DE60017807T2 - Metallocen-Polyethylenschaumstoff für Wärmedämmung und Herstellungsverfahren - Google Patents
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Rohrisolierung, die aus einem Polyolefin-Wärmeisolierungsschaum hergestellt ist, einen Polyolefin-Wärmeisolierungsschaum und ein Verfahren zur Herstellung eines physikalisch geschäumten Polyolefin-Wärmeisolierungsschaums und den dadurch hergestellten Schaum.
- Für die Wärmeisolierung von Rohren wie Warmwasserleitungen, Hochdruck- und Niederdruck-Dampfrohre sowie Rohre für Split-Klimaanlagen, Fernheizung, Solarenergienutzung und die verarbeitende Industrie ist die Verwendung von Hohlprofilen mit einer Wand aus synthetischem Schaum weit verbreitet. Diese Profile werden im Folgenden als Rohrisolierung bezeichnet.
- Die wichtigsten Arten von Rohrisolierungen, die gegenwärtig im Handel erhältlich sind, sind PE-Rohrisolierungen und Gummi-Rohrisolierungen.
- PE-Rohrisolierungen bestehen aus Schaum, der aus Thermoplasten hergestellt ist und eine Dichte von ungefähr 35 kg/m3 hat. Diese Art Schaum wird üblicherweise unter Verwendung von physikalischen Treibmitteln (z.B. Butan) hergestellt und ist nicht vernetzt. Diese Art Schaum hat gute Produkteigenschaften wie Isolationswert, Feuerverhalten und Wasseraufnahmefähigkeit. Der Schaum kann sehr gut wiederaufbereitet werden. Der Schaum wird in einem einzelnen Verfahren hergestellt, d.h. die Herstellung findet in einem Schritt statt. Ein Nachteil des PE-Rohrisolierungsmaterials ist, dass es weniger flexibel als Gummi-Rohrisolierungen ist, was dazu führt, dass es schwierig um dünne und gewundene Rohre herum aufzubringen ist. Das führt dazu, dass das Material für einige Verwendungszwecke nicht geeignet ist, z.B. Klimaanlagen und Kühlanlagen.
- Gummirohrisolierungen bestehen aus Schaum, der aus Elastomeren aufgebaut ist und eine Dichte von etwa 60 kg/m3 hat. Diese Art Schaum wird oft unter Verwendung von chemischen Treibmitteln hergestellt (z.B. Azoverbindungen) und ist üblicherweise vernetzt. Gummirohrisolierungen sind ein sehr flexibles, leicht aufzubringendes Mate rial. Diese Art Schaum hat gute Produkteigenschaften wie Isolationswert und Feuerverhalten. Ein Nachteil der Gummi-Rohrisolierungen ist, dass sie nicht wiederaufbereitet werden können und dass sie relativ schwer sind (das bedeutet, dass viel Material für die Isolierung notwendig ist). Die Wasseraufnahmefähigkeit als solche ist gut, im Fall einer Beschädigung der Haut verhält sich das Material jedoch wie ein Schwamm, und die gute Eigenschaft geht verloren. Ein weiterer Nachteil der Gummi-Rohrisolierungen ist, dass dieses Material unter Verwendung eines Verfahrens hergestellt wird, das drei Schritte umfasst: Kneten, Extrudieren und Schäumen. Zusammen mit der hohen Dichte bewirkt dies, dass der Preis von Gummi-Rohrisolierungen höher ist als der von PE-Rohrisolierungen.
- Die US-6,054,078 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines integral gebundenen, vielschichtigen geschäumten Produkts, das zuerst das Extrudieren eines geschäumten Kernglieds unter Verwendung eines physikalischen Treibmittels, das Kühlen dieses Kernglieds, das Erwärmen der Oberfläche des Kernglieds auf eine Temperatur, die sich dem Schmelzpunkt des Kernglieds nähert, und das Aufbringen eines Überzugs aus geschmolzenem Kunststoff auf die erwärmte Oberfläche des Kernglieds, der das Kernglied am Umfang umgibt, umfasst. Das Kernglied kann ein Metallocen-Polymer und Zusätze wie ein Feuerlöschmittel und einen Zellstabilisator aufweisen.
- Es besteht Bedarf an einer hoch flexiblen Rohrisolierung, die leicht um gewundene Rohre aufzubringen ist, eine ausgezeichnete Wärmeisolierungsfähigkeit hat, aus Schaum hergestellt ist, der gut wiederaufbereitet werden kann und eine niedrige Dichte von vorzugsweise 35 kg/m3 oder weniger hat.
- Es wurde festgestellt, dass diesem Bedarf durch eine Rohrisolierung entsprochen werden kann, die aus einer Schicht eines Polyolefinschaums besteht, der nur Metallocen-Polyethylen als Polyolefin aufweist.
- Die Erfindung stellt einen Polyolefin-Wärmeisolierungsschaum zur Verfügung, der durch Extrudieren einer Schaumzusammensetzung unter Verwendung eines physikalischen Treibmittels hergestellt wird, wobei die Schaumzusammensetzung ein Metallocen-Polyethylen, ein Flammenlöschmittel und einen Zellstabilisator aufweist, und der sich dadurch auszeichnet, dass die Zusammensetzung 77–92 Gew.-% Metallocen- Polyethylen, 5–10 Gew.-% Flammenlöschmittel und 3–8 Gew.-% Zellstabilisator aufweist.
- Bei einer Ausführungsform umfasst der Polyolefin-Wärmeisolierungsschaum weiterhin einen Stabilisator für das Flammenlöschmittel und/oder einen Katalysator für das Flammenlöschmittel, wobei die Gesamtmenge des Flammenlöschmittels, des Katalysators für das Flammenlöschmittel und des Stabilisators für das Flammenlöschmittel 5-18 Gew.-% beträgt. Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst der Polyolefin-Wärmeisolierungsschaum weiterhin 0–5 Gew.-% üblicher Schaumzusätze.
- Der Schaum hat bevorzugt eine Dichte von weniger als 35 kg/m3, insbesondere weniger als 30 kg/m3.
- Der Grad der Flexibilität des Schaums kann durch den Eindruckwiderstand gemäß DIN 53577 angegeben werden. Vorzugsweise beträgt er 0,020 N/mm2 oder weniger bei 10%-igem Eindruck, 0,035 N/mm2 bei 20%-igem Eindruck und 0,100 N/mm2 bei 50%-igem Eindruck.
- Wegen der hohen Flexibilität des Schaums wird eine Rohrisolierung, die aus dem Schaum gemäß der Erfindung hergestellt ist, leicht um gewundene Rohre herum aufgebracht. Da der Schaum unter Verwendung von physikalischen Treibmitteln hergestellt wird und nicht chemisch vernetzt ist, kann er leicht wiederaufbereitet werden.
- Der Begriff „Metallocen-Polyethylen" betrifft Polyethylene, die durch Polymerisieren von Ethylen bei Vorhandensein eines Metallocenkatalysators hergestellt werden. Bezüglich der Herstellung und Verarbeitung von Metallocen-Polyethlyen wird z.B. auf Kurt W. Schwogger, An outlook for metallocene and single site catalyst technology into the 21st century, Antec 98, Processing Metallocene Polyolefines, Conference Proceedings, Oktober 1999, Rapra Technology, und das Protokoll der 2. internationalen Konferenz zu Metallocen-Polymeren, Scotland Conference Proceedings, März 1998, verwiesen.
- Ein geeignetes Polyolefin für die Herstellung von Polyolefinschaum gemäß der Erfindung ist beispielsweise ein Polyolefinelastomer mit einer Dichte von 880–920 kg/m3, einem Schmelzindex (MFI) zwischen 0,5 und 4,5 g/10 min. bei 190°C, einen DSC-Schmelzpunkt zwischen 98 und 107°C und eine Zugfestigkeit (ASTM D-683M-90, 50 mm/min.) zwischen 20 und 60 MPa.
- Die Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines physikalisch geschäumten Polyolefin-Wärmeisolierungsschaums durch Extrudieren einer Zusammensetzung unter Verwendung eines physikalischen Treibmittels zur Verfügung, wobei die Zusammensetzung ein Metallocen-Polyethylen, ein Flammenlöschmittel und einen Zellstabilisator aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: a) Mischen von 77–92 Gew.-% Metallocen-Polyethylen und 5–10 Gew.-% eines Flammenlöschmittels in einem Extruder, um eine Mischung zu erhalten, b) Zufügen von 3–8 Gew.-% eines Zellstabilisators zu dieser Mischung, c) Schmelzen der Mischung in den Schmelzbereichen des Extruders, die auf Temperaturen von 180 bis 240°C eingestellt sind, bei einem Druck, der von 1 bar bis auf 400 bar ansteigt, d) Einspritzen des physikalischen Treibmittels bei einer Einspritztemperatur von 140 bis 180°C und einem Einspritzdruck von 200 bis 300 bar, e) Kühlen der geschmolzenen Mischung in Kühlbereichen des Extruders, die auf Temperaturen von 60 bis 110°C eingestellt sind, und f) Extrudieren der Mischung durch eine Extrusionsdüse, die auf eine Temperatur von 85 bis 110°C eingestellt ist, so dass die Mischung sich mit einem Druck von 1 atm zu einem Schaum ausdehnt.
- Bei einer Ausführungsform werden ein Stabilisator für das Flammenlöschmittel und/oder ein Katalysator für das Flammenlöschmittel mit der Mischung in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens gemischt, wobei die Gesamtmenge des Flammenlöschmittels, des Katalysators für das Flammenlöschmittel und des Stabilisators für das Flammenlöschmittel 5–18 Gew.-% beträgt. Bei einer weiteren Ausführungsform werden 0–5 Gew.-% übliche Schaumzusätze mit der Mischung in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens gemischt.
- Ein beliebiges Flammenlöschmittel, das normalerweise beim Stand der Technik verwendet wird, kann als Flammenlöschmittel verwendet werden, vorausgesetzt, dass es die Eigenschaften des Schaums nicht beeinflusst. Beispiele für Flammenlöschmittel zur Verwendung bei der Erfindung umfassen halogenhaltige Flammenlöschmittel. Halogenhaltige Flammenlöschmittel werden üblicherweise in Kombination mit einem Stabilisator wie Pentaerythrit und einem Katalysator wie z.B. Antimontrioxid verwendet. Das Mischverhältnis zwischen Antimontrioxid und der halogenhaltigen Komponente kann z.B. ungefähr 1:3 oder 1:2 betragen. Es ist auch möglich, verschiedene Flammenlöschmittel zu benutzen. Die addierte Gesamtmenge des Flammenlöschmittels einschließlich des fakultativen Stabilisators und des fakultativen Katalysators beträgt ungefähr 5–18 Gew.-% auf der Grundlage der Gesamtmenge an Polymer und Zusätzen. Wenn das Flammenlöschmittel in einer Menge von weniger als 5 Gew.-% verwendet wird, sind die Feuerfestigkeitseigenschaften des Schaums eventuell nicht ausreichend. Die Verwendung einer Menge an Flammenlöschmittel von mehr als 10% kann zu einer Beeinflussung der Eigenschaften des Schaums (der Flexibilität) führen.
- Der Zellstabilisator verhindert, dass das Treibmittel unmittelbar nach der Einspritzung aus der Polymerschmelze entweicht, was dazu führt, dass kein Schaum gebildet wird. Jeder Zellstabilisator, der normalerweise beim Stand der Technik verwendet wird, kann als Zellstabilisator verwendet werden, vorausgesetzt, dass er die Eigenschaften des Schaums nicht beeinflusst. Beispiele für geeignete Zellstabilisatoren umfassen Zellstabilisatoren der Arten: Stearinsäureamid, Glycol-Monostearat und Fettsäuren des Glyzins. Es ist auch möglich, mehr als einen Zellstabilisator zu verwenden. Die addierte Gesamtmenge des Zellstabilisators beträgt ungefähr 3–8 Gew.-% auf der Grundlage der Gesamtmenge von Polymer und Zusätzen. Der Zellstabilisator wird in geeigneter Weise z.B. mittels einer Seitenzuleitung zu der Mischung aus Poylmer, Flammenlöschmittel und fakultativen weiteren Zusätzen hinzugefügt, bevor die Mischung aufgeschmolzen wird.
- Zusätzlich zu dem Flammenlöschmittel und den Zellstabilisatoren können die üblichen Zusätze für Polyolefinschäume dem Schaum zugesetzt werden. Nicht einschränkende Beispiele hierfür umfassen Farbstoffe, Pigmente, Füllstoffe, Nukleierungsmittel und Stabilisatoren.
- Als Treibmittel kann jede beliebige Substanz verwendet werden, die bei hohem Druck flüssig ist, insbesondere bei dem Druck, der in dem Extruder vorherrscht, der zur Durchführung des Verfahrens verwendet wird, wobei die Substanz jedoch bei niedrigerem Druck verdampft. Nicht einschränkende Beispiele des Treibmittels umfassen Alkane mit 3 bis 8 Kohlenstoffatomen, wie z.B. Propan, Butan, Isobutan und Hexan.
- Das Treibmittel wird auf eine Temperatur von 140 bis 180°C und einen Druck von 200 bis 300 bar gebracht und fortlaufend in die geschmolzene Mischung in dem Extruder eingespritzt.
- Es ist wichtig, dass beim Mischen des Metallocen-Polyethylens, des Flammenlöschmittels und der fakultativen Zusätze die Mischung in dem Extruder gut geschmolzen wird, d.h. das Polymer in die flüssige Phase gebracht wird, was zu einem viscoelastischen Verhalten führt, bei dem Polymer und Zusätze gut miteinander gemischt werden und in einer späteren Phase auch das physikalische Treibmittel gut in die Polymermischung eingearbeitet wird. Wenn für die Herstellung des Polyolefinschaums gemäß der Erfindung ein Mischer verwendet wird, bei dem nur geringe Scherkräfte auf die Mischung ausgeübt werden, ist es vorteilhaft, die Temperatur so zu wählen, dass das viscoelastische Verhalten des Polymers und der Zusätze fast gleich ist. Ein Parameter zum Ausdruck des viscosen Verhaltens ist der Schmelzindex (MFI) (der Durchsatz an Material bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck). Bei dem vorliegenden Verfahren liegen die MFI-Werte der Polymere und Zusätze geeignetermaßen zwischen 0,5 und 4,5 g/10 Minuten bei 190°C.
- Das erfindungsgemäße Verfahren kann in geeigneter Weise in einem Einschneckenextruder durchgeführt werden, dessen L/D zwischen 30 und 60 liegt und der mit Mischteilen und einem statischen Mischer versehen ist, der z.B. einen Durchsatz von 50 bis 150 kg/h hat.
- Das erfindungsgemäße Rohrisolierungsmaterial hat geeigneterweise eine Wanddicke von 3 bis 30 mm bei einem Innendurchmesser von 4–130.
- Beispiel
- Ein Einschnecken-Extruder des oben beschriebenen Typs wurde mit einer Freifläche von 5–100 mm2 versehen, anschließend wurde die Zahl der Umdrehungen auf 15–40 U/min. eingestellt.
- Eine Mischung aus Polymer und Zusätzen (Flammenlöschmittel, Zellstabilisatoren) wurde in den oben genannten Mischverhältnissen zugefügt. Die Schmelzbereiche des Extruders wurden auf 200–240°C eingestellt, die Kühlbereiche wurden auf 60–95°C eingestellt. Treibmittel wurde mit einem Einspritzdruck von 200–250 bar und einer Massentemperatur von 80 bis 105°C in einer Menge von 20–25 l/h (als Flüssigkeit) eingespritzt. Der Druck in dem Extruder sank auf ungefähr 10–30 bar an der Düse des Extruders, woraufhin sich die Mischung zu einem Schaum mit einer Dichte von 20 bis 25 kg/m3 ausdehnte, in Form einer Rohrisolierung mit einem Innendurchmesser von 18–28 mm und einer Wanddicke von 20–30 mm.
- Das erfindungsgemäße Rohrisolierungsmaterial hatte die folgenden Eigenschaften.
-
Claims (11)
- Polyolefin-Wärmeisolierungsschaum, der durch Extrudieren einer Schaumzusammensetzung unter Verwendung eines physikalischen Treibmittels hergestellt wird, wobei die Schaumzusammensetzung ein Metallocen-Polyethylen, ein Flammenlöschmittel und einen Zellstabilisator aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung 77–92 Gew.-% Metallocen-Polyethylen, 5–10 Gew.-% Flammenlöschmittel und 3–8 Gew.-% Zellstabilisator aufweist.
- Polyolefin-Wärmeisolierungsschaum nach Anspruch 1, der weiterhin einen Stabilisator für das Flammenlöschmittel und/oder einen Katalysator für das Flammenlöschmittel aufweist, wobei die Gesamtmenge des Flammenlöschmittels, des Katalysators für das Flammenlöschmittel und des Stabilisators für das Flammenlöschmittel 5–18 Gew.-% beträgt.
- Polyolefin-Wärmeisolierungsschaum nach Anspruch 1 oder 2, der weiterhin 0–5 Gew.-% anderer üblicher Schaumzusätze aufweist.
- Polyolefin-Wärmeisolierungsschaum nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der eine Dichte von nicht mehr als 35 kg/m3 hat.
- Polyolefin-Wärmeisolierungsschaum nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der eine Dichte von nicht mehr als 30 kg/m3 hat.
- Polyolefin-Wärmeisolierungsschaum nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der einen Eindruckwiderstand, gemessen nach DIN 53577, von ≤ 0,020 N/mm2 bei 10 %-igem Eindruck, ≤ 0,035 N/mm2 bei 20 %-igem Eindruck und ≤ 0,100 N/mm2 bei 50 %-igem Eindruck hat.
- Polyolefin-Wärmeisolierungsschaum nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der die Form einer Rohrisolierung hat.
- Verfahren zum Herstellen eines physikalisch geschäumten Polyolefin-Wärmeisolierungsschaums durch Extrudieren einer Zusammensetzung unter Verwendung eines physikalischen Treibmittels, wobei die Zusammensetzung ein Metallocen-Polymer, ein Flammenlöschmittel und einen Zellstabilsator aufweist, wobei dieses Verfahren die Schritte umfasst: a) Mischen von 77–92 Gew.-% Metallocen-Polyethylen und 5–10 Gew.-% Flammenlöschmittel in einem Extruder, um eine Mischung zu erhalten, b) Zufügen von 3–8 Gew.-% eines Zellstabilisators zu dieser Mischung, c) Schmelzen der Mischung in den Schmelzbereichen des Extruders, die auf Temperaturen von 180 bis 240 °C eingestellt sind, bei einem Druck, der von 1 bar bis auf 400 bar ansteigt, d) Einspritzen des physikalischen Treibmittels bei einer Einspritztemperatur von 140 bis 180 °C und einem Einspritzdruck von 200 bis 300 bar, e) Kühlen der geschmolzenen Mischung in Kühlbereichen des Extruders, die auf Temperaturen von 60 bis 110 °C eingestellt sind, und f) Extrudieren der Mischung durch eine Extrusionsdüse, die auf eine Temperatur von 85 bis 110 °C eingestellt ist, so dass die Mischung sich mit einem Druck von 1 atm zu einem Schaum ausdehnt.
- Verfahren zum Herstellen eines physikalisch geschäumten Polyolefin-Wärmeisolierungsschaums nach Anspruch 8, bei dem ein Stabilisator für das Flammenlöschmittel und/oder ein Katalysator für das Flammenlöschmittel mit der Mischung in Schritt a) gemischt werden, wobei die Gesamtmenge des Flammenlöschmittels, des Stabilisators für das Flammenlöschmittel und des Katalysators für das Flammenlöschmittel 5–18 Gew.-% beträgt.
- Verfahren zum Herstellen eines physikalisch geschäumten Polyolefin-Wärmeisolierungsschaums nach Anspruch 8 oder 9, bei dem 0–5 Gew.-% übliche Schaumzusätze mit der Mischung in Schritt a) gemischt werden.
- Verfahren zum Herstellen eines physikalisch geschäumten Polyolefin-Wärmeisolierungsschaums nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem sich die Mischung zu einem Schaum in Form einer Rohrisolierung ausdehnt.
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