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Thermoplastischer Vorformling aus im wesentlichen amorphen Äthylenterephthalatpolymeren
Die Erfindung bezieht sich auf einen thermoplastischen rohrförmigen Vorformling
aus im wesentlichen amorphen Äthylenterephthalatpolymeren und -copolymeren von einer
inhärenten Viskosität von mindestens etwa 0,55, die sich besonders für die Herstellung
von Hohlkörpern, wie Flaschen, eignen.
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Zum Abfüllen kohlensäurehaltiger Getränke geeignete thermoplastische
Flaschen, die beim Abfüllen unter einem gewissen autogenen Druck stehen, müssen
die für eine derartige Verwendung erforderlichen Eigenschaften aufweisen. Diese
Eigenschaften bestehen in der erforderlichen Festigkeit, um das Getränk unter Druck
zu halten, der 6,8 atü betragen kann, ohne dass ein merkliches Kriechen oder ernsthafte
Verformung innerhalb des Temperaturbereiches von etwa 0 - 50 0C eintritt. Darüber
hinaus muss die Flasche eine geringe Durchlässigkeit aufweisen, insbesondere für
Kohlendioxid und Sauerstoff. Der ständige Verlust von Kohlendioxid aus kohlensäurehaltigen
Getränken oder das. Eindringen von Sauerstoff
in ein Getränk, wie
Bier, verkürzt die Lebensdauer und verändert den Geschmack des Getränkes.
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Es sind mehrere Methoden bekannt, hohle, thermoplastische Gegenstände
herzustellen. Eine Methode ist das Blasformen. Bei dem üblichen Blasformen wird
zuerst ein Vorformling hergestellt, indem ein durch Hitze erweichtes thermoplastisches
Rohr stranggepresst und der Boden abgequetscht wird, oder es wird eine blasbare
geowetrische Form direkt spritzgegossen. Dann wird der Vorformling in eine Blasform
eingebracht und aufgeblasen. Das Polymere wird stranggepresst und bei erhöhter Temperatur
geblasen, nämlich oberhalb des Temperaturbereiches der Orientierung des Polymeren.
Der so hergestellte Hohlkörper ist nicht biaxial orientiert. Dieses Verfahren ist
wirtschaftlich, aber relativ langsam und - was am wichtigsten ist, die so hergestellten
Hohlkörper lassen die notwendige Festigkeit vermissen, um zum Abfüllen von Getränken
unter Druck verwendet werden zu können.
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Es ist auch bekannt, den rohrförmigen thermoplastischen Vorformling
vor dem Aufblasen axial zu recken, um den herzustellenden Behälter biaxial zu orientieren,
aber auch diese Abänderung des Blasverfahrens führt nicht zu Flaschen, die sich
zum Lagern von unter Druck stehenden Flüssigkeiten eignen.
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Andere Verfahren gehen von einem massiven Vorformling aus, der stranggepresst
und dann aufgeblasen wird. Bei diesen Verfahren erfolgt jedoch keine Längsverstreckung
der Wandteile, und es wi#rd nicht die erforderliche Festigkeit aufgebaut. Die Verwendung
eines massiven Rohmaterials ergibt auch die Schwierigkeit, dass das Material , das
ursprünglich an der äusseren Symmetrieachse des Rohlings lag, an der Innenwand des
hergestellten Gegenstandes eine extreme Rauhheit und andere Oberflächenbeschädigungen
aufweist. Die Anwendung höherer Temperaturen während der iierstellung des Gegenstandes
führt zwar dazu, dass diese unerwünschten Eigenschaften vermindert werden, die Snw~ndung
höherer Temperaturen kann jedoch zwecklos sein, da die bei
der Orientierung
möglicherweise gewonnene Festigkeit des plastischen Materials während der Flaschenherstellung
durch Hitzerelaxation wieder verlorengeht.
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Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Kunststoffvorformlings,
der zur Herstellung von Flaschen verwendet werden kann, die sich zum Abfüllen von
Flüssigkeiten unter Druck, wie kohlensäurehaltigen Getränken und Aerosolen, eignen,
die nicht durchlässig für Gase und Flüssigkeiten sind, und in denen sich die abgefüllten
Flüssigkeiten lange Zeit lagern lassen, ohne eine Veränderung zu erfahren.
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Der thermoplastische Vorformling ist als Rohr ausgebildet, das an
beiden Enden oder nur an einem Ende offen ist. Im letzteren Falle kann er als "blinder
Vorformling" bezeichnet werden.
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Der Vorformling wird durch Strangpressen oder Spritzguss hergestellt.
Er kann gegebenenfalls schon von vornherein biaxial orientiert sein. Falls ein bereits
orientierter Vorformling verwendet wird, erfolgt eine weitere Orientierung beim
Strangpressen, Ausrecken und Aufblasen. Der Vorformling soll praktisch amorph sein
und einen kristallinen Anteil von nicht mehr als 5 % aufweisen, und er soll im Aussehen
klar sein. Wenn eine gefärbte Flasche hergestellt werden soll, kann das Färbemittel,
wie ein Farbstoff, dem den Vorformling bildenden Kunststoff zugesetzt werden.
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Die-Brauchbarkeit des Vorformlings wird nachfolgend an Hand der Herstellung
einer Flasche aus einem gegebenenfalls pigmentierten biaxial orientierten Äthylenterephthalatpolymer
oder -copolymer mit einer an sich bekannten Dichte von 1,331 bis 1,402 und einer
inhärenten Viskosität von mindestens 0,55 gezeigt, deren Wandteil dünn ausgebildet
ist und deren Gewicht : Volumen-Verhältnis in dem Bereich zwischen 0,005 : 1 bis
0,2 : 1 liegt.
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Die biaxiale Orientierung wird erzielt, indem das Polymerisat durchschnittlich
bis zu etwa 4-mal in Axialrichtung und etwa 2,5 bis 7-mal in Umfangsrichtung verstreckt
wird. Die so hergestellte Flasche weist nicht nur verbesserte Festigkeitseigenschaften
auf, sondern auch eine verminderte Durchlässigkeit gegenüber Kohlendioxid, Sauerstoff
und Wasser. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestdlte Polyäthylenterephthalatflaschen
weisen eine Dichte von etwa 1,331 bis 1,402 auf, und der zylinderförmige Teil der
Flasche hat eine axiale iugfestigkeit von etwa 351,54 bis 2109,24 kg/cm2, eine Umfangszugfestigkeit
von etwa 1406,2 bis 5624,8 kg/cm2, eine axiale Fliessspannung von mindestens 281
kg/cm2 und eine Umfangsfliessspannung von mindestens 492,1 kg/cm2. Für diese Flaschen
ist eine Wandstärke von etwa 0,2539 bis 0,762 mm und eine Verformungskonstante,
die gleich der Kurve des Logarithmus (reziproker Wert der Dehnungsgeschwindigkeit)
gegen die Dehnung aufgetragen mit einem Wert von mindestens 0,65 ist, typisch.
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Der rohrförmige thermoplastische Vorformling bzw. Rohling wird durch
eine ringförmige Durchtrittsöffnung in eine gleitfähige Form stranggepresst, wobei
die Form am einen Ende eine wulstartige Ausnehmung aufweist, um das Extrudat aufzunehmen;
dann lässt man die Form an der Strangpressöffnung vorbeigleiten, während das Strangpressen
fortgesetzt wird. Dabei wird is Material verstreckt, während es gleitet. Gleichzeitig
wird das .Material gegen die Innenwände der Form gepresst, indem ein Fluid-als Druckmittel
in das Innere des geformten Hohlkörpers eingeleitet wird.
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Die Vorrichtung, die für die Herstellung der Flasche verwendet wird,
besteht im wesentlichen aus: (a) einer gleitbaren Blasform; (b) einer ringförmigen
Strangpressöffnung, die im Hohlraum der Blasform angeordnet ist; (c) Mitteln zum
Auspressen eines rohrförmigen thermoplastischen
Vorformlings durch
die ringförmige Strangpressöffnung in die Form; (d) Mitteln in der Form, um das
Extrudat aufzunehmen, und einen ringförmigen Wulst an ihm anzuformen; (e) Mitteln
zum Gleiten der Form aus einer ersten Stellung in eine zweite Stellung relativ zur
Strangpressöffnung, während das thermoplastische Rohmaterial kontinuierlich stranggepresst
und unter Bildung eines Zylinderkörpers in das Innere der Form gezogen wird; (f)
Mitteln zum Einführen eines Fluids in die Blasform, um das Material an die Innenwand
der Blasform auszudehnen, sowie im Bedarfsfall (g) Mitteln zum Drücken der Hinterkanten
des Hohlkörpers radial nach innen zur Mitte hin unter Bildung eines einstückigen
Verschlusses.
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Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung mit
Mitteln zum Antreiben der beweglichen Teile.
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Fig. 2 stellt eine schematische Darstellung der Hauptteile der Vorrichtung
nach Fig. 1 dar und zeigt die Hydraulik, die Anlage für die Fluidströmung und die
elektrische Anlage zum Antreiben und Regulieren der Vorrichtung.
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Fig. 3 ist ein Teilquerschnitt der Vorrichtung während des Anfangsstadiums
der Formung der Flasche und zeigt einen ringförmig geformten Wulst.
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Fig. 4 ist ein Teilquerschnitt der Vorrichtung während des Zwischenstadiums
der Flaschenherstellung und zeigt das Stadium des Strangpressens des nichtgeschmolzenen
Vorformlings in Kombination mit dem Aufblasen durch die Wirkung des strömenden Mediums.
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Fig. 5 zeigt einen Teilquerschnitt der Vorrichtung nach beendeter
Herstellung der Flasche.
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Fig. 6 ist ein vergrösserter Teilquerschnitt eines Teiles der
Vorrichtung
in der Lage, die in Fig. 5 gezeigt ist und die den Raum um die ringförmige Strangpressöffnung
kurz vor dem Ende des kombinierten Strangpress- und Blasvorganges detailliert darstellt.
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Fig. 7 zeigt einen vergrösserten Teilquerschnitt entsprechend der
Fig. 6, aber unter Sichtbarwerden des Bereiches um die ringförmige Strangpressöffnung
nach beendeter Formung der Flasche.
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Fig. 8 und 9 sind Teilquerschnitte einer Vorrichtung, die dafür geeignet
ist, Polymere mit geringer Anpassbarkeit an die Form zu verarbeiten.
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Fig. 10 zeigt eine in der Vorrichtung der Fig. 9 hergestellte Flasche.
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Fig. 11 ist ein Teilquerschnitt einer anderen Ausführungsform mit
einem gleitenden Mittelstab, der in seiner Endstellung gezeigt ist.
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Fig. 12 ist ein Teilquerschnitt der Ausführungsform, die in Fig.~ll
gezeigt ist, wobei der Mittelstab im Zwischenstadium des Zurückziehens gezeigt ist.
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Fig. 13 ist ein Teilquerschnitt der Ausführungsform, die in Fig. 11
gezeigt ist, mit völlig zurückgezogenem Mittelstab.
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Die Flaschen besitzen im allgemeinen einen zylindrischen Mittelkörper,
wie er für die Form von Sprudel- und Bierflaschen typisch ist. Sie sind biaxial
orientiert, haben Dichten von etwa 1,331 bis 1,402 und können durchsichtig und glänzend,
ohne Trübung, hergestellt werden, sie können aber auch gefärbt werden, indem man
dem Polymeren einen Farbstoff zusetzt. Ihre physikalischen Eigenschaften, wie hohe
Zugfestigkeit, geringe Verformung bei einem niedrigen Gewicht-zu-Volumen-Verhältnis,
hohe Schlagfestigkeit und gute Durchlässigkeitseigenschaften, machen sie zum Lagern
von Flüssigkeiten unter Druck geeignet.
Polyäthylenterephthalate,
die für den Vorformling brauchbar sind, sind (a) Polymere, in denen mindestens etwa
97 % des Polymeren wiederkehrende Äthylenterephthalateinheiten der Formel
sind und der Rest aus kleineren Mengen von Ester-bildenden Komponenten besteht und
(b) Mischpolymerisate des Äthylenterephthalates, bei denen bis zu etwa 10 Mol% des
Mischpolymerisates aus Monomereinheiten von Diäthylenglykol, Propan-1,3-diol, Butan-1,4-diol,
Polytetramethylenglykol, Polyäthylenglykol, Polypropylenglykol, 1,4-Hydroxymethylcyclohexan
und dergleichen und aus Monomereinheiten von Isophthalsäure, Diphensäure, i#aphthalin-l,4-oder
2,6-Dicarbonsäure, Adipin-, Sebacin-, Decan-l,10-dicarbonsäure und dergleichen aufgebaut
sind.
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Die jeweiligen Grenzen hinsichtlich des Comonomergehaltes werden durch
die Einfriertemperatur des Polymeren bestimmt. Es wurde gefunden, dass - wenn die
Einfriertemperatur einen Wert von etwa 50 OC unterschreitet - ein Mischpolymerisat
mit weniger günstigen mechanischen Eigenschaften entsteht. Dies entspricht der Zugabe
von nicht mehr als etwa 10 Mol eines Comonomeren. Eine Ausnahme bildet hier beispielsweise
die Zugabe von Diphensäure, bei der die Einfriertemperatur des Mischpolymerisates
über 50 OC bleibt und nicht mit der Zugabe von mehr als 10 MolE abfällt.
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Darüber hinaus kann das Polyäthylenterephthalatpolymerisat verschiedene
Zusätze enthalten, die das Polymere bei seiner Verwendung nicht ungünstig beeinflussen.
Derartige Zusatzstoffe sind Stabilisatoren, wie Antioxidantien oder Mittel, die
ultraviolettes Licht abschirmen, Strangpresshilfsmittel, Zusätze, die dazu bestimmt
sind, das Polymerisat leichter abbaubar und verbrennbar zu machen, wie Oxidationskatalysatoren,
sowie Farbstoffe oder Pigmente.
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Das Polyäthylenterephthalat soll eine inhärente Viskosität
(liege
Polymerkonzentration in einer 37,5 bzw. 62,5 cr#ew.%igen Lösung von Tetrachloräthan
bzw. Phe#nol bei 30 OCI von mindestens 0,55 aufweisen, um die gewünschten Endeigenschaften
in der Flasche zu erhalten, und vorzugsweise beträgt die inhärente Viskosität mindestens
0,7, um eine ausgezeichnete Zähigkeit, d.h.
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Schlagfestigkeit, zu erhalten. Die Viskosität der Polymerlösung wird
im Verhältnis zum Lösungsmittel allein gemessen;
wobei C die Konzentration bedeutet, ausgedrückt in g Polymeres pro 100 ml Lösung.
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Die biaxiale Orientierung verleiht den Flaschen bessere physikalische
Eigenschaften, wie eine verbesserte Zugfestigkeit und Fliessspannung.
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Die biaxiale Orientierung wird erzielt, indem das Äthylenterephthalatpolymerisat
in axialer und in Umfangsrichtung während der Herstellung der Flasche gereckt wird.
Die molekulare Orientierung erfolgt durch eine durchschnittlich bis zu etwa 4fache
Reckung in Axialrichtung und eine etwa 2,5 bis 7fache Reckung in Umfangsrichtung.
Vorzugsweise erfolgt die Reckung bei Orientierungstemperatur, d.h. über der Einfriertemperatur
und unter dem Kristallschmelzpunkt.
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Der Orientierungsgrad kann nach bekannten Methoden bestimst werden.
Eine Bestimmungsmethode ist im Journal of-Polymer Science 47 (1960), Seiten 289
bis 306 und im Journal of Applied Polymer Science 9 (1965), Seite 2661 beschrieben.
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Die biaxiale Orientierung führt zu ausgezeichneten Festigkeitseigenschaften.
Die Flasche hat nicht an jeder Stelle den gleichen Orientierungsgrad, jedoch haben
diejenigen Bereiche, die weniger orientiert sind, eine grössere Wandstärke
als
die stärker orientierten Bereiche. Dadurch ist die Gesamtfestigkeit relativ noch.
Der zylinderförmige Teil hat die niedrigste Wandstärke, ist aber am stärksten orientiert.
Der zylinderförmige Teil der Flasche zeichnet sich vorzugsweise durch folgende mechanischenWerte
aus: Eine axiale Zugfestigkeit von etrza 351,5 - 2109,2 kg/cm2, eine Umfangszugfestigkeit
von etwa 1406,2 - 5624,8 kg/cm2, eine axiale Fliessspannung von mindestens 281,2
kg/cm2 und eine Umfangsfliessspannung von mindestens 492,1 kg/cm2. Die Werte der
Zugfestigkeit und der Fliessspannung werden nach ASTM D 882, betitelt "Tensile Testing",
bestimmt.
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Die Dichte (in g pro cm³) der Flasche kann zwischen etwa 1,331 und
1,402 liegen. Die Dichte wird nach ASTM 1505, betitelt "Density Gradient Technique,
bestimmt. Die Dichte ist ein Mass für die Kristallinität; der angegebene Dichtebereich
entspricht einem Kristallinitätsbereich von etwa 0 - 60 %. Die prozentuale Kristallinität
wird nach der folgenden Gleichung berechnet:
wobei Ps = die Dichte der Probe (in g/cm3) Pa = 1,333 (g/cm3), die Dichte eines
amorphen Filmes von 0 % Kristallinität und Pc = 1,455 (g/cm3>, die aus den Parametern
der Einheitszelle berechnete Dichte des Kristalls.
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Die Flaschen können in Axialrichtung unterschiedliche Kristallinitäten
aufweisen. In dxsem Fall kann die Flasche gegebenenfalls hitzegehärtet werden, um
eine gleichmässige Kristallinität zu erreichen.
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Orientierung und Kristallinität konkurrieren unter gewissen -Bedingungen
miteinander. Beispielsweise bedeutet ein zunenmender Orientierungsgrad eine zunehmende
Zugfestigkeit, die
thermische Stabilität der Flasche wird aber
gleichzeitig erniedrigt. Um dies auszugleichen, kann die Flasche hitzegehärtet und
damit die Kristallinität erhöht werden.
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Die Kristallinität hat auch Bedeutung für die Sperreigenschaften,
insbesondere die Durchlässigkeit. Beim Abfüllen von kohlensäurehaltigen Getränken
unter bruck, wie Sprudel oder Bier, ist es wichtig, dass einerseits Kohlensäure
und Wasser in dem Getränk unverändert erhalten bleiben, andererseits aber Verunreinigungen,
wie Sauerstoff, ferngehalten werden.
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Es wurde gefunden, dass eine Zunahme der Kristallinität die Durchlässigkeit
von Kohlendioxid, Sauerstoff oder Wasserdampf erniedrigt. Das Ausmass der Durchlässigkeit
während der Verwendung der Flasche hängt von vielen Faktoren, wie von der Gesamtoberfläche
Flasche, der Umgebungstemperatur, dem Innendruck der Flasche und der Art und Menge
der in der Flasche befindlichen Flüssigkeit ab.
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Wenn die Kristallinität der Flasche mindestens etwa 15 % (Dichte etwa
1,348) beträgt und die Flasche auf konventionelle Weise zum Abfüllen von Sprudel
oder Bier verwendet wird und übliche Flaschengrössen, d.h. 177,4 ml-, 236,7 ml-,
295,8 ml-, 354,8 ml- oder 473,4 ml-Flaschen, zum Einsatz kommen, reicht der Grad
der Undurchlässigkeit aus, um dem handelsüblichen Standard zu entsprechen. Beispielsweise
verlieren Flaschen, die bis zu etwa 473,4 ml Sprudel ods Bier unter einem autogenen
Druck von etwa 5,1 atü bei Zimmertemperatur, d.h. bei etwa 25 0C, enthalten, deren
Wanddicke zwischen 0,2539 - 0,7620 mm liegt und deren Gewicht-zu-Volumen-Verhältnis
(in g bzw. cm3) etwa 0,2 : 1 bis 0,005 : 1 beträgt, in 30 Tagen nicht mehr als 15
% Kohlendioxid; der Sauerstoff, der durch den Mantel in die Flüssigkeit eindringt,
beträgt nicht mehr als 5 Teile pro Million Teile in 30 Tagen und die Wassermenge,
die die Flüssigkeit verliert, beträgt nicht mehr als 5 % Wasser in 90 Tagen.
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Die Rohlendioxiddurchlässigkeit wird bestimmt, indem man die Flasche
unter einen Kohlendioxiddruck von 5,1 atü setzt und verschliesst und in eine Vakuumkammer
einbringt, deren vakuum 0,001 mm Hg beträgt. Nachdem Gleichgewichtsbedingungen erreicht
sind, wird der Druckanstieg in der Vakuunkammer in Abhängigkeit von der Zeit gemessen.
Man kann auch die gleiche unter Druck stehende Flasche in eine geschlossene Kammer
er.-bringen, die von Stickstoff durchströmt wird. Der Gasstrom wird im Natriumhydroxidbad
gewaschen; die Titration des NatriunMydroxids ergibt die Menge an Kohlendioxid,
die beim Vorbeiströmen des Stickstoffstromes an der Flasche aufgenommen wurde. Die
Kohlendioxidmenge pro Zeiteinheit gibt die Geschwindigkeit an, mit der Kohlendioxid
die Wand durchdringt.
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Die Sauerstoffdurchlässigkeit wird bestimmt, indem man eine mit gasfreiem
Wasser gefüllte,verschlossene Flasche bei Zimmertemperatur und Zimmerdruck lagert
und periodisch den Sauerstoffgehalt des Wassers in der Flasche nach bekannten Methoden
bestimmt, d.h. durch potentiometrische Titration mit der Silberelektrode.
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Die Wasserdurchlässigkeit wird bestimmt, indem man ein Trockenmittel
in #eine trockene Flasche einbringt, die Flasche verschliesst, bei 37,8 0C in einer
Atmosphäre von konstanter relativer Feuchte von 100 % lagert und anschliessend die
Flasche periodisch wiegt, um die Wassermenge, die von dem Trockenmittel aufgenommen
worden ist, zu bestimmen. Man kann auch die Flasche mit Wasser füllen, auf einen
autogenen Druck von 5,1 atü bringen, verschliessen und dann in eine Atmosphäre von
einer relativen Feuchte von etwa 15 % bei 25 °C einbringen und periodisch den Wasserverlust
durch Wägung ermitteln.
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Eine andere Eigenschaft, die wichtig ist, damit die Flaschen zum Abfüllen
von unter Druck stehenden Flüssigkeiten verwendet werden können, besteht darin,
dass die
Flasche einem relativ geringen Kriechen unterliegt, besonders
bei dünnwandigen Flaschen mit niedrigem Gewicht. Unter Kriechen versteht man die
Verformung des Gegenstandes bei Beanspruchungen. Die Kriechfestigkeit hängt von
vielen Faktoren ab,#wie vom Beanspruchungsgrad, von der Art des Polymeren, von seinem
physikalischen Zustand, von der Umgebungstemperatur und von der Zeitdauer, der die
Flasche einer Beanspruchung ausgesetzt wird. Wenn man das Kriechen bei einer im
allgemeinen zylinderförmigen Flasche betrachtet, so ist auch die Grösse und Form
der Flasche von Bedeutung. Nimmt ausserdem der autogene Druck in der Flasche durch
Temperaturanstieg zu, so muss die Kriecnfestigkeit über einen ausreichenden Temperaturbereich
und Druckbereich hinweg konstant bleiben. Bei typischen Verwendungen der Flasche,
wie zum Abfüllen von Bier oder Sprudel, beträgt dieser Temperaturbereich etwa 0
- 50 0C und der Druckbereich etwa 0 - 6,8 atü.
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Der in der Flasche auftretende Beanspruchungsgrad zum Halten einer
unter Druck stehenden Flüssigkeit, wie eines kohlensäurehaltigen Getränkes, ist
direkt proportional dem autogenen Druck in der Flasche, dem Flaschendurchmesser
und umgekehrt proportional der Wandstärke.
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Die Beanspruchung kann in erster Näherung durch die Gleichungen: 6-
Umfang = Pr/t ¢ Axial = Pr/2t ausgedrückt werden, wobei 6t die Beanspruchung, P
der autogene Druck, r der Radius des geraden Zylinderquerschnittes und t die Mantelstärke
ist.
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Typisch für eine gebrauchs tüchtige Flasche von einem Durchmesser
von etwa 5,08 cm und einer IJandstärhe des zylinderföfl:iigen Teils von etwa 0,508
nm bei Zimmertemperatur, die unter einem Druck von etwa 5,1 atü steht, ist, dass
sie einer Unfangsbeanspruchung von etwa 264 kg/cm² widersteht.
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Dünnwandige Flaschen sind aus Preisgründen ssnschenswert. Jedoch werden
dünne Wandungen starker beansprucht und erfordern eine höhere Kriechfestigkeit.
Biaxiale Orientierung erhöht bei sonst gleichbleibenden Bedingungen die Fliessspannung
der Flasche und ist daher sehr wichtig.
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Das Kriechen wird im allgemeinen an dem Polymeren bestimmt, indem
eine Probe einer feststehenden Belasung, d.h. Spannung, bei konstanter Temperatur
ausgesetzt wird und die Dehnung als Funktion der Zeit bestimmt wird. Die Kurven
für thermoplastische Kunststoffe haben eine charakteristische Form, bei denen die
Dehflungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit abnimmt.
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Beim Auftragen des Logarithmus des reziproken Wertes der Dehnungsgeschwindigkeit
gegen die Dehnung ergibt sich ein linearer Verlauf der Kurve über einen wesentlichen
Teil der Kriechkurve. Die Neigung des geradlinigen Segmentes, die hier als Verformungskonstante
bezeichnet wird, wird ausgedrückt als:
wobei DC die Verformungskonstante ist, dt = das Differential nach der Zeit und dG
= das Differential nach der Dehnung.
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Die Verformungskonstante kann verwendet werden, um das Kriechverhalten
zu vergleichen, indem die Neigung der Kurven verglichen wird. Eine Verformungskonstante
gleich 0 zeigt, dass die Probe sich mit ihrer natürlichen Dehnungsgeschwindigkeit
ausdehnt, oder dass für die festgestellte Belastung die Dehnunasgeschwindigkeit
konstant
bleibt. Eine Verformungskonstante gleich unendlich zeigt, dass keine messbare Dehnung
vorhanden ist.
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Für die Flaschen beträgt die Verformungskonstante mindestens etwa
0,65, das bedeutet eine Verformung von weniger als 5 % in 100 Stunden bei 50 0C
und einem autogenen Druck von 5,1 atü.
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Die Zähigkeit oder Schlagfestigkeit hängt von der inhärenten Viskosität
des Polyäthylenterephthalates ab. Im allgemeinen nimmt mit steigender inhärenter
Viskosität die Schlagfestigkeit der Flasche zu. Dies zeigt sich an einem Falltest,
bei dem eine Flasche gefüllt und unter typischen Abfüllbedingungen unter einem autogenen
Druck von 4,08 atü verschlossen wird.
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Man lässt die Flasche auf einen Betonboden fallen, so dass die Aufschlagstelle
an der Kante der Basis liegt. Beim Testen der Flaschen, die auf ähnliche Weise hergestellt
sind, jedoch andere inhärente Viskositäten aufweisen, ist gefunden worden, dass
beim Fallen bei 0 OC (a) Flaschen mit einer inhärenten Viskosität von 0,85 durchschnittlich
einen Fall aus 1,83 m Höhe überstehen, aber bei einem Fall aus 2,44 m Höhe versagen,
d.h. zerbrechen; (b) Flaschen mit einer inhärenten Viskosität von 0,95 durchschnittlich
2 Fälle aus einer Höhe von 2,44 m überstehen, aber beim dritten Fall versagen, und
(c) Flaschen mit einer inhärenten Viskosität von 1,1 fünf Fälle aus einer Höhe von
2,44 m überstehen.
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Die zur Herstellung der Flaschen verwendete Vorrichtung wird anhand
der Zeichnungen beschrieben. Wie in den Fig. 3 bis 5 dargestellt wird ein unten
näher beschriebener rohrförmiger Polyäthylenterephthalat-Vorformling 1 zunächst
in einer Strangpresskammer 2 angeordnet, die durch eine Bohrung eines
Strangpresszylinders
3 und die äussere zylindrische Fläche einer mittleren Stützstange 4 gebildet wird.
Ein Hohlraum 5 einer Blasform 6 hat die der Form der gewünschten Flasche entsprechende
Innenausbildung und ist in einer ersten Stellung angeordnet, in der er den Strangpresszylinder
3 umschliesst, wie es besonders in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist. Der in Fig.
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3 gezeigte Hohlraum 5 wird für die Herstellung einer schmalhalsigen
Flasche verwendet, wie sie zum Abfüllen von kohlensäurehaltigen Getränken verwendet
wird.
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Der Strangpresszylinder 3 befindet sich in axialer Ausrichtung mit
einem Dorn 7 mit gleichmässigem Aussendurchmesser, der im wesentlichen der gleiche
ist wie der Innendurchmesser des Flaschenhalses der herzustellenden Flasche. Ein
Druckmitteldurchlass 8 ist in dem Dorn 7 enthalten und weist Druckmittelauslassöffnungen
9 und 10 an dem Ende des Dorns 7 auf, das sich in nächster Nähe des Strangpresszylinders
3 befindet. Zwischen dem Ende des Strangpresszylinders 3 und dem Ende des Dorns
7 befindet sich eine ringförmige Strangpressöffnung 11. Diese Öffnung kann zweckmässig
durch ein abgerundetes Ende 12 des Strangpresszylinders 3 und ein ringförmiges konisches
Teil 13 gebildet werden, das an dem Körper des Dorns 7 befestigt ist.
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Die ringförmige Strangpressöffnung 11, die in den Fig. 6 und 7 in
ihren Einzelheiten gezeigt ist, wird durch die einander gegenüberliegenden Endteile
des Strangpresszylinders 3 und des Dorns 7 begrenzt. Im Querschnittsprofil sind
beide Teile zu einer gekrümmten Form gearbeitet, um einen glatten Übergang von der
ringförmigen Strangpresskalnmer 2 nach aussen und eine Begrenzung für die ringförmige
Strangpressöffnung 11 zu bilden, so dass die Querschnittsfläche dieser Austrittsöffnung
immer konvergent ist. Die Strangpressöffnung 11 wird in Richtung des Ausflusses
zu der äusseren Begrenzung des Strangpressringes allmählich kleiner, der sich in
Nähe des Umfanges des Dorns 7 befindet, von wo das Polymere aus der ringförmigen
Strangpressöffnung 11 austritt, um in den Hohlraum 5 der Blasform 6 einzudringen.
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In Fig. 6 ist die axial gemessene Abmessung der Öffnung 11 mit T bezeichnet.
hier wie in Fig. 7 ist diese Abmessung zur klareren Beschreibung vergrössert dargestellt.
In Wirklichkeit kann die Abmessung "T" je nach den Eiuenschaften des zu verformenden
Kunststoffs und dem Grad der zu erzielenden Orientierung zwischen etwa 0,25 und
1,9 mm liegen. Die Austrittsöffnung 11 ist diejenige Stelle, an der dem Kunststoff
hohe Energie zugeführt und er auf seine Orientierungstemperatur erhitzt wird. Im
allgemeinen erhöht sich der Orientierungsgrad des Strangpresserzeugnisses mit dem
Verhältnis zwischen dem mittleren Durchmesser des StrangpresserzeugnissesStrangpresserzeugnisses
und aeu: mittleren Durchmesser des aus der Durchtrittsöffnung 11 austretenden Rohmaterials.
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Die ringförmige Strangpressöffnung 11 ist - im Querschnitt gesehen
- flächenkonyergent, um einen stabilen Fluss und einen begrenzten Druckabfall zwischen
der Kammer 2 und dem äusseren Teil der Austrittsöffnung 11 beim Strangpressen und
insbesondere zu dem Zeitpunkt zu gewährleisten, in dem die Schliessung des Endes
der Flaschenforin eingeleitet wird; ein hoher Druck in der Kammer 2 in dem Augenblick,
in dem die Stange 4 zurückgezogen wird, gewährleistet, dass das Polymerisat aus
der Kammer 2 unter dem fortgesetzten Druck des Stempels 15 nach innen fliesst, wodurch
der Verscnluss zustande kommt.
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Der Hohlraum 5 hat eine Ringnut 14, die anfangs in der Nähe der Auslassseite
der ringförmigen Strangpressöffnung 11 liegt. Die Blasform 6 mit ihrem Hohlraum
5 kann von der in Fig. 3 gezeigten ersten Stellung in eine in Fig. 5 gezeigte zweite
Stellung bewegt werden.
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Wie Fig. 1 und 2 zeigen, bestehen die Antriebsorgane für die verschiedenen
Teile der Vorrichtung im wesentlichen aus hydraulischen Zylindern oder hydraulischen
Motoren, die auf einem Rahmen 25 angeordnet sind. Der Strangpresszylinder 3 ist
durch einen Flansch an einem waagerechten Rahmen 26 angebracht und konzentrisch
mit dem hohlen Strangpressstempel 15 ausgerichtet, der durch eine nicht gezeigte
Öffnung in dem Rahmen 26 arbeitet. Unter dem Rahmen 26 fluchtet der Stempel 15 mit
ener hohlen, rohrförmigen Kolbenstange
28 eines übersetzungslosen
oder zweiseitig ausfahrbaren hydraulischen Motors 29, der an dem Rahmen 25 befestigt
ist. In der Bohrung des Strangpressstempels 15 befindet sich die mittlere Stützstange
4, die von der Oberseite des Strangpresszylinders 3 vollständig durch den Strangpressstempel15
und die rohrförmige Kolbenstange 28 hindurchläuft. Unter dem unteren Ende der Kolbenstange
28 ist die mittlere Stützstange 4 mit der Kolbens tange eines weiteren hydraulischen
Motors 30 verbunden, der ebenfalls an dem Rahmen 25 befestigt ist.
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Am oberen Ende des Rahmens 25 befindet sich ein schwalbenschwanzförmiges
Gleitstück 31, das mittels des an dem Rahmen 26 befestigten hydraulischen Motors
32 parallel zur Achse des Zylinders 3 verschoben werden kann. Mit dem Gleitstück
31 ist ein Ausleger 33 verbunden, der den Dorn 7 in axialer Ausrichtung mit und
im Abstand von dem Strangpresszylinder 3 trägt. Von dem Rahmen 25 verläuft ehe starre
Abstreifgabel 34 nach aussen, deren Zinken rittlings auf dem Dorn 7 unslttelbar
unterhalb des Auslegers 33 sitzen. Der Dorn 7 kann mittels des Motors 32 in senkrechter
Richtung angehoben werden, um die geformte Flasche von dem Dorn abzustreifen. Ferner
wird dadurch die Strangpresskammer 2 in dem Zylinder 3 freigelegt, so dass ein neuer
Vorformling eingesetzt werden kann.
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Dorn 7 und Strangpresszylinder 3 sind von einer mehrteiligen Form
6 umgeben, die oben und unten. dffnungen aufweist, die axial mit den Teilen 7 und
3 ausgerichtet sind und auf diesen entlanggleiten können. Die Form 6 kann durch
einen auf dem Rahmen 26 befestigten hydraulischen rotor 35 senkrecht verschoben
werden. In Fig. 1 und 2 ist die Form in ihrer untersten Stellung -~gezeigt, in der
sie sich am Beginn des Strangpressvorganges befindet. Die Form 6 besteht aus zwei
symmetrischen Hälften mit einer ebenen Trennfläche. Die Hälften sind durch Scharniere
miteinander verbunden, wie-es in Fig. 1 gezeigt ist, können aber auch auf Gleitvorrichtungen
oder Gestängen angebracht sein, um das Öffnen und Schliessen der Form auf dem Strangpresszylinder
3 und dem Dorn 7 zu errtiöglichen. Ferner
ist noch eine (nicht
gezeigte) bewegliche rlemmeinrichtung vorgesehen, um die Formhälften aneinander
festzuhalten, damit die Form die erheblichen Innendrücke aushalten kann. Derartige
Klemmeinrichtungen sind in der Technik bekannt und bestehen im allgemeinen aus Riegeln,
pneumatischen der hydraulischen Motoren, Schraubklemmen oder dergleichen. Die Wände
der Form können mit Löchern versehen werden.
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Die Formteile können je nach der Art des Rohmaterials Wärmezufuhr
oder Kühlung erfordern, und können mit (nicht dar#gestellten) Mänteln oder Kanälen
für elektrische Beheizung oder Wärmeaustausch mittels strömender Medien verseilen
sein. Der Strangpresszylinder 3 kann ebenfalls Wärmezufuhr oder Kühlung erfordern.
Zu diesem Zweck umgibt ein Mantel 36 den Teil des Strangpresszylinders, der unterhalb
der Form 6 zugänglich ist.
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Im Bedarfsfall kann der Dorn 7 in ähnlicher Weise ausgerüstet sein.
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Die hydraulischen Motoren werden in zeitlicher Schrittfolge durch
verschiedene magnetisch betätigte Ventile und eine elektrische Steuerschaltung gesteuert.
Wie Fig. 2 zeigt, fördert eine Zahnradpumpe 38 Druckmittel aus einem Sumpf 39 in
mehrere Leitungen 40. Der hydraulische Hauptmotor ist der Motor 29, der den Stempel
15 mit einer Geschazindigkeit antreibt, die durch das Profil eines Nockens 23 bestimmt
wird.
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Der Nocken 23 wird an einem Arm 27 durch die Stange 28 getragen und
hat die Auf gabe, einen Schiebewiderstand 51 zu verstellen, um eine der Stellung
des Semsels entsprechende Ausgangsspannung zu erzeugen. Diese Ausgangsspannung wird
einer Servosteuerung 44 zugeführt, die ihrerseits die Tätigkeit des Ventils 43 steuert,
indem die Geschwindigkeit des Druckmittelstromes zum Motor 29 über das Ventil 41
proportional zu der Ausgangsspannung derart geändert wird, dass die Spannung und
der Druckmittelstrom höher werden, wenn der hohe--Teil 23b des Nockens 23 erreicht
wird. Das Ventil 41 ist ein selbstzentrierendes Vierwege-Magnetventil, dessen
Öffnungen,
wie dargestellt, abgesperrt sind, wenn die Elektromagnete nicht erregt sind. Wenn
der Elektromagnet 42 a erregt wird, dreht sich das Ventil im Uhrzeigersinn und lässt
Druckmittel in die Öffnung 29 a des Motors 29 ein, während gleichzeitig die öffnung
29 b mit einer Auslassleitung verbunden wird, so dass Druckmittel aus dem oberen
Teil des Motors 29 über eine (nicht dargestellte) Leitung in den Sumpf 39 zurückkehren
kann. Die Zufuhr von Druckmittel zu der öffnung 29 a drückt den Stempel 28 nach
oben. Wenn der entgegengesetzte Elektromagnet 42b erregt wird, bewegt sich das Ventil
41 entgegen dem Uhrzeigersinn, wodurch der Stempel 28 wieder nach unten getrieben
wird.
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Der Arm; 27 an der Kolbenstange 28 treibt ferner den beweglichen Teil
eines Schiebewiderstandes 24 an, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die proportional
der Stellung der Stange 28 und desstempels 15 ist und sich in ihrer Grösse ändert.
Die Anlage wird durch eine Antriebssteuerschaltung 45 in Tätigkeit gesetzt, die
elektrische Energie von einer Stroitiquelle 46 direkt dem Elektromagneten 42a an
dem Ventil 41 und gleichzeitig einer Spannungsvergleichsschaltung 47 zuführt, die
ausserdem die Engangsspannung von dem Schiebewiderstand 24 empfängt. Die Schaltung
47 ist in der Lage, drei verschiedene Ausgangsspannungen in zeitlicher Schrittfolge
je nach der Grösse der Ausgangsspannung des Schiebewiderstandes 24 zu erzeugen,
die von der Stellung der Stange 28 des Motors 29 abhängt. Wenn sich also die Stange
28 und der Stempel 15 bewegen, treten folgende Ereignisse nacheinander ein: 1) Die
Form 6 wird durch den Motor 35 über das durch den Elektromagneten 50a betätigte
Ventil 49 mit konstanter Geschwindigkeit nach oben in Bewegung gesetzt.
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2) Kurz darauf wird Druckmittel über ein Magnetventil 52 und ein Nadelventil
53 dem Dorn 7, dem Kanal 8 und den Öffnungen 9 und 10 mit gesteuerter Strömungsgeschwindigkeit
zugeführt.
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3) Gegen Ende des Hubes des Stempels 15 hält die Form am Ende des
Hubes des Zylinders 35 an, und die Tätigkeit der mittleren Stützstange wird durch
ein Signal von dem Schaltkreis 47 zu dem Elektronagneten 54a ausgelöst.
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Dadurch wird das Ventil 55 veranlasst, Druckmittel in die obere Öffnung
30a des Motors 30 einzulassen, wodurch die mittlere Stützstange 4 nach unten gezogen
wird. Der Ilub des Motors 30 ist sehr kurz und beträgt 2,5 mm und 5 mm.
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Diesur Motor und die Stange 4 erreichen also schnell das untere Ende
der Abwärtsbewegung und bleiben in dieser Stellung stehen.
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Wenn die Stange 4 sich nach unten bewegt, betätigt ein Ansatz an der
Stange einen Grenzschalter LS-1, wodurch das Ventil 56 geöffnet wird. Dadurch wird
das Nadelventil 53 umgangen und Druckmittel in den Dorn 7 und die Öffnungen 9 und
10 mit einer grösseren Geschwindigkeit als vorher eingelassen. Bei einer anderen
Betriebsweise des Motors 30 kann der Elektromagnet 54b über den Schalter 57 erregt
werden, wenn der Grenzschalter LS-1 geschlossen wird. Dadurch wird das Ventil 55
im Uhrzeigersinn gedreht, wodurch Druckmittel aus der oberen Öffnung 30a des Motors
30 abgelassen und der unteren Öffnung 30b des Motors zugeführt wird. Somit wird
in einer sehr kurzen Zeitspanne die Stange 4 nach unten gezogen, der Schalter LS-1
betätigt und die Stange 4 wieder nach oben gedrückt.
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Bei Beginn eines Arbeitsganges oder zu jedem Zeitpunkt nach Beendigung
desselben kann die Form 6 geöffnet und der Dorn durch den Motor 32 nach oben zurückgezogen
werden. Das Ventil 58 kann von Hand aus der gezeigten Ruhestellung in eine Stellung
gedreht werden, in der Druckmittel der oeffnung 32b zugcführt wird, wodurch der
Motor 32 anc'etrieben uiid der Dorn 7
nach oDen bewegt wird, um
die Flasche abzustreifen. In diesem Stadium befinden sich die Form 6 und der Stempel
15 in ihren obersten Stellungen. Sie werden durch Abschalten des Stromsteuerschaltl-reises
45 zurückgezogen. Dadurch werden die Elektromagneten 50b und 42s vorübergehend erregt,
wodurch die Ventile 49 und 41 sich drehen und Druckmittel den oberen Enden der Motoren
35 kurz 29 zuführen und sie nach unten treiben. Die Elektromagnete werden dann ausgeschaltet,
so dass die Ventile 49 und 41 in ihre mittleren Stellungen zurückkehren können,
in denen alle Öffnungen geschlossen sind. Nun ist die Strangpresskammer 2 in dem
Strangpresszylinder 3 wieder für die Aufnahme eines neuen Vorformlings bereit, worauf
der Dorn 7 mit Hilfe des Motors 32 und des Ventils 58 gesenkt werden kann.
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Eine Präzisionssteuerung der beweglichen Teile der Vorrichtung wird
elektronisch durch die in Fig. 2 gezeigten Steuereinrichtungen erzielt. Beispielsweise
wird unmittelbar nach der Bildung des Wulstes in der ringförmigen Nut 14 die Form
6 mit konstanter Geschwindigkeit in Bewegung gesetzt, wenn die Spannungsvergleichsschaltung
47 ein vorgewähltes Ausgangsspannungsniveau ~an dem Schiebewiderstand 24 feststellt,
und wenn der Stempel 15 einen bestimmten Hub von etwa 12,7 - 30,5 mm durchlaufen
hat. Bei dem ersten Teilstück der Formbewegung bewegt sich der ringförmige Wulst
an dem Ende des Dorns 7 entlang und über den Dorn 7, so dass das stranggepresste
Material die Öffnungen 9 und 10 bedeckt. Bei der weiteren Bewegung der Form tastet
die Spannungsvergleichsschaltung 47 ein anderes vorbestimmtes Spannungsniveau von
dem Schiebewiderstand 24 ab, wodurch die Tätigkeit des Ventils 52 ausgelöst und
Druckmittel in einer bestimmten Menge durch das Ventil 53 geschickt wird.
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Dadurch wird ein Teil des Halses des Strangpresslings nach aussen
gegen die Formfläche in dem Ringraum 21 ausgedehnt.
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Bei weiterer Bewegung des Strangpressstempels 15 und der Form 6
wird
der Hals fertiggestellt und der divergierende Teil des Hohlraums 5 beginnt an dem
Bereich der Öffnungen 9 und 10 vorbeizufahren, so dass frisch ausgepresster Kunststoff
stärker aufgeblasen werden kann als in dem Hals (vergl. Fig. 4). Wenn in diesem
Stadium der Kunststoff den weitesten Teil der Form 6 erreicht oder zu erreichen
beginnt, sind Stempel 15 und Stange 28 zu dem Punkt vorgerückt, an dem der höhere
Teil 23b des Nockens 23 den Schiebewiderstand 51 in eine andere Stellung verschiebt,
wodurch das Ventil 43 weiter geöffnet wird. Dadurch wird das Druckmittel mit höherer
Geschwindigkeit zu dem Motor 29 gefördert, so dass dieser die Auspressgeschwindigkeit
des Kunststoffs durch die Austrittsöffnung 11 erhöht und mehr Kunststoff für die
äussere Wand der in der Herstellung befindlichen Flasche liefert.
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Wenn sich der Stempel 15 dem Ende seines Hubes nähert, kehrt der Schiebewiderstand
51 noch einmal zu der niedrigen Stellung auf dem Nocken 23 zurück, so dass die Strangpressgeschwindigkeit
des Kunststoffs durch die Austrittsöffnung 11 wieder verringert wird; dieS geschieht
ungefähr in dem Augenblick, in dem die Wand der Flasche gebildet ist und der Boden
hergestellt werden soll; dadurch bildet sich ein dünnerer Boden.
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Eine ähnliche Präzisionssteuerung e#rfolgt unmittelbar bevor die Form
anhält. Die Tätigkeit der mittleren Stützstange wird ausgelöst, wenn die Spannungsvergleichsschaltung
47 ein bestimmtes Spannungsniveau von dem Schiebewiderstand 24 abtastet. In diesem
Zeitpunkt wird der Elektromagnet 54a erregt, und das Ventil 55 lässt Druckmittel
in die Öffnung 30a des Motors 30 einströmen. Hierdurch wird die Stange 4 von dem
Ende des Dorns 7 fortgezogen und der Grenzschalter LS-1 betätigt.
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Dadurch wird das Magnetventil 56~eingeschaltet, so dass das Ventil
53 umgangen wird und Druckmittel mit höherer Geschwindigkeit als bisher in den Hohlraum
16 gefördert wird. Dadurch wird der Strangpressling schneller vollständig aufgeblasen,
als wenn
das Ventil 53 weiterhin die Gescllwindigkeit des zugeführten
Druckmittels steuern würde.
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Ferner kann gegebenenfalls der Schalter 57 geschlossen sein, so dass
die Betätigung des Schalters LS-1 die zusätzliche Wirkung der Umkehr des Ventils
55 haben würde und die Stange 4 sehr bald nach ihrem Zurückziehen wieder in Richtung
auf den Dorn 7 gedrückt worden wäre. Der Raum, der zuvor von dem oberen Ende der
Stange 4 eingenommen wurde, ist dann von Kunststoff ausgefüllt, der bei diesem Vorgang
in Übereinstimmung mit dem Druck des Stempels 15 einer Stossdruckwirkung unterworfen
wird. Diese Arbeitsweise wird bevorzugt, da die gleichzeitigen Wirkungen zur Bildung
eines soliden Verschlusses von hoher Dichte führen.
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Bine andere Arbeitsweise ist besonders geeignet, wenn der Kunststoff
sich nach dem Verstrecken oder Orientieren an die Form, besonders in den Endstadien
der Herstellung der Flasche, im vorliegenden Fall bei der Formung des Behälterbodens
schlecht anpasst. Diese Arbeitsweise umfasst ausser den oben beschriebenen Verfahrensstufen
den zusätzlichen Schritt der Einstülpung des Bodens der Flasche nach innen unter
Bildung einer konkaven Ausnehmung. Dies wird durch die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung
erreicht, bei der die Spannungsvergleichsschaltung 47a wahlweise durch einen Schalter
59 erregt wird; die Schaltung 47a empfängt ferner die Ausgangsspannung von dem Schiebewiderstand
4 und dient dazu, die Abwärtsbewegung der Form 6 durch den Elektromagneten 50b des
Ventils 49 in der nachstehend zu beschreibenden Weise zu steuern.
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Wie beschrieben, wird die Aufwärtsbewegung der Form 6 bei der Formung
der Flasche durch die Spannungsvergleichsschaltung 47 gesteuert, die, wenn sie feststellt,
dass die Ausgangsspannung des Schiebewiderstandes einen bestimmten Wert erreicht
hat, den Elektromagneten 50a ausschaltet und das Ventil 49 in seine
mittlere
Stellung zurückführt, wodurch der hydraulische Motor 35 angehalten wird. Für gewöhnlich
würde die Form in der Stellung, in der sie angehalten worden ist, stehen bleiben;
bei der gegenwärtig beschriebenen Arbeitsweise setzt jedoch in dem Augenblick, in
dem der Elektromagnet 50a abgeschaltet wird, die Spannungsvergleichsschaltung 47a
(Schalter 59 geschlossen), die die gleiche Spannung von dem Schiebewiderstand 24
empfängt, den Elektromagneten 50b unter Strom, und dieser betätigt das Ventil 49,
um der Öffnung 35b des hydraulischen Motors 35 Druckmittel zuzuführen, -wodurch
die Form 6 sofort wieder nach unten bewegt wird. Die Spannungsvergleichsschaltung
47a schaltet nach einer kurzen Zeitverzögerung den Elektromagneten 50z aus, nachdem
sich die Form 6 über einen kurzen Hub (z.B.
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etwa 12,7 mm) bewegt hat. Wenn der Elektromagnet 50b ausgeschaltet
wird, wird das Ventil 49 wieder in die Schliessstellung gedreht, und die Form 6
bleibt stehen.
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Die letzten Schritte bei der Formung der Flasche nach dieser Arbeitsweise
sind in den Fig. 8 und 9 gezeigt. In Fig. 8 ist die Flasche im wesentlichen fertig,
wobei sich die Form 6 an der oberen Grenze ihres Hubes befindet, mit der Ausnahme,
dass der Wandteil 60 sich noch nicht ganz an den Bodenteil der Form angepasst hat
und ein freier Raum 61 zwischen dem Kunststoff und der Form verbleibt. Der nächste,
in Fig. 9 gezeigte Schritt besteht darin, dass die Form ein kurzes Stück (z.B. 12,7
rm) nach unten verschoben wird, um den Kunststoff in eine umgekehrte Biegung zu
verformen und eine kegelstun-pfförrige Ausnennung 62 in dem Boden auszubilden; in
dieser Verfahrensstufe wird die ungefähr konische Wand 60' gestreckt und dadurch
zusätzlich orientiert. In der letzten Verfahrensstufe wird die Öffnung, die von
dem oberen Ende der mittleren Stützstange 4 eingenommen wird, verschlossen. Dieser
Verfahrensschritt ist schon zuvor beschrieben worden. Die axiale Tiefe der Ausnehmung
62 oder der Abwärtshub der Form 6 ist so gross, dass die Kunststofffläche 63 (Fig.
10) in der gleichen Ebene
oder etwas höher liegt als die Fläche
64, so dass die Flasche fest auf einer Unterlage stehen kann. Die konische Ausnehmung
62 hat die Aufgabe, bei möglichst geringem Kunststoffbedarf die Festigkeit des Behälterbodens
zu erhöhen undsene Widerstandsfähigkeit gegen Innendrücke zu verbessern.
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Die Vorrichtung arbeitet folgendermassen: Das rohrförmige Rohmaterial
1 wird in die Strangpresskammer 2 eingesetzt.
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Der Strangpressstempel 15 wird so betätigt, dass er einen Teil des
nicht-geschm.olzenen thermoplastischen Materials des Vorformlings 1 durch die ringförmige
Strangpressöffnung 11 in die ringförmige Nut 14 am Ende des Hohlraums 5 drückt.
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Dieses erste Stadium des Strangpressens eines ringförmigen Wulstes
aus dem thermoplastischen Rohr 1 ist in Fig. 3 gezeigt.
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Dabei bildet der erste Teil des Vorformlings 1, der aus der ringförmigen
Strangpressöffnung 11 austritt und in die ringförmige Nut 14 eindringt, ebne Brücke
oder Membran um den gesamten oberen Teil des ringförmigen Raums 21 herum zwischen
der Aussenseite des Strangpresszylinders 3 und der Innenseite des Hohlraums 5, wodurch
er eine Abdichtung bewirkt. Das Strangpressen des Rohmaterials in die Nut 14 ermöglicht
in darauffolgenden Verfahrensstufen die Ausübung eines axialen Zuges auf den Strangpressling,
indem die Form so verschoben wird, dass der Strangpressling verstreckt wird.
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Sobald sich der Wulst in dem Hohlraum 5 gebildet hat, wird die Form
6 gleichzeitig mit der Weiterbewegung des Strangpressstempels 15 mit gleichmässiger
Geschwindigkeit verschoben und ein Druckmittel, wie z.B. Druckluft oder unter Druck
stehende Flüssigkeit durch den Kanal 8 aus den Auslassöffnungen 9 und 10 in den
Hohlraum 16 gedrückt. Dieser Hohlraum wird von der Aussenfläche des Dorns 7 der
stranggepressten Dichtung an der ringförmigen Nut 14 und dem Strangpressling 17
gebildet, der durch die ringförmige Strangpressöffnung 11 ausgepresst und durch
das Druckmittel aus den Auslassöffnungen 9 und 10 aufgeblasen worden ist. Dies ist
in Fig. 4 veranschaulicht.
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Wenn also die Form 6 über die Strangpressöffnung 11 hinweggleitet,
hält der in-der Ringnut 14 gebildete Wulst das neu geformte obere Flaschenende an
der Form 6 fest und zieht das frisch ausgepresste Material mit nach oben an den
Auslassöffnungen 9 und 10 vorbei, so dass das stranggepresste Material fast sofort
nach seinem Austreten aus der Öffnung 11 an die Wand des Hohlraums 5 gepresst wird.
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Vorzugsweise werden Flaschen mit ungleichmässiger Wandstärke hergestellt,
indem man die Strangpressqeschwindigkeit und die Geschwindigkeit der Form konstant
hält, während die Form selbst eine veränderliche Gestalt aufweist. Es ist jedoch
bekannt, dass die Wandstärke gesteuert werden kann, indem das Gerät entsprechend
programmiert wird, um entweder eine einheitliche oder eine uneinheitliche Dicke
zu erhalten. Bei bekannten Verfahren zur Programmierung der Wandstärke wird entweder
die Geschwindigkeit der gleitenden Form oder die Strangpressgeschwindigkeit des
Rohlings variiert.
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Das thermoplastische Material des Vorformlings 1, das durch die ringförmige
Strangpressöffnung 11 stranggepresst wird, wird bei dem Strangpressvorgang teilweise
biaxial orientiert.
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Der Rest der gewünschten biaxialen Orientierung wird dadurch erzielt,
dass der Strangpressling verstreckt und gegen die Innenfläche des Formnohlraums
5 aufgeblasen wird. Nach dem terstrecken und Aufblasen ist die Wandstärke des Strangpresslings
erheblich, beispielsweise um bis zu 50 % oder mehr, geringer.
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Das rohrförmige Rohmaterial 1 wird weiter von dem Strangpressstempel
15 durch die ringförmige Strangpressöffnung 11 gepresst, während die Form 6 auf
dem Dorn 7 nach oben gleitet. Durch gleichzeitiges Strangpressen des Rohrs 1 und
Aufblasen des Hohlraums 16 bildet sich die in Fig. 5 gezeigte Flasche 18, die jedoch
noch keinen dichten Boden hat (vergl. Fig. 6). Der Boden der Flasche 18 wird dadurch
abgedichtet, dass die rEttelstützstange
4 zurückgezogen wird,
während die Form 6 anhält und der Strangpressstempel 15 weiterhin eine Kraft auf
das verbleibende Material in der Strangpresskammer 2 ausübt. Dies ist in Fig. 5
mit dem vollständig geformten flaschenförmigen Erzeugnis 19 dargestellt, das hochgradig
biaxial orientiert ist.
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Fig. 6 und 7 zeigen im einzelnen das Verschliessen des Bodens, bei
dem das teilweise Zurückziehen der mittleren Stützstange 4 es dem Rohmaterial unter
dem fortgesetzten Druck des Strangpressstempels 15 ermöglicht, nach innen zu fliessen
und einen Verschluss zu bilden.
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Fig. 7 zeigt die Stellung der Einzelteile unmittelbar nach Herstellung
der Flasche aus dem rohrförmigen Rohmaterial. Die mittlere Stützstange 4 ist zurückgezogen
worden, während der Strangpressstempel 15 den verbleibenden Teil des thermoplastischen
Rohmaterials in den Raum drückt, der von der zurückgezogenen Mittelstützstange 4
freigegeben wird.
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Nach einer anderen Ausführungsform ist die Vorrichtung dahingehend
abgewandelt, dass sich statt einer ortsfesten mittleren Stange eine verschiebbare
mittlere Stützstange durch den Vorformling erstreckt. Dies ermöglicht das Arbeiten
mit einem Rohr mit einem geschlossenen Ende, aus dem sich der Boden der Flasche
bildet. Hierdurch entfällt die Verfahrensstufe des Verschliessens des Bodens. Die
Mittelstange und das Rohmaterial bewegen sich beim Strangpressen mit der gleichen
Geschwindigkeit, so dass keine relative Bewegung zwischen dem Vorformling und der
Mittelstange stattfindet, die Schmierung zwischen der Mittelstange und dem Vorformling
auf ein Mindestmass verringert werden kann und gleichzeitig der Verschleiss der
Mittelstange herabgesetzt wird.
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Diese abgewandelte Ausführungsform ist in Fig. 11 bis 13 dargestellt.
Wie Fig. 11 zeigt, wird das rohrförmige Rohmaterial la
mit einem
geschlossenen Ende 65 in die Strangpresskammer 2 eingesetzt. Die Form 6 befindet
sich in ihrer Ausgangsstellung, in der der Hohlraum 5 die StrangpresskawJr#er 2
umgibt. Die Mittelstange 4a erstreckt sich durch den Kanal 8 des Dorns 7 ins Innere
des Vorformlings la. Gesebenenfalls kann die Mittelstange beheizt werden, um den
Vorformling zu enzärmen. Der Strangpressstempel 15a ist als massiver runder Stab
ausgebildet, der sich in der Strangpresskammer 2 befindet und an den Vorformling
la anstösst. Die Mittels tange wird gegen den Strangpressstempel gedrückt und übt
auf ihn eine geringe Kraft aus, die nur gerade so gross ist, dass der Stempel den
Vorformling nicht verbiegen kann und ei#ne gleich mässige Bewegung beim Strangpressen
gewährleistet wird. Bei einer typischen Ausführungsform beträgt der Druck des Strangpressstempels
915 kg/cm2 und der Druck der Mittelstange 3,5 kg/cm².
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Beim Betrieb drückt der Strangpressstempel 15a das Rohmaterial la
aus der Strangpresskammer 2 durch die-Strangpressöffn#ung 11 und um den Dorn 7 herum.
Fig. 12 zeigt ein teilweise geformtes Erzeugnis, bei dem der Strangpressstempel
15a den Vorformlina in die Gleitform gepresst hat, während sich die Mittelstange
zusammen mit dem Rohling verschoben hat, so dass-keine Relativbewegung zwischen
dem Rohmaterial und der Mittelstange erfolgt. Druckmittel wird durch den Kanal 8
um die Mittels tange 4a herum eingeführt, gelangt durch die öffnung 10 an die Innenseite
der stranggepressten Wand 17 und drückt diese an die Wand des Hohlraums an, wodurch
die Flasche geformt wird.
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Fig. 13 zeigt die fertig geformte Flasche im Inneren der Form 6. Aus
dem Boden 65 des Vorformlings hat sich der Mittelteil des Flaschenbodens gebildet
und derjenige Teil der Ilittelstange 4a, der sich ursprünglich in dem Rohmaterial
befand, befindet sich nunmehr in dem Druckmittelkanal 8.
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zach dem Formen kann die Flasche in bekannter Weise wärmebehandelt
werden, um den kristallinen Anteil zu erhöhen, wodurch die Gasdurchlässigkeit des
Mantels verringert und die Formbeständigkeit verbessert wird, was von Bedeutung
ist, wenn der Gegenstand zur Abfüllung von heissen Getränken verwendet oder bei
einem pasteurisierungsverfahren hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt werden
soll.
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Die Wärmebehandlung wird bei Temperaturen von etwa 140 bis 220 0C
ausgeführt, und die Behandlungszeit ist verhältnismässig kurz. Es ist jedoch im
allgemeinen wünschenswert, die Wärmebehandlung solange durchzuführen, bis ein Kristallinitätsgrad
entstanden ist, der vorzugsweise mindestens 30 bis 50 z oder mehr beträgt, wobei
die höchstmöglich erreichbare Kristallisation etwa 60 % beträgt.
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Im allgemeinen sind besonders gute Ergebnisse beobachtet worden, wenn
dieser Wärmebehandlungsschritt über eine Zeitspanne von 0,1 bis 600 Sekunden durchgeführt
wurde.
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Die obere Grenze dieser Behandlung ist nicht von besonders entscheidender
Bedeutung, ausser in wirtschaftlicher Binsicht. Eine Wärmebehandlungsdauer bis zu
100 Minuten ist möglich.
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Der Vorformling wird in dem Strangpresszylinder so angeordnet, dass
das geschlossene Ende den Boden der Flasche bildet. Das rohrarti-ge Material mit
offenen Enden kann in der Vorrichtung mit ortsfestem Mittelstab oder in der Vorrichtung
mit verschiebbarem Mittelstab verwendet werden; ein Binder Vorformling kann jedoch
nur in der Vorrichtung mit verschiebbarem Mittelstab verwendet werden.
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Die Abtiessungen des zu verwendenden Vorformlings werden von vielen
Faktoren bestimmt, wie von der gewünschten Dicke und von dem gewünschten Orientierungsgrad.
Der typische Vorformling ist hohl, und seine radialen Abmessungen sind, wie die
Zeichnungen zeigen, etwas kleiner als diejenigen des Halses der zu formenden Flasche.
Die axiale Länge des Vorformlings ist etwas geringer als die Abmessung zwischen
der Spitze und der Mitte des Bodens, gemessen an der Aussenseite der zu formenden
Flasche. Um die RaurMeständigkeit der Flasche, insbesondere die radialen Abmessungen
des Flaschenhalses, zu verbessern, wird der Vorformling mit grösseren radialen Abmessungen
geformt, auf eine Temperatur unterhalb des Kristallisationsschmelzpunktes des Kunststoffs
gekühlt und- anschliessend durch eine Reduzierform gepresst, die etwas kleiner ist
als die radialen Abmessungen des Flaschenhalses.
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Um noch eine weitere Verbesserung der Raumbeständigkeit zu erreichen,
kann der Vorformling in einer Kammer zusammengedrückt werden, wobei der gleiche
Aussendurchmesser aufrechterhalten wird und in der Mitte der Kompressionskammer
ein konischer Dorn vorgesehen ist. Auf diese Weise erhält man einen sehr kurzen
Vorformling mit einem Aussendurchmesser, der etwas kleiner ist als der Aussendurchmesser
des Flaschenhalses, und mit einem Innendurchmesser von praktisch Null. Man erhält
auf diese Weise einen sehr schmalen Hohlraum etwa von der Grösse eines Nadelloches,
der durch die Mitte des Vorformlings verläuft. Die
zus arimenge
drückten Vorformlinge werden in der oben bescnriebenen Vorrichtung verwendet, bei
der der Mittelstab nicht vorhanden oder völlig zurückgezogen ist.
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Polyäthylenterephthalat hat in orientiertem Zustand eine ausgezeichnete
mechanische Festigkeit, Kriechfestigkeit und eine geringe Durchlässigkeit, insbesondere
für Kohlendioxid, Sauerstoff und Wasserdampf. Es ist daher ausserordentlich geeignet
für die Herstellung von Flaschen für Flüssigkeiten, die unter Druck abgefüllt werden,
wie Sprudel, Bier oder Aerosole. Bei der Formung der Flasche beginnt man vorteilhaft
mit im wesentlichen amorphem Material, d.h. mit einem Material mit einer Kristallinität
von nicht mehr als 5 %, um eine klare Flasche zu erhalten.
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Die Schlagfestigkeit des Vorformlings wird ebenfalls gemessen, indem
man ihn aus verschiedenen Höhen auf einen Betonnoden fallen lässt. Bei einem Falltest,
der mit einem 15,24 cm langen, amorphen Polyäthylenterephthalatrohr mit einer inhärenten
Viskosität von etwa 1,1 durchgeführt wird unter Verwendung von 3 Vorformlingen mit
einer Wandstärke von etwa 3,50, 2,28 bzw. 2,36 mm und einem Gewicht von 27,8, 21,2
bzw 21,6 g, wird jeder Vorformling zweimal aus einer Höhe von 0,305 m, 0,609 m,
1,52 m bzw. 2,44 m fallen gelassen. Die Vorformlinge überstehen den Fall ohne Beschädigung.
Darüber hinaus hält jeder Vorformling den Schlag eines 2,27 kg-Gewichtes aus, das
zweimal auf ihn aus einer Höhe von 0,305 m fallen gelassen wird.
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Der Vorformling muss beim Strangpressen eine Temperatur innerhalb
des Bereiches der biaxialen Orientierung erreichen, d.h.
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die Temperatur des zu verwendenden Polymerisates muss in dem Bereich
liegen, bei dem die Orientierung ohne Streifenbildung erfolgt. Die beim Strangpressen
erzeugte Wärme genügt im allgemeinen für diese Zwecke, so dass der Vorformling bei
Raumtemperatur stranggepresst werden kann. Der Bereich der Orientierungstemperatur
hängt von Faktoren, wie von dem kristallinen Anteil und von der Einfriertemperatur
ab. Falls der Orientierungstemperaturbereich des Polymerisates so hoch ist, dass
die sich beim Strangpressen entwickelnde Wärme nicht ausreicht, kann der Vorformling
vor dem Strangpressen vorerhitzt werden.
-
In den folgenden Beispielen beziehen sich Teile, Prozente und Verhältnisse,
wenn nichts anderes angegeben ist, auf das Gewicht.
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Beispiel 1 Polyäthylenterephthalat mit einer inhärenten Viskosität
von 0,96 wird zu einem hohlen zylinderföririgen, amorphen Vorformling von 11,43
cm Länge, 17,27 mm Aussendurchmesser, 9,52 mm Innendurchmesser und einem Gewicht
von etwa 22,6 g verformt.
-
Dieser Rohling wird auf 92 °C vorerhitzt und in der oben beschri#benen
Vorrichtung durch die "T"-förmige öffnung von 0,838 mm bei einer Zylindertemperatur
von 85 0c stranggepresst.
-
Die Geschwindigkeit des Stempels 15 beträgt 9,14 cm/sec. und die Geschwindigkeit
der Form 6 12,95 cm/sec. Luft von 17,35.
-
atü wird durch die Öffnungen 9 und 10 eingeleitet. Der Innendurchmesser
der Form beträgt 6,35 cm. Die entstehende Flasche hat eine Wandstärke von 0,29 mm;
die axiale Zugfestigkeit beträgt 1160 kg/cm2 und die Umfangszugfestigkeit 1877 kg/cm2.
-
Beis#iel 2 Beispiel 1 wird mit folgenden Abänderungen wiederholt:
inhärente
Viskosität 1,0 Länge des Vorformlings 16,51 cm Aussendurchmesser des Vorformlings
1,727 cm Innendurchmesser des Vorformlings 1,211 cm Gewicht des Vorformlings 23,5
g Vorerhitztemperatur 100 0C Zylindertemperatur 90 - 100 Oc Öffnung 0,0889 cm Kolbengeschwindigkeit
12,7 cm/sec.
-
Formgeschwindigkeit 14,73 cm/sec.
-
Luftdruck 23,8 atü axiale Zugfestigkeit 562,5 kg/cm2 Umfangs zugfestigkeit
2029 kg/cm2 Wandstärke 0,427 mm B e e s p i e 1 3 Eine Flasche aus Polyäthylenterephthalat
von einer inhärenten Viskosität von 0,91 wird nach Beispiel 1 durch Strangpressen
und Blasverformen eines hohlen, zylinderförmigen Vorformlings von 11,43 cm Länge
mit einem Aussendurchmesser von 17,27 mm, einem Innendurchmesser von 9,52 mm und
einem Gewicht von 22,6 g hergestellt. Der Vorformling hat eine Dichte an der Aussenfläche
von 1,332 und an der Innenfläche von 1,334 und einen kristallinen Anteil von 5 %.
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Die Flasche zeigt die folgenden Eigenschaften:
1.
Dichte und kristalliner Anteil des kristal-Polyesters an verschiedenen Stellen liner
der Flasche Dichte Anteil Hals 1,332 0 Oberes Ende des zylinderförmigen Teils 1,345
6 kette des zylinderförmigen Teils 1,356 17 Unteres Ende des zylinderförmigen Teils
1,361 22 Boden der Flasche 1,332 0 II. Zugfestigkeitseigenschaften 5zylinuerförr.icer
Flaschenteil) axial Umfang Zugfestigkeit, kg/cm2 548 1673 Bruchdehnung, % 59 17
Zugmodul, kg/cm2 17294 48015 Streckgrenze, kg/cm² 534 703 III. Biaxiale Orientierung
(zylinderförmiger Flaschenteil) Orientierungsgrad 20 Scheitel Richtung der Drehung
Orientierungs- Scheitel # (chi) t(phi) Winkel max.
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17,0 Ebene senkrecht zum Strahl 83 (Axial) O° X Ebene parallel zum
Strahl Abtastung 90 52 (Umfang) 0O X O Abtastung 46 (Umfang) 0o X 27,0 Ebene senkrecht
zum Strahl Abtastung O-Ebene parallel zum Strahl Abtastung 90 32 (Umfang) EO X O
Abtastung 40 (Umfang) 870 x
Aus den Orientierungswinkeln und den
Zugeigenschaften ergibt sich für die Flasche ein effektives Verstreckungsverhältnis
von etwa 3,5 x in Umfangsrichtung und etwa 1,25 x in Axialrichtung.
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IV. Durchlässiqkeit (zylinderförmiger Flaschenteil) Wandstärke 0,45
mm Wasserverlust 0,6 mg/Std.
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Flasche gefüllt mit Wasser, gelagert bei 17,5 % relativer Feuchtigkeit
bei 25 C 13 Tage 3 Kohlendioxidverlust 1,5 cm /Tag Unter einem Druck von 2,72 atü
(Standardbei 25 0C stehende Flasche. Die temperatu#r Flasche zeigt keine bleibende
und Standard-Verformung druck) V. Kriechen Umfangsrohrstreifen vom zylinderförmigen
Teil einer Flasche halten bei 50 °C einer Umfangszumeansprucllung von 351,54 kg/cm2
stand, indem das Kriechen nach 100 Stunden einen Wert von weniger als 2 % und bei
einer Langzeitprüfung von 90 Tagen einen Wert von weniger als 5 % aufweist.
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Das entspricht einer Verformungskonstante von etwa 1,5.