DE102017113974A1 - Verfahren zur Herstellung eines Folienschlauchs - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Folienschlauchs, der mindestens eine Funktionsschicht aus einem hochmolekularen Polymermaterial auf Basis von Polyethylen mit einem MFI(190°C/21,6 kg) nach ASTM D1238 kleiner 1 g/10min aufweist und als Schmelze durch einen Ringspalt extrudiert wird, wobei innen- und außenseitig der mindestens einen Funktionsschicht jeweils eine Deckschicht aus einem leichtfließenden Polymer mit einem MFI(190°C/2,16 kg) nach ASTM D1238 von 4 bis 8 g/10min gemeinsam mit der mindestens einen Funktionsschicht durch den Ringspalt koextrudiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Folienschlauchs mit hoher Festigkeit.
  • Zur Herstellung von vorzugsweise runden Kunststoff-Schläuchen mit hoher Festigkeit werden immer hochmolekularere Werkstoffe eingesetzt. Zum Beispiel wurden früher Schwergutsäcke aus 200 µm dicken Folien-Schläuchen aus LDPE hergestellt, während jetzt dafür Schläuche aus 120µm dicken Dreischichtschläuchen verwendet werden. Hierfür werden Materialien mit längeren Molekülketten benötigt, um die besseren Folieneigenschaften zu erzielen.
  • Im Rahmen der Erfindung werden derartige langkettige Materialien zur Herstellung der mindestens einen Funktionsschicht aus einem hochmolekularen Polymermaterial auf Basis von Polyethylen gebildet und werden als Schmelze durch einen Ringspalt in an sich bekannter Weise z.B. als Blasfolie extrudiert.
  • Nachteilig ist hierbei die hohe Viskosität der eingesetzten Materialien für die Funktionsschichten, die zu extremen Wandschubspannungen führt. Dies wirkt sich negativ aus in Bezug auf den Druckverlust im Werkzeug und führt darüber hinaus zu Schmelzbruch und zu starkem Schwellen am Werkzeugaustritt. All diese Effekte reduzieren die Ausnutzung der Rohstoffe, da sie bislang mit konventionellen Rohstoffen zur besseren Verarbeitung abgemischt werden müssen und dadurch einen Teil ihrer guten Eigenschaften verlieren. Insbesondere bei hohen Ausstoßleistungen zeigen sich die oben genannten Probleme verstärkt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem die hochmolekularen Materialien mit hohen Ausstoßleistungen durch das Werkzeug extrudiert werden können, ohne dass die oben genannten Probleme auftreten.
  • Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 vor.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass dünnschichtige und leichtfließende Deckschichten aus einem leichtfließenden Polymer mit einem MFI(190°C/2,16kg) nach ASTM D1238 von höchstens 10 g/10min, vorzugsweise 4 bis 8 g/10min, gebildet werden können, die als einhüllende ober- und unterseitige Deckschichten des Folienschlauches gemeinsam mit der mindestens einen Funktionsschicht durch den Ringspalt koextrudiert werden.
  • Diese erfindungsgemäß vorgesehenen besonders dünnen Deckschichten aus leichtfließenden Materialien werden um den Kern des Folienschlauchs aus einer oder mehreren Schichten an hochviskosen Materialien gelegt, um den Fluss der hochviskosen Materialien im Austrittskanal zu erleichtern. Dadurch werden die Wandschubspannungen unter den kritischen Wert vermindert, sodass kein Schmelzbruch mehr auftritt.
  • Des Weiteren kann sich dadurch eine Blockströmung ausbilden, die das störende Schwellen am Austrittspalt vermindert. Dies führt zu drastisch verringerten Schmelzeschlauchwandstärken, die besser gekühlt werden können.
  • Die höhere Startgeschwindigkeit am Austritt des Werkzeuges kann zudem für bessere Orientierung des Folienschlauches genutzt werden. Als weitere Option eröffnet sich die Möglichkeit, noch höher molekulare Materialien in der Folienextrusion zu verwenden, die bisher nur aus sehr großen Spalten extrudiert werden konnten, z.B. Materialien für die Herstellung von großen Behältern im Blasformverfahren.
  • Mit anderen Worten beruht das erfindungsgemäße Verfahren darauf, die an sich schwer extrudierbaren Funktionsschichten in möglichst dünne Deckschichten aus leichtfließendem Polymer einzukapseln, welche den Wandkontakt zum Ringspalt und den vorgelagerten Teilen der eingesetzten Koextrusionseinrichtung herstellen und als Scher- und Gleitschicht dienen.
  • Nach einem Vorschlag der Erfindung ist vorgesehen, dass die Deckschichten auf Basis eines entsprechenden Polyethylens niedriger Dichte (LDPE) gebildet werden.
  • Die Deckschichten können ohne Einbußen ihrer leichtfließenden Eigenschaften darüber hinaus in besonders geringen Schichtdicken hergestellt werden, was nicht nur zu geringem Materialeinsatz und niedrigen Kosten, sondern auch zu einer vernachlässigbaren Beeinflussung der rheologischen Eigenschaften der eingehüllten Funktionsschichten führt. Beispielsweise können die Deckschichten in einer Schichtdicke von maximal 5%, vorzugsweise höchstens 3% der Gesamtdicke des Folienschlauchs extrudiert werden. Die Dicke einer einzelnen Deckschicht beträgt demgemäß 2,5 bis 1,5% der Gesamtdicke des Folienschlauches gemäß der Erfindung.
  • Die Funktionsschichten des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Folienschlauchs können nach einem Vorschlag der Erfindung aus Polyethylen hoher Dichte (HDPE) mit einem MFR (190°C/5 kg) kleiner als 0,2 g/10min gebildet sein.
  • Auch ist es möglich, die Funktionsschichten aus Metallocen Ethylen-Hexen-Copolymeren zu bilden, die einen Schmelzeindex (190°C/2,16kg) nach ASTM D 1238 kleiner oder gleich 1,0 g/10min aufweisen.
  • Des weiteren können die Funktionsschichten eine Viskosität bei ihrer jeweiligen Verarbeitungstemperatur von mindestens 4.000 Pa s aufweisen.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, derart langkettige und hochfeste Polymere für die Funktionsschichten zu verwenden, dass die Gesamtdicke des Folienschlauches signifikant verringert werden kann. Beispielsweise ist vorgesehen, dass der Folienschlauch in einer Gesamtdicke von höchstens 100µm, vorzugsweise 80µm koextrudiert wird.
  • Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Folienschlauch umfasst mindestens drei Schichten, nämlich eine innere Funktionsschicht und ober- und unterseitig auf die Funktionsschicht aufgebrachte und diese einhüllende Deckschichten. Es kann aber auch vorgesehen sein, zwischen den beiden äußeren Deckschichten mehr als eine Funktionsschicht benachbart bzw. aufeinanderliegend anzuordnen und im Koextrusionsverfahren in einem Arbeitsgang zu erzeugen und gemeinsam mit den beiden Deckschichten zu einem mehrschichtigen Folienschlauch zu extrudieren.
  • Insbesondere wird vorgeschlagen, drei benachbarte Funktionsschichten aus hochmolekularem Polymermaterial vorzusehen und innen- und außenseitig die Funktionsschichten einschließende Deckschichten gemeinsam durch den Ringspalt zu extrudieren. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass bei Bedarf auch nur zwei oder mehr als drei Funktionsschichten zwischen den beiden Deckschichten angeordnet werden können.
  • Weitere Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
    • 1: einen schematischen Schnitt durch einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Folienschlauch;
    • 2a: eine grafische Darstellung einer Fließfront eines fünf Schichten umfassenden Folienschlauchs nach dem Stand der Technik;
    • 2b: die Scherbelastung über die Breite des Folienschlauchs nach dem Stand der Technik;
    • 3a: eine grafische Darstellung einer Fließfront eines fünf Schichten umfassenden Folienschlauchs nach der Erfindung;
    • 3b: die Scherbelastung über die Breite des Folienschlauchs nach der Erfindung.
  • Aus der 1 ist ein exemplarischer Aufbau einer aus einem koextrudierten Folienschlauch 1 hergestellten Kunststofffolie ersichtlich, der über insgesamt 3 diskrete aufeinander geschichtete Funktionsschichten 10, 11, 12 verfügt, die im Bereich der gemeinsamen Ober- und Unterseite jeweils von einer dünnen Deckschicht 13, 14 abgedeckt sind, sodass die Deckschichten 13, 14 zugleich die Oberflächen des Folienschlauchs 1 bilden. Auch die Deckschichten 13, 14 sind diskret mit konstanter Schichtdicke ausgeführt und durch Koextrusion gemeinsam mit den Funktionsschichten 10, 11, 12 aus einem gemeinsamen Ringspalt in an sich bekannter Weise hergestellt und haftfest zu einem insgesamt 5-schichtigen Aufbau des Folienschlauchs 1 verbunden.
  • Die Gesamtdicke des Folienschlauchs 1 beträgt etwa 80 µm, wobei die beiden Deckschichten 13, 14 jeweils eine Dicke von lediglich etwa 3 % der Dicke des Folienschlauchs 1 aufweisen.
  • Um eine für die Anwendung des Folienschlauchs 1 beispielsweise als Schwergutsack ausreichende Festigkeit zu erreichen, sind die Funktionsschichten 10, 11, 12 aus Polymermaterialien gebildet, die sich durch ein hohes Molekulargewicht und entsprechend lange Molekülketten auszeichnen. Hierunter werden spezifisch hochmolekulare Poly-. mermaterialien auf Basis von Polyethylen verstanden, die z.B. von Metallocen Ethylenhexen-Copolymeren mit einem MFI (190°C/21,6kg) nach ASTM D1238 kleiner oder gleich 1 g/10min gebildet werden. Auch können hochmolekulare HDPE-Polymere mit einem MFR (190 °C/5,0 kg) kleiner 0,2 g/10min für die Funktionsschichten eingesetzt werden. Die einzelnen Funktionsschichten 10, 11, 12 können dabei aus identischen oder unterschiedlichen Polyethylentypen des angegebenen MFI hergestellt sein.
  • Eine Beispiel-Rezeptur der Funktionsschichten 10, 11, 12 umfasst: Erste Funktionsschicht 10: Exxon EXCEED® 1018 (Metallocen Ethylenhexen-Copolymer, Schmelzeindex (190°C/2,16kg) 1,0 g/10min);
    Zweite Funktionsschicht 11: Hostalen® GM9240HT (HDPE, MFR (190°C/5,0 kg) 0,17 g/10min);
    Dritte Funktionsschicht 12: Exxon Enable® 2705MC (Metallocen Ethylenhexen-Copolymer, Schmelzeindex (190°C/2,16kg) 0,5 g/10min).
  • Durch den Einsatz derartig hochmolekularer Polyethylen-Funktionsschichten ist es möglich, einen Folienschlauch 1 mit Festigkeitseigenschaften zu erreichen, der den im Stand der Technik üblicherweise verwendeten etwa 200 µm starken Einschicht- oder etwa 120 µm starken Dreischichtstrukturen trotz deutlich verringertem Rohstoffeinsatz signifikant überlegen ist.
  • Allerdings verursacht das eingesetzte hochmolekulare Polyethylenmaterial durch seine hohe Viskosität unerwünschte Schwierigkeiten bei der Extrusion durch einen Ringspalt, nämlich insbesondere
    • - hohen Druck in der Extrusionsdüse;
    • - Schmelzebruch;
    • - Selbsterwärmung im Extruder und der Düse durch die hohen Scherkräfte; und
    • - starkes Schwellen der Schmelze am Ringspaltaustritt.
  • Beispielsweise tritt Schmelzebruch des Polymers auf, wenn ein Maximalwert der Scherkraftbelastung entlang der Werkzeugwandung überschritten wird. Dann beginnt das Polymer, entlang der Wandung zu rutschen und dehnt sich aus, bis es erneut an der Wand anhaftet und erneute Scherkräfte aufbaut. Dieser Effekt verringert die Folieneigenschaften dramatisch und ist auf jeden Fall zu vermeiden und tritt bei etwa 130 bis 150 kPa Scherbelastung auf.
  • In der Praxis hat man daher versucht, durch Hinzufügung zweier zusätzlicher äußerer hochmolekularer Schichten zu den 3 Funktionsschichten dem Folienschlauch weitere Stabilität zu verleihen, was jedoch sehr aufwändig ist und die grundlegenden Verarbeitungprobleme nicht löst.
  • So ist in der 2a die Fließfront einer solchen Fünfschichtstruktur mit hochmolekularen Materialien in allen Schichten dargestellt, wie sie sich bei Koextrusion aus einer Ringspaltdüse mit einer Spaltweite von 2,5mm einstellt. Die Scherbelastung an der Wandung der Düse liegen gemäß der Grafik in 2b mit etwa 250 kPa weit über dem genannten Grenzwert. Die Deckschichten verursachen durch die hohen Wandschubspannungen einen hohen Druckverlust, Aufheizung des Werkzeuges und des Materials durch Friktion, Schmelzbruch am Austritt der Schmelze sowie ein besonders stark ausgeprägtes Schwellen der Schmelze zwischen 2,5 und 4mm.
  • Zurückkehrend auf das Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung nach 1 ist daher der erfindungsgemäße Folienschlauch 1 mit dünnen Deckschichten 13, 14 ausgeführt, die die schwer verarbeitbaren Funktionsschichten 10, 11, 12 einhüllen und aus einem besonders leichtfließenden und mit den Funktionsschichten gut koextrudierbaren Polymermaterial bestehen. Hierfür kommt insbesondere LDPE in Frage.
  • Diese besonders leichtfließenden Deckschichten 13, 14 haben aufgrund ihrer geringen Schichtdicke keinen nennenswerten Einfluss auf die Festigkeitswerte und sonstigen mechanischen sowie rheologischen Eigenschaften des Folienschlauchs 1, dienen jedoch als Gleitschichten während des Durchgangs durch die Extrusionsanlage und fangen die hohen Scherbelastungen auf.
  • Dieser Effekt wird anhand der beispielhaften Grafiken in 3a und 3b deutlich, die bei Koextrusion eines fünf Schichten umfassenden Verbundes aus einer Ringspaltdüse mit 1,5mm Austrittsspalt und einer Leistung von 500kg/h aufgenommen wurden.
  • Die Deckschichten 13, 14 waren dabei aus Lupolen® 2420 K (LDPE; MFR (190 °C/2,16 kg) 4,0 g/10 min) gebildet.
  • In ist die Fließfront der Fünfschichtstruktur abgebildet, in der die drei zentralen Funktionsschichten 10, 11, 12 aus den genannten hochmolekularen Materialien bestehen und die beiden Deckschichten 13, 14 aus den genannten sehr leichtfließenden Materialien bestehen. Dadurch entstehen sehr hohe Wandschergeschwindigkeiten, die aber wegen der geringen Viskosität der Deckschichten 13, 14 nur zu niedrigen Wandschubspannungen führen. Die Messwerte an der Wand liegen bei lediglich 120kPa und damit deutlich unterhalb der kritischen Werte. Dadurch kann hohe Friktion und Druckverbrauch vermieden werden. Auch kann sich eine stabile Blockströmung im Kanal ausbilden, die nach dem Austritt keine Neigung zum Zurückschnappen des Geschwindigkeitsprofiles mehr aufweist und somit das Schwellen beim Verlassen des Werkzeugs vermindert.
  • Besonders geeignet für die Einkapselung der hochmolekularen Materialien sind Materialien, die bei hohen Schergeschwindigkeiten ihre Viskosität weiter herabsetzen. Dieses Verhalten wird in der Rheologie mit shear thinning bezeichnet.
  • Der erfindungsgemäße Effekt ist so deutlich, dass für die Funktionsschichten 10, 11, 12 sogar solche hochviskosen Polymermaterialien eingesetzt werden können, die sich bislang nicht oder nur bedingt für die Schlauchfolienextrusion aus einer Ringspaltdüse eignen, sondern bislang lediglich für das Schmelzblasformen eingesetzt werden.
  • Da der Massendurchsatz der drei Funktionsschichten 10, 11, 12 im Vergleich zu den äußerst geringe Schichtdicken aufweisenden Deckschichten 13, 14 extrem unterschiedlich ist, werden an die Konstruktion der verwendeten Ringspaltdüse besondere Anforderungen gestellt. So werden bei einer beispielhaft angestrebten Ausstoßleistung von etwa 500 kg/h im Bereich der Deckschichten 13, 14 lediglich Ausstoßleistungen von etwa 10 kg/h benötigt. Bei einer Ringspaltdüse mit Innenluftaustausch und konventionellem Schmelzeverteiler und einem üblichen Ringspaltdurchmesser von 500 mm würde dies im Bereich der äußeren Deckschicht zu einer deutlich überlangen Verweildauer in dem Schmelzeverteiler führen.
  • Durch Einsatz einer horizontal verlaufende Spiral- und vertikal verlaufende Wendelverteiler kombinierenden Konstruktion, wie sie beispielsweise aus der EP 2 873 508 A1 bekannt ist, lassen sich diese stark unterschiedlichen Ausstoßleistungen für die Funktionsschichten 10, 11, 12 und die Deckschichten 13, 14 jedoch gut beherrschen.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es, mechanisch hoch belastbare Folienschläuche zum Beispiel für Schwergutsäcke mit deutlich verringertem Materialeinsatz durch geringere Schichtdicken in einem gut beherrschbaren Extrusionsprozess rationell herzustellen.
  • Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die Einkapselung von drei Funktionsschichten 10, 11, 12 zwischen zwei Deckschichten 13, 14 beschränkt, vielmehr können mindestens eine, zwei oder auch mehr als drei Funktionsschichten zwischen den Deckschichten 13, 14 wie beschrieben angeordnet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2873508 A1 [0039]

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Folienschlauchs (1), der mindestens eine Funktionsschicht (10, 11, 12) aus einem hochmolekularen Polymermaterial auf Basis von Polyethylen aufweist und als Schmelze durch einen Ringspalt extrudiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass innen- und außenseitig der mindestens einen Funktionsschicht (10, 11, 12) jeweils eine Deckschicht (13, 14) aus einem leichtfließenden Polymer mit einem MFI(190°C/2,16 kg) nach ASTM D1238 von höchstens 10 g/10min gemeinsam mit der mindestens einen Funktionsschicht (10, 11, 12) durch den Ringspalt koextrudiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschichten (13, 14) auf Basis eines Polyethylens niedriger Dichte (LDPE) gebildet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschichten (13, 14) aus einem Polymer mit einem MFI(190°C/2,16 kg) von 4 bis 8 g/10min gebildet werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschichten (13, 14) in einer Schichtdicke von maximal 5% der Gesamtdicke des Folienschlauchs (1) extrudiert werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Funktionsschichten (10, 11, 12) aus Polyethylen hoher Dichte (HDPE) mit einem MFR (190°C/5 kg) kleiner als 0,2 g/10min gebildet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Funktionsschichten (10, 11, 12) aus Metallocen EthylenHexen-Copolymeren gebildet wird, die einen Schmelzeindex (190°C/2,16 kg) nach ASTM D 1238 kleiner oder gleich 1,0 g/10min aufweisen.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienschlauch (1) in einer Gesamtdicke von höchstens 100µm, vorzugsweise 80µm koextrudiert wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass drei benachbarte Funktionsschichten (10, 11, 12) aus hochmolekularem Polymermaterial und innen- und außenseitig die Funktionsschichten (10, 11, 12) einschließende Deckschichten (13, 14) gemeinsam durch den Ringspalt extrudiert werden.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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