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Verfahren zur Verfestigung von Hohlkörpern
Es ist bekannt, dass die mechanischen Eigenschaften von thermoplastischen Kunststoffen durch Recken im warmformbaren thermoplastischen Temperaturbereich verbessert werden können. So wird beispielsweise das spröde Polystyrol durch diese Behandlung zäh ; Polyvinylchlorid wird ebenfalls zäher und erfährt eine Festigkeitssteigerung in der Reckrichtung.
Auf dieser Erscheinung beruhen viele Verfahren wie z. B. die Verstreckung der Chemiefasern oder die Verbesserung der Zähigkeit und Festigkeit von Rohren oder andern Hohlkörpern durch Aufblasen im warmformbaren Temperaturbereich.
Bei der Reckung der Kunststoffe tritt in vielen Fällen eine örtliche Einschnürung (sog. Hals Bildung) auf, die, sobald sie einmal ge-
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hat. Der so verstreckte Probestab besitzt dann die gewünschten verbesserten mechanischen Eigenschaften. Im Zugdehnungsdiagramm äussert sich die Halsbildung durch ein Absinken und anschliessendes mehr oder weniger langes Konstantbleiben der Zugkraft (vgl. Fig.
1 Kurve a). Bei der Paserverstreckung oder allgemein bei der Verstreckung von stabförmigen Körpern in einer Richtung stört diese Halsbildung nicht.
Ein störungsfreies Aufweiten bzw. Blasen von Hohlkörpern oder Rohren gelingt jedoch nur dann, wenn die Halsfildung vermieden wird. Andernfalls erfolgt die Aufweitung nämlich nicht gleichmässig über den ganzen Querschnitt, sondern es bilden sich örtliche Blasen, die bei weiterer Drucksteigerung aufreissen.
Viele thermoplastische Kunststoffe, beispielsweise Polystyrol und Polyvinylchlorid, zeigen die Halsbildung nur im Bereich der tieferen Temperaturen, während sie schon bei mässiger Temperaturerhöhung verschwindet. Die Zugdehnungskurve zeigt dann den Verlauf der Kurve b in Fig. 1, d. h. es tritt kein Maximum mehr auf. Bei diesen Kunst- stoffen macht das Aufweiten von Rohren ZU1
Ausbildung einer genügend starken Orien. tierung bzw. Verfestigung keine Schwierig keiten.
Bei einer andern Gruppe von Kunststoffei beispielsweise Polyäthylen und strukturell un ( mechanisch verwandten Polymerprodukten verschwindet die Halsbildung erst bei vie. höheren Temperaturen, z. B. bei Niederdruck polyäthylen am Kristallitschmelzpunkt, der it nach Polymerisationsgrad zwischen 1250 une
1280 liegt. Deshalb wird auch die Herstellung von Flaschen, Formlingen und Folien aus diesem Polyäthylen nach dem Blasverfahrer oberhalb des genannten Temperaturbereich ! durchgeführt. Ein Nachteil dieser Arbeits- weise besteht darin, dass bei diesen Tem- peraturen keine oder nur eine unwesentliche Festigkeitssteigerung des Materials erreicht wird.
Es wurde nun gefunden, dass Hohlkörper aus Polyolefinen verfestigt werden können, wobei die erwärmten Hohlkörper aufgeweitet und gegebenenfalls auch in der Länge gestreckt und anschliessend abgekühlt werden, wenn sie bei einer Temperatur aufgeweitet werden, bei der eine Halsbildung gerade noch vermieden wird.
Diese Temperatur lässt sich für einen bestimmten Kunststoff in einfacher Weise da. durch ermitteln, dass an mehreren Probestäben des Kunststoffmaterials Zugdehnungskurven bei verschiedenen Temperaturen aufgenommen werden. Diejenige Temperatur, bei der der Verlauf der Kurve a in denjenigen der Kurve b in der Fig. 1 übergeht, wird als Arbeitstemperatur für das erfindungsgemässe Verfahren ausgewählt, d. h. im Zugdehnungsdiagramm darf kein Maximum mehr auf. treten. Im Diagramm der Fig. 2 sind die bei verschiedenen Temperaturen an Stäben aus Niederdruckpolyäthylen, das nach dem ZieglerVerfahren (Angew. Chemie 67 1955 S. 541) hergestellt wurde, gemessenen Zugdehnungswerte aufgetragen.
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Das Verfahren kann kontinuierlich und diskontinuierlich durchgeführt werden. Sollen einzelne Rohrstücke aufgeweitet und verfestigt werden, so erwärmt man diese in einem Heizaggregat auf die erfindungsgemässe Arbeitstemperatur, führt sie anschliessend in den Innenraum eines zylindrischen Kühl- mantels, der einen bestimmten Innendurchmesser hat, und weitet sie dort, beispiels- weise durch Anwendung von Innendruck, auf.
Dabei legt sich das aufgeweitete und ver- festigte Rohr an die Innenwand des Kühl- mantels an.
Eine andere beispielsweise Ausführungs- form des Verfahrens besteht darin, dass man die die Strangpresse verlassenden Rohre oder
Hohlkörper, die sich noch im warmplasti- schen Zustand befinden, in Kühlsystemen auf die erfindungsgemässe Temperatur abkühlt und, wie bereits beschrieben, aufweitet. We- gen des dabei auftretenden Unterkühlungs- effektes erfolgt die Kristallisation u. U. bei einer Temperatur, die etwas niedriger liegt als der beim Erwärmen des kalten Materials beobachtete Kristallitschmelzpunkt. Insofern wird dann auch die erfindungsgemässe Ar- beitstemperatur entsprechend erniedrigt.
Selbstverständlich können die die Strangpresse verlassenden Gegenstände auch zunächst bis unter die Aufweitungstemperatur abgekühlt und anschliessend wieder auf diese erwärmt und wie oben beschrieben, weiterbehandelt werden.
Bei der Durchführung des erfindungs- gemässen Verfahrens ist es erforderlich, dass die bei den bekannten Blasverfahren ver- wendeten Heizvorrichtungen, die auch für das vorliegende Verfahren verwendet werden, hin- sichtlich ihrer Regelbarkeit und Gleichmässig- keit der Temperaturen wesentlich verbessert werden.
Als für die Verarbeitung nach dem er- findungsgemässen Verfahren in Frage kom- menden Kunststoffmaterialien seien beispiels- weise genannt : Polyäthylen, vorzugsweise
Niederdruckpolyäthylen, Polypropylen (her- gestellt nach dem Niederdruckverfahren),
Mischpolymerisate des Äthylens und Propy- lens und Polymermischungen der genannten
Polymerisate untereinander oder mit andern
Polymerisaten, beispielsweise Polyvinylchlorid.
Vorzugsweise werden erfindungsgemäss die nach dem bekannten Niederdruckverfahren (Ziegler) hergestellten Polyolefine verwendet.
Nach dem vorliegenden Verfahren lässt sich jeder beliebige Grad der Aufweitung zu
Rohren bzw. Verfestigung dieser Rohre er- zielen.
Die nach diesem Verfahren verfestigten Rohre oder Hohlkörper ergeben nicht nur einen höheren Berstdruck, sondern auch eine wesentlich höhere Zeitstandfestigkeit gegen Innendruckbeanspruchung. Ausserdem wird die bei höheren Temperaturen bei manchen Kunststoffen auftretende Spannungsrissbildung weitgehend unterdrückt.
Beispiel l : Ein Niederdruckpolyäthylenrohr mit 32 mm Aussendurchmesser und 4 mm Wanddicke, das genau auf 1260 erwärmt ist, wird durch Innendruck gegen einen zylindrischen Kühlmantel (200) von 65 mm Innendurchmesser aufgeweitet. Die Aufweitung erfolgt in einem flachkonischen Übergangsstück ; eine Längsreckung wird durch gleiche Einlauf- und Abzugsgeschwindigkeit vermieden. Das so erhaltene Rohr hat eine Wanddicke von zirka 2 mm, eine Festigkeit von 400 kg/cm in Umfangsrichtung und etwa unveränderte Festigkeit (200 kg/cm2) in Längsrichtung. Durch die Aufweitung erfolgte somit eine Erhöhung der Festigkeit in Umfangsrichtung um 100%.
Beispiel 2 : Ein Rohrstück aus Niederdruckpolyäthylen mit 32 mm Aussendurchmesser und 4 mm Wanddicke, das eine Festigkeit von 220 kg {cm2 besitzt, wird unter den angegebenen Bedingungen aufgeweitet, wobei jedoch die Aufweitung nicht konisch, sondern ballig (halbkugelähnlich) erfolgt. Das Rohr erhält dabei eine etwas grössere Abzugsgeschwindigkeit, wodurch ausser der Umfangsreckung auch eine Längsreckung bewirkt wird. Die erhaltene Wanddicke beträgt etwa 1 mm und die Festigkeit etwa 400 kg/cm2 in beiden Richtungen.
PATENTANSPRÜCHE : l. Verfahren zur Verfestigung von Hohlkörpern aus Polyolefinen, wobei die erwärmten Hohlkörper aufgeweitet und gegebenenfalls auch in der Länge gestreckt und anschliessend abgekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitung bei einer Temperatur durchgeführt wird, bei der eine Halsbildung gerade noch vermieden wird.