DE102014015710A1 - Process for welding plastic particles to foam-like products - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verschweißung von Kunststoffpartikeln zu vorzugsweise schaumstoffartigen Produkten. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe von Mikrowellenstrahlung eine gezielte Erwärmung der Kunststoffpartikel erreicht wird. Erfindungsgemäß werden dazu vorzugsweise die Partikeloberflächen oder der gesamte Partikelwerkstoff derart modifiziert, dass die Mikrowellenstrahlung absorbiert und dadurch in Wärme umgesetzt werden kann. Die Modifikation kann an verschiedenen Stellen in den Prozessablauf integriert und somit z. B. vor oder während der Formgebung durchgeführt werden. An die Modifikation können sich weitere Verfahrensschritte anschließen oder parallel ablaufen.The invention relates to a method for welding plastic particles to preferably foam-like products. The method is characterized in that with the aid of microwave radiation targeted heating of the plastic particles is achieved. According to the invention, the particle surfaces or the entire particle material are preferably modified in such a way that the microwave radiation can be absorbed and thereby converted into heat. The modification can be integrated at different points in the process flow and thus z. B. be performed before or during the molding. The modification may be followed by further process steps or run in parallel.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verschweißung von Kunststoffpartikeln zu vorzugsweise schaumstoffartigen Produkten. Weiterhin eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auch dazu, Kombinationen von kompakten und schaumstoffartigen (polsterartigen) Bereichen herzustellen. Derartige Kombinationen aus polsterartigen Bereichen und zugehörigen, vergleichsweise harten und kompakten Schalenbereichen sind bspw. in EP 2 511 087 A2 , DE 10 2011 078 668 A1 , DE 20 2011 106 011 U1 oder DE 20 2011 005 247 U1 beschrieben.The invention relates to a method for welding plastic particles to preferably foam-like products. Furthermore, the method according to the invention is also particularly suitable for producing combinations of compact and foam-like (cushion-like) regions. Such combinations of upholstery-like areas and associated, comparatively hard and compact shell areas are, for example, in EP 2 511 087 A2 . DE 10 2011 078 668 A1 . DE 20 2011 106 011 U1 or DE 20 2011 005 247 U1 described.

Die Verschweißung von Kunststoffpartikeln zu polsterartigen Produkten wird bislang durch die Aufheizung der in einem formgebenden Werkzeug vorliegenden Partikel mittels Heißdampf oder eines anderen, nicht näher definierten Wärmeträgermediums realisiert. Dies ist u. a. in DE 41 32 429 A1 oder EP 1 155 799 A1 beschrieben.The welding of plastic particles to cushion-like products has hitherto been realized by the heating of the particles present in a forming tool by means of superheated steam or another, unspecified heat transfer medium. This is among others in DE 41 32 429 A1 or EP 1 155 799 A1 described.

Die beschriebenen Verfahren haben gemein, dass die Kunststoffpartikel über ein außerhalb des formgebenden Bereichs aufgeheiztes Wärmeträgermedium (meist Heißdampf) auf eine Temperatur gebracht werden, die die Verschweißung der einzelnen Partikel ermöglicht. Dies ist bspw. in DE 10 2013 110 242 A1 und DE 10 2013 202 353 A1 beschrieben. Das Medium wird über Düsen oder gesinterte Werkzeuge in den formgebenden Bereich eingeleitet. Alternative Heizkonzepte ohne durchströmendes Medium sind für die Herstellung von Produkten aus Kunststoffpartikeln nicht bekannt.The described methods have in common that the plastic particles are brought to a temperature which enables the welding of the individual particles by means of a heat transfer medium (usually superheated steam) heated outside the shaping area. This is, for example, in DE 10 2013 110 242 A1 and DE 10 2013 202 353 A1 described. The medium is introduced via nozzles or sintered tools in the shaping area. Alternative heating concepts without flowing medium are not known for the production of products made of plastic particles.

Mithilfe der beschriebenen Verfahren werden derzeit neben den Partikeln aus EPS, EPP und EPE u. a. auch ETPUs verarbeitet. Diese Werkstoffe sind aufgrund ihrer Molekülstruktur alle größtenteils unpolar ( DE 10 2013 110 242 A1 ).Using the described methods, ETPUs are currently being processed in addition to EPS, EPP and EPE particles. These materials are all largely non-polar because of their molecular structure ( DE 10 2013 110 242 A1 ).

Bspw. aus US4626642 ist bekannt, dass durch Zugabe polarer Zuschlagstoffe oder Fasern die Einkopplung, d. h. die Absorption von Mikrowellenstrahlung in unpolaren Kunststoffen ermöglicht werden kann. Dies wird in US4626642 für die Vernetzung von vernetzenden Formmassen wie Epoxidharzen genutzt.For example. out US4626642 It is known that by adding polar additives or fibers the coupling, ie the absorption of microwave radiation in non-polar plastics can be made possible. This is used in US4626642 for the crosslinking of crosslinking molding compounds such as epoxy resins.

Auch DE 10 2006 042 540 A1 beschreibt die Zugabe polarer Zuschlagstoffe bzw. das Aufbringen polarer Schichten auf Formteile, um diese für Mikrowellen sensitiv zu machen und in einem nachgelagerten Prozessschritt miteinander verschweißen zu können.Also DE 10 2006 042 540 A1 describes the addition of polar additives or the application of polar layers on moldings in order to make them sensitive to microwaves and to be able to weld them together in a subsequent process step.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Die Neuheit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Art der Erwärmung bzw. Aufheizung der Kunststoffpartikel. Die Partikel werden erfindungsgemäß im formgebenden Bereich bzw. Werkzeug mithilfe von Mikrowellenstrahlung erwärmt. Dazu werden im erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise nur die Oberflächen oder aber die gesamten Partikel polarisiert, sodass eine Aufheizung bzw. Erwärmung mithilfe von Mikrowellenstrahlung durch eine geeignete Einkopplung ermöglicht wird.The novelty of the method according to the invention is the type of heating or heating of the plastic particles. According to the invention, the particles are heated in the shaping area or tool by means of microwave radiation. For this purpose, preferably only the surfaces or the entire particles are polarized in the method according to the invention, so that heating or heating by means of microwave radiation is made possible by a suitable coupling.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the remaining features mentioned in the dependent claims.

Zur Polarisierung der Partikel bzw. ihrer Oberflächen werden erfindungsgemäß unterschiedliche Verfahren eingesetzt. Diese sind als Alternativen eigenständig funktionsfähig, können aber ggfs. auch kombiniert werden.For polarizing the particles or their surfaces, different methods are used according to the invention. These are independently functional as alternatives, but can also be combined if necessary.

Als erste Alternative kann die Benetzung der Partikel mit einem polaren Medium, vorzugsweise Wasser, eingesetzt werden. Die Benetzung kann in einem vorgelagerten Schritt bei der Bereitstellung der Partikel für den Prozess, oder aber im formgebenden Bereich bzw. Werkzeug durchgeführt werden. Zudem ist eine vorgeschaltete Aufheizung des Mediums möglich, sodass das noch flüssige Medium vorgewärmt als benetzende Schicht auf den Kunststoffpartikeln vorliegt. Das eingebrachte polare Medium kann dann vorzugsweise im formgebenden Bereich oder schon während der Zuführung mithilfe von Mikrowellenstrahlung erwärmt werden. Ein derart im Versuchsmaßstab hergestelltes Produkt ist in dargestellt. Durch das Aufbringen von Druck der Partikelzuführungseinheit und ggfs. zusätzlich oder allein durch die Expansion in den Partikeln gelöster Treibmittel werden die Partikel aneinander gepresst und dadurch über die Erhitzung unter Druck miteinander zu polster- bzw. schaumstoffartigen Produkten verschweißt.As a first alternative, the wetting of the particles with a polar medium, preferably water, can be used. The wetting may be carried out in an upstream step in the provision of the particles for the process, or in the molding area or tool. In addition, an upstream heating of the medium is possible, so that the still liquid medium is preheated as a wetting layer on the plastic particles. The introduced polar medium can then preferably be heated in the shaping area or even during the feeding by means of microwave radiation. Such a product manufactured in trial scale is in shown. By applying pressure to the particle feed unit and optionally additionally or solely by the expansion in the particles of dissolved propellant particles are pressed together and thereby welded together by the heating under pressure to cushion or foam-like products.

Eine zweite Alternative ist die Oberflächenaktivierung mithilfe einer Plasmabehandlung. Über eine Plasmavorbehandlung können die Partikel mit polaren funktionellen Gruppen versehen werden. Dadurch besteht die Möglichkeit, mithilfe von Mikrowellenstrahlen gezielt Bereiche der Oberfläche der Kunststoffpartikel zu erwärmen und somit die für eine Verschweißung notwendige Temperatur zu erzielen. Im Vergleich zu der Einbringung eines fluiden Wärmeträgermediums bietet die Plasmavorbehandlung den Vorteil, dass kein Medium nachgeschaltet oder bereits aus dem formgebenden Bereich entfernt bzw. zurückgeführt werden muss.A second alternative is surface activation using a plasma treatment. The particles can be provided with polar functional groups via a plasma pretreatment. As a result, it is possible to use microwave radiation to heat specific areas of the surface of the plastic particles and thus to achieve the temperature necessary for welding. Compared to the introduction of a fluid heat transfer medium, the plasma pretreatment offers the advantage that no medium has to be connected downstream or already has to be removed or returned from the shaping area.

Als dritte Alternative besteht die Möglichkeit, die Partikel während der Herstellung oder in einem nachgeschalteten Prozessschritt mit polaren Zugschlagstoffen so zu modifizieren, dass sie mithilfe von Mikrowellenstrahlung analog zu den oben aufgeführten Varianten aufgeheizt und verschweißt werden können. Dabei können die Zuschlagstoffe im gesamten Kunststoffpartikel verteilt, oder an der Partikeloberfläche agglomeriert vorliegen. As a third alternative, it is possible to modify the particles during production or in a downstream process step with polar impact substances in such a way that they can be heated and welded by means of microwave radiation analogously to the variants listed above. The aggregates can be distributed throughout the plastic particle, or agglomerated on the particle surface.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass eine Aufheizung im formgebenden Werkzeug über Mikrowellenstrahlung ermöglicht wird. Im Vergleich zu etablierten Verfahren wird die eingebrachte Energie nicht für die Aufheizung der umgebenden Strukturen, wie z. B. das meist aus Metall bestehende formgebende Werkzeug, genutzt. Die gesamte Energiebilanz der Verschweißung wird somit direkt positiv beeinflusst. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der schnelleren Aufheizung vorzugsweise lediglich der Oberflächen der Partikel. Durch die vergleichsweise lokale Aufheizung wird somit direkt auch der Abkühlvorgang durch die geringere eingebrachte Wärmeenergie beschleunigt. Insgesamt kürzere Zykluszeiten sind die direkte Folge.The advantages achieved by the invention are essentially to be seen in that a heating in the forming tool is made possible by microwave radiation. Compared to established methods, the introduced energy is not used for heating the surrounding structures, such. As the mostly made of metal forming tool used. The entire energy balance of the weld is thus directly positively influenced. Another advantage results from the faster heating, preferably only the surfaces of the particles. As a result of the comparatively local heating, the cooling process is thus also accelerated directly by the lower heat energy introduced. Overall shorter cycle times are the direct result.

Ausführungsbeispielembodiment

In Zeichnung 1 sind mögliche Prozessschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Patentanspruch 1 dargestellt. Die Darstellung bezieht sich lediglich auf eine mögliche Aufheizung mittels Mikrowellenstrahlung und polaren Fluiden, sodass für die oben und in den Patentansprüchen 2 bis 4 beschriebenen Alternativen ggfs. Anpassungen vorzunehmen sind.In drawing 1 possible process steps of the method according to the invention are described according to claim 1. The illustration relates only to a possible heating by means of microwave radiation and polar fluids, so that if necessary for the above and in the claims 2 to 4 described alternatives. Adjustments are made.

Im Ausführungsbeispiel werden, bspw. mithilfe einer Sprühdüse (1), in einem ersten Prozessschritt die unbehandelten Kunststoffpartikel (2) mit einem polaren Fluid beaufschlagt. In einem Befüllvorgang (3) über eine Fülleinheit (4) und Partikelführungskanäle oder einen Injektor (5) werden die vorbehandelten Kunststoffpartikel (6) in den formgebenden Bereich bzw. das formgebende Werkzeug (7) geleitet. Dort werden die vorbehandelten Kunststoffpartikel (6) mittels Mikrowellen, die in einem Mikrowellengenerator (8) erzeugt und über eine Mikrowellenleitung (9), bspw. einen Hohlleiter, ins Werkzeug (7) gelangen, für die Verschweißung unter Druck aufgeheizt. Nach der Verschweißung der Kunststoffpartikel liegen diese als verschweißte Kunststoffpartikel (10) unter Druck im formgebenden Bereich (7) vor. Nach erfolgter Abkühlung, bspw. über Werkzeugkühlung oder die Nutzung von Sprühnebel, vorzugsweise bis zur Formstabilität, wird das verschweißte, schaumstoffartige Produkt aus Kunststoffpartikeln (11) entformt.In the exemplary embodiment, for example by means of a spray nozzle ( 1 ), in a first process step the untreated plastic particles ( 2 ) is charged with a polar fluid. In a filling process ( 3 ) via a filling unit ( 4 ) and particle guide channels or an injector ( 5 ), the pretreated plastic particles ( 6 ) in the shaping area or the shaping tool ( 7 ). There, the pretreated plastic particles ( 6 ) by means of microwaves generated in a microwave generator ( 8th ) and via a microwave line ( 9 ), eg a waveguide, into the tool ( 7 ), heated for welding under pressure. After the welding of the plastic particles they are as welded plastic particles ( 10 ) under pressure in the forming area ( 7 ) in front. After cooling, for example via tool cooling or the use of spray mist, preferably to dimensional stability, the welded, foam-like product of plastic particles ( 11 ) removed.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Sprühdüse zur Aufbringung eines fluiden MediumsSpray nozzle for applying a fluid medium
22
Unbehandelte Kunststoffpartikel in der VorbehandlungUntreated plastic particles in the pretreatment
33
Befüllvorgang des formgebenden Werkzeugs über (4)Filling process of the forming tool via ( 4 )
44
Fülleinheit, die über (5) unbehandelte oder vorbehandelte Kunststoffpartikel (6) ggfs. unter Druck in (7) füllt bzw. einbringtFulfillment unit over ( 5 ) untreated or pretreated plastic particles ( 6 ) if necessary under pressure in ( 7 ) fills or brings
55
Injektor oder Kanal bzw. Rohr zur Befüllung von (7) bzw. zum Druckaufbau in (7)Injector or duct or pipe for filling ( 7 ) or to build up pressure in ( 7 )
66
Unbehandelte oder vorbehandelte KunststoffpartikelUntreated or pretreated plastic particles
77
Formgebender Bereich bzw. formgebendes WerkzeugShaping or forming tool
88th
Mikrowellengeneratormicrowave generator
99
Mikrowellenleitung, bspw. HohlleiterMicrowave line, eg waveguide
1010
Verschweißte Kunststoffpartikel, unter Druck in Form gepresstWelded plastic particles, pressed into shape under pressure
1111
Verschweißtes schaumstoffartiges ProduktWelded foam-like product

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (11)

Verfahren zur Verschweißung von Kunststoffpartikeln zu vorzugsweise schaumstoffartigen Produkten, dadurch gekennzeichnet, dass a. die vorzugsweise unpolaren Kunststoffpartikel in einem z. B. vorgeschalteten Prozessschritt vorbehandelt werden, b. die Kunststoffpartikel in ein formgebendes Werkzeug gefüllt werden, c. die zur Verschweißung der Partikel notwendige Erwärmung der Kunststoffpartikel über Mikrowellenstrahlung erzielt wird d. die verschweißten Kunststoffpartikel das formgebende Werkzeug als zumindest anteilig zusammenhängend verschweißtes Produkt verlassen.A method for welding plastic particles to preferably foam-like products, characterized in that a. the preferably non-polar plastic particles in a z. B. pretreated process step, b. the plastic particles are filled in a forming tool, c. the necessary to weld the particles heating of the plastic particles via microwave radiation is achieved d. the welded plastic particles leave the forming tool as at least partially contiguous welded product. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Anspruch 1 a) beschriebene Vorbehandlung die Benetzung mit einem polaren Fluid, vorzugsweise Wasser, ist.Method according to claim 1, characterized in that the pretreatment described in claim 1 a) is the wetting with a polar fluid, preferably water. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Anspruch 1 a) beschriebene Vorbehandlung die Oberflächenaktivierung bzw. Aufbringung von funktionellen, chemischen Gruppen ist, wobei die aufgebrachten Gruppen als polare Bereiche wirken, die mithilfe von Mikrowellenstrahlung erwärmt werden können.A method according to claim 1, characterized in that the pretreatment described in claim 1 a) is the surface activation or application of functional chemical groups, wherein the applied groups act as polar regions which can be heated by means of microwave radiation. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Anspruch 1 a) beschriebene Vorbehandlung die Zugabe von bspw. Zuschlagstoffen während oder nach der Herstellung der Kunststoffpartikel ist, wobei sich die Zuschlagstoffe dadurch auszeichnen, dass sie vorzugsweise polar sind.A method according to claim 1, characterized in that the pretreatment described in claim 1 a) is the addition of, for example, additives during or after the production of the plastic particles, wherein the additives are characterized in that they are preferably polar. Verfahren nach Patentanspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebrachten Zuschlagstoffe nur an der Oberfläche bzw. im oberflächennahen Bereich der Kunststoffpartikel eingebracht werden, um eine lediglich oberflächennahe Aufheizung der Partikel zu gewährleisten.A method according to claim 1 and 4, characterized in that the introduced additives are introduced only on the surface or in the near-surface region of the plastic particles in order to ensure only near-surface heating of the particles. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Anspruch 1 a) beschriebene Vorbehandlung während der Formfüllung, d. h. der Befüllung des formgebenden Bereichs bzw. Werkzeugs stattfindet, oder bereits in einem vorgeschalteten Prozessschritt oder erst im formgebenden Werkzeug selbst.Method according to claim 1, characterized in that the pretreatment described in claim 1 a) takes place during the mold filling, ie the filling of the forming area or tool, or already in an upstream process step or only in the forming tool itself. Verfahren nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Anspruch 1 a) und Anspruch 2 beschriebene Vorbehandlung mithilfe von vorgewärmtem polaren Fluid durchgeführt wird.A method according to claim 1 and 2, characterized in that the pretreatment described in claim 1 a) and claim 2 is performed by means of preheated polar fluid. Verfahren nach Patentanspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in Anspruch 1 a) und Anspruch 4 beschriebene Vorbehandlung mithilfe von vorgewärmten Zuschlagstoffen durchgeführt wird, die die Oberfläche der Kunststoffpartikel zumindest anteilig bedecken.A method according to claim 1 and 4, characterized in that the pretreatment described in claim 1 a) and claim 4 is carried out using preheated aggregates, which cover the surface of the plastic particles at least partially. Verfahren nach Patentanspruch 1 und 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in Anspruch 1 a) und Anspruch 2 bzw. 4 beschriebene Vorbehandlung mithilfe eines vorgewärmten polaren Fluids derart durchgeführt wird, dass die Oberfläche der Kunststoffpartikel bereits bei der Vorbehandlung anzuschmelzen beginnt, bzw. anschmilzt und damit die Kunststoffpartikel für die Verschweißung vorbereitet werden.Method according to claim 1 and 2 or 4, characterized in that the pretreatment described in claim 1 a) and claim 2 or 4 is carried out by means of a preheated polar fluid such that the surface of the plastic particles begins to melt already during the pretreatment, or melts and thus the plastic particles are prepared for the welding. Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Verschweißung nötige Pressung der Kunststoffpartikel über durch die Fülleinheit oder das formgebende Werkzeug aufgebrachten Druck erzeugt wird, oder ein in den Kunststoffpartikeln vorliegendes Treibmittel das Aufschäumen der Partikel bewirkt und somit die Pressung erzeugt.A method according to claim 1 to 9, characterized in that the necessary for welding pressure of the plastic particles is generated by applied by the filling unit or the forming tool pressure, or present in the plastic particles blowing agent causes the foaming of the particles and thus generates the pressure. Verfahren nach Patentanspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung mit Zuschlagstoffen auch die Zugabe von Schnittfasern bedeuten kann, wobei die vorzugsweise als Ergänzung zu polaren Zuschlagstoffen zugegebenen Fasern eine verstärkende Wirkung auf den verschweißten, schaumstoffartigen Verbund ausüben.A method according to claim 1 and 4, characterized in that the pretreatment with aggregates may also mean the addition of chopped fibers, wherein preferably added as a supplement to polar additives fibers exerting a reinforcing effect on the welded, foam-like composite.
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