DE2348658C3

DE2348658C3 - Verfahren zum Füllen von Formwerkzeugen mit Reaktionsgemischen

Info

Publication number: DE2348658C3
Application number: DE2348658A
Authority: DE
Inventors: Heinrich 5670 Opladen Boden; Ulrich Dr. 5072 Schildgen Knipp
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1973-09-27
Filing date: 1973-09-27
Publication date: 1980-10-09
Also published as: DE2348658A1; CA1034326A; LU70992A1; NO143091C; DK141688B; CH576333A5; JPS5061462A; US3991147A; GB1472612A; FR2246375A1; AT341763B; SE7412131L; ES430449A1; DE2348658B2; DK141688C; DK507074A; BR7407938D0; NL7412818A; AU7373774A; FR2246375B1

Description

Herstellung sehr großer Teile unter Verwendung solcher Reaktionsgemische, welche sehr reaktiv sind, nicht möglich. Weiterhin ist es auch damit nicht möglich, extrem reaktive Systeme mit Startzeiten um 1 see, also auch mit Formfüllzeiten unter 1 see, bei kleinen und mittelgroßen Formteilen anzuwenden. Diese Beschränkung der genannten Füllweise auf mäßig aktivierte Systeme ist deswegen besonders nachteilig, da dies die Möglichkeit verschließt, die extrem kurzen und damit wirtschaftlichen Verweilzeiten im Formwerkzeug zu realisieren, wie es nur mit den extrem reaktiv eingestellten Formulierungen möglich ist.

Es wurde dargelegt, daß der laminare Eintrag des Reaktionsgemisches in das Formwerkzeug voraussetzt, daß das Reaktionsgemisch über den genannten Füllspalt auf die untere, leicht geneigte Formwerkzeughohlraumfläche geleitet wird. Damit dies in jedem Falle angewendet werden kann, muß das Formwerkzeug entsprechend seiner Gestalt und entsprechend der nur selten frei zu wählenden Lage der Formteiltrennebene für den Füllprozeß räumlich angeordnet werden. Dies bedeutet, daß heute nahezu alle Formwerkzeuge in einer empirisch zu ermittelnden bevorzugten Lage gefüllt werden müssen. Für die industrielle Herstellung bedeutet dies, daß im Raum beliebig anzuordnende Schwenkpressen das Formwerkzeug halten müssen. Diese Schwenkpressen erfordern einen hohen Aufwand an Verstellbarkeit, Tragkraft und Platzbedarf und machen das Polyurethan-Reaktionsspritzgußverfahren daher in dieser Hinsicht den anderen Kunstsfoff-Formgebungsverfahren unterlegen.

Als nachteilig für das genannte Verfahren ist der maschinelle Aufwand für die Einrichtung der Schwenkpressen und die Begrenzung der Einfließgeschwindigkeit über einen Spalt anzusehen; in besonderem Maße ist es jedoch nachteilig, daß der genannte Angußkana! einschließlich Angußfilm als Abfall gewertet werden muß, da Angußkanal und Angußfilm bei jedem Formfüllprozeß wiederum anfallen und nicht wieder aufgearbeitet werden können. Dies bedeutet, daß z. B. bei der Hei stellung eines Formteils von 5 kg Gewicht mit nicht wieder regenerierbaren Abfällen von 200 bis 600 g, je nach Aktivität des eingesetzten Polyurethan-Systems, gerechnet werden muß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, bei dem auf komplizierte Schwenkpressen zum Einstellen der optimalen Formwerkzeuglage verzichtet werden kann und bei dem der im Angußkanal verbleibende Materialrest unerheblich ist und das insbesondere den Einsatz hochreaktiver Reaktionssysteme erlaubt, damit die Formbelegungszeilen herabgesetzt werden können.

Diese Nachteile werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch vermieden, daß die Wandstärke 5 des Formteils im Bereich der Einlaßöffnung und zur Zeit des Gemischeintrages zwischen 0,5 und 15 mm beträgt und diese Wandstärke 5 in mm sowie die radiale Verteilgeschwindigkeit w_ra(jiai des Reaktionsgemisches in m/sec zwischen Einfüllöffnung und gegenüberliegender Formwandung und die Viskosität, des Reaktionsgemisches in mPas der Beziehung genügt:

(m/scc) · s (mm)
//(mPas)

< 0,5 .

Schlüsse, die Lunker und Fehlstellen auf der Oberfläche verursachen, vermieden.

Dabei »rgibt sich die radiale Verteilgeschwindigkrit des Reaktionsgemisches nach der Formel:

^r'"^ilal F Us π ■ d ■ s '

wobei bedeuten:

Q = Einfüllmenge an Reaktionsgemisch in mVsec,

F = zylinderförmige Abströmfläche zwischen Einlauföffnung und gegenüberliegender Wandung,

d = Durchmesser der Einfüllöffnung (bzw. des Angußkanals) in mm,

5 = Wandstärke des Formteils im Bereich der Einlaßöffnung zur Zeit des Gemischeintrages in mm.

Da die Viskosität des Reaktionsgemisches aus Gründen der Reaktionsgeschwindigkeit nicht unmittelbar meßbcr ist, muß die Viskosität aus den zugehörigen Komponenten ermittelt werden, ·. Λ zwar nach der Funnel:

+ G„

wobei bedeuten:

■^Gemisch G_A

Viskosität des Gemisches
Gewichtsteüeder Komponente A
Gewichtsteüeder Komponente B
Viskosität der Komponente A
Viskosität der Komponente B

Werden die genannten Bedingungen erfüllt, so werden mit ziemlicher Sichel r.eit die gefürchteten Luftein· In analoger Weise läßt sich auch die Mittelwertformel für die Viskosität des Gemisches für mehr als zwei ii Reaktionskomponenten aufbauen.

Die Viskositäten werden vorzugsweise mit einem Höppler-Viskosimeter gemessen, wie es beschrieben ist in DIN 53 015, »Messung der Viskosität mit dem Kugelfallviskosimeter« (nach Höppler).
•to Verfährt man nach den angegebenen Bedingungen, so erreicht man mit ziemlicher Sicherheit Formteile, die ke.iie Luftblaseneinschlüsse in Form von Lunkern oder Oberflächenfehlern aufweisen.

Vorzugsweise, und zwar insbesondere bei sehr hochreaktiven Reaktionsgemischen, erfüllt man aus Gründen erhöhter Sicherheit die Beziehung

Wradiai (m/sec) ■ s (mm)
,,„ »/(mPas)

In gleicher Weise trägt man zur Optimierung des Verfahrens für höchste Ansprüche bei, indem man vorzugsweise die Wandstärke 5 des Formteils zwischen 1 und 8 mm wählt.

Weiterhin hat ;ioh gezeigt, daß der Eiiisnömwinkel von Einfluß ist. Nach einer besonderen Durchführungsform des Verfahrens schließt deshalb der Angußkanal mit der der Einfüllöffnung gegenüberliegenden Fläche

bo der Formwandung einen Winkel zwischen 60° und 90^c ein. Vorzugsweise wählt man jedoch den Winkel zwischen 75° und 90°. Auch diese Maßnahmen dienen der Optimierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere im Zusammenhang mit hochreaktiven

hi Reaktionsgemischen.

Das erfinclungsgeinäße Verfahren sei anhand einer Zeichnung in verschiedenen Ausführungsbeispielen nachstehend näher erläutert. Es zeigen jeweils im

Schnitt und ausschnilKwrisr ilrn lirrrich tier Kinliidciff niingdcs Formwerkzeugs:

Fig. I ein formwerkzeug, hei dem die Wandstärke des Formtcils im Dereich der Einlaßöffnungen den Forderungen direkt entspricht.

F-"ig. 2 ein Formwerkzeug mit einer einstellbaren Platte zur Korrektur der Wandstärke des Formtcils im Einlaßbereich.

F ig. 3 und F-" i g 4 zeigen verminderte Wandstärken iin Finlaßbercieh mit unterschiedlichen Übergängen zu einer normalen Wandstärke,

F i g. 5 ein Formwerkzeug, bei dem die Einfüllöffnung in einpr Ecke desselben angeordnet ist.

F i g. 6 einen Schnitt gemäß Linie Λ-fl in F-" i g. 5 mit kreisförmiger Einlaßöffnung, und

Fig. 7 einen Schnitt gemäß Linie A-B' in F i g. 5, jedoch mit rechteckiger Einfüllöffnung.

Die Vorrichtung nach Fig. I ist anwendbar für Formteile der Wandstärke im Bereich von 0.5 bis 15 mm. Sie läßt sich darüber hinaus auch für die Herstellung dickerer Formteile dann anwenden, wenn im Bereich der Einfüllöffnung die Wandstärke in den erfindungsgemäß genannten Maßen gehalten wird oder wenn zumindest während des Einfüllvorganges durch eine geeignete Vorrichtung (F i g. 2) die WandiJicke der F.inströmöffnung in den erfindungsgemäß genannten Grenzen gehalten wird. Eine geeignete Vorrichtung, während des Einfüllvorganges die Wandstärke in den genannten Maßen zu halten, ist beispielsweise nach F i g. 2 ein verschiebbarer Zylinder oder eine Membrane, welcher während des Einfüllvorganges die vergleichsweise niedrigen Wanddicken einhält und unmittelbar nach der Beendigung des Einfüllvorganges auf die endgültige Wandstärke zurückweicht. Dabei tritt aus einer Einfüllöffnung 1 das Reaktionsgemisch in den Formhohlraum 2 ein, der die Wandstärke s besitzt. Die Platte 3 befindet sich hierbei in der gezeichneten Position, in der sie durch eine hydraulische Kolben-Zylinder-Einheit 4 gehalten wird. Die Platte 3 ist in ihren den Formhohlraum 2 begrenzenden Flächen so ausgelegt, daß die Fließfront des Reaktionsgemisches beim Austritt aus dem Hohlraumbereich mit der Dicke 5

(Ji I ΙΙΙ/ΛΙ;*. HUl. Γ* (11-I I

Füllende wird die Platte 3 mit Hilfe der Kolben-Zylinder-Einheit 4 in die obere Totpunktlage gefahren.

In F i g. 3 sind Dickenunterschiede im Formhohlraum gezeigt, bei dem ebenfalls im Bereich des Überganges geringerer in größere Stärke die Verteilgeschwindigkeit des Reaktionsgemisches HVruii 1 m/secist.

In Fig. 4 geht das Formteil von dem Angießkanal 5 im Bereich geringer Stärke τ »weich« in einen Bereich größerer Stärke uDer. Al..; üiese Lösung führt bei Formwerkzeugen mit entsprechender Formhöhlung zu positiven Angießergebnissen.

In F i g. 5 bis 7 ist die Einfüllöffnung 6 an einer Kante (F i g. 6) und in einer Ecke (F i g. 7) des Formhohlraumes angeordnet. Die Einfüllöffnungen 1 sind hier rund (Fig. 6) bzw. quadratisch (Fig. 7) ausgebildet. Sie können auch, wie in F i g. 7 dargestellt, dem Verlauf der Kanten des Hohlraumes angepaßt sein, alsc rechteckig, oval oder geschwungen ausgeführt sein.

Die folgenden Ausführungsbeispiele belegen den erfindungsgemäßen Effekt:

Beispiel 1

Folgende Polyurethan-Formulierung fand Einsatz (elastische Einstellung):

Komponente Λ mil » — ^r>(>() ml'üs bei 20 ( 88 (jew. Teile l'olyäthcrpoUol H (iew.-Teile Trichlormonofluormet 4 (iew.-Teile Mcthylerichlorid

Komponente B mit ;/ = 50 inPasbei 20 C C a rbodi im id-modifizier I es
4,4'-Diphenyl met ha ndiisocy a na t. NCO Gehalt: 30%

Rezeptur:

100 Gew.-Teile Komponente Λ 45 Gew.-Teile Komponente Il

Ermittlung der Viskositätsrechengröße: I (X) 5(M) f 45 ■ 50

'„,,„„.,,, = 36OmPas

Die Viskositäten der Einzclkomponenien wurden mi einem Höppler-Viskosimeter ermittelt.

Einfüllbedingungen:

Wandstärke s = I mm

F-'üllmenge von 20 l/min durch einen Einfüllkana von 10 mm 0 senkrecht auf die gegenüberliegetuk Form wandung wviditi = 10,6 m/sec η = 360mPas

Die Einfüllkanalachsc liegt horizontal. Das Formtei ist absolut blasenfrei.

Kennwertüberprüfung:

vv .s _ 10.6 I

„ 360

w · s

= 0.029

Beispiel 2
Folgende Polyurethan-Formulierung mit harter Ein

MCIlUIl^ IdIIU dllädll..

Komponente A mit η = 800 mPas bei 20^c C 100 Gew.-Teile eines Polyäthergemisches,

OH-Zahl500
12 Gew.-Teile Trichlormonofluormethan

Komponente B mit η = 200 mPas bei 20°C modifiziertes 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat, NCO-Gehalt:28%

Rezeptur:

Π2 Gew.-Teile Komponente A 150 Gew.-Teile Komponente B

Ermittlung der Viskositätsrechengröße:

112 · 800

I 50 · 200

■■«,c^ch ₂₆₂

>_i(].^_ch = 456 m Pas

Einfüllbedingungen:

Die Wanddicke s beträgt 13 mm; durch einer

PinfitllUonol y/\n ~>(\ mm fj*t iirorrlon 9ΛΑ l/mjn Ufltwi

einem Winkel von 80° auf die gegenüberliegende Formwandung eingefüllt. Die Einfüllkanalachse

\erl.tufl vertikal, tilt· I miiillnchuing ist dal···! nach union gerichtet.

Ii.., ι.,, = 4.05 msec;
ί -15 itiiii:

// - 4 5 ή in Pns

Diis Formteil ist blasenfrei.
Ko'Hiiwi."'. 'jberpriifung:

u s 4.05 I '

456

" ^S - 0.1 LV

15 f i s ρ ι e I i

Folgende Polyurethan-Formulierung mit harter Finstcllung fand Einsatz:

Hi (lew.-Teile eines Diamins

17 Gew.-Teile Trichlornionofluormethan

Komponente limit η = 2.050 mPas bei 20 C
84 (low.-Teile eines TDI-Prcpolymeren.

NCO-Gehalt:12%
Ib Gew.-Teile Trichlornionofluormethan

Rezeptur:

100 Gew.-Teile Komponente Λ
208 Gew.-Teile Komponente B

KK) · 2.VX) -» 208 ■ 2050

'..,„■.,..Η - ²^- mPas

Einfüllbcdingungen:

Wandstärke s = 3.8 mm

Die Füllmenge von 15 l/min wird durch den senkrecht zur Formwandung stehenden Einfüllkanal von 9 mm 0 geleitet. Die Achse des Einfü'lkanals verläuft unter einem Winkel von 45" nach unten. Die Einströmgeschwindigkeit w_rad,_ai beträgt 2,j m/sec.
Das Formteil war einwandfrei.

Die

().(K)4I

Beispiel 4
>rmii|ierung entspricht derjenigen nach Beispiel

2. Die Einströmgeschwituligkeit ist ιι,.,,ΐι.,ι = 22A m/sec: tier l-linfüllkiinal ist senkrecht auf die gegenüberliegende Wand gerichtet. Die Achse des Kinfüllkanals verläuft unter 45 . Die Wanddicke beträgt * = 5.8 mm. Das Formteil zeigt verein/eilen l.uftblaseiieinschhig.

Kenn wcrtübcrprüfung:

η- s 22.4 - 5.8

= 0.357

(5 e i s ρ i e I 5

Die Formulierung entspricht derjenigen gemäß Beispiel 2. Die Bedingungen sind unter Verwendung des Formwerkzeuges nach Beispiel 4 dahingehend geändert, daß die F.inströmgcschwindigkeit uv.„!,.,i 19.8 m/sec beträgt und daß die Wandstärke im Angußbercii h reduziert wird auf λ = 4 mm in einem Radius von 60 mm um die Finfüllöffnung. Der Einsatz im Werkzeug erreicht die Wanddickc von s = 5.8 mm beim Radius 100 mm um die Einfüllöffnung.

Das Teil ist absolut blascnfrei.

Kennwertüberprüfung:

η s __ 19.8 4

^WS- = 0.22

bei einer weiteren Reduzierung der tinströmgeschwindigkeit auf 14 m/sec blieb das Teil einwandfrei.

Hierzu 2 Blatt ZeiclinuiiHcn

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Füllen von Formwerkzeugen mit Reaktionsgemischen im Viskositätsbereich von 100 mPas bis 2500 mPas, insbesondere auf Basis von Rohstoffen für Polyurethan-Kunststoffe, wobei das Reaktionsgemisch durch einen Angußkanal in einen geschlossenen Formhohlraum auf die der Einfüllöffnung gegenüberliegende Formwandung geleitet wird und sich radial abfließend im Formhohlraum verteilt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke s des Formteils im Bereich der Einlaßöffnung und zur Zeit des Gemischeintrags zwischen 0,5 und 15 mm beträgt und diese i; Wandstärke s in mm sowie die radiale Verteilgeschwindigkeit Wmdiai des Reaktionsgemisches in m/sec zwischen Einfüllöffnung und gegenüberliegender Formwandung und die Viskosität η des Reaktionsgemisches in mPas der Beziehung genügt:

'^radial (ny'SCC) · S (Πϋΐι)

»/ (mPas)

< 0,5

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Angußkanal mit der der Einfüllöffnung gegenüberliegenden Flärhe der Formwandung einen Winkel zwischen 60° und 90° einschließt.

JO

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Füllen von rormwerkzeugen mit Reaktionsgemischen im Viskositätsbereich von 100 mPas bis 2500 mPas, insbesondere auf Basis von Rohstoffen für Polyurethan-Kunststoffe, beispielsweise für solche auf Basis von ungesättigten Polyesterharzen oder Epoxidharzen oder Polyisocyanuratharzen, wobei das Reaktionsgemisch durch einen Angußkanal in einen geschlossenen Formhohlraum auf die der Einfüllöffnung gegenüberliegende Formwandung geleitet wird und Sich radial abfließend im Formhohlraum verteilt.

Nachdem man in der Zwischenzeit gelernt hat, Sogenannte Polyurethan-Integralschaumstoffe herzu-Stellen, wobei eine massive Deckschicht und ein mikroporöser Kern in einem Arbeitsgang erzeugt wird, erweist es sich als das größte Problem, diese Polyurethan-Integralschaumstoffe blasen- und lunker-Irei ohne Oberflächenfehler reproduzierbar herzustellen. Als Voraussetzung für die Herstellung von blasenfreien und damit fehlerfreien Formteilen konnte twischenzeitlich beobachtet werden, daß das mittelviskose Reaktionsgemisch in den üblichen Viskositäten etwa zwischen 300 und 1200 mPas ohne Luftblasenein-Schlüsse in das Formwerkzeug eingetragen werden muli. Einmal im Reaktionsgemisch befindliche Luftblasen können in den kurzen Reaktionszeiten aus dem fteaktionsgemisch nicht mehr entweichen und verbleiben als Lunker und Fehlstellen im gefertigten Formteil, Noch ungünstiger wirken sich diejenigen Fehlstellen aus, bei denen sich Luftblasen auf der Oberfläche des Formteils ansammeln. Solche Formteile können nicht mehr als Sichtteile Verwendung finden. Da man solche Fehler nur in den seltensten Fällen durch aufwendige Nachbearbeitung egalisieren kann, ist die Ausschußquote infolge von Luftblaseneinschlüssen bei Integralschaumteilen heute leider noch sehr hoch.

Es hat nicht an Maßnahmen gefehlt, dieses die Qualität und damit die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens stark beeinträchtigende Phänomen auszuschalten.

Im einfachsten Falle hilft man sich dadurch, daß man das Reaktionsgemisch in das offene Formwerkzeug derart langsam einfließen läßt, daß es über eine möglichst leicht geneigte Ebene der tiefsten Stelle im Formwerkzeug laminar zufließt Dabei muß jedes Überwälzen und jedes kaskadenartige Fließen vermieden werden. Verständlich ist es, daß eine solche Methode nicht für eine rationelle Fertigung geeignet ist. Diese geschilderte Methode verlangt verläßliches, geschicktes Personal und setzt ein Reaktionssystem voraus, das eine lange sogenannte »Startzeit« aufweist. Die Startzeit ist bekanntlich die Zeit in der flüssigen Phase bis zum Beginn des Aufschäumens des Reaktionsgemisches. Bei der Durchführung des geschilderten Verfahrens muß mit einer sehr langen Belegungszeit der teuren Formwerkzeuge gerechnet werden, so daß sich ein hoher Werkzeugkostenanteil bei den Produktionskosten ergibt.

Oftmals ist es nicht möglich, das Reaktionsgemisch in das offene Formwerkzeug einzufüllen, weil die Formtrennebene so tief liegt, daß das Reaktionsgemisch aus der Formhöhlung ausfließen würde oder aber weil das Reaktionsgemisch schneller aufschäurrt und verfestigt, als das Werkzeug geschlossen werden kann. Aus diesem Grunde wird das Füllen des geschlossenen Werkzeuges durch eine öffnung angestrebt, welche nach dem Reaktionsgemischeintrag wieder geschlossen wird.

Beim senkrechten Fall des Reaktionsgemisches durch die Eintrittsöffnung auf den Formwerkzeugboden zeigte es sich, daß hierbei wieder Luft in den flüssigen Strahl eingeschlagen wird, wodurch wiederum die besagten Fehlstellen auftraten.

In Anlehnung an den manuellen Eintrag des Reaktionsgemisches in das offene Formwerkzeug hinein auf eine leicht geneigte Oberfläche fand man schließlich eine Methode, diese t'vünschte laminare FJntragsweise auch auf das geschlossene Formwerkzeug unter reproduzierbaren Bedingungen zu übertragen:

Das Reaktionsgemisch wird durch einen kreis- oder halbkreisförmigen Kanal innerhalb der Formwerkzeugtrennebene an die Formwerkzeughöhlung herangebracht und über einen Spalt von 3 bis 10 mm Breite und 1 bis 2 mm Spaltdicke auf die untere, leicht geneigte Formwerkzeugfläche geleitet Diese Arbeitsweise ist unter dem Begriff »Filmanguß« bekannt geworden und auch einer Automatisation zugänglich.

Sei der angeführten Methode beträgt die Spaltlänge und damit auch die minimale Kanallänge bei Teilen von einem Formteilgewicht von 7 kg ca. 500 mm. Die Spaltlänge muß mit zunehmendem Formteilgewicht größer werden, insbesondere dann, wenn höhere Reaktivitäten des Systems gewählt werden. Als günstiges Maß für die Eintragsgeschwindigkeit im Filmspalt hat sich eine Durchflußgeschwindigkeit von 1 m/sec. erwiesen, in Ausnahmefällen wurden auch maximale zulässige Geschwindigkeiten von 3 m/sec, beobachtet. Diese Praxiswerte beziehen sich auf Viskositäten eines Reaktionsgemisches von 600 mPas.

Die genannte Bedingung, nämlich Einströmen über einen Spall von 1 bis 2 mm bei maximaler Einströmgeschwindigkeit von I m/sec. stellt eine sehr beachtliche Limitierung des Verfahrens dar: Extrem hohe Dosiermengen können nicht realisiert werden. Dadurch ist die