DE102016000223A1

DE102016000223A1 - Verfahren und Anlage zum Herstellen eines Bahnförmigen oder Schlauchförmigen Werkstoffes sowie Werkstoff

Info

Publication number: DE102016000223A1
Application number: DE102016000223.9A
Authority: DE
Inventors: Paul Walach
Original assignee: Reifenhaeuser GmbH and Co KG Maschinenenfabrik
Current assignee: Reifenhaeuser GmbH and Co KG Maschinenenfabrik
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2016-01-14
Publication date: 2017-07-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoffes umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten umfassend die Schritte: (a) kontinuierliches Aufschmelzen der Ausgangsmaterialien der einzelnen Kunststoffschichten mittels Extrusion; (b) kontinuierliches Ausformen der aufgeschmolzenen Ausgangsmaterialen zu dem bahnförmigen Werkstoff umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens ein Teil der Ausgangsmaterialien wenigstens einer Kunststoffschicht einer Plasmaaktivierung unterzogen wird. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoffes umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten sowie eine Anlage zur dessen Herstellung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoffs umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten mittels Extrusion, wobei wenigstens ein Teil der Ausgangsmaterialien einer Plasmaaktivierung unterzogen wird. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Anlage zur Herstellung eines bahnförmigen Werkstoffes umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten mittels Extrusion umfassend wenigstens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoff umfassend zwei der mehr Kunststoffschichten vorzugsweise hergestellt gemäß dem vorliegenden Verfahren.
Die Behandlung von polymeren Oberflächen mit Plasma ist im Stand der Technik bekannt.
So beschreiben zum Beispiel die DE 100 11 274 A1 und die DE 100 11 275 A1 die Behandlung eines bahnförmigen polymeren Werkstoffs mit atmosphärischen Plasma. Diese sogenannte Corona-Behandlung dient der Erhöhung der Benetzbarkeit des Werkstoffs für nachfolgende Veredelungsschritte wie Bedrucken, Beschichten, Lackieren oder Verkleben.
Die EP 0 677 366 A1 beschreibt ein Extrusionsverfahren zur Herstellung von undurchlässigen Kraftstoffbehältern. Dieses Verfahren umfasst ein Aufbringen einer plasmapolymerisierten bzw. -beschichteten Folie auf die Innenseite des Kraftstoffbehälters unter Zuhilfenahme eines Haftvermittlers. Eine Plasmapolymerisation umfasst im Allgemeinen das Reagieren von angeregten Monomermolekülen in der Gasphase, die sich auf das Behandlungsgut niederschlagen. Dies stellt jedoch eine recht komplexe Technologie dar.
Oberflächen von polymeren Werkstoffen sind aufgrund der vorherrschenden Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen häufig unpolar und reaktionsträge. Um einzelne polymere Schichten von bahnförmigen Werkstoffen dennoch wirksam miteinander zu verbinden, war bisher stets der Einsatz von Haftvermittlern notwendig. Hierfür eingesetzte Haftvermittler sind in der Regel mit polaren funktionellen Gruppen modifizierte spezielle Polyolefine. Geeignete funktionelle Gruppen sind Chlor, Maleinsäureanhydrid oder Acryl. Die Wirkung von Haftvermittlern beruht darauf, dass diese mit den Schichten des polymeren Werkstoffs ausreichend starke unpolare, polare oder kovalente Bindungen aufbauen.
Trotz ihres vielfältigen und häufigen Einsatzes in der Kunststoffindustrie weisen Haftvermittler eine Reihe von Nachteilen auf. Haftvermittler müssen stets auf die Eigenschaften wie Schmelztemperatur oder Fließverhalten der Materialen der benachbarten Schichten abgestimmt werden. Gelingt dies nicht, kommt es in einer Kunststoffbahn zur Entstehung von Stippen oder Schlieren. Um eine breite Auswahl an bahnförmigen Werkstoffen umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten anbieten zu können, muss ein Hersteller stets eine breite Palette an Haftvermittlern bereithalten. Da die Haftvermittler zudem recht teuer sind, führt dies unmittelbar zu einem hohen Kostenaufwand. Ein Vermeiden der Verwendung von Haftvermittlern in der Herstellung von bahnförmigen Werkstoffen umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten wäre somit vorteilhaft.
Es besteht somit die Aufgabe, ein vereinfachtes und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines bahnförmigen Werkstoffs umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten sowie eine Anlage zur Realisierung eines solchen Verfahrens bereitzustellen. Weiterhin besteht die Aufgabe, einen mehrschichtigen bahnförmigen Werkstoff herzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 13 löst die Aufgabe ebenfalls.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Herstellung eines bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoffes umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

a) Kontinuierliches Aufschmelzen der Ausgangsmaterialien der einzelnen Kunststoffschichten mittels Extrusion;
b) Kontinuierliches Ausformen der aufgeschmolzenen Ausgangsmaterialien zu dem bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoff umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten,

Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass das Behandeln der Ausgangsmaterialien wenigstens einer Kunststoffschicht den Einsatz von Haftvermittlern teilweise oder vollständig vermeiden kann. Die zumindest teilweise Aktivierung der Ausgangsmaterialien mittels Plasma ist ausreichend, um die einzelnen Schichten wirksam und dauerhaft miteinander zu verbinden. Im Besonderen wurde gemäß der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass die Aktivierung ausreichend stark ist und ausreichend lang anhält, um einen wirksamen Verbund auszubilden.
Zur Herstellung von Halbzeugen aus thermoplastischen Kunststoffen werden gemeinhin Extruder zusammen mit geeigneten Nachfolgeeinrichtungen verwendet.
Kern eines Extruders bildet eine Schneckenmaschine, der die Aufgabe der Förderung sowie Mischung als auch Plastifizierung des Kunststoffs durch Reibung/Scherung obliegt.
An den in Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Extruder werden keine besonderen Anforderungen gestellt, sofern dieser in der Lage ist, den für die Herstellung eines bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoffs notwendigen Kunststoffausgangsmaterialien ausreichend zu mischen und aufzuschmelzen.
Für die Herstellung des erfindungsgemäßen mehrschichtigen bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoffes werden vorteilhaft mindestens zwei Extruder verwendet.
An die Extruder wird eine Nachfolgeeinrichtung angefügt, die die geschmolzenen Ausgangsmaterialien zu einer Geometrie ausformt. Als Nachfolgeeinrichtungen für Ausformung zu dem bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoffen umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten gemäß Schritt (b) der vorliegenden Erfindung können vorteilhaft Vorrichtungen zur Herstellung von mehrschichtigen Blasfolien, mehrschichtigen Flachfolien/Platten oder mehrschichtigen Rohren/Schläuchen verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Ausformung in Schritt (b) mittels eines Blasverfahrens oder mittels eines Gießverfahrens oder mittels eines Schlauchformverfahrens.
In Vorrichtungen für mehrschichtige Blasfolien kann eine Luftkühlung verwendet werden für die Herstellung von dünnen Blasfolien (ca. 5 bis 150 μm Dicke), währen eine Wasserkühlung bei der Herstellung von Folien mit höherer Dicke (ca. 170 bis 300 μm Dicke) eingesetzt wird. Die mit Hilfe von mehreren Extrudern plastifizierten Kunststoffe werden im Blasverfahren über Verdrängerkörper (z. B. Wendelverteiler) durch eine Ringdüse gedrückt und der entstehende Schmelzschlauch wird gekühlt, flachgelegt, abgezogen, meist reversiert und aufgewickelt.
In Vorrichtungen für mehrschichtige Flachfolien (etwa 20 bis 300 μm Dicke) oder Platten (etwa 300 bis 1000 μm Dicke) erfolgt die Herstellung durch das sogenannte Gießverfahren, wobei im Wesentlichen zwei Systeme unterschieden werden. Es können in einem Feedblock mehrere Schichten aus verschiedenen Extrudern zu einer mehrschichtigen Bahn geringer Breite zusammengeführt. Diese Bahn wird einer Breitschlitzdüse zugeführt und auf die gewünschte Breite ausgedehnt. Alternativ werden mit einem Mehrschichtwerkzeug in mehreren ausgebreiteten Verteilerkanälen Folien erzeugt und in voller Breite übereinandergelegt und gemeinsam ausgetragen. Anschließend wird das Produkt geglättet und gekühlt und je nach Dicke aufgewickelt oder in Platten geschnitten.
In Vorrichtungen zur Herstellung von mehrschichtigen Schläuchen oder Rohren während des die Geometrie ausformenden werden die einzelnen Schmelzen aus mehreren Extrudern um Verdrängungskörper (z. B. Dorne oder Wendelverteiler) und zu einer Kalibrierscheibe geführt, was unter weiterem Einsatz von Stützluft zu einer Ausformung der Rohrgeometrie führt. Derart hergestellte mehrschichtige Schläuche und Rohre finden beispielsweise Anwendung im medizinischen Bereich. Hier typische Rohre haben einen Durchmesser von 10 bis 1000 mm und eine Wanddicke von 1,8 bis 56 mm, währen gängige Schläuche, z. B. Katheterschläuche, beispielsweise einen Durchmesser von 0,3 bis 10 mm und eine Wanddicke von 0,05 mm bis 1,5 mm aufweisen Mit den angegebenen Dicken soll allgemein betont werden, dass das vorliegende Verfahren für eine sehr breite Auswahl an Werkstoffen eingesetzt werden kann.
Unter einer Anlage zur Herstellung eines mehrschichtigen bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoffes aus Kunststoff wird somit eine Kombination aus mindestens zwei Extrudern und einer geeigneten Nachfolgeeinrichtung verstanden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst somit die Herstellung des mehrschichtige bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoffs aus Kunststoff in einer Anlage umfassend eine Kombination aus mindestens zwei Extrudern, eine geeignete Nachfolgeeinrichtung und wenigstens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärenplasmas und/oder wenigstens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Niederdruckplasmas.
Bevorzugt erfolgt die Plasmaaktivierung des Ausgangsmaterials mittels Niederdruckplasma und/oder Atmosphärendruckplasma.
Ein Plasma ist ein Gemisch atomarer und molekularer Teilchen und kann Elektronen, positive und negative Ionen, Radikale, neutrale Atome sowie neutrale und geladene Moleküle umfassen. Aufgrund der hohen Konzentration chemisch reaktiver Teilchen können Plasmen somit für chemische Reaktionen eingesetzt werden.
Die in der vorliegenden Erfindung eingesetzten Plasmagase sind vorzugsweise eine Mischung aus reaktiven und inerten Gasen. Das reaktive, vorzugsweise oxidierend wirkende Prozessgas, liegt bevorzugt in einer Konzentration von 0 bis 100 Vol.-%, vorzugsweise von 5 bis 95 Vol.-% vor.
Die reaktiven Prozessgase sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Sauerstoff (O2), Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Ozon (O3), Wasserstoffperoxid (H2O2), Wasserdampf (H2O), verdampftes Methanol (CH3OH), nitrosen Gasen (NOX), Distickstoffoxid (N2O), Stickstoff (N2), Ammoniak (NH3), Hydrazin (H2N4), Schwefeldioxid (SO2), Schwefeltrioxid (SO3), Terafluorkohlenstoff (CF4), Schwefelhexafluorid (SF6), Xenondifluorid (XEF2), Stickstofftrifluorid (NF3), Bortrifluorid (BF3), Siliciumtetrafluorid (SiF4), Wasserstoff (H2) oder Mischungen davon.
Die inerten Prozessgase sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Helium (He), Neon (Ne), Xenon (Xe), Argon (Ar) und Mischungen davon, wobei Argon (Ar) besonders bevorzugt ist.
So können z. B. im Plasma enthaltene Elektronen die Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen in einem Polymerkunstoff aufbrechen. Mittels ebenfalls im Plasma enthaltenen reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies können funktionelle, d. h. reaktionsfreudige, Gruppen wie Carbonyl-, Carboxy-, Ether-, Hydroxy- oder Amingruppen eingeführt werden. Wie bereits eingangs erwähnt, wurde dieses Prinzip lediglich für eine nachträgliche Oberflächenbehandlung eines bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoffs angewandt.
Niederdruckplasma wird in geschlossenen Prozesskammern vorteilhaft in einem Vakuum von 10^–3 bis 10^–9 bar erzeugt. Die hierfür notwendigen Prozessgase werden über einen Druckminderer der Prozesskammer zugeführt, wobei es durch das Zusammenschalten mehrerer Volumenströme in vorteilhafter Weise möglich ist, Gasgemische einzuleiten. Ein HF-Generator erzeugt einen hochfrequenten Wechselstrom, der Elektroden zugeleitet wird, so dass zwischen den Elektroden ein Wechselfeld entsteht. Das Feld erzeugt durch Stoßionisation das Niederdruckplasma in der Prozesskammer.
Vorteilhaft ist die Prozesskammer eine Trommel, die sich während der Niederdruckplasmabehandlung dreht, womit eine homogene Behandlung von Schüttgut möglich ist.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt Plasmaaktivierung des Ausgangsmaterials mittels Niederdruckplasma batchweise vor Schritt (a). Somit erfolgt die Plasmaaktivierung des Ausgangsmaterials vorzugsweise mittels eines diskontinuierlichen. Niederdruckplasma-Trommelverfahrens.
Nach Einbringen der Ausgangsmaterialien, die vorzugsweise als Schüttgut vorliegen, wird die Prozesskammer bzw. Trommel verschlossen und evakuiert, wonach das Prozessgas eingeleitet wird und anschließend für die Behandlungsdauer die Rotation der Trommel und die Hochfrequenz angeschaltet wird.
Zweckmäßig kann die Trommel 1 bis 20 kg Ausgangsmaterial aufnehmen. Zweckmäßig liegt die Behandlungsdauer im Bereich von 1 bis 5 min, bevorzugt 1 bis 3 min. Diese Zahlenbereiche sind jedoch nicht zwingend und sollen die Erfindung lediglich etwas leichter für den Fachmann verständlich machen.
Danach wird die Kammer belüftet und die behandelten Ausgangsmaterialien werden entnommen. Vorteilhaft werden die behandelten Ausgangsmaterialien unmittelbar im Anschluss Schritt (a) der vorliegenden Erfindung zugeführt. Dabei versteht sich, dass eine wirksame Integration einer derartigen Batchanlage in eine Produktionslinie, beispielsweise durch ein automatisiertes Befüllen und Entleeren, ohne weiteres möglich ist.
Die Vorteile des diskontinuierlichen Niederdruckplasma-Trommelverfahrens sind die einmaligen Anschaffungskosten und die gleichmäßige Behandlung der Ausgangmaterialien. Ein Nachteil ist jedoch die eingeschränkte Inlinefähigkeit dieses Verfahrens bzw. Systems.
Der Druck des Atmosphärendruckplasmas entspricht ungefähr dem Druck der umgebenden Atmosphäre. Somit benötigen Atmosphärendruckplasmen im Gegensatz zu Niederdruckplasmen kein Reaktionsgefäß. Technische Atmosphärendruckplasmen können beispielsweise über eine dielektrische Barriereentladung, eine Koronaentladung, einen Plasmabrenner oder eine Plasmadüse erzeugt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Atmosphärendruckplasma mittels Plasmadüsen bereitgestellt. Es wird ein Wechselstrom erzeugt, der zwei Elektroden in der Plasmadüse zugeleitet wird. Mittels Hochspannungsentladung wird zwischen den Elektroden ein gepulster Lichtbogen erzeugt. Ein geeignetes Prozessgas, wird durch den Entladungsbereich geführt, so dass ein Plasma entsteht, welches als Plasmastrahl durch die Düse austritt.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt die Plasmaaktivierung des Ausgangsmaterials mittels Atmosphärendruckplasma kontinuierlich nach Schritt (a) und vor Schritt (b). Dadurch erfolgt die Plasmaaktivierung des Ausgangsmaterials vorzugsweise mittels eines kontinuierlichen Atmosphärendruckverfahrens.
Bevorzugt ist der Plasmastrahl 20 bis 60 mm lang. Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Plasmastrahl 10 bis 20 mm breit ist. Der Plasmastrahl wird bevorzugt in einem Abstand von 5 bis 50 mm relativ zur Oberfläche des zu behandelnden Materials geführt. Bevorzugt der Plasmastrahl mit einer Geschwindigkeit von 100 bis 500 m/min relativ zur Oberfläche des zu behandelnden Materials bewegt.
Es ist bevorzugt, dass für die Behandlung der Ausgangsmaterialien mehrere aneinandergereihte Plasmadüsen verwendet werden. Bevorzugt werden 5 bis 100 aneinandergereihte Plasmadüsen verwendet. Dies hat den Vorteil, dass auch mehrere Meter weit ausgebreitete Ausgangsmaterialien einer Plasmaaktivierung mittels Atmosphärenplasma unterzogen werden können. Auch hier sind die Zahlenangaben nicht zwingend.
Es ist weiterhin bevorzugt, rotierende Plasmadüsen zu verwenden. Vorteilhaft wird dadurch eine besonders gleichmäßige Plasmaaktivierung der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Ausgangsmaterialien erzielt.
Ein Vorteil des kontinuierlichen Atmosphärendruckverfahrens liegt in den geringen Kosten und der Inlinefähigkeit, d. h. dem problemlosen Einbau in bestehende Produktionsanlagen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin den Schritt (c) einer Aktivierung der Oberfläche des bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoffs.
Dies umfasst eine wie eingangs erwähnte Oberflächenaktivierung des Werkstoffs im Anschluss an die Herstellung des bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoffs, um eine ausreichende Benetzbarkeit mit lösungsmittel- oder wasserbasierten Druckfarben, Lacken, Primern, Klebstoffen zu gewährleisten. Dadurch wird eine nachfolgende Veredelung bzw. Nachbearbeitung des bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoffes erleichtert. Derartige Veredelungs- bzw. Nachbearbeitungsschritte können ein Bedrucken, Beschichten, Lackieren, Bekleben oder Metallisieren umfassen.
Eine derartige nachträgliche Oberflächenaktivierung des bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoffes kann vorteilhaft bei Atmosphärendruck mittels einer Koronaentladung oder mittels einer Gasflamme oder mit dem Niederdruckplasmaverfahren erfolgen.
Eine typische Anordnung zur Erzeugung von Koronaentladungen besteht aus einer spitzen Nadelelektrode, die senkrecht zu einer zweiten flächigen Elektrode positioniert ist. Zweckmäßig ist die flächige Elektrode eine Walze, worüber der zu aktivierende Werkstoff geführt wird. Eine gleichmäßige Koronaentladung tritt bei Anlegen einer hohen Wechselspannung von 10 bis 20 kV und einer Frequenz zwischen 10 und 60 kHz. Bei dem Auftreffen von Elektronen auf den Werkstoff werden Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen aufgebrochen. Die gebildeten Radikale reagieren mit Gasmolekülen und bilden an der Oberfläche des Werkstoffs neue funktionelle Gruppen aus, ähnlich der Plasmaaktivierung.
Bei der Oberflächenbehandlung mit einer Gasflamme wird der Werkstoff kontinuierlich einer oxidierend wirkenden Flamme aus einem Luft/Gas-Gemisch, vorteilhaft Methan, ausgesetzt. Die Flammbehandlung kann bei einer Temperatur von ca. 1500°C bis 1800°C und Abständen zwischen 5 mm und 150 mm durchgeführt. Mit der Gasflamme werden weitgehend die gleichen reaktiven Spezies gebildet wie bei einer Koronaentladung, wodurch eine vergleichbare Aktivierung der Oberfläche stattfindet.
Bei dem Niederdruckplasmaverfahren wird der zweckmäßig auf einer Rolle aufgewickelte Werkstoff in die Prozesskammer eingebracht. Über ein Wickelsystem wird der Werkstoff an den Elektroden vorbeigeführt und somit plasmabehandelt. Der behandelte Werkstoff wird wieder aufgerollt und nach Beendigung des Verfahrens aus der Kammer entnommen.
Neuere Entwicklungen ermöglichen bahnförmige Werkstoffe, insbesondere Flachfolien- und -platten, mit bis zu 100 Schichten. Vorliegend umfasst der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte bahnförmige oder schlauchförmige Werkstoff 2 bis 11, bevorzugt 2 bis 7, mehr bevorzugt 3 bis 7, besonders bevorzugt 3 bis 5, Kunststoffschichten.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass 5 bis 99 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 80 Gew.-%, mehr bevorzugt 10 bis 70 Gew.-% bezogen auf das gesamte Ausgangsmaterial wenigstens einer der Kunststoffschichten einer Plasmaaktivierung unterzogen wird.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass 5 bis 99 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 80 Gew.-%, mehr bevorzugt 10 bis 70 Gew.-% bezogen auf das gesamte Ausgangsmaterial zweier Kunststoffschichten einer Plasmaaktivierung unterzogen wird.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass 5 bis 99 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 80 Gew.-%, mehr bevorzugt 10 bis 70 Gew.-% bezogen auf das gesamte Ausgangsmaterial dreier Kunststoffschichten einer Plasmaaktivierung unterzogen wird.
Dabei ist es möglich, dass das Ausgangsmaterial noch weitere Additive enthält, beispielsweise Weichmacher, Stabilisatoren, Farbstoffe, Füllstoffe und dergleichen.
Die Additive können bei der Aktivierung schon enthalten sein, können aber auch nach der Aktivierung hinzugegeben werden.
Alternativ können 5 bis 99 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 80 Gew.-%, mehr bevorzugt 10 bis 70 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Ausgangsmaterial aller Kunststoffschichten einer Plasmaaktivierung unterzogen werden.
Das „gesamte Ausgangsmaterial” im Sinne der Gewichtsprozentberechnung kann einerseits das Ausgangsmaterial ohne Additive sein, in einem erweiterten Verständnis des Wortlauts aber auch einschließlich der Ausgangs-Additive.
Es kann ausreichend sein, nur einen Teil des Ausgangsmaterials gemäß dem erfinderischen Verfahren zu aktivieren, um dennoch einen ausreichenden Verbund mit der benachbarten Kunststoffschicht herzustellen. Zu schmelzende bzw. zu mischende Ausgangsmaterialien einer Kunststoffschicht, einschließlich möglicher Additive, werden der Schnecke des jeweiligen Extruders zweckmäßig über einen Trichter von oben zugeführt.
Dadurch kann durch die entsprechende Dosierung ein beliebiges gewichtsbezogenes Mischungsverhältnis zwischen aktiviertem oder nicht aktiviertem Ausgangsmaterial eingestellt werden. Dabei ist es unerheblich, ob es sich bei aktivierte und das nicht aktivierte Ausgangsmaterial um den gleichen Stoff handelt oder es sich um unterschiedliche Ausgangsmaterialien handelt. Zweckmäßig wurde das Ausgangsmaterial vor der Überführung in den Extruder mit einem Niederdruckplasmatrommelverfahren aktiviert.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das gesamte Ausgangsmaterial wenigstens einer der Kunststoffschichten einer Plasmaaktivierung unterzogen wird. Es ist weiterhin bevorzugt, dass das gesamte Ausgangsmaterial von zwei Kunststoffschichten einer Plasmaaktivierung unterzogen wird.
Alternativ ist es bevorzugt, dass in dem vorliegenden Verfahren das gesamte Ausgangsmaterial sämtlicher Kunststoffschichten einer Plasmaaktivierung unterzogen wird.
Vorzugsweise handelt es sich bei den erfindungsgemäßen Ausgangsmaterialien um thermoplastische Materialien. Vorzugsweise werden diese Ausgangsmaterialien als Granulat oder Pulver eingesetzt.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Ausgangsmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyolefinen wie Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP), Polyester wie Polyethylentherephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT) oder flüssigkristallinen Polyestern (LCP), Polyamiden (PA) wie Nylon 6,6; 4,6; 6; 6,10; 11; 12; Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinyldichlorid (PVDC), Polycarbonat (PC), Polyvinylalkohol (PVOH), Polyethylvinylalkohol (EVOH), Polyacrylnitril (PAN), Polyacryl-Butadien-Styrol (ABS), Polystyrol-Acrylnitril (SAN), Polyacrylester-Styrol-Acrylnitril (ASA), Polystyrol (PS), Polyacrylaten wie Poylmethylmetacrylat (PMMA), Zellglas, Hochleistungsthermoplasten wie Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinyldifluorid (PVDF), Polysulfonen (PSU), Polyethersulfonen (PES), Polyphenylsulfiden (PPS), Polyamiden (PAI, PEI), Polyaryletherketonen (PAE) bestehen, Mischungen davon sowie Co- oder Terpolymeren davon. Besonders bevorzugt ist das Ausgangsmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamiden (PA), Polyethylvinylalkohol (EVOH) und Mischungen davon.
Unter Mischungen von Ausgangsmaterialien wird im Weiteren der Randstreifen eines mehrschichtigen bahnförmigen Werkstoffes verstanden. Das randseitige Beschneiden eines solchen kontinuierlich hergestellten Werkstoffes ist üblich, um einen sauberen Randbereich zu erzeugen und z. B. Breitenschwankungen zu eliminieren. Hierzu ist es oftmals üblich, die erzeugten Randstreifen abzusaugen und aus ökonomischen und ökologischen Gründen der Weiterverarbeitung bzw. Wiederverwertung zuzuführen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann in vorteilhafter Weise der Werkstoff für die Weiterverarbeitung und Wiederverwertung einer Plasmabehandlung gemäß dem vorliegenden Verfahren unterzogen werden und somit ohne die Verwendung von Haftvermittlern als Kunststoffschicht in einen bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoff integriert werden.
Es ist somit bevorzugt, dass das vorliegende Verfahren in der Abwesenheit von Haftvermittlern durchgeführt wird.
Dazu wird der Randschnitt zweckmäßig zerkleinert und gemäß einer der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen zu einer Kunststoffschicht ausgeformt, die ohne den Einsatz von Haftvermittlern mit ausreichender Festigkeit und Stabilität mit weiteren Kunststoffschichten des erfindungsgemäßen Werkstoffes verbunden ist.
Mehrschichtige Werkstoffe finden zahlreiche Anwendungen, z. B. als Verpackungsfolien im Lebensmittelbereich und medizinischen Bereich oder als Schläuche für den medizinischen Gebrauch. Es versteht sich, dass das vorliegende Verfahren ohne weiteres zur Herstellung dieser vielfältigen mehrschichtigen Werkstoffe eingesetzt werden kann.
Es ist ganz besonders bevorzugt, dass der gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellte Werkstoff umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten eine Barrierefolie ist. Barrierefolien werden häufig für Verpackung von Lebensmitteln eingesetzt. Schichten aus unpolaren Thermoplasten, z. B. Polyethylen (PE), sorgen dabei für die Wasserbarriere, wobei polare Thermoplasten, z. B. Polyamid (PA) oder Ethylen-Vinyl-Copolymer, für die Gasbarriere sorgen.
Da eine Verbindung von polaren mit unpolaren Schichten nicht ohne weiteres durchführbar ist, war bisher der Einsatz von Haftvermittlern unverzichtbar. Vorliegend ist es jedoch den Erfindern gelungen, ein Verfahren zu entwickeln, womit Barrierefolien ohne den Einsatz von Haftvermittlern hergestellt werden können.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Anlage zur Herstellung eines bahnförmigen Werkstoffes umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten, wobei die Anlage umfassend wenigstens zwei Extruder und eine Nachfolgeeinrichtung umfasst, wobei die Anlage weiterhin wenigstens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärenplasmas und/oder wenigstens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Niederdruckplasmas umfasst.
Es ist bevorzugt, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärenplasmas aus Plasmadüsen und Koronadüsen ausgewählt ist.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines Niederdruckplasmas eine rotierende Vakuumkammer umfasst.
Es ist bevorzugt, dass die die wenigstens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärenplasmas nach den wenigstens zwei Extrudern angeordnet ist.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass in der erfindungsgemäßen Anlage wenigstens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Niederdruckplasmas vor den wenigstens zwei Extrudern angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoff umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten, welcher gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellt wurde.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass der erfindungsgemäße bahnförmige oder schlauchförmige Werkstoff umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten frei von Haftvermittlern ist.
Der Stand der Technik sowie Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren beschrieben, wobei
1 einen fünfschichtigen Werkstoff zeigt, der gemäß dem Stand der Technik hergestellt wurde;
2 einen dreischichtigen Werkstoff zeigt, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels Plasmaaktivierung hergestellt wurde, wobei die äußeren Schichten teilweise plasmaaktiviertes Ausgangsmaterial umfassen;
3 einen fünfschichtigen Werkstoff zeigt, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren Plasmaaktivierung hergestellt wurde, wobei die Ausgangsmaterialien der Zwischenschichten vollständig plasmaaktiviert sind; und
4 einen weiteren dreischichtigen Werkstoff zeigt, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren Plasmaaktivierung hergestellt wurde, wobei die Ausgangsmaterialien der äußeren Schichten vollständig plasmaaktiviert sind.
1 zeigt einen fünfschichtigen Werkstoff, der gemäß dem Stand der Technik unter Verwendung von Haftvermittlern hergestellt wurde.
Ein Beispiel eines mehrschichtigen Werkstoffs ist in 2 gezeigt. Im Gegensatz zu 1, die einen mehrschichtigen Werkstoff umfassend Haftvermittler gemäß dem Stand der Technik zeigt, wurde der Werkstoff, d. h. die dreischichtige Barrierefolie, gemäß 2 ohne den Einsatz von Haftvermittlern der ebenfalls gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Hierfür wurde für die beiden äußeren Schichten eine Mischung aus nicht aktiviertem und plasmaaktiviertem Polyolefin verwendet. Die Anteile der Polyolefine waren wie folgt:
Diese beiden äußeren Schichten können überraschenderweise wirksam mit der inneren Schicht verbunden werden
3 zeigt einen fünfschichtigen Werkstoff, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Hierbei bestehen die beiden Zwischenschichten aus vollständig plasmaaktiviertem Polyolefin, die somit vorteilhaft die Haftvermittlerschichten ersetzen.
Weiterhin zeigt 4 einen dreischichtigen Werkstoff, d. h. eine Barrierefolie, der ebenfalls gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Hierbei bildet ein vollständig plasmaaktiviertes Polyolefin die beiden äußeren Schichten, die beide wirksam mit der inneren Barriereschicht verbunden werden können.
Es kann somit eine Barrierefolie hergestellt werden, die lediglich drei Kunststoffschichten umfasst. Dies hat weiterhin den Vorteil, dass weniger komplexe Anlagen zu deren Herstellung eingesetzt werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10011274 A1 [0003]
DE 10011275 A1 [0003]
EP 0677366 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoffs umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten umfassend die Schritte: a) kontinuierliches Aufschmelzen der Ausgangsmaterialien der einzelnen Kunststoffschichten mittels Extrusion; b) kontinuierliches Ausformen der aufgeschmolzenen Ausgangsmaterialen zu dem bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoff umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Ausgangsmaterialien wenigstens einer Kunststoffschicht einer Plasmaaktivierung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformung in Schritt (b) mittels eines Blasverfahrens oder mittels eines Gießverfahrens oder mittels eines Schlauchformverfahrens erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaaktivierung des Ausgangsmaterials mittels Niederdruckplasma und/oder Atmosphärendruckplasma erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaaktivierung des Ausgangsmaterials mittels Niederdruckplasma batchweise vor Schritt (a) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaaktivierung des Ausgangsmaterials mittels Atmosphärendruckplasma kontinuierlich nach Schritt (a) und vor Schritt (b) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin den Schritt (c) einer Plasmaaktivierung der Oberfläche des bahnförmigen Werkstoffs umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der bahnförmige Werkstoff 2 bis 11, bevorzugt 2 bis 7, mehr bevorzugt 3 bis 7, besonders bevorzugt 3 bis 5 Kunststoffschichten umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass 5 bis 99 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 80 Gew.-%, mehr bevorzugt 15 bis 70 Gew.-% bezogen auf das gesamte Ausgangsmaterial wenigstens einer Kunststoffschicht einer Plasmaaktivierung unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Ausgangsmaterial wenigstens einer Kunststoffschicht einer Plasmaaktivierung unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyolefinen wie Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP), Polyester wie Polyethylentherephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT) oder flüssigkristallinen Polyestern (LCP), Polyamiden wie Nylon 6,6; 4,6; 6; 6,10; 11; 12; Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinyldichlorid (PVDC), Polycarbonat (PC), Polyvinylalkohol (PVOH), Polyethylvinylalkohol (EVOH), Polyacrylnitril (PAN), Polyacryl-Butadien-Styrol (ABS), Polystyrol-Acrylnitril (SAN), Polyacrylester-Styrol-Acrylnitril (ASA), Polystyrol (PS), Polyacrylaten wie Poylmethylmetacrylat (PMMA), Zellglas, Hochleistungsthermoplasten wie Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinyldifluorid (PVDF), Polysulfonen (PSU), Polyethersulfonen (PES), Polyphenylsulfiden (PPS), Polyimiden (PAI, PEI), Polyaryletherketonen (PAE) bestehen, Mischungen davon sowie Co- oder Terpolymeren davon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der bahnförmige Werkstoff frei von Haftvermittlern ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der bahnförmige Werkstoff umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten eine Barrierefolie ist.
Anlage zur Herstellung eines bahnförmigen oder schlauchförmigen Werkstoffes umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten, wobei die Anlage wenigstens zwei Extruder und eine geeignete Nachbearbeitungsanlage umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage weiterhin wenigstens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärenplasmas und/oder wenigstens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Niederdruckplasmas umfasst.
Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärenplasmas ausgewählt ist aus Plasmadüsen und Koronadüsen.
Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines Niederdruckplasmas eine rotierende Vakuumkammer umfasst.
Anlage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärenplasmas nach den wenigstens zwei Extrudern angeordnet ist.
Anlage nach Anspruch 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Niederdruckplasmas vor den wenigstens zwei Extrudern angeordnet ist.
Bahnförmiger oder schlauchförmiger Werkstoff umfassend zwei oder mehr Kunststoffschichten, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 hergestellt wird.
Werkstoff nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff frei von Haftvermittlern ist.