Verfahren zum Verfestigen thermoplastischer Kunststoffe
Von einer grossen Anzahl thermoplastischer Kunststoffe, beispielsweise den Polyolefinen, Polyamiden, Polycarbonaten und Polyestern weiss man, dass sie sich durch Recken mehr oder weniger verfestigen lassen. Der Grad ihrer Verfestigung wird primär durch das absolute Mass der Reckung, durch die Reckgeschwindigkeit sowie durch die Recktemperatur bestimmt. Sekundär spielen jedoch auch Stoffzusätze wie Stabilisatoren, Gleitmittel, Farbstoffe usw. eine Rolle, die die Verfestigung - wenn auch nur in verhältnismässig geringem Ausmass - erhöhen oder auch verringrn können, was sich erforderlichenfalls durch die erstgenannten Faktoren in den meisten Fällen jedoch völlig kompensieren lässt, da man in der Praxis im allgemeinen nicht bis an die Grenze der möglichen Reckung herangeht.
Hierzu sind eine Reihe von auf der Anwendung von Zuge und Druckkräften beruhenden Verfahren bekannt, mittels denen eine Reckung des Kunststoffs sowohl in einer als auch in gleichzeitig oder nacheinander zwei vorzugsweise zueinander senkrecht stehenden Wirkungslinien vorgenommen werden kann. Diese Verfahren lassen sich jedoch nur anwenden, wenn das zu behandelnde, d.h. zu reckende Material bereits wenigstens ein dimensionsbestimmendes Werkzeug passiert, also schon ein mehr oder minder fortgeschrittenes Stadium der Fertigung erreicht hat. Darüber hinaus ist bezüglich dieser Verfahren festzustellen, dass sich während des Reckvorgangs die zur Verstreckrichtung senkrecht liegende Querschnittsabmessung des Materials verringert.
Dies hat zum Beispiel beim biaxialen Verstrecken von Rohren zur Voraussetzung, dass die Rohre vor dem Verstrecken bereits mit sehr grosser Genauigkeit hergestellt sind, da ansonsten die Gefahr besteht, dass sich an der Stelle der geringsten Materialstärke eine örtliche Einschnürung einstellt und in der Folge davon das Rohr an dieser Stelle sich unter dem inneren Überdruck aufweitet oder dass es sogar aufreisst.
Ausserdem haben diene bekannten Verfahren auch noch den Nachteil, dass sich eine beabsichtigte Verfestigung, zumindest eine biaxiale Verfestigung, nicht im Zuge einer einzigen und insbesondere endgültigen Formgebung erzielen lässt, was jedoch in vielen Fällen, insbesondere bei der Herstellung von Formpresslingen rotationssymmetrischer Abmessungen und beispielsweise auch bei der kontinuierlichen Herstellung von Rohren beliebiger Längen sowohl aus technologischen als auch aus wirtschaftlichen Gründen vorteilhaft und daher erwünscht wäre.
Gemäss vorliegender Erfindung wird ein neuer Weg beschritten und zum Verfestigen von durch Recken verfestigbaren thermoplastischen Kunststoffen ein Verfahren vorgeschlagen, dem die vorstehend erwähnten Mängel nicht anhaften. Gemäss dem Vorschlag der Erfindung wird der Kunststoff bei einer unterhalb, vorzugsweise nur wenig unterhalb seines kristallinen Schmelzpunktes liegenden Temperatur schichtartig in sich verschoben. Im Unterschied zu den bekannten Verfahren beruht das erfindungsgemässe Verfahren also auf einer Faserlängung durch Schichtverschiebung, d.h. darauf, dass je die Teilchen zweier aufeinanderfolgender benachbarter Kunststoffschichten gegeneinander verschoben werden.
Der Ausdruck Schichtverschiebung will dabei selbstverständlich nicht im Sinne des Verschiebens verhältnismässig dicker aufeinanderfolgender Schichten verstanden sein, sondern vielmehr so, dass je die in ein und derselben Ebene bzw. Fläche liegenden makromolekularen Kunststoffteilchen in Erstreckungsrichtung der Ebene bzw. Fläche gegenüber den in der bzw. den benachbarten Ebenen bzw. Flächen liegenden makromolekularen Kunststoffteilchen verschoben werden. Ebenso soll der Ausdruck Faserlängung nur in übertragenem Sinne verstanden werden, da die in Richtung senkrecht zur beabsichtigten Verschiebungsrichtung aufeinanderfolgenden makromolekularen Kunststoffteilchen ja nur eine gedachte Faser bilden.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich Polyolefine wie Polyäthylen, Polypropylen, Polybutylen, Poly-4-Methylpenten- 1, Poly-3 -Methylbuten- 1 mit gutem Erfolg verfestigen. Mit besonderem Vorteil kann es bei Polyäthylen, Polypropylen sowie kristallinen Mischpolymerisaten desÄthylens und desPropylens angewendet werden.
Darüber hinaus kann es selbstverständlich aber auch zur Verfestigung von anderen kristallinen Kunststoffen wie z. B. Polyamiden, Polycarbonaten und Polyestern eingesetzt werden.
Gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann die Verschiebung und damit die Verfestigung in einer einzigen oder aber auch in gleichzeitig oder nacheinander zwei vorzugsweise zueinander senkrecht stehenden Richtungen vorgenommen werden, wobei das erfindungsgemässe Verfahren sowohl für sich allein als auch in Kombination mit einem der bekannten Verfahren und zwar vor oder nach diesem oder auch gleichzeitig mit diesem anwendbar ist.
Zur Erzielung einer möglichst gleichmässigen Verfestigung des Kunststoffs ist es zweckmässig, die Verschiebung so vorzunehmen, dass je zwei aufeinanderfolgende Schichten um zumindest angenähert den gleichen Weg und alle Schichten gleichsinnig gegeneinander verschoben werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird anhand der Zeichnung im folgenden noch näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung der Vorgänge am Beispiel eines Kunststoffquaders,
Fig. 2 in schematischer Darstellung die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zur gleichzeitigen Verfestigung zweier ebenflächigen Kunststoffteile in je einer Richtung,
Fig. 3 die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Verfestigung eines rohrförmigen Kunststoffteils,
Fig. 4 dasselbe bei einem Formteil, das nach einem längsorientierenden Fliesspressverfahren hergestellt wird und
Fig. 5 dasselbe bei einem Rohr, das nach einem anderen längsorientierenden Fliesspressverfahren kontinuierlich hergestellt wird.
Nach Fig. 1 werde der Kunststoffquader 1 in Richtung des Pfeils schichtartig so in sich verschoben, dass seine Fläche 2 bzw. die schematisch und in übertriebener Dicke dargestellte gedachte oberste Schicht 2' ihre räumliche Lage gegenüber der Fläche 3 bzw. der ebenfalls schematisch und in übertriebener Dicke dargestellten gedachten untersten Schicht 3' um den Betrag s ändert und wobei auch je zwei nicht dargestellte dazwischenliegende aufeinanderfolgende gedachte Schichten in entsprechender Weise gegeneinander verschoben werden. Eine zur Verschiebungsrichtung senkrechte schematisch dargestellte Faser f der Länge a erfährt dabei eine Veränderung ihrer Lage und ihrer Länge entsprechend der gestrichelt eingezeichneten Linie f'.
Gemäss vereinfachter Annahme entsprechend der wiederum gestrichelt eingezeichneten Linie f" der Länge b beträgt die Längenänderung c c = b - a, woraus sich eine Reckung R = - 100 (%) a ergibt. Dieser Vorgang stellt eine Orientierung des Kunststoffs dar, die sich bei den eingangs erwähnten durch Recken verfestigbaren thermoplastischen Kunststoffen in Verbindung mit der Einhaltung einer unterhalb, vorzugsweise nur wenig unterhalb des kristallinen Schmelzpunktes liegenden geeigneten Verstreckungstemperatur in der gewünschten, je nach Grösse der Verschiebung mehr oder weniger grossen Verfestigung äussert, wie bei den Anwendungsbeispielen der Figuren 2 bis 5 durchgeführte Zerreissversuche bewiesen haben.
Beim Anwendungsbeispiel gemäss Fig. 2 sind zwischen den ebenflächigen Beilagen 4 und 5 bzw. 4 und 6 zwei ebenfalls ebenflächige Kunststoffplatten 7 angeordnet. Die Schichtverschiebung des auf die entsprechende Temperatur gebrachten Kunststoffs erfolgt hier durch Verschiebung der Beilage 4 gegenüber den Beilagen 5 und 6 mittels einer entsprechend grossen Kraft P in Richtung des Pfeils 8. Um zwischen den Stoffplatten 7 und den Beilagen 4, 5 bzw. 4, 6 die dazu erforderliche Haftreibung zu erzielen, wird über die unter dem Normaldruck N stehenden aber in unveränderlichem gegenseitigem Abstand voneinander gehaltenen Beilagen auf die Kunststoffplatten 7 ein Druck ausgeübt, so dass diese, wie durch die Pfeile 9 schematisch angedeutet, mit einem spezifischen Druck p ausreichender Höhe gleichmässig belastet sind.
Wird die Beilage 4 durch die Kraft P in Richtung des Pfeiles 8 gegenüber den Beilagen 5 und 6 um die Strekke s nach rechts verschoben, so hat dies zur Folge, dass sich die Kunststoffplatten 7 in parallelen Ebenen schichtartig in sich selbst so verschieben, dass ihre vorderen und hinteren Stinfläche 7a bzw. 7b gemäss vereinfachter Annahme schliesslich entsprechend der gestrichelt eingezeichneten Linien 7c bzw. 7d verlaufen.
Eine herausgegriffene Faser f erfährt dabei wiederum eine Veränderung ihrer Lage nach der gestrichelt eingezeichneten Linie f' und gemäss vereinfachter Annahme eine Veränderung ihrer Länge von a nach b, so dass sich bei unverändertem Querschnitt der Kunststoffplatten 7 senkrecht zur Verschiebungsrichtung wiederum eine Reckung c R = - 100 (%) ergibt. a
Es ist klar, dass sich dieselbe Wirkung ergibt, wenn die Beilage 4 nur um die halbe Strecke s nach rechts und gleichzeitig die beiden Beilagen 5 und 6 um die halbe Strecke s nach links verschoben werden. Ebenso ist es klar, dass nicht notwendigerweise zwei Kunststoffplatten 7 gleichzeitig gereckt werden müssen, sondern dass vielmehr auch jede der Kunststoffplatten 7 mittels zweier Beilagen für sich gereckt werden kann.
Weiterhin ergibt sich auch ohne weiteres, dass sich die gezeigte Anordnung nicht auf eine Verschiebung der Beilage 4 in Richtung des Pfeiles 8 beschränkt. Diese könnte in Richtung ihrer ebenen Erstreckung selbstverständlich gleichzeitig oder auch anschliessend noch in einer zweiten vorzugsweise zur Richtung des Pfeiles 8 senkrecht stehenden Richtung verschoben werden.
Beispielsweise könnte die gezeigte Anordnung aber auch als Schnitt durch die eine Hälfte mehrerer aufeinander angeordneter flacher Kreisringe aufgefasst werden, wobei die Beilage 4 dann gegenüber den feststehenden Beilagen 5 und 6 oder auch die Beilagen 5 und 6 gegen über der feststehenden Beilage 4 oder aber sowohl die Beilage 4 als auch die Beilagen 5 und 6 nach entgegengesetzten Seiten oder mit einer Differenzgeschwindigkeit nach der gleichen Seite in Umfangs richtung gegeneinander verdreht werden.
Wie man sich anhand der Figur leicht klarmachen kann, lässt sich die Schichtverschiebung auch dann vornehmen, wenn die Kunststoffplatten 7 und die Beilagen 4, 5 und 6 in Verschiebungsrichtung in der strichpunktiert angedeuteten Weise rotationssymmetrisch gekrümmt sind. Voraussetzung hierfür ist lediglich, dass die senkrechten Abstände zwischen den Beilagen und dementsprechend die Dicke der Kunststoffplatten in der Ver schiebungsrichtung bzw. in zu dieser parallelen Bahnen überall genau gleich gross ist, d.h., dass die Verschiebung in äquidistanten Bahnen erfolgt. Dagegen können die einander berührenden Werkzeug- und Kunststoffflächen quer zur Verschiebungsrichtung im wesentlichen beliebig geformt, beispielsweise gewellt oder sonstwie profiliert sein.
Selbstverständlich ist in einem solchen Falle eine Verschiebung etwa in einer zur Richtung des Pfeiles 8 senkrecht stehenden zweiten Richtung nicht oder nur dann möglich, wenn die Beilagen und Kunststoffplatten auch in dieser Richtung eben verlaufen oder rotationssymmetrisch gekrümmt sind, die Kunststoffplatten praktisch also Teile eines Zylinders bzw. einer Hohlkugel darstellen.
Der nach Fig. 3 zwischen dem Dorn 10 und dem Aussenring 11 angeordnete Kunststoffring 12 ist, wie durch die Pfeile 13 angedeutet, durch einen Druck p gleichmässig belastet, so dass zwischen der Innenfläche des Kunststoffringes 12 und dem Dorn 10 einerseits sowie der Aussenfläche des Kunststoffringes 12 und der Innenfläche des Aussenringes 11 andererseits die zur Schichtverschiebung des Kunststoffs in sich selbst längs konzentrischer Bahnen erforderliche Haftreibung vorhanden ist. Die Schichtverschiebung wird dadurch erreicht, dass der Aussenring 11 und der Dorn 10 relativ zueinander verdreht werden, wobei einer der beiden Teile feststehend und der andere verdrehbar angeordnet sein kann, ebenso aber auch beide Teile in entgegengesetzter Richtung oder auch mit einer Differenzgeschwindigkeit gleichsinnig verdrehbar angeordnet sein können.
Wie in der Figur dargestellt, ändert sich bei einer Verdrehung des Aussenringes 11 gegenüber dem Dorn 10 die Lage und Länge einer Faser f nach f', wodurch die gewünschte Orientierung des Kunststoffs und damit, wiederum unter der Voraussetzung des geeigneten Materials und der Einhaltung einer geeigneten Temperatur desselben, auch die gewünschte Verfestigung in Umfangsrichtung erzielt ist.
Wie man sich anhand der Figur wiederum leicht klarmachen kann, ist es zwar erforderlich, dass die Aussenfläche des Dorns 10 und die Innenfläche des Aussenrings 11 kreisrund sowie Dorn und Aussenring konzentrisch zueinander angeordnet sind, dass aber, sofern nicht gleichzeitig oder anschliessend etwa noch eine Verfestigung in Längsrichtung erfolgen soll, eine zylindrische Ausbildung von Dorn und Aussenring keineswegs Voraussetzung ist. Die Verfestigung in Umfangsrichtung lässt sich selbstverständlich auch dann erreichen, wenn etwa die Innenfläche des Aussenrings bzw. die Aussenfläche des Kunststoffrings und/oder die Innenfläche des Kunststoffrings bzw. die Aussenfläche des Dorns vom einen nach dem anderen Ende zu sich konisch erweitert oder auch verjüngt.
Wie aus der Zeichnung ebenfalls leicht ersichtlich, lässt sich unter der Voraussetzung, dass die einander berührenden Flächen von Kunststoff und Dorn bzw. Aussenring kreiszylindrisch sind, mit der gezeigten Anordnung anstelle der Verfestigung in Umfangsrichtung oder auch zusätzlich zu dieser auch eine Verfestigung in Längsrichtung erzielen, indem Dorn und Aussenring in axialer Richtung gegeneinander verschoben werden, wobei sich die Verstreckung in Umfangsrichtung und gegebenenfalls in Längsrichtung sowohl gleichzeitig als auch zeitlich aufeinanderfolgend vornehmen lassen.
Nach Fig. 4, die am Beispiel der Herstellung einer einseitig geschlossenen biaxial verfestigten Hülse, insbesondere einer Schrotpatronenhülse, im Zuge eines einzigen Arbeitsganges und mittels eines einzigen Werkzeugs die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens in Kombination mit einem längsorientierenden Fliesspressverfahren zeigt, ist in der koaxialen zylindrischen Bohrung 15 des Werkzeugteils 14 der sich um seine Achse drehende Dorn 18 und in der zur Bohrung 15 konzentrischen zylindrischen Bohrung 17 des Werkzeugteils 16 der in Achsrichtung verschiebbare Stempel 19 angeordnet.
Eine oberhalb des Dorns 18 in die zylindrische Bohrung 15 bzw. 17 eingelegte nicht gezeigte temperierte Kunststofftablette wird beim Zufahren des Stempels 19 in Pfeilrichtung in der dargestellten Weise in den Raum 20 zwischen dem rotierenden Dorn 18 sowie der feststehenden Aussenform 14 und der ebenen Stirnfläche des Stempels 19 gepresst.
Mit dem Zufahren des Stempels 19 wird der Kunststoff dabei unter fortlaufender Änderung seiner Form und Abmessungen zunächst im wesentlichen in Längsrichtung orientiert, bis schliesslich der Formvorgang soweit vorangeschritten ist, dass der Kunststoff den Raum 20 im wesentlichen ganz ausfüllt, wobei er aufgrund des durch den Stempel 19 auf ihn ausgeübten Druckes gleichzeitig in zunehmendem Masse gegen die sich relativ zueinander bewegenden Formwände gepresst wird, nach Erreichen einer genügend grossen Haftreibung zwischen Kunststoff und Wand der Bohrung 15 einerseits sowie zwischen Kunststoff und Aussenfläche des Dorns 18 andererseits die Relativbewegung der Formwände, gegebenenfalls mit einer gewissen Verzögerung übernimmt und sich bei gleichbleibender Wanddicke schliesslich in Umfangsrichtung schichtartig in sich selbst verschiebt, so dass also, wie am Beispiel der Fig.
3 erläutert, die Materialfasern in Umfangsrichtung orientiert und gelängt, d.h., der Kunststoff auch in Umfangsrichtung, d.h. quer bzw. senkrecht zur Längsorientierung verfestigt wird, und zwar nicht nur in seinem zylindrischen Teil, sondern auch in seinem kreisscheibenförmigen Bodenteil.
Selbstverständlich kann das verstehend beschriebene Formverfahren auch in der Weise durchgeführt werden, dass der Dorn 18 zunächst stillsteht und erst dann verdreht bzw. in Rotation versetzt wird, wenn der Stempel 19 bereits völlig zugefahren ist, so dass die Längs- und Querverfestigung voneinander getrennt zeitlich aufeinanderfolgen. Im übrigen ist auch hier wieder zu sagen, dass sich das beschriebene Verfahren, mit dem sowohl in Längs- als auch in Querrichtung eine beträchtliche Verfestigung des Kunststoffs erreicht wurde, weder auf eine zvlindrische Ausbildung des Hülsenschaftes noch auf eine ebenflächige des Bodens beschränkt.
Beispielsweise könnte der Hülsenschaft auch nach unten konisch erwei tert oder etwa kne;elig g ausgebildet und könnte der Boden einander beidseitig kegelig. kugelig od. dgl. gewölbt sein.
Das Verfahren nach Fig. 4 kann beispielsweise aber auch in der Weise abrewandelt werden, dass beim Pressvorgana der Dorn 18 zufährt, d.h., dieser den Pressstempel bildet, der Stempel 19 während des Pressvorgangs dagegen in zuaefahrener Stellung stillsteht. Gegebenenfalls könnte dabei auf die Ausbildung eines besonderen Stempels 19 auch verzichtet werden, d.h., die Teile 16 und 19 könnten zu einen einstückigen Teil vereinigt werden. Es ist klar, dass die bezweckte biaxiale Verstreckung hierbei wiederum sowohl dann erreicht wird, wenn der Dorn 18 während des Zufahrens rotiert, als auch dann, wenn er erst in zugefahrener Stellung in Rotation versetzt wird.
Nach Fig. 5 ist in dem Aussenring 21 der Dorn 22 angeordnet, wobei Ring 21 und Dorn 22 so ausgebildet sind, dass sie miteinander einen Spalt 23 bilden, der sich von einer grossen Breite düsenförmig auf eine kleine Breite verengt. Der auf der Seite der grossen Spaltbreite mittels einer nicht gezeigten Presse od.dgl.
unter einem Druck p in Pfeilrichtung zugeführte Kunststoff erfährt beim Durchgang durch den Spalt 23 bei gleichzeitiger Abnahme der Querschnittsabmessungen eine Längsorientierung und entsprechend der durch den Druck p bewirkten Wandhaftung zwischen Kunststoff einerseits und den, wie durch die Pfeile angedeutet, in Umfangsrichtung relativ zueinander verdrehten Teilen 21 und 22 andererseits durch schichtartige Verschiebung des Kunststoffs in sich selbst längs kreisförmiger in sich geschlossener Bahnen eine Orientierung und damit Verfestigung in Umfangsrichtung, wobei letztere die Querschnittsabmessungen nicht beeinflusst.
Selbstverständlich wird auch hier wieder der Kunststoff auf einer geeigneten Temperatur gehalten, wobei der Druck p und die Temperatur in bestmöglicher Weise aufeinanderabgestimmt werden können. Im übrigen könnte der Dorn 22 längs der gestrichelten Linie 24 in einen feststehenden Teil 22a und einen rotierenden bzw. verdrehbaren Teil 22b unterteilt sein, womit sich die gewünschte Verfestigung ebenfalls erzielen liesse.
Dieses kombinierte längs- und querorientierende Verfestigungsverfahren lässt sich sowohl diskontinuierlich als auch kontinuierlich anwenden und eignet sich daher besonders für die kontinuierliche Herstellung biaxial verstreckter Rohre in einem einzigen Arbeitsgang und mittels eines einzigen Werkzeugs.
Zur weiteren Erläuterung des erfindungsgemässen Verfahrens folgen noch einige Beispiele.
Beispiel 1
Schichtverschiebung an Polyäthylenplatten
Zwei Platten aus Polyäthylen mit einem Zusatz von 2% Russ, einem Molekulargewicht von ca. 100 000 und einer Schmelzviskosität Nred = 2,4 und den Massen 50 x 80 x 5 mm wurden in einer Anordnung gemäss Fig. 2 zwischen gerauhten Beilagen zusammen mit diesen auf die Recktemperatur von 1250 C erwärmt. Unter einem Normaldruck von 200 kp/cm2 wurden die Beilagen in Richtung ihrer ebenen Erstreckung mittels einer an der mittleren Beilage angreifenden Kraft P = 2400 kg um ca.
2 cm gegeneinander verschoben.
Im Zerreissversuch zeigte sich eine durch die vorangegangene Schichtverschiebung eingetretene Verfestigung von ca. 240 kp/cm2 auf 490 kp/cm2.
Beispiel 2
Herstellung von biaxial verfestigten Schrotpatronenhülsen a) Verfahren 1:
Eine Tablette aus Polyäthylen mit einem Zusatz von ca. 2% Russ, einem Molekulargewicht von ca. 100000 und einer Schmelzviskosität Nred = 2,4 wurde bis in den überkristallinen Bereich, d.h. auf 1400 C, temperiert und in eine auf 700 C erwärmte Patronenhülsenform entsprechend der Anordnung gemäss Fig. 4 gegeben. Ein ebenfalls auf 700 C erwärmter Dorn, der ein Schwungmoment von ca. 0,04 kgm2 besass, wurde mit einer Presskraft von ca. 6 t und einer Drehzahl von 660 UpM sowie einer Hubgeschwindigkeit von ca. 100 mm/sec. in die Form eingefahren.
Während des Pressvorganges wurde die Drehzahl des Dornes infolge der Stoffreibung mit zunehmender Eintauchtiefe des Dornes in den Stoff sowie auch durch dessen Viskositätssteigerung aufgrund der eintretenden Abkühlung bis zum Stillstand des Dornes bei Beendigung des Pressvorganges abgebremst.
Die Nachdruckzeit betrug ca. 10 sec. Nach Ablauf dieser Zeit wurde die Hülse durch eine in der Form befindliche entriegelte Bodenöffnung hindurch ausgebaut.
Die so hergestellte Hülse wies eine erhebliche biaxiale Verfestigung auf.
Die an dem Hülsenschaft gemessene Festigkeit betrug in Längsrichtung ca. 1100 kp/cm2 und in Querrichtung ca. 600 kp/cm2, gegenüber ursprünglich 240 kp/cm2 in jeder der beiden Richtungen. b) Verfahren II:
Eine Tablette gleicher Zusammensetzung wurde in die gleiche Form gegeben und in dieser auf die für Form und Stoff gleiche Temperatur von 1260 C gebracht, d.h. bis knapp unter den Kristallitschmelzpunkt erwärmt.
Alsdann wurde der Pressdorn, dessen Schwungmoment 0,04 kgm2 betrug, bei einer Drehzahl von 660 UpM und einer Geschwindigkeit von ca. 100 mm/sec in die Form eingefahren. Die Dorndrehzahl wurde während des Pressvorgangs infolge Stoffreibung bis auf den Wert Null abgebremst, der etwa in der axialen Endstellung des Dornes erreicht wurde.
Nach Abkühlen der Form auf ca. 800 C konnte die Hülse durch eine entriegelte Bodenöffnung hindurch ausgestossen werden.
Auch bei diesem Verfahren konnte eine erhebliche biaxiale Verfestigung der Patronenhülse nachgewiesen werden. So betrug die Längsfestigkeit des Hülsenschaftes ca. 1100 kp/cm2 und die Querfestigkeit 500 kp/cm2 gegenüber einer Festigkeit von 240 kp/cm2 in jeder der beiden Richtungen.
Process for solidifying thermoplastics
A large number of thermoplastics, for example polyolefins, polyamides, polycarbonates and polyesters, are known to be more or less solidified by stretching. The degree of their solidification is primarily determined by the absolute degree of stretching, the stretching speed and the stretching temperature. Secondarily, however, additives such as stabilizers, lubricants, dyes etc. also play a role, which can increase or decrease the solidification - even if only to a relatively small extent - which, if necessary, can be completely compensated for by the first-mentioned factors in most cases. since in practice one generally does not go to the limit of the possible stretching.
For this purpose, a number of methods based on the application of tensile and compressive forces are known, by means of which the plastic can be stretched both in one and in two lines of action that are preferably perpendicular to one another at the same time or in succession. However, these methods can only be used if the to be treated, i. The material to be stretched has already passed at least one dimension-determining tool, i.e. has already reached a more or less advanced stage of production. In addition, it should be noted with regard to this method that the cross-sectional dimension of the material that is perpendicular to the direction of stretching decreases during the stretching process.
In the case of the biaxial stretching of pipes, for example, this requires that the pipes have already been manufactured with a very high degree of accuracy before stretching, otherwise there is the risk that a local constriction will occur at the point of the smallest material thickness and, as a result, that Pipe at this point expands under the internal overpressure or that it even ruptures.
In addition, the known methods also have the disadvantage that an intended consolidation, at least a biaxial consolidation, cannot be achieved in the course of a single and, in particular, final shaping, which, however, in many cases, especially in the production of molded moldings of rotationally symmetrical dimensions and, for example, also in the continuous production of pipes of any length would be advantageous and therefore desirable for both technological and economic reasons.
According to the present invention, a new approach is taken and a method is proposed for solidifying thermoplastic plastics which can be solidified by stretching which does not adhere to the above-mentioned deficiencies. According to the proposal of the invention, the plastic is shifted in layers at a temperature below, preferably only slightly below its crystalline melting point. In contrast to the known methods, the method according to the invention is based on fiber elongation by shifting layers, i.e. on the fact that the particles of two consecutive adjacent plastic layers are shifted against each other.
The term layer shift is of course not intended to be understood in the sense of shifting relatively thick successive layers, but rather in such a way that the macromolecular plastic particles lying in one and the same plane or surface in the direction of extent of the plane or surface compared to those in the adjacent levels or surfaces lying macromolecular plastic particles are moved. Likewise, the term fiber elongation should only be understood in a figurative sense, since the macromolecular plastic particles following one another in the direction perpendicular to the intended direction of displacement only form an imaginary fiber.
According to the process according to the invention, polyolefins such as polyethylene, polypropylene, polybutylene, poly-4-methylpentene-1, poly-3-methylbutene-1 can be solidified with good success. It can be used with particular advantage in the case of polyethylene, polypropylene and crystalline copolymers of ethylene and propylene.
In addition, it can of course also be used to solidify other crystalline plastics such. B. polyamides, polycarbonates and polyesters can be used.
According to a further proposal of the invention, the displacement and thus the consolidation can be carried out in a single direction or in two directions, preferably perpendicular to one another, simultaneously or in succession, the method according to the invention both on its own and in combination with one of the known methods and can be used before or after this or at the same time as this.
To achieve the most uniform possible solidification of the plastic, it is advisable to carry out the shift in such a way that every two successive layers are shifted by at least approximately the same distance and all layers are shifted in the same direction against one another.
The method according to the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. Show it
1 shows a simplified representation of the processes using the example of a plastic cuboid,
2 shows a schematic representation of the application of the method according to the invention for the simultaneous solidification of two flat plastic parts in one direction each,
3 shows the application of the method according to the invention for solidifying a tubular plastic part,
4 shows the same for a molded part which is produced according to a longitudinally oriented extrusion process and
FIG. 5 shows the same for a tube which is produced continuously according to another longitudinally oriented extrusion process.
According to FIG. 1, the plastic cuboid 1 is shifted in layers in the direction of the arrow in such a way that its surface 2 or the imaginary top layer 2 'shown schematically and in exaggerated thickness its spatial position relative to the surface 3 or the likewise schematically and in FIG The imaginary lowest layer 3 'shown in exaggerated thickness changes by the amount s and two imaginary layers lying in between, not shown, are shifted relative to one another in a corresponding manner. A fiber f of length a, shown schematically perpendicular to the direction of displacement, experiences a change in its position and length in accordance with the dashed line f '.
According to a simplified assumption corresponding to the line f ″ of length b, again drawn in dashed lines, the change in length is cc = b - a, which results in a stretching R = - 100 (%) a. This process represents an orientation of the plastic, which occurs in the Thermoplastics mentioned at the beginning which can be solidified by stretching in connection with maintaining a suitable stretching temperature lying below, preferably only slightly below the crystalline melting point, in the desired, depending on the magnitude of the displacement, more or less strong solidification, as in the application examples of FIGS. 2 to 5 have proven performed tear tests.
In the application example according to FIG. 2, two equally planar plastic plates 7 are arranged between the planar enclosures 4 and 5 or 4 and 6. The layer shift of the plastic brought to the appropriate temperature takes place here by shifting the insert 4 with respect to the inserts 5 and 6 by means of a correspondingly large force P in the direction of the arrow 8. Um between the fabric panels 7 and the inserts 4, 5 or 4, 6 To achieve the static friction required for this, a pressure is exerted on the plastic plates 7 via the inserts which are under normal pressure N but are kept at an unchangeable mutual distance from one another, so that these, as indicated schematically by the arrows 9, are of sufficient height with a specific pressure p are evenly loaded.
If the insert 4 is shifted to the right by the force P in the direction of the arrow 8 compared to the inserts 5 and 6 by the distance s, this has the consequence that the plastic plates 7 shift in layers in parallel planes in themselves so that their the front and rear stin surfaces 7a and 7b, according to a simplified assumption, finally run in accordance with the dashed lines 7c and 7d.
A selected fiber f undergoes a change in its position according to the dashed line f 'and, according to a simplified assumption, a change in its length from a to b, so that with an unchanged cross-section of the plastic plates 7 perpendicular to the direction of displacement, a stretching c R = - 100 (%) results. a
It is clear that the same effect results if the supplement 4 is only shifted by half the distance s to the right and at the same time the two supplements 5 and 6 are shifted by half the distance s to the left. It is also clear that two plastic plates 7 do not necessarily have to be stretched at the same time, but rather that each of the plastic plates 7 can also be stretched individually by means of two enclosures.
Furthermore, it is also readily apparent that the arrangement shown is not limited to a displacement of the insert 4 in the direction of the arrow 8. This could of course be displaced in the direction of its flat extension at the same time or also subsequently in a second direction, preferably perpendicular to the direction of the arrow 8.
For example, the arrangement shown could also be understood as a section through one half of several flat circular rings arranged on top of one another, with the insert 4 then opposite the fixed insert 5 and 6 or the inserts 5 and 6 compared to the fixed insert 4 or both Enclosure 4 and the enclosures 5 and 6 are rotated against each other in the circumferential direction on opposite sides or with a differential speed on the same side.
As can be easily made clear from the figure, the shifting of the layers can also be carried out when the plastic plates 7 and the inserts 4, 5 and 6 are rotationally symmetrically curved in the direction of displacement in the manner indicated by dash-dotted lines. The only prerequisite for this is that the vertical distances between the inserts and, accordingly, the thickness of the plastic sheets in the direction of displacement or in tracks parallel to this are exactly the same everywhere, i.e. that the displacement takes place in equidistant tracks. On the other hand, the tool and plastic surfaces in contact with one another can be essentially arbitrarily shaped transversely to the direction of displacement, for example corrugated or otherwise profiled.
Of course, in such a case, a shift in a second direction perpendicular to the direction of arrow 8 is not possible or only possible if the inserts and plastic plates also run flat or are rotationally symmetrically curved in this direction, the plastic plates practically parts of a cylinder or represent a hollow sphere.
The plastic ring 12 arranged between the mandrel 10 and the outer ring 11 according to FIG. 3 is, as indicated by the arrows 13, evenly loaded by a pressure p, so that between the inner surface of the plastic ring 12 and the mandrel 10 on the one hand and the outer surface of the plastic ring 12 and the inner surface of the outer ring 11, on the other hand, the static friction required for shifting the layers of the plastic in itself along concentric paths is present. The shifting of layers is achieved in that the outer ring 11 and the mandrel 10 are rotated relative to each other, whereby one of the two parts can be fixed and the other rotatable, but also both parts can be rotated in the opposite direction or with a differential speed in the same direction can.
As shown in the figure, when the outer ring 11 is rotated relative to the mandrel 10, the position and length of a fiber changes from f to f ', which results in the desired orientation of the plastic and thus, again provided that the appropriate material is used and a suitable one is used Temperature of the same, the desired solidification is achieved in the circumferential direction.
As can again be easily made clear from the figure, it is necessary that the outer surface of the mandrel 10 and the inner surface of the outer ring 11 are circular and the mandrel and outer ring are concentric to one another, but that, if not at the same time or subsequently, for example, a solidification should take place in the longitudinal direction, a cylindrical design of the mandrel and outer ring is by no means a prerequisite. The solidification in the circumferential direction can of course also be achieved if the inner surface of the outer ring or the outer surface of the plastic ring and / or the inner surface of the plastic ring or the outer surface of the mandrel widens or tapers conically from one end to the other.
As can also be easily seen from the drawing, provided that the contacting surfaces of plastic and mandrel or outer ring are circular cylindrical, with the arrangement shown, instead of solidification in the circumferential direction or in addition to this, solidification in the longitudinal direction can also be achieved, by displacing the mandrel and the outer ring against one another in the axial direction, the stretching in the circumferential direction and, if necessary, in the longitudinal direction being able to be carried out both simultaneously and sequentially.
According to Fig. 4, which shows the application of the inventive method in combination with a longitudinally oriented extrusion process using the example of the production of a biaxially solidified case closed on one side, in particular a shotgun shell case, in the course of a single operation and by means of a single tool, is in the coaxial cylindrical bore 15 of the tool part 14, the mandrel 18 rotating about its axis and in the cylindrical bore 17 of the tool part 16, which is concentric with the bore 15, the ram 19, which is displaceable in the axial direction.
A temperature-controlled plastic tablet (not shown) inserted into the cylindrical bore 15 or 17 above the mandrel 18 is pushed into the space 20 between the rotating mandrel 18 and the fixed outer shape 14 and the flat end face of the stamp when the stamp 19 is moved in the direction of the arrow 19 pressed.
As the stamp 19 is closed, the plastic is initially oriented essentially in the longitudinal direction, while its shape and dimensions are continuously changed, until finally the molding process has progressed so far that the plastic essentially completely fills the space 20 19 pressure exerted on it is simultaneously increasingly pressed against the mold walls moving relative to one another, after reaching a sufficiently high static friction between plastic and wall of bore 15 on the one hand and between plastic and outer surface of mandrel 18 on the other hand, the relative movement of the mold walls, possibly with a takes over a certain delay and with constant wall thickness finally shifts in the circumferential direction like layers in itself, so that, as in the example of Fig.
3 explains, the material fibers are oriented and elongated in the circumferential direction, i.e. the plastic also in the circumferential direction, i.e. is solidified transversely or perpendicularly to the longitudinal orientation, not only in its cylindrical part, but also in its circular disc-shaped bottom part.
Of course, the molding process described in the foregoing can also be carried out in such a way that the mandrel 18 initially stands still and is only then rotated or set in rotation when the punch 19 has already been completely closed, so that the longitudinal and transverse consolidation follow one another separately in time . In addition, it must be said here again that the described method, with which a considerable solidification of the plastic was achieved both in the longitudinal and in the transverse direction, is neither limited to a cylindrical design of the sleeve shaft nor to a flat base.
For example, the sleeve shaft could also be conically widened towards the bottom or approximately kne; elig g and the base could be conical on both sides. be spherical or the like.
The method according to FIG. 4 can, for example, also be modified in such a way that the mandrel 18 closes during the pressing process, i.e. this forms the press ram, while the ram 19 stands still in the closed position during the pressing process. If necessary, the formation of a special punch 19 could also be dispensed with, i.e. the parts 16 and 19 could be combined to form a one-piece part. It is clear that the intended biaxial stretching is again achieved both when the mandrel 18 rotates during the closing process and when it is only set in rotation in the closed position.
According to FIG. 5, the mandrel 22 is arranged in the outer ring 21, the ring 21 and mandrel 22 being designed such that they form a gap 23 with one another, which narrows in the form of a nozzle from a large width to a small width. The on the side of the large gap width by means of a press, not shown, or the like.
Plastic fed in under a pressure p in the direction of the arrow experiences a longitudinal orientation as it passes through the gap 23 with a simultaneous decrease in cross-sectional dimensions and, corresponding to the wall adhesion caused by the pressure p, between the plastic on the one hand and the parts 21 that are rotated relative to one another in the circumferential direction, as indicated by the arrows and 22, on the other hand, by shifting the plastic in a layered manner in itself along circular, self-contained paths, orientation and thus solidification in the circumferential direction, the latter not influencing the cross-sectional dimensions.
Of course, the plastic is again kept at a suitable temperature here, the pressure p and the temperature being able to be coordinated with one another in the best possible way. In addition, the mandrel 22 could be divided along the dashed line 24 into a stationary part 22a and a rotating or rotatable part 22b, with which the desired solidification could also be achieved.
This combined longitudinal and transverse solidification process can be used both discontinuously and continuously and is therefore particularly suitable for the continuous production of biaxially stretched tubes in a single operation and using a single tool.
A few more examples follow to further explain the process according to the invention.
example 1
Shifting of layers on polyethylene panels
Two plates made of polyethylene with an addition of 2% carbon black, a molecular weight of approx. 100,000 and a melt viscosity Nred = 2.4 and the dimensions 50 x 80 x 5 mm were placed together with these in an arrangement according to FIG heated to the stretching temperature of 1250 C. Under a normal pressure of 200 kp / cm2, the inserts were moved in the direction of their flat extension by means of a force P = 2400 kg acting on the middle insert by approx.
2 cm shifted against each other.
In the tensile test, the previous shift in the layers showed a hardening from approx. 240 kp / cm2 to 490 kp / cm2.
Example 2
Manufacture of biaxially solidified shot shell cases a) Method 1:
A polyethylene tablet with an addition of approx. 2% carbon black, a molecular weight of approx. 100,000 and a melt viscosity Nred = 2.4 was used up to the supercrystalline range, i.e. to 1400 ° C., temperature controlled and placed in a cartridge case mold heated to 700 ° C. in accordance with the arrangement according to FIG. A mandrel that was also heated to 700 C and had a moment of inertia of approx. 0.04 kgm2 was used with a pressing force of approx. 6 t and a speed of 660 rpm and a lifting speed of approx. 100 mm / sec. retracted into the mold.
During the pressing process, the speed of the mandrel was slowed down as a result of the material friction with increasing depth of immersion of the mandrel in the material and also due to the increase in viscosity due to the resulting cooling down to the standstill of the mandrel at the end of the pressing process.
The holding pressure time was approx. 10 seconds. After this time had elapsed, the sleeve was removed through an unlocked bottom opening in the mold.
The sleeve produced in this way showed considerable biaxial consolidation.
The strength measured on the sleeve shaft was approx. 1100 kp / cm2 in the longitudinal direction and approx. 600 kp / cm2 in the transverse direction, compared with the original 240 kp / cm2 in each of the two directions. b) Procedure II:
A tablet of the same composition was placed in the same mold and brought to the same temperature of 1260 C for the mold and the substance, i.e. heated to just below the crystallite melting point.
The press mandrel, whose moment of inertia was 0.04 kgm2, was then inserted into the mold at a speed of 660 rpm and a speed of approx. 100 mm / sec. The mandrel speed was slowed down to zero during the pressing process due to material friction, which was reached approximately in the axial end position of the mandrel.
After the mold had cooled to approx. 800 C, the sleeve could be ejected through an unlocked opening in the bottom.
Considerable biaxial solidification of the cartridge case could also be demonstrated with this method. The longitudinal strength of the sleeve shaft was approx. 1100 kp / cm2 and the transverse strength 500 kp / cm2 compared to a strength of 240 kp / cm2 in each of the two directions.