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Verfahren und Vorrichtung zum biaxialen Orientieren von thermoplastischem.
Kunststoff Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und .tne Vorrichtung
zum biaxialen Orientieren von organische thermoplastizchen Material.
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Biaxial orientierte Produkte, inebesondere Folien, aus thermoplastischem
synthetischen organischen Material sind bekannt. Sie werdon im allgemeinen nach
dem bekannten Blasverfahren, d.h. durch Aufblähen eines Schlauches au einer Blase,
hergestellt. Sie lassen sich jedoch auch durch Längerecken und anschließendes Querrecken
in einem Spannrahmen herstellen. Kleinere biaxial oriontiorte Produkte wie Platten
oder kleinere Folien können auch durch zweimaliges Walzen unter Druck hergestellt
werden, wobei der zweite Walzvorgang (und die damit verbundene Dickenverringerung)
ja rechten Winkel zum ersten Walzvorgang erfolgt.
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Die bekannten biaxial orientierten Streifen oder Bänder werden fast
immer in Längsrichtung aus einer Länge biaxial orientierter Folie, dio nach einem
der obigen Verfahren hergestellt
wurde, geschnitten. (Die Bczeichnungen
"Band" und "Streifon" sind in der vorliegerden Beschreibung im wesentlichea Synonyme,
und ea wird darunter eine dünne, in allgemcinen. 0,025 bis 0,125 odor 0,25 mm dicke,
X wesentlichen ilacho kontinuierliche Form mit einem Verhältnis von Breite su Dicko
von mindestens 3 oder 4 und im allgemeinen von 20 bis 75 oder 80 Verstanden, Jedoch
sind auch wesentlich grössore Verhältnissn, 2. B. 200 oder 300, oder noch daritber
mögliche.) ) Derartige Streifen oder Bänder sind für den beabeichtigten Gebrauch
zwar' meist befriedigend, Jedoch baben sie den flachteil, daß sie durch das Schneiden
rauhe gezackte Ränder aufweisen. Dies war bisher selbst bei Verwendung der schärfsten
Messer odor Schneidräder nicht ru vermeiden. Infolgedessen weisen die herkönilichen
Bänder zahlreiche Stellen auf, die Ausgangepunkte zur Entstehung von Rissen bilden
können.
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Außerdem wird du Aussehen der Folienstreifen hierdurch merklieh beeinträchtigt.
Schließlich sind darüber hinaus zum Zerschneiden der Folien su Streifen oder Bändern
ziemlich komplizierte und verhältnismäßig teure Vorrichtungen und Verfahren erforderlich.
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E wurde nun gefunden, daß man ein thermoplastisches synthetisches
organisches Produkt biaxial orientjeren kamn, wenn man es so in einer Richtung reckt,
daß aich an der Übergangesstelle zwischen dem ungereckten und dgm gereckten Tail
des Produktes ein Verjüngungsabsatz bildet, und gleichzeitig
senkrecht
zu diess Verjüngungsabsatz eine Drückkraft ausübt.
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Das zu r.oj=ende Produkt kann die Pori einer Folie, eines Bandes oder
Streifens oder einos Stranges oder Einfadens haben.
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Bei einer bsvorzugten Ausführungsform wird das Produkt bor eine ii
wesentlichen gerade Druckkante geführt und unter Bedingungen gereckt, bai denen
der Verjüngungsabsatz mit der Drackkante zusammenfällt und der winkel # zwischen
den Bewegungerichturgen des ungereckten Produktes auf die Druckkante zu und der
gereckten Produktes von der Druckknnte fort 5 bis 175° und insbesondere 90 bis 175°
beträgt. In die. er Ausführungsform bedeutet die an dor Druckkante orfolgande Änderung
dar Bewegungserichtung des Produktes, daß die senkrecht zum Verjüngungsabsatz ausgeübte
Druckkraft zwangcläufig entwickelt wird, ohne daß eine Drucknnwendung von außen
erforderlich ist. rach diener Verfahren können biaxial orientierte ILnder oder Streifen
von verschibdensten, genau regulierbaren Breiten und mit im wesentlichen glatten
ebenen Oberflächen und gletten abgerundeten Seiten hergestellt werden.
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Es können Produkte mit jedem beliebigen Querschnitt nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren biaxial orientiert werden. So läßt sich das Verfahren beispielsweise auf
Folien oder Stränga mit rundem, rechtwinkligen, ovlaen oder elliptischen Querschnitt
anwenden. Besonders eignst es sich zum biaxialen von strangartigen Produkten wie
Schnüren und Mndern
oder Streifon. Die biaxial zu orientierenden
Produkte können aus jedem theremoplastischen organischen Kunststoff bestehen, der
ich unter 3ilaung einer Verjüngung kaltverstrecken läßt, eino Bezichnung, die dem
Fachmann ohne weiteres verständlich ist. Kurz gesagt weisen derartige beim Längs-
oder Linearrcken in gerader Richtung (beispielsweise in einer Mehrwalzenziehmaschine)
eine örtliche Deformierung an einem bestimmten Punkt zwischen den Belastungspunkten
auf, wo der noch unoriantierte, ungereckte (nicht gezogene) Teil es Materials durch
einen Verjüngungsabsatz von dem verjüngten, orienticrten gereckten (gezogenen) Teil
getrennt ist, Wenn man Kriechwirkungen unberücksichtigt läßt, ist nur das Material
ii Verjüngungsabsatz einem wirdklichen Fließvorgang unterworfen. Vielo thermoplastische
organische Kunststoffe sind von diesem Typ, beispielsweise Kondensationspolymere
wie Polyamide (Nylons), Polyester (z.B. Polyäthylenterephthalat), Olefinpolymere
wie Polyäthylan, Polypropyler, Äthylen-Propylen- und Äthylen-Buten-1-Copolymere,
@ Vinyl- und Vinylidenpolymere wie Polyvinylchlcrid, Polyvinylidenchlorid, Copolymere
ton Vinylchlorid und Vinylidenchlorid miteinander oder mit einem odar mahreren anderen
Vinylmonomeren wie beispielsweise Acrylsäure, Alkylacrylate, Alkylmcthacrylate,
Acrylnitril oder Vinylacetat und unter bestimmten Bedingungen auch Polymere wie
Polystyrol und POetlmethaorylat. Berorzugte thermoplastische Kurststoffe für des
erfindungsgemäße Verfahren sind Polyolefine, irebescndere
Homopolymere
und Copolymere von Äthylen und Propylen.
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Selbstverständlich können und werden die verwendeten Kurs tstoffo
im allgemeinen gebräuchliche Zusatzstoffe wie Wärme-und/oder Lichtstabilisierungsmittel
und Pigmente oder Farbotoffe enthalten.
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Weiterhin wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zum biaxialen Orientieren
von thermcplasrtischen synthetischen organischen Frodukten nach dem erfindungsgemaßen
Verfahren vorgeschlagen. Diese Vorrichtung besteht im allgemeinen aus einer geraden
Druckkante und Vorrichtungen, welche du Produkt in dirokter Berührung über die Kante
bewegen, seine Bewegungsrichtung an der Kanteo in einem Winkel # von 5 bis 175°
C ändern und gleichzeitig durch Zugspannung einen Verjüngungsabsatz in Produkt ausbilden.
Die Druckkante dor Vorrichtung nird vorzugsweise von der Vorderkante einer Platte
gebildet, welche vorsugsweise eine Vorrichtung sur Erwärmen der Platte enthält.
Die Vorrichtung s'in Recken du thermeplastischen Produktes besteht vorzugsweise
aus einem ersten Ziehrollenpaar, von welchem das Produkt zur Druckkante läuft, und
einem zweiten Ziehrollenpaar zum Ziehen des gereckten Materials hinter der Druckkante,
welches bei Betrieb der Verrichtung mit einer höheren Oberflächengeschwindigkeit
als dae erste Rollenpaar angetrieben wird.
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Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung werden im folgenden
anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft erläutert; es zeigen: Figur 1 -
einen Streifen oder ein Band in Draufsicht in etwa 75facher Vergrößerung, welches
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren biaxial orientiert wurde und aus welchem zum
Vergleich sit geschnittenen Bändern oder Streifen ein Teil hnransgeschnit-- ten
ist; Figur 2a - einen Querschnitt durch Pigtir 1 in Linie 2a-2a in etwa 90facher
Vergrößerung; Figur 2b - einen Querschnitt durch Figur 1 in Linie 2b-2b; figur 3
- ein thermoplastisches Produkt beim Orienteren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
in schematischer Darstellung; 1, Figur 4 - eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung von der Seite in schematischer Darstellung; Pigur 5 5 - eine graphische
Derstellung der verschiedenen Breiten von Bändern, die in verschiedene Ziehwinkeln
und mit einem konstanten Ziehverhältnis von 5 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergstellt wurden;
Figur 6 - eine entsprechende graphische Darstellung
der Bandbreiten wie in Pigur 5 bei einem Ziehverhältnis von 6.
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Figur 1 und 2 zeigen ein biaxial orientiertes Band 10 mit einer Dicke
von 0,025 bis 0,25 mm und einem Verhältnis von Breite zu Dicke von 4 bis 25 oder
30, welches im wesentlichen ebene Oberflächen 11 und 12 aufweist. Demgegenüber wurde
festgestellt, daß durch lineares Recken hergestellte einachsig orientierte Bänder
der bekannten Art, beispielsweise Stränge mit rechtwinkligem Querschnitte, stark
geriefelte Oberflächen aufweisen. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Bander haben außerdem in wesentlichen glatte, abgerundete, weitgehend gerade Seiten
13 und 14, wie am besten aus Figur 2a und 21) hervorgeht. Im Gegensatz dazu haben
durch Schneiden hergestellte Bänder ausnahmslos rauhe, im wesentlichen senkrechte,
ungleichmäßßge Seiten 15, wie sie in Figur 1 und 2a dargestellt sind: Die nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bänder weisen also die einmalige Kombinstion
Von biaxialer Orientierung, im wesentlichen cbenen glatten Oberflächen und im wesentlichen
glatten, abgerundeten und weitgehend geraden Seiten auf.
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Figur 3 zeigt du lineare Recken eines kontinuierlichen Materials 16
(Wie eines nichterientiertes Bandes oder einer Rundochner
) titer
eine im wesentlichen gerade Druckkante, die im wesentlichen mit einem Verjüngungsabsatz
17 zusammenfällt.
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An der Stelle des Verjüngungsabsatzes 17 wird die Bewegungsrichtung
des Materials geändert. Die Vektorpfeile 1 und entlang der Längsachse oder Länge
des Bandes oder sonstigen Produktes, @welches der Orientierung unterworfen wird,
geben die durch das lineare Recken ausgeübten Ziehkräfte an. Als direkte Folge der
Richtungsänderung des Produktes wird eine resultierende Kraft erzeugt, die durch
den Vektorpfeil Fr dargestellt ist, Diese Kraft hat eine Druckkraftkomponente dargestellt
durch den Vektorpfiel Fc, welche im wesentlichen senkrecht zum Verjüngungsabsatz
17 angreift und so das Produkt 16 seitlich orientiert, während es gleichzeitig linear
gereckt mird, Der ninkel G zwischen den Vektorpeilen F1 und FC ist halb so groß
wie der Winkel # zwischen den Vektorpfeilen P1 und F2.
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Dar absolute Wert der durch den Vektorpfeil F1 dargestellten: Kraft
liegt zwischen der zur Überwindung der Reib- und Trägheitskräfte, d.h. zur Aufrechterhaltung
einer gleichmäßigen Bewegung des Produktes von der Zuführungsstells zur Druckkante
erforderlichen Kraft als untere Grenze und der zu Deformierungen oder Verjtlngungen
des Produktes vor Erreichen der Druckkante führenden Kraft (der Einfachheit halber
im folgenden als zum Ziehen benötigte Kraft bezeichnet) als obere
Grenze
liegt, Dieae Kraft ändert sicb logischerweise mit der Form dos zu ziehenden Produktes
und den Eigenschaften des thermoplastischen organischen synthetischen Materials.
In repräsentativen Beispielen wurde festgestellt, daß die Kraft P1 für nichtorientiorte
Polyolefinbänder oder -rundschnüre zwischen 0,05 oder 0,1 und 1,5 g pro Denier liegt.
Der entsprechende. Wert ist für jcden Einzelfall leicht durch Routine versuche zu
ermitteln.
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Der Wert für P2 liegt zwischen der zum Ziehen benötigten Kraft als
untere Grenze und der Zerreißlast ala obere Grenze.
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Wie für F1 hängt auch der wert ttlr Von der der und der Zusammensetzung
des Produktes 16 ab. Bei den oben tur F1 ervähnten Beispielcn wurde gefunden, daß
F2 zwischen einer unteren Grenze von 0,05 bis 1,5 g Denier und einer oberen Grenze
von etwa 10 g pro Denier liegt.
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Der Wert für Fr kann nach der Gleichung Fr2 = F12 + F22 + 2 F1F2
cos.# berechnet werden. Wenn der Winkel # gleich Null ist, ist Fc gleich Fr und
gleich der Swnme F1 + F2. bei dieser. Situation würde die höchstmögliche Druckkraft
Fc ersielt. Obgleich es theoretisch möglich ist, daß # gleich Null ist, liegt die
untere Grenze fUr unter prairtiechen Bedingungen bei etwa 5° und vorzugeweisa bei
etwa 15°.
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Wenn # gleich 180° ist, ist die Druckkraft Fc (in der Ausführungsform
naob Fig. 3) gleich ull; in diesem Falle müßte die für das erfindungsegemäße Vorfahren
erforderliche Druckkraft zwangsläufig durch andere Mittel als den Ziehvorgang zugeführt
werden. Um also die zur Druchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche
Druckkraft nur aw den Ziehkräfton F1 und F2 abzuleiten, mus # kleiner als 180° sein.
Obgleich eins Druckkraft und infolgedessen eine seitliche Orientierung bei Jedes
Winkel i ron unter 1800 erhalten wird, ist der Winkal # aus praktischen Gründen
zwsckmäßig nicht größer als 175° und vrozugsweise nicht größer als 16°.
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Auf jeden Fall darf die Druckkraft FC in der in Figur 3 dargestellten
Ausfürhungsform die Summe der zum Ziehen benötigten Kraft und der Zerreißlast nicht
übersteigen. Bei den für die repräsentativen Werte für F1 und F2 erwähnten nichtorientierten
Polyolefinbändern und -rundschnüren beträgt dieser absolute Höchstwert für Fc annäherend
27 kg.
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Die Druckbeanspruchung entspreicht in jedem gegebenen Fall der druckkraft
Fc dividiert durch die Fläche, über die sie wirkt. Da die Gesamtdruckkraft am Verjüngungsabsatz
17 ausgeübt wird (dessen Länge in Bewegungerichtung des zu orientierenden Produktes
annährend der Dicke des Produktes in ungeresckter Form entspricht), die die Fläche,
ttber die sie
wirkt, in der Ausführungsform in Figur 3 von derwirksamen
Länge der Druckkante (die in Berührung mit dem darüber gezogenen Produkt gelangende
Länge) multipliziert mit der Breite des untereckten (nicht gezogenen Produktes ab.
In einem typischen Beispiel, in welchem ein Band von etwa 6,25 mm Breite gezogen
wird, liegt diese Flache im Größenbereich von etwa 1 x 10-4 cm2. So kann die Druckbeanspruchung
rur polyolefinbänder oder -schnüre von eben Uber Null bis su etwa 16 800 kg/cm2
betragon. In den weiter unten gegebenen Beispielen lagen die sur Erzielung befriedigender
Ergebnisse orforderlichen Druckbeanspruchungen nicht Uber 700 kg/cm2.
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Die bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene seitliche
Orientierung läßt sich nach der Gleichung S.O. = 100/Wo $(#wohne - #wmit) berechnen,
worin S.O. die seitliche Orientierung, wo die Breite des ohne Anwendung von Druckkraft
gereckten orientierten Produktes, #Wohne die Eifferenz zwischen der Anfangsbreite
und dtr Endbreite beim Racken ohne Anwendung ion Druckkraft und #Wmit die Differenz
zwischen der Anfangsbreita und der End breite beim Recken unter gleichzeitiger Anwendung
einer Druckkraft in im wessntlichen senkrechter Richtung zu. Verjüngungsabsatz ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist schematische in Figur 4 dargestellt, in walcher die Druckkante von der Vorderkante
19 einer Platte 18 gebildet wird. Aufgrund der Form der Platte 18 hat der Winkel
# zwangsläuifg einen Wert von mindestens 90°. Das Produkt 21 wird von einer geeigneten
Vorratsquelle (nicht dargestellt) den gegenläufigen Leit- und Zuführungsrollen 20,20
zugeführt; von dort wird es über die Oberfläche der Platte 18 und dann abwärte in
einem Winkel von # minus 900 au den gegenläufigen Abzugsrollen 22,22 gezogen, wclche
nit einer größeren O Oberflächengeschwindigkeit als die Rollen 20,20 bewegt werden,
um das Produkt 21 beim Übergang über die Ziehkante 19 linear zu recken. Die Platte
18 wird, durch oine geeignete heizvorrichtung (nicht dargestellt) auf eins geeignete
Tsolperatur erhitzt und/oder die Geschwindigkeit der Rollenpaare 20,20 und 22,22
wird so eingestellt, daß der Verjüngungsabsatz des Produktes im wesentlichen mit
der Kante 19 zusammenfällt. Infolge der Lage des Verjüngungsabsatzes und der Änderung
djer Bewegungerichtung des Produktes 21 beim Übergang über die Kante 19 wird auf
den Verjüngungsabsatz eine Druckkraftkompoonente zum hbiaxialen Orientieren des
Produktes 2,1 ausgeübt. Das biaxial orientierte Produkt hartet dann nach Verlassen
der Rollen 22,22 aus undwird auf eine Vorratsrolle 23 aufgewickelt ober durch andere
geeignete Vorrichtungen gesammelt. Selbstvorständlich muß hierbei die im wesentlichen
gerade Druckkante mindestens
genau so breit wie das Produkt 21
sein und ist im allgemeinen wesentlich breiter als dieses.
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Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter erläutert.
Tn diesen Beispielen wurde eine Vorrichtung verwendet, welche im wesentlichen der
in Figur q dargestellten Vorrichtung entsprach. Die Metallplatte (18 in Fig. 4)
war 5 cm lang (in Bewegungsrichtung des Produktes), etwa 2, cm dick und breit genug,
um das darüber gezogene Produkt gens aufzungshmen. Die Platte wurde auf geeignete
Weise (z.B. elektrisch) auf eine Temperatur ermärmt, bei der das Frodukt gereckt
werden konnte und, der Verjängungsabsatz Ii, gerockten Produkt in wesentlichen alt
der Vorderkante 19 der Platte zusammentiel.
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Das in den Beispielen angegenbene Ziehverhältnis ist das Verhältnis
der Oberflächengesohwindigkeit der Absugsrollen 22,22 zur Oberflächeugeschwindigkeit
der Zuführungsrollen 20,20.
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Die Werte fUr die Kräte P1 und F2 wurden duroh Tensiometer gemessen.
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Der Winkel P für die Änderung der Bewegungsrichtung des au orientierenden
Produktes wurde direkt gemessen.
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Der Wert für die im wesentlichen senkrecht zum Verjüngungsabsatz ausgeübte
Druckkraft (in den Beispielen mit T bezeichnet,, was dem Wert 7o in der vorstehenden
Bcschreibung ont3pricht) wurde durch graphische Vektoraddition der Kräfte F1 und
F2 zur Bestimmung der resultierenden Kraft Fr und anschließende Projizierung des
Vektors für Fr auf die Winkelhalbierende von # (d.h. ?ie in Fig. 3 im Winkel 9 zum
s vektor P1 gezeigte Linie) bestimmt.
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Die Breite der biaxial orientierten Produkte wurde optisch gemessen.
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Beispiel 1 In diesem Beispiel bostatd das zu orientierende Produkt
aus einem ungereckten Polypropylenband von 6,25 mm Breite und 7700 Denior. Die Platte
(18 in Pig. 4) wurde auf einen Temparatur von annähernd 1300 0 erhitzt.
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Das. ungereckte Band wurde mit zwei verschiedenen Ziehverhältnissen
und in verschiedenen Winkeln Uber die Ziehkante (Vorderkante 9 in Fig. 4) gesogen.
In allen Fällen wurde der, Verjüngungsabsatz zuerst eingestcllt und dann an der
Ziehkante gehalten.
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Die Brgabnirree sind in der folgenden Tabelle 1 und in den graphischen
Darstellungen in Figur 5 (Ziehverhältnis 5) und Figur 6 (Ziehverhältnis 6) wiedergegeben.
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Tabelle 1 Bisxiale Orientierung von Polypropylenband Ver- Ziehver-
Winkel T@ (3) Breite (mm) des such bältnis orientierten Produktes Nr.
| ia 1000 963 3,75 |
| 1b 1300 763 3,53 |
| 1c 5,0 150° 450 3,55 |
| 1d 180° 0. 3,03 |
| 1e 100° 1212 3,70 |
| 1f 1300 1138 . 3,75 |
| Ig 6,0 150° 800 3,32 |
| Ib 180° 0 2,90 |
Als Zeichen für die seitliche Orientierung der fertigen Bänder wurde dis maximale
seitliche Orientierung unter den Bedingungen dieses Beispiels zu 29,3 3 berechnet,
Es wurde festgestellt, daß die Oberflächen der einachsig orientierten, ohne Druckkraft
gezogenen Bänder (d.h. mit # = 180°) stark gerintelt waren, während die Oberflächen
dedr biaxial orientierten Bänder in allen Fällen im wesentlichen glatt und eben
waren.
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Beipsiel 2 Ein nicht gezogenes Polyäthylenband von 6,25 mm Breite
und 10 800 Denier wurde im wesentlichen auf die gleiche Wise woie in Beispiel t
biaxial orientiert. Das Ziehverhältnis
betrug 6, und der Winkel
# war 100°. Der Durchschnittswert von 10 vorschiedene Breitenmessungen des biaxial
orientierten Produktes betrun 4,32 mm. Demgegenüber wurde beim Recken unter den
gleichen Bedingungen, Jedoch Ohne Druckkraft (d.h. in einem Ziehwinkel # von 1800)
ein Produkt mit einer Durohschnittabraite von 3,63 na erhalten. Die nach dz erfindungsgemäßen
Verfahren unter den genannten Bedingungen erzielte seitliche Orientierung betrug
also 19,3 3. wie in dem vorhergchenden Beispiel wurde festgestellt, daß die Oberflächen
des einachsig orientierten Bandes stark geriefelt waren, während die Oberflächen
des biaxial orientierten Bandes im wesentlichen eben und glatt waren.
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Beispiel 3 Ein Polypropylenband von 6,25 mm Breite wurde auf die gleiche
Weise wie in den vorhergehenden Beispielen mit einem Ziehverhältnis von 4,8 und
in einem Winkel # von 100° biaxial orientiert. Die durchschnittliche Breite (10
Messungen) don biaxial orientierten Produktes betrug 4,90 mm.
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Demgegenüber betrug die durchschnittliche Breite des einachsig ohne
Anwendung von Druckkraft orientierten (d.h. in einem Ziehwinkel # von 180°) Produktes
3,72 mm. Die prozentuale seitliche Orientierung betrug 30,8 %.
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Beispiel 4 Eine Polypropylenschnur von 6000 Denier wurde auf die gleiche
Weise wie in den vorhergehenden Beispielen biaxial orientiert.
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Bei einem Ziehverhältnis von 6 und einem Ziehwinkel # von 100° war
das biaxial orientierte Produkt ein Band von 0,70 mm Breite urd 0,175 mm Dicke.
Das Produkt hatte sehr glatte, im wesentlichen ebene Oberflächen und im wesentlichen
glatte, abgerundete, weitgehend gerade Seiten.
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Wenn die gleiche Schnur einachsig ohm Anwendung von Druckkraft orientiert
wurde, wurde eine Schnur mit im wesentlichen rundem Querschnitt und einem Druchmesser
von etwa 0,40 - erhalten.