf ein spezielles Problem des Extrusions­ schäumens ausgelegt.

In der DE-AS 17 29 076 wird ein Verfahren zum Herstellen eines endlosen Schaumstoffstranges durch Strangpressen beschrieben, bei dem vorrichtungsmäßig eine Strangpresse über eine Düse, in der zentrisch ein Dorn angeordnet ist, mit einer Kalibriervor­ richtung verbunden. Die Form und Abmessungen des Dorns in der Düse und die Länge der Kalibriervorrichtung werden in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Kunststoffmischung, so gewählt, daß die Mischung am Austritt zur Kalibriervorrichtung nach innen ausschäumt. Die Kalibriervorrichtung ist von einem Mantelraum mit einer Kühl­ flüssigkeit umgeben. Kommt die Kunststoffmischung mit der Wand der Kalibriervorrichtung in Berührung so bildet sich auf dem geschäumten Kunststoff eine harte Schicht aus. Das Verschäumen erfolgt grundsätzlich nur von außen nach innen, und der durch den Dorn sich ausbildende längsverlaufende Hohlraum für das Verschäumen läßt Schaumstoffe entstehen, deren Dichten nur bei 0,5 g/cm^-3 liegen.

Laut CH 4 15 035 ist bekannt, thermoplastische Stoffe mit Hilfe eines Extruders kontinuierlich herzustellen durch eine definierte Druck- und Temperaturregelung sowie eine Anordnung, welche zwischen Zuführleitung und Formvorrichtung ein Verbindungselement aus schlecht leitendem Material aufweist zur Verhinderung des Wärmeübergangs.

Bei diesem Schäumverfahren verläuft die Abkühlung und somit Erstarrung der Schmelze ebenfalls von außen nach innen.

Ziel der Erfindung

Mit der Erfindung sollen für den Schäumprozeß geeignete Druck- und Temperaturbedingungen in der Schmelze vor und während der Entspannungsphase geschaffen werden. Der Massedruck während der Extrusion muß so hoch gehalten werden, daß kein Treibgas vor dem Eintreten der Schmelze in die Schäumzone aus der Lösung treten kann. Während des Schäumens soll das Treibmittel im Inneren des Schaumextrudats eine definierte grobzellige Schaumstruktur erzeugen.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Treibdruck des Schäumgases und die Fließfähigkeit der Plast­ schmelze aufeinander abzustimmen. Mit einer Vorrichtung sollen solche Bedingungen beim Extrusionsschäumen von Thermoplasten, insbesondere Polyolefinen, geschaffen werden, daß die Oberfläche des unter Atmosphären­ bedingungen aufschäumenden Extrudats aus­ reichend diffusionsbeständig gegenüber den aus der Schmelze tretenden Treibgasen ist und daß im Inneren des Extrudats eine gleichmäßige grobzellige Schaum­ struktur gebildet wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.

Die im Extruder erzeugte Schmelze und das hinzugefügte geeignete physikalisch wirkende Treibmittel, dem gegebenenfalls noch eine Trägersubstanz für das Eintragen des Treib­ mittels in den Extrusionsprozeß zugesetzt wird, wird zum Extrusionswerkzeug befördert. Das Gehäuse der Konditioniervorrichtung ist von dem Extrusionswerkzeug räumlich getrennt, um gegenseitige thermische Beeinflussung so gering wie möglich zu halten. Damit bleibt eine Viskositätsveränderung der Schmelze vor dem Austritt aus dem Extrusionswerkzeug ausgeschlossen. Der Querschnitt des Extrusionswerkzeuges verjüngt sich so, daß er beim Ausgang mit dem des Schmelzkanals der Konditioniervorrichtung identisch ist. Es erfolgt eine differenzierte Temperierung der äußeren Randzonen des Extrudats, während die Volumen­ anteile im Inneren ihre vom Scher- und Transportprozeß im Extruder hervorgerufene hohe Temperatur beibehalten. Die Umfangsflächen des Extrudats werden so abgekühlt, daß sie nach Austreten in die Atmosphäre genügend diffusionsbeständig gegenüber den aus der Lösung tretenden Treibgasen sind und diese im Extrudat halten. Gleichzeitig ist die Fließfähgkeit der Extrudat­ oberfläche noch ausreichend, um dem von innen wirkenden Schäumdruck nachzugeben, ohne zu reißen. Im Extrudatinneren entsteht durch die relativ hohe Masse­ temperatur und die damit verbundene niedrige Schmelzen­ viskosität eine grobzellige Schaumstruktur.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Thermoplastschäume mit Dichten kleiner 0,1 g/cm^-3 mit Extrudern, die kleine Längen-Durchmesser-Verhältnisse der Schnecke, z. B. 25 D, aufweisen, hergestellt werden.

Es ist möglich, Altfolien aus Industrie und Landwirt­ schaft sowie Polyolefin-Abfallgemische, wie die Schwimmfraktion der rückgeführten Haushalt-Plastabfälle, zu verschäumen. Es entstehen grobzellige Schäume niedriger Dichte und relativ hoher Festigkeit aus Thermoplasten oder Thermoplastabfällen, insbesondere aus Polyolefinen mit Schmelzindizes größer 1 g (600 sec)^-1.

Ausführungsbeispiel

Es zeigen Fig. 1: Seitenansicht der Konditioniervorrichtung, gekoppelt an Extruder und Extrusionswerkzeug

Fig. 2: Querschnitt der Konditioniervorichtung mit unmittelbarem Anschluß an Extrusionswerkzeug.

Die Schwimmfraktion aus rückgeführten Haushalt- Plastabfällen wird mit einem Schneidgranulator zu rieselfähigem Schüttgut mit Korngrößen kleiner 4 mm zer­ kleinert. Die Messung des Schmelzindex von diesem Material ergibt 7 g (600 sec)^-1.

840 Teile dieses aufbereiteten Polyolefin-Abfallgemisches werden mit 150 Teilen gemahlenem Kaolin gemischt. Dieser Mischung werden als Keimbildner und zur teilweisen Vernetzung 10 Teile einer Mischperoxid­ lösung zugesetzt, die aus Cyclohexanon- und Methyl­ cyclohexanonperoxiden mit ca. 40% Dibutylphthalat besteht. Als physikalisch wirkendes Treibmittel werden 60 ml Methanol pro Kilogramm dieser Vormischung zugesetzt und eingearbeitet.

Die Mischung wird in den Trichter 1 eines 45-mm- Einschneckenextruders mit 25 D Länge gegeben, dessen Extrusionswerkzeug 3 eine 16-mm-Runddüse als Ausgangs­ öffnung aufweist. An das Extrusionswerkzeug 3 schließt sich die Konditioniervorrichtung, die aus einem Schmelzenkanal 5 und einem Gehäuse 6 besteht, zwischen denen sich ein Kühlmedium 7 befindet, an. Der Durchmesser des Schmelzenkanals 5 beträgt ebenfalls 16 mm, seine Länge beträgt insgesamt 280 mm. Das Gehäuse ist durch Abstandhalter 8 vom Extrusions­ werkzeug 3 getrennt. Die Umdrehungszahl der Schnecke wird auf 40 min^-1 eingestellt.

Aufgrund des Lösemittelgehaltes des Extrusionsgutes liegen die Zylindertemperaturen des Einschnecken­ extruders 2 unterhalb des für vergleichbare Polyethylen­ sorten üblichen Bereiches. Sie werden so eingestellt, daß die Massetemperatur vor der Schneckenspitze 433 K beträgt. Die Temperatur des Kühlmediums 7 zwischen Gehäuse 6 und Schmelzkanal 5 wird nach dem Anfahren auf 399 K reduziert. Im Extruder 2, unmittelbar vor der Konditioniervorrichtung, baut sich ein Massedruck von 75 bar bis 80 bar auf. Nach dem Verlassen der Konditionier­ vorrichtung 4 schäumt das treibmittelhaltige Extrudat zu einem Rundprofil von ca. 75 mm Durchmesser auf. An der Oberfläche des Profils werden in der Auf­ schäumphase 401 K bis 404 K gemessen, während im Inneren des Profils 431 K vorliegen.

Während der Abkühlphase kollabiert das Schaum­ profil durch den Unterdruck in den Schaumzellen bei Erreichen der Kondensationstemperatur des Treibmittels gleichmäßig auf den endgültigen Durchmesser von 55 mm bis 58 mm. Die Dichte des erzeugten Schaumes beträgt 0,055 g/cm^-3. Die Schaumstränge besitzen eine geschlossene Oberfläche und im Inneren eine Zellstruktur mit 3 bis 6 mm Durchmesser.

Die Schaumprofile können in einer Warmformpresse z. B. zu plattenförmigen Elementen mit folgenden Eigen­ schaften weiterverarbeitet werden:

Derartige Formkörper eignen sich aufgrund ihrer Dämmwirkung, Feuchte- und Verrottungsbeständigkeit sowie Druckfestigkeit z. B. für vielfältige Wärmedämm­ probleme im Bauwesen und stellen eine effektive Ver­ wertungsvariante für Polyolefin-Abfälle dar.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Trichter
2 Einschneckenextruder
3 Extrusionswerkzeug
4 Ausgangsöffnung
5 Schmelzenkanal
6 Gehäuse
7 Kühlmedium
8 Abstandshalter

Claims (1)

1. Konditioniervorrichtung zur Herstellung von Thermoplastschäumen, welche aus einem Gehäuse und einem Schmelzkanal besteht, zwischen denen sich ein Kühlmittel befindet und welche gekoppelt ist an einen Extruder und ein Extrusionswerkzeug, gekennzeichnet dadurch, daß das Gehäuse (6) durch Abstandshalter (8) vom Extrusions­ werkzeug (3) getrennt ist, der Schmelzkanal (5) mit dem Extrusionswerkzeug (3) direkt verbunden ist und der Gesamtquer­ schnitt des Schmelzkanals (5) mit dem der Ausgangsöffnung (4) des Extrusionswerkzeuges (3) identisch ist für den Durchfluß des Thermoplastmassestromes als Pfropfenströmung.