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Verfahren zur Herstellung allseitig verstreckter Folien aus thermoplastischen Kunststoffen
Es ist bekannt, dass Kunststoffolien durch Recken in zwei Richtungen in ihren Festigkeitseigenschaften verbessert werden können. Zur Realisierung dieses zweidimensionalen Reckvorganges sind mehrere Verfahren entwickelt worden, z. B. biaxiales Hinwegziehen der beiderseitig mit Gleitgreifern gefassten Folie aus einer Breitschlitzdüse oder Aufblasen eines aus einer Ringdüse gepressten Schlauches, gemäss dem sogenannten Folienblasverfahren oder durch mechanisches Spreizen und gleichzeitiges Ziehen des stranggepressten Schlauches. Bei all diesen bekannten Verfahren sind folgende zwei wesentliche Punkte zu beachten, die die bisher erreichte Festigkeitssteigerung durch zweidimensionale Reckung begrenzen :
1.
Bei Temperaturen unterhalb des Erweichungsbereiches bzw. bei kristallisierenden Hochpolymeren unterhalb des Kristallitschmelzpunktes lassen sich nur solche Stoffe zweidimensional recken, bei denen die für makromolekulare Substanzen charakteristische örtliche Einschnürung beim Dehnen, die als "Hals- bildung" (im englischen Schrifttum"necking") bezeichnet wird, nicht auftritt oder nur schwach ausgeprägt ist. Andernfalls werden Folien ungleichmässiger Dicke erhalten. Bei den zuletztgenannten Hochpolyme ren, die die Erscheinung der Halsbildung in nur geringem Masse zeigen, kann die zweidimensionale Rekkung nur bis zu Reckbeträgen gerieben werden, bei denen die erwähnte"Halsbildung"noch nicht auftritt.
Diese Reckbeträge sind gering und die dabei erreichbaren Festigkeitssteigerungen betragen höchstens 100-150%.
2. Bei Temperaturen über dem Erweichungsbereich bzw. über dem Kristallitschmelzpunkt lassen sich durch die bekannten Verfahren beliebige Reckgrade erzielen, da in diesem Zustand die"Halsbildung" nicht auftritt. Allerdings sind auf diese Weise nur sehr geringe Festigkeitssteigerungen erzielbar. Diese erreichen erst nach Reckung um einige 100 % nennenswerte Beträge von etwa 50 0/0.
Die bisher zur Herstellung von verfestigten Folien bekannten Verfahren sind somit nur beschränkt anwendbar und zeigen beträchtliche technische Nachteile.
Ein Verfahren, das es gestattet, bei Temperaturen unterhalb des Kristallitschmelzpunktes bzw. Erweichungspunktes eine zweidimensionale Reckung von Folien über die lsbildung" hinaus zu erzielen, ist zur Zeit noch-nicht bekannt. Hingegen wird in der Fasertechnik eine einachsige Reckung über die Halsbildung hinaus allgemein angewendet, was man bekanntlich als "Verstrecken der Fasern" bezeichnet. Bei dieser einachsigen Verstreckung von Fasern stört die Halsbildung nicht. Es können dabei Fasern mit einer bis etwa 25-fachen Festigkeit gegenüber dem unverstreckten Zustand hergestellt werden.
Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet nun ein Verfahren zur Herstellung allseitig verstreckter Folien aus thermoplastischen Kunststoffen durch Aufweitung von Rohren aus diesen Kunststoffen unterhalb der Erweichungstemperatur mit Hilfe eines Innendruckes und eines Führungshohlkörpers für den Folienschlauch, wobei ein halbkugelförmiger Übergang vom Rohr zum Schlauch durchlaufen wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Aufweitung im Temperaturbereich zwischen Erweichungspunkt oder Kristallitschmelzpunkt einerseits und bis 600 C, vorzugsweise 300 C, unterhalb der erstgenannten Punkte anderseits, durchgeführt wird, wobei die Aufweitung bis zum zirka 15-fachen des ursprünglichen Rohr-
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durchmessers in einem Arbeitsgang erfolgt.
Die Führung erfolgt zweckmässig durch eine zylindrische Hülse, die gleichzeitig mit einem Kühlmantel ausgestattet sein kann.
Durch die erfindungsgemässe Verstreckung über die"Halsbildung"hinaus werden Festigkeitssteigerungen erzielt, die in der Grössenordnung der Festigkeiten von einachsig verstreckten Fasern liegen.
Wird mit der Verstreckung am Kristallitschmelzpunkt bzw. Erweichungspunkt begonnen, dann kühlt sich die entstehende Halbkugel, sobald die Wanddicke gegenüber der des Ausgangsrohres dünner geworden ist, unter den Schmelzpunkt ab und erfolgt sodann der Hauptteil der Aufweitung unterhalb des Kristallitschmelzpunktes bzw. Erweichungspunktes, also im kristallinen Zustand unter entsprechender Verfestigung.
Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich z. B. mit Kunststoffen wie Polyvinylchlorid, Polytrifluorchloräthylen und Polyolefinen z. B. Polyäthylen, Polypropylen, Mischpolymerisaten der Olefine wie Äthylen ! Propylen-Mischpolymerisaten und selbstverständlich auch mit Polymergemischen durchführen.
Als besonders vorteilhaft für die Herstellung verfestigterFolien nach der Erfindung erweisen sich solche Polyolefine, die nach einem Niederdruckverfahren hergestellt sind.
Es kann vorteilhaft sein, nach der erfindungsgemässen allseitigen Verstreckung eine Weiterverstrekkung in einer Richtung bei tieferen Temperaturen durchzuführen,
Zum besseren Verständnis der Erfindung und zur Demonstrierung ihrer technischen Vorzüge sei das erfindungsgemässe Verfahren zunächst der Einfachheit halber an der Verstreckung von Membranen beschrieben. Bei der erfindungsgemässen Aufweitung rohrförmiger Gegenstände lie ; en jedoch dieselben Verhältnisse vor, so dass die folgenden Angaben sinngemäss auf die Rohraufweitung übertragen werden können. Zur weiteren Erläuterung dienen auch die anliegenden Zeichnungen.
Beider Herstellung einer Folie aus einer Membrane erkennt man deutlich, dass der angestrebte allseitige Verstreckungsvorgang mit der angegebenen Festigkeitssteigerung nur unter Einhaltung der für den betreffenden Kunststoff gunstigen, verhältnismässig engen Temperaturspanne möglich ist. Unterwirft man beispielsweise eine 2,5 mm dicke Membrane aus Niederdruckpolyäthylen ( < ss = 250 mm) bei Temperaturen unterhalb des obengenannten, günstigen Temperaturbereichs einem entsprechend hohen Innendruck, dann baucht sich die Membrane zunächst aus, bis schliesslich in der Mitte durch einachsige Verstreckung eine Blase entsteht, die nur in der Verstreckrichtung verfestigt ist, senkrecht dazu jedoch nicht.
Sie reisst daher sofort nach ihrer Entstehung seiikrecht zur nichtverfestigten Richtung (vgl. Fig. l und la). Eine Röntgenaufnahme dieser Blase ist in Fig. 4 gezeigt. Diese Röntgenaufnahme bewegt, dass die Blase nur einachsig verstreckt ist ; sie hatjn der waagrechten und senkrechten Achse unnchiedliche Schwärzungen und die konzentrischen Ringe sind unterbrochen. Im Gegensatz hiezu hat die in Fig. 3 gezeigte Röntgenaufnahme einer unverstreckten Folie nichtunterbrochene konzentrische Schwärzungsringe.
Führt man diesen Versuch jedoch in dem nach der vorliegenden Erfindung ausgewählten Temperaturbereich (bei Niederdruckpolyäthylenmembranen je nach Wanddicke bei 100 - 1300 C) durch, dann erhält man die erwünschte allseitige Verstreckung der Membrane zu einer kugelförmigen, hochfesten Folie (vgl. Fig. 2) mit Dicken von z. B. 0, 3 mm bis 0,01 mm und Festigkeitswerten von einigen 100 kg/cm2 bis zu etwa 3000 kg/cm2 in allen Richtungen. Die erreichbare Festigkeit ist abhängig von der Aufweitungstemperatur und der Dicke der Folie ; letztere ergibt sich aus der Ausgangsdicke und dem Grad der Aufweitung.
Die Röntgenaufnahme dieser Folie, die in der Fig. 5 dargestellt ist, weist konzentrische, nichtunterbrochene Ringe auf, die sich von der Röntgenaufnahme der unverstreckten Folie (Fig. 3) durch andere Abstände und grössere Schärfe unterscheiden. Diese Aufnahme beweist, dass die Reckung in allen Richtungen gleich gross ist. Dementsprechend ist auch die Festigkeit in allen Richtungen gleich gross.
Dieser ideale Orientierungszustand entsteht nur bei halbkugelförmiger Aufweitung der Membrane (Spannungszustand mit zwei gleichen Hauptspannungen) in. dem erfindungsgemässen Temperaturbereich.
Er lässt sich sinngemäss auf eine kontinuierliche Folienherstellung aus einem Rohr {'beitragen, wenn das aus dem Extruder austretende Rohr auf die erfindungsgemässe Temperatur gebracht und dann halbkugelförmig aufgeblasen wird, worauf die halbkugelförmige Aufweitung sukzessive über das nachfolgende Rohr fortgesetzt wird (vgl. Fig. 6). Nach Erreichen der gewünschten Aufweitung ist es zweckmässig, den entstandenen Folienschlauch zu führen, z. B. durch eine Hülse, und zu kühlen.
Im folgenden seien die Unterschiede zwischen dem bisher allgemein geübten Folienblasverfahren, das bei Temperaturen über dem Kristallitschmelzpunkt bzw. Erweichungspunkt durchgeführt wird, und dem erfindungsgemässen Verfahren aufgezeigt.
1. Beim Folienblasverfahren wird zu Beginn des Prozesses ein stranggepresster Schlauch (etwa 2 1/2 m Länge) auf der ganzen Länge aufgeblasen und im wesentlichen in einer Richtung (Umfangsrichtung) aufgeweitet. Beim erfindungsgemässen Verfahren ist es Voraussetzung, dass aus dem Ausgangsrohr
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zuerst eine Kugel geblasen wird und danach eine sukzessive und halbkugelförmige Aufweitung des nachfolgenden Rohres erfolgt, damit die erzielte Reckung allseitig ist.
2. Beim Folienblasverfahren liegt die Verformungstemperatur erheblich über dem Kristallitschmelzpunkt bzw. Erweichungsbereich (z. B. bei 1700 C bei Niederdruckpolyäthylen mit einem Kristallit- schmelzpunkt von etwa 1270 C). Bei dem erfindungsgemässen Verfahren liegt sie dagegen am oder unterhalb desselben (z. B. bei 1250 C bei NiederdruckpolyÅathylen).
3. Kristallisierende Kunststoffe (2.. B. Polyolefine) sind unterhalb des Kristallitschmelzpunktes teilkristallin, oberhalb desselben dagegen amorph. beim bekannten Folienblasverfahren befindet sich daher das Material während des gesamten Aufweitvorganges im amorphen Zustana, beim erfindungsgemässen Verfahren dagegen im teilkristallinen Zustand. Dieser Unterschied ist die Ursache dafür, dass beim bekannten Folienblasverfahren keine, bestenfalls nur sehr geringe, beim erfindungsgemässen Verfahren da-
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4. Beim bekannten Folienblasverfahren tritt aus dem unter 2. und 3. genannten Gründen keine "Halsbildung"auf ; beim erfindungsgemässen Verfahren ist dies jedoch Voraussetzung.
Die "Halsbildung" (das ist eine örtlich begrenzte Wanddickenverminaerung) bildet sich beim erfindungsgemässen Verfahren am Übergang v. om Rohr zur Halbkugel aus, wie dies in Fig. a erlernbar ist. Der Übergang vom Rohr zur Folie ist demnach nicht, wie oei allen bisher bekannten Blasverfahren, dmch eine allmähliche, sondern durch eine örtlich begrenzte Dickenverminderung gekennzeichnet.
5. Eine Festigkeitssteigerung ist beim Folienblasverfahren nicht oder nur unwesentlich vorhanden, beim erfindungsgemässen Verfahren werden dagegen Festigkeitssteigerungen erzielt, die in der Grössen- ordnung der bei der Faserverstreckung auftretenden Werte liegen. Die Verfestigung tritt zudem in allen Richtungen ein.
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grenzt. Bei Überschreiten dieser Grenze entstehen unzulässig grosse Dickenunterschiede in der Folie, die 'schliesslich zum Reissen führen. Beim erfindungsgemässen Verfahren kann demgegenüber das Aufweitver- hältnis bis auf 1 :15 und darüber gesteigert werden, ohne dass unzulässige Dickenunterschiede oder Rei- ssen zu befürchten sind.
Der Grund hiefür ist die beim Aufweiten im eifindungsgemässen Temperaturbereich eintretende Verfestigung des Materials. Sie bewirkt, dass Stellen, die die Tendenz zeigen, sich be- vorzugt zu dehnen, auch gleichzeitig stärker verfestigt werden, worauf sich die Reckung von selbst auf die weniger gedehnten Nachbargebiete verlagert.
In Fig. 7 ist eine für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens beispielsweise benutzte Apparatur schematisch im Längsschnitt dargestellt, ohne damit den Erfindungsgedanken in irgendeiner
Weise einschränken zu wollen.
Ein Kunststoffrohr 1 wird durch ein Kupfe ; : rohr 2, das'mit einem Heizbad 3 umgeben ist, geführt und dabei auf die nach der Erfindung festgesetzte Temperatui erwärmt und danach mittels der durch die Lei-. tung 4 zugeführten Druckluft kugelförmig aufgeweitet. Der Folienschlauch 5 wird in der Hülse 6, die mit einem Kühlsystem 7 ausgestattet ist, abgekühlt und bei 8 kontinuierlich abgezogen.
Selbstverständlich kann die allseitige Verstreckung auch stufenweise bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt werden.
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hat eine Dicke von 0, 1 mm und eine Festigkeit von 1500 kg/cm2 in allen Richtungen.
Beispiel 2 : Ein Rohrstück von etwa 0, 5 m Länge aus Niederdruckpolyäthylen, Innendurchmesser 25 mm, Wanddicke 2,5 mm wird durch Eintauchen in ein Flüssigkeitsbad aus Glykol auf etwa 1250 C erwärmt. Beim Herausrehmen aus dem Bad bleibt das untere Ende noch kurze Zeit eingetaucht, so dass dort das Material etwas weicher als am übrigen Rohrstück ist. Durch Druckluft wird das untere, verschlossene Rohrende kugelförmig in einer Hülse mit einem Durchmesser von 110 mm aufgeblasen. Sobald die. kugelförmig aufgeblasene Zone an der Hülse, die mit einem Kühlsystem ausgestattet ist, anliegt, wandert sie sukzessive nach oben über die gesamte Länge des Rohrstückes weiter (vgl. Fig. 6).
Der so entstandene transparente Folienschlauch hat eine Dicke von etwa 0, 1 m. -n und eine Festigkeit von 1500 kg/cm2 in allen Richtungen.
Beispiel 3 : Ein an den Enden verschlossenes Rohr aus Polypropylen (Kristallitschmelzpunkt 155 C) mit einem Aussendurchmesser von 32 mm, einer Wanddicke von 3 mm und einer Festigkeit von 200 kg/cm2 wird in einer Heizvorrichtung entsprechend der Fig. 7 auf 1470 C erwärmt. Danach wird es langsam durch das Heizrohr geschoben und durch Innendruck am Austrittsende gegen einen Kohler von 300 mm Innendurchmesser aufgeblasen. Durch Regulierung der Vorschubgeschwindigkeit des Rohres wird
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Blasverfahren hergestellt wird, transparent. Der fertige Folienschlauch hat einen Durchmesser von 300 mm bei einer Foliendicke von zirka 40 und eine Festigkeit in allen Richtungen von 1200 kg/cm2.
Beispiel 4 : In der gleichen Weise wie in Beispiel 2 oder 3 wird durch haibkugelformiges Aufbla- sen bei 1200 C eines Rohres aus einem Äthylen-Propylen-Mischpolymerisat eine transparente verfestigte
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in allen Richtungen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung allseitig verstreckter Folien aus thermoplastischen Kunststoffen durch Aufweitung von Rohren aus diesen Kunststoffen unterhalb der Erweichungstemperatur mit Hilfe eines Innendruckes und eines Führungshohlkörpers für den Folienschlauch, wobei ein halbkugelförmiger Übergang vom Rohr zum Schlauch durchlaufen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitung im Temperaturbereich zwischen Erweichungspunkt oder Kristallitschmelzpunkt einerseits und C, vorzugsweise 300 C, unterhalb der erstgenannten Punkte anderseits, durchgeführt wird, wobei die Aufweitung bis zum zirka 15-fachen des ursprünglichen Rohrdurchmessers in einem Arbeitsgang erfolgt.