DE19600026A1 - Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffplatten, -Bahnen und Füllkörper oder Beads - Google Patents

Description

Die Belastung der Umwelt führt zur Verschlechterung der Lebensbedingungen auf der Erde. Untersuchungen belegen, daß nur durch sinnvolle Nutzung der Primärenergie aus fosilen Brennstoffen das Klimaproblem gelöst werden kann. Ein Baustein in dieser Kette der unterstützten Maßnahmen sind Dämmstoffe auf Basis von Kunststoffen, um den Verbrauch an Brennstoffen in Gebäuden zu verringern. Die Kunststoffe erhalten ihre besondere Wärmedämmwirkung durch Schäumen. Zum Schäumen werden die Kunststoffe in eine Schmelze überführt. In der Schmelze wird Gas freigesetzt. Das Gas kann dem Einsatzkunststoff beigemischt sein und/oder den Kunststoff nach dessen Plastifizieren zugemischt werden. Für die Qualität des gewünschten Schaumstoffes ist eine gute Dispergierung in der Schmelze und Homogenisierung der Schmelze wichtig. Ferner wird mit Hilfsmitteln auf die Schaumbildung Einfluß genommen. Dazu gehören Nukleierungsmittel. Die Verarbeitung des Kunststoffes geschieht vorzugsweise unter Druck. Besonders geeignete Vorrichtungen für die Verarbeitung des Kunststoffes sind Extruder.

Nach Verlassen des Extruders expandieren die in der Schmelze eingeschlossenen Gase und treiben den Kunststoff zu einem Schaum auf. Daher resultiert die häufig gebrauchte Bezeichnung Treibmittel für die Gase.

Die Herstellung der Schaumdämmstoffe erfolgte in der Vergangenheit vorwiegend unter Einsatz von FCKW und HFCKW-Treibmitteln. Diese Treibmittel bewirken bekanntlich den Abbau der Ozonschicht in der oberen Stratosphäre.

Reines FCKW ist als Treibmittel zwischenzeitlich verboten. Für die Verwendung von HFCKW-Treibmitteln steht noch eine längere Übergangsfrist zur Verfügung.

Aus Kunststoffschaum werden Platten, Bahnen, Füllkörper und Beads hergestellt. Füllkörper dienen dabei vorzugsweise der Verpackung. Beads sind kleine Schaum­ partikel, die in Formen gefüllt und dort unter Erwärmung miteinander verschweißt werden, so daß aus den Kunststoffschaumpartikeln Kunststoffschaum-Körper entstehen.

Aufgabe der Erfindung ist, einen extrudierten Schaumstoff aus thermoplastischen alkenylaromatischen und/oder teilkristallinen sowie kristallinen Polymeren, insbe­ sondere Styrolpolymeren herzustellen, der eine niedrige Dichte und vergleichbare Isolationseigenschaften wie die Schaumstoffe erbringt, die mit FCKW/HFCKW geschäumt werden, unter Gebrauch von Alternativtreibmitteln.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Schaumstoff aus thermoplastischen alkenylaromatischen Polymeren gelöst, der aus einer Vielzahl von geschlossenen und nicht miteinander in Verbindung stehenden gashaltigen Zellen besteht. Hierbei ist von einer mittleren Zellgröße vom 0,1 bis 0,5 mm auszugehen. Unter der Bezeichnung thermoplastische alkenylaromatische Polymere sind Kunststoffe zu verstehen, die durch Polymerisation einer oder mehrerer polymerisierbarer alkenylaromatischer Verbindungen hergestellt werden. Hierbei kann es sich um Homo- oder Copolymere handeln. In der Praxis sind diese Produkte z. B. unter der Bezeichnung Polystyrol (PS), schlagfeste Polystyrole (HIPS), ABS, SAN, SMMA, PMMA oder PPQ erhältlich. Unter der Bezeichnung thermoplastische kristalline oder teilkristalline Polymere fallen die Polyolefine, wie z. B. Polyethylene und Polypropylene. Weiterhin werden auch Blends, bestehend aus alkenylaromatischen Polymeren mit teilkristallinen und kristallinen Polymeren nach der Erfindung extrusionsverschäumt.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Wahl der fluiden/gasförmigen physikalischen Treibmitteln. Da aus Gründen der Umweltbelastung der Einsatz der FCKW-Treibmittel auf lange Sicht entfällt, gehen damit auch wiederum Vorteile verloren, die sich aufgrund der physikalischen Eigenschaften der FCKW-Treibmittel hinsichtlich der Dämmeigenschaften im Produkt sowie bei der Zellbildung des Schaumes eingestellt hatten.

Als Alternative zu den FCKW-Treibmitteln stehen die physikalischen Treibmittel zur Verfügung. Physikalische Treibmitteln sind Inertgase. Dazu zählen z. B. Kohlen­ dioxyd , Stickstoff sowie die Edelgase, wie Neon, Argon usw. Diese Gase weisen größtenteils jedoch gegenüber den FCKW-Treibmitteln niedrigere Siedepunkte und höhere Wärmeleitfähigkeitswerte auf. Niedrige Siedepunkte bedeuten, daß die benannten Treibmittel nur als Gase in natürlichen Umgebungsverhältnissen vorlie­ gen. Als Alternativtreibmittel sind auch Kohlenwasserstoffe wie Butan und Propan bekannt. Die Verarbeitung von Kunststoff mit diesen Alternativtreibmitteln zeigt sich jedoch als ausgesprochen schwierig.

Die Erfindung geht auf folgende Erkenntnis zurück:

• - Die Gase verteilen sich in viskosen Schmelzen nicht ausreichend, um die Voraussetzung einer homogen Zellstruktur zu bilden.
• - Gase entwickeln in Abhängigkeit von der Temperatur Drücke, die über dem atmosphärischen Druck liegen. Dies wiederum setzt für die Schaumbildung in Verbindung mit einer heißen Polymermasse voraus, daß die Festigkeit der Polymerschmelze ausreicht, um geschlossene Schaumzellen entstehen zu lassen.
• - In bisherigen Extrudern ist die Verarbeitung von Kunststoff mit Altemativtreib­ mitteln nur begrenzt durchführbar.

Die Erfindung beruht darauf, daß verschiedene Treibmittel zugegeben werden, wobei die Zugabe in verschiedenen Stufen erfolgt. In einer ersten Stufe werden Kohlenwasserstoffe als Treibmittel zugemischt. Als Kohlenwasserstofftreibmittel eignen sich Propen und/oder Buten und/oder Octafluorpropan. Ähnliche Wirkung hat Schwefelhexerfluorid.

Ziel der ersten Stufe ist es, gut lösliche/dispergierbare Gase in der Schmelze fein zu verteilen, an denen sich weniger gut lösliche/dispergierbare Gase anlagern können. Die Verteilung des Treibmittels wird zusätzlich durch die geometrische Ausbildung der Extruderschnecke unterstützt.

Aufgrund der fein in der Schmelze verteilten Kohlenwasserstoff-Treibmittel können die nachfolgend in einer zweiten oder mehreren Stufen eingegebenen anorganischen Treibsysteme an die bereits homogen vermischten Kohlenwasserstoff-Treibmittel ankoppeln und dadurch in die gleiche feine Verteilung übergehen.

In der zweiten Stufe werden vorzugsweise Kohlendioxyd und/oder Stickstoff und/oder Perfluorcyclobutan und/oder Wasser und/oder 1,1-difluorethane (HFC-152 a) in das unter Druck im Extruder anstehende Polymerschmelzegemisch gezielt eindosiert. Die Eindosierung der Treibmittel erfolgt über Hochdruckpumpen.

Die Verwendung von Kohlenwasserstoff-Treibmitteln gemeinsam mit anorganischen Treibmitteln ist zwar bekannt (z.G. PCT/ULS93/08838), die mehrstufige Zugabe und die damit verbundene bessere Verteilung sind jedoch neu; desgleichen ist es neu, die in der ersten Stufe eindosierten Treibmittel im Hinblick auf eine gewünschte besonders gute Ankoppelung von anorganischen Gasen auszuwählen.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird die Abkühlung des Schmelztreibmittel­ gemisches auf eine Ausformtemperatur sichergestellt, bei der die Viskusität der Polymermasse eine ausreichende Festigkeit vorweist, um beim Verlassen des form­ gebenden Mundstückes am Extruderwerkzeug ein geschlossenzelliges Wachstum des Schaumkörpers zu bewirken. Von Vorteil ist, wenn der entstehende Schaum­ körper ein Heißwasserbad, ausgestattet mit einem angetriebenen Fördersystem, durchläuft, das wahlweise Temperaturen von 60 bis 100°C vorweist. Dabei stellen sich günstige Verhältnisse ein, wenn der Schaumkörper voll in das Medium eintaucht und eine Durchlaufzeit von 10-180 Sekunden, vorzugsweise 30 Sekun­ den eingehalten wird. Hierdurch wird erreicht, daß durch die wirksame Energie­ zufuhr der Schaumkörper nachexpandiert und eine evtl. Zellorientierung aufgehoben oder gezielt eingeleitet werden kann bei zusätzlicher Minderung der Schaumdichte.

Das erfindungsgemäße Verfahren schließt ein, daß mit dem Kunststoffeinsatzstoff Zuschlagstoffe wie Zellbildner, Farbstoffe, Stabilisatoren und Flammhemmer in den Extruder aufgegeben werden.

Die gesamte zugegebene Treibmittelmenge beträgt für Styrolpolymerisat 5-40 Gew.-% der gesamten Schmelze. Bei anderen Polymerisaten ergeben sich andere Grenzen für die Treibmittelmenge, die mit wenigen Versuchen ausgetestet werden können.

Günstig ist ein Kohlenwasserstoffgemisch in der ersten Einspritzstufe aus Propen und Iso-Buten. An dem Mischungsanteil ist Propen mit 10-80 Gew.-% und Iso-Buten mit 90-20 Gew.-% beteiligt, vorzugsweise beträgt das Verhältnis von Propen zu Iso-Buten 50 : 85. Am gesamten Treibmittel beträgt der Mischungsanteil des Gemisches Propen/Iso-Buten mindestens 20 Gew.-%. Bei zusätzlicher oder alleini­ ger Verwendung von Octafluorpropan ist der Gewichtsanteil des Octafluorpropans am gesamten Treibmittelgemisch mindestens 5%, bei alleiniger oder zusätzlicher Verwendung von Schwefelhexafluorid ist der Gewichtsanteil des Schwefelhexa­ fluorids an der gesamten Treibmittelmenge mindestens 4%.

Kohlendioxid wird am zweiten und/oder dritten Einspritzpunkt zudosiert. Vorzugs­ weise wird das Kohlendioxid als Flüssigkomponente mit einem Gewichtsanteil von 15% und mehr an der gesamten Treibmittelmenge zudosiert. Bei alleiniger oder zusätzlicher Verwendung von Stickstoff ist dessen Gewichtsanteil an der gesamten Treibmittelmenge mindestens 2%. Bei Verwendung von Perfluorcyclobutan ist dessen Gewichtsanteil an der gesamten Treibmittelmenge mindestens 5%. Bei alleiniger oder zusätzlicher Verwendung von Wasser ist dessen Gewichtsanteil an der gesamten Treibmittelmenge 1% und mehr. Bei alleiniger oder zusätzlicher Verwendung von 1,1-Difluorethan ist dessen Gewichtsanteil an der gesamten Treibmittelmenge 1% und mehr.

Als Extrusionswerkzeug kann für das Aufschmelzen der Polymere und die Zugabe der Treibmittel und das Vermischen der Komponenten ein Einschneckenextruder verwendet werden. Wahlweise findet das Abkühlen des Treibgas-Polymergemisches in einem zweiten Extruder statt, der über eine Rohrverbindung mit dem ersten Extruder gekoppelt ist.

Günstige Ergebnisse können sich auch bei Verwendung einer Planetwalzenextru­ deranlage einstellen.

Vorzugsweise wird der aus dem Extrudermundstück austretende endlose Schaum­ strang mittels von oben und/oder unten einstellbare Rollenbahnen oder Gleitplatten in seiner Ausdehnung begrenzt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Einschneckenextruder 1 mit einer Aufgabe 2 für Kunststoffgranulat und Zuschläge. Das Kunststoffgranulat ist im Ausführungsbeispiel ein Polystyrol. Es wird in dem als Einschneckenextruder ausgebildeten Extruder 1 aufgeschmolzen. Unmittelbar nach Plastifizierung wird mittels einer Dosierpumpe 3 ein flüssiger Treibmittelanteil in den Extruder 1 gedrückt. Der Treibmittelanteil besteht aus Propen und Iso-Buten in einem Mischungsverhältnis von 15 : 85, bezogen auf diesen Treibmittelanteil. Dieser Treibmittelanteil hat einen Gewichtsanteil von 30% bezogen auf die gesamte Treibmittelmenge.

Der übrige Teil der Treibmittelmenge wird über eine Dosierpumpe 4 zugegeben. Es handelt sich um Kohlendioxyd. Die Kohlendioxydzugabe ist in einem Abstand von der Aufgabe der Kohlenwasserstoffe angeordnet, in dem eine ausreichende Vermischung und Homogenisierung der Kohlenwasserstofftreibmittel in der Schmelze entstanden ist. Danach kann sich das an sich schlecht vermischbare Kohlendioxyd besser in der Schmelze verteilen. Das geschieht durch Ankoppelung an die bereits vorhandenen Kohlenwasserstoff-Gasblasen.

Aus dem Extruderwerkzeug 5 tritt ein Kunststoffschaumstrang 6 aus. Der Kunststoff­ schaumstrang 6 wird von Plattenbandförderern 7 und 8 aufgenommen. Die Platten­ bandförderer 7 und 8 besitzen Platten 17 und 18, die den Kunststoffschaumstrang zwischen sich einschließen. Unmittelbar nach Aufnahme des Kunststoffschaum­ stranges 6 besitzt dieser einen in Fig. 2 dargestellten Querschnitt 11, der deutlich geringer als die Aufnahmeöffnung der Plattenbänder 7 und 8 ist. Die Plattenbänder 7 und 8 führen den Kunststoffschaumstrang in ein Wasserbad 9 mit einer Tempera­ tur von 80°C. Dort findet ein Nachschäumen des Kunststoffstranges 6 statt. Danach besitzt der Kunststoffschaumstrang einen in Fig. 3 dargestellten Querschnitt 12, der den Hohlraum zwischen den Platten 17 und 18 voll ausfüllt.

Claims (21)

1. Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffplatten,- bahnen, Schaum-Füllkörpern oder Beads oder dergleichen aus Kunststoff mit folgenden Merkmalen:

• a) Aufschmelzen eines alkenylaromatischen und/oder kristallinen oder teilkristallinen Polymergemisches einschließlich der Zuschlagstoffe.
• b) Aufgabe des Treibmittels in zwei oder mehr Stufen, wobei in einer ersten Stufe gut lösliche bzw. dispergierbare Treibmittel gasförmig oder flüssig im Abstand von der Aufgabe der Einsatzstoffe zugemischt und in einer zweiten Stufe im Abstand von der ersten Stufe weniger gut lösliche bzw. dispergierbare Treibmittel gasförmig oder flüssig zudosiert werden, die sich an dem in der ersten Stufe zudosierten Treibmittel an lagern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der in der ersten Stufe aufgegebenen Treibmittel 5-30 Gew.-% von der gesamten Treibmittelmenge bezogen auf Styrolpolymerisat beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibmittelanteil in der ersten Stufe aus Propen und/oder Iso-Buten und/oder Octafluorpropan und/oder Schwefelhexafluorid besteht.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibmittelanteil in der zweiten und weiteren Dosierstufe aus Kohlendioxid und/oder Stickstoff und/oder Perfluorcyclobutan und/oder Wasser und/oder 1,1-Difluorethan besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Gemisch aus Propen und Iso-Buten, wobei der Anteil von Propen 10-80 Gew.-% und der Anteil von Iso-Buten 90-20 Gew.-% dieses Treibmittelanteils beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Verhältnis von etwa 15 : 85 von Propen zu Iso-Buten.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch einen Gewichtsanteil der Treibmittel in der ersten Dosierstufe von mindestens 20 Gew.-% von der gesamten Treibmittelmenge.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch die alleinige oder zusätzliche Zugabe von Octafluorpropan mit einem Gewichtsanteil von mindestens 5% von der gesamten Treibmittelmenge und/oder die alleinige oder zusätzliche Zugabe von Schwefelhexafluorid mit einem Gewichtsanteil von 4 Gew.-% von der gesamten Treibmittelmenge.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch einen Anteil von Kohlendioxyd in der zweiten und weiteren Eindosierstufe von 15 Gew.-% und mehr an der gesamten Treibmittelmenge und/oder einen Anteil von Stickstoff von mindestens 2 Gew.-% an der gesamten Treibmittelmenge und/oder ein Anteil von Perfluorcyclobutan von mindestens 5 Gew.-% an der gesamten Treibmittelmenge und/oder ein Anteil von Wasser von 1 Gew.-% und mehr an der gesamten Treibmittelmenge und/oder einen Anteil von 1,1-Difluorethan mit einem Gewichtsanteil von 1% und mehr an der gesamten Treibmittelmenge.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Zellgröße beim Schäumen von 0,1 bis 0,5 mm.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Verwendung von Einschneckenextrudern (1) für das Aufschmelzen der Polymere und die Zugabe der Treibmittel und das Vermischen der Komponenten.

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die Verwendung eines zweiten Extruders für das Abkühlen des Treibgas-Polymergemisches und Ankopplung mit dem ersten Extruder über eine Rohrleitung.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Planetwalzenextruders.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch die Verwendung von Führungseinrichtungen (7, 8) für den Schaumstrang (6).

15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einstellbare Führungen (7, 8).

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch Nachschäumen des Schaumstranges (6).

17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch die Verwendung eines beheizbaren Nachschäumbeckens (9), wobei der Schaumstrang (6) durch Führungsrollen und/oder Bänder (7, 8) geführt und unter Wasser gedrückt wird.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch das Aufschmelzen eines kristallinen und/oder teilkristallinen Polymergemisches.

19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch den Einsatz eines Polymergemisches, bestehend aus Althenyl, aromatischen Polymeren und/oder kristallinen und/oder teilkristallinen Polymerverbindungen mit Polymerblends.

20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 19 gekennzeichnet durch eine Nachschäumzeit von 10 bis 180 sec.

21. Verfahren nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine Nachschäumzeit von 30 sec bezogen auf Polystyrol.