DE2152168B2

DE2152168B2 - Vorrichtung zum kontinuierlichen Längsrecken einer Filmbahn aus einem thermoplastischen Kunststoff

Info

Publication number: DE2152168B2
Application number: DE2152168A
Authority: DE
Inventors: Ir Jan Baptist Van Berchem Cappellen (Belgien)
Original assignee: Agfa Gevaert AG
Current assignee: Agfa Gevaert AG
Priority date: 1970-10-30
Filing date: 1971-10-20
Publication date: 1979-11-22
Also published as: CA963221A; IT943536B; LU64183A1; JPS5717694B1; GB1371334A; SU530631A3; FR2111933A1; DE2152168A1; US3816886A; BE774176A; DE2152168C3; FR2111933B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Längsrecken einer Filmbahn aus einem thermoplastischen Kunststoff, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dargelegt ist.

Bei Extrudierungsverfahren zur Herstellung von Filmbahnen aus thermoplastischem Kunststoff wird geschmolzenes Polymer durch eine schlitzförmige öffnung extrudiert und von einer Abschrecktrommel aufgenommen, auf welcher die Temperatur der cxtrudierten Filmbahn während der Erweichungsstufe des Polymers herabgesetzt wird. Während sich das Polymer am unteren Ende der Erweichungsstufe etwas oberhalb der Übergangstemperatur zweiter Ordnung befindet, kann das Polymer beim Längs- oder Querrecken der gekühlten Filmbahn einer molekularen Ausrichtung unterworfen werden, die zu einer Verbesserung verschiedener physikalischer Eigenschaften der Filmbahn, insbesondere ihrer Zugfestigkeit, führt.

Üblicherweise geschieht das Längsrecken einer Filmbahn, indem die Filmbahn verschiedene Rollenpaare durchläuft und durch Antreiben des letzten Rollenpaares oder durch Antreiben der folgenden Rollenpaare mit einer jeweils höheren Umfangsgeschwindigkeit als der der vorhergehenden Rollen paare gedehnt wird. Geeignete Heizvorrichtungen zwischen den Rollenpaaren erweichen die Filmbahn in einem gegebenen Bereich, so daß die Filmbahn in diesem beheizten Abschnitt längsgereckt werden kann.

Eine beträchliche Schwierigkeit beim Längsrecken besteht im Einschnüren der erweichten Filmbahn, Diese seitliche Schrumpfung der Filmbahn veranlaßt dieselbe, in Längsrichtung Falten zu bilden. Dies tritt besonders bei dünnen Fümbahnen mit einer Dicke unter 300 μπι auf, deren Steife nicht ausreicht, um die Bildung von Falten in Längsrichtung zu verhindern. Die gefalteten Teile der Filmbahn liegen den Heizvorrichtungen näher als die verbleibenden Abschnitte, so daß die Beheizung der Filnvbahn nicht gleichmäßig über die gesamte Breite

ίο erfolgt. Als Folge hiervon zeigt die längsgestreckte Filmbahn nichthomogene Eigenschaften über ihre gesamte Breite, besonders in der Kristallinität Wenn die Filmbahn nach erfolgter Längsreckung quergereckt wird, nimmt die Filmbreite ungleichmäßig zu, so daß sich die Dicke der gereckten Filmbahn über ihre Breite ändert

In der GB 10 57 077 wird eine Vorrichtung beschrieben, in welcher eine Filmbahn zum Längsrecken über mehrere Walzengruppen geführt wird und zusätzlich mit Infrarotheizung örtlich erhitzt wird. Der Infrarotstrahler wirkt mit einem Parabolspiegel und einer Linse zusammen, die die Wärmestrahlung auf eine schmale Aufheizzone auf die Filmbahn konvergieren. Die Filmbahn wird bei dieser Anordnung auf der Oberseite durch die Strahler überhitzt, um auf der Unterseite der Filmbahn die gewünschte Erweichungstemperatur zu erhalten. Eine qualitativ gute Filmbahn erfordert aber eine möglichst gleichmäßige Erhitzung der gesamten Filmmasse in einer möglichst kleinen Reckzone um Verspannungen, Falten und Seitenschrumpfungen zu vermeiden.

Die DE-AS 12 21 786 zeigt eine ähnliche Vorrichtung, in welcher die Seitenschrumpfung durch schräge und/oder seitliche Walzen ausgeglichen werden soll.

Auch eine derartige Anordnung erlaubt nicht die Herstellung einer qualitativ einwandfreien Folie, zumal auch hier die Filmbahn beim Erwärmen auf Recktemperatur auf einer Seite überhitzt wird.
Gemäß der GB 9 67 127 wird in einer Vorrichtung

4n zum Längsrecken einer Filrn'-'ühn zwischen zwei Walzengruppen eine infrarots'.rahlung auf eine Linie »Z« gerichtet, an welcher sich die Filmbahn von der geheizten Trägerrolle löst. Die Filmbahn erhält so eine zu hohe Temperatur, während sie noch Berührung mit

γ-, der Trägerrolle hat. Sie kann daher mit der Trägerrolle verkleben oder zumindest in ihrer Oberflächenqualität beeinflußt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Längsrecken von Polymerfilmen zu

Vi schaffen, die eine Faltenbildung des Filmes beim Reckvorgang vermeidet und die seitliche Schrumpfung verhindert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebe-

>■> nen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 dargelegt.

Zwischen den beiden Walzen wird die Filmbahn unmittelbar nachdem die Berührung mit der ersten

ho beheizten Walze unterbrochen ist, der Infrarotstrahlung ausgesetzt. Auf diese Weise kann die Entfernung (L.,), über welche die Filmbahn frei läuft, bevor das Erweichen beginnt, praktisch auf Null verringen werden, so daß die Tendenz der Filmbahn Querfalten zu

hi bilden,beträchtlich vermindert ist.

Durch die Erfindung wird auch erreicht, daß sich der sogenannte »Kantenverlust« während der Längsrekkung nicht vergrößert. Die seitliche Schrumpfung der

Filmbahn während der Längsreckung verringert die wirksame Filmbreite. Je größer die Querschrumpfung ist, desto größer ist auch der Kantenverlust, d. h. der Verlust an Material beim Abschneiden der verdickten Filmränder, die durch die Schrumpfung entstehen. Die Verbesserung, die durch die Erfindung erreicht wird, ist besonders wichtig, falls die Filmbahn zwischen der Extruderöffnung und der Abschrecktrommel bereits längsgereckt worden ist und daher bereits verdickte Kanten aufweist

Da die Erfindung in Verbindung mit der Herstellung von Filmbahnen aus Polyethylenterephthalat entwickelt worden ist, wird in der weiteren Beschreibung von diesem Material ausgegangen. Es muß jedoch erwähnt werden, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung auch zum Extrudieren anderer Polymerfilme verwendet werden kann, die für die molekulare Ausrichtung beim Recken unter entsprechender Temperatur geeignet sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von :n Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Extruaeranordnung und einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Längsrecken einer Fümbahn, >5

Fig. 2 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Einzelheiten detaillierter berücksichtigt sind,

Fig. 3 ein Kurvenbild vom kristallinischen Feinbau eines Filmes, der mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 in gereckt worden ist,

Fig.4 ein Kurvenbild vom kristallinischen Feinbau eines Filmes, der mit einer Vorrichtung mit einer größeren Entfernung /.,,gereckt worden isi.

Fig. 5 ein Kurvenbild, das den Kantenverlust eines r> Filmes zeigt, gemessen vor und nach dem Längsrecken,

Fig.6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Extruderanordnung nach Fig. 1 besteht aus einem Extruder 10 mit einem Extruderkopf H, einer -to AbschreciUrommel 12, zwei Walzen 13 und 14, einer Infrarotheizung 15 und Kühltrommeln 16 und 17. Eine Filmbahn 18, welche über die Walzen und Trommeln läuft, wird in der durch den Pfeil 19 angegebenen Richtung gezogen und einer weiteren Bestimmungsstel- ·τ> Ie zugeführt. Diese weitere Bestimmungsstelle kann eine Aufwickelvorrichtung sein, aber aach, wie es bei der hier beschriebenen Herstellung einer Filmbahn aus Polyethylenterephthalat meistens der Fall ist, eine Vielzahl von Geräten sein, z. B. um die Querreckung der >o Filmbahn durchzuführen.

Die Abschrecktrommel 12 wird mit einer Geschwindigkeit Vi und die Kühltrommeln 16 und 17 mit einer Geschwindigkeit V2 angetrieben, während die Walzen

13 und 14 sich frei drehen können. Der Zweck der -,-> Kiihltrommeln 16 und 17 besteht darin, die Filmbahn genügend und schnell abzukühlen, während die Walze

14 nur ungenügenden Berührungskontakt mit der Filmbahn hat, um eine schnelle Abkühlung desselben zu erreichen. Auf diesem gleichen Grunde wird die ho Entfernung der Filmbahn 18 zwischen der Walze 14 und der Kühltrommel 16 sowie zwischen den Kühltrommeln 16 und 17 so klein wie möglich gehalten.

Die Vorrichtung zum Längsrecken wird in den Einzelheiten der Fig.2 gezeigt. Die Infrarotheizung 15 <v> besteht aus einem länglichen Stahlblock, der quer zum Bewegungsweg der Filmbahn 18 montiert ist. Der Stahlblock ist mit n^ht gezeigten Kanälen versehen, durch welche eine Kühlflüssigkeit umläuft.

Die Vorderseite der Infrarotheizung 15 ist mit Längsnuten 20 und 21 versehen, die einen halbzylindrischen Querschnitt aufweisen. Die Seiten der Heizung 15 sind mit flachen Metallplatten 24 und 25 ausgerüstet. Zwei Infi arotstabelemente 22 und 23 sind in den Längsnuten 20 und 21 angeordnet. Die Oberflächen der Heizung 15, die den Stabelementen 22 und 22 zugewendet sind, haben eine spiegelähnliche Oberfläche. Die Entfernung zwischen der Vorderseite der Heizung 15 und der Tangentialebene der Walzen 13 und 14 wird mit a bezeichnet, wogegen die Breite der Heizung 15 mit c/bezeichnet wird.

Die Walzen 13 und 14 sind frei drehbare Hohlzylinder. Im Hinblick auf ihre relativ kleinen Durchmesser ist der Einlaß für das Wärmeübertragungsmittel mittels einer rotierenden Dichtung an einem Ende der Welle vorgesehen. Der drehbare Auslaß für die Flüssigkeit ist an dem anderen Ende der Welle angeordnet (in der Zeichnung nicht gezeigt). Die Walzen 13 und 14 haben eine spiegelähnliche Oberfläche, pnd ihr gegenseitiger Abstand ist mit bbezeichnet Obwo'nl die Walzen 13 und 14 nicht zwangsangetrieben sind, ist doch ihre Umfangsgeschwindigkeit mit vi und V2 bezeichnet, da diese Geschwindigkeiten praktisch denen entsprechen, mit welchen die Filmbahn 18 vorwärtsbewegt bzw. von den Walzen 13 und 14 abgezogen wird.

Das in der Fig. 3 gezeige Kurvenbild stellt die Gleichmäßigkeit der Kristallinität X über die Breite (F) des Polyethylenterephthalatfilmes dar, welcher mit dem erfindungsgemäßen Gerät längsgereckt worden ist.

Die verschiedenen Bezugsdaten sind die folgenden:

Spezifische Dichte des Polymers: ί ,33 gem -^J
Temperatur T_pder

Abschrecktromtnel 12: 65°C
Filmbreite beim Verlassen der
Abschrecktrommel 12: 42,6 cm
Filmdicke beim Verlassen der
Abschrecktrommel 12: 0,230 mm
Geschwindigkeit V\ der Abschrecktrommel 12 und der Walze 13: 8 m/min
Geschwindigkeit vi der Walze 14: 29 m/min
Reckverhältnis (V2/V1): 3,6
Temperatur Γι der Rolle Π: 75° C
Temperatur T₂ der Rolle 14: 20⁰C
Entfernung d: 28 mm
Entfernung a; 5 mm
Entfernung L₃: 11 mm
Entfernung L_b: i\ mm
Abstand b: 2 mm
Durchmesser der Walzen 13 und 14: 40 mm
Länge der Walzen 13 und 14: 70 cm
An die Stabelemente 22,23 angelegte
Spjr-nung: 400 V
(Nennverbrauch jedes Elementes
4 kW bei 600 V)

Durchmesser der Kühltrommeln 16

und 17: 80 cm
Temperatur der Kühltrommeln 16

und 17: 20⁶C

Wie man an dem Kurvenbild erkennen kann, bleibt die Kristallinität X über einen wese-itlichen Teil der Filmbreite sehr gleichmäßig, und nur in Kantennähe ist eine Erhöhung von 17 bis 25% erkennbar.

Die Wichtigkeit, daß die Entfernung L₃ im Vergleich zur Entfernung Lb klein ist, wird in dem Kurvenbild der F i g. 4 gezeigt, wobei die Kristallinität X für eine

Vorrichtung nach Fig. 2 aufgenommen worden ist und der Abstand b auf 40 mm erhöht wurde, so daß die Entfernung L₁ etwa 70 mm beträgt. Das Reckverhältnis war 3,8 und vy und V₂ betrugen 2 m/min und 7,60 m/min. Die Kristallinität ist sehr unregelmäßig und schwankt zwischen 9 und 12% im Mittelteil der Filmbahn. Die Veränderungen werden durch die Faltung der Filmbahn in Längsrichtung verursacht, wobei diese Faltung durch die Entfernung L₁ gefördert wird, die als direkte Folge eine ungleichmäßige Beheizung der Filmbahn mit sich bringt.

Im Kurvenbild nach Fig. 5 wird der Kantcnvcrlust der Filmbahn dargestellt. Hierzu wird das Verhältnis der Filmdicke an den Kanten zur Filmdicke in tier Mitte

gezeigt, z. B. ' . als eine Funktion der Filmbreite f.

Die Kurve 29 stellt das Kantenprofil der Filmbahn dar. bevor dieselbe auf dem erfindungsgemäßen Gerät nach Fig. 2 in Längsrichtung gereckt worden ist. Die Kurve 30 zeigt das Kantenprofil der Filmbahn nach dem Längsrecken. Die Filmbahn. die längsgereckt werden soll, wurde durch F.xtrudierung von Polycthylentcre phthalat durch eine Extruderöffnung von 2 χ 450 mm und durch ungefähr I2fachcs Recken der noch geschmolzenen Filmbahn im Spalt zwischen der F.xtruderöffnung und der Abschrecktromnicl hergestellt, so daß man einen nichtkristallinischcn Polymerfilm erhielt, mit einer Gesamtbreite von 426 mm und mit einem Profil der verdickten F.nden. wie es durch die Kurve 29 der F i g. 5 dargestellt ist.

Man kann folgendes aus dem Kurvenbild der Fig. 5 entnehmen:

Die ßreite der verdickten Kanten ist etwa 17.5 mm vor und 10 mm nach dem Längsrecken.

Die Außenseite einer verdickten Kante wird nach dem Längsrecken dicker. Die Oberflächen der gestrichelten Zonen sind einander etwa gleich.

Ls kann also geschlossen werden, daß die Kantenverdickung als eine Folge der Schrumpfung während der Läiigsreckung nur dann innerhalb der \erdickten Kante stattfindet, wenn sie durch die Längsreckung zwischen Extruderöffnung und Abschrecktrommel bereits verursacht worden ist.

Die technischen Daten der Vorrichtung, auf welcher das Längsrecken vorgenommen wurde, waren folgende:

Geschwindigkeit v, der Walze 13	6.60 m/min
Geschwindigkeit v₂ der Walze 14	35 m/min
Reckverhältnis	3.8
Temperatur 7Ί der Rolle 13	75"C
Temperatur 7"; der Rolle 14	20'C
Entfernung d	28 mm
Entfernung a	10 mm
Gesamtbreite der Filmbahn vor dem
Recken	426 mm
Gesamtbreite der Filmbahn nach dem
Recken	425 mm

Die erfindungsgemaße Vorrichtung ist nach folgenden Gesichtspunkten aufgebaut: Der Durchmesser der Walzen 13 und 14 ist relativ klein im Vergleich zu ihren Längen, so daß die Walzen 13 und 14 also zum Durchbiegen neigen. Deshalb soll der Berührur.gswinkel zwischen der Filmbahn 18 und den Walzen 13 und 14 vorzugsweise nicht einen Winkel von 45 Grad überschreiten. Dies hat den Zweck, die Kräfte, die auf

die Walzen 13 und 14 nach der Formel R = 2Äsin j einwirken, zu begrenzen, worin R die Gegenkraft der Rollen ist. K die Spannung der Filmbahn und λ der Beriihrungswinkel zwischen den Walzen 13 und 14 und der Filmbahn 18.

Auf der anderen Seite muß der Berührungswinkel groß genug sein, um einen genügenden Wärmeaustausch von oder zu der Filmbahn sicherzustellen. Eine Maßnahme, die dem Wärmeübertragungsprozeß zur Filmbahn förderlich sein kann, besteht darin, die freie Filmbahn zwischen Abschrecktrommel 12 und der ersten Walze 13 klein zu halten, so daß die Filmbahn sich auf ihrer Bewegungsbahn von der Abschrecktrommel 12 zur Walze 13 nicht abkühlen kann, und zusätzliche Trommeln 16 und 17 dicht hinter der zweiten Walze 14 vorzusehen, so daß die Filmtemperatur sich nach dem l.ängsreckcn der Filmbahn rasch absenken kann.

Das Durchbiegen der Walzen 13 und 14 ist proportional der dritten Potenz der Walzenlängen. Im Hinblick hierauf dürfen die Walzenlängen nicht wesentlich größer als die Filmbreite gewählt werden. Auf jeden Fall sollen die Walzen I i und 14 sich ein paar Zentimeter nach jeder Filmseite hin erstrecken, um Einwirkungen auf die Kante beim Erhitzen oder Abkühlen der Filmbahn zu vermeiden.

Ein Heispiel, in dem die Walzen sich nicht durchbiegen, wird in F i g. 6 gezeigt. Die Walzen 30 und 31 sind Hohlzylinder, die mit rotierenden Dichtungen an den Enden für den Durchlauf der Kühl- oder Erwärmungsflüssigkeil versehen sind und die durch ein Luftkissen abgestützt werden, welches zwischen den Walzen 30 und 31 und den länglichen, halbzylindrischen Oberflächen 32 und 33 in einem stähleren Stützglied 34 angeordnet ist. Die unteren Punkte der halbzylindrischen Oberflächen sind mit einer Anzahl von öffnungen versehen (in der Zeichnung nicht gezeigt), durch welche Preßluft in den Spalt zwischen dem Stützglied 34 und den Walzen 30 und 31 eingeführt wird.

Die Menge Preßluft, welche in dem Spalt zwischen den Walzen 30 und 31 und dem Stützglied 34 an der Oberseite des Spaltes verlorengeht, ist pro Zeiteinheit relativ klein. Es hat sich gezeigt, daß diese Luft das Erhitzen oder Kühlen der Filmbahn durch die Walzen 30 und 31 nicht beeinflußt. Die beschriebene Ausführungsform ist besonders nützlich bei der Herstellung von Filmbahnen größerer Breiten, insbesondere von Filmbahnen mit einer Breite größer als 1 m.

Die Oberflächen der Walzen 13 und 14 weisen eine spiegelähnliche Oberflächenbeschaffenheit auf. Es zeigt sich, daß eine solche Oberfläche bei der Reflektiemng von Infrarotstrahlung wirksam ist, die im Erwärmungsbereich durch die Filmbahn hindurchgeht. Die schnelle Erhitzung der Filmbahn wird also durch die reflektierte Strahlung begünstigt, besonders, wenn der Abstand b zwischen den Walzen 13 und 14 sehr klein ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die beiden Infrarot-Stabheizkörper können auch durch nur einen Stabheizkörper ersetzt werde"., wenn die Filmbahn genügend dünn ist, um eine ausreichend schnelle Erhitzung auf die erforderliche Temperatur zu erlauben. Die Walzen 13 und 14 können auch angetrieben sein. In einem solchen Fall muß jedoch die Umfangsgeschwindigkeit der ersten Walze 13 vorzugsweise etwas höher sein als die Geschwindigkeit der Kühltrommel 12, und die Geschwindigkeit der zweiten Walze 14 muß etwas kleiner sein als die entsprechende Geschwindigkeit der nächsten Kühltromme! 16, um eine genügende Zugspannung der Filmbahn auf den Walzen 13 und 14 zu gewährleisten.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum kontinuierlichen Längsrecken einer Filmbahn aus einem thermoplastischen Kunststoff, mit zwei nebeneinander angeordneten, mit unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten antreibbaren Walzen, von denen die erste kühlbar und die zweite beheizbar ist, wobei die zu redkende Filmbahn mit der gleichen Filmseite über beide Walzen führbar ist und nach Verlassen der ersten Walze durch eine Infrarotheizeinrichtung zusätzlich beheizbar ist, die im Bereich zwischen den Walzen gegenüber der von den Walzen abgewandten Filmseite angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß beide Walzen (13, 14) einen geringen Abstand von höchstens 5 mm voneinander haben, im Durchmesser relativ klein zu ihrer Länge sind und hochglanzpolierte Oberflächen aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzen (13,14) frei drehbarsind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Laufrichtung der Filnnbahn (18) hinter der zweiten Walze (14) in sehr kurzem Abstand Kühltrommeln (16, 17) so angeordnet sind, daß die der Infrarotheizung (15) zugewandte Filmfläche mit der ersten Kühltrommel (1.'S) in Kontakt kommt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filmbahn (IiS) in einem Winkel von etwa 45° der ersten Walze (13) zuführbar und von der zweiten Walze (14) abführbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzen (13, 14) in halbzylindrischen Mulden (32 33), welche mit einer Anzahl von Preßluftöffnungen versehen sind, in einem Luftkissen gelagert sind.