DE102007050948A1

DE102007050948A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Kunststoffrohren

Info

Publication number: DE102007050948A1
Application number: DE102007050948A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Seibel; Franz-Josef Riesselmann
Original assignee: Battenfeld Extrusionstechnik GmbH
Current assignee: Battenfeld Extrusionstechnik GmbH
Priority date: 2007-10-23
Filing date: 2007-10-23
Publication date: 2009-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vernetzen von Kunststoffen, das die Schritte umfasst: a) Bereitstellen des zu vernetzenden Kunststoffes in einem Extruder (1), b) Zuführen in ein Extrusionswerkzeug (2), c) Übergabe des vorgeformten Kunststoffstranges (3) in eine Erwärmungsstrecke (4), in der die Vernetzung vollzogen wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Erwärmungsstrecke (4) unter Umgebungsdruck, Überdruck oder Unterdruck, unter Ausschluss der Umgebungsluft und weitgehend ohne Wärmeverlust durchlaufen wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Vernetzen von Kunststoffen, wobei der zu vernetzende Kunststoff in einem Extruder (1) bereitgestellt wird, wobei dem Extruder (1) ein Extrusionswerkzeug (2) angeordnet ist, durch das der zu vernetzende Kunststoff gepresst wird, wobei dem Extrusionswerkzeug (2) eine Erwärmungsstrecke (4) nachgeschaltet ist, die zur Vernetzung des Kunststoffstranges geeignet ist. Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens ein Teil der Erwärmungsstrecke (4) ein Teleskoprohr (5) ist, das mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch in der Länge veränderbar und an das Extrusionswerkzeug (2) und/oder an eine Nachfolgeeinrichtung (9, 10, 11) anlegbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vernetzen von Kunststoffen, das die Schritte umfasst: a) Bereitstellen des zu vernetzenden Kunststoffes in einem Extruder, b) Zuführen in ein Extrusionswerkzeug, c) Übergabe des vorgeformten Kunststoffstranges in eine Erwärmungsstrecke, in der die Vernetzung vollzogen wird.
Die Herstellung von Rohren aus einer Mischung von Polymer und Peroxyd, auch bekannt unter der Bezeichnung PEXa, zeichnet sich dadurch aus, dass bei niedriger Temperatur extrudiert und anschließend vernetzt wird. Die Vernetzung kann unter Einwirkung von Infrarotstrahlung erfolgen. Als Infrarotquelle ist es bekannt, einen Infrarotofen einzusetzen, der zwischen der Austrittsdüse des Extruders und der Kalibriervorrichtung positioniert wird. Man unterscheidet zwischen einer horizontalen und einer vertikalen Anordnung des Infrarotofens.
Im Falle der vertikalen Anordnung wird der Schmelzestrang senkrecht nach oben oder nach unten bzw. in weiterer Folge – nach Umlenkung um 180° – senkrecht nach unten geführt. Danach erfolgt eine Umlenkung um 90°, um den Schmelzestrang in die Kalibriervorrichtung zu führen. Die oftmalige Umlenkung verhindert die Realisierung größerer Rohrdurchmesser (> 50 mm) und größerer Wandstärken bzw. Dimensionen hinsichtlich der Formstabilität als auch der notwendigen Einleitung der für die Vernetzung erforderlichen Energie.
Bei der horizontalen Anordnung wird der Schmelzestrang von der Austrittsdüse ohne Umlenkung in die Kalibriervorrichtung geführt, wobei eine gewisse Distanz entsprechend der Länge des IR-Ofens überwunden werden muss. Aufgrund dieser Distanz kann speziell bei größeren Dimensionen (> 50 mm) der Durchhang des Schmelzestranges derart erfolgen, dass eine Kalibrierbarkeit mit Hilfe einer Abstützung erfolgen muss.
Aus der DE 299 05 651 ist eine Vernetzungseinrichtung für Kunststoffrohre bekannt, wobei die Vernetzung in einem Formkanal initiiert wird, der durch eine Heiz- und Druckänderungseinrichtung gekennzeichnet ist.
Wie oben ausgeführt, sind alle bekannten Vorrichtungen und Verfahren nur dafür geeignet, Rohre bis 50 mm Durchmesser zu fertigen, da bei der horizontalen Ausführung das extrudierte Rohr aufgrund seines Eigengewichtes einer speziellen Abstützung bedarf und andererseits bei der axialen Ausführung aufgrund der erforderlichen Umlenkungen im Durchmesser und der Dimension Grenzen gesetzt sind. Hauptsächliches Merkmal der Begrenzung im Durchmesser bzw. der Dimension aller bekannten Vorrichtungen ist jedoch die wirtschaftliche Einbringung der für die Vernetzung notwendigen Energiemenge auf möglichst kurzem Raum zu realisieren.
Vernetzte Kunststoffrohre gibt es für unterschiedliche Anwendungen:

– Heizungsrohr (Fußbodenheizung, Wandheizung, Deckenheizung, Radiatoranbindung)
– Sanitärrohr (gute Eignung für Kalt- und Warmwasser, speziell für Warmwasser, da besseres Langzeitverhalten gegenüber unvernetzten Werkstoffen)
– Gasrohr (gute Eignung für grabenlose Verlegung wegen hervorragender Rissbeständigkeit)
– Fernwärmerohr (hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Langlebigkeit, einfache Verlegung wegen hoher Flexibilität im Vergleich zu Stahlrohren)

Hierbei gibt es verschiedene Vernetzungstechniken, die im Markt Anwendung finden. Zum Beispiel ist das Vernetzen von Kabeln seit über 50 Jahren bekannt, hierfür gibt es folgende Verfahren:

a) Peroxydische Vernetzung im CV-Rohr oder Salzbad
b) Silanvernetzung
c) β-Strahlenvernetzung

Bei der Rohrvernetzung kommen vor allem folgende Prozesstechniken zum Einsatz:

a) Peroxydische Vernetzung nach dem „Engelprozess" oder mittels Infrarot
b) Silanvernetzung
c) β-Strahlenvernetzung

Die peroxydische Vernetzung von Rohren für den o. g. Markt hat sich durchgesetzt, da neben den geringeren Materialkosten auch die Produkteigenschaften eine Rolle spielen. Neben dem Peroxyd gibt es auch noch andere Stoffe mit vergleichbaren Eigenschaften, die z. B. bei der Vulkanisation von Gummiprofilen Anwendung finden.
Ein Nachteil ist, dass die heutigen Herstellverfahren in der Ausstoßleistung stark begrenzt sind. So werden beim „Engelprozess" Durchsätze von ca. 25–30 Kg/h erzielt. Das Polymer, versehen mit Peroxyd und Stabilisatoren, wird in Pulverform über Hubzylinder in das aufgeheizte Extrusionswerkzeug gepresst. Durch die Erwärmung des Polymers zerfällt das Peroxyd und leitet eine Vernetzung ein.
Ein weiterer Nachteil ist, dass das Extrusionswerkzeug in kurzen Abständen neu beschichtet werden muss, da sich die Teflonschicht durch hohe Materialdrücke schnell abbaut. Das führt neben raueren Oberflächen auch zu nicht mehr beherrschbaren Massedrücken im Werkzeug.
Eine Weiterentwicklung ist die „Infrarottechnik", bei der der extrudierte Schmelzestrang in eine Kammer geführt und kurzwelligen Infrarotstrahlen ausgesetzt wird. Die Infrarotstrahlen dringen in das extrudierte, schmelzeförmig vorliegende Rohr, heizen es auf und leiten somit die peroxydische Vernetzung ein.
Nun ist festzustellen, dass andere Technologien weiterentwickelt wurden und die Produktherstellkosten erheblich gesenkt werden konnten, was zu einem starken Wettbewerb des peroxydisch vernetzten Rohres führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen derart weiterzubilden, dass das Vernetzen von Profilen oder Rohren über einen großen Dimensionsbereich kostengünstig möglich wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass die Erwärmungsstrecke unter Umgebungsdruck, Überdruck oder Unterdruck, unter Ausschluss der Umgebungsluft und weitgehend ohne Wärmeverlust durchlaufen wird. Unterstützt wird diese Lösung in der Art, dass ein Differenzdruck zwischen Innenrohr und Außenrohr eingestellt wird, weicher > oder = 0 bar geht. Der Innendruck ist also größer oder gleich dem Umgebungsdruck der Rohraußenwand. Hierdurch lässt sich ebenfalls die Rohrabmessung steuern.
Es ist also fortbildungsgemäß vorgesehen, dass der Druck im Inneren des Kunststoffstranges und außerhalb des Kunststoffstranges weitgehend gleich gehalten wird. und/oder der Differenzdruck zwischen dem Inneren des Kunststoffstranges und außerhalb des Kunststoffstranges weitgehend auf 0 bar oder im Inneren größer gehalten wird.
Vorteilhafterweise ist die Vernetzung eine peroxydische Vernetzung.
Begünstigt wird das Verfahren, wenn zusätzlich die Erwärmungsstrecke mit einem aufgeheizten Medium wie Dampf, Stickstoff oder Luft gespeist wird, wobei in einer weiteren Fortbildung vorgesehen ist, das Medium so durch die Erwärmungsstrecke zu führen, dass es einen Kreislauf durchläuft und nur die im Prozess verbrauchte Energie dem Medium wieder zugeführt wird.
In erster Linie ist vorgesehen, dass der zu vernetzende Kunststoffstrang ein Kunststoffprofil ist und das Medium zusätzlich in das Innere des Profils geleitet wird, wobei das Verfahren sich besonders für Rohre eignet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 9 dadurch gelöst, dass mindestens ein Teil der Erwärmungstrecke ein Teleskoprohr ist, das mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch in der Länge veränderbar und an das Extrusionswerkzeug und/oder an eine Nachfolgeeinrichtung anlegbar ist.
Weiterbildungsgemäß ist vorgesehen, dass die Erwärmungsstrecke zum Extrusionswerkzeug und/oder zur Nachfolgeeinrichtung abdichtbar ist und, dass die Erwärmungsstrecke eine Heizung aufweist, um mittels Strahlung Wärme abzugeben.
In einer weiteren Fortbildung ist vorgesehen, dass die Erwärmungsstrecke mit Gas oder einer reaktiven Substanz gefüllt ist, um die Resistenz der Innenoberfläche zu verbessern.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Es wird also eine spezielle Erwärmungsstrecke vorgeschlagen, die insbesondere als ein Temperierungs-Vernetzungsrohr oder im Fachjargon auch als CC-Rohr angesprochen, eingesetzt wird. Dieses CC-Rohr ist zwischen dem Extrusionskopf, sprich Extrusionswerkzeug, und angeordneten Nachfolgeeinrichtungen wie Kalibrierung oder Kühlung bzw. Abzug angeordnet. Damit eine Abdichtung zum Extrusionskopf bzw. zu den Nachfolgeeinrichtungen möglich ist, ist vorgesehen, ein Teleskoprohr anzuordnen, das hydraulisch oder mechanisch gegen den Extrusionskopf gepresst wird. Das Abdichten am Extrusionskopf erfolgt über eine hochtemperaturbeständige Dichtung oder mechanisch, z. B. durch Verschrauben. Die Länge des Teleskoprohres ist so gestaltet, dass genügend Raum am Extrusionskopf für Umrüst- und Zentrierarbeiten vorhanden ist. Zusätzlich kann das Teleskoprohr temperiert werden. Die Temperierung des CC-Rohres, sprich des Vernetzungsrohres, kann elektrisch sein, die Übertragung der Wärme erfolgt nur über Strahlung, d. h. eine außen angebrachte Heizung mit entsprechender Isolierung. Der Wärmeeintrag kann auch über ein aufgeheiztes Medium, z. B. Dampf, Stickstoff oder Luft erfolgen, welches durch das CC-Rohr gepumpt wird. Vorteilhafterweise wird dieses Heizmedium im Kreislauf betrieben, d. h. das Medium wird durch das CC-Rohr bzw. Vernetzungsrohr, sprich Erwärmungsstrecke, geführt, in geeigneter Form, beispielsweise einem Wärmetauscher, wieder auf die erforderliche Temperatur ge bracht, und erneut dem CC-Rohr zugeführt. Um oxydative Abbaureaktionen an der Polymeroberfläche zu verhindern, ist vorgesehen, das Vernetzungsrohr mit einem Inertgas wie z. B. N₂ zu füllen. Es kann aber auch mit einem reaktiven Gas, z. B. Fluor, gefüllt werden, um die Oberfläche des Polymers chemisch zu verändern. Hierdurch wird eine bessere Bedruckbarkeit oder bessere Barriereeigenschaften sowie bessere Resistenz gegenüber Chemikalien, z. B. Desinfektionsmittel, geschaffen. Bei größeren Profil- oder Rohrdurchmessern kann das Heizmedium durch den Extrusionskopf in das Profil/Rohr gepumpt werden. Ein entsprechender Stopfen verhindert ein Entweichen des Heizmediums. Auf der Seite des Vernetzungsrohres, an dem die Nachfolgeeinrichtungen angeordnet sind, ist eine verstellbare Dichtung vorgesehen, um den Kühlbereich vom Heizbereich zu trennen. Mittels dieser Vorrichtung bzw. diesem Verfahren kann beispielsweise für Heizungsrohre direkt die erforderliche Sauerstoffbarriere in Extrusion oder in anderen Verfahren, z. B. durch Lackieren, aufgebracht werden. Bei dem Einsatz von Trinkwasserrohren kann der Vernetzungsprozess auch zum Temperieren des vernetzten Rohres eingesetzt werden. Hierfür muss ein Teil des Heizmediums erneuert werden, um einer Sättigung von Reaktionsprodukten vorzubeugen. Die zu ersetzende Heizmediummenge wird abgekühlt, damit die Reaktionsprodukte kondensieren und dann entsorgt werden können. Das Verfahren eignet sich auch zur Coextrusion, da zwischen dem hochviskosen PEXa-Material und der Werkzeugwandung jeweils eine dünne Schicht aus einem leicht fließenden Material angeordnet werden kann, um den Massedruck zu reduzieren und möglichen Schmelzebruch der PEXa-Schmelze zu verhindern. Es ist aber auch denkbar, die leicht fließende Schicht auf Silikonbasis oder Abmischungen aufzubauen. Eine weitere Alternative ist es, die leicht fließende Schicht auf Teflonbasis oder Polyäthylen und Abmischungen aufzubauen. Je nach Dimension des Rohres oder Profiles ist es vorgesehen, dieses zusätzlich im Vernetzungsrohr, also in der Erwärmungsstrecke, abzustützen.
In der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben.
Die Figur zeigt einen Extruder 1, der als konischer oder paralleler Doppelschneckenextruder oder als Einschneckenextruder ausgebildet sein kann. Daran schließt sich ein Extrusionswerkzeug 2 an, wobei hier ein typisches PVC- oder PEX-Rohr-Werkzeug eingesetzt werden kann. An dieses Extrusionswerkzeug 2 schließt sich die Erwärmungsstrecke 4 an, wobei diese mittels eines Teleskoprohres 5 und entsprechender Dichtung 6 einen nahtlosen Übergang des Kunststoffstranges 3 gewährleistet. Das Teleskoprohr 5 ist in der Länge variabel, die Erwärmungsstrecke 4 weist eine Heizung 7 auf, mittels der über die Strahlung 8 die Vernetzung des Kunststoffstranges 3 umgesetzt wird. Der gesamte Bereich, sprich Erwärmungsstrecke 4 und Teleskoprohr 5, kann mit einem Gas gefüllt sein. An die Erwärmungsstrecke 4 schließen sich konventionelle Nachfolgeeinrichtungen, die hier nur schematisch angedeutet sind, an. Dies sind beispielsweise eine Kalibrierung 9, eine Kühlung 10, ein Abzug 11 und die übliche Konfektionierung 12, was ein Wickler oder eine Säge sein kann.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist es möglich, ein preiswertes vernetztes Rohr oder Profil über einen großen Dimensionsbereich herzustellen.

1: Extruder
2: Extrusionswerkzeug
3: Kunststoffstrang
4: Erwärmungsstrecke
5: Teleskoprohr
6: Dichtung
7: Heizung
8: Strahlung
9: Kalibrierung
10: Kühlung
11: Abzug
12: Konfektionierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 29905651 [0005]

Claims

Verfahren zum Vernetzen von Kunststoffen, das die Schritte umfasst: a) Bereitstellen des zu vernetzenden Kunststoffes in einem Extruder (1), b) Zuführen in ein Extrusionswerkzeug (2), c) Übergabe des vorgeformten Kunststoffstranges (3) in eine Erwärmungsstrecke (4), in der die Vernetzung vollzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungsstrecke (4) unter Umgebungsdruck, Überdruck oder Unterdruck, unter Ausschluss der Umgebungsluft und weitgehend ohne Wärmeverlust durchlaufen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Inneren des Kunststoffstranges (3) und außerhalb des Kunststoffstranges (3) weitgehend gleich gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdruck zwischen dem Inneren des Kunststoffstranges (3) und außerhalb des Kunststoffstranges (3) weitgehend auf 0 bar, oder im Inneren größer gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vernetzung eine peroxydische Vernetzung ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungsstrecke (4) mit einem aufgeheizten Medium wie Dampf, Stickstoff oder Luft gespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium so durch die Erwärmungsstrecke (4) geführt wird, dass es einen Kreislauf durchläuft und nur die im Prozess verbrauchte Energie dem Medium wieder zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu vernetzende Kunststoffstrang ein Kunststoffprofil ist und das Medium zusätzlich in das Innere des Profils geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem oder mehreren weiteren oder parallelen Verfahrensschritten eine weitere Materialschicht auf oder in den Kunststoffstrang eingebracht wird.
Vorrichtung zum Vernetzen von Kunststoffen, wobei der zu vernetzende Kunststoff in einem Extruder (1) bereitgestellt wird, wobei dem Extruder (1) ein Extrusionswerkzeug (2) angeordnet ist, durch das der zu vernetzende Kunststoff gepresst wird, wobei dem Extrusionswerkzeug (2) eine Erwärmungsstrecke (4) nachgeschaltet ist, die zur Vernetzung des Kunststoffstranges geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Erwärmungstrecke (4) ein Teleskoprohr (5) ist, das mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch in der Länge veränderbar und an das Extrusionswerkzeug (2) und/oder an eine Nachfolgeeinrichtung (9, 10, 11) anlegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungsstrecke (4) zum Extrusionswerkzeug (2) und/oder zur Nachfolgeeinrichtung (9, 10, 11) abdichtbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungsstrecke (4) eine Heizung (7) aufweist, um mittels Strahlung (8) Wärme abzugeben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungsstrecke mit Gas oder einer reaktiven Substanz gefüllt ist.