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Verfahren und Vorrichtung zum Spritzen von Folienschläuchen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Spritzen endloser Schläuche aus
organischen thermoplastischen Stoffen.
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Es ist vorgeschlagen worden, den frisch gespritzten Schlauch rasch
abzuschrecken, indem man ihn nach unten in ein v@n einem KUhlmittel, s. B. Wasser,
gebildetes Abeohreckbad führt. Der Schlauch wird auf der Strecke zwischen der Spritzmaschine
und der ungefähren Oberfläche des Absohreckbades von einer "Luftblase" im aufgeblähten
Zustand gehalten; im Bad wird im Schlauch eine Flüssigkeitssäule bis zu dem Punkt
aufrechterhalten, an welchem der abgeschreckte Schlauch awischen Quetschwalzen zusammengeführt
(flachgelegt) wird Mit dieser Abschrecktechnik werden zwar die Nachteile der obengenannten
Luftkühlung zum grössten Teil überwunden, sie ist aber nicht
völlig
auereichend, da esF insbesondere bei hohen Spritegeschwindigkeiten, Schwierigkeiten
bereitet, in dem Schlauch eine stabile Luftblase aufrechtzuerhalten; die Instabilität
der Luftblase flihrt zu einer mangelhaften Zusammenführung des Schlauchs und dementsprechend
zu einer Paltenbildung an den Quetschwalzen. larüberhinaus suchen Bewegungen der
Badoberfläche und Badbewegungen im Bad, die sich aus der (sur Konstanthaltung der
Temperatur dienenden) Umwälzung des Ab-. sohreoktades ergeben, den noch plastischen
Schlauch in schtingungsartige Bewegungen zu versetzen. Hierdurch kommen Spannungen
auf den noch plastischen Schlauch sur Einwirkung, und im Ergebnis hat der abgeschreckte
Schlauch eine ungleichmässige Wandstärke.
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Beim üblichen Spritzen dunnwandiger Schläuche aus organischen thermoplastischen
Stoffen mittels einer kreisförmigen Düse wird der Schlauch entweder in senkrechter
oder in waagerechter Richtung ausgepresst. Der gespritzte Schlauch wird abgeschreokt,
während er in der Querrichtung ausgedehnt und von der Düse in der Längs- oder Maschinenrichtung
abgezogen wird.
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Die Abschreckung des gespritzten Schlauchs erfolgt gewöhnlich mittels
eines Luftverteilers, der auf der Schlauchaussenseite vorgegeben ist. Die bei dieser
Arbeitsweise erhaltene Abschreckung erfolgt jedoch langsam, so dass das Schlauchspritzen
mittole der kreisförmigen DUse bei niedrigen Temperaturen und geringen Spritzmaschinendurchsätzen
eriolgen muss. Ferner führt bei vielen kristallisierbaren thermoplastischen Stoffen
diese geringe Geschwindigkeit der Abschreckung zu einer Folie
die
einen wesentlichen Kristallisationsgrad aufweist und deren physikalische Eigenschaften
unausgeglichen sind. Dies stellt einen deutlichen Nachteil dar, wenn die Folie später
durch Recken und/oder Walzen in zwei Richtungen in im wesentlichen dem gleichen
Grad orienteiert werden sol, um eine Folie mit in beiden Richtungen gleich verstärkten
physikalischen Eigenschaften herzustellen.
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Die Erfindung bezweckt dementsprechend die Schaffung eines zufriedenstellenden
Verfahrens zur raschen Abschreckung dünnwandiger Schläuche aus organischen thermoplastischen
Stoffen, die aus dem Sehmelzfluss aus einer kreisförmigen Düse ge spritzt werden.
Ein anderes Erfindungsziel ist die rasche Abc schreckung frisch aus der Schmelze
gespritzter dünnwandiger Schläuche aus kristallisierbaren organischen thermoplastischen
Stoffen derart, dass der abgeschreckte Schlauch sowohl in Nuerrlehtung als auch
in Längsrichtung (Maschinenrichtung) im wesentlichen gleichmässige Dimensionen und
ausgeglichene physikalische Eigenschaften aufweist. Die Erfindung zielt weiter auf
die Schaffung einer verbesserten Vorrichtung zur Herstellung dünnwandiger Schläuche
aus organischen thermoplastischen Stoffen ab. Weitere Vorteile und Zweokangaben
der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
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Diese Ziele werden gemäss der Erfindung verwirklicht, indem man das
geschmolzene organische thermoplastische Material stetig in Form eines Schlauches
von kreisförmigem Querschnitt im wesentlichen senkrecht nach unten spritzt, den
Schlauch
stetig im wesentlichen senkrecht nach unten duroh eine
seinen Querschnitt begrenzende Zone weiterführt, den Schlauch in dieser Zone durch
die Einwirkung des von einer Gas auf die Schlauchinnenseite ausgeübten Druckes bis
zu der Querschnittsbegrenzung ausdehnt, während die Temperatur des Schlauches oberhalb
seiner Erweichungstemperatur gehalten wird, den Schlauch bei einer Temperatur oberhalb
seiner Erweichungstemperatur stetig im wesentlichen senkrecht nach unten in ein
flüssiges Kühlmittel weiterführt, das auf einer Temperatur-gehalten wird, die zur
raschen Abkühlung (d. h. Abschreckung) des Schlauchs führt, und in dem Schlauch
unterhalb der querschnittsbegrenzenden Zone eine Flfissigkeitssäu'le aufrechter
hält, deren Spiegel so eingestellt wird, dass der Gasdruck auf einem Wert gebalten
wad, der den Schlauch in der querschnittsbegrensenden Zone an der Querschnittsbegrenzung
hält.
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Das erfindungsgemässe Verfahren kann zwar auf alle organischen thermoplastischen
Stoffe Anwendung finden,- die zur Verspritzung aus der Schmelze befähigt sind, in
der folgenden Beschreibung ist jedoch besonders die Behandlung derjenigen Polymeren
betont, die leicht in kristalliner Form erhältlich sind. Beispiele für organische
thermoplastische Stoffe, die nach dem Erfindungsgemässen Verfahren verspritzbar
sind, sind Polyäthylen, einschliesslich Linearpolyäthylen, Mischpolymere des Polyäthylens,
$Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylidenfluorid, Polyoxymethylenharz,
Polystyrol, Polyäthylenterephthalat, Michpolymere aus Tetrafluoräthylen und Perfluorpropen,
wie
auch diejenigen kristallisierbaren organischen polymeren Stoffe, die normalerweise
nicht zum Schmelzspritzen befähigt sind, denen aber ausreichende Mengen eines geeignoten
Lösungsmittels zugesetzt worden sind, um sie schmelzspritzbar zu machen, Unter Erweichungspunkt
ist die Minimaltemperatur zu verstehen, bei welcher eine Probe des Polymeren, die
unter mässigem Druck über die glatte Oberfläche eines erhitzten Messingblocks geführt
wird, eine Spur von geschmolzenem Polymeren zurücklässt.
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Bei den Polymeren, d.ie zu einer leichten Kristallisation befähigt
sind, ist der Begriff des Kristallschmelzpunkts ein -Analogon zu der Erweichungstemperatu,r;
er wird nachfolgend in diesem Sinne gebraucht.
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In den. Zeichnungen sind Ausführungsformen einer zur DurchfUhrung
des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Vorrichtung dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 in schematischer Darstellung im längsschnitt eine bevorsugte Ausführungsform
der erfindungsgemäss,en Vorrichtung und Fig. 2 in vergrössertem Maästab ii Querschnitt
einen Teil der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung.
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Bei der in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
wird das geschmolzene thermoplastische Gut ron einer üblichen Schmelzspritzvorrichtung,
die allgemein mit A bezeichnet ist, durch eine Ringdüsenöffnung 1 zu dem endlosen
Schlauch 2 gespritzt, der von einem durch den Einlass 9 zugeführten
Gas
(z. B. Luft) ausgedehnt und von der Düse sen¢-recht nach unten und durch eine querschnittsbegrenzende
Zone -hindurchgeführt wird, welche allgemein von einem offene Enden aufweisenden
Zylinder 4 mit poröser Wandung vorzugsweise aus porösem Metall gebildet wird. Der
Zylinder 4 fluchtet in der Senkrechten mit der Austrittsöffnung der SpritzdUse (d.
h. ist koaxial angeordnet) und endet unten kurz oberhalb der Oberfläche des Abschreckbades
5, das vo Wasser oder einem anderen geeigneten flüssigen Kühlmittel gebildet wird,
in welches der Schlauch aus der querschnittsbegrenzenden Zone stetig abgezogen wird.
Der abgeschreckte Schlauch wird im Bad zwischen den Spaltwalzen 6 (cup rolls; nachfolgend
kurz: "Walzen") zusammengefUhrt, die sich ebenfalls in vertikaler Einstellung zu
der Ringdüse befinden. Der zusammengeführte Schlauch wird dann über die leerlaufende
Walze 7 aus dem Bad heraus und über und zwischen Quetschwalzen 8 hindurchgeführt,
um überschüssige Badflüssigkeit zu entfernen, Er wird dann in geeigneter Weise getrocknet,
aufgeschlitzt und/oder in sonstiger Weise auf einer nicht eingezeichneten Einrichtung
verarbeitet und gesammelt. Um eine nichtturbulente Umwälzung von in das Bad 5 durch
die Einlässe 17 eingeführtem Frischwasser zu erleichtern, ist ein Überlauf 16 vorgesehen.
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Das kritische Merkmal der Erfindung liegt in der Aufrechterhaltung
eines stabilen Gaskörpers bzw. oiner stabilen Gasblase innerhalb des frischgespritzten
Schlauchs, während sich derselbe noch im plastischen Zustand, d. h. auf einer oberhalb
seiner Erweichungstemperatur liegenden Temperatur befindet.
Dies
wird, wie Fig. 2 zeigt, (@) mittels einer querschnittsbegrenzenden Zone, die nach
einer bevorzugten Ausgestaltung von einem (in Bezug auf den Schlauch) aussenliegenden,
offene Enden aufweisendem porösen Metallzylinder 4 gebiidet wird, der konzentrisch
unterhalb der Ringdüsenöffnung angeordnet ist und in einem Abstand von 0,16 bis
5,88 cm (1/16 bis 2 Zoll) Uber dem Flüssigkeitsspiegel des Abschreckbades endet,
und (2) mittels einer einstellbaren Flüssigkeitssäule 9 ini Schlauch erreicht, deren
Höhe im wesentlichem auf dem Flüssigkeitsstand des Bades 5 gehalten wird. Die Flüssigkeit
wird in das Innere des aufgeblähten Schlauchs durch eine Einlassleitung 10 eingeführt;
die Einstellung des Flüssigkeitsstandes erfolgt mittels einer Flüssigkeitsstansonde
11,die sich in dem gespritzten Schlauch befindet und aufgrund von Veränderungen
des Flüssigkeitsstandes in dem Schlauch ein Solenoidventil 12 in der Flüssigkeitseinlassleitung
steuert. In den porbsen Zylinder wird durch eine Lufteinlassle:ttung 13 Druckluft
eingeführt. Die auf diese Weise eingeführte Luft wird derart durch die Poren der
Ringe gepresat, daes sie zwischen der Ringoberfläche und dem nach unten gespritzten
Schlauch eine dünne Luftschicht 14 bildet. Diese dünne Luftsperre hält den Schlauch
vor einer Berührung der Oberfläche des porösen Ringe8 und dient dazu, den Schlauch
in seine endgültige gewünschte Form zu bringen und in dieser zu stabilisieren. Durch-
geeignete Einstellung des Wasserapiegels innerhalb des Schlauchs wird der Druck
der Luftblase auf einen solchen Wert gehalten, dass die Luft den Schlauch gerade
gegen die Luftsperre 14
drUckt und ein richtiges ZusammenfUhren
des Schlauches an den Walzen 6 erlaubt. Im wesentlichen hat diese Stufe, in welcher
die Folie durch den porösen Aussenring geführt und dabei mittels einer dünnen Luftsperre
vor einer Berührung der Ringoberfläche gehalten wird, die alleinige Aufgabe, den
Schlauch auf seine gewünschten Dimensionen zu bringen und in diesen zu stabilisieren,
während sie nicht dazu dient, um den Schlauch in irgendeinem beträchtlichen Grade
zu kühlen. Die Temperatur des Schlauches liegt beim Eintritt in das Abschreckbad
im wesentlichen noch oberhalb der Erweichungstemparatur des Polymeren, wodurch die
gewünschte rasche Abschreckung des schlauches erfolgt. Wenn das Polymere bei besondere
hoher Temperatur oder mit einer extrem hohen Geschwindigkeit verspritzt wird, kann
die ZufUhrung von Kühlmittel durch den porösen Aussenring notwendig sein, um eine
Blasenbildung in dem gespritzten Schlauch oder die Überhitzung des pordeon Aussenrings
zu verhindern. Hierzu ist ein rohrförmiger Wärmeaustauscher 18 vorgesehen, der in
wärmeleitender Verbindung mit den Wandungen des Zylinders 4 steh:; und durch den
ein Wärmeaustauschmedium zirkuliert werden kann.
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Der poröswandige Zylinder 4 wird vorzugsweise aus einem Sintersetall,
z. Bo Sinterbronze oder dergleiche@ gefertigt. -Anstelle von Sintermetall können
andere gasdurchlässige Strukturen Verwendung iinden, wie beispielsweise Aggregate
kleiner Metallkugeln, die dadurch Punktschweissung oder Verlötung 80 miteinander
verbunden sind, dass man sich durch die Wandung erstreckende Luftdurchlässe erhält,
die in Bezug auf Grösse
wie Verteilung verhältnismässig gleichmässig
sind. Man kann auch gesintert. Drahtmatrizen in einer Vielfalt von Formen wie such
durchlässige Metall-Keramik-Verbundstoffe verwenden, deren thermische Wärmeleitfähigkeit
sich derjenigen von Metallen nähert. Bei einer typischen Vorrichtung wurde der poröswandige
Zylinder aus Sinterbronze von 1,3 cm Dicke gefertigt, die eine Porosität von etwa
27 Vol% aufwies und bei einem Druckunterschied von 0,35 atü quer zu der porösen
Wandung den Durchtritt von etwa 1,5 S3 Luft/Min./m2 Wärmeaustauschfläche erlaubte.
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Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Prinzipien,
der Durchführung und der Vorteile der Erfindung.
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B e i s p i e l 1 Aua einem Polyäthylen mit einer Dichte (wärmebehandelt)
von 0,92 vor und einem Krietallschmelzpunkt von 1120 wird bei einer Temperatur von
200° auf einer 2,5-cm-Strangpresse (Hersteher Wationa Rubber Machinery Co.), die
eine Zylinderöffnung (L/D) von 18 aufweist und mit einer 5,1-cm-Düse nach Robbine
ausgestattet ist, welche auf 2000 gehalten wird in der oben beschriebenen Weise
ein Schlauch nach unten in qin Abschreckbad gespritzt, dessen Temperatur auf 29°
gehalten wird. Der Schlauch wird mit einer Geschwindigkeit von 3,05 ui/1in. dadurch
die Walze gezogen. Der auf den porösen Aus-@@@ring einwirkende Imftdruck wird dabei
zwischen 0,21 und @@@5 @tü gehalten. Der aussendurchmesser des gespritzten Sc@@auch@
betrkgt 10,2 cm. Der poräse Aussenring @@t einen
Innendurchmesser
von 10,2-cm und einen Aussendurchmesser von 11,4 OM und ist in einer Entfernung
von 1,3 ca über dea Wasserspiegel angeordnet. Der auf die Weise erhaltene Folienschlauch
ist im wesentlichen faltenfrei und besitzt i. wesentlichen ausgeglichene physikalische
Eigenschaften.
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B e i s p i e l 2 In der in Beispiel 1 beschriebenen Vorrichtung wird
aus (a) einem Polyäthylen alt einer Dichte (wärmebehandelt) von 0,92 g/cm3 und einem
Kristallschmelzpunkt von 112° und (b) einem Polyäthylen mit einer Dichte (wärmbchandelt)
von 0,95 g/cm3 uSt eines Kristallschmelzpunkt von 133 nach unten ein Schlauch gespritzt
und in des kühlbad rasch abgeschreckt. Das Spritzen dez erstgenannten Polyäthylene
erfolgt bei einer Temperatur von 2000 mit einer Geschwindigkeit von 126 g/Min,,
während der auf den porösen aussenring einwirkende Luftdruck O',28 atü beträgt.
Bei der Verarbeitung des zweitgenannten Polyäthylene wird der Schlauch bei einer
Temperatur von 250 bis 260° mit t einer Geschwindigkeit von 53 g/Min. gespritzt
und mit einer Geschwindigkeit von 2,29 m/Min, naoh unten in den Walzenspalt gesogen,
während der auf. den porösen Aussenring einwirkende Luftdurck 0,35 atü beträgt.
Wiederum erhält man einen in zufriedenstellender Weise abgeschreckten faltenfreien
Schlauch, der $5 wesentlichen ausgeglichene physikalische igeon besitst.
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B e i s p i. e 1 3 Aus einem Polyvinylchloridansatz aus 93,5 % Polyvinylchlorid
("Dow 111-4", Dow Chemlcal Co.) 3,5 % Dibutyl-zinn-thioester ("Thermolite 31", Metal
Thermite Co.) und 3 % Calciumstearat wird bei einer Temperatur von 1900 auf einer
2,5-cm-Strangpresse (Hersteller National Rubber Machinery Co.), die eine Zylinderöffnung
(L/D) von 18 au@weist und mit einer 5,1-cm-Düse nach Robbins ausgestattet ist, welche
auf 2000 gehalten wird, in der oben beschriebenen Weise ein Schlauch nach. unten
in ein Abschreckbad gespritzt, dessen Temperatur auf 20° gebalten wird, und mit
einer Geschwindigkeit ton 4,01 m/Min. durch die Walzen gezogen, wobei man den auf
den porösen Aussenring einwirkenden Luftdruck zwischen 0,21 und 0,35 atü hält.
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Der Aussendurchmesser des gespritzten Schlauchs beträgt 10,2 cm. Der
poröse Aussenring weist einen Innendurchmesser von 10,2 cm und einen Aussendurchme.
3ser vor: 11,4 cm auf und ist in einem Abstand von 1,3 cm über dem Wasserspiegel
angeordnet.
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Der auf diese Weise erbaltene Folienschlauch ist im wesentlichen faltenfrei
und besitzt im wesentlichen ausgeglichene physikalische Eigenschaften.
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Das erfindungsgemässe Verfähren, das die wesentliche, neue Massnahme
umfasst, den gespritzten und aufgeblähten Schlauch nit einer Luftsperre in Berührung
bringen, die durch einen porösen Aussenring austritt, ermöglicht die rasche Absähreckung
eines im wesentlichen faltenfreien thermoplastischen Folienschlauches, dessen physikalischen
Eigenschaften in einem wesentlichen Grade ausgeglichen sind urid der eine auagezelchne-
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te Klarheit aufweist. Es ermöglicht nunmehr die Herstellung ron Schläuchen aus Polymeren
wie Polyäthylenterephthalat, die man bisher nur in Form einer flachen Folie erfolgreich
spritzen konnte, im technischen Masstab. Die Herstellung einer solchen Folie in
Porm eines Schlauches bietet folgende wesentliche Vorteile: (1) Es werden ausgeglichenere
Eigenschaften erhalten (beim -Spritzen flacher Folien führt das Abziehen der gespritzten
Folie durch die luft nach unten zu einer Abschrecktrommel gewöhnlich dazu, dass
die Pille in einer Richtung atärker als in der anderen gereckt wird, was eine Unausgeglichenheit
der physikalischen Eigenschaften hervorruft).
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(2) Der Schlauch kann nach Abschreckung über einer kreisförmi gen
Düsenstreckvorrichtung kontinuierlich orientiert werden, wodurch die Notwendigkeit
beseitigt wird, kostspieliege Spannrahmen verwenden zu müssen.
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(3) Es gibt, insbesondere auf dem Verpackungssektor, viele direkte
Verwendungszwecke fftr in Schlauchform vorliegende Folien, (4) Durch die Herstellung
der Folie in Schlauohform wird der Abfall verringert.
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Ein weiterer Vorteil, der eine beträchtliche kommerzielle Bedeutung
hat, liegt darin, dass unter Verwendung einer einzigen Spritzdüse ein ganzer Schlauchdurchmesserbereich
erhältlich ist, indem man einfach Jeweils mit einem poröswandigen Zylinder arbeitet,
der dem gewünschten Schlauchdurchmesser entspricht.