DE2030931A1

DE2030931A1 - Verfahren und Form zum Extrudieren flussigen thermoplastischen Matenales, das ein verteiltes chemisches Blähmittel enthalt

Info

Publication number: DE2030931A1
Application number: DE19702030931
Authority: DE
Inventors: Robert Francis Weaver Ebon Paul Naugatuck New Haven Conn Baker (V St A )
Original assignee: Umroyal Ine , New York, NY (V St A)
Priority date: 1969-07-15
Filing date: 1970-06-23
Publication date: 1971-01-28
Also published as: US3608145A; GB1319285A

Description

"Verfahren und Form zum Extrudieren flüssigen thermoplastischen Materiales, das ein verteiltes chemisches Blähmittel enthält¹»

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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit dem Extrudieren von Kunststoffplatten-, -rohren, -stangen und anderen ähnlichen Artikeln.

Speziell ist die vorliegende Erfindung auf die Herstellung von Gegenständen der angegebenen Art gerichtet, deren Besonderheit ein zellularer Kern und eine glatte Außenoberflache ist.

Die Verfahren «um Extrudieren zellularer thermoplastischer Kunststoffe benutzen im allgemeinen ein Gas, das in die Schmelze dea Kunststoffes eingebracht oder sorgfältig mit der Schmelze vermischt wird. Das Gas kann unmittelbar in der Schmelze eingeschlossen sein oder aber auch aus einer in gleicher Weist der Schmelze beigemischten fluchtigen Flüssigkeit entwickelt werden. Dem Kunststoff kann aber auch vor der Behandlung tin Blähmittel zugegeben werden· Als Blähmittel werden Substanzen oder eine Substanz vtritandtn, weicht unter

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dem Einfluß von Temperaturen reagieren oder serfallen und auf diese Weise ein Gas bilden. Kunststoffschmelzen, in denen sich ein Blähmittel zerlegt hat, sind als geblähte oder auch geblasene Kunststoffschmelzen bekannt.

Bei der herkömmlichen Durchführung von Bxtrüdierverfahren wird im allgemeinen ein Extruder benutzt, in welchem die Kunetstoffschmelse in eine Extrudierform getrieben wird, welche am Extruder befestigt ist· Die Extrudierform hat eine Austrittsöffnung, aus welcher die Kunststoffschmelze in Form von Rohren, Bändern oder anderen gewünschten Profilen austritt.

Erfindungsgemäß kann durch Steuerung der unterschiedlichen Innentemperaturen in der Schmelze des thermoplastischen Kunststoffes innerhalb der Extrudierform sowie durch sorgfältige Ausbildung der Porm selbst ein Produkt aus thermoplastischem Kunststoff direkt aus der Vorm extrudiert werden, welches eine gewünschte glatte Außenoberfläche und zugleich einen zellularen inneren Kern besitzt.

Erfindungsgemäß wird eine ungeblähte Kunststoffschmelze, die ein Blähmittel enthält, in eine Extrudierform eingebracht, in welcher sich ein Heiselement befindet. Sas Heiselement wird auf einer Temperatur gehalten, die oberhalb der Zerfalltemperatur de· Blähmittels liegt. Infolgedessen wird die Kunststoffschmelze

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in der Nähe des Heiselementes gebläht oder aufgeschäumt und damit in den lellularan Zustand Überführt, weil eich daa Blähmittel unter des Temperatureinfluss dee Heizelementes zerlegt. Die Form selbst oder daran Körper wird dagegen auf einer Temperatur gehalten, die unter der Zerfalltemperatur des Blähmittels liegt. Das hat zur Folg·, daß das Blähmittel in der Kunstatoffaohmelze in einer gewisaen Entfernung rom fieiselement nicht zerfallen kann, so daß die Kunststoffschmelze in jenen Bereichen nicht «el lular oder ungebläht rerbleibt. Wenn das Heizelement nunmehr in dem Strom der Kunststoffschmelze selbst angeordnet wird, dann wird τοη der form ein extrudiertes Produkt erzeugt, bei dem der Kern oder die Innenseite cellular oder gebläht ist. Die Außenoberflächen und Außenbereiche des extrudierten Produktes bestehen aber aus Kunststoffschmelie, die nicht in die Hähe dea Heizelementes gelangte und Bind daher ungebläht und geben damit dam extrudierten Produkt die gewünschte glatte nicht cellular· Außenoberfläche.

Die Erfindung'wird im folgenden anhand eines Ausführungebeispieles, das in den Zeichnungen dargestellt ist, ausführlicher erläutert.

Fig. 1 seigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung.

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Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung bei abgehobener oberer Hälfte der Form.

Fig. 3 eeigt eine der Fig· 2 entsprechende perspektivische An-» eicht der Bxtrudierform mit teilweise weggebrochener Vorderseite.

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht der Extrudierform im Bereich der Austritteöffnung mit darin befindlicher und austretender Kunststoffschmelze·

Es wird zunächst speziell auf Fig. 1 Bezug genommen, welche eine Extrudierform 1 zeigt, die an einem Extruder 3 mittels eines Adaptere 2 befestigt ist. Ein Schneckenförderer 4 wird ,. dazu benutzt, Schmelze durch eine Extruder leitung 5 hindurch-

zutreiben. Die Geschwindigkeit, mit welcher die Schmelze die Vorrichtung durchsetzt, kann durch die Drehgeschwindigkeit der Förderschnecke 4 beeinflußt werden. Die Temperatur innerhalb der Extrudierform wird mittels hülsen- bzw. stabförmiger He iz-' elemente 6 gesteuert, deren Heizarbeit wiederum auf elektrischem Wege durch Verbindung mit einer elektrischen Stromquelle gesteuert wird, indem Verbindungsleiter 7 an diese Stromquelle herangeführt werden. Es ist offensichtlich, daß andere Heizelemente verwendet werden können, die beispielsweise mit wärme-

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übertragenden Strömungemedien arbeiten.

Die Kunststoffschmelze tritt in den Adapter 2 am Punkte A ein. Am Punkte B tritt die Schmelze in die Form 1 hinein und gelangt in einen Hohlraum G, in welchem sich ein quer angeordneter ■ Zylinder 10 befindet, der ein Heizelement 11 enthält. Die Kunststoff schmelze wird schließlich durch eine Austrittsöffnung 9 ausgestoßen. lippen 8 an der Austrittsöffnung kontrollieren {j Form und Format des extrudierten Produktes. Die Lippen 8 sind zweckmäßigerweise mit scharfen Endkarfcen (wie auch dargestellt) ausgerüstet, um am Austrittspunkte eine übermäßige Heibung zu vermeiden. Die !Temperatur des Zylinders 10 wird oberhalb der Zerfalltemperatür des Blähmittels gehalten, das in der Kunststoffschmelze enthalten ist. Der Körper der Form 1 und die Lippen 8 wiederum werden auf einer Temperatur gehalten, die unter dieser Zerfalltemperatur liegt.

Die Form 1 kann am Adapter 2 durch übliche Hilfsmittel, wie beispielsweise Schrauben 12 befestigt werden.

Fig. 2 zeigt die Form 1 und erläutert, daß diese aus einer oberen und einer unteren Formhälfte 20 und 21 besteht, welche In der Fig. voneinander entfernt dargestellt sind. Sine Aus*» trittsöffnung 25 ira Adapter 2 liefert die Kunststoffsohmels· in eine Leitung 24 und führt sie dadurch um den Zylinder 10 herum, Formendplatten 22 und 23 können, falls erforderlich,

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zusätzliche Heizelemente enthalten«

In der Pig. 3 ist der Fluß der Kunststoffschmelze durch Richtungspfeile angegeben. Die Kunststoffschmelze tritt aus der AustrittBöffnung 25 des Adapters 2 heraus und umfließt den erwärmten Zylinder 10. Die obere und untere Formhälte 20, 21 ist deshalb im Schnitt dargestellt.

Pig. 4 zeigt graphisch, welche Vorgänge ablaufen, wenn die Schmelze eitrudiert wird. Der Zylinder 10 befindet sich oberhalb der Zerfalltemperatur des Blähmittels, das in der Schmelze enthalten ist. Infolgedessen wird das Blähmittel in der Schmelze in unmittelbarer Nachbarschaft des Zylinders zerlegt und bildet in der Schmelze kleine Gras taschen. Die Fläche des auf diese Weise geblähten Bereiches der Schmelze ist mit dem Bezugszeichen 30 versehen. Schmelze, die jedoch in der Nähe des Außenkörpers der Form sowie in der Nähe der lippen 8 entlangfließt, wird auf einer Temperatur gehalten, die unter der Zerfallt eepera tür des Blähmittels liegt. Die Folge davon ist, daß dieser Teil 31 der Schmelze in ungeblähtem Zustande verbleibt« Nach dem Extrudieren ergibt sich ein eitrudiertes Produkt 32, das infolgedessen einen zellularen Kern 30 und eine glatte ungeblähte Haut 31 besitzt.

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Ee ist zu beachten, daß die Dicke der Haut but Illustration erheblich Übertrieben dargestellt wurde· In der Praxis kann · die Haut eine naheeu unbeachtlich kleine Dickedm Vergleich zum : zellularen Kern besitzen» der sich infolgedessen nahezu bis an die Außenoberflache erstreckt. Die Dicke kann jedoch je nach Zweck und Wunsch in der folgenden Weise beeinflußt und gesteuert werden.

Bei einem AusfUhrungsbeispiel wird zur Durchfuhrung des erfindungsgemäß ausgebildeten Verfahrens und Benutzung einer Ausführung ef ο nn der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung «in sog. Baris Standard Extruder benutzt, der eine Bohrung Ton 63,5 mm Durchmesser und 1,5240 m Länge besaß. Die Lippen zeigten eine Breite τοη 152,4 ma und 3,175 Bm öffnung. Mit dieser Vorrichtung wurde ein stabförmiges Heizelement benutzt, das einen Durchmesser τοη 38,1 mm besaß· Dieses Heizelement wurde innerhalb der Form in einem Hohlraum angeordnet, dessen Quer- | schnitt 88,9 mm groß war. Die Achse des Heizelementes befand sich nahezu in der geometrischen Mitte des Hohlraumes. Sin Heizstab mit 25,4 mm Durchmesser konnte in der gleichen Form ebenfalls mit Erfolg benutzt werden. Zur Erprobung der in τογ-steh ender Weise aufgebauten Form und des Extruders wurde ein Blähmittel benutzt, das im Temperaturbereich zwischen 182,22 und 193t33° zerfiel. Die gemessene Temperatur der Heizstange während der Durchführung des Verfahrens betrug 204,44° C₉

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während die Temperatur des Pormkörpers 165,56° C betrug· Die Förderschnecke des Extruders wurde mit 30 Umdrehungen pro Hinute angetrieben· Das extrudierte Produkt besaß einen zellularen Kern aus thermoplastischem Material und eine glatte Außenhaut·

Wenn sich innerhalb der Extrudierform Künstetoffschmelze befindet, dann setzt sich diese Schmelze aus zwei aneinandergrenzenden Teilmengen zusammen. Die erste oder zentrale Teilmenge befindet sich in einem zellularen Zustand, weil das Blähmittel zerfallen ist und das entstandene Gas in die Schmelze diffundiert, Die zweite oder äußere Teilmenge der Kunststoffschmelze verbleibt jedoch zum größten Teil in nicht zellularem oder ungeblähten Zustand und umhüllt die erste Teilmenge.

Die Wirkung dieses Sachverhaltes besteht darin, daß das aus der Form extrudierte Produkt ein Kunststoffgegenstand ist, der , einen zellularen Kern und eine glatte Außenhülle oder Haut besitzt. Durch geeignete genaue Einstellung der Vorrichtung kann der zellulare Kern praktisch bis an die Außenoberfläche hinaus ausgedehnt werden, so daß nur eine sehr dünne Haut entsteht, falls dies erwünscht ist.

Di· Dicke der glatten Außenhaut, d.h. der im wesentlichen ungeblähten Außenfläche, kann durch Steuerung der Geschwindigkeit beeinflußt werden, mit welcher die Kunststoffschmelze durch

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die Vorrichtung passiert, Diese Geschwindigkeit wiederum wird auf geeignete Weise mittels der Förderschnecke in der Leitung des Extruders beeinflußt. Je schneller die Förderschnecke umläuft) umso höher ist die Geschwindigkeit der Kunststoffschmelze. Je langsamer die Kunststoffschmelze durch die Extrudierform hindurchwandert, umso länger verbleibt sie in der Nähe des Heizelementes und umso ausgedehnter findet der Zerfall des Blähmittels in der Schmelze statt. Wenn daher beispiels- i weise die Schmelze langsam genug bewegt wird, dann wird praktisch die gesamte Schmelze gebläht.

Eine Kontrolle des extrudierten Iroduktes kann durch eine Anzahl von Einstellungen der Vorrichtung erreicht werden. Beispielsweise kann der Abstand zwischen dem Heizelement und der Austrittsöffnung verändert werden. Eine derartige Einstellung ist in der Lage, die Temperaturverhältnisse zwischen dem Körper der Form und dem Heizelemente in der Nähe der Austritts- | öffnung zu beeinflussen. Je größer dieser Abstand ist, umso leichter läßt sich eine Temperaturdifferenz aufrechterhalten· Ein anderer helfender Faktor zur Aufrechterhaltung einer derartigenTemperaturdifferenz besteht in den natürlichen wärmeieolierenden Eigenschaften der in unmittelbarer Nähe des Heizelementes geblähten Schmelze. Dieses Ieoliervermögen verhindert eine übermäßige Wärmeübertragung in den kühleren nicht geblähten Bereich der Schmelze, die in der Nachbarschaft der Wandung des Formkörpers und der Austrittsöffnung fließt.

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Ea kann daher auch angestrebt werden, daß die Haut auf der einen Seite des extrudierten Produktes dicker als auf der anderen Seite ist. Ein solches Ziel kann wiederum dadurch ver wirklicht werden, daß das Heizelement dichter an eine Hälfte der Austrittsöffnung als an die andere herangebracht wird, oder indem eine getrennte Veränderung der Temperatur einer je den Hälfte des Formkörpers im Bereich der Austrittsöffnung mittels der Heizelemente vorgenommen wird.

Hach dem Austritt aus der Form kann das extrudierte Produkt in übliohen Einrichtungen weiterbehandelt werden.

Beispiele für geeignete Blähmittel sind:

Farne Zerfalltemperatur

in Q

1. Benso-Sulfonyl-Hydrazid 148,89 bis 160,00

2. Azodicarbonamid 165,56 bis 218,33

3. p-Toluol-Sulfonyl-Semicarbazid 223,89 bis 260,00

Es ist offensichtlich, daß auch andere bekannte kommerzielle Bähmittel außer den vorstehend genannten verwendet werden können, vorausgesetzt, daß diese eine hoch genug liegende Zerfalltemperatur zeigen, um in einer Kunststoffschmelze, die sich in einem extrudierbaren Zustand befindet, in unzerfallenem Zustand gehalten werden zu können. Die genaue Zerfalltemperatur

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innerhalb des oben angegebenen Bereiches der Blähmittel hängt von dem jeweils verwendeten thermoplastischen Material ab, mit dem zusammen das Blähmittel benutzt wird« Zwei thermoplastische Materialien, die erfolgreich benutzt worden sind, sind Acrylonitril Butadienstyren-Polymere (im allgemeinen als ABS-Harze genannt) und Polyvinylchlorid. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung dieser speziellen thermoplastischen Materialien begrenzt, denn es können praktisch alle bekannten thermoplastischen Werkstoffe und Materialien zur Durchfuhrung der Erfindung benutzt werden. Es können auch unterschiedliche thermoplastische Materialien in wechselnden Verhältnissen gemischt werden, um bestimmte physikalische Eigenschaften zu erreichen.

der Durchführung des erfindungegemäß ausgebildeten Verfahrens wurden fast unverändert sog. chemische Blähmittel benutzt, d.h. es wurden Verbindungen angewendet, die gleichförmig Über die Gesamtmenge des thermoplastischenMaterial-es verteilt werden können und welche chemisch zerlegt werden, wenn sie auf eine hinreichend hohe Temperatur erhitzt wurden· Beim Zerlegen geben diese Blähmittel Gase frei, die dem thermoplastischen Material wiederum die zellulare Form verleihen. Normale Zellen, die durch Gasentwicklung entstehen, sind geschlossen, d.h. sie stehen miteinander nicht in Verbindung oder zumindest überwiegend nicht miteinander in Verbindung.

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Obzwar im Aueführungsbeispiele ein quer angeordnetes Heizelement in Zylinderform gezeigt wurde, können auch andere Querschnitte, beispielsweise stromlinienförmige Querschnitte benutzt werden.

Bei der praktischen Verwirklichung der Erfindung wurde oft ein platten- oder bandförmiges Produkt erzeugt, in dem in der aus den Zeichnungen ersichtlichen und im vorstehenden erläuterten Weise vorgegangen wurde. Dabei wurde Kunststoffschmelze, die aus dem Adapter 2 austrat, durch den Querschnitt der Austrittsöffnung 25 des Adapters hindurchgetrieben und dabei gezwungen, allmählich eine Blattform mit zunehmender Breite und abnehmender Höhe anzunehmen, während sich das Material in der leitung 25 vorbewegte· Dadurch wurde erreicht, daß das Material beim Kontakt mit dem querliegenden Heizelement 10 bereits in der Platten- oder Bandform angeordnet war und die Breite besaß, die auch das extrudierte 3>rodukt 32 aufweist. Im. Verlauf des Fortschrittes teilte sich d@r Strom der Schmelze dann auf und umfloß das Heizelement 10. Danach vereinigten eich die Teilst röae wieder, wie die ^?ig. 4 zeigt, und bildeten eine platten- oder folienähnliche Maeae, die jedoch ein erheblich größeres Volumen als vor dem ausdehnenden Blähvorgang einnahm, Diese erhaltene Masse wurde dann zwischen den Lippen 8 hindurchextrudiert, um das band- oder plattenförmige extrudierte Produkt 32 zu erzeugen·

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Claims

- 13 Patentansprüche

"Verfahren zum Extrudieren flüssigen thermoplastischen Materiales, das ein verteiltes chemisches Blähmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das , thermoplastische Material in eine Extrudierform eingebracht wird, daß danach ein erster Teil des thermoplastischen Materiales in der Form auf eine Temperatur erwärmt wird, die i oberhalb der Zerfalltemperatur des im Material befindlichen Blähmittels liegt, so daß eine Teilmenge geblähten thermoplastischen Materiales erzeugt wird, und daß ein zweiter Teil des thermoplastischen Materiales in der !orm auf einer unter der Zerfalltemperatur liegenden Temperatur gehalten wird, so daß eine zweite Teilmenge in ungeblähtem Zustand gehalten wird, und daß die erste und zweite Teilmenge des thermoplastischen Materiales aus der Porm extrudiert wird, wobei ein einstückig aus geblähtem und ungeblähtem thermoplastischen Material bestehendes extrudiertes Erzeugnis hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß ein zentraler Teil des thermoplastischen Materiales in der Form kontinuierlich auf eine Temperatur erwärmt wird, die hoch genug iet, um das Blähmittel zu zerlegen, während ein anderer Teil des thermoplastiseben Materlaleß zugleich auf einer Temperatur gehalten wirij die

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niedrig genug ist, um den Zerfall des Blähmittels zu verhindern, β
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet» daS der zentrale und der diesen umgebende Teil des thermoplastischen Materiales durch eine Austrittsöffnung der Extrudierform ausgestoßen werden, wobei ein flaches Blatt gebildet wird, bei dem der umgebende !Teil des Materiales die Außenoberfläehen und der zentrale Teil den Kern bildet„
4. Verfahren sack Anspruch H₉ ä a d'Ur e h g .© - / kennzeichnet® daß das thermoplastische Material derart extrudiert wird, daS der sw®ite Seil den ersten Teil wenigstens teilweise umhüllt·
5. Verfahren nach Anspruch 1, d &-& u r 0 h gekennzeichnet if daß der ©rat© rad »weite Teil. des thermoplastischen Materiales derart extrudiert werden» daß der zweite Teil einen Seil der AmSeaoberflache de© extrudierten Produkte® bildet«
6. Verfahren nach- einem oder mehreren ä&T w&rangekenüen. tentanepröche, dadurch gekannte ich-- net, daS derart extnsiöiert WiM₅, öaS äai @3rt2?mäi©3?t.® Produkt eine glatte AmSemoberf läeM© ame

plastischem Material Und einen Kern aus gebläktem zellularen thermoplastischem Material erhält.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η -ze i c h η et, daß das thermoplastische Material zur Erzielung der gewünschten Dicke der glatten Außenoberfläche mit einstellbarer Geschwindigkeit durch die Extrudierform geführt wird.
8. Form zum Extrudieren einer Schmelze aus thermoplastischem Material, die ein Blähmittel enthält, d a d u r eh gekennzeichnet , daß ein Außenkörper (1) mit darin befindlichem Hohlraum (c) eine Öffnung (25) aufweist, durch die die Schmelze von außerhalb der Form in den Hohlraum einführbar ist, wobei zum Extrudieren der Schmelze eine mit dem Hohlraum kommunizierende Austritte-Öffnung (9) vorgesehen ist, welche zum Erzeugen eines flachen, plattenartigen txtrudierten Produktes eine langgestreckte Form aufweist, und daß im Hohlraum unmittelbar in der Bewegungebahn der Schmelze durch den Hohlraum eine Heiz einrichtung (11) angeordnet ist, die sich quer Über die Austrittsöffnung erstreckt.

9· Form nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung die Gestalt

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eines Zylinders (10) aufweist, welcher achsparallel zur Austrittsöffnung angeordnet ist.

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L e e r s e i t e