CH415035A - Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen von Stäben oder Profilen aus thermoplastischen Kunststoffen - Google Patents

Description

  



  Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen von Stäben oder Profilen aus thermoplastischen Kunststoffen
Die Erfindung betrifft das kontinuierliche Herstellen von Stäben und Profilen aus thermoplastischen Kunststoffen mit einem kurzen Schmelzbereich, wie Polyamiden, Polyurethanen mit wiederkehrenden Carbonamidgruppen in der Kette,   Polyolefi-    nen, Polyacetalen.



   Wegen verschiedener Eigenschaften dieser thermoplastischen Kunststoffe mit einem kurzen Schmelzbereich ist es schwierig gewesen, daraus Stangen oder Stränge, insbesondere kontinuierlich, herzustellen. Zu diesen Eigenschaften gehören die verhältnismässig scharfen   Schmelzpunkte   und die   verhältnismässig    geringe Viskosität im schmelzflüssigen Zustand. Zur Erläuterung der Vorgänge beim' Herstellen von   Formkörpem    durch kontinuierliches   Erstarrenlassen    der Schmelze der genannten   Kunst-    stoffe in einer gekühlten Formvorrichtung sei auf Fig.   1    verwiesen.   1    ist die Schmelze, die der Formvorrichtung 2 zugeführt wird und die zunächst in den   äusseren    Zonen erstarrt.

   Die noch flüssige Phase bildet im Innern des Körpers einen Kegel 3, dessen Winkel a umso stumpfer ist je   grösser    die Erstar  rungsgeschwindigkeit    der Schmelze und je kleiner, die Durchsatzgeschwindigkeit (=Abzugsgeschwindigkeit) des Kunststoffes ist. Das Herstellen von Profilen aus thermoplastischen Kunststoffen mit einem kurzen Schmelzbereich ist insbesondere bei Formkörpern mit grossen Querschnittsflächen schwierig, weil der   Schmelzkegelwinkel    a bei grosser Abzugsgeschwin  digkeit    klein wird und auch, wenn, man die Schmelze unter hohem Druck der Formvorrichtung zuführt, Lunkerbildung und innere Spannungen nicht sicher vermieden werden können, da die   erstarrende    Schmelze im engen Kegel zu schwer beweglich wird.



  Deshalb muss besonders darauf geachtet werden, die Abzugsgeschwindigkeit des gebildeten Formkörpers (Stab oder Profil) so zu wählen, dass der Schmelzkegelwinkel a möglichst gross ist. Dies. ist aber nur bei kleinen Abzugsgeschwindigkeiten   (Durchsätzen)    möglich.



   Bei einem bekannten Verfahren dieser Art   wilid    die Kunststoffschmelze kontinuierlich in   Formvor-    richtungen gepresst, wobei ein zu starker   Reibungs-    eingriff zwischen Fomnrohr und Formling durch Schmierung des   Formrobres verhindert    wird.



   Es ist ferner ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung   blasenfreier,    durch ein gekühltes Formrohr gepresster Stangen aus organischem Kunststoff bekannt, bei dem der erforderliche Rückdruck durch einen, infolge der Kühlung sich bildenden, durch den Pressdruck an die Formwand   gepressten    Ring des Kunststoffes erzeugt wird. In Anwendung auf Polyamide ist es   es dadurch gekennzeichnet, dass dio Grösse    des Rückdrucks der im Reibungseingriff mit der   Formwand stehenden Fläche    des sich im Formrohr bildenden Ringes durch Variation der Kühlung und/ oder des Pressdruckes beeinflusst wird.



     Schliesslich    ist bekannt, Stäbe, Profile und Rohre aus thermoplastischen Stoffen mit Hilfe eines Extruders kontinuierlich herzustellen, indem man den Druck und die Temperatur der Schmelze sorgfältig regelt und darüber hinaus eine Verbindung zwischen   ZufuhrleitungundFormvorrichtung    verwendet, die aus einem die Wärme schlecht leitenden Material besteht.



   Mit Hilfe der genannten Verfahren können Rohre und Profile mit grosser Querschnittsfläche nur mit einer verhältnismässig kleinen   Abzugsgeschwindig-    keit hergestellt werden.



   Es wurde gefunden, dass man   lunker-und    span  nungsfreie    Stäbe und Profile aus thermoplastischen  Kunststoffen mit einem kurzen Schmelzbereich durch Zuführen der Schmelze mit Hilfe einer   Fördervor-    richtung   in eine gekühlte Formvorrichtung, äusserli-    ches Erstarrenlassen der Schmelze und Abführen des gebildeten Formkörpers kontinuierlich herstellen kann, indem man die im Inneren des äusserlich erstarrten Formkörpers den Schmelzkegel bildende Schmelze rührt. Durch das Rühren der Schmelze im Schmelzkegel wird deren   Erstarrungszeit    verkürzt und die Gelbildung weitgehend verhindert. Die Stäbe und Profile können daher mit hoher Geschwindigkeit hergestellt werden, ohne dass sich Lunker und nenr nenswerte innere Spannungen bilden.

   Darüber hinaus bewirkt das Rühren eine raschere Wärmeabfuhr. Die Profile, auch die   mit grossen Querschnittsflächen,    sind d sehr homogen und besitzen. ein feinkristallines Gefüge. Schliesslich werden auch thermisch   empfind-    liche Stoffe weniger abgebaut als bei   Verfahrenswei-    sen gemäss bekannter Verfahren.



   Die zum Herstellen von Stäben oder Profilen gemäss der Erfindung geeigneten Polyamide oder Polyurethane mit wiederkehrenden Carbonamidgruppen in der Kette können nach bekannten Verfahren, gegebenenfalls in Gegenwart von neutralen oder sauren Katalysatoren, hergestellt sein aus :    1.    Lactamen mit 4 bis 12 Ringkohlenstoffatomen, wie Caprolactam, Onanthlactam, Capryllactam oder   Laurinlactam,   
2.

   Salzen aus Diaminen, wie   Hexamethylendia-    min,   Octamethylendiamin,      Decamethylendiamin,    Bis   (4-aminocyclohexyl)    methan,   Dodecamethylendiamin,    2,   5-Diaminotoluol,      1,      4-Diaminomethylcyclohexan,    und Dicarbonsäuren, wie Adipinsäure, Korksäure, Sebacinsäure,   Undecandicarbonsäure,      Heptadecandi-    carbonsäure,
3. Diisocyanaten, wie Hexamethylendiisocyanat oder Toluylendiisocyanat, und Diolen, wie Butandiol, Hexandiol, Octandiol sowie Mischungen der unter 1 bis 2 genannten Verbindungen.



   Geeignete Polyolefine sind Polyäthylen mit einer Dichte von 0, 916 bis 0, 965   g/cm3,    isotaktisches Polypropylen, Mischpolymerisate von Athylen und anderen Olefinen, die nach bekannten Verfahren hergestellt sein können.



   GeeignetePolyacetale sind insbesondere acetyliertes Polyformaldehyd, Mischpolymerisate von Formaldehyd oder Trioxan mit Alkylenoxyden.



   Die Vorrichtung zum kontinuierlichen aussen beginnenden   Erstarrenlassen von Schmelzen    aus thermoplastischen Kunststoffen mit einem kurzen Schmelzbereich in einer kühlbaren Formvorrichtung, der der geschmolzene Kunststoff zugeführt wird, ist gekennzeichnet durch eine in oder durch die Formvorrichtung reichende, fliegend gelagerte, drehbare Welle, an deren nicht gelagertem Ende ein in Richtung des Stofflusses konisch verjüngter Rührer koaxial angeordnet ist.



   Als Fördervorrichtung zur Zuführung des ge  schmolzenen    Kunststoffes sind beispielsweise heizund kühlbare Strangpressen (Extruder) geeignet, mit deren Hilfe die Kunststoffe geschmolzen und in die gekühlte Form unter Durck gefördert werden   köne    nen. Ferner sind geeignet   Schmelzaggregate,    wovon die Schmelze mittels   Zahnrad-oder    Kolbenpumpen in die gekühlte Form gefördert wird.



   Für das Herstellen von Stäben oder Profilen mit Hilfe des Giessverfahrens, bei dem die Schmelze praktisch drucklos in die gekühlte Formvorrichtung geleitet wird, fördert man, die Schmelze mit Hilfe von Pumpen oder man schmilzt den Kunststoff in einem geeigneten Behälter,   dessen Ausflussöffnung höher    als die   Offnung der gekühlten Formvorrichtung    angeordnet ist, und   lässt    die Schmelze zufliessen. Unter Giessen wird dabei das Herstellen von Stäben oder Profilen mit Hilfe eines vertikal angeordneten, gekühlten   Formrohres    verstanden, wobei der Stab oder das Profil mittels einer Vorrichtung abgezogen werden (siehe Fig. 3).



   Als kühlbare Formvorrichtung zum Herstellen von Profilen oder Stäben sind die für das Extrudieren oder   Giessen    von thermoplastischen Kunststoffen bekannten geeignet, z. B.   Formrohre    mit und ohne   Vakuumkalibrierung.   



   Die drehbaren Wellen der Fördervorrichtung sind je nach der Art der verwendeten Fördervorrichtung entsprechend ausgebildet. Wird als   Fördervorrich-    tung eine Strangpresse verwendet, so ist es vorteilhaft, eine als Schnecke ausgebildete Welle zu verwenden, deren   Gangsteigung    der Viskosität des zu verarbeitenden Kunststoffes   angepasst    ist. Für ther  moplastische    Kunststoffe mit Viskositäten von etwa 5 x 103 bis 1 x   105    Poise sind d Gangtiefen von 3 bis 5 mm besonders geeignet. Die vorzugsweise motorisch angetriebenen Wellen können aber auch als Wendel, glatter Kegel oder keilförmiges Blatt ausgebildet sein.



   Bei Kunststoffen, deren Schmelzviskosität kleiner als   104 Poise ist,    soll darüber hinaus das radiale Spiel im Zylinder 0,   1    mm nicht überschreiten, da sonst   Förderschwierigkeiten    auftreten. Der nicht gelagerte Teil der Welle kann dabei unmittelbar an der Verbin  dungsstelle    zwischen Formvorrichtung und   Förder-    vorrichtung enden. Er kann aber auch in den Schmelzkegel hineinragen.



   Geeignete Rührer zum Bewegen der Schmelze im Schmelzkegel sind : Wendeln, keilförmige Blätter, Kegel oder bevorzugt Schnecken. In jedem Fall wird ein Rührer verwendet, der in Richtung des Stoffflusses konisch verjüngt ist. Die Rührer können vorzugsweise bis zur Spitze des   Schmelzkegels    oder-keils oder auch zu einem Teil in diese hineinragen. Es ist zweckmässig, die Form des Rührers der Form des Schmelzkegels oder-keils weitgehend anzupassen.



  Dies kann anhand der eingangs erläuterten Zusammenhänge erfolgen. Die Befestigung der Rührer an der vorzugsweise motorisch angetriebenen Welle kann unlösbar, z. B. durch Anschweissen, oder   lös-    bar, z. B. durch Anflanschen, Aufschrauben, erfolgt sein ; sie erfolgt so, dass die Achsenrichtung von
Rührer und Welle gleich ist.



   Bei bestimmten Polyacetalen, deren Schmelze zu autokatalytischer Zersetzung, vor allem bei überhöhter Temperatur, neigt, muss besonders auf eine rheo logisch günstige Ausbildung des Rührers geachtet werden.



   Beim   Anschluss    der kühlbaren Formvorrichtung an eine Strangpresse kann zur Verhinderung des Wärmeübergangs zwischen der Formvorrichtung und dem Zylinderkopf eine Wärmeisolierscheibe, z. B. aus Asbest, verwendet werden. Man kann aber auch den   Stahlquerschnitt    an der Verbindungsstelle zwi schen Formvorrichtung und Zylinderkopf verringern.



   Zum Abführen des gebildeten Stabes oder Profiles sind die bekannten Vorrichtungen, beispielsweise Rollenpaare oder Raupen, geeignet.



   Sämtliche für die Vorrichtung verwendeten Teile mit Ausnahme der   Wärmeisolierscheibe    sind vorzugsweise aus Metall.



   Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Fig. 2 näher erläutert, die eine   Ausführungsfonn    der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Rühren der Schmelze im Schmelzkegel beim kontinuierlichen, Herstellen von Stäben oder Profilen durch aussen   beginnendes      Erstarrenlassen    der Schmelze in einer gekühlten Formvorrichtung und Verwendung einer Stnangpresse als Fördervorrichtung zeigt. In der heizund kühlbaren Strangpresse ist die Schnecke 1 durch eine konische Wendel 2 derart verlängert, dass die Schmelze 3 im Schmelzkegel 4 möglichst bis zur Spitze des Kegels gerührt wird. Die kühlbare Formvorrichtung 5 besteht aus einem zylindrischen Rohr mit einem   Kühlwassermantel    und ist am Schneckenzylinderkopf 6 befestigt.

   Der Wärmeübergang zwischen Zylinderkopf 6 und der kühlbaren Formvorrichtung wird vermindert, indem man den   Stahlquer-    schnitt 7 an der Verbindungsstelle möglichst klein hält. Als Kühlmedium 8 werden vorzugsweise Wasser oder andere bekannte Kühlmittel verwendet. 9 ist der Schneckengang der Pumpzone, 10 ist der erstarrte Formkörper und 11 ist der   Ubergang    zur gekühlten Formvorrichtung.



   Die Fig. 3 bis 5 zeigen weitere Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung. In die vertikal angeordnete und mit Hilfe des Kühlmediums 8 gekühlte Formvorrichtung 5, die zweckmässig mit Bohrungen zum Herstellen eines Unterdruckes versehen sind, wird durch den Zulauf 12 die Schmelze des Kunststoffes geleitet und der erstarrte Formkörper 10 mit Hilfe des Rollenpaares 13, der   Bildungsgeschwindigkeit    entsprechend, abgezogen. Der Schmelzkegel 4 wird mit Hilfe des an der Welle 14 befestigten Rührers 2 gerührt. 15 ist eine zusätzliche Kühlvorrichtung. Im einfachsten Falle besteht sie aus einem ringförmigen Rohr mit Bohrungen an der Innenseite, aus denen Kühlwasser ausströmt.

   Zum Herstellen von Profilen und Stäben mit einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung (Fig. 2) werden Durck und Förderung der Schmelze durch Abstimmen des Molekulargewichts des zu verarbeitenden Kunststoffs, Länge und Tiefe der Pumpzone der Schnecke und   Schneckendrehzahl    reguliert. Eine manometrische Drucküberwachung und/oder ein Druckreduzierventil sind nicht erforderlich. Dadurch ist für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens nur ein geringer apparativer Aufwand erforderlich. Es ist zweckmässig, die Temperaturen an den Heizzonen des Schneckenzylinders etwa auf          2  C    zu regulieren.

   Der Formkörper (Stab oder Profil) wird nicht abgezogen sondern mit Hilfe von Rollenpaaren in der festgelegten Geschwindigkeit, die sich nach der Schichtdicke und der Art der verwendeten Kunststoffe richtet, geführt. Die Schneckendrehzahl wird so gewählt, dass die Schmelze unter Druck in die Formvorrichtung gepresst und der   äus-      serlich    erstarrte Formkörper (Stab oder Profil) aus der Formvorrichtung gepresst wird. Die Arbeitsbedingungen bei dem kontinuierlichen ! Herstellen von   6-Polyamidstäben    sind aus der Fig. 6 zu entnehmen.



   In der Fig. 6 bedeuten :
Vm   = maximale Abzugsgeschwindigkeit (m/h3   
Q =   Durchslatz (kglh)       Lk    = Länge des Schmelzkegels (m)
D = Durchmesser des Stabes (mm)
In Tabelle 1 werden darüber hinaus   Arbeitsbe-    dingungen zum Herstellen von Stäben oder Profilen aus Polyäthylen oder   Polyformaldehyd    beschrieben.



   Zur Herstellung von Profilen mit Hilfe des Giessverfahrens sind beispielsweise die im vorstehenden beschriebenen und in, der Fig. 3 bis 5   gezeigten Vor-    richtungen geeignet. Die Schmelze wird durch den Zulauf 12 der   Vertikalkühldüse    5 (Formvorrichtung) praktisch drucklos zugeführt. Zum Anfahren wird eine der Form der Kühldüse entsprechendes Profil, das eine zentrale kegelförmige Bohrung besitzt, von unten in die Kühldüse eingeführt und mit Hilfe der Abzugsvorrichtung 13 befestigt. Durch eine in den Schmelzkegel 4 ragende, bewegte konische Schnecke, die zum Anfahren auf die Temperatur der Schmelze erwärmt wird, wird die Schmelze über das durch die Schwerkraft hervorgerufene Mass hinaus in Richtung der Schmelzkegelspitze gefördert. Die konische Schnecke ist mit einer motorisch angetriebenen Welle fest verbunden.

   In dem   Mass,    in dem die Schmelze in der Kühldüse erstarrt, wird der gebildete Formkörper 10 mit Hilfe der Abzugsvorrichtung 13 abgezogen.



  Die Kühlung   d'es    Profils kann durch Besprühen mit Wasser mit Hilfe der Vorrichtung 15, die unterhalb der gekühlten   Formvorrichtung angeordnet ist, ver-      stärkt    werden.



   In der nachstehenden Tabelle 1 werden die Bedingungen für das Extrudieren gemäss der Erfindung und das Extrudieren ohne Rühren beschrieben für :
6-Polyamid, 6, 6-Polyamid, Polyäthylen und Polyformaldehyd, Polyacetal. Wie aus den Werten   fUr    die  Fahrgeschwindigkeit und   Sphärolithgrösse    der   vergli-    chenen Verfahren hervorgeht, ist das erfindungsgemässe deutlich überlegen. Als Formvorrichtung dient eine   Kühldüse.   



   Tabelle   1    Polymeres 6-Polyamid 6, 6-Polyamid Polyäthylen Poly formaldehyd   Mittl.      Molekulargew.      M-30 000-25 000     >  200 000 50-100 000   Schneckendurchmesser    mm 45 45 45 45   Schneckenlänge    (D) 15 15 15 15   Länge der Pumpzone      (D)    7 7 5 5 Gangtiefe der Pumpzone mm 2, 0 1, 8 2,   0    2, 0 Schneckendrehzahl   min'*    40 25 20   20    Massetemperatur  C 240 275   200    195   Kühldüsendurchmesser    mm 100 60 60   60    Kühldüsenlänge mm 200 150 150 150 Fahrgeschw.

     m/h    ohne Rühren 0, 65 0, 8   0,    9 0, 7 mit Rühren 1, 0 1, 1 1, 2 1, 0 SphÏrolithgr¯sse Á ohne R hren ¯ 50 ¯ 60    mitRühren  <  10  <  15  

Claims (1)

1. In der nachstehenden Tabelle 2 werden die Bedingungen für das Herstellen von Formkörpem (StÏben oder Profilen) aus 6-Polyamid mit Hilfe des Giessverfahrens mit und ohne die Verbesserung gemäss der Erfindung beschrieben : Tabelle 2 Mittl. Molekulargewicht Mn 30 000 Temperatur der Schmelze C 230 Kühldüsendurchmesser mm 50 Länge des Riihrelements mm 250 Abzugsgeschwindigkeit m/h ohne Rühren 1, 1 mit Rühren 1, 4 PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von Stäben oder Profilen aus thermoplastischen Kunststoffen mit einem kurzen Schmelzbereich durch Zuführen der Schmelze in eine gekühlte Formvorrich- tung mit Hilfe einer Fördervorrichtung,

   äusserliches Erstarrenlassen der Schmelze und Abführen des gebildeten Formkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass man die im Inneren des äusserlich erstarrten Formkörpers den Schmelzkegel bildende Schmelze rührt.

   II. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Patentanspruch I, gekennzeichnet durch eine in oder durch die Formvorrichtung reichende, fliegend gelagerte, drehbare Welle, an deren nichtgela gertem Ende ein in Richtung des Stofflusses konisch verjüngter Rührer (2) koaxial angeordnet ist.

   Badische Anilin- & Soda-Fabrik Aktiengesellschaft Vertreter : Dr. G. Volkart & Co., Z rich