用于制造泡沫材料体的方法和泡沫材料手持挤出机

摘要

本发明涉及一种用于制造发泡体的方法，其中将泡沫材料的原料作为颗粒(11)供应给手持挤出机(10)，在所述手持挤出机中，所述原料在压力下并且通过加热激活或熔化地、以及在手动控制地从手持挤出机中输出时膨胀成发泡体。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制造泡沫材料体的方法、一种用于实施所述 方法的泡沫材料手持挤出机以及用于制造泡沫材料的手持挤出机的应 用。

背景技术

在各种不同的技术领域长期以来就一直利用泡沫材料对间隙、空 腔或空心体进行隔绝，包括隔热和隔声。原则上这里泡沫材料可以根 据要隔绝的区域的几何构型和所使用的材料的加工特性将泡沫材料作 为单独的预制部件装入空腔或空心体中或者在未膨胀的初始状态下在 使用地点引入空腔或空心体中，并在这里使其膨胀，特别是发泡。对 于一系列实用上重要的应用场合，希望直接在使用地点在现场产生起 隔绝作用的泡沫材料体(特别是是细长的型材体)。

用于塑料焊接或施加熔化粘结剂的紧凑的手持挤出装置(下面称 为“手持挤出机”)是已知的并且在市场上可购得的，并且还已知，协 调控制地在机械手上引导相应的装置，例如参见US 5,358,397或DE 10  2009 015 253 A1。

发明内容

本发明的目的因此在于，提供一种特别是在使用者的角度上灵活 的用于制造泡沫材料体的方法。此外还应提供一种用于实施所述方法 的装置。

所述目的在其方法方面通过具有权利要求1的特征的方法和具有 权利要求16的特征的手持挤出机的应用来实现，以及在其装置方面通 过具有权利要求10到的特征手持挤出机来实现。

本发明构思的适宜的改进方案是各从属权利要求的主题。

本发明包括这样的构思，使隔绝材料的原料在用于其施加的手持 装置进行激活或熔化，另一方面该装置设计成，使得被激活的原料直 接在该装置的出口处膨胀成希望的空间形状。为此所需的向材料中的 能量输入通过相对于大气压力提高压力和/或加热到环境温度以上来 实现，其中具体的参数根据相应的化学或物理发泡剂来选择。根据材 料，能量输入可以主要以热途径或主要以机械途径进行，或者以这两 种途径的组合来进行。根据本发明设定，给手持挤出机供应固态的颗 粒状的原料。固态的、颗粒状的原料可以容易且经济地生产、存放和 低残余地处理，并且因此相对于液态的或膏状的形态可以提供明显的 优点。

使用手持装置使得可以实现广泛的应用，主要是在高层建筑、地 下建筑和街道建筑领域以及在车辆制造、飞机装置和船舶制造中并且 特别是还在多种形式的修理和翻新工作中应用。所形成的泡沫材料体 可以同样填充孔洞、凹部、间隙、开口或裂缝，并且这种材料可以这 样构成，使得其适用于进行密封、缓冲、结构强化和/或粘结。特别有 利的是，由于已经在手持设备中进行的能量输入，通常可以省去后面 的热过程。

作为所提出的方法的其他优点参考以下内容：

实现了材料可以以希望的空间形状(作为泡沫材料体)在现场、 例如在建筑工地或在工厂中并且灵活地施加，而不必为此使用预制的 模具、昂贵的机器或危险的液体。因此也可以以小件数经济地制造并 且能够经济地供很多不同的使用地点使用。可以利用相同的设备、就 是说可以以极低的设备上的前提条件利用不同的材料组成和几何构型 容易地实现密封、隔绝、结构强化等等。

本发明实现了，可以以单独的丸粒以长的存放时间存放反应物并 且在需要时直接在挤出机中对反应物进行混合以及使其发生反应。因 此，针对客户和其要求也可以以小的量在模块系统中单独地将颗粒混 合在一起，以便实现客户特定的产品特性。

本发明还实现了，可以在现场并且立即(不需要长的预装备或装 配时间)建立隔绝的、密封的和/或结构上的固定。

根据本发明构成的泡沫材料体已经具有所谓的“坯料强度 (Grünfestigkeit)”，就是说，对于后面的隔绝、密封或加强处理的 方法步骤来说有足够的机械特性，而不需执行等候时间或执行后热处 理步骤。

在原料供应商以及在使用者处都简化了生产供应工作，因为仅还 需要存放可倾倒/松散的材料(颗粒)，而不需要存放多种预成形的中 间产品。模块式地组成希望的材料混合物并由此提供少量材料的可能 性为供应商提供了附加的灵活性并使其可以开发新的细分市场。

在本发明的一个实施形式中设定，使用用于制造泡沫材料的并具 有至少一个输送蜗杆的手持挤出机，并且所述手持挤出机这样构造并 且这样预先规定所述原料的机械特性，即，使得出现高的压力和/或剪 切力，所述压力和/或剪切对于原料的热激活至少有贡献。一般而言， 根据按本发明的方法的一个优选的方面，将高的压力和/或剪切力施加 到膨胀的原料上，以便引起对原料优化的热激活或至少有利于实现所 述优化的热激活。在该实施形式中，(在初始的预加热之后)在一些情 况下可以不需要附加的加热并且特别节省能量地工作。在另一个实施 形式中，使用带有加热装置的手持挤出机并且所述加热装置这样运行， 使得所述加热装置对于原料的热激活至少有贡献。也可以采用这两种 激活原料的途径的组合。

在本发明的另一个实施形式中，在从手持挤出机输出时原料的膨 胀过程通过特殊的喷嘴几何结构，特别是在出口侧附装的附加部件中 的喷嘴几何结构来控制。与施加相适配的并针对具体隔绝材料(或其 原料)设计的喷嘴几何结构使得可以精确地控制膨胀过程，并且以附 加部件实现实际的喷射装置允许预存各种不同的适配的喷嘴几何结 构，并且在生产转换时允许实现快速和经济的改变，这种生产转换可 以能是通过使用另一种隔绝材料或其他型材几何结构等进行的。

在一个特殊的实施形式中，通过喷嘴几何结构首先在一个较大的 长度上以较小的梯度逐渐实现了横截面缩小，然后(可选地)在一个 较小的长度上保持横截面恒定，然后在一个较小的长度上以较大的梯 度逐渐实现横截面缩小。喷嘴的这种分段结构从实际的角度出发是一 种有利的实现方案，但需要指出的是，不是一定必须存在所有所述的 具有相应配设的几何特征的部段。

在本发明的另一个实施形式中设定，原料行进通过多个温度区， 特别是，通过具有较低温度的第一区，以便避免粘结和/或提前膨胀， 然后行进通过具有较高温度的第二区，以便激活材料或使材料熔化。 最终，喷嘴部段重新较冷或保持温度恒定。在另一个与前面所述实施 形式组合的、但也可以独立于确定的温度分布实现的实施形式中，在 手持挤出机中设置用传感器对材料的温度监控，所述温度监控与自动 的再调节或手动的再设置(Nachführung)相结合。

在另一个实施形式中，在手持挤出机的出口区域或靠近出口的区 域内、即在从设备中输出材料前面不远处设置压力监控。对于很多材 料组成，高压力对于良好的发泡是重要的，并且压力监控使得能够提 早判断所形成的泡沫材料体的预期质量，并且与对过程参数手动的再 设置或自动的调节使得可以实现提早对质量进行影响。

本发明的装置方面基本上可以直接由上面说明的方法方面得到并 且因此在这里不再详细解释。但要指出以下情况：

在一个有利的实施形式中，所建议的手持挤出机构造成具有出口 侧的喷嘴装置，所述喷嘴装置适于使预激活的原料以高的体积膨胀梯 度膨胀。尽管原则上预激活的原料的膨胀可以在挤出机的出口外侧发 生，但这种膨胀例如受到材料发生膨胀所在的空心体或空腔的壁部限 制，从实用的角度看，可以被看作合理的是，在挤出机内部或(如上 所述)在属于挤出机的附加部件(成形工具)中设置用于至少涉及起 始阶段的对膨胀步骤进行的控制的装置。

根据上面所述，手持挤出机的一个实施形式包括各种不同的设置 在原料(颗粒)的输送路径上的装置，这些装置构造成用于实现预先 确定的温度分布。适宜的温度区布置形式特别可以包括：加热或冷却 装置，用于在入口区域附近构成具有由较低温度的第一区；加热装置， 用于在第一区下游构成具有较高温度的第二区；以及，必要时用于在 第二区下游构成也具有较低温度的第三区的装置。

在手持挤出机的另一个实施形式中，设有至少一个用于检测手持 挤出机中材料的温度的温度传感器和/或用于检测在材料流动路径的 适当的、靠近出口的位置处的压力的压力传感器。在该实施形式的各 设计方案中，相应的传感器装置配设有手动的调整装置或自动的调节 装置，用于再设置处理温度，必要时用于沿材料流动路径实现预先确 定的温度分布，并且可选地用于再设置其他过程参数(如蜗杆转速)。

在手持挤出机的出口侧设有适当成形的成形工具，用于适当地分 配所产生的泡沫材料和/或使泡沫材料成形。

本发明还包括根据本发明的用于制造泡沫材料的手持挤出机的有 利的应用。相应的手持挤出机具有至少一个输送蜗杆，其蜗杆几何结 构与蜗杆缸相协调地构成，用于在泡沫材料的所输送的原料中产生高 剪切力，和/或具有加热装置，用于加热原料。换而言之，输送蜗杆特 别是可以在转速和其螺纹的螺距上和/或在其直径上变化，并且以最佳 的方式与蜗杆缸适当的长度和适当的直径相适配。加热装置通常构造 成电的或感应的。

附图说明

本发明的优点和目的性此外还由下面部分参考附图对实施例和实 施方面的说明得出。在图中：

图1以泡沫材料挤出机的纵向剖视图的形式示出用于说明本发明 的方法的示意图，

图2A和2B示出根据本发明的另一个实施形式的挤出机的附加部 件的横向剖视图或俯视图，以及

图3A和3B示出根据本发明的另一个实施形式的挤出机的附加部 件的纵向剖视图或俯视图。

具体实施方式

图1以部分作为纵向剖视图示出的示意图示出用于制造泡沫材料 体、例如细长的泡沫材料条的手持挤出机，所述泡沫材料体特别是可 以用于热和/或声音隔绝的目的。该图只是用于示出该装置的重要功能 并且不是示出实际可实现的结构。

能发泡的材料11以颗粒的形式填充到手持挤出机10的漏斗12 中，然后通过所述漏斗进入挤出机的内部。能发泡的材料在缸13中通 过蜗杆14朝喷嘴17的方向输送，所述蜗杆由电机15经由传动装置 16驱动。这里，通过蜗杆14和蜗杆缸13适当的几何构型有目的地实 现了高压力和剪切力，并且附加设置的加热装置18对这个过程加以辅 助。所述几何构型为此可以例如在蜗杆14的螺纹的数量和螺距方面或 者在两个相邻的螺纹的间距方面以及在蜗杆缸13的长度和直径方面 以最佳的方式适配并且使这些方面相互协调。在喷嘴17上被激活的能 发泡的材料11‘在快速膨胀的情况下被输出，所述膨胀通过颗粒或被激 活的材料的输送路径上特殊的温度分布以及喷嘴特殊的几何构型来控 制。

在颗粒输送路径或者蜗杆14的纵向延伸上的对于手持挤出机10 的功能重要的、适当的温度分布一方面通过加热装置18的适当定位和 电参数设计来确保。另一方面，在填充漏斗12的附近为了局部冷却向 挤出机的装置壳体20中引入开口19。开口19只是象征性地代表任意 适当的冷却机构；替代所述开口，也可以设置蜗杆缸13的肋部和/或 设置风机。在挤出机壳体20的把手区域中与操作装置21连接的开关 控制单元22与蜗杆13的电机15以及与加热装置18连接(这在图中 未示出)并使得除了开关挤出机以外还能调整蜗杆转速和加热功率， 并且由此能够设置与所使用的材料11和使用条件相适配的过程参数。

图2A和2B示出根据本发明的手持挤出机的特殊的喷嘴结构，所 述喷嘴结构在安装在挤出机出口上的部件23中实现。在合理的情况 下，这里参考图1中所示的各部分，并且这些部分用根据图1的附图 标记或与此类似的附图标记标注。

在图2A中可见，喷嘴装置具有长度较大的第一喷嘴部段17a、长 度较小的第二喷嘴部段17b、长度较小的第三喷嘴部段17c、中等长度 的第三喷嘴部段17d和具有多个喷洒开口的第五喷嘴部段17e，在第 一喷嘴部段中喷嘴横截面以较小的斜度连续减小，在第二喷嘴部段中 喷嘴横截面保持恒定，在第三喷嘴部段中喷嘴横截面以较大的斜度减 小，在第四喷嘴部段中喷嘴横截面以中等的斜度增大。此外，还可以 看到，为了实现这些喷嘴部段，附加部件23分成多个单个(没有专门 示出)的板，其中第一喷嘴部段17a通过两个沿纵向方向相互贴靠拼 接的板或基体实现。通过这种模块式的结构，可以较为容易地实现改 变确定部段中的喷嘴几何结构，而不必整体上制造新的附加部件。

图3A和3B示出相对于前面的实施方式改变的喷嘴部件24，该 喷嘴部件构成根据图1的手持挤出机10的一种结构上的实施方式。利 用这个喷嘴部件在原理上实现了喷嘴装置与图2A中相同的几何结构， 从而用与那里相同的附图标记表示各喷嘴部段。在图3A和3B示出组 成喷嘴部件24的模块，这些模块用附图标记24a至24f表示，并且还 示出了用于固定各模块的固定螺栓25。

一个用于实现本发明的措施是一种可发泡的组成，所述组成包括 至少一种基本聚合物、至少一种发泡剂和/或至少一种热稳定剂以及可 选的润滑剂和填充剂以及必要时还有成核剂。基本聚合物的含量这里 优选为至少按重量50％。为了确保充分的发泡，已经证明发泡剂的含 量在按重量5至20％的范围内是适宜的。润滑剂和/或热稳定剂优选相 对于包含润滑剂和/或热稳定剂的能发泡的组合物的量为按重量0.1至 5％。利用这种组成可以形成导热率小于0.04W/(mK)且膨胀大于 1000％的聚合物泡沫。

作为能发泡的组合物的在本发明中使用的并且专门用于制造塑料 型材的芯部的基本聚合物原则上可以使用任意的能受控制地产生泡沫 并且在膨胀状态下具有充分的隔绝特性的材料。

基本聚合物优选是熔点在20至400℃范围内的有机聚合物。基 本聚合物适宜地应在低于发泡温度的温度下软化，从而在发泡过程中 能够实现其变形。如果达到发泡温度，则基本聚合物发泡。特别优选 的是，基本聚合物的熔点在60至200℃的范围内。此外，当超过发 泡温度并且发泡至少已经部分结束时，才开始交联过程。

合适的基本聚合物毫无疑问是本领域技术人员熟知的。特别优选 的是，在本发明的范围内，所述基本聚合物选自包括EVA、聚烯烃、 聚氯乙稀或XPS(交联的聚苯乙烯)。优选的聚烯烃是基于乙烯或丙 稀的聚合物，其中聚乙烯、特别是LDPE(低密度聚乙烯)形式的聚 乙烯是特别优选的。所述聚合物的混合物在本发明的范围内同样可以 作为基本聚合物使用。

在本发明的范围内，还可以使用所谓的生物塑料，例如聚乳酸 (polylactide acid、PLA)、传统的碱基的混合物或多糖。此外还可以 与化学或物理的发泡剂(见下面)相结合使用热硬化的环氧树脂(固 态或液态环氧树脂)。基本聚合物通常构成能发泡的组合物的主要成 分，其中其占所述组成的比例优选至少为按重量50％。特别优选地， 基本聚合物的含量在按重量65至95％的范围内、特别是在按重量70 至90％的范围内，最优选在按重量75至85％的范围内。

此外，能发泡的组合物通常包含化学或物理的发泡剂。化学的发 泡剂是有机的或无机的化合物，所述化合物在温度、湿度或电磁辐射 的影响下分解，其中至少一个分解产物是气体。作为物理的发泡剂例 如可以使用这样的化合物，所述化合物在提高的温度下转换到气态的 聚集态、例如戊烷、丁烷、二氧化碳、氮气或Expancel。

与本发明相结合已经证明特别适宜的是，能发泡的组合物是能热 发泡的并且在温度<250℃，特别是在100℃至230℃、优选140至 200℃时发泡，这里使用化学的发泡剂。特别是已经证明偶氮二甲酰 胺、磺酰肼、碳酸氢盐或碳酸盐作为化学的发泡剂是适宜的。适宜的 磺酰肼是p-甲苯磺酰肼、苯磺酰肼和p,p’氧苯磺酰肼。适宜的碳酸氢 盐是碳酸氢钠。特别优选的发泡剂是p,p’-氧苯磺酰肼。合适的发泡剂 也可以以荷兰公司Akzo Nobel的商品名以美国公司 Chemtura Corp.的商品名或以德国公司Tramaco的商品名 在市场上购得。

除了上面所述的外部的热源，也可以至少部分地通过内部的热源、 例如放热的化学反应供应发泡所需的热量。

在发泡剂的含量方面，对本发明没有任何重要的限制。但已经证 明适宜的是，相对于包含发泡剂的能发泡的组合物，发泡剂的含量为 按重量5至20％，特别是按重量10至18％，特别优选在按重量12 至16％的范围内。在希望组成的膨胀较小的情况下，所述含量也可以 较低，特别是在按重量5至10％的范围内。

能发泡的组合物能够用来制造聚合物泡沫，如上所述，所述能发 泡的组合物可选地包含润滑剂和/或热稳定剂。在一个优选的实施形式 中，能发泡的组合物具有这样的组份，所述组份同时具有润滑剂以及 热稳定剂的特性。在这种情况下可以不再添加另外的润滑剂或热稳定 剂组份。

已经证明，脂肪酸酰胺、脂肪酸以及脂肪酸醇酯特别是适于作为 在能发泡的组合物中同时其润滑剂作用的热稳定剂，这些物质的长脂 肪酸碳链实现了希望的润滑剂效果。这些化合物同时还用作热稳定剂。 已经证明特别适宜的是使用这样的脂肪酸酰胺、脂肪酸和脂肪酸醇酯， 其与脂肪酸或脂肪酸醇有关的部分的链长在6至24个碳原子的范围 内，优选为8至16个碳原子，并且特别是10至14个碳原子。

在本发明的范围内，已经证明除了线性的脂肪链以外还具有硫醚 官能团是特别合适的。最优选的是其中在酸部分存在硫醚官能团的脂 肪酸醇双酯()，特别是硫代二丙酸二月桂酯。 在所述组成中的热稳定剂至少应以这样的量存在，其中，在发泡之后 可以观察到对组成明显的稳定作用，就是说，即使在较高温度(150℃ 或更高)暴露较长时间(10分钟或更长)时泡沫也不会发生显著的体 积减小(10％或更多)。特别是在本发明的范围内已经证明适当的是， 热稳定剂和/或润滑剂相对于总的能发泡的组合物的含量在按重量0.1 至5％的范围内，优选在按重量0.5至3％的范围内。当含量小于按重 量0.1％时，热稳定剂的量不足以使泡沫长时间保持稳定，而当含量多 于按重量5％时，在泡沫在较高温度下长时间暴露时，同样能观察到 泡沫体积的显著降低。

此外已经证明适宜的是，能发泡的组合物在形成泡沫是受到稳定 化作用并被固化。这可以通过添加交联剂来确保，所述交联剂优选由 发泡剂的分解产物激活并触发所形成的泡沫的交联。这里，能发泡的 组合物的交联应在等于或高于能发泡的组合物的发泡温度的温度下才 开始，因为否则能发泡的组合物的交联会在其完全发泡之前进行并由 此不能确保，能发泡的组合物在交联之前例如填满空腔以及使得泡沫 具有紧凑的结构。

在所获得的聚合物泡沫的交联方面，本发明同样不受任何重要的 限制。泡沫的交联特别是可以借助于不与基本聚合物反应的交联剂进 行，例如环氧基交联剂，或者也可以借助于与基本聚合物反应的交联 剂进行。这种交联剂的例子例如是过氧化物交联剂。在本发明的范围 内，利用过氧化物交联剂的交联或利用环氧化物的交联是优选的。

对于利用过氧化物的交联，可以采用传统的有机过氧化物，例如 过氧化二苯甲酰、过氧化二异丙苯、2,5-双(过氧化叔丁基)-2,5-二甲基 己烷、过氧化叔丁基异丙苯、α,α’-双(过氧化叔丁基)二异丙苯-异构体 混合物、双(叔戊基)过氧化物、双(叔丁基)过氧化物、2,5-双(过氧化叔 丁基)-2,5-甲基-3-己炔、1,1-双(过氧化叔丁基)-3,3,5-三甲基环己烷、n- 丁基4,4-双(过氧化叔丁基)戊酸酯、乙基3,3-双(过氧化叔戊基)丁酸乙 酯或过氧化叔丁基-3,5,5-三甲基环己烷。优选的过氧化物是过氧化二 异丙苯。

在使用环氧基交联剂时，已经证明，含环氧基的聚合物与含马来 酸酐基团的聚合物的混合物是特别适宜的。含环氧基的聚合物优选是 乙烯与甲基丙烯酸缩水甘油酯的共聚物，其中缩水甘油基单体的含量 在按重量4至12％的范围内。

包含马来酸酐基团的聚合物优选包括由乙烯、丙烯酸烷基酯、特 别是基于具有2至10个碳原子的烯丙醇的丙烯酸烷基酯以及马来酸酐 组成的三元共聚物。在三元共聚物中马来酸酐的含量优选在1.5至5％ 的范围内。特别优选的是，这两种交联剂成分以2:1至1:2、特别是约 为1:1的比例存在。

已经证明，这种聚合物组合特别是与在加热时释放水或乙醇的发 泡剂相结合是适宜的，因为通过所形成的水或乙醇能够将马来酸酐基 团水解成马来酸，所述马来酸又与包含环氧基的聚合物的环氧基团发 生反应并实现交联。在所述能发泡的组合物中包含含量为按重量1至 25％、特别是在按重量2至18％的范围内并且优选在按重量2至10％ 的范围内的交联剂优选相对于总的能发泡的组合物。但如果使用过氧 化物作为交联剂，则所述交联剂的浓度还可以更低，特别是在按重量 1至5％的范围内、特别优选在按重量1至2％的范围内。

在另一个优选的实施形式中，能发泡的组合物没有交联剂。

此外已经证明有利的是，在所述能发泡的组合物中附加地加入至 少一种热反射剂、至少一种热损失添加剂、至少一种抗冷凝添加剂、 至少一种抗氧化剂、尿素和/或至少一种填充剂。石墨、炭黑和/或钛 氧化物构成适宜的热反射剂。适宜地加入聚合物泡沫中的填充剂是碳 酸钙或滑石，所述填充剂可以以按重量0.5至8％、特别是按重量1 至5％的含量，并且特别优选地以按重量约2％的量包含在聚合物泡沫 中。填充剂例如可以作为成核剂添加，以便改善发泡。适当的抗氧化 剂例如是位阻酚。

本发明的实施不仅限于上面所述的例子和方面，而是也可以有大 量的变型，这些变型处于本领域技术人员可掌握的范围内。

附图标记列表

10              手持挤出机

11              原料(颗粒)

11’            被激活的材料

12              漏斗

13              蜗杆缸

14              输送蜗杆

15              电机

16              传动装置

17              喷嘴

17a至17e        喷嘴部段

18              加热装置

19              开口

20              挤出机壳体

21              操作装置

22              开关控制装置

23              附加部件

24              喷嘴部件

24a至24f        喷嘴部件的模块

25              固定螺栓