DE102014101065A1

DE102014101065A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer transparenten thermoplastischen Schlauchfolie

Info

Publication number: DE102014101065A1
Application number: DE102014101065.5A
Authority: DE
Inventors: Heinz-Joachim Herchenbach; Maximilian Herchenbach
Original assignee: Plamex Maschinenbau GmbH
Current assignee: Plamex Maschinenbau GmbH
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2014-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer transparenten thermoplastischen Schlauchfolie, bei welchen ein Schlauch aus einer Extrusionsdüse extrudiert wird und nachfolgend der noch plastische Schlauch unter Festlegung seines Soll-Durchmessers außen- und/oder innenseitig mit einem flüssigen Kühlmedium beaufschlagt und auf eine Temperatur unterhalb der Schmelzetemperatur des Schlauches gekühlt wird, nachfolgend unter erneuter Wärmezufuhr einer Nachkristallisation und einem Nachschrumpf unterzogen wird und dann zu der Schlauchfolie flachgelegt und zur Weiterverarbeitung abgeführt wird, wobei die erneute Wärmezufuhr mittels Strahlungswärme bewirkt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Herstellen transparenter thermoplastischer Schlauchfolien, wie sie beispielsweise für Verpackungszwecke Anwendung finden.
Bei dem sogenannten Schlauchfolienextrusionsverfahren wird ein Schlauch in plastischem Zustand aus einer Extrusionsdüse extrudiert und mehr oder weniger stark aufgeblasen, um seinen Soll-Durchmesser festzulegen, wobei er gleichzeitig eine Abkühlung erfährt, um aus dem noch plastischen Zustand beim Austritt aus der Extrusionsdüse in einen festen Zustand überführt zu werden, der die gewünschte Folie ausbildet.
Im Gegensatz zu amorphen thermoplastischen Kunststoffen wie Polycarbonat (PC), Acryl (PMMA), Polystyrol (PS) oder Polyvinylclorid (PVC), bei denen die armorphe, unsystematische und ungeordnete Struktur auch unterhalb des Glasübergangspunktes bestehen bleibt, verändern sich semi-kristalline thermoplastische Kunststoffe zu einer Kombination amorpher und kristallin geordneter Strukturen, wenn sie den Glasübergangspunkt im Rahmen der eintretenden Abkühlung erreichen. Dies ist z. B. bei Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) und Polyamid (PA) der Fall, die andererseits gerade in Verpackungsanwendungen weitreichende Anwendung finden. Die während der Abkühlung entstehenden semi-kristallinen Strukturen sind an der sogenannten Frostlinie des aus der Extrusionsdüse extrudierten Schlauches deutlich sichtbar. Neben den amorphen Verbindungen besteht die Struktur vornehmlich aus Lamellen, die aus Kristallkerne an die Oberfläche wachsen und als Sphärolithe bezeichnet werden.
In Abhängigkeit von der Anzahl und Größe dieser Sphärolithe wird die Transparenz der erhaltenden thermoplastischen Schlauchfolie aufgrund der veränderten Lichtbrechung maßgeblich beeinflusst.
Es ist bekannt, dass die für die Herstellung transparenter Schlauchfolien unerwünschte Kristallisation entweder durch große Scherung in den eingesetzten Extrudern oder durch sehr schnelles, insbesondere schockartiges Abkühlen der aus der Extrusionsdüse austretenden Schmelze in Form des Schlauches in noch plastischem Zustand verhindert werden kann.
Zu diesem Zweck ist es bekannt, den aus der Extrusionsdüse extrudierten Schlauch in noch plastischem Zustand außen- und/oder innenseitig mit einem flüssigen Kühlmedium, vorzugsweise Wasser zu beaufschlagen, wodurch die erwünschte starke Abkühlung des Schlauches unterhalb des Glasübergangspunktes erreicht und die amorphe Struktur des Schlauches unter Vermeidung einer Kristallisation eingefroren werden kann. Maßgeblich für das erzielte Ergebnis ist es dabei, die noch plastische Folie so schnell wie möglich auf eine Temperatur unterhalb des Glasübergangspunktes abzukühlen, was üblicherweise in einer mit dem flüssigen Kühlmedium beaufschlagbaren Kühlkammer bewirkt wird, durch welche die Schlauchfolie nach ihrem Austritt aus der Extrusionsdüse geführt und gegebenenfalls unter einem innerhalb der Kühlkammer herrschenden Unterdruck während des Abkühlens in ihrem Soll-Durchmesser festgelegt wird, wie z. B. in der DE 100 48 178 B4 beschrieben.
Während dieses Verfahren an sich bewährt ist, gestaltet sich bislang die Herstellung derartiger transparenter thermoplastischer Schlauchfolien in einem späteren gewünschten Fertigmaß als schwierig, da nach dem Abkühlen, Flachlegen und Abführen der Schlauchfolie ein bislang unvermeidlicher Nachschrumpf auftrat, der durch Nachkristallisationsvorgänge innerhalb der hergestellten Schlauchfolie bedingt und technisch unvermeidbar war.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiter zu bilden, dass eine effektive und maßhaltige Extrusion von hochtransparenten thermoplastischen Schlauchfolien ohne den bislang unvermeidlichen Nachschrumpf ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 6 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildungen der Erfindungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schlägt vor, den Schlauch nach seiner Abkühlung unterhalb der Glasübergangstemperatur mittels des eingesetzten flüssigen Kühlmediums erneuter Wärmezufuhr auszusetzen und damit eine Nachkristallisation und Nachschrumpf zu initiieren, bevor der Schlauch zur Schlauchfolie flachgelegt und zur Weiterverarbeitung abgeführt wird.
Die erneute Wärmezufuhr wird hierbei bevorzugt mittels Strahlungswärme bewirkt, und zwar soweit, dass die Nachkristallisation initiiert, aber nur soweit, dass gerade noch keine Sphärolithe sich ausbilden, so dass die Transparenz der hergestellten Schlauchfolie nicht beeinträchtigt wird. Es sind jedoch im Rahmen der Erfindung auch noch andere Arten der Wärmezufuhr denkbar, z. B. mittels aufgebrachtem Heißwasser, mittels Dampf oder eines heißen Gasstromes. Strahlungswärme ruft allerdings die geringsten Einflüsse auf die Oberfläche des Schlauches hervor und ist insoweit bevorzugt.
Nach einem Vorschlag der Erfindung wird die Strahlungswärme von Infrarotstrahlern erzeugt, da deren Spektrum von den üblicherweise verwendeten Kunststoffen besonders gut absorbiert wird. Denkbar wäre jedoch auch die Verwendung anderer geeigneter Wärmestrahler, z. B. Mikrowellen und dgl.
Um eine zuverlässige Fixierung der amorphen Struktur innerhalb des extrudierten Schlauches sicherzustellen, wird dieser mittels des flüssigen Kühlmediums auf eine Temperatur von vorzugsweise 30–50°C abgekühlt und nachfolgend z. B. mittels Strahlungswärme wieder auf eine Temperatur von 60–80°C erwärmt, wodurch die Nachkristallisation ohne Beeinträchtigung der Transparenz initiiert wird und nachfolgend zur Schlauchfolie flachgelegte Schlauch mit hoher Maßhaltigkeit der Weiterverarbeitung zugeführt werden kann.
Es ist insbesondere vorgesehen, den noch plastischen Schlauch bei Beaufschlagung mit dem flüssigen Kühlmedium bei einer Kühlrate von bis zu 1000–3000°C pro Minute abzukühlen, so dass die gewünschte schlagartige Abkühlung zu Erzielung der hohen Transparenz wie eingangs erwähnt gewährleistet wird.
Neben der Initiierung der Nachkristallisation durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene erneute Wärmezufuhr wird überdies der Schlauch unmittelbar vor seiner Flachlegung zur Schlauchfolie durch die Erwärmung auch weicher, so dass die Flachlegung zur doppelt liegenden Schlauchfolie leichter vonstattengeht.
Als weiterer Nebeneffekt wird durch Abkühlen mit flüssigem Kühlmedium nachfolgende erneute Wärmezufuhr eventuell noch an der Oberfläche des Schlauches anhaftendes flüssiges Kühlmedium zuverlässig verdampft.
Schließlich ist es auch möglich, die Dicke des hergestellten Schlauches wie üblich über dessen Umfang zu messen, wobei weiter bevorzugt die Strahlungswärme von einer Vielzahl von einzelnen Umfangsbereichen des Schlauches zugeordneten Strahlern erzeugt wird, deren Leistung nach Maßgabe der gemessenen Dicke des hergestellten Schlauches veränderbar ist. Es hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass beispielsweise Verwendung von Infrarotstrahlern zur Erzeugung der Strahlungswärme auf diese Weise eine äußerst schnelle Regelungsantwort auf festgestellte Dickenschwankungen des hergestellten Schlauches über den Umfang erhalten werden kann, so dass beispielsweise Umfangsbereichen mit den Sollwert überschreitender Dicke eine stärkere Wärmezufuhr vorgenommen werden kann, die den Schlauch in diesem Bereich ausdünnt, während umgekehrt bei den Sollwert unterschreitender Dicke eines Umfangsbereiches des Schlauches die Wärmezufuhr zurückgenommen werden kann, um eine Ausdünnung des Schlauches in diesem Bereich entgegenzuwirken.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Extrusionsdüse zur Extrusion des Schlauches im plastischen Zustand, eine der Extrusionsdüse nachgeordnete vorzugsweise rohrförmige Kühlkammer, durch welche der Schlauch führbar und innen- und/oder außenseitig mit einem flüssigen Kühlmedium beaufschlagbar ist sowie eine der Kühlkammern nachgeordnete Nachheizeinrichtung, durch welche der aus der Kühlkammer austretende abgekühlte Schlauch führbar und erneut aufheizbar ist sowie schließlich eine Flachlegeeinrichtung zum Flachlegen des Schlauches zu der Schlauchfolie und Abführen derselben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Nachheizeinrichtung ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse umfasst, durch welches der Schlauch führbar ist und eine Vielzahl von auf die Oberfläche des hindurchführbaren Schlauches gerichtete Wärmestrahler im Bereich der Innenoberfläche des Gehäuses angeordnet sind, mittels derer die zu Initiierung der Nachkristallisation erforderliche Wärmezufuhr im bereits erläuterten Sinne ausgeübt werden kann.
Die Wärmestrahler sind bevorzugt als Infrarotstrahler ausgebildet.
Weiterhin kann eine Dickenmessvorrichtung für die Messung der Dicke der Schlauchfolie über deren Umfang vorgesehen sein, wobei die Wärmestrahler nach Maßgabe des Messergebnisses der Dickenmessvorrichtung ansteuerbar sind. Schließlich kann zur weiteren Stützung des noch plastischen, aus der Extrusionsdüse austretenden Schlauches ein Luftkühlring zum außenseitigen Beaufschlagen des extrudierten Schlauches mit Kühlluft zwischen der Extrusionsdüse und der Kühlkammer vorgesehen sein.
Weitere Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematisiert ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellenden Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 in schematisierter Darstellung die wesentlichen Bauteile einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 einen Schnitt durch die Nachheizeinrichtung gemäß 1.
Aus der 1 ist eine Vorrichtung zum Herstellen einer transparenten thermoplastischen Schlauchfolie bekannt, die den Schlauch in einer vertikal von oben nach unten gerichteten Extrusionsrichtung von einem hier nicht dargestellten Extruder aus einer Extrusionsdüse 1 extrudiert. Hierbei kann es sich sowohl um eine Einschichtdüse zur Extrusion eines einschichtigen Schlauches wie auch eine Mehrschichtdüse zur Extrusion eines mehrere unterschiedliche Kunststoffschichten umfassenden Schlauches handeln.
Der mit Bezugszeichen 6 gekennzeichnete und aus der Extrusionsdüse 1 austretende Schlauch durchläuft zunächst im noch plastischen Zustand einen die Außenoberfläche des Schlauches mit Kühlluft beaufschlagenden Kühlring 2 und wird im immer noch plastischen Zustand auf seinen Solldurchmesser aufgeblasen, bevor er in eine mit Bezugszeichen 3 gekennzeichnete Kühlkammer von im Wesentlichen rohrförmiger Gestalt eintritt, innerhalb derer er bei seinem Durchlauf innen- und/oder außenseitig mit einem flüssigen Kühlmedium, vorzugsweise Wasser beaufschlagt wird und dabei schlagartig auf eine Temperatur unterhalb des Glasübergangspunktes abgekühlt wird, um den armophen Zustand des noch plastischen Schlauches vor dem Eintritt in die Kühlkammer 3 einzufrieren und eine hochtransparente Folie zu erhalten. Bei dem Durchtritt durch die Kühlkammer kann der Schlauch dabei von einem innerhalb der Kühlkammer 3 anliegenden Unterdruck zwangsweise geführt und in seinem Durchmesser fixiert werden, wie aus dem Stand der Technik bekannt.
Der solchermaßen innerhalb der Kühlkammer 3 abgekühlte Schlauch 6 weist bei seinem Austritt aus der Kühlkammer 3 vorzugsweise eine Temperatur von etwa 30–50°C auf und tritt sodann in eine ebenfalls im Wesentlichen rohrförmige, zylindrische Nachheizeinrichtung 4 ein, die in weiteren Einzelheiten aus der 2 ersichtlich ist.
Innerhalb eines im Wesentlichen zylindrischen Gehäuses 40 sind auf der Innenoberfläche eine Vielzahl von Infrarotstrahlern 41 angeordnet, die auf die Oberfläche des hindurchführbaren Schlauches 6 gerichtet sind und insoweit eine erneute Wärmezufuhr des zuvor in der Kühlkammer 3 abgekühlten Schlauches 3 bewirken, so dass dieser beim Durchlauf durch die Nachheizeinrichtung 4 in Folge der Einwirkung der von den Infrarotstrahlern 41 abgegebenen Strahlungswärme auf eine Temperatur von beispielsweise 60–80°C erneut erwärmt wird. Hierdurch setzt innerhalb des Schlauches eine Nachkristallisation ein, die jedoch nur so bemessen ist, dass die Bildung der die Transparenz beeinträchtigenden Sphärolithe gerade nicht eintritt, so dass im Ergebnis eine weiterhin transparenter Schlauch 6 aus der Nachheizeinrichtung 4 austritt, welcher sodann in an sich bekannter Weise über Flachlegeelemente 50 einer Flachlegeeinrichtung 5 sowie ein Abzugswalzenpaar 51 zu einer flachgelegten Schlauchfolie 60 überführt wird, die unmittelbar der Weiterverarbeitung, beispielsweise einem Wickler zugeführt werden kann und dann keiner nennenswerten Dimensionsveränderung durch Nachschrumpf mehr unterliegt, so dass mit der dargestellten Extrusionseinrichtung eine Extrusion auf Fertigmaß möglich wird.
Darüber hinaus gewährleistet die in der Nachheizeinrichtung 4 bewirkte erneute Aufheizung des Schlauches, dass sich dieser innerhalb der Flachlegeeinrichtung 5 leichter zur Schlauchfolie flachlegen lässt und überdies wird eventuell noch anhaftender Flüssigkeitsrest aus der Kühlkammer 3 innerhalb der Nachheizeinrichtung 4 durch die bewirkte Wärmestrahlung zuverlässig von der Oberfläche des Schlauches 6 abgetrocknet.
Da, wie aus 2 ersichtlich, die einzelnen innerhalb der Nachheizeinrichtung 4 vorgesehenen Infrarotstrahler 41 segmentartig über den Umfang des hindurchgeführten Schlauches 6 verteilt auf der Innenoberfläche des Gehäuses 40 angeordnet sind, ist es überdies möglich, diese einzelnen Infrarotstrahler 41 nach Maßgabe einer hier nicht dargestellten Dickenmessvorrichtung für den Schlauch 6 über dessen Umfang anzusteuern. So ist es möglich, einzelne Infrarotstrahler 41, die einen Umfangsbereich der Schlauchfolie anstrahlen, welcher oberhalb oder unterhalb des Soll-Dickenwertes des Schlauches liegt, mit entsprechend größerer oder kleinerer Leistungsabgabe anzusteuern, um auf diese Weise segmental diesen Umfangsbereich mehr oder weniger stark anzuheizen und auf diese Weise Einfluss auf die sich einstellende Dicke in diesem Umfangsbereich zu nehmen.
Die auf diese Weise erzielbare Regelung ist außerordentlich präzise und schnell durchführbar, was die Gesamtqualität der erhaltenden Schlauchfolie deutlich steigert.
Als Kühlmedium innerhalb der Kühlkammer wird vorzugsweise Wasser eingesetzt, während die Strahlungswärme innerhalb der Nachheizeinrichtung 4 vorzugsweise von Infrarotstrahlern 41 erzeugt wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, Mikrowellen oder andere geeignete Wärmestrahlen einzusetzen, die die gewünschte Erwärmung des durch die Nachheizeinrichtung 4 hindurchtretenden Schlauches bewirken können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10048178 B4 [0006]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer transparenten thermoplastischen Schlauchfolie (60), bei welchen ein Schlauch (6) aus einer Extrusionsdüse (1) extrudiert wird und nachfolgend der noch plastische Schlauch (6) unter Festlegung seines Soll-Durchmessers außen- und/oder innenseitig mit einem flüssigen Kühlmedium beaufschlagt und auf eine Temperatur unterhalb der Schmelzetemperatur des Schlauches (6) gekühlt wird, nachfolgend unter erneuter Wärmezufuhr einer Nachkristallisation und einem Nachschrumpf unterzogen wird und dann zu der Schlauchfolie (60) flachgelegt und zur Weiterverarbeitung abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erneute Wärmezufuhr mittels Strahlungswärme bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungswärme von Infrarotstrahlern erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlauch (6) mittels des flüssigen Kühlmediums auf eine Temperatur von 30–50°C abgekühlt und nachfolgend mittels der Strahlungswärme auf eine Temperatur von 60–80°C erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der noch plastische Schlauch (6) bei Beaufschlagung mit dem flüssigen Kühlmedium mit einer Kühlrate von 1000–3000°C pro Minute abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des hergestellten Schlauches (6) über dessen Umfang gemessen wird und die Strahlungswärme von einer Vielzahl von Umfangsbereichen des Schlauches (6) zugeordneten Strahlern (41) erzeugt wird, deren Leistung nach Maßgabe der gemessenen Dicke des hergestellten Schlauches (6) veränderbar ist.
Vorrichtung zum Herstellen einer transparenten thermoplastischen Schlauchfolie (60), umfassend einer Extrusionsdüse (1) zur Extrusion eines Schlauches (6) in plastischem Zustand, eine der Extrusionsdüse (1) nachgeordnete rohrförmige Kühlkammer (3), durch welche der Schlauch (6) führbar und innen- und/oder außenseitig mit einem flüssigen Kühlmedium beaufschlagbar ist sowie eine der Kühlkammer (3) nachgeordnete Nachheizeinrichtung (4), durch welche der aus der Kühlkammer (3) austretende abgekühlte Schlauch (6) führbar und erneut aufheizbar ist, sowie eine Flachlegeeinrichtung (5) zum Flachlegen der Schlauchfolie (60) und Abführen derselben, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachheizeinrichtung (4) ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse (40) umfasst, durch welche der Schlauch (6) führbar ist und eine Vielzahl von auf die Oberfläche des hindurchführbaren Schlauches (6) gerichtete Wärmestrahler (41) im Bereich der Innenoberfläche des Gehäuses (40) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmestrahler (41) als Infrarotstrahler ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dickenmessvorrichtung für die Messung des Schlauches (6) über dessen Umfang vorgesehen ist und die Wärmestrahler (41) nach Maßgabe der Messergebnisse der Dickenmessvorrichtung ansteuerbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Extrusionsdüse (1) und der Kühlkammer (3) ein Luftkühlring (2) zum außenseitigen Beaufschlagen des extrudierten Schlauches (6) mit Kühlluft vorgesehen ist.