WO2006086813A1 - Schaumstoffprodukt - Google Patents

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WO2006086813A1
WO2006086813A1 PCT/AT2006/000055 AT2006000055W WO2006086813A1 WO 2006086813 A1 WO2006086813 A1 WO 2006086813A1 AT 2006000055 W AT2006000055 W AT 2006000055W WO 2006086813 A1 WO2006086813 A1 WO 2006086813A1
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Alois Zorn
Florian Nowy
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    • C08J2325/04—Homopolymers or copolymers of styrene
    • C08J2325/06—Polystyrene

Definitions

  • the invention relates to a foam product of an expanded, closed-cell foam, a process for its preparation and its use.
  • Expanded, closed-cell foam products have been used in various applications for several decades.
  • expanded polystyrene particle foam (hereinafter abbreviated to EPS) is commercially available under various designations, inter alia as expanded polystyrene rigid foam or as Styropor®, and is mainly used for packaging purposes or as thermal insulation material.
  • the raw material for EPS (granules of polystyrene blended with pentane as blowing agent) is prefoamed predominantly with the aid of steam in so-called pre-expanders at temperatures above 90 ° C.
  • pre-expanders at temperatures above 90 ° C.
  • the granular particles expand to roundish pearls by about 20 to 50 times their original volume, forming a largely closed-cell structure in the interior of the bead.
  • the bulk density (kg / m 3 ) of the finished EPS body is determined. It is preferably between 10 and 35 kg / m 3 and has a great influence on most foam material shafts.
  • the pre-expanded beads are then temporarily stored in ventilated silos, while cooling the beads condenses in the individual cells still existing blowing agent and water vapor from VorSum perspectives.
  • the resulting negative pressure is compensated by diffusing air, whereby the prefoamed beads, which receive the stability required for further processing.
  • a commonly used in practice process is block foaming.
  • the prefoamed pearls are filled into cuboidal metal molds, which are equipped with steam nozzles on all sides, and again exposed to water vapor. Temperatures between 110 0 C and 120 ° C prevail.
  • the beads continue to foam, become plastic and slightly sticky and combine (“welding") into a homogeneous block of foam by the pressure they themselves emit. These blocks become semi-finished or finished after a cooling phase, either by sawing, hot wire cutting or other processing produced.
  • EPS polystyrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styren
  • EPS products To improve certain properties of EPS products, various methods are known, in particular methods for changing the EPS products on their surface. For example, in one method, to reduce water absorption, hot air is applied to the surface of EPS products for a short period of time (a few seconds), whereby smelting results in a crusty, dense surface that reduces the ingress of moisture. This heat treatment also effects surface hardening, whereby the heat-treated EPS products have better protection against mechanical damage than untreated EPS products. In this process, the increase in material strength is limited to the area of the molten surface. Furthermore, there is a risk in this method that, with only slightly too long heat treatment with hot air, the melting process is too strong and the molded body is destroyed.
  • the object of the invention is to provide a foam which has improved properties, in particular higher strength values.
  • the object is achieved by subjecting a body of expanded closed-cell foam, in particular expanded polystyrene particle foam, to a non-melting heat treatment at a temperature above the glass transition temperature of the plastic forming the foam, in particular of polystyrene.
  • a body of expanded closed-cell foam in particular expanded polystyrene particle foam
  • a non-melting heat treatment at a temperature above the glass transition temperature of the plastic forming the foam, in particular of polystyrene.
  • thermoplastic materials which consist of non-crosslinked, ie, amorphous or partially crystalline polymers, are of considerable importance. These polymers generally soften initially upon heating and begin to flow on further heating.
  • Many thermoplastics have a softening range or glass transition area, and a melting range. When passing through the glass transition region, the amorphous portions soften and the mechanical strength of the plastics decreases. In this state, they also show a more or less pronounced viscoelastic behavior.
  • Upon further heating of thermoplastic materials beyond the characteristic melting range contained crystalline structures of these plastics melt and there is pure melt. Since the glass transition of the plastics, as mentioned, does not occur at a specific temperature but in a temperature range, the term glass transition temperature refers in this application on the material-dependent lower limit of the glass transition region, from which the mentioned changes in the material properties occur.
  • the heating of the starting material above its glass transition temperature causes a part of the expansion occurred in the foam production is reversed by the molecular chains are at this temperature compared to the initial state more mobile and the foam-forming plastic is converted from a hard elastic to a relatively soft elastic state ,
  • the thin walls of the cellular foam contract uniformly and over the entire cross section, starting from their state stretched by the expansion during production, whereby the volume reduction of the foam according to the invention occurs. Since this is a highly time-dependent process, the degree of volume reduction can be determined simply by the length of time of the heat treatment.
  • the mechanical strength of the material increases significantly in this process, since the wall thickness of the cell structure increases by the shrinking process and at the same time the distance between the walls also decreases by the shrinking process, which per unit area of the cross section more walls for the transmission and absorption of forces To be available.
  • the temperature to which the body is heated from the starting material and which is maintained until the completion of the heat treatment is above the glass transition temperature of the plastic forming the foam, but must not be so high that the foam melts.
  • the temperature maintained during the heat treatment also determines the maximum achievable volume reduction. At temperatures just above the glass transition temperature, only a small reduction in volume can be achieved, as this also triggers only slight shrinkage stresses, which are compensated by the solidification of the foam caused by the volume reduction. At temperatures significantly above the glass transition temperature of the foam, the shrinkage stresses are generally greater and can only be compensated by greater volume reduction.
  • the process of volume reduction on the outer surfaces of the foam body is initiated so rapidly that cracks can form on the surface, since the slow heat conduction in the foam does not raise the temperature inside the body so rapidly as to reduce the volume reductions. tion also inside the body.
  • the slow conduction of heat into the interior of the body causes the risk of temperature surges on the body surface, which can lead to unwanted melting of the foam. For the choice of the method of heat transfer to the body, this fact must be taken into account.
  • the method according to the invention can also be regarded as a type of sintering process in the case of the use of EPS as starting material, since, similar to powder metallurgy, pressed particles are solidified by a heat treatment below the melting temperature.
  • the heat treatment according to the invention can also be applied to foams of other types of plastic, in particular expanded closed-cell foams of polyethylene (PE), polypropylene (PP) with a temperature which is above the glass transition temperature of the particular plastic.
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • the method can be carried out according to claim 3 advantageously at ambient pressure, whereby even simple devices in which the heat treatment is performed, can be used.
  • the heat treatment can also be carried out at a different pressure, whereby the speed of the volume reduction can be reduced or increased, for example, to reduce the risk of cracking by lowered pressure or by increased pressure, the duration of the heat treatment To shorten.
  • the heat treatment is in this case carried out in a pressure-tight container which is suitable for absorbing the pressure forces which are generated.
  • the adjustment of the pressure is expediently carried out by means of a pump connected to the interior of the container and an adjustable pressure regulating device. It is also possible to produce an overpressure by connection to an existing compressed air supply network.
  • An advantageous development of the method also consists in the measures of claim 5, whereby the body is tightly enclosed during the heat treatment of the flexible shell and the shell exerts a largely uniform pressure on the surface of the body by the higher, outer ambient pressure.
  • the required duration of the heat treatment can be significantly shortened because the inner shrinkage stresses an additional compressive stress is superimposed and the shrinking process takes place faster at the same temperature of the heat treatment.
  • volume reduction of the body occurring wrinkling of the shell is not important, since slight unevenness in the surface of the heat-treated body does not change its mechanical properties overall.
  • the interior of the envelope is connected via a connecting line to a vacuum generator.
  • Another way to shorten the required duration of the heat treatment consists according to claim 6 is to burden the body during the heat treatment by a pressure plate.
  • the inner shrinkage stresses are superimposed by a largely one-sided compressive stress, as a result of which the shrinking process takes place more quickly.
  • the weight of the pressure plate deviating from this weight can be further enhanced or reduced by spring forces a resilient clamping of the pressure plate.
  • the properties, in particular the mechanical strength values of the foam product are not as uniform in this form of heat treatment as without this additional uniaxial compressive stress, but if the loading direction in use of the load during heat treatment corresponds to higher strength values in this direction.
  • the heat transfer to the body of expanded, closed-cell foam is carried out according to claim 7 by convection, ie flow around with a fluid corresponding temperature.
  • a fluid for the heat treatment in particular air, water, steam or an air-water vapor mixture can be selected.
  • any other gaseous or liquid heat treatment material may be used the foam is not adversely affected by chemical reactions, such as certain solvents.
  • heat radiation can also be used to heat the body of expanded, closed-cell foam.
  • the radiation power must be selected only so high that the surface of the foam does not melt.
  • an advantageous development of the method is to heat by high-frequency electromagnetic radiation, e.g. Transfer microwave radiation to the body of expanded, closed-cell foam.
  • high-frequency electromagnetic radiation e.g. Transfer microwave radiation to the body of expanded, closed-cell foam.
  • a typical vibration frequency of 2.45 GHz water molecules are excited to vibrate, raising the temperature.
  • this form of heat transfer at least a low water content in the foam is required, but this is given directly after production by the residual moisture contained.
  • An advantage of this embodiment of the method is that the heating is not carried out by heat conduction from the surface into the interior, but the entire cross section of the body, which is located in the effective range of the radiation can be heated simultaneously and uniformly. As a result, the duration of the heat treatment can be shortened and the energy loss due to heat losses during the heat treatment can be reduced.
  • the introduced heat output must be limited so that the melting temperature of the foam is not exceeded. This can be done appropriately by repeatedly interrupting the microwave radiation, whereby temperature differences can be well balanced inside the body.
  • other substances which exhibit a dipolar behavior in a high-frequency electromagnetic radiation field and thus heat up can also be incorporated into the foam during production in order to be able to apply this form of energy transfer to the body ,
  • the change in the position of the foam body during the heat treatment mentioned in claim 10 serves to achieve a more uniform shrinkage of the foam body.
  • the bearing and frictional forces of the body in contact with the substrate can inhibit the shrinkage process in the contact area of the foam body and cause uneven material properties.
  • a friction-resistant pad This can e.g. be formed by two or more loosely superimposed films, which slide on each other during the shrinkage process.
  • a liquid layer on which the body floats, or which acts as a lubricant can be used. Regions where the liquid enters the body by capillary action may be removed prior to use of the body.
  • the support can be formed by rolling elements, in particular a plurality of balls, by which a sliding friction acting between the body and the base is replaced by a lower rolling friction. Combinations of the aforementioned measures can be used to reduce friction.
  • the duration of the heat treatment is advantageously selected according to claim 13 from a range with a lower limit of 1 h, preferably 12 h, in particular 24 h and an upper limit of 168 h, preferably 72 h, in particular 48 h, wherein the shorter heat treatment periods for Smaller volume foam bodies and longer heat treatment times will prove advantageous for larger volume bodies.
  • These long heat treatment times make it possible to easily monitor the degree of volume reduction during the process by determining the dimensions of the foam body. This can be done by simple length measurements by hand or by arranged in the heat treatment chamber automatic measuring devices, such as optical measuring systems that fall below a preset height of the foam body - and thus achieve a certain volume reduction - trigger the completion of the heat treatment process.
  • the foam product according to the invention is characterized by a heat-treated, expanded, closed-cell foam, in particular expanded polystyrene particle foam, by the degree of volume reduction caused by the heat treatment.
  • the volume of the foam product can be reduced from the initial state before the heat treatment by a value selected from a range between a lower limit of 50% and an upper limit of 97%. This corresponds to an increase of the density by a factor between twice and 33 times the density of the initial state before the heat treatment.
  • the density of the foam product set by the heat treatment according to claim 15 also causes the properties of the foam product, e.g. Strength values or thermal conductivity according to claims 16 to 19 within corresponding wide ranges.
  • the foam product according to claims 20 and 21 can be advantageously used as a construction material for applications for which an untreated foam has too low strength values, which is why so far on other, expensive materials such eg foam glass, had to be resorted to.
  • the foam product has good elasticity and toughness, whereby the risk of breakage during processing and deformations and impact stresses occurring in use is comparatively low.
  • the thermal conductivity of the foam product is at a density of about 750 kg / m 3 about 0.1 W / mK, which offers in particular the use of the foam product for the production of insulating elements for building structures, in particular for thermo-decoupling of structural components from the support.
  • the use is also possible in all other technical application areas, such as vehicle or consumer goods industry.
  • the foam product according to claim 22 can also be used for the production of articles for generating buoyancy in liquids.
  • the density range of the foam product overlaps in wide ranges with the density range of Wood products, wherein the foam product is not subject to the risk of rotting due to the influence of moisture.
  • Figure 1 is a schematic representation of the process for producing the foam product of the invention.
  • Fig. 5 shows a further embodiment of the method in a simplified, schematic representation.
  • the body 2 in this example is a cuboid expanded polystyrene (EPS) with a density of 30 kg / m 3 . Its dimensions are 70 cm x 50 cm x 50 cm and its weight, which does not change as a result of the heat treatment, is 5.25 kg. Fluctuations in the parameters of the production of the starting material make it possible to vary the properties between different batches, in particular the density, but also the strength values. For example, the strength of the EPS can be reduced by a poorer welding of the prefoamed particles during foaming. However, any quality defects of the starting material will not be discussed further here.
  • EPS cuboid expanded polystyrene
  • the body 2 made of EPS is placed in a furnace 3 with a temperature control device 4 for controlling a heating element 5 and a recirculating device 6.
  • a temperature control device 4 for controlling a heating element 5 and a recirculating device 6.
  • the temperature in the oven 3 and thus also in the body 2 is slowly increased to the heat treatment temperature.
  • preheating the oven to about 80 ° C. (beginning of the glass transition zone) for the beginning of the heat treatment and a subsequent temperature increase to the intended value has proved to be advantageous.
  • the temperature in the furnace 3 is kept as uniform as possible at a value of 104 ° C. during the heat treatment by the temperature control device 4.
  • the body 2 is turned several times during the heat treatment at intervals of 6 hours, whereby the volume reduction throughout the body 2 can be made more uniform.
  • this turning process by the changed position of a mark 7 can be seen.
  • the foamed product 1 resulting from the expanded polystyrene body 2 is removed from the furnace 3, having a dimensional density of 230 kg / m 3 and, accordingly, a volume reduction of about 87% of the initial volume has experienced.
  • the volume reduction achievable at the set temperature of 104 ° C is largely completed.
  • One of the reasons for this is that a balance is achieved between the shrinkage stresses that reduce the volume reduction and the increased strength of the foam structure. A further volume reduction can take place from this state only by a further heat treatment after raising the temperature in the furnace 3.
  • the foamed particles forming the body 2 made of EPS show a kind of shape memory effect during the heat treatment, in that they tend to approach the shape of the granulate before expanding.
  • the method can also be influenced by changing the temperature at which the heat treatment is carried out.
  • the properties of foam Substance 1 depend essentially on the starting material, the temperature of the heat treatment and the duration of the heat treatment, wherein a certain result is achieved simply by varying the heat treatment time and / or the temperature.
  • the required duration and the required temperature of the heat treatment to achieve a certain volume reduction may also be subject to fluctuations, but repeated measurements of the dimensions of the foam product 1 can easily calculate the volume reduction achieved up to the measurement point and the heat treatment after reaching the desired Target value to be aborted. By taking place from outside to inside cooling, the volume contraction of the body 2 is stopped again by falling below the glass transition temperature.
  • the furnace 3 used is equipped with a thermal barrier coating 8. Good thermal insulation or other use of accumulating heat losses of the furnace 3 increases the efficiency of the process.
  • the mechanical strength of the foam product 1 according to the invention can be further increased by greater volume reduction and concomitant increase in density, as shown in FIG. 2 using the example of compressive strength.
  • the thermal conductivity of the foam product 1 increases with increasing density.
  • the cuboid foam product 1 is further processed by means of the known methods for processing plastics, in particular cutting, sawing and milling, into usable products, in particular plate material.
  • the method is applicable to starting bodies of any shape, but it should be noted that for bodies 2 which have both thick and thin wall thicknesses, the volume reduction in the thin-walled areas due to the faster heat-up begins sooner and in this case the temperature increase at the beginning of the heat treatment is particularly should be done slowly. Due to the uniform volume reduction, the shape of the foam product 1 largely corresponds to the original shape except for the size. If the foam product 1 in sheet form is required, it is advantageous to use plate-shaped body 2 made of EPS, whereby the heat treatment can be shortened and the shaping after the heat treatment can be simplified.
  • the increased mechanical strength values combined with low thermal conductivity make it possible to use the described foam product 1 as a thermal barrier coating for flat roofs subjected to pressure, for example by traffic loads, or as a load-bearing thermal insulation element to prevent thermal bridges on building sockets. Furthermore, the foam product 1 can be used for thermal decoupling of structural components from the support, for example between columns and ceilings.
  • Fig. 4 shows a further embodiment of the method with special measures for pressure application to the body 2 and to reduce the friction between the body 2 and the pad.
  • the body 2 is completely enclosed in a flexible casing 10, within which there is a negative pressure relative to the ambient pressure outside the casing 10.
  • the interior of the shell 10 is connected via a connecting piece 11 and a connecting line 12 with any vacuum generator 13, with an absolute pressure between 0.2 bar and the ambient pressure, but in particular a negative pressure of 0.4 bar to 0.8 bar is set and maintained within the shell 10.
  • FIG. 4 shows an intermediate layer 14 disposed between body 2 and a backing surface 15 to reduce friction during the shrinkage process.
  • This intermediate layer 14 is formed in the embodiment by two layers, wherein the upper layer 16 consists of a thin, flexible metal foil, while the lower layer 17 is formed by a smooth paper layer. Upon shrinkage of the body 2, the upper layer 16 slides on the lower layer 17 and is pushed together by the shrinking body.
  • the intermediate layer 14 can also consist, in part or in its entirety, of a liquid layer which forms a lubricating film between the body 2 and the base surface 15.
  • the intermediate layer 15 may also include in Fig. 4 indicated rolling elements 18, which reduce the friction between the body 2 and the base surface 15. The friction forces reduced by these measures no longer affect the shrinkage process disturbing and the finished foam product 1 has over its height more uniform properties.
  • a further embodiment of the method is shown, in which the body 2 is loaded during the heat treatment by a pressure plate 19 which rests on the top of a cuboid body 2. Due to the weight of the pressure plate 19, the inner shrinkage stresses during the heat treatment, a largely uniaxial compressive stress is superimposed, whereby the shrinking process is faster.
  • the self-weight of the pressure plate 19 acts on the body 2, but apart from this, this weight force can additionally be increased or reduced by spring forces of a resilient clamping of the pressure plate.
  • the foam product 1 according to the invention can be used in addition to the described use as a construction material in all other applications in which a combination of good thermal insulation properties and low density at the same time high mechanical strength is advantageous.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffprodukts (1), wobei ein Körper (2) aus expandiertem geschlossenzelligem Schaumstoff, insbesondere expandiertem Polystyrol-Partikelschaum einer nicht schmelzenden Wärmebehandlung bei einer Temperatur über der Glasübergangstemperatur des den Schaumstoff bildenden Kunststoffes, insbesondere von Polystyrol, unterzogen wird.

Description

Schaumstoffprodukt
Die Erfindung betrifft ein Schaumstoffprodukt aus einem expandierten, geschlossenzelligen Schaumstoff, ein Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung.
Schaumstoffprodukte aus expandierten, geschlossenzelligen Schaumstoffen, sind seit mehreren Jahrzehnten in verschiedenen Anwendungsbereichen im Einsatz. Insbesondere expandierter Polystyrol-Partikelschaumstoff (im folgenden als EPS abgekürzt) ist unter verschiedenen Bezeichnungen, unter anderem als expandierter Polystyrol-Hartschaum oder als Styropor® im Handel und wird hauptsächlich für Verpackungszwecke oder als Wärmedämmmaterial verwendet.
Die bekannte Herstellung von EPS unterteilt sich in drei Stufen:
1. Vorschäumen
In der ersten Stufe wird der Rohstoff für EPS (Granulat aus Polystyrol vermengt mit Pentan als Treibmittel) vorwiegend mit Hilfe von Wasserdampf in so genannten Vorschäumern bei Temperaturen über 90 °C vorgeschäumt. Dabei blähen sich die Granulatpartikel infolge des verdampfenden Treibmittels - Pentan - und teilweise auch infolge des eingedrungenen Was- serdampfes um etwa das 20- bis 50fache ihres ursprünglichen Volumens zu rundlichen Perlen auf, wobei sich im Perleninneren eine weitgehend geschlossenzellige Struktur bildet. Durch den Aufschäumgrad der hauptsächlich von der Zeitdauer der Wärmeeinwirkung abhängt, wird die Rohdichte (kg/m3) der fertigen EPS-Körper bestimmt. Sie beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 35 kg/m3 und hat einen großen Einfluss auf die meisten Schaumstoffeigen- Schäften.
2. Zwischenlagerung
Die vorgeschäumten Perlen werden anschließend einige Zeit in belüftenden Silos zwischengelagert, beim Abkühlen der Perlen kondensiert in den einzelnen Zellen noch vorhandenes Treibmittel und Wasserdampf vom Vorschäumprozess. Der hierbei entstehende Unterdruck wird durch eindiffundierende Luft ausgeglichen, wodurch die vorgeschäumten Perlen, die zur Weiterverarbeitung erforderliche Stabilität erhalten. 3. Ausschäumen
Ein in der Praxis häufig angewendetes Verfahren ist das Blockschäumen. Dabei werden die vorgeschäumten Perlen in quaderförmige Metallformen, die allseits mit Dampfdüsen ausgestattet sind, eingefüllt und erneut Wasserdampf ausgesetzt. Dabei herrschen Temperaturen zwischen 110 0C und 120 °C. Die Perlen schäumen weiter auf, werden plastisch und leicht klebrig und verbinden sich („Verschweißen") durch den von ihnen selbst ausgehenden Druck zu einem homogenen Schaumstoffblock. Aus diesen Blöcken werden nach einer Abkühlphase, entweder durch Sägen, Heißdrahtschneiden oder sonstige Bearbeitungsverfahren Halbzeuge oder Fertigteile hergestellt.
Die mit den bekannten Herstellverfahren erreichbaren Eigenschaften von EPS, insbesondere die guten Wärmedämmeigenschaften, werden vielfach genutzt, jedoch sind es speziell die mechanischen Eigenschaften von EPS, die die Verwendung für Anwendungsgebiete mit höheren Festigkeitsanforderungen erschweren oder unmöglich machen. Die relativ niedrigen Festigkeitswerte (Druckfestigkeit, Zugfestigkeit, Biegezugfestigkeit) erfordern z.B. bei der Verwendung von EPS als Konstruktionsmaterial für Baukonstruktionen eine besondere Befestigungstechnik zur großflächigen Einleitung von Kräften. Weiters ist eine Verwendung als tragender Bauteil fast ausschließlich nur in Kombination mit anderen Werkstoffen mit höherer Festigkeit möglich.
Zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften von EPS-Produkten sind verschiedene Verfahren bekannt, insbesondere Verfahren zur Veränderung der EPS-Produkte an ihrer Oberfläche. Bei einem Verfahren wird beispielsweise zur Verringerung der Wasseraufnahme die Oberfläche von EPS-Produkten kurzzeitig (wenige Sekunden) mit Heißluft beaufschlagt, wobei durch Anschmelzen eine krustenartige, dichte Oberfläche erzielt wird, die das Eindringen von Feuchtigkeit verringert. Durch diese Wärmebehandlung wird auch eine Oberflächenverfestigung bewirkt, wodurch die wärmebehandelten EPS-Produkte einen besseren Schutz gegen mechanische Beschädigungen aufweisen, als unbehandelte EPS-Produkte. Bei diesem Verfahren beschränkt sich die Erhöhung der Werkstofffestigkeit auf den Bereich der ange- schmolzenen Oberfläche. Weiters besteht bei diesem Verfahren die Gefahr, dass bei nur geringfügig zu langer Wärmebehandlung mit Heißluft der Schmelzvorgang zu stark ist und der Formkörper zerstört wird. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schaumstoff zu schaffen, der verbesserte Eigenschaften, insbesondere höhere Festigkeitswerte, aufweist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Körper aus expandiertem geschlossenzelligem Schaumstoff, insbesondere expandiertem Polystyrol-Partikelschaum einer nicht schmelzenden Wärmebehandlung bei einer Temperatur über der Glasübergangstemperatur des den Schaumstoff bildenden Kunststoffes, insbesondere von Polystyrol unterzogen wird. Dadurch erfährt der Körper eine gleichmäßige Volumenreduktion bei gleichzeitiger Zunahme seiner Dichte.
Als vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erweist sich, dass weit verbreitete und leicht verfügbare Ausgangswerkstoffe durch ein einfaches Verfahren in ihren Eigenschaften modifiziert werden und dadurch neue Anwendungsbereiche ermöglicht werden. Besonders vorteilhaft ist weiters, dass bei ein und dem selben Ausgangswerkstoff durch verschieden lange Einwirkzeiten und verschieden hohe Temperaturen der Wärmebehandlung verschieden starke Volumenreduktion erreicht wird und das Schaumstoffprodukt in seinen Eigenschaften für das jeweilige Anwendungsgebiet optimal eingestellt werden kann. Im Gegensatz zu anderen Wärmebehandlungsverfahren, bei denen Veränderungen des Ausgangswerkstoffes nur in oberflächennahen Bereichen erfolgen, wird beim erfindungsgemäßen Wärmebehandlungs- verfahren der Ausgangswerkstoff über seinen gesamten Querschnitt verändert.
Prinzipiell sind alle Kunststoffe schäumbar, nennenswerte Bedeutung haben jedoch nur Schäume aus thermoplastischen Kunststoffen, die aus nichtvernetzten, also amorphen oder teilkristallinen Polymeren bestehen. Diese Polymere erweichen im allgemeinen zunächst beim Erwärmen und beginnen bei weiterem Erhitzen zu fließen. Viele Thermoplaste besitzen einen Erweichungsbereich oder auch Glasübergangsbereich genannt, und einen Schmelzbereich. Bei Durchlaufen des Glasübergangsbereiches erweichen die amorphen Anteile und die mechanische Festigkeit der Kunststoffe nimmt ab. La diesem Zustand zeigen sie auch ein mehr oder weniger ausgeprägtes viskoelastisches Verhalten. Bei weiterem Erhitzen von thermoplastischen Kunststoffen über den charakteristischen Schmelzbereich hinaus, schmelzen enthaltene kristalline Strukturen dieser Kunststoffe und es liegt reine Schmelze vor. Da der Glasübergang der Kunststoffe, wie erwähnt nicht bei einer bestimmten Temperatur sondern in einem Temperaturbereich auftritt, bezieht sich der Begriff Glasübergangstemperatur in dieser Anmeldung auf die werkstoffabhängige untere Grenze des Glasübergangsbereiches, ab der die erwähnten Veränderungen der Werkstoffeigenschaften eintreten.
Die Erwärmung des Ausgangswerkstoffes über seine Glasübergangstemperatur bewirkt, dass ein Teil der bei der Schaumstoffherstellung eingetretenen Expansion wieder rückgängig gemacht wird, indem die Molekülketten bei dieser Temperatur gegenüber dem Ausgangszustand beweglicher werden und der den Schaumstoff aufbauende Kunststoff aus einem hartelastischen in einen vergleichsweise weichelastischen Zustand übergeführt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsvorgang ziehen sich die dünnen Wände des zelligen Schaumstoffes, ausgehend von ihrem, durch die Expansion bei der Herstellung gestreckten Zustand gleichmäßig und über den gesamten Querschnitt zusammen, wodurch die erfϊn- dungsgemäße Volumenreduktion des Schaumstoffes eintritt. Da es sich hier um einen stark zeitabhängigen Vorgang handelt, kann der Grad der Volumenreduktion einfach durch die zeitliche Länge der Wärmebehandlung festgelegt werden. Die mechanische Festigkeit des Materials, nimmt bei diesem Vorgang deutlich zu, da die Wandstärke der Zellenstruktur sich durch den Schrumpfvorgang erhöht und gleichzeitig der Abstand zwischen den Wänden ebenfalls durch den Schrumpfvorgang abnimmt, wodurch pro Flächeneinheit des Querschnittes mehr Wände zur Übertragung und Aufnahme von Kräften zur Verfügung stehen.
Die Temperatur, auf die der Körper aus dem Ausgangsmaterial erwärmt wird und welche bis zum Abschluss der Wärmebehandlung beibehalten wird, liegt jedenfalls über der Glasübergangstemperatur des den Schaumstoff bildenden Kunststoffes, darf aber nicht so hoch gewählt werden, dass der Schaumstoff schmilzt. Die Temperatur, die während der Wärmebehandlung beibehalten wird, bestimmt auch die maximal erreichbare Volumenreduktion. Bei Tempera- turen knapp über der Glasübergangstemperatur ist nur eine geringe Volumenreduktion erzielbar, da dadurch auch nur geringe Schrumpfspannungen ausgelöst werden, die von der durch die Volumenreduktion hervorgerufenen Verfestigung des Schaumstoffes ausgeglichen werden. Bei Temperaturen die deutlich über der Glasübergangstemperatur des Schaumstoffes liegen, sind die Schrumpfspannungen insgesamt größer und können nur durch stärkere VoIu- menreduktion ausgeglichen werden. Bei zu hoch gewährter Temperatur wird der Prozess der Volumenreduktion an den Außenflächen des Schaumstoffkörpers so schnell eingeleitet, dass an der Oberfläche Risse entstehen können, da durch die langsame Wärmeleitung im Schaumstoff die Temperatur im Körperinneren nicht so schnell erhöht wird, um die Volumenreduk- tion auch im Körperinneren einzuleiten. Bei der Verwendung von zu heißen Wärmequellen bestellt durch die langsame Wärmeleitung in das Körperinnere das Risiko von Temperaturspitzen an der Körperoberfläche, die zu einem nicht erwünschten Schmelzen des Schaumstoffes führen können. Für die Wahl der Methode zur Wärmeübertragung auf den Körper ist die- ser Umstand j edenfalls zu berücksichtigen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Fall der Verwendung von EPS als Ausgangswerkstoff auch als eine Art von Sinterverfahren betrachtet werden, da, ähnlich wie in der Pulvermetallurgie, gepresste Partikel durch eine Wärmebehandlung unter der Schmelztemperatur verfestigt werden.
Die erfindungsgemäße Wärmebehandlung kann auch bei Schäumen aus anderen Kunststoffarten insbesondere auch expandierten geschlossenzelligen Schäumen aus Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) mit einer Temperatur, die über der Glasübergangstemperatur des jewei- ligen Kunststoffes liegt angewendet werden.
Die in Anspruch 2 beschriebenen Temperaturbereiche haben sich insbesondere für die Wärmebehandlung von EPS als vorteilhaft erwiesen da bei diesen Temperaturen die Gefahr einer unbeabsichtigten Zerstörung des Körpers durch zu lange Einwirkdauern sehr gering ist und die Gefügeveränderung sehr gleichmäßig über den gesamten Querschnitt erfolgt.
Das Verfahren kann gemäß Anspruch 3 vorteilhaft bei Umgebungsdruck erfolgen, wodurch auch einfach aufgebaute Geräte, in denen die Wärmebehandlung durchgeführt wird, eingesetzt werden können.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 4 kann die Wärmebehandlung aber auch bei einem anderen Druck durchgeführt werden, wodurch die Geschwindigkeit der Volumenreduktion verringert oder erhöht werden kann, beispielsweise um durch abgesenkten Druck die Gefahr der Rissbildung zu verringern oder durch erhöhten Druck die Dauer der Wärmebehandlung zu verkürzen. Die Wärmebehandlung wird in diesem Fall in einem druckdichten Behälter, der geeignet ist, die entstehenden Druckkräfte aufzunehmen, durchgeführt. Die Einstellung des Druckes erfolgt zweckmäßig mittels einer mit dem Innenraum des Behälters verbundenen Pumpe und einer einstellbaren Druckregeleinrichtung. Es ist aber auch möglich einen Überdruck durch Anschluss an ein bestehendes Druckluftversorgungsnetz herzustellen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens besteht auch in den Maßnahmen des An- spruchs 5, wodurch der Körper während der Wärmebehandlung von der biegeweichen Hülle enganliegend umschlossen wird und die Hülle durch den höheren, äußeren Umgebungsdruck einen weitgehend gleichmäßigen Druck auf die Oberfläche des Körpers ausübt. Dadurch kann die erforderliche Dauer der Wärmebehandlung deutlich verkürzt werden, da den inneren Schrumpfspannungen eine zusätzliche Druckspannung überlagert wird und der Schrumpf- Vorgang bei gleicher Temperatur der Wärmebehandlung schneller abläuft. Eine durch die
Volumensreduktion des Körpers eintretende Faltenbildung der Hülle ist dabei nicht von Bedeutung, da geringfügige Ungleichmäßigkeiten in der Oberfläche des wärmebehandelten Körpers seine mechanischen Eigenschaften insgesamt nicht verändern. Zur Aufrechterhaltung des Unterdrucks ist das Innere der Hülle über eine Verbindungsleitung mit einem Vaku- umerzeuger verbunden.
Eine weitere Möglichkeit die benötigte Dauer der Wärmebehandlung zu verkürzen besteht nach Ansprach 6 darin, den Körper während der Wärmebehandlung durch eine Druckplatte zu belasten. Den inneren Schrumpfspannungen wird in diesem Fall eine weitgehend einach- sige Druckspannung überlagert, wodurch der Schrumpfvorgang schneller abläuft. Auf den
Körper wirkt dabei im einfachsten Fall das Eigengewicht der Druckplatte, abweichend davon kann diese Gewichtskraft zusätzlich durch Federkräfte einer federnden Einspannung der Druckplatte verstärkt oder reduziert werden. Die Eigenschaften, insbesondere die mechanischen Festigkeitswerte des Schaumstoffprodukts sind bei dieser Form der Wärmebehandlung nicht so gleichmäßig, wie ohne diese zusätzliche, einachsige Druckspannung, kann aber, wenn die Belastungsrichtung im Gebrauch der Belastung während er Wärmebehandlung entspricht, höhere Festigkeitswerte in dieser Richtung bewirken.
Die Wärmeübertragung auf den Körper aus expandiertem, geschlossenzelligem Schaumstoff erfolgt gemäß Anspruch 7 durch Konvektion, d.h. Umströmung mit einem Fluid entsprechender Temperatur. Als Fluid für die Wärmebehandlung kann insbesondere Luft, Wasser, Wasserdampfoder ein Luft- Wasserdampf-Gemisch gewählt werden. Darüber hinaus kann auch jeder andere gasförmige oder flüssige Stoff zur Wärmebehandlung verwendet werden, der den Schaumstoff nicht durch chemische Reaktionen nachteilig beeinflusst, z.B. bestimmte Lösemittel.
Nach Anspruch 8 kann zur Erwärmung des Körpers aus expandiertem, geschlossenzelligem Schaumstoff auch Wärmestrahlung eingesetzt werden. Die Strahlungsleistung darf dazu nur so hoch gewählt werden, dass die Oberfläche des Schaumstoffes nicht schmilzt.
Gemäß Anspruch 9 besteht eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens darin, Wärme durch hochfrequente, elektromagnetische Strahlung, z.B. Mikrowellenstrahlen auf den Kör- per aus expandiertem, geschlossenzelligem Schaumstoff zu übertragen. Bei einer typischen Schwingungsfrequenz von 2,45 GHz werden Wassermoleküle zum Schwingen angeregt, wodurch sich die Temperatur erhöht. Für diese Form der Wärmeübertragung ist ein zumindest geringer Wassergehalt im Schaumstoff erforderlich, was aber direkt nach der Herstellung durch die enthaltene Restfeuchte gegeben ist. Vorteilhaft bei dieser Ausführung des Verfah- rens ist, dass die Erwärmung nicht durch Wärmeleitung von der Oberfläche in das Innere erfolgt, sondern der gesamte Querschnitt des Körpers, der sich im Wirkbereich der Strahlung befindet gleichzeitig und gleichmäßig erwärmt werden kann. Dadurch kann die Dauer der Wärmebehandlung verkürzt sowie der Energieverlust durch Wärmeverluste während der Wärmebehandlung verringert werden. Auch bei dieser Form des Verfahrens ist die einge- brachte Wärmeleistung so zu begrenzen, dass die Schmelztemperatur des Schaumstoffs nicht überschritten wird. Dies kann zweckmäßig durch wiederholtes Unterbrechen der Mikrowellenstrahlung erfolgen, wodurch sich Temperaturunterschiede im Inneren des Körpers gut ausgleichen können. Neben der von der Herstellung herrührenden Restfeuchte, können auch andere Stoffe, die in einem hochfrequenten, elektromagnetischen Strahlungsfeld ein dipolares Verhalten zeigen und sich dadurch erwärmen, schon bei der Herstellung in den Schaumstoff eingearbeitet werden, um diese Form der Energieübertragung auf den Körper anwenden zu können.
Die in Anspruch 10 angeführte Veränderung der Lage des Schaumstoffkörpers während der Wärmebehandlung dient dazu, ein gleichmäßigeres Schrumpfen des Schaumstoffkörpers zu erzielen. Die Auflage- und Reibungskräfte des Körpers beim Kontakt mit der Unterlage können den Schrumpfungsprozess im Kontaktbereich des Schaumstoffkörpers hemmen und ungleichmäßige Werkstoffeigenschaften verursachen. Es ist deshalb vorteilhaft, den Schaum- stoffkörper während der Wärmebehandlung zumindest einmal in seiner Lage relativ zur Unterlage so zu verändern, dass ein anderer Teil der Körperoberfläche die Kontaktfläche mit der Unterlage bildet. Dies kann durch ein- oder mehrfaches Wenden des Schaumstoffkörpers erfolgen. Es kann aber auch dadurch erreicht werden, dass der Schaumstoffkörper z.B. in einer käfigartigen Aufnahme gelagert ist, die um eine horizontale Achse gedreht wird.
Zur Senkung von Reibungskräften zwischen dem Körper und der Unterlage, ist es gemäß Anspruch 11 vorteilhaft, eine reibungshemmende Auflage einzusetzen. Diese kann z.B. durch zwei oder mehrere lose aufeinanderliegende Folien gebildet sein, die beim Schrumpfungspro- zess aufeinander abgleiten. Alternativ kann auch eine Flüssigkeitsschicht, auf der der Körper schwimmt, oder die als Schmierstoff wirkt, eingesetzt werden. Bereiche, in denen die Flüssigkeit gegebenenfalls durch Kapillarwirkung in den Körper eintritt, können vor der Verwendung des Körpers entfernt werden. Weiters kann die Auflage durch Wälzkörper, insbesondere eine Vielzahl von Kugeln gebildet sein, durch die eine zwischen Körper und Unterlage wirkende Gleitreibung durch eine geringere Wälzreibung ersetzt wird. Auch Kombinationen der vorgenannten Maßnahmen können zur Verminderung der Reibung eingesetzt werden.
Eine weitere Möglichkeit, den Einfluss von Reibungs- und Auflagerkräften zu vermeiden, ist gemäß Anspruch 12 eine hängende Lagerung des Schaumstoffkörpers während der Wärme- behandlung.
Die Zeitdauer der Wärmebehandlung wird gemäß Anspruch 13 vorteilhaft aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 h, vorzugsweise 12 h, insbesondere 24 h und einer oberen Grenze von 168 h, vorzugsweise 72 h, insbesondere 48 h gewählt, wobei sich die kürzeren Wärmebehandlungsdauern für Schaumstoffkörper mit kleinerem Volumen und längere Wärmebehandlungsdauern für Körper von größerem Volumen als vorteilhaft erweisen. Diese langen Wärmebehandlungsdauern ermöglichen, den Grad der Volumenreduktion während des Verfahrensablaufes einfach zu überwachen durch Ermittlung der Abmessungen des Schaumstoffkörpers. Dies kann durch einfache Längenmessungen von Hand oder durch im Wärmebehandlungsraum angeordnete automatische Messvorrichtungen, z.B. optische Meßsysteme, die bei Unterschreiten einer voreingestellten Höhe des Schaumstoffkörpers - und damit Erreichen einer bestimmten Volumenreduktion — die Beendigung des Wärmebehandlungsverfahrens auslösen. Gemäß Anspruch 14 ist das erfindungsgemäße Schaumstoffprodukt aus einem wärmebehandelten, expandierten, geschlossenzelligen Schaumstoff, insbesondere expandiertem Polystyrol-Partikelschaum, durch den, durch die Wärmebehandlung bedingten Grad der Volumenreduktion gekennzeichnet. Durch das vorhin beschriebene Verfahren kann das Volumen des Schaumstoffprodukts gegenüber dem Ausgangszustand vor der Wärmebehandlung um einen Wert, gewählt aus einem Bereich zwischen einer unteren Grenze von 50 % und einer oberen Grenze von 97 % reduziert sein. Das entspricht einer Erhöhung der Dichte um einen Faktor zwischen dem zweifachen und dem 33 fachen der Dichte des Ausgangszustandes vor der Wärmebehandlung.
Die durch die Wärmebehandlung gemäß Anspruch 15 eingestellte Dichte des Schaumstoffprodukts bewirkt, dass auch die Eigenschaften des Schaumstoffprodukts, wie z.B. Festigkeitswerte oder Wärmeleitfähigkeit gemäß den Ansprüchen 16 bis 19 innerhalb entsprechend weiter Bereiche liegen.
Durch die nach der Wärmebehandlung stark erhöhten Festigkeitswerte des Schaumstoffprodukts gegenüber dem Ausgangszustand kann das Schaumstoffprodukt gemäß den Ansprüchen 20 und 21 vorteilhaft als Konstruktionsmaterial für Anwendungsfälle verwendet werden, für die ein unbehandelter Schaumstoff zu geringe Festigkeitswerte aufweist, weshalb hier bisher auf andere, teure Werkstoffe, wie z.B. Schaumglas, zurückgegriffen werden musste. Gegenüber dem sehr spröden Schaumglas besitzt das Schaumstoffprodukt gute Elastizität und Zähigkeit, wodurch die Bruchgefahr bei der Verarbeitung und durch im Gebrauch auftretende Verformungen und Stoßbelastungen vergleichsweise gering ist. Die Wärmeleitfähigkeit des Schaumstoffprodukts beträgt bei einer Dichte von etwa 750 kg/m3 etwa 0,1 W/mK, wodurch sich insbesondere die Verwendung des Schaumstoffproduktes zur Herstellung von Dämmelementen für Baukonstruktionen, insbesondere zur wärmetechnischen Entkopplung von tragenden Bauteilen vom Auflager anbietet. Die Verwendung ist aber auch in allen anderen technischen Anwendungsgebieten, wie z.B. Fahrzeugbau oder Konsumgüterindustrie möglich.
Durch die gegenüber dem Ausgangsprodukt weiter verringerte Wasseraufnahmefähigkeit kann das Schaumstoffprodukt gemäß Anspruch 22 auch zur Herstellung von Gegenständen zur Erzeugung von Auftrieb in Flüssigkeiten verwendet werden. Der Dichtebereich des Schaumstoffprodukts überschneidet sich in weiten Bereichen mit dem Dichtebereich von Holzprodukten, wobei das Schaumstoffprodukt nicht der Gefahr der Fäulnis durch Feuchtig- keitseinfluss unterliegt.
Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Schaumstoffprodukts werden die Merk- male des Herstellungsverfahrens, bestimmte Eigenschaften und die Verwendung einer speziellen Ausfuhrungsförm des Schaumstoffprodukts anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Schaumstoffprodukts;
Fig. 2 den Zusammenhang zwischen Druckfestigkeit und Rohdichte des erfindungsge- mäßen Schaumstoffprodukts;
Fig. 3 den Zusammenhang zwischen Wärmeleitfähigkeit und Rohdichte des erfindungsgemäßen Schaumstoffprodukts;
Fig. 4 eine andere Ausführungsform des Verfahrens in vereinfachter, schematischer Darstellung;
Fig. 5 eine weitere Ausfuhrungsform des Verfahrens in vereinfachter, schematischer Darstellung.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Des weiteren können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten oder beschriebe- nen unterschiedlichen Ausfuhrungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemä- ßen Schaumstoffprodukts 1 mit nachfolgend beschriebenen, bestimmten Eigenschaften durch eine Wärmebehandlung eines Körpers 2 aus expandiertem, geschlossenzelligem Schaumstoff. Der Körper 2 ist in diesem Beispiel ein Quader aus expandiertem Polystyrol (EPS) mit einer Dichte von 30 kg/m3. Seine Abmessungen betragen 70 cm x 50 cm x 50 cm und sein Gewicht, das sich durch die Wärmebehandlung nicht verändert, beträgt 5,25 kg. Durch Schwankungen in den Parametern der Herstellung des Ausgangsmaterials sind Schwankungen der Eigenschaften zwischen verschiedenen Chargen, insbesondere der Dichte, aber auch der Festigkeitswerte möglich. Zum Beispiel kann die Festigkeit des EPS durch eine schlechtere Verschweißung der vorgeschäumten Partikel beim Ausschäumen herabgesetzt sein. Auf etwaige Qualitätsmängel des Ausgangsmaterials wird jedoch an dieser Stelle nicht näher eingegangen.
Zur Durchführung der Wärmebehandlung wird der Körper 2 aus EPS in einen Ofen 3 mit Temperaturregeleinrichtung 4 zur Ansteuerung eines Heizelements 5 und Umlufteinrichtung 6 verbracht. Um die Volumenreduktion des Körpers 2 aus EPS langsam und gleichmäßig einzuleiten und aufgrund der langsamen Wärmeleitung innerhalb des Körpers 2 wird die Tempe- ratur im Ofen 3 und damit auch im Körper 2 langsam auf die Wärmebehandlungstemperatur erhöht. Um den Zeitbedarf zur Durchführung des Verfahren zu verringern hat sich ein Vorheizen des Ofens auf etwa 80 °C (Beginn des Glasübergangsbereiches) für den Beginn der Wärmebehandlung und eine anschließende Temperaturerhöhung auf den vorgesehenen Wert als vorteilhaft erwiesen. Die Temperatur im Ofen 3 wird während der Wärmebehandlung von der Temperaturregeleinrichtung 4 möglichst gleichmäßig auf einem Wert von 104 °C gehalten. Schwankungen der Temperatur, die innerhalb der Regelungsgenauigkeit üblicher Temperaturregelungen liegen, zeigen nur insofern Auswirkungen, dass die Volumenreduktion durch höhere Temperaturen beschleunigt wird und eine insgesamt höhere Kontraktion erreicht wird, wogegen niedrigere Temperaturen die Volumenreduktion verlangsamen und ins- gesamt eine niedrigere Kontraktion erreicht wird. Durch die Temperaturerhöhung des Körpers 2 über die Glasübergangstemperatur von Polystyrol, die in einem Bereich zwischen 80° C und 90° C liegt, beginnen sich innere Spannungen im EPS, die bei seiner Herstellung durch das Abkühlen unter die Glasübergangstemperatur quasi eingefroren wurden, durch ein lang- sames und gleichmäßiges Schrumpfen der Schaumstoffstruktur abzubauen. Die die Zellstruktur des Schaumstoffes bildenden Wände und Membranen verkürzen sich dabei, während ihre Dicke aufgrund der Volumenkonstanz zunimmt. Der Durchmesser der expandierten und miteinander verschweißten Partikel nimmt dementsprechend ab, wodurch der Körper 2 insge- samt eine Volumenreduktion erfahrt.
Zur Verringerung des Einflusses der Auflagerkräfte auf den Sclirumpfvorgang wird der Körper 2 während der Wärmebehandlung im Abstand von jeweils 6 h mehrmals gewendet, wodurch die Volumenreduktion im ganzen Körper 2 gleichmäßiger erfolgen kann. In Fig. 1 ist dieser Wendevorgang durch die veränderte Lage einer Markierung 7 erkennbar.
Nach einer Wärmebehandlungsdauer von 65 h wird das aus dem Körper 2 aus expandiertem Polystyrol entstandene Schaumstoffprodukt 1 aus dem Ofen 3 entnommen, wobei dieses eine über die Abmessungen berechnete Dichte von 230 kg/m3 aufweist und dementsprechend eine Volumenreduktion von etwa 87 % gegenüber dem Ausgangsvolumen erfahren hat. Zu diesem Zeitpunkt ist die bei der eingestellten Temperatur von 104 °C erreichbare Volumenreduktion, weitgehend abgeschlossen. Dies ist unter anderem damit begründbar, dass ein Gleichgewicht zwischen den sich durch die Volumenreduktion abbauenden Schrumpfspannungen und der gestiegenen Festigkeit der Schaumstoffstruktur erreicht ist. Eine weitere Volumenreduktion kann von diesem Zustand aus nur durch eine weitere Wärmebehandlung nach Erhöhung der Temperatur im Ofen 3 erfolgen. Durch eine höhere Temperatur steigt der Anteil der Makromoleküle, die sich aus der durch die Expansion gestreckten Lage durch Zusammenziehen wieder der Lage vor der Expansion - nach der Polymerisation - annähern wollen, wodurch in Summe eine erhöhte Schrumpfspannung hervorgerufen wird, die erst nach einer weiteren Schrumpfung und einer damit einhergehenden Verfestigung wieder ausgeglichen werden.
Wird die Temperatur jedoch zu hoch gewählt, wird dieser Anteil zu hoch, die zellige Struktur kollabiert und der Schrumpfvorgang geht in ein Schmelzen über. Die den Körper 2 aus EPS bildenden, miteinander verschweißten Schaumstoffpartikel zeigen während der Wärmebehandlung eine Art von Formgedächtniseffekt, indem sie sich tendenziell der Form des Granu- lats vor dem Expandieren wieder annähern.
Wie bereits erwähnt, kann das Verfahren auch durch Veränderung der Temperatur, bei der die Wärmebehandlung durchgeführt wird, beeinflusst werden. Die Eigenschaften des Schaum- stoffprodukts 1 hängen im wesentlichen vom Ausgangsmaterial, von der Temperatur der Wärmebehandlung und der Dauer der Wärmebehandlung ab, wobei ein bestimmtes Ergebnis einfach durch Variation der Wärmebehandlungsdauer und/oder der Temperatur erreicht wird.
Aufgrund der Schwankungen des Ausgangsmaterials kann die erforderliche Dauer und die erforderliche Temperatur der Wärmebehandlung zur Erreichung einer bestimmten Volumenreduktion ebenfalls Schwankungen unterworfen sein, durch wiederholte Messungen der Dimensionen des Schaumstoffproduktes 1 kann aber die bis zum Messzeitpunkt erreichte Volumenreduktion einfach berechnet und die Wärmebehandlung nach Erreichen des gewünschten Zielwertes abgebrochen werden. Durch die von außen nach innen erfolgende Abkühlung wird die Volumenkontraktion des Körpers 2 durch Unterschreiten der Glasübergangstemperatur wieder beendet.
Für eine wirtschaftliche Durchführung des Verfahrens und einen niedrigen Energiebedarf zur Wärmebehandlung des Körpers 2 aus expandiertem Schaumstoff ist der verwendete Ofen 3 mit einer Wärmedämmschicht 8 ausgestattet. Gute Wärmedämmung oder anderweitige Nutzung von anfallenden Wärmeverlusten des Ofens 3 erhöht die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
Die folgende Tabelle zeigt die durch das Verfahren gegenüber dem Ausgangszustand stark veränderten Eigenschaften des beschriebenen, erfindungsgemäßen Schaumstoffprodukts 1 (Produkt A) sowie einer weiteren Ausführungsform (Produkt B).
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Tab. Eigenschaften EPS unbehandelt, Produkt A und Produkt B
Wie aus der Tabelle ersichtlich, kann durch eine geringe Veränderung der Temperatur der Wärmebehandlung die Geschwindigkeit der Volumenreduktion stark beeinflusst werden. Die nur wenig höhere Temperatur bei der Wärmebehandlung zur Herstellung des Produkts B hat in deutlich kürzerer Zeit eine höhere Dichte und höhere mechanische Festigkeiten ergeben.
Die mechanische Festigkeit des erfindungsgemäßen Schaumstoffprodukts 1 kann durch stärkere Volumenreduktion und damit einhergehender Erhöhung der Dichte, wie in Fig. 2 am Beispiel der Druckfestigkeit dargestellt, noch weiter angehoben werden. Gleichzeitig steigt, wie aus Fig. 3 entnommen werden kann, die Wärmeleitfähigkeit des Schaumstoffprodukts 1 mit steigender Dichte an.
Das quaderförmige Schaumstoffprodukt 1 wird mittels der bekannten Verfahren zur Kunst- Stoffbearbeitung, insbesondere Schneiden, Sägen und Fräsen, zu gebrauchsfähigen Produkten, insbesondere Plattenmaterial weiterverarbeitet. Das Verfahren ist auf Ausgangskörper jeder beliebigen Form anwendbar, wobei allerdings zu berücksichtigen ist, dass bei Körpern 2 die gleichzeitig dicke sowie dünne Wandstärken aufweisen die Volumenreduktion in den dünnwandigen Bereichen aufgrund der schnelleren Durchwärmung früher einsetzt und in diesem Fall die Temperaturerhöhung am Beginn der Wärmebehandlung besonders langsam erfolgen soll. Durch die gleichmäßige Volumenreduktion entspricht die Form des Schaum- stoffproduktes 1 bis auf die Größe weitgehend der Ausgangsform. Wird das Schaumstoffprodukt 1 in Plattenform benötigt, ist es vorteilhaft, plattenförmige Körper 2 aus EPS zu verwenden, wodurch die Wärmebehandlung verkürzt sowie die Formgebung nach der Wärme- behandlung vereinfacht werden kann. Die erhöhten Werte der mechanischen Festigkeit bei gleichzeitig niedriger Wärmeleitfähigkeit ermöglichen eine Verwendung des beschriebenen Schaumstoffprodukts 1 als Wärme- dämmschicht für z.B. durch Verkehrslasten druckbelastete Flachdächer oder als tragendes Wärmedämmelement zur Vermeidung von Wärmebrücken an Gebäudesockeln. Weiters kann das Schaumstoffprodukt 1 zur wärmetechnischen Entkopplung von tragenden Bauteilen vom Auflager, beispielsweise zwischen Stützen und Decken eingesetzt werden.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform des Verfahrens mit speziellen Maßnahmen zur Druckaufbringung auf den Körper 2 sowie zur Verringerung der Reibung zwischen Körper 2 und der Unterlage.
Um die Dauer der Wärmebehandlung zu senken, ist dabei vorgesehen, während der Wärmebehandlung zumindest über einen Teil der Dauer auf die Oberfläche 9 des Körpers 2 einen weitgehend gleichmäßigen Druck auszuüben, der sich den Schrumpfspannungen in den ZeIl- wänden der Schaumstoffpartikel überlagert und dadurch den Schrumpfvorgang beschleunigt. Dazu wird der Körper 2 vollständig in einer biegeweichen Hülle 10 eingeschlossen, innerhalb derer ein Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck außerhalb der Hülle 10 herrscht. Dazu wird das Innere der Hülle 10 über ein Anschlussstück 11 und eine Verbindungsleitung 12 mit einem beliebigen Vakuumerzeuger 13 verbunden, mit dem ein absoluter Druck zwischen 0,2 bar und dem Umgebungsdruck, insbesondere aber ein Unterdruck von 0,4 bar bis 0,8 bar innerhalb der Hülle 10 eingestellt und aufrechterhalten wird.
Weiters zeigt Fig. 4 eine Zwischenlage 14, die zwischen Körper 2 und einer Unterlagsfläche 15 angeordnet ist, um Reibungseinflüsse beim Schrumpfungsprozess zu verringern. Diese Zwischenlage 14 ist im Ausführungsbeispiel durch zwei Lagen gebildet, wobei die obere Lage 16 aus einer dünnen, biegeweichen Metallfolie besteht, während die untere Lage 17 durch eine glatte Papierschicht gebildet ist. Beim Schrumpfen des Körpers 2 gleitet die obere Lage 16 auf der unteren Lage 17 und wird vom schrumpfenden Körper zusammengeschoben. Die Zwischenlage 14 kann auch teilweise oder zur Gänze aus einer Flüssigkeitsschicht be- stehen, die zwischen Körper 2 und der Unterlagsfläche 15 einen Schmierfilm bildet. Darüber hinaus kann die Zwischenlage 15 auch in Fig. 4 angedeutete Wälzkörper 18 enthalten, die die Reibung zwischen Körper 2 und der Unterlagsfläche 15 herabsetzen. Die durch diese Maßnahmen reduzierten Reibungskräfte wirken sich auf den Schrumpfungsprozess nicht mehr störend aus und das fertige Schaumstoffprodukt 1 besitzt über seine Höhe gleichmäßigere Eigenschaften.
In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsart des Verfahrens dargestellt, bei dem der Körper 2 während der Wärmebehandlung durch eine Druckplatte 19 belastet wird, die auf der Oberseite eines quaderförmigen Körpers 2 aufliegt. Durch die Gewichtskraft der Druckplatte 19 wird den inneren Schrumpfspannungen während der Wärmebehandlung eine weitgehend einachsige Druckspannung überlagert, wodurch der Schrumpfvorgang schneller abläuft. Auf den Körper 2 wirkt dabei im dargestellten Beispiel das Eigengewicht der Druckplatte 19, abwei- chend davon kann diese Gewichtskraft zusätzlich durch Federkräfte einer federnden Einspannung der Druckplatte verstärkt oder reduziert werden.
Auch bei dieser Ausführungsform der Wärmebehandlung kann der Einfluss von Reibungskräften auf den Schrumpfungsprozess durch Verwendung von Zwischenlagen 14, einerseits zwischen Körper 2 und Unterlagsfläche 15 und/oder Körper 2 und Druckplatte 19 verringert werden.
Das erfindungsgemäße Schaumstoffprodukt 1 kann neben der beschriebenen Verwendung als Konstruktionswerkstoff auch in allen anderen Anwendungsfällen, in denen eine Kombination von guten Wärmedämmeigenschaften und geringer Dichte bei gleichzeitig hohen mechanischen Festigkeiten vorteilhaft ist, eingesetzt werden.
Bezugszeichenaufstellung
1 Schaumstoffprodukt
2 Körper
3 Ofen
4 Temperaturregeleinrichtung
5 Heizelement
6 Umlufteinrichtung
7 Markierung
8 Wärmedämmschicht
9 Oberfläche 10 Hülle
11 Anschlussstück
12 Verbindungsleitung
13 Vakuumerzeuger 14 Zwischenlage
15 Unterlagsfläche
16 Lage
17 Lage 18 Wälzkörper
19 Druckplatte

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffprodukts (1), dadurch gekennzeichnet, dass ein Körper (2) aus expandiertem geschlossenzelligem Schaumstoff, insbesondere expan- diertem Polystyrol-Partikelschaum einer nicht sclimelzenden Wärmebehandlung bei einer
Temperatur über der Glasübergangstemperatur des den Schaumstoff bildenden Kunststoffes, insbesondere von Polystyrol, unterzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur bei der Wärmebehandlung ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 90 °C, insbesondere 100 °C, vorzugsweise 103°C, und einer oberen Grenze von 130 0C, insbesondere 120 °C, vorzugsweise 108 °C.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehand- hing bei Umgebungsdruck erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einem absoluten Druck zwischen einer unteren Grenze von 0,8 bar und einer oberen Grenze von 8,0 bar erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (2) zumindest während eines Teiles der Wärmebehandlung in einer weitgehend druckdichten, biegeweichen Hülle (10), insbesondere einer Metallfolie oder einer Kunststoffmembran, eingeschlossen ist und innerhalb der Hülle (10) ein absoluter Druck ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,2 bar und einer oberen Grenze die dem Umgebungsdruck außerhalb der Hülle (10) entspricht, herrscht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (2) zumindest während eines Teiles der Wärmebehandlung mittels einer Druck- platte (19) einem zwischen Unterlage und Druckplatte (19) wirkenden Druckspannungszustand ausgesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einem Fluid erfolgt, wobei das Fluid insbesondere aus der Gruppe von Luft, Wasser, Wasserdampfund Luft- Wasserdampf-Gemisch gewählt ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme durch Wärmestrahlung auf den Körper (2) aus expandiertem geschlossenzelligem Schaumstoff, insbesondere aus expandiertem Polystyrol-Partikelschaum übertragen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der expandierte geschlossenzellige Schaumstoff über das Volumen weitgehend gleichmäßig verteilte Bestandteile enthält, die sich unter dem Einfluss von hochfrequenter elektromagneti- scher Strahlung erhitzen und Wärme durch hochfrequente elektromagnetische Strahlung auf den Körper (2) aus expandiertem geschlossenzelligem Schaumstoff, insbesondere aus expandiertem Polystyrol-Partikelschaum übertragen wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (2) aus expandiertem geschlossenzelligem Schaumstoff, insbesondere expandiertem Polystyrol-Partikelschaum während der Wärmebehandlung zumindest einmal in seiner Lage relativ zu einer Unterlage so verändert wird, dass ein anderer Teil der Oberfläche des Körpers (2) die Kontaktfläche mit der Unterlage bildet.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (2) während der Wärmebehandlung auf einer reibungshemmenden Zwischenlage (14), insbesondere auf einer oder mehreren gegenüber der Unterlage oder untereinander gleitfahigen Folien, einer Flüssigkeitsschicht, auf Rollkörpern oder einer Kombination dieser Mittel, gelagert ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (2) aus expandiertem geschlossenzelligem Schaumstoff, insbesondere expandiertem Polystyrol-Partikelschaum, während der Wärmebehandlung zumindest an einem Punkt seiner Oberfläche hängend gelagert ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer der Wärmebehandlung aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 h und einer oberen Grenze von 168 h gewählt ist.
14. Schaumstoffprodukt (1) aus einem wärmebehandelten expandierten geschlossenzelli- gen Schaumstoff, insbesondere expandiertem Polystyrol-Partikelschaum, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Schaumstoffprodukts (1) durch eine Wärmebehandlung gegenüber dem Ausgangszustand vor der Wärmebehandlung um einen Wert aus einem Bereich zwischen einer unteren Grenze von 50 %, vorzugsweise 75 %, insbesondere 85 % und einer oberen Grenze von 97 %, vorzugsweise 96,5 %, insbesondere 96 % reduziert ist.
15. Schaumstoffprodukt (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte in einem Bereich zwischen einer unteren Grenze von 50 kg/m3 und einer oberen Grenze von 1000 kg/m3 liegt.
16. Schaumstoffprodukt (1) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfestigkeit über 2 N/mm2 bei weniger als 5 % Stauchung beträgt.
17. Schaumstoffprodukt (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugfestigkeit über 1,2 N/mm2 beträgt.
18. Schaumstoffprodukt (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegezugfestigkeit über 3 N/mm2 beträgt.
19. Schaumstoffprodukt (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit unter 0,1 W/mK beträgt.
20. Verwendung des Schaumstoffproduktes (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 19 als Konstruktionsmaterial, insbesondere für Baukonstruktionen.
21. Verwendung des Schaumstoffproduktes (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 19 zur Herstellung von Dämmelementen für Baukonstruktionen, insbesondere zur wärmetechnischen Entkopplung von tragenden Bauteilen vom Auflager.
22. Verwendung des Schaumstoffproduktes (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 19 zur Herstellung von Gegenständen zur Erzeugung von Auftrieb in Flüssigkeiten.
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