Verfahren zur Herstellung von Polyolefin-Flachfolien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polyolefin-Flachfolien durch Extrusion aus der Schmelze, bei welchem auch bei hoher Herstellungsgeschwindigkeit Folien mit glatter Oberfläche erhalten werden. In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens werden zugleich die Schlupfeigenschaften der hergestellten Folien verbessert.
Die Verarbeitung von Polyolefinen zu Flachfolien mit Hilfe von Schneckenpressen und Breitschlitzdüsen ist bekannt. Man lässt den die Schlitzdüse verlassenden geschmolzenen Film auf eine temperierte Walze auflaufen und beschleunigt dadurch die Abkühlung des Films. Die Oberflächenbeschaffenheit einer auf diese Weise hergestellten Polyolefinfolie hängt von der Oberfläche der Walze ab, auf die extrudiert wird. Man erhält oberflächlich glatte Folien, wenn hochglanzpolierte Walzen benutzt werden.
Es ist notwendig, dass die Folie nach ihrem Auftreffen auf die Walze sich in sattem Kontakt mit dieser befindet. Dann erhält man Folien mit optimaler Transparenz und wegen des schnellen Abschreckeffektes auch mit optimalen physikalischen Eigenschaften. Beim Überschreiten einer gewissen Abzugsgeschwindigkeit, beispielsweise von etwa 10 bis 20 m/min, ist es jedoch sehr schwer, den erforderlichen satten Kontakt der Folien auf den Walzen zu erhalten, weil zwischen beiden Luft eingezogen wird, die bei mittleren Geschwindigkeiten fleckenförmig, bei höheren Geschwindigkeiten über die gesamte Fläche der Folie den direkten Kontakt mit der Walze verhindert.
Bei der Extrusion von Polypropylen erhält man bei einer Abzugsgeschwindigkeit von weniger als 10 m/min klare Folien, bei einer Abzugsgeschwindigkeit von 10 bis 20 m/min wegen lokaler Lufteinschlüsse Folien mit mehr oder weniger sichtbaren trüben Flecken und bei noch höheren Abzugsgeschwindigkeiten insgesamt trübe Folien.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Polyolefin-Flachfolien durch Extrudieren von geschmolzenem Polyolefin aus Breitschlitzdüsen auf eine sich drehende Walze, nach welchem auch bei hohen Auszugsgeschwindigkeiten glatte und gleichmässig klare Folien entstehen.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man mittels eines Gasstrahles, welcher auf den auf die Walze auflaufenden extrudierten Polyolefinfilm gleichzeitig über dessen ganze Breite an einer Stelle auftrifft, an welcher der sich abkühlende Film den Polyolefinerweichungsbereich noch nicht unterschritten hat, einen den Polyolefinfilm gegen die Walzenoberfläche pressenden Staudruck erzeugt.
Vorteilhafterweise kann man als Gasstrahl einen Luftstrahl verwenden. Der Staudruck, welchen der Luftstrahl an seiner Auftreffstelle auf den Film hervorruft, liegt vorteilhaft zwischen 25 und 1000 mm Wassersäule. Er wird zweckmässig erzeugt mittels einer mit einem Gebläse beschickten Schlitzdüse mit einer Spaltweite von 0,1 bis 1,5 mm. Der erforderliche Staudruck hängt von der Art des Polymeren, von der Temperatur der geschmolzenen Masse, der Temperatur der Aufspritzwalze, der Folienstärke und der Abzugsgeschwindigkeit ab. Bei der Herstellung von Folien aus Polypropylen genügen Staudrücke von 50 bis 100 mm Wassersäule, während sie bei Folien aus Polyäthylen mit hoher Dichte mindestens doppelt so hoch sein müssen.
Ein Staudruck unter 25 mm Wassersäule wird nur ausnahmsweise den Film ausreichend fest gegen die Walze pressen. Staudrücke über 1000 mm Wassersäule bringen gegenüber niedrigeren Staudrücken im allgemeinen keine Verbesserung. Man kann neben der Verwendung von Luft von Raumtemperatur auch mit beheizter Luft arbeiten in einem Temperaturbereich bis zur Massentemperatur des Polymeren.
Anstelle von Luft sind andere gasförmige Medien anwendbar, die nicht mit Polyolefinen reagieren. Bei Verwendung von Inertgas, wie Stickstoff oder Kohlendioxyd, wird die oberflächliche Oxydation der geschmolzenen Polyolefinmasse verringert.
Der durch den Luftstrahl auf der Folie erzeugte Staudruck muss genügen, um den satten Kontakt der heissen Folie mit der Walze herbeizuführen und Lufteinschlüsse auch noch beim Arbeiten mit hohen Geschwindigkeiten von beispielsweise 50 m/min und mehr zu vermeiden. Man erhält so bei hohen Geschwindigkeiten Folien von ausgezeichneter Oberflächenbeschaffenheit und damit grösster Klarheit.
Kunststoffolien, besonders Polyolefinfolien, haben oft die unangenehme Eigenschaft, dem Versuch, sie gegeneinander oder gegenüber anderen Oberflächen zu bewegen, grossen Widerstand entgegenzusetzen.
Man spricht von schlechtem Schlupf der Folie. Bei Folien mit Stärken unter 100 u ist die Neigung, aufeinander zu haften, besonders gross. Schlechter Schlupf erschwert aber das ordentliche Aufwickeln und die Weiterverarbeitung der Folien. Bisweilen kleben diese Folien in aufgerolltem Zustand so stark aufeinander, dass sie nur unter Zerreissen abgewickelt werden können. Dies ist besonders der Fall bei sehr klaren Folien. Wie nun weiterhin gefunden wurde, kann man bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung klare Polyolefinfolien mit gutem Schlupf erhalten, wenn man dem Luftstrahl, welcher auf den Polyolefinfilm gerichtet wird, ein schlupfverbesserndes Mittel in Form eines Aerosols zufügt.
Anhand der schematischen Darstellung der Fig. 1 bis 3 wird das erfindungsgemässe Verfahren an Beispielen im folgenden weiter erläutert. Von ihnen zeigt Fig. 1 die Anordnung einer Luftbürste für das Verfahren gemäss der Erfindung, Fig. 2 eine Verfahrensapparatur für die gleichzeitige Anwendung schlupfverbessernder Mittel und Fig. 3 in grösserem Massstab die Schlupfmittelzuführung zu dem für die Luftbürste erforderlichen Gas.
Bei dem Verfahren wird auf die aus der Extruderschlitzdüse 1 extrudierte Folie oder den Film 2 ein aus dem Luftschlitz 4 einer Luftschlitzdüse 3 tretender Luftstrahl gerichtet, der den Film 2 an die als Giessunterlage dienende Walze 7 legt.
Die Anwendung eines breitgestreckten Luftstrahls zur Behandlung von Materialoberflächen ist in der Technik an sich bekannt. Man hat für einen solchen oberflächlich einwirkenden breitgezogenen Luftstrahl die Bezeichnung Luftbürste eingeführt und versteht darunter einen im Querschnitt strichförmigen Luftstrahl, der durch eine Schlitzdüse erzeugt wird. Luftbürsten werden beispielsweise benutzt zum Abblasen überschüssiger Flüssigkeit beim Lackieren oder Imprägnieren von Papier oder Folienbahnen.
Bei dem Verfahren ist es wichtig, den Luftstrahl vor der sogenannten Frostlinie der Folie 2 auftreffen zu lassen. Unter Frostlinie ist die Verbindung der Punkte der Folie 2 zu verstehen, welche den Erweichungsbereich des Folienmaterials gerade unterschritten haben. Sie ist in der Fig. 1 und 2 mit 6 bezeichnet. In manchen Fällen ist die Frostlinie 6 visuell durch eine leichte Trübung der auf der Walze liegenden Folie 2 zu erkennen. Die Behandlung der Folie 2 mit dem Luftstrahl nach der Frostlinie 6, das heisst dort, wo die Folientemperatur unter den Erweichungspunkt abgesunken ist, hat keine Wirkung.
Ausser der Frostlinie 6 ist die Auftrefflinie 5 der Folie auf der Walze zu beachten. Dies ist die parallel zur Walzenachse liegende Linie, auf der die Folie die Walze kontaktiert, wenn kein Luftstrahl sie an die Walze legt. Bei höheren Abzugsgeschwindigkeiten läuft die Folie dann im wesentlichen tangential auf die Walze auf. Der Abstand der Frostlinie 6 von der Auftrefflinie 5 hängt von der Massentemperatur, der Folienstärke und der Abzugsgeschwindigkeit ab.
Die Wirkung, welche mit der erfindungsgemässen Behandlung der Polyolefinfolie mittels eines aus einer Luftschlitzdüse 3 austretenden Luftstrahls erreicht wird, ist am grössten, wenn der Strahl nahe bei der Auftrefflinie 5 auf die Folie 2 auftrifft. Es ist am vorteilhaftesten, ihn auftreffen zu lassen, kurz bevor die Folie 2 die Auftrefflinie 5 erreicht, die sich eingestellt hätte, wenn der Luftstrahl zuvor nicht eingewirkt hätte. Durch die Einwirkung des Luftstrahls wird eine gegenüber der Auftrefflinie 5, die sich ohne Luftanblasung einstellt, neue Kontaktlinie geschaffen, welche näher zur Extrusionsdüse liegt. Der Vorteil dieser düsennäheren Kontaktlinie liegt u. a. in ihrer exakteren Strichform. Lässt man den Luftstrahl erst einwirken, nachdem die Folie 2 auf die Walze bereits aufgelaufen ist, so können Verzerrungen der Folie auftreten, z.
B. durch partielles Haften der Folie auf der Walze, die nicht mehr zu entfernen sind.
Es wurde weiter gefunden, dass es vorteilhaft ist, den durch die Luftschlitzdüse 3 gebildeten Luftstrahl nicht senkrecht auf die Folie auftreffen zu lassen, sondern in einem Winkel a von 5 bis 200 zur Foliennormalen geneigt, und zwar so, dass der Winkel a zur freien, noch nicht mit der Walze in Berührung gekommenen Folie 95 bis 1100 beträgt. Der Luftstrahl ist demnach leicht gegen die Extruderdüse 1 hin gerichtet.
Der Abstand der Luftdüse 3 von der Folie 2 kann zwischen 1 und 50 mm betragen. Vorteilhaft hält man ihn so klein wie möglich, damit der bandförmige Luftstrahl noch gut gebündelt ist und noch keine wesentliche Verwirbelung aufweist. Die Anordnung der Extruderdüse 1 zur Aufspritzwalze kann grundsätzlich beliebig erfolgen. Sie kann so sein, dass der Film 2 senkrecht extrudiert wird und die Walze senkrecht tangential berührt. Es ist jedoch auch möglich, einen anderen Ort zu wählen, so dass die freie, noch nicht im Kontakt mit der Walze befindliche Folie einen beliebigen Winkel zur Ver tikalen bildet. Am besten geeignet ist jedoch das senkrechte tangentiale Verfahren.
Um eine vorschnelle Abkühlung der heissen Folie durch die Luft zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, ein Ablenkblech zwischen Extruder und Luftdüse anzubringen, welches die Luft kurz nach ihrem Auftreffen auf die heisse Folie seitlich abführt und so das Vorbeiströmen der Luft an dem heissen Folienteil und der Extrusionsdüse unterdrückt.
Die Breite des Luftstrahls soll im wesentlichen mit der Breite der Folie übereinstimmen. Arbeitet man mit breiteren Luftbürsten, so muss der Schlitz seitlich abgedeckt werden, um ein Einströmen der Luft in den Raum zwischen der heissen Folie und der Walze zu verhindern. Dieses Einströmen erzeugt eine Flatterbewegung der Folie und führt zu unerwünschten Dickenschwankungen. Ein weiterer grosser Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens liegt darin, dass durch den Luftstrahl die Folienränder eindeutig fixiert werden und nicht wie sonst, vor allem bei hohen Abzugsgeschwindigkeiten, seitlich auswandern.
Zu den schlupfverbessernden Mitteln, welche man dem Luftstrahl zusetzen kann, zählen sehr viele natürliche oder künstliche anorganische und organische Substanzen. Man wendet sie tunlichst in wässriger Lösung oder Dispersion an, kann jedoch auch organische Lösungsmittel benutzen, gegebenenfalls mit Wasser gemischt. Beispiele für wasserlösliche Schlupfmittel sind anorganische Salze, wie Natriumchlorid, Natriumcarbonat, Natriumbicarbonat, Natriumperborat, Natriumsulfat, Calciumbromid, Trinatriumphosphat, Magnesiumsulfat. Weiter kann man Magnesiumoxyd, Zinkoxyd, Calciumcarbonat, Titandioxyd, Siliciumdioxyd, Kaolin, Bentonit, Aluminiumoxyd, Glimmer und Glaspulver in wässriger oder organischer Aufschlämmung verwenden.
Ferner kommen in Betracht Natriumoxalat, Natriumfumarat, Zinkstearat, Natriumterephth alat, Dimethylterephthalat, Terephthalsäure, Polyvinylalkohol, Methylcellulose, Oxymethylcellulose, Natriumalginat, Dextrin, Stärke, Kasein, Zein. Auch gefärbte Salze, wie Ko balt (II)-chlorid, Mohrsches Salz, Chrom(III)-chlorid, Kupfersulfat können benutzt werden, wobei man sogar oft eine Verbesserung im Sinne einer optischen Aufhellung erreicht. Auch flüssige Substanzen, wie Silikonöl, Leinöl, Olivenöl, Paraffinöl, Glycerin, Glykol, Methylalkohol, sind brauchbar. Die vorstehende Aufzählung ist nicht erschöpfend, sondern erfolgt nur beispielsweise.
Durch die Beimischung von Aerosol zu der Luft für die Luftbürste wird eine bedeutende und überraschende Verbesserung des Schlupfes erreicht.
Zur Zumischung des Aerosols geht man beispielsweise so vor, dass man gemäss Fig. 2 die Zuleitung, welche die Luft zur Luftdüse führt, mit Stutzen versieht, in welche man normale Zerstäubungsdüsen einsetzt und diese mit Pressluft und dem Schlupfmittel beschickt. In Fig. 2 ist 8 das Gebläse zur Beschickung der Luftdüse, 9 ist die Luftzuleitung zur Luftdüse, 10 ist eine Zerstäuberdüse, die in dem Ansatzstück 9a der Luftzuleitung befestigt ist.
11 ist das Vorratsgefäss mit der Lösung oder Dispersion des Schlupfmittels. 12 ist die Pressluftleitung für die Zerstäuberdüse 10. Die mit Aerosol angereicherte Luft wird der Luftdüse 3 zugeführt. 1 ist die Breitschlitzdüse an einem nicht gezeichneten Extruder.
Der aufgeschmolzene Film 2 trifft auf die Aufspritzwalze 7. 5 ist die Auftrefflinie, die sich ohne Luftanblasung einstellen würde, und 6 die Frostlinie.
Fig. 3 lässt die Zerstäuberdüse für die Aerosolbildung und ihre Anbringung deutlicher erkennen.
Die durch die Fig. 2 rund 3 veranschaulichte Methode zur Einbringung des Aerosols in die Beschickungsluft zeigt ein Beispiel für das Zufügen eines Schlupfmittelaerosols in den erfindungsgemäss anzuwendenden Luftstrahl. Das Zufügen des Aerosols wird auch in anderer Weise durchgeführt. Beispielsweise sind Pressluftzerstäuberdüsen verwendbar, wie sie im Bericht über die Seluvebstofftechnische Arbeitstagung 1954 vom 1. Physikinstitut der Johann Gutenberg-Universität in Mainz im Dezember 1954 auf Seite 2 und Seite 12 beschrieben sind. Mit ihnen können Dispersionen des Schlupfmittels verarbeitet werden, während bei den in Fig. 2 und 3 gezeigten Düsen nur Lösungen zur Herstellung des Aerosols in Frage kommen.
Wie weiter oben angegeben, wird der Luftstrahl mit dem Schlupfmittel Aerosol so zur Einwirkung gebracht, dass er vor der Frostlinie 6 in der Gegend der Auftrefflinie 5 der Folie 2 auf der Walze die Folie berührt. Die genaue Anordnung der Luftdüse 3 wird durch die Erfordernisse der guten Anpressung der Folie 2 auf die Walze 7 bedingt. Bei der Zumischung von Aerosol zur Beschickungsluft der Luftbürste vollzieht sich auf der Folie 2 ein Trocknungsvorgang durch Verdampfung des Lösungs- oder Dispersionsmittels, welches für die Aerosolherstellung benutzt wird. Die Trocknung tritt sofort ein, da die Folie an dieser Stelle noch einen beträchtlichen Wärmeinhalt besitzt.
Das Verfahren beeinträchtigt das Aussehen der Folie nicht; man kann das Schlupfmittel auf der Folie bei richtiger Dosierung nicht sehen. Die Behandlung, welche einseitig erfolgt, führt nach der Aufrollung der Folie auch zu einer Schlupfverbesserung auf der anderen Seite, wahrscheinlich dadurch, dass ein gewisser Teil des Schlupfmittels auf die andere Seite der Folie übertragen wird.
Die Folien, bei denen das Verfahren zur Anwendung gelangt, sind Polymerisate oder Mischpolymerisate aus Olefinen. Als Beispiele seien genannt Poly äthylen, Polypropylen, Polybuten-(l), Polymethylpenten, Mischpolymerisate aus Äthylen und Propylen, aus Äthylen und Buten-(l), aus Propylen und Buten-(l) usw.
Bei der Zumischung des Aerosols zur Anblasluft herrscht ein solcher Luftüberschuss, dass in der Luftdüse 3 keine Ansammlung von Feuchtigkeit auftritt. Es kann jedoch vorkommen, dass nach länge rem Fahren der Schlitz 4 der Luftdüse 3 sich lokal verstopft. Deshalb ist es angebracht, von Zeit zu Zeit den Luftdüsenschlitz 4 zu reinigen.
Man kann dazu so vorgehen, dass man in den Schlitz ein schmales Plättchen mit einer Dicke, die etwas geringer ist als die Schlitzweite, seitlich einbringt und mit Hilfe eines Drahtes oder Metallstabes durch den Schlitz bewegt. Man kann dann beim Austauschen der Rolle, auf welche die produzierte Folie aufgewickelt wird, durch Bewegung des Plättchens durch den Schlitz diesen reinigen, ohne dass die Produktion der Folie gestört wird.
Beispiel 1
Ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsge mässe Verfahren ist in Fig. 1 veranschaulicht, auf welche im folgenden Bezug genommen wird. Polypropylen-Granulat mit einem Wert für die reduzierte spezifische Viskosität von 2,8 (0, 1 S Dekahydroxynaphthalin bei 1350C) wird über eine Schneckenpresse mit einer Schnecke von 90 mm Durchmesser aufgeschmolzen und einer 1000 mm breiten Schlitzdüse 1 zugeführt. Die Massentemperatur der Schmelze in der Düse beträgt 2600 C. Die Breitschlitzdüse ist so angebracht, dass der geschmolzene Film 2 senkrecht tangential auf eine mit Wasser auf 200 C gekühlte, verchromte und hochglanzpolierte Walze mit einem Durchmesser von 515 mm aufläuft. Der freie Follenweg beträgt 135 mm. Die Folie berührt an sich die Walze auf der Auftrefflinie 5.
Die mit Gebläseluft beschickte Schlitzdüse 3, deren Schlitz 4 eine Spaltweite von 0,4 mm besitzt, ist so angeordnet, dass der Luftstrahl 2 mm oberhalb der Auftrefflinie 5, welche sich ohne Luftanblasung eingestellt hätte, auf der Folie auftrifft. Der Winkel a des Luftstrahls zur Foliennormalen beträgt 100. Die Frostlinie 6 der auf der Walze liegenden Folie befindet sich 35 mm unterhalb der Auftrefflinie 5. Der Abstand des Luftdüsenschlitzes yon der Folie beträgt 5 mm, der Druck in der Düse 250 mm Wassersäule.
Die Breite der Luftdüse ist 800 mm und entspricht der Folienbreite am Auftreffpunkt. Die Extruderdrehzahl wird so abgestimmt, dass bei einem Abzug von 50 m/min eine 30 starke Folie entsteht. Die er- haltene Folie ist von ausgezeichneter Brillanz und Klarheit. Sie weist eine Vorwärtsstreuung, die als Trübungsmass gilt, von 2,6 % auf. Die Festigkeit in Längsrichtung ist 6,3, in Querrichtung 3,8 kg/mm2.
Die Reissdehnung beträgt in Längs- und Querrichtung 750 %.
Beim Arbeiten ohne Luftbürste entsteht eine trübere Folie mit vielen Flecken und Verzerrungen.
Die Vorwärtsstreuung liegt dann bei 7,1 %. Bei einer Längsdehnung von 600% ist die Querdehnung nur noch 15 %. Die ohne Luftbürste hergestellte Folie zeigt eine starke Spleissneigung in Längsrichtung.
Beispiel 2
Polypropylen-Granulat mit einem Wert für die reduzierte spezifische Viskosität von 2,6 (0,1 % in Dekahydroxynaphthalin bei 1350 C) wird über eine Schneckenpresse mit 90 mm Durchmesser aufgeschmolzen und einer 1000 mm breiten Schlitzdüse zugeführt. Die Massentemperatur der Schmelze in der Düse beträgt 2700 C. Die Breitschlitzdüse ist so angebracht, dass der geschmolzene Film senkrecht tangential auf eine mit Wasser auf 200 C gekühlte ver chromte und hochglanzpolierte Walze mit einem
Durchmesser von 515 mm aufläuft. Die mit Gebläseluft beschickte Schlitzdüse mit einer Spaltweite von
0,4 mm ist so angeordnet, dass der Luftstrahl 2 mm -oberhalb der Auftrefflinie der Folie, wie sie sich ohne Luftanblasung einstellen würde, auf die Walze auftrifft.
In der Leitung, welche Luft zur Luftdüse führt (Fig. 1), wird mit Hilfe von bekannten Zerstäuberdüsen wässrige 10% ige Kochsalzlösung einge sprüht. Die Zerstäuberdüsen sind so eingestellt, dass pro Düse 0,3 Liter 10% ige Kochsalzlösung pro Stunde verbraucht wird. Die Zerstäuberdüsen werden mit Pressluft beschickt. Die Beschickung der Luftdüse erfolgt über ein Gebläse mit einer Lei stung von 10 ! ma pro Stunde. Der Winkel des die Luftdüse verlassenden Luftstrahls zur Foliennormale beträgt 100, der Abstand der Luftdüse von der Folie
5 mm, der Druck in der Düse 250 mm Wassersäule.
Die Extruderdrehzahl ist so abgestimmt, dass bei einem Abzug von 50 m/min eine 30 u starke Folie ent- steht. Die erhaltene Folie ist von ausgezeichneter
Brillanz und Klarheit. Sie hat sehr guten Schlupf, wie sich aus folgenden, nach weiter unten angegebener Methode ermittelten Reibungszahlen ergibt:
Reibungszahl behandelte Seite auf behandelte Seite = 4 unbehandelte Seite auf unbehandelte Seite = 6 behandelte Seite auf unbehandelte Seite = 5
Die beim Aufeinanderlegen zweier unbehandelter
Seiten gefundene günstige Reibungszahl 6 erklärt sich daraus, dass sich beim Aufwickeln der Folie zu Rollen etwas von dem aufgesprühten Kochsalz auf die nicht behandelte Seite der Folie überträgt.
Bei Behandlung der Folie mit Luftstrahl ohne Aerosolzusatz liegen die Reibungszahlen in allen drei Fällen über 25. Eine nachträgliche Aerosolbesprühung der fertigen Folie ergibt folgende Werte:
Reibungszahl behandelte Seite auf behandelte Seite = 7 unbehandelte Seite auf unbehandelte Seite = 10 behandelte Seite auf unbehandelte Seite = 8
Die Ermittlung der Reibungszahl erfolgt folgen dermassen: Auf einem kleinen Wagen ist ein Folien stück befestigt. Ein anderes Folienstück wird darauf gelegt und mit einem Kraftmesser verbunden. Ein mit Weichgummi beklebtes Metallstück mit einer Fläche von 10 cm2 und einem Andruck von 20 p/cm2 wird aufgelegt und der Wagen mit 1 cm/sec abgezogen. Der Reibungskoeffizient, das heisst Reibungskraft dividiert durch Andruck, ergibt mit 10 multipliziert die Reibungszahl.