Nukleierungseinheit für kontinuierliche Sandwichplatten-Produktionslinien
Das POFI-Engineering-Konzept
Polyurethanschaum ist im Wesentlichen eine Zellkunststoff-Anordnung. Die Eigenschaften dieser Matrix hängen im Wesentlichen von zwei Faktoren ab:
Struktur
und Zusammensetzung. Die Zellstruktur wird durch die Einwirkung von Treibmitteln erreicht. Je feiner und homogener die Struktur, desto besser sind die mechanischen Eigenschaften des Polyurethanschaums. Auch die chemische Zusammensetzung spielt eine wichtige Rolle für seine mechanische Festigkeit. Eine stöchiometrisch homogene Mischung verleiht Polyurethanschaum optimale mechanische Eigenschaften. Die Nukleierung (Luft, Stickstoff oder CO2) ist ein noch wenig genutzter Aspekt der mechanischen Expansion. Bei der Zellbildung mit physikalischen Mitteln ist die Gasphase des Zellkunststoffs chemisch identisch mit der des Treibmittels. Diese Technik stieß in der Praxis auf Schwierigkeiten, die kürzlich durch die Integration der Mischbarkeit von Gasen in eine Flüssigkeit durch Druckvariationen in Kombination mit einem Hochleistungs-Misch- und Homogenisierungssystem gelöst wurden.
Direkte Auswirkungen der Keimbildung:
Einfluss auf die chemische Zusammensetzung:
Das Prinzip der Nukleierung besteht darin, die Zellstruktur des Schaums durch eine Reihe kombinierter Maßnahmen am Polymix (Mischung aus Polyol und Additiven) zu verfeinern. Eine bessere Vermischung des Polyols mit seinen Additiven und die Einbindung der Luft in feinste Partikel erhöht dessen Reaktivität, was die Qualität der Isocyanat-Polyol-Mischung deutlich verbessert und somit die Stöchiometrie der Reaktion optimiert. Diese Funktion ermöglicht somit eine bessere Vernetzung, was die mechanischen Eigenschaften des Polyurethanschaums verbessert. Dadurch kann die für die Reaktion benötigte Katalysatormenge reduziert werden.
Wirkung auf die Zellstruktur:
Die Festigkeit der Matrixstruktur hängt auch von der Feinheit der Blasen und ihrer gleichmäßigen Verteilung ab. Die Nukleation kombiniert verschiedene physikalische Prozesse, die dazu führen, dass die Blasen in sehr feine und präzise Partikel zerplatzen und so die Struktur der Matrix erheblich verbessern.
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Bedeutung der Luftkeimbildung im Hartschaum:
Für die Herstellung von Polyurethan-Hartschaum werden zwei flüssige Hauptkomponenten benötigt: ein Polyisocyanat und ein Polymix (Polyol und Treibmittel). Das Treibmittel wird dem Polyol typischerweise zusammen mit weiteren Hilfskomponenten wie Aktivatoren (Reaktionsbeschleunigern), Schaumstabilisatoren und Flammschutzmitteln zugesetzt.
Die Reaktion findet beim Mischen der beiden Komponenten statt. Dabei wird viel Wärme freigesetzt, die zum Verdampfen der im Polyol enthaltenen Treibmittel genutzt wird. Diese Verdampfung bildet in Kombination mit der chemischen Reaktion den Schaum. Dem Polyol wird üblicherweise Wasser in unterschiedlichen Mengen zugesetzt. Das Wasser reagiert mit dem Isocyanat zu Polyharnstoff und Kohlendioxid, das als Co-Treibmittel dient. Als primäres Treibmittel ist dem Polymix etwas Luft beigefügt. Die Polymerisationsreaktion erzeugt festes Polyurethan. Durch die Bildung von Gasblasen im Polymerisationsgemisch, oft als „Blowout“ bezeichnet, entsteht der Schaum.
Die einzelnen Zellen im Schaum sind durch dünne Polymerwände voneinander isoliert, die den Gasfluss durch den Schaum effektiv verhindern. Diese Materialien bieten im Verhältnis zu ihrem Gewicht eine gute strukturelle Festigkeit und gleichzeitig hervorragende Wärmedämmeigenschaften. Die Zellen enthalten ein Gasgemisch, und je nach Beschaffenheit weisen die Abmessungen und Proportionen der Schäume unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten auf. Um die Leistung langfristig zu erhalten, müssen die Gase mit geringer Wärmeleitfähigkeit in den Zellen verbleiben; daher müssen mehr als 90 Prozent der Zellen geschlossen sein.
Dies zeigt, dass guter Schaum das Ergebnis zweier Komponenten ist: Struktur und Zusammensetzung.
Die Zusammensetzung wird vom Rohstofflieferanten entwickelt. Wir konzentrieren uns auf die mechanische Komponente, die Schaummatrix.
Es gibt verschiedene Theorien zur Schaumentwicklung. Die meisten basieren auf der Keimbildung während der Entwicklungsphase. Es scheint, dass alle Zellen im fertigen Schaum bereits in der frühen Entwicklungsphase vorhanden sind, wenn die Rohstoffe im Mischkopf gemischt werden; die Reaktion löst die Bildung keimbildender Luftblasen im Polymix aus.
Die dispergierten Gasblasen wachsen durch die Expansion des expandierenden Gases. Dieser Prozess setzt sich fort, bis die sphärischen Zellen in der flüssigen Matrix stärker verdichtet sind. Wenn die sphärischen Zellen miteinander in Kontakt kommen, wandeln sie sich in polyedrische Zellen um. Der Schaum erreicht seine endgültige Struktur und eine gute Massenverteilung am Ende der Drahtbildungszeit.
Je homogener und feiner die Struktur, desto besser sind die mechanischen und isolierenden Eigenschaften des Polyurethanschaums.
Heute werden die Vorteile der Luftkeimbildung noch selten für die mechanische Expansion genutzt, wobei der Polymix etwa 8 bis 12 % Luft enthält. Bei der Zellbildung mit physikalischen Mitteln ist die Gasphase des geschäumten Kunststoffs chemisch identisch mit der des Treibmittels. Diese Technik stieß auf Schwierigkeiten bei der Umsetzung, die kürzlich durch die Berücksichtigung der Mischbarkeitsfunktion von Gasen in einer Flüssigkeit über eine Reihe von Druckvariationen in Verbindung mit einem Hochleistungs-Misch- und Homogenisierungssystem gelöst wurden. Mit diesem System können wir einen Luftkeimbildungsgrad von etwa 65 % ohne Kavitation der Hochdruckpumpe hinzufügen; das Ergebnis ist eine gleichmäßigere Matrix und ein homogenerer Schaum.
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