DE10004633A1 - Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen aus vernetzbaren Kunststoffen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Halbzeugen aus zumindest teilweise vernetzbaren Kunststoffen, insbesondere von dickwandigen Rohren durch Bestrahlungsvernetzung mit ionisierenden Strahlen. DOLLAR A Durch die Erfindung soll ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Halbzeugen geschaffen werden, mit dem eine effektive Bestrahlungsvernetzung insbesondere bei längeren Halbzeugen erreicht werden kann. Erfindungsgemäß ist mindestens eine linienförmige Strahlungsquelle für die ionisierenden Strahlen vorgesehen, die sich zumindest teilweise längs des zu bestrahlenden Halbzeuges erstreckt. Das Halbzeug wird wiederholt längs an der Strahlungsquelle vorbeigeführt, wobei dieses nach jedem Bestrahlungsvorgang, oder nach jeweils mehreren Bestrahlungsvorgängen, um einen vorgegebenen Winkelbetrag um seine Längsachse gedreht wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß eine Führung für das zu bestrahlende Halbzeug vorgesehen ist in der oder mit der das Halbzeug längsbewegbar um seine Längsachse drehbar geführt ist, und daß sich die Führung in unmittelbarer Nähe des Austritts der ionisierenden Strahlen aus der Strahlenquelle befindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Halbzeugen aus zumindest teilweise vernetz­ baren Kunststoffen, insbesondere von dickwandigen Rohren durch Bestrahlungsvernetzung mit ionisierenden Strahlen.

Bekanntermaßen lassen sich bei einer Reihe von Kunststoffen durch die Vernetzung der Polymere deutlich verbesserte mecha­ nische Eigenschaften und eine wesentlich höhere Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien erreichen. Auch kann dadurch eine bessere Formbeständigkeit unter Wärme- und/oder Druckbelastung erreicht werden. Derartige strahlenvernetzbare Polymere sind beispielsweise Thermoplaste, Styrol-Polymere, Polyester, halo­ genierte Polymere, Elastomere und thermoplastische Elastomere.

Wegen der Tatsache, daß zur Vernetzung von polymeren Werk­ stoffen relativ hohe Bestrahlungsdosen erforderlich sind, werden hierfür in der Hauptsache Elektronenstrahlen einge­ setzt. Die Elektronenstrahlen werden mit Elektronen­ beschleunigern erzeugt und können wegen der relativ geringen Eindringtiefe, die auch von der Energie abhängig ist, bevor­ zugt für die Strahlungsvernetzung von dünnerwandigen Materia­ lien verwendet werden.

Für die Strahlungsvernetzung von größeren Kunststoffbauteilen wird zunehmend auch die Gamma-Bestrahlung eingesetzt, was insbesondere bei komplex aufgebauten Formteilen von Vorteil ist. Gamma-Strahlen besitzen bekanntermaßen eine hohe Durch­ dringungsfähigkeit bei einer relativ geringen Dosisleistung. Das hat jedoch zur Folge, daß bei der Bestrahlung mit Gamma- Strahlen ein sehr großer Zeitaufwand erforderlich ist, der bei mehreren Stunden liegen kann, wohingegen mit einem Elektronen­ strahlbeschleuniger die Dosis innerhalb von Sekunden auf die zu vernetzenden Kunststoffe aufgebracht werden kann.

Der Vernetzungsgrad von mit Gammastrahlen bestrahlten Kunst­ stoffen kann nach dieser Behandlung bei ca. 60% liegen, wenn die Bestrahlung über einen längeren Zeitraum durchgeführt wird.

Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit der Anwendung von Gammastrahlen zur Strahlenvernetzung von Polymeren ist darin zu sehen, daß durch die ionisierende Gammastrahlung Oxida­ tionsvorgänge im Kunststoff ausgelöst werden. Diese Oxida­ tionsvorgänge führen dazu, daß eine Schädigung in den Rand­ schichten eintreten kann und die Qualität des Produktes ver­ schlechtert wird. Dieses Problem tritt insbesondere bei der Langzeitbestrahlung mittels Gammastrahlung auf.

Im Elektronenbeschleuniger, in dem mit hoher Dosisleistung gearbeitet wird, treten auch an Luft keine starken Oxidations­ vorgänge auf. Das heißt, es können auch dünne Folien ohne stärkere Schädigungen mit Elektronenstrahlen bestrahlt werden. Für dickwandige Kunststoffteile, beispielsweise dickwandige Kunststoffrohre läßt sich die Elektronenbestrahlung wegen der geringen Eindringtiefe nur unvollkommen einsetzen.

Ein Beispiel für die Anwendung der Bestrahlung von vernetz­ baren Kunststoffen mit Elektronenstrahlen geht aus der EP 0 071 828 B2 hervor. Das in dieser Druckschrift beschriebe­ ne Verfahren zur Herstellung von vernetzten Polyolefin-Form­ massen ist dadurch gekennzeichnet, daß der Formmasse ein Ethylen-Vinylacetat-Copolymer beigemischt wird, bis der Gehalt an Vinylacetat zwischen 0,3-20 Gew.-% liegt und daß anschließend nach der Formgebung das Halbzeug mit Elektronenstrahlen be­ strahlt wird. Die Beimischung von Vinylacetat (VAC) führt zu einer besseren örtlichen Energieableitung, so daß die Ent­ stehung sogenannter Lichtenberg'scher Figuren verhindert wer­ den kann.

Die bei der Bestrahlung von vernetzbaren Kunststoffen mit Gammastrahlen zu verzeichnenden Probleme in Bezug auf die bei der Langzeitbestrahlung schwer zu verhindernden Oxidations­ prozesse haben dazu geführt, daß die Gammabestrahlung bisher nur ausnahmsweise für die Vernetzung von Kunststoffen mit komplizierter Formgebung eingesetzt wird.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Halbzeugen aus vernetzbaren Kunststoffen durch Bestrahlungsvernetzung mit ionisierenden Strahlen zu schaffen, mit dem eine effektive Bestrahlungsvernetzung insbesondere bei längeren Halbzeugen erreicht werden kann.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird da­ durch gelöst, daß mindestens eine linienförmige Strahlungs­ quelle für die ionisierenden Strahlen vorgesehen wird, daß sich die Strahlungsquelle zumindest teilweise längs des zu bestrahlenden Halbzeuges erstreckt, daß das Halbzeug wieder­ holt längs an der Strahlungsquelle vorbeigeführt wird und daß das Halbzeug nach jedem Bestrahlungsvorgang, oder nach jeweils mehreren Bestrahlungsvorgängen, um einen vorgegebenen Winkel­ betrag um seine Längsachse gedreht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine effektive Vernet­ zung insbesondere von dickwandigen Kunststoffrohren größerer Länge und auch von Endlosrohren. Insbesondere wird durch das mehrfache Vorbeiführen an der Strahlungsquelle ein höherer Vernetzungsgrad erreicht.

Besonders vorteilhaft lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Halbzeuge in Form von abgelängten Rohrabschnitten vernetzen, indem diese abschnittsweise bestrahlt und nach jedem Bestrahlungsvorgang abschnittsweise längs der Strahlungsquelle weiterbewegt werden.

In Fortführung der Erfindung wird das Rohr erst nach einem vollständigen Betrahlungsvorgang über seine gesamte Länge um einen vorgegebenen Winkelbetrag gedreht.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch für Endlosrohre einsetzen, indem das Endlosrohr mäanderförmig längs vor der Strahlungsquelle vorbeibewegt wird. Voraussetzung hierfür ist allerdings, daß die zu vernetzenden Rohre in ausreichendem Maße biegsam sind, wobei beim Biegevorgang keine Beschädigung der Rohrstruktur eintreten darf, was beispielsweise durch ausreichend große Biegeradien gewährleistet werden kann.

Als Strahlungsquelle kann ein Elektronenstrahlbeschleuniger eingesetzt werden.

Alternativ kann als Strahlungsquelle auch eine Gammastrah­ lungsquelle verwendet werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Gamma­ strahlungsquelle in einer mit einer Abschirmung versehenen Kammer angeordnet, wobei das zu bestrahlende Halbzeug längs durch die Abschirmung geführt wird, wobei sich jeweils ein Rohrabschnitt zumindest teilweise in der Kammer befindet.

Zur Vermeidung von Oxidationsvorgängen kann die Bestrahlung der Halbzeuge in einer Inertgasatmosphäre vorgenommen werden.

Die Bestrahlung der Halbzeuge kann beispielsweise in einer N₂- oder Ar-Atmosphäre erfolgen.

Alternativ oder zusätzlich können die Kunststoffrohre vor der Bestrahlung auf deren Außen- und/oder Innenseite mit einer Sauerstoffsperrschicht versehen werden.

Um auch innerhalb der Kunststoffrohre jegliche Oxidations­ vorgänge zu verhindern, kann zusätzlich vorgesehen werden, diese während der Bestrahlung mit einem Inertgas zu füllen.

Weiterhin kann dem Kunststoffmaterial der Halbzeuge eine Ver­ netzungshilfe beigemischt werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird wei­ terhin bei einer Vorrichtung zur Herstellung von Halbzeugen aus zumindest teilweise vernetzbaren Kunststoffen, insbesonde­ re von dickwandigen Rohren durch Bestrahlungsvernetzung mit ionisierenden Strahlen dadurch gelöst, daß mindestens eine sich parallel zur Längsachse des Halbzeuges erstreckende li­ nienförmige Strahlungsquelle für die ionisierenden Strahlen vorgesehen ist, daß die Strahlungsquelle ortsfest angeordnet ist, daß sich die Strahlungsquelle zumindest über einen Ab­ schnitt des zu bestrahlenden Halbzeuges erstreckt, daß eine Führung für das zu bestrahlende Halbzeug vorgesehen ist in der oder mit der das Halbzeug längsbewegbar um seine Längsachse drehbar geführt ist, und daß die Führung in unmittelbarer Nähe des Austritts der ionisierenden Strahlen aus der Strahlenquelle angeordnet ist.

Zu Erhöhung der Bestrahlungseffektivität ist es von Vorteil, wenn zwei einander gegenüberstehende Strahlenquellen vorgese­ hen sind, wobei die Führung für das zu bestrahlende Halbzeug zwischen den Strahlenquellen angeordnet ist.

Um jegliche Umweltgefährdung auszuschließen, ist in einer Fortbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Strahlungs­ quellen zumindest teilweise in einer Kammer angeordnet sind, die mit Schleusen zum Hindurchleiten des Halbzeuges versehen ist. Damit besteht die Möglichkeit, auch solche Halbzeuge bestrahlen zu können, deren Länge die Aufnahmekapazität der Kammer übersteigt.

Weiterhin kann in der Kammer eine Inertgasatmosphäre vorgesehen werden.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Zuhilfenahme einer Zeich­ nungsfigur an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert wer­ den. Aus der Zeichnungsfigur ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Elektronenstrah­ lenquellen ersichtlich.

Ziel ist es, bei Kunststoffrohren aus einem vernetzbaren Kunststoff einen Vernetzungsgrad von < 60% zu erreichen. Als Grundmaterial wird beispielsweise mit einem Etyhlen-Vinyl­ acetat-Copolymer vermischtes Lupolen mit VAC der Firma Elenac oder Borealis der Firma Borealis, bzw. Dowlex ohne VAC der Firma DOW verwendet. Dieses Grundmaterial wird beispielsweise durch Extrudieren in Rohrabschnitte 1 größerer Länge, bei­ spielsweise mit einer Länge von 12 m, umgeformt und an einer linienförmigen Strahlenquelle 2 eines Elektronenstrahl­ beschleunigers 3 vorbeigeführt.

Um hier eine ausreichende Vernetzung zu erreichen, muß der Rohrabschnitt 1 mehrfach an der Strahlenquelle 2 vorbeigeführt werden, wobei der Rohrabschnitt 1 vor jedem erneuten oder nach mehrmaligem Vorbeiführen um einen vorgegebenen Winkelbetrag um seine Längsachse gedreht wird. Hierzu ist eine Führung 4 für den zu bestrahlende Rohrabschnitt 1 vorgesehen auf welcher der Rohrabschnitt 1 längsbewegbar und um seine Längsachse drehbar geführt wird.

Es ist auch möglich, mehrere Strahlenquellen 2, 2' einzuset­ zen, um eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades zu erreichen. So können zwei Elektronenstrahlbeschleuniger 3, 3' einander gegenüberliegend angeordnet werden, wobei dann das zu vernet­ zende Rohr 1 zwischen den beiden Strahlenquellen 2 hindurch­ zuführen ist.

Um jegliche Gefährdung der Umwelt auszuschließen, ist bei der Verwendung von Elektronenstrahlbeschleunigern zumindest der unmittelbare Bestrahlungsbereich mit einer geeigneten Abschir­ mung 5 versehen.

Sollen Endlosrohre bestrahlt werden, so müssen diese mäander­ förmig mehrfach an der Strahlenquelle 2 vorbeigeführt werden.

Alternativ kann auch die Bestrahlung mit Gammastrahlen vor­ gesehen werden, wobei wegen einer ausreichenden Effektivität mit einer möglichst hohen Dosisleistung gearbeitet werden muß. Dabei muß aber zur Vermeidung einer O₂-Diffusion in das Rohr­ material und der daraus resultierenden Oxidation die Gamma­ bestrahlung in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt werden. Bevorzugt erfolgt die Bestrahlung in einer N₂-Atmosphäre, wobei auch die Bestrahlung im Vakuum möglich ist. Eine der­ artige Schutzgasatmosphäre kann relativ einfach realisiert werden, da die Gammabestrahlung ohnehin in einer geschlossenen Kammer erfolgen muß. Damit sind allerdings der Größe der zu bestrahlenden Rohre Grenzen gesetzt.

Wenn die Kunststoffrohre auf der Außenseite mit einer Sau­ erstoffsperrschicht beschichtet sind, genügt es, während der Gammabestrahlung lediglich innerhalb der Kunststoffrohre eine Inertgasfüllung vorzusehen.

Als Gammastrahlungsquelle kann eine Linienquelle verwendet werden, an der das Rohr in Längsrichtung vorbeibewegt wird. Nach jedem Durchlauf, oder nach mehreren Durchläufen, muß das Rohr dann um einen vorgegebenen Winkelbetrag gedreht werden. Es können auch mehrere Gammastrahlungsquellen verwendet wer­ den, die in regelmäßigen Abständen um das zu bestrahlende Kunststoffrohr verteilt angeordnet sind. Dadurch läßt sich eine höhere Strahlendosis und damit in kürzerer Zeit ein hö­ herer Vernetzungsgrad erreichen.

Claims (17)

1. Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen aus zumindest teilweise vernetzbaren Kunststoffen, insbesondere von dickwandigen Rohren durch Bestrahlungsvernetzung mit ioni­ sierenden Strahlen, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß mindestens eine linienförmige Strahlungsquelle für die ionisierenden Strahlen vorgesehen ist,
• - daß sich die Strahlungsquelle zumindest teilweise längs des zu bestrahlenden Halbzeuges erstreckt,
• - daß das Halbzeug mehrfach längs an der Strahlungs­ quelle vorbeigeführt wird und
• - daß das Halbzeug nach jedem Bestrahlungsvorgang, oder nach jeweils mehreren Bestrahlungsvorgängen, um einen vorgegebenen Winkelbetrag um seine Längsachse gedreht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Halbzeug Rohrabschnitte sind, die abschnittsweise bestrahlt werden und nach jedem Bestrah­ lungsvorgang abschnittsweise längs der Strahlungsquelle weiterbewegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rohr erst nach einem vollständi­ gen Betrahlungsvorgang um einen vorgegebenen Winkelbetrag gedreht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Halbzeug ein Endlosrohr ist, das mäanderförmig längs vor der Strahlungsquelle bewegt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle ein Elektronenstrahlbeschleuniger ist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine Gammastrahlungsquelle ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gammastrahlungsquelle in einer mit einer Abschirmung versehenen Kammer angeordnet ist und daß das zu Bestrahlende Halbzeug längs durch die Abschir­ mung geführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung der Halbzeuge in einer Inertgasatmosphäre vorgenommen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bestrahlung der Halbzeuge in einer N₂-Atmosphäre erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bestrahlung der Halbzeuge in einer Ar-Atmosphäre erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffrohre vor der Bestrahlung auf der Außen- und/oder auf der Innenseite mit einer Sauerstoffsperrschicht versehen werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffrohre wäh­ rend der Bestrahlung mit einem Inertgas gefüllt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kunststoffmaterial der Halbzeuge eine Vernetzungshilfe beigemischt ist.

14. Vorrichtung zur Herstellung von Halbzeugen aus zumindest teilweise vernetzbaren Kunststoffen, insbesondere von dickwandigen Rohren durch Bestrahlungsvernetzung mit ioni­ sierenden Strahlen, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß mindestens eine sich parallel zur Längsachse des Halbzeuges erstreckende linienförmige Strahlungsquelle für die ionisierenden Strahlen vorgesehen ist,
• - daß die Strahlungsquelle ortsfest angeordnet ist,
• - daß sich die Strahlungsquelle zumindest über einen Abschnitt des zu bestrahlenden Halbzeuges erstreckt,
• - daß eine Führung für das zu bestrahlende Halbzeug vorgesehen ist in der oder mit der das Halbzeug längs­ bewegbar um seine Längsachse drehbar geführt ist, und
• - daß die Führung in unmittelbarer Nähe des Austritts der ionisierenden Strahlen aus der Strahlenquelle angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei einander gegenüberstehende Strahlenquellen vorgesehen sind und daß sich die Führung für das zu bestrahlende Halbzeug zwischen den Strahlen­ quellen befindet.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strahlungsquellen in einer Kammer angeordnet sind, die Schleusen zum Hindurch­ leiten des Halbzeuges aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Kammer eine Inertgas­ atmosphäre herrscht.