PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005039976A1 08.03.2007
Titel Partikel aus expandierbarem Polystyrol und daraus erhältliche Formteile mit verbessertem Brandverhalten
Anmelder BASF AG, 67063 Ludwigshafen, DE
Erfinder Allmendinger, Markus, Dr., 67480 Edenkoben, DE;
Hahn, Klaus, Dr., 67281 Kirchheim, DE;
Schmied, Bernhard, Dr., 67227 Frankenthal, DE;
Holoch, Jan, Dr., 69181 Leimen, DE;
Antonatus, Edith, 67112 Mutterstadt, DE;
Winter, Dominik, Dr., Shanghai, CN
DE-Anmeldedatum 23.08.2005
DE-Aktenzeichen 102005039976
Offenlegungstag 08.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.03.2007
IPC-Hauptklasse C08J 9/224(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C08J 9/228(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   C09D 4/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   C09K 21/14(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B29C 44/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B32B 15/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft Partikel aus expandierbarem, vorgeschäumtem Polystyrol, die nach dem Vorschäumen eine Schüttdichte gemäß DIN EN ISO 60 von 5 bis 50 g/l aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Partikel mit mindestens einer Verbindung A beschichtet ist, die chemisch gebundenes Wasser enthält oder bei Temperaturen über 40°C Wasser abspaltet; ein Verfahren zur Herstellung dieser Partikel; Formteile aus den Partikeln und Verfahren zur Herstellung der Formteile.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Partikel aus expandierbarem, vorgeschäumtem Polystyrol, die nach dem Vorschäumen eine Schüttdichte gemäß DIN EN ISO 60 von 5 bis 50 g/l aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Partikel mit mindestens einer Verbindung A beschichtet ist, die chemisch gebundenes Wasser enthält oder bei Temperaturen über 40°C Wasser abspaltet.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Partikel mit folgenden Schritten:

  • a) Vorschäumen von Partikeln aus expandierbarem Polystyrol, wobei man vorgeschäumte Partikel mit einer Schüttdichte gemäß DIN EN ISO 60 von 5 bis 50 g/l erhält, und
  • b) Beschichten der erhaltenen Partikel mit den eingangs definierten Verbindungen A.

Die Erfindung betrifft weiterhin Formteile aus Polystyrolschaum, erhältlich aus den Partikeln, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Formteile durch Verpressen, dadurch gekennzeichnet, dass man

  • I) die eingangs definierten Partikel in eine gasdurchlässige Form einfüllt,
  • II) die eingefüllten Partikel in der geschlossenen Form unter Volumenreduktion zu einem Pressling verpresst,
  • III) den Pressling durch Temperieren auf 20 bis 100°C aushärtet, und
  • IV) das erhaltene Formteil aus der Form entnimmt.

Ebenfalls Erfindungsgegenstand ist ein Verfahren zur Herstellung der Formteile durch Ausschäumen, dadurch gekennzeichnet, dass man

  • i) die eingangs definierten Partikel in eine gasdichte Form einfüllt,
  • ii) die eingefüllten Partikel in der geschlossenen Form durch Temperieren auf 60 bis 120°C ausschäumt, wobei die Partikel zu dem Formteil verschweißen, und
  • iii) das erhaltene Formteil aus der Form entnimmt.

Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung der Formteile im Bauwesen, sowie Konstruktionselemente im Bauwesen, erhältlich durch Aufbringen einer einseitigen oder beidseitigen Deckschicht aus Metall auf die obigen Formteile.

Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Konstruktionselemente, dadurch gekennzeichnet, dass man auf die genannten Formteile einseitig oder beidseitig eine Deckschicht aus Metall aufbringt.

Schaumstoff-Formteile aus expandiertem Polystyrol sind sogenannte Partikelschäume und werden in der Regel in einem mehrstufigen Verfahren hergestellt. Zunächst stellt man expandierbares Polystyrol (EPS) her, was nach verschiedenen Verfahren erfolgen kann:

  • A) durch Suspensionspolymerisation von Styrol oder anderer vinylaromatischer Monomere bzw. Comonomere in Gegenwart von Treibmitteln, wodurch unmittelbar treibmittelhaltige EPS-Partikel entstehen
  • B) durch Imprägnieren von treibmittelfreien Polystyrolpartikeln mit dem Treibmittel unter Druck in einer erhitzten Suspension, wobei das Treibmittel in die erweichten Partikel diffundiert; beim Abkühlen der Suspension unter Druck erhält man treibmittelhaltige EPS-Partikel
  • C) im sog. Extrusionsverfahren durch Einmischen des Treibmittels in eine Polystyrolschmelze mittels eines Extruders oder einer anderen Mischvorrichtung; die treibmittelhaltige Schmelze wird unter Druck ausgetragen und z.B. mittels Unterwasserdruckgranulierung zu EPS-Partikeln granuliert.

Die erhaltenen Partikel können kompakt (dies ist bevorzugt) oder bereits in geringem Ausmaß angeschäumt sein.

Bei dem anschließenden sog. Vorschäumen werden die treibmittelhaltigen EPS-Partikel durch Erwärmen expandiert und man erhält treibmittelhaltige, partiell expandierte Partikel. Diese vorgeschäumten Partikel werden üblicherweise zwecks teilweisem Austausch des Treibmittels gegen Luft zwischengelagert. Schließlich wird beim sog. Ausschäumen eine dem gewünschten Schaumstoffkörper entsprechende Form vollständig mit den zwischengelagerten Partikeln gefüllt, verschlossen und erhitzt. Dabei expandieren die Partikel nochmals und verschweißen miteinander zu dem fertigen Formkörper aus EPS-Schaumstoff (Partikelschaum).

Aus vorgeschäumten EPS-Partikeln hergestellte Schaumstoffplatten werden u.a. im Bauwesen verwendet, beispielsweise zur Wärmedämmung von Kellern, Außenwänden und Dächern bei Gebäuden. Eine spezielle Anwendung sind structural insulation panels (SIP). Sie bestehen aus einer wärmedämmenden inneren Schicht (Kern), und einer darauf angebrachten Deckschicht aus Metall, beispielsweise Aluminium oder Stahl. Die Metalldeckschicht kann auf einer Seite oder bevorzugt auf beiden Seiten der dämmenden Kernschicht angebracht sein und wird in der Regel durch Verkleben mit der Kernschicht verbunden. Durch die Metalldeckschicht erhöht sich die mechanische Festigkeit der SIP. Die SIP werden als Fassadenverkleidung, oder in selbsttragenden Konstruktionen verwendet, beispielsweise zur zeitsparenden Errichtung von Kühlhäusern oder Lagerhallen.

Die Kernschicht besteht üblicherweise aus Polyurethanschaum, Mineralwolle oder Polystyrolschaum. Letzterer zeichnet sich durch einfache Verarbeitbarkeit und geringe Einsatzstoffkosten aus und behält sein gutes Dämmvermögen auch über lange Zeiträume. Allerdings kann im Brandfall der Polystyrolschaum erweichen, schmelzen oder sicht entzünden und so die mechanische Stabilität der SIP beeinträchtigen.

Die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung Az. 102004043837.4 vom 08.09.04 offenbart Bodenausgleichsschüttungen enthaltend Polymerschaumpartikel, beispielsweise aus vorgeschäumten, expandierbaren Styrolpolymeren, und Polymerbindemitteln, z.B. Acrylatharzen oder wässrigen Polymerdispersionen.

WO 2004/046232 A1 lehrt Schäume mit verbesserter Brandbeständigkeit, die aus phenolischen Harzen und darin verteilten thermoplastischen Mikrokugeln bestehen. Die Mikrokugeln bestehen aus einem Treibmittelkern und einer Hülle aus Nitrilmonomer und ggf. Styrol oder anderen Comonomeren, und liegen in expandierbarer oder expandierter Form vor. Diese Schäume zeigen eine vergleichsweise hohe Wasseraufnahme, was ihr Dämmvermögen vermindert.

WO 02/064672 A1 beschreibt einen Polymerschaum aus einem geschäumten phenolischen Harz bzw. Phenol/Furan-Harz und darin dispergierten Partikeln aus geschäumtem Polystyrol, sowie die Verwendung dieses Polymerschaums zur Herstellung von mit einer Stahldeckschicht versehenen Konstruktionselementen für Kühlhäuser. Auch diese Schäume können unvorteilhaft viel Wasser aufnehmen.

Aus der GB 2 362 586 A ist ein Verfahren zur Verbesserung des Flammschutzes von Polystyrolschaumstoffblöcken bekannt, bei dem die vorgeschäumten Polystyolschaumstoffpartikel mit einem flüssigen Phenolharz, welches ein Flammschutzmittel auf Basis von Phosphor oder Chorverbindungen enthält, beschichtet und anschießend zu Blöcken verschweißt werden. Derartige flammgeschützte Polystyrolschaumstoffblöcke können bei Einwirkung von höheren Temperaturen über längere Zeit jedoch wegschmelzen.

Die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung Az. 102004016081.3 vom 30.03.04 beschreibt einen Wärmedämmverbund aus zwei Metallplatten mit einem wärmedämmenden Kernmaterial aus z.B. Polystyrolpartikelschaumstoff. Zwischen dem Kernmaterial und der Metallplatte befindet sich eine Brandschutzschicht, die u.a. eine intumeszierende (bei Hitzeeinwirkung aufschäumende) Masse aus Alkalisilikat oder Blähgraphit enthält. Diese Masse wird beispielsweise aus Wasserglaslösung und Wasserglaspulver hergestellt.

Es bestand die Aufgabe, den geschilderten Nachteilen abzuhelfen. Insbesondere bestand die Aufgabe, Polystyrolpartikel bereitzustellen, aus denen sich Formteile mit erhöhter Thermostabilität und verbessertem Brandverhalten herstellen lassen. Außerdem sollten Verfahren zur Herstellung der Partikel und der Formteile gefunden werden.

Demgemäß wurden die eingangs definierten Partikel, das Verfahren zu deren Herstellung, die Formteile aus den Partikeln, die Verfahren zur Herstellung der Formteile, die Verwendung der Formteile, die Konstruktionselemente und ein Verfahren zu deren Herstellung, gefunden. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Alle Druckangaben sind Absolutdrucke.

Partikel und deren Herstellung

Die erfindungsgemäßen Partikel bestehen aus expandierbarem, vorgeschäumtem Polystyrol. Bei der vorliegenden Erfindung wird Polystyrol als Sammelbegriff für Homopolymere und Copolymere des Styrols oder anderer vinylaromatischer Monomere, sowie als Sammelbegriff für Blends dieser Polymere mit anderen Polymeren, verwendet. Unter Polystyrol sind beispielsweise Standard-Polystyrol (General Purpose Polystyrene, GPPS, üblicherweise glasklar), schlagzähes Polystyrol (High Impact Polystyrene, HIPS, enthaltend z.B. Polybutadien- oder Polyisoprenkautschuk), Styrol-Maleinsäure(anhydrid)-Polymerisate, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Polymerisate (ABS), Styrol-Acrylnitril-Polymerisate (SAN), oder deren Mischungen, zu verstehen. Bevorzugtes Polystyrol ist Standard-Polystyrol.

Weiterhin steht Polystyrol auch für Blends aus den vorgenannten Polymeren mit Polyphenylenethern (PPE) oder anderen thermoplastischen Polymeren.

Der Begriff Styrol wird hier analog als Sammelbegriff für die eingesetzten Monomere, also Styrol als solches, andere vinylaromatische Monomere und sonstige Comonomere, verwendet.

Die erfindungsgemäßen Partikel sind expandierbar. Dies wird üblicherweise durch Mitverwendung eines Treibmittels erreicht. Als Treibmittel eigenen sich die üblicherweise in EPS eingesetzten physikalischen Treibmittel, wie aliphatische Kohlenwasserstoffe mit 2 bis 7 Kohlenstoffatomen, Alkohole, Ketone, Ether, halogenierten Kohlenwasserstoffe oder Wasser, oder deren Mischungen. Bevorzugt wird iso-Butan, n-Butan, iso-Pentan oder n-Pentan, bzw. deren Mischungen, eingesetzt.

Wie eingangs erwähnt kann das Treibmittel je nach Herstellungsverfahren des EPS z.B. bei der Polymerisation des Styrols, durch Imprägnierung der Polystyrolpartikel in erhitzter Suspension oder durch Einmischen in eine Polystyrolschmelze im Extruder, eingebracht werden. Die Menge des Treibmittels beträgt je nach EPS-Verfahren 0,5 bis 15, bevorzugt 1 bis 10 und insbesondere 2 bis 8 Gew.-%, bezogen auf das eingesetzte Polystyrol.

Demnach erhält man die vorgeschäumten Partikel bevorzugt A) durch Suspensionspolymerisation von Styrol und ggf. Comonomeren in Gegenwart eines Treibmittels, oder B) durch Imprägnierung von Polystyrol mit einem Treibmittel in erhitzter Suspension, oder C) durch Einmischen eines Treibmittels in eine Polystyrolschmelze in einer Mischvorrichtung (z.B. Extruder) mit anschließender Granulierung (z.B. Unterwasserdruckgranulierung), woran sich jeweils das Vorschäumen anschließt.

Bei der Herstellung der Partikel und/oder deren Beschichtung (zur Beschichtung siehe weiter unten) kann man übliche Additive mitverwenden, z.B. Keimbildner, Weichmacher, Flammschutzmittel, IR-Absorber wie Ruß und Graphit, Aluminiumpulver, lösliche und unlösliche Farbstoffe und Pigmente. Die Additive werden in den dafür üblichen Mengen eingesetzt. Geeignete Keimbildner (Nukleierungsmittel) sind z.B. Talkum und/oder Wachse sowie Ruß, Graphit und pyrogene Kieselsäuren, in Mengen von insgesamt 0,05 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das eingesetzte Polystyrol. Bevorzugte Weichmacher sind Mineralöle, oligomere Styrolpolymere und Phthalate in Mengen von insgesamt 0,05 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das eingesetzte Polystyrol. Je nach Art der EPS-Herstellung sowie Art und Zweck des Additivs kann es vor, während und/oder nach der Styrolpolymerisation, der Imprägnierung bzw. der Extrusion zugefügt werden.

Beim Vorschäumen werden die EPS-Partikel in an sich bekannter Weise expandiert. Die Erwärmung erfolgt üblicherweise durch Wasserdampf oder Heißluft.

Um zu verhindern, dass die Partikel bereits beim Vorschäumen vorzeitig miteinander verschweißen, liegen beim Vorschäumen die Partikel bevorzugt als lockere Schüttung vor. Lockere Schüttung bedeutet, dass die Kontaktflächen der Partikel miteinander klein sind, und die Schüttdichte, d.h. der Quotient aus Partikelmasse und eingenommenem Volumen einschließlich der Zwischenräume zwischen den Partikeln, gering ist. Eine geringe Schüttdichte bedeutet große Zwischenräume zwischen den Partikeln.

Die Verfahrensbedingungen beim Vorschäumen, z.B. Temperatur, Druck und Dauer des Vorschäumens, Dichte und Bewegungsgeschwindigkeit der Schüttung, sind in der beschriebenen Weise derart zu wählen, dass die Partikel noch nicht oder nur in untergeordnetem Ausmaß miteinander verschweißen. Ein geringer Anteil solcher vorzeitig verschweißter Partikel (Agglomerate), beispielsweise bis 10 Gew.-% bezogen auf die vorgeschäumten Partikel, ist üblicherweise unproblematisch. Ist der Agglomeratanteil größer, so kann er durch Klassieren, z.B. durch Sieben der Partikel mit entsprechender Maschenweite oder durch Windsichten, abgetrennt werden.

Nach dem Vorschäumen liegen die Partikel partiell expandiert vor. Erfindungsgemäß beträgt die Schüttdichte der vorgeschäumten Partikel 5 bis 50, bevorzugt 5 bis 40 und insbesondere 10 bis 30 g/l, ermittelt nach DIN EN ISO 60.

Falls gewünscht werden die vorgeschäumten Partikel vor der Beschichtung mit der Verbindung A an der Luft bei 0 bis 80, bevorzugt 10 bis 40°C für eine Dauer von 1 bis 48, bevorzugt 4 bis 24 Stunden zwischengelagert, wobei die Umgebungsluft in die Partikel eindiffundiert und einen Teil des eingeschlossenen Treibmittels verdrängt. Die eingetretene Luft erleichtert das Ausschäumen beim Ausschäumverfahren (siehe unten) und erhöht die Stabilität des Schaums.

Verbindung A

Erfindungsgemäß ist die Oberfläche der Partikel mit mindestens einer Verbindung A beschichtet, die chemisch gebundenes Wasser enthält oder bei Temperaturen über 40°C Wasser abspaltet. Selbstverständlich kann man auch verschiedene Verbindungen A verwenden, wobei diese als Mischung oder nacheinander auf die Partikel aufgebracht werden können.

Bevorzugt sind die Verbindungen A ausgewählt aus Alkalimetallsilikaten, Metallhydroxiden, Metallsalz-Hydraten und Metalloxid-Hydraten.

Geeignete Metallhydroxide sind insbesondere solche der Gruppen 2 (Erdalkalimetalle) und 13 (Bor-Gruppe) des Periodensystems. Bevorzugt sind Magnesiumhydroxid und Aluminiumhydroxid. Letzteres ist besonders bevorzugt.

Als Metallsalz-Hydrate eignen sich alle Metallsalze, in deren Kristallstruktur Kristallwasser eingebaut ist. Analog eignen sich als Metalloxid-Hydrate alle Metalloxide, die in die Kristallstruktur eingebautes Kristallwasser enthalten. Dabei kann die Anzahl der Kristallwassermoleküle pro Formeleinheit die maximal mögliche sein oder darunter liegen, z.B. Kupfersulfat-Pentahydat, -Trihydrat oder-Monohydrat. Zusätzlich zum Kristallwasser können die Metallsalz-Hydrate bzw. Metalloxid-Hydrate auch Konstitutionswasser enthalten.

Bevorzugte Metallsalz-Hydrate sind die Hydrate von Metallhalogeniden (insbesondere -chloriden), -sulfaten, -carbonaten, -phosphaten, -nitraten oder -boraten. Geeignet sind beispielsweise Magnesiumsulfat-Decahydrat, Natriumsulfat-Decahydrat, Kupfersulfat-Pentahydrat, Nickelsulfat-Heptahydrat, Cobalt(II)chlorid-Hexahydrat, Chrom(III)chlorid-Hexahydrat, Natriumcarbonat-Decahydrat, Magnesiumchlorid-Hexahydrat, und die Zinnborat-Hydrate. Magnesiumsulfat-Decahydrat und Zinnborat-Hydrate sind besonders bevorzugt.

Ebenfalls als Metallsalz-Hydrate in Betracht kommen Doppelsalze bzw. Alaune, beispielsweise solche der allgemeinen Formel: MIMIII(SO4)2·12 H2O. Als MI können z.B. Kalium, Natrium, Rubidium, Cäsium, Ammonium, Thallium oder Aluminium-Ionen auftreten. Als MIII fungieren z.B. Aluminium, Gallium, Indium, Scandium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Cobalt, Rhodium oder Iridium.

Als Metalloxid-Hydrate eignen sich z.B. Aluminiumoxid-Hydrat und bevorzugt Zinkoxid-Hydrat oder Bortrioxid-Hydrat.

Besonders bevorzugt sind die Verbindungen A ausgewählt aus Alkalimetallsilikaten, Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Magnesiumsulfat-Decahydrat, Zinnborat-Hydraten, Zinkoxid-Hydrat und Bortrioxid-Hydrat.

Alkalimetallsilikate sind als Verbindungen A besonders bevorzugt. Insbesondere handelt es sich bei den Alkalimetallsilikaten um Wasserglas, also aus dem Schmelzfluss erstarrte, glasartige, wasserlösliche Kalium- und Natriumsilikate oder deren viskose wässrige Lösungen. Sie enthalten in der Regel 2 bis 4 mol SiO2 pro 1 mol Alkalioxid, und werden üblicherweise hergestellt durch Zusammenschmelzen von Quarzsand mit Natriumcarbonat oder Kaliumcarbonat bei z.B. 1400 bis 1500°C, wobei CO2 frei wird. Die erstarrte Schmelze wird in der Regel gemahlen.

Das erhaltene Wasserglaspulver kann als solches verwendet werden, oder nach Zusatz von Wasser. Je nach zugefügter Wassermenge liegt ein wasserhaltiges, immer noch festes Wasserglaspulver vor, oder eine Wasserglaslösung gewünschter Konzentration.

Vorzugsweise verwendet man als Verbindung A ein Gemisch G enthaltend eine Wasserglaslösung L und festes Wasserglaspulver P. Die Wasserglaslösung L enthält üblicherweise 30 bis 99,9, bevorzugt 35 bis 80 und insbesondere 40 bis 70 Gew.-% Wasser. Das Wasserglaspulver P enthält in der Regel 0 bis 40, bevorzugt 0 bis 30 und insbesondere 1 bis 20 Gew.-% Wasser.

Das Gemisch G enthält üblicherweise 10 bis 99,9, bevorzugt 20 bis 80 und besonders bevorzugt 30 bis 70 Gew.-% Wasserglaslösung L und den an 100 Gew.-% fehlenden Anteil an Wasserglaspulver P.

Ebenfalls vorzugsweise verwendet man als Verbindung A eine Dispersion von Aluminiumhydroxid in Wasser. In der Regel beträgt der Aluminiumhydroxidgehalt einer solchen Dispersion 10 bis 90, bevorzugt 20 bis 85 und besonders bevorzugt 30 bis 80 Gew.-%.

Bevorzugt beschichtet man die Partikel mit 10 bis 500, insbesondere 25 bis 400 und besonders bevorzugt 50 bis 300 Gew.-% der Verbindungen A, gerechnet als Summe aller Verbindungen A als solche (also ohne Lösungsmittel, z.B. Wasser, und ohne Polymerdispersion oder sonstige Hilfsstoffe) und bezogen auf die unbeschichteten Partikel. Je nach gewünschte Menge an A kann man die Partikel ein- oder mehrfach beschichten.

Bevorzugt handelt es sich bei den Verbindungen A bzw. bei den diese Verbindungen A enthaltenden Beschichtungszusammensetzungen (siehe unten) um intumeszierende Massen. Als intumeszierende Massen werden Materialien bezeichnet, die bei Einwirkung höherer Temperaturen, in der Regel über 80 bis 100°C, sich aufblähen, quellen oder bevorzugt aufschäumen und dabei einen isolierenden und hitzebeständigen Schaum bilden, der das darunter liegende wärmedämmende Kernmaterial vor der Feuer- und Hitzewirkung schützt.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass das Verfahren zur Herstellung der Partikel bevorzugt gekennzeichnet ist durch folgende Schritte:

  • a) Vorschäumen von Partikeln aus expandierbarem Polystyrol, wobei man vorgeschäumte Partikel mit einer Dichte von 5 bis 40 g/l erhält, und
  • b) Beschichten der erhaltenen Partikel mit Verbindungen A, wobei die Verbindungen A chemisch gebundenes Wasser enthalten oder bei Temperaturen über 40°C Wasser abspalten, und bevorzugt definiert sind wie vorstehend beschrieben.

Beschichten der Partikel und Beschichtungszusammensetzung

Das Beschichten der Partikel erfolgt in üblicher Weise, beispielsweise durch Mischen, Besprühen, Tauchen oder anderweitiges Benetzen der Partikel mit der Verbindung A, oder durch Auftrommeln der Verbindung A auf die Partikel. Dazu werden übliche Mischer, Sprühvorrichtungen, Tauchvorrichtungen bzw. Trommelapparaturen verwendet.

Dabei kann die Verbindung A als solche oder gelöst bzw. dispergiert (z.B. suspendiert oder emulgiert) in einem Hilfsstoff, eingesetzt werden. Eine solche Lösung bzw. Dispersion (z.B. Suspension, Emulsion) wird nachfolgend als Beschichtungszusammensetzung bezeichnet. Im einfachsten Fall ist der Hilfsstoff Wasser oder ein anderes Lösungs- bzw. Dispersionsmittel, z.B. Ethanol oder andere Alkohole.

Bevorzugt als Hilfsstoff sind Polymerdispersionen, insbesondere wässrige Polymerdispersionen. Demnach ist das Verfahren bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) zum Beschichten eine Beschichtungszusammensetzung verwendet wird, welche die Verbindungen A und außerdem eine – bevorzugt wässrige – Polymerdispersion enthält.

Besonders bevorzugt ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerdispersion Polymere auf Basis von Monomeren enthält, die ausgewählt sind aus vinylaromatischen Monomeren, Dienen, &agr;,&bgr;-ungesättigten Carbonsäuren, Estern (bevorzugt Alkylestern) oder Amiden dieser Carbonsäuren, und Alkenen.

Vorzugsweise wird als vinylaromatisches Monomer mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel IV gewählt, in der R7 und R8 unabhängig voneinander jeweils für Wasserstoff, Methyl oder Ethyl stehen, R9 Methyl oder Ethyl bedeutet und k eine ganze Zahl von 0 bis 2 bedeutet; ganz besonders bevorzugt sind R7 und R8 jeweils Wasserstoff, und ganz besonders bevorzugt gilt k = 0. Styrol ist besonders bevorzugt; außerdem sind auch &agr;-Methylstyrol, p-Methylstyrol, Ethylstyrol, tert.-Butylstyrol, Vinylstyrol, Vinyltoluol, 1,2-Diphenylethylen, 1,1-Diphenylethylen oder deren Mischungen geeignet.

Als Diene kommen alte polymerisierbaren Diene in Betracht, insbesondere 1,3-Butadien, 1,3-Pentadien, 1,3-Hexadien, 2,3-Dimethylbutadien, Isopren, Piperylen oder Mischungen davon. Bevorzugt sind 1,3-Butadien (kurz: Butadien), Isopren oder deren Mischungen.

Als &agr;,&bgr;-ungesättigte Carbonsäure bzw. deren Derivate eignen sich bevorzugt Verbindungen der allgemeinen Formel I, worin bedeuten:

R1 gewählt aus

  • – unverzweigtem oder verzweigtem C1-C10-Alkyl, wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl, tert.-Butyl, n-Pentyl, iso-Pentyl, sec.-Pentyl, neo-Pentyl, 1,2-Dimethylpropyl, iso-Amyl, n-Hexyl, iso-Hexyl, sec.-Hexyl, n-Heptyl, n-Octyl, 2-Ethylhexyl, n-Nonyl, n-Decyl; besonders bevorzugt C1-C4-Alkyl wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl und tert.-Butyl;
  • – oder Wasserstoff,
  • – ganz besonders bevorzugt sind Wasserstoff und Methyl;
R2 gewählt aus
  • – unverzweigtem oder verzweigtem C1-C10-Alkyl, wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl, tert.-Butyl, n-Pentyl, iso-Pentyl, sec.-Pentyl, neo-Pentyl, 1,2-Dimethylpropyl, iso-Amyl, n-Hexyl, iso-Hexyl, sec.-Hexyl, n-Heptyl, n-Octyl, 2-Ethylhexyl, n-Nonyl, n-Decyl; besonders bevorzugt C1-C4-Alkyl wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl und tert.-Butyl;
  • – oder ganz besonders bevorzugt Wasserstoff.
R3 gewählt aus
  • – Wasserstoff (womit Verbindung I die Carbonsäure selbst ist),
  • – Oder unverzweigtem oder verzweigtem C1-C10-Alkyl (womit Verbindung I ein Carbonsäureester ist), wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl, tert.-Butyl, n-Pentyl, iso-Pentyl, sec.-Pentyl, neo-Pentyl, 1,2-Dimethylpropyl, iso-Amyl, n-Hexyl, iso-Hexyl, sec.-Hexyl, n-Hep-tyl, n-Octyl, 2-Ethylhexyl, n-Nonyl, n-Decyl; besonders bevorzugt C1-C4-Alkyl wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl und tert.-Butyl; sowie 2-Ethylhexyl.

Bevorzugte Verbindungen der Formal I sind Acrylsäure und Methacrylsäure. Weiterhin bevorzugt sind die C1-10-Alkylester der Acrylsäure, insbesondere die Butylester, vorzugsweise n-Butylacrylat, und die C1-10-Alkylester der Methacrylsäure, insbesondere Methylmethacrylat (MMA).

Als Carbonsäureamide eignen sich insbesondere die Amide der vorgenannten Verbindung I, beispielsweise Acrylsäureamid und Methacrylsäureamid.

Als Monomere für die Polymerdispersion ebenfalls in Betracht kommen Verbindungen der allgemeinen Formel Va und Vb, wobei es sich bei den Verbindungen Va formal um OH-substituierte Carbonsäureamide handelt: worin bedeuten:

R10 gewählt aus

  • – unverzweigtem oder verzweigtem C1-C10-Alkyl, wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl, tert.-Butyl, n-Pentyl, iso-Pentyl, sec.-Pentyl, neo-Pentyl, 1,2-Dimethylpropyl, iso-Amyl, n-Hexyl, iso-Hexyl, sec.-Hexyl, n-Heptyl, n-Octyl, 2-Ethylhexyl, n-Nonyl, n-Decyl; besonders bevorzugt C1-C4-Alkyl wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl und tert.-Butyl;
  • – oder Wasserstoff;
  • – ganz besonders bevorzugt sind Wasserstoff und Methyl
R11 gewählt aus
  • – unverzweigtem oder verzweigtem C1-C10-Alkyl, wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl, tert.-Butyl, n-Pentyl, iso-Pentyl, sec.-Pentyl, neo-Pentyl, 1,2-Dimethylpropyl, iso-Amyl, n-Hexyl, iso-Hexyl, sec.-Hexyl, n-Heptyl, n-Octyl, 2-Ethylhexyl, n-Nonyl, n-Decyl; besonders bevorzugt C1-C4-Alkyl wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl und tert.-Butyl;
  • – oder ganz besonders bevorzugt Wasserstoff.
R12 wird gewählt aus unverzweigtem oder verzweigtem C1-C10-Alkyl, wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl, tert.-Butyl, n-Pentyl, iso-Pentyl, sec.-Pentyl, neo-Pentyl, 1,2-Dimethylpropyl, iso-Amyl, n-Hexyl, iso-Hexyl, sec.-Hexyl, n-Heptyl, n-Octyl, 2-Ethylhexyl, n-Nonyl, n-Decyl; besonders bevorzugt C1-C4-Alkyl wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl und tert.-Butyl,
  • – oder ganz besonders bevorzugt Wasserstoff.
X gewählt aus
  • – Wasserstoff,
  • – Glycidyl
  • – Gruppen mit tertiären Aminogruppen, beispielsweise NH(CH2)b-N(CH3)2, wobei b eine ganze Zahl im Bereich von 2 bis 6 ist,
  • – enolisierbaren Gruppen mit 1 bis 20 C-Atomen, beispielsweise Acetoacetyl
wobei

R13 gewählt wird aus unverzweigtem oder verzweigtem C1-C10-Alkyl, wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl, tert.-Butyl, n-Pentyl, iso-Pentyl, sec.-Pentyl, neo-Pentyl, 1,2-Dimethylpropyl, iso-Amyl, n-Hexyl, iso-Hexyl, sec.-Hexyl, n-Heptyl, n-Octyl, 2-Ethylhexyl, n-Nonyl, n-Decyl; besonders bevorzugt C1-C4-Alkyl wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl und tert.-Butyl.

Ganz besonders bevorzugt ist in Formel Va bzw. Vb R10 gewählt aus Wasserstoff und Methyl und R11 und R12 sind jeweils Wasserstoff.

Insbesondere bevorzugt als Verbindung der Formel Va ist Methylolacrylamid.

Die Polymerdispersion kann auch unter Verwendung von Alkenen hergestellt werden. Als Alkene eignen sich insbesondere Ethylen (Ethen) und Propylen (Propen). Man kann ein Homopolymer verwenden, beispielsweise eine Dispersion von Polyethylen oder Polypropylen, oder – bevorzugt – alkenhaltige Copolymere. Gut geeignet sind z.B. Coplymere aus Propylen und Carbonsäuren bzw. Carbonsäureverbindungen der obigen Formel I, beispielsweise Acrylsäure oder Methacrylsäure oder den genannten Acrylsäurealkylestern oder Methacrylsäurealkylestern. Derartige Produkte sind beispielsweise als Poligen® von BASF erhältlich. Eine geeignete Polymerdispersion ist z.B. eine solche aus Propylen-Alkylacrylat-Copolymer.

Außerdem kann man als Comonomere zur Herstellung der Polymerdispersion mitverwenden: jeweils 1 bis 5 Gew.-% (Meth)acrylnitril, (Meth)acryl-amid, Ureido(meth)acrylat, 2-Hydroxyethyl(meth)acrylat, 3-Hydroxypropyl(meth)acrylat, Acrylamidpropansulfonsäure (verzweigt oder unverzweigt) oder das Natriumsalz der Vinylsulfonsäure.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Partikel ist bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass die Monomere ausgewählt sind aus Styrol, Butadien, Acrylsäure, Methacrylsäure, C1-4-Alkylacrylaten, C1-4-Alkylmethacrylaten, Acrylsäureamid, Methacrylsäureamid und Methylolacrylsäureamid.

Die Polymerdispersion kann unvernetzt oder vernetzt sein und weist bevorzugt eine Glasübergangstemperatur von –60 bis +140°C, bevorzugt –20 bis +80°C auf, bestimmt mittels Differential Scanning Calorimetry (DSC) an dem Polymerpulver, das durch Sprühtrocknung der entsprechenden Polymerdispersion erhalten wurde.

Bevorzugte Polymerdispersionen enthalten ein Polymer auf Basis von

  • x) Styrol, oder
  • y) n-Butylacrylat, MMA, Methacrylsäure, Acrylamid und Methylolacrylamid, oder
  • z) Styrol und den bei y) genannten Monomeren.

Die Herstellung der Polymerdispersion erfolgt in an sich bekannter Weise, etwa durch Emulsions-, Suspensions-, oder Dispersionspolymerisation in flüssiger Phase. Soll die Polymerdispersion eine wässrige sein, polymerisiert man bevorzugt in wässriger Phase. Man kann das Polymer auch durch Lösungs- oder Massepolymerisation herstellen, ggf. zerteilen und die Polymerpartikel anschließend in Wasser (oder einem anderen Dispersionsmittel, siehe oben) in üblicher Weise dispergieren. Bei der Polymerisation werden die für das jeweilige Polymerisationsverfahren üblichen Initiatoren, Emulgatoren bzw. Suspensionshilfsmittel, Regler bzw. sonstigen Hilfsstoffe mitverwendet; und man polymerisiert kontinuierlich oder diskontinuierlich bei den für das jeweilige Verfahren üblichen Temperaturen und Drucken in gebräuchlichen Reaktoren.

Die Beschichtungszusammensetzung enthält bevorzugt 10 bis 100, insbesondere 10 bis 99,9, besonders bevorzugt 15 bis 99 und ganz besonders bevorzugt 20 bis 95 Gew.-% der Verbindungen A, und den an 100 Gew.-% fehlenden Anteil an Polymerdispersion. Hierbei werden die Verbindungen A als solche (ohne Lösungs- oder Verdünnungsmittel) gerechnet, d.h. beispielsweise bei Wasserglaspulver oder -lösung bzw. Aluminiumhydroxid-Dispersion ohne das darin enthaltene Wasser.

Vorzugsweise ist das Verfahren zur Herstellung der Partikel dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungszusammensetzung erhältlich ist durch Vermischen einer Wasserglaslösung mit einem Wassergehalt von 30 bis 99,9 Gew.-%, festem Wasserglas mit einem Wassergehalt von 0 bis 40 Gew.-%, und einer wässrigen Polymerdispersion.

Eine besonders bevorzugte Beschichtungszusammensetzung enthält

  • 1*) 40 bis 80, bevorzugt 50 bis 70 Gew.-Teile einer Wasserglaslösung L mit einem Wassergehalt von 40 bis 90, bevorzugt 50 bis 70 Gew.-%,
  • 2*) 20 bis 60, bevorzugt 30 bis 50 Gew.-Teile eines Wasserglaspulvers P mit einem Wassergehalt von 0 bis 30, bevorzugt 1 bis 25 Gew.-%, und
  • 3*) 5 bis 40, bevorzugt 10 bis 30 Gew.-Teile einer Polymerdispersion mit einem Feststoffgehalt von 10 bis 60, bevorzugt 20 bis 50 Gew.-%.

Ebenfalls vorzugsweise ist das Verfahren zur Herstellung der Partikel dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungszusammensetzung erhältlich ist durch Vermischen einer Aluminiumhydroxid-Suspension mit einem Aluminiumhydroxidgehalt von 10 bis 90 Gew.-% und einer wässrigen Polymerdispersion.

Eine besonders bevorzugte Beschichtungszusammensetzung enthält

  • 1**) 20 bis 95, bevorzugt 40 bis 90 Gew.-Teile einer Aluminiumhydroxidsuspension mit einem Aluminiumhydroxidgehalt von 10 bis 90, bevorzugt 20 bis 70 Gew.-%,
  • 2**) 5 bis 40, bevorzugt 10 bis 30 Gew.-Teile einer Polymerdispersion mit einem Feststoffgehalt von 10 bis 60, bevorzugt 20 bis 50 Gew.-%.

Die Polymerdispersion bzw. die Beschichtungszusammensetzung kann die weiter oben bereits genannten Additive enthalten, insbesondere Flammschutzmittel. Solche sind beispielsweise Blähgraphit, Borate, insbesondere Zinkborate, Melaminverbindungen oder Phosphorverbindungen. Die Menge der Additive beträgt in der Regel 0 bis 50, bevorzugt 0 bis 20 Gew.-%, bezogen auf die Beschichtungszusammensetzung.

Es hat sich gezeigt, dass Formteile aus den erfindungsgemäßen, mit der Verbindung A beschichteten Partikeln (zu den Formteilen siehe weiter unten) gegenüber Wasser und anderen polaren Medien beständiger sind, wenn die Verbindungen A nicht als solche, sondern in Form der beschriebenen Beschichtungszusammensetzung enthaltend eine Polymerdispersion eingesetzt wurden. Dadurch bleibt die mechanische Stabilität des Formteils auch nach Einwirkung von Wasser auf hohem Niveau. Es besteht die Vorstellung, dass die Polymerdispersion durch Filmbildung oder andere Vorgänge die Verbindungen A enthaltende Beschichtung quasi hydrophobiert.

Die Herstellung der Beschichtungszusammensetzung erfolgt üblicherweise durch Vermischen der Verbindungen A mit der Polymerdispersion. Je nach Art und Menge der Komponenten kann dies durch einfaches Rühren erfolgen. Bei schlecht mischbaren (schlecht dispergierbaren) Komponenten können erhöhte Temperaturen und/oder Drucke sowie ggf. spezielle Mischvorrichtungen erforderlich sein, um eine gleichmäßige Vermischung zu erzielen. Erforderlichenfalls kann man Hilfsstoffe mitverwenden, welche das Vermischen erleichtern, beispielsweise übliche Netzmittel. Außerdem kann man die erhaltene Beschichtungszusammensetzung durch Zufügen geeigneter Additive, z.B. gebräuchliche Schutzkolloide oder Antiabsetzmittel, gegen eine Entmischung stabilisieren.

Wie beschrieben dient die Beschichtungszusammensetzung dem Beschichten der vorgeschäumten Polystyrolpartikel mit der Verbindung A. Das Mengenverhältnis beim Beschichtungsvorgang hängt u.a. vom Gehalt der Beschichtungszusammensetzung an Verbindungen A, und von der Menge an A ab, welche die fertigen Partikel enthalten sollen. Üblicherweise beträgt das Mengenverhältnis von vorgeschäumten Polystyrolpartikeln zu Beschichtungszusammensetzung 1 : 10 bis 10 : 1, bevorzugt 1 : 5 bis 5 : 1, insbesondere 1 : 1 bis 1 : 2.

Bevorzugt wählt man das Mengenverhältnis von vorgeschäumten Polystyrolpartikeln zu Beschichtungszusammensetzung derart, dass die Beschichtungszusammensetzung vollständig auf die Oberfläche der Partikel aufzieht. Dies hat den Vorteil, dass sich eine spätere Abtrennung der beschichteten Partikel von überschüssiger Beschichtungszusammensetzung erübrigt. Gleiches gilt sinngemäß, falls anstelle einer Beschichtungszusammensetzung die Verbindung A als solche verwendet wird.

Fall erforderlich, kann man die beschichteten Partikel mehrfach mit Verbindungen A (als solche oder enthalten in einer Beschichtungszusammensetzung) beschichten, um die Menge der Verbindungen A auf der Partikeloberfläche zu erhöhen.

Das Beschichten der vorgeschäumten Partikel mit der Beschichtungszusammensetzung erfolgt durch Mischen, Besprühen, Tauchen, Auftrommeln oder andere übliche Verfahren. Die in der Beschichtungszusammensetzung enthaltenen flüchtigen Hilfsstoffe, insbesondere das enthaltene Wasser bzw. sonstige Lösungs- bzw. Dispersionsmittel, können vor der Verarbeitung der beschichteten Partikel zu Formteilen durch Trocknen in üblichen Trocknungsvorrichtungen, z.B. Wirbelbetttrocknern oder Zyklonen, oder einfaches Verdunstenlassen entfernt werden. Falls getrocknet wird, ist empfiehlt es sich, dabei umzuwälzen, um eine gleichmäßige Beschichtung zu erreichen. Zwingend erforderlich ist ein Entfernen der flüchtigen Hilfsstoffe durch Trocknen o.ä. jedoch nicht, d.h. die Partikel können auch „feucht" verarbeitet werden.

Formteile aus den beschichteten Partikeln und Herstellung der Formteile

Die mit Verbindung A beschichteten Partikeln aus expandierbarem, vorgeschäumtem Polystyrol lassen sich zu Formteilen aller Art verarbeiten. Diese Formteile sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung. Bevorzugt handelt es sich bei den Formteilen um Halbzeuge (Platten, Blöcke, Rohre, Stäbe, Profile, etc.) oder sonstige Formteile mit einfacher oder komplexer Gestalt. Bevorzugt handelt es sich bei den Formteilen um Platten, insbesondere Schaumstoffplatten.

Es ist auch möglich, als Formteil zunächst Blöcke herzustellen und die Blöcke anschließend in Platten zu zerteilen, beispielsweise durch Schneiden oder Sägen.

Die Dicke der Schaumstoffplatten kann in weiten Grenzen variieren und beträgt üblicherweise 1 bis 500, bevorzugt 10 bis 300 mm. Die Länge und Breite der Platten ist ebenfalls in weiten Grenzen variabel. Sie wird u.a. durch die Größe des Werkzeugs (Press- oder Schäumform) und beim Verpressen (siehe unten) durch die Schließkraft der verwendeten Presse begrenzt.

Die erfindungsgemäßen Formteile weisen eine erhöhte Brandbeständigkeit auf. Besonders bevorzugt sind die Formteile dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Brandverhalten der Klasse B gemäß DIN 4102 aufweisen.

Es wurde ein Verfahren zur Herstellung der Formteile durch Verpressen (Verpressverfahren) gefunden, und ein Verfahren zur Herstellung der Formteile durch Ausschäumen (Ausschäumverfahren) gefunden.

Beim Verpressverfahren werden in Schritt I) die erfindungsgemäßen expandierbaren, vorgeschäumten und mit der Verbindung A beschichteten Partikel in eine gasdurchlässige Form gefüllt. Die Gasdurchlässigkeit kann beispielsweise durch Bohrungen erzielt werden, mit denen die Form versehen ist und die bevorzugt derart beschaffen sind, dass sie beim anschließenden Verpressen (Schritt II), siehe unten) nicht vom Polymer verstopft werden, beispielsweise indem sie einen geringen Durchmesser aufweisen.

Die Geometrie (Raumform) der gasdurchlässigen Form entspricht in der Regel der gewünschten Geometrie des späteren Formteils. Sollen Schaumstoffplatten hergestellt werden, kann man eine einfache kastenförmige Form verwenden. Insbesondere bei komplizierteren Geometrien kann es erforderlich sein, die Schüttung der in die Form eingefüllten Partikel zu verdichten und auf diese Weise unerwünschte Hohlräume zu beseitigen. Das Verdichten kann z.B. durch Rütteln der Form, Taumelbewegungen oder andere geeignete Maßnahmen erfolgen.

Da die Partikel anschließend verpresst werden, ist es – anders als beim weiter unten beschriebenen Ausschäumverfahren – nicht bevorzugt, aber auch nicht nachteilig, die Form randvoll mit den Partikeln zu füllen. Der Füllgrad richtet sich u.a. nach der gewünschten Dicke des späteren Formteils.

In Schritt II) werden die eingefüllten Partikel unter Volumenreduktion zu einem Pressling verpresst. Die Volumenreduktion beträgt in der Regel 1 bis 80, bevorzugt 5 bis 60 und insbesondere 10 bis 50 Vol.-%, bezogen auf das Volumen der eingefüllten Partikel vor dem Verpressen.

Die Temperatur beim Verpressen beträgt üblicherweise 20 bis 100, bevorzugt 30 bis 90 und insbesondere 40 bis 80°C. Das Temperieren kann z.B. durch elektrische Beheizung oder Wärmeüberträgermedien erfolgen. Das Druckmaximum beim Pressvorgang bzw. die Schließkraft der Presse sowie die Dauer des Verpressens (Presszeit) hängen u.a. von Größe und Geometrie sowie der gewünschten Dichte des Formteils ab und können in weiten Grenzen variieren.

Die Gasdurchlässigkeit der Form gewährleistet, dass in und zwischen den Partikeln vorhandenes Treibmittel, Luft oder andere Gase beim Verpressen gleichmäßig entweichen können. Sofern die beschichteten Partikel nicht getrocknet, sondern mit „feuchter" Beschichtung eingesetzt wurden, entweichen auch die flüchtigen Hilfsstoffe, z.B. das in der Beschichtungszusammensetzung enthaltene Wasser.

Zum Verpressen eignen sich übliche Pressen mit Pressform und Stempel, beispielsweise Etagenpressen. Dabei können die Form oder der Stempel oder beide Bauteile temperiert sein.

In Schritt III) wird der in Schritt II) erhaltene Pressling ausgehärtet, indem man ihn bzw. die Form auf 20 bis 100, bevorzugt 30 bis 90 und insbesondere 40 bis 80°C temperiert. Das Temperieren kann z.B. durch elektrische Beheizung oder Wärmeüberträgermedeien erfolgen. Dar Druck beim Aushärten und die Aushärtungsdauer hängen u.a. von Größe und Geometrie des Formteils ab und variieren in weiten Grenzen.

Die genannten Temperaturen und Drucke müssen nicht während der gesamten Aushärtungsdauer aufrecht erhalten werden; vielmehr kann man den Pressling auch bei z.B. Raumtemperatur und Umgebungsdruck eine gewisse Zeit ruhen lassen, während der er vollständig aushärtet. Die Form kann beim Aushärten geschlossen oder geöffnet sein.

Temperatur, Druck, Presszeit und sonstige Bedingungen beim Verpressen können innerhalb der bei Schritt II) genannten Bereiche derart gewählt werden, dass der Pressling bereits beim Verpressen aushärtet, d.h. der Verpressungsschritt II) und der Aushärtungsschritt III) fallen zusammen. Alternativ kann Schritt III) im Anschluss an Schritt II) ausgeführt werden, wofür dann die für Schritt III) genannten Bedingungen gelten.

In Schritt IV) des Verpressverfahrens entnimmt man das erhaltene Formteil aus der Form. Dies kann manuell oder automatisiert mittels üblicher Auswurf- bzw. Entformungsvorrichtungen erfolgen.

Demnach ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Formteile durch Verpressen dadurch gekennzeichnet, dass man

  • I) die erfindungsgemäßen Partikel in eine gasdurchlässige Form einfüllt,
  • II) die eingefüllten Partikel in der geschlossenen Form unter Volumenreduktion zu einem Pressling verpresst,
  • III) den Pressling durch Temperieren auf 20 bis 100°C aushärtet, und
  • IV) das erhaltene Formteil aus der Form entnimmt.

Die Dichte der mit diesem Verpressverfahren erhaltenen Formteile beträgt in der Regel 15 bis 120, bevorzugt 20 bis 100 und besonders bevorzugt 20 bis 70 g/l gemäß DIN 53420. Die Formteile weisen bevorzugt keinen ausgeprägten Dichtegradienten auf, d.h. die Randschichten haben keine deutlich höhere Dichte als die inneren Bereiche des Formteils.

Beim Ausschäumverfahren werden in Schritt i) die erfindungsgemäßen expandierbaren, vorgeschäumten und mit der Verbindung A beschichteten Partikel in eine gasdichte Form gefüllt. Der Bergriff gasdicht soll nicht ausschließen, dass geringe Mengen, beispielsweise bis zu 10 Vol.-% des in der Form vorhandenen oder beim Ausschäumen entstehenden Gasvolumens, aus der Form austreten können.

Die Geometrie (Raumform) der gasdichten Form entspricht üblicherweise der gewünschten Geometrie des späteren Formteils. Für Schaumstoffplatten ist beispielsweise eine einfache kastenförmige Form geeignet. Bei komplizierteren Geometrien kann es erforderlich sein, die Schüttung der in die Form eingefüllten Partikel zu verdichten wie beim Verpressverfahren beschrieben.

Da die Partikel beim anschließenden Ausschäumen miteinander verschweißen sollen, ist es vorteilhaft, die Form randvoll mit den Partikeln zu füllen, um das Leervolumen in der Form gering zu halten.

In Schritt ii) werden die eingefüllten Partikel in der geschlossenen Form durch Temperieren (beispielsweise mit Wasserdampf oder einem anderen Wärmeüberträger) auf 60 bis 120, bevorzugt 70 bis 110°C ausgeschäumt. Dabei verschweißen die Partikel zu dem Formteil, indem die Zwischenräume in der Partikelschüttung durch die expandierenden Partikel ausgefüllt werden und die erweichten Partikel miteinander „verschmelzen".

Der Druck beim Ausschäumen ist üblicherweise nicht kritisch und beträgt in der Regel 0,05 bis 2 bar. Die Dauer des Ausschäumens hängt u.a. von Größe und Geometrie sowie der gewünschten Dichte des Formteils ab und kann in weiten Grenzen variieren.

In Schritt iii) des Ausschäumverfahrens entnimmt man das erhaltene Formteil aus der Form, was manuell oder automatisiert mittels üblicher Auswurf- bzw. Entformungsvorrichtungen erfolgen kann.

Folglich ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Formteile durch Ausschäumen dadurch gekennzeichnet, dass man

  • i) die erfindungsgemäßen Partikel in eine gasdichte Form einfüllt,
  • ii) die eingefüllten Partikel in der geschlossenen Form durch Temperieren auf 60 bis 120°C ausschäumt, wobei die Partikel zu dem Formteil verschweißen, und
  • iii) das erhaltene Formteil aus der Form entnimmt.

Die mit diesem Ausschäumverfahren erhaltenen Formteile weisen üblicherweise eine Dichte von 10 bis 100, bevorzugt 15 bis 80 und besonders bevorzugt 15 bis 60 g/l auf, bestimmt gemäß DIN 53420. Die Formteile weisen bevorzugt keinen ausgeprägten Dichtegradienten auf, d.h. die Randschichten haben keine deutlich höhere Dichte als die inneren Bereiche des Formteils.

Typische Abmessungen der mit dem Verpress- oder Ausschäumverfahren erhältlichen Schaumstoffplatten wurden bereits genannt.

Verwendung der Formteile

Die erfindungsgemäßen Formteile können zu vielfältigsten Zwecken verwendet werden, beispielsweise im Bauwesen. Diese Verwendung ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung. Insbesondere die erfindungsgemäßen Schaumstoffplatten eignen sich zur Dämmung von Außenwänden im Tiefbau, z.B. bei Kelleraußenwänden oder zur Perimeterdämmung, oder im Hochbau, beispielsweise bei Dach oder Außenwänden.

Bevorzugt ist die Verwendung dadurch gekennzeichnet, dass die Formteile – bevorzugt als Schaumstoffplatten – zur Herstellung von structural insulation panels (SIP) verwendet werden. Wie eingangs beschrieben, kann man aus SIP beispielsweise Kühlhäuser oder Lagerhallen errichten.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung sind Konstruktionselemente im Bauwesen, erhältlich durch Aufbringen einer einseitigen oder beidseitigen Deckschicht aus Metall auf die erfindungsgemäßen Formteile, insbesondere Schaumstoffplatten. Bevorzugt wird die Metalldeckschicht auf beide Seiten (Außenflächen) des Formteils aufgebracht. Als Metalle kommen vorzugsweise Stahl oder Aluminium in Betracht; die Dicke der Metalldeckschicht beträgt in der Regel 0,1 bis 10, bevorzugt 0,5 bis 8 mm.

Bevorzugt handelt es sich bei den Konstruktionselementen um structural insulation panels (SIP).

Um die Brandbeständigkeit der Konstruktionselemente zu erhöhen, kann man zwischen dem Formteil, beispielsweise der Schaumstoffplatte, und der Metalldeckschicht eine Brandschutzschicht vorsehen, wie sie beispielsweise in der erwähnten deutschen Patentanmeldung Az. 102004016081.3 vom 30.03.04 beschrieben ist. Bevorzugt enthält diese optionale Brandschutzschicht eine intumineszierende Masse auf Basis eines Alkalimetallsilikats (insbesondere Wasserglas wie weiter oben beschrieben), Blähgraphit oder Blähglimmer.

Bevorzugt sind die erfindungsgemäßen Konstruktionselemente dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Brandverhalten der Klasse B gemäß DIN 4102 aufweisen.

Gleichfalls bevorzugt sind die erfindungsgemäßen Konstruktionselemente dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Feuerwiderstandsklasse F30 oder F60 gemäß DIN 4102 aufweisen.

Erfindungsgemäß werden die Konstruktionselemente hergestellt, indem man auf die erfindungsgemäßen Formteile einseitig oder beidseitig eine Deckschicht aus Metall aufbringt. Dieses Herstellungsverfahren ist Gegenstand der Erfindung.

Bevorzugt erfolgt das Aufbringen der Deckschicht durch Kleben. Als Klebstoffe eignen sich Ein- oder Zweikomponentenklebstoffe auf Basis von Polyurethan- oder Epoxidharzen, oder Klebstoffe auf Dispersionsbasis, z.B. Acrylatdispersionen wie Acronal® von BASF. Man kann den Kleber beispielsweise durch Streichen, Rollen, Tauchen, Sprühen oder andere übliche Methoden auf das Formteil auftragen. Die Dicke der aufgetragenen Klebstoffschicht beträgt in der Regel 1 &mgr;m bis 1 mm, bevorzugt 10 bis 100 &mgr;m.

Je nach Zusammensetzung kann auch die optionale Brandschutzschicht als Klebstoffschicht wirken, oder man kann der Brandschutzschicht einen Klebstoff zufügen. Zur Herstellung der Konstruktionselemente aus Polystyrolschaum-Formteilen und Metalldeckplatten kann man z.B. handelsübliche Maschinen zur Herstellung von Wärmedämmverbunden einsetzen.

Aus den erfindungsgemäßen Polystyrolpartikeln lassen sich Formteile mit erhöhter Thermostabilität und verbessertem Brandverhalten herstellen. Die gefundenen Verfahren zur Herstellung der Partikel, der Formteile sowie der Konstruktionselemente sind einfach durchführbar und kostengünstig zu betreiben.

Vergleichsbeispiel: keine Beschichtung der Partikel

Eine handelsübliche Schaumstoffplatte aus Polystyrol-Partikelschaum mit den Abmessungen 600 × 100 × 100 mm und einer Dichte von 18 g/l wurde beidseitig mit einer jeweils 50 &mgr;m dicken Schicht eines Polyurethan-Klebstoffs versehen. Auf den Kleber wurden Stahlplatten von jeweils 1 mm Dicke aufgebracht. Danach ließ man den Kleber 5 Stunden bei 25°C aushärten.

Zur Prüfung des Brandverhaltens wurde die Platte waagerecht befestigt (Metallflächen oben und unten) und unter der Platte ein Gasbrenner platziert. Dessen Gasflamme war auf die Mitte der Plattenunterseite gerichtet, die Flamme war etwa 5 cm hoch und hatte eine Flammentemperatur von etwa 600°C. Der Abstand der Flammenspitze zur Unterseite der Platte betrug ca. 2 cm.

Nach 5 min Brenndauer der Flamme war der Polystyrolschaum zwischen den Metallplatten geschmolzen und die mechanische Stabilität der Platte ging verloren. Abtropfendes Polystyrol entzündete sich.

Beispiel 1: Beschichtung der Partikel mit Wasserglas

Durch radikalische Emulsionspolymerisation wurde in üblicher Weise eine wässrige Polymerdispersion aus

  • – 53 Gew.-% n-Butylacrylat,
  • – 42 Gew.-% MMA,
  • – 2 Gew.-% Methacrylsäure,
  • – 2 Gew.-% Acrylamid und
  • – 1 Gew.-% Methylolacrylamid
hergestellt. Sie hatte eine Glasübergangstemperatur von 12°C, bestimmt mittels Differential Scanning Calorimetry (DSC) an dem Polymerpulver, das durch Sprühtrocknung der Polymerdispersion erhalten wurde. Der Feststoffgehalt der Polymerdispersion betrug 35 Gew.-%.

Eine Beschichtungszusammensetzung wurde bei 20°C in einem Rührbehälter hergestellt durch Vermischen von

  • – 6 kg Wasserglaslösung mit einem Wassergehalt von 65 Gew.-%,
  • – 4 kg festem Wasserglaspulver mit einem Wassergehalt von 18 Gew.-%, und
  • – 2 kg der obigen Polymerdispersion.

Partikel aus expandierbarem, treibmittelhaltigen Polystyrol wurden in einer handelsüblichen Vorschäumapparatur mit 0,2 bar Wasserdampfdruck vorgeschäumt. Die Schüttdichte der vorgeschäumten Partikel betrug 15 g/l, gemessen nach DIN EN ISO 60.

Etwa 5 kg dieser vorgeschäumten Partikel wurden mit 10 kg der Beschichtungszusammensetzung in einem Mischer 5 min lang bei 25°C vermischt. Dabei zog die Beschichtungszusammensetzung vollständig auf die Partikel auf.

Ohne weitere Trocknung füllte man 3,5 kg der feuchten, beschichteten Partikel in eine mit feinen Bohrungen versehene, gasdurchlässige rechteckige Form (600 × 1000 mm). Die Form wurde mit einem Stempel verschlossen und der Inhalt in einer Presse 150 sec bei 60°C und 3 bar Druckmaximum zu einem plattenförmigen Pressling verpresst. Die Volumenreduktion beim Verpressen betrug 40 Vol.-%, bezogen auf das Volumen der eingefüllten Partikel vor dem Verpressen.

Danach härtete man den Pressling aus, indem man die geschlossene Form 30 min auf 60°C temperierte. Anschließend wurde die Schaumstoffplatte aus der Form entnommen. Ihre Abmessungen waren 600 × 1000 × 100 mm und ihre Dichte betrug 50 g/l.

Wie im Vergleichsbeispiel beschrieben, wurde die Platte mit beidseitig Kleber versehen und Stahlplatten aufgebracht. Das Brandverhalten wurde untersucht wie im Vergleichsbeispiel angegeben.

Auch nach 30 min Brenndauer der Flamme war nur ein geringer Teil des Polystyrolschaums zwischen den Metallplatten geschmolzen. Die mechanische Stabilität der Platte blieb erhalten. Der Polystyrolschaum tropfte nicht ab und entzündete sich nicht.

Beispiel 2: Beschichtung der Partikel mit Aluminiumhydroxid

Es wurde vorgegangen wie in Beispiel 1, jedoch wurde die Beschichtungszusammensetzung hergestellt aus

  • – 8 kg einer Aluminiumhydroxid-Suspension mit einem Aluminiumhydroxidgehalt von 75 Gew.-%, und
  • – 2 kg der Polymerdispersion.

Die Prüfung des Brandverhaltens ergab, dass nach 30 min Brenndauer der Flamme nur ein geringer Teil des Polystyrolschaums zwischen den Metallplatten geschmolzen war. Die mechanische Stabilität der Platte blieb erhalten. Der Polystyrolschaum tropfte nicht ab und entzündete sich nicht.

Die Beispiele zeigen, dass sich aus den erfindungsgemäßen Partikeln erfindungsgemäße Schaumstoffplatten bzw. Konstruktionselemente mit hoher Thermostabilität und vorteilhaftem Brandverhalten herstellen ließen.


Anspruch[de]
Partikel aus expandierbarem, vorgeschäumtem Polystyrol, die nach dem Vorschäumen eine Schüttdichte gemäß DIN EN ISO 60 von 5 bis 50 g/l aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Partikel mit mindestens einer Verbindung A beschichtet ist, die chemisch gebundenes Wasser enthält oder bei Temperaturen über 40°C Wasser abspaltet. Partikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen A ausgewählt sind aus Alkalimetallsilikaten, Metallhydroxiden, Metallsalz-Hydraten und Metalloxid-Hydraten. Partikel nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen A ausgewählt sind aus Alkalimetallsilikaten, Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Magnesiumsulfat-Decahydrat, Zinnborat-Hydraten, Zinkoxid-Hydrat und Bortrioxid-Hydrat. Partikel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Alkalimetallsilikaten um Wasserglas handelt. Verfahren zur Herstellung der Partikel gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 mit folgenden Schritten:

a) Vorschäumen von Partikeln aus expandierbarem Polystyrol, wobei man vorgeschäumte Partikel mit einer Schüttdichte gemäß DIN EN ISO 60 von 5 bis 50 g/l erhält, und

b) Beschichten der erhaltenen Partikel mit den in den Ansprüchen 1 bis 4 definierten Verbindungen A.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) zum Beschichten eine Beschichtungszusammensetzung verwendet wird, welche die Verbindungen A und außerdem eine Polymerdispersion enthält. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerdispersion Polymere auf Basis von Monomeren enthält, die ausgewählt sind aus vinylaromatischen Monomeren, Dienen, &agr;,&bgr;-ungesättigten Carbonsäuren, Estern oder Amiden dieser Carbonsäuren, und Alkenen. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Monomere ausgewählt sind aus Styrol, Butadien, Acrylsäure, Methacrylsäure, C1-4-Alkylacrylaten, C1-4-Alkylmethacrylaten, Acrylsäureamid, Methacrylsäureamid und Methylolacrylsäureamid. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungszusammensetzung erhältlich ist durch Vermischen einer Wasserglaslösung mit einem Wassergehalt von 30 bis 99,9 Gew.-%, festem Wasserglas mit einem Wassergehalt von 0 bis 40 Gew.-%, und einer wässrigen Polymerdispersion. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungszusammensetzung erhältlich ist durch Vermischen einer Aluminiumhydroxid-Suspension mit einem Aluminiumhydroxidgehalt von 10 bis 90 Gew.-% und einer wässrigen Polymerdispersion. Formteile aus Polystyrolschaum, erhältlich aus den Partikeln gemäß den Ansprüchen 1 bis 4. Formteile nach Anspruch 11, wobei es sich um Schaumstoffplatten handelt. Formteile nach den Ansprüchen 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Brandverhalten der Klasse B gemäß DIN 4102 aufweisen. Verfahren zur Herstellung der Formteile gemäß den Ansprüchen 11 bis 13 durch Verpressen, dadurch gekennzeichnet, dass man

I) die in den Ansprüchen 1 bis 4 definierten Partikel in eine gasdurchlässige Form einfüllt,

II) die eingefüllten Partikel in der geschlossenen Form unter Volumenreduktion zu einem Pressling verpresst,

III) den Pressling durch Temperieren auf 20 bis 100°C aushärtet, und

IV) das erhaltene Formteil aus der Form entnimmt.
Verfahren zur Herstellung der Formteile gemäß den Ansprüchen 11 bis 13 durch Ausschäumen, dadurch gekennzeichnet, dass man

i) die in den Ansprüchen 1 bis 4 definierten Partikel in eine gasdichte Form einfüllt,

ii) die eingefüllten Partikel in der geschlossenen Form durch Temperieren auf 60 bis 120°C ausschäumt, wobei die Partikel zu dem Formteil verschweißen, und

iii) das erhaltene Formteil aus der Form entnimmt.
Verwendung der Formteile gemäß den Ansprüchen 11 bis 13 im Bauwesen. Verwendung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteile zur Herstellung von structural insulation panels (SIP) verwendet werden. Konstruktionselemente im Bauwesen, erhältlich durch Aufbringen einer einseitigen oder beidseitigen Deckschicht aus Metall auf die Formteile gemäß den Ansprüchen 11 bis 13. Konstruktionselemente nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um structural insulation panels (SIP) handelt. Konstruktionselemente nach den Ansprüchen 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Brandverhalten der Klasse B gemäß DIN 4102 aufweisen. Konstruktionselemente nach den Ansprüchen 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Feuerwiderstandsklasse F30 oder F60 gemäß DIN 4102 aufweisen. Verfahren zur Herstellung der Konstruktionselemente gemäß den Ansprüchen 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass man auf die Formteile gemäß den Ansprüchen 11 bis 13 einseitig oder beidseitig eine Deckschicht aus Metall aufbringt. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Deckschicht durch Kleben erfolgt.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com