DE2249435C3

DE2249435C3 - Vorrichtung zur Herstellung von Profilen aus geschäumten Thermoplasten

Info

Publication number: DE2249435C3
Application number: DE19722249435
Authority: DE
Inventors: Hans Jochen Dipl.-Ing 8261 Emmerting Barth
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Filing date: 1972-10-09
Publication date: 1977-11-17

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Herstellung von Profilen aus geschäumten Thermoplasten, die zusätzliche Stabilisatoren, Gleitmittel, Treibmittel und gegebenenfalls Füllstoffe sowie weitere Zusatzstoffe enthalten, mittels eines Extruders ist bekannt. Der Vorteil der geschäumten Profile liegt hauptsächlich im etwa um 50 Gew.-% niedrigeren Materialeinsatz bei gleichem Volumen. Zudem lassen sich Vollprofile mit großem Querschnitt aus geschäumtem Material sinnvoller herstellen.

Eine entscheidende Bedeutung für die Qualität der Profile und überhaupt für die Herstellbarkeit der Profile kommt der Gestaltung des Extruderkopfes zu. Beim Einsatz von für die Kompaktprofilherstellung üblichen Extruderköpfen können nur dünnwandige Artikel aus geschäumtem Material hergestellt werden, und zudem weist die Oberfläche der Profile oftmals eine rauhe und rissige Struktur auf.

Ein Extruderkopf, der speziell für die Herstellung geschäumter Profile vorgeschlagen wurde, enthält im Zentrum des Kopfes einen Dorn, der über Halterungen befestigt ist. Durch den Kopf wird ein Hohlprofil extrudiert. Der Hohlraum wird beim Aufschäumen zugeschäumt. Nachteilig an diesem Kopf ist, daß er nur niedrige Ausstoßgeschwindigkeit zuläßt, und zudem (10 tritt durch die Dornhalterung eine Teilung des Materialstromes in mehrere Teilströme auf, die sich bei bestimmten Thermoplasten nicht mehr ohne im fertigen Profil erkennbare Nahtstellen vereinigen. Weiterhin ist von Nachteil, daß für die Herstellung von geschäumten <\s Hohlprofilen komplizierte Werkzeuge notwendig sind.

Außerdem ist bekannt, in den Extruderkopf eine Lochscheibe einzubauen und somit den Fließwiderstand der Austrittsdüse zu erhöhen. Nach Passieren der Lochscheibe werden die Einzelstränge wieder zu einem geschlossenen Strang zusammengeführt. Dabei treten jedoch Schwierigkeiten bei der Verschweißung der Stränge auf, und zudem ergibt sich durch die große Querschnittserweiterung hinter der Lochscheibe eine Entspannung, die zu frühem Aufschäumen der Einzelstränge und außerdem oftmals zu Ablagerungen und dadurch bedingt zu Verbrennungen des Materials führt.

Es wurde weiterhin versucht, durch Vorschalten eines Siebes vor die Lochscheibe eine Verbesserung zu erzielen. Es zeigt sich jedoch, daß dabei viele Poren des Schaumes zerstört werden. Durch den damit verursachten Gasverlust ergeben sich Schaumkörper mit höherer Dichte. Alle diese vorbekannten Einbauten in die Extruderköpfe dienen dazu, den Fließwiderstand des Fließkanals im Extruderkopf zu erhöhen. Dies ist bei der Extrusion von schäubaren Thermoplasten von besonders großer Bedeutung, da das Material nicht nur unter dem durch die Extruderschnecke erzeugten Druck, sondern auch unter dem Gasdruck des sich zersetzenden Treibmittels steht. Bei zu kleinem Fließwiderstand wird der Strang zu schnell und ungleichmäßig in Form eines inhomogenen Stranges aus der Düse gepreßt. Eine Erhöhung des Fließwiderstandes durch Verlängerung der Bügelzone ist nur in beschränktem Umfang möglich, da schäumende plastische Massen schlechte Gleiteigenschaften an Metalloberflächen haben und somit die Bildung rauher Oberflächen gefördert wird. Aus der GB-PS 10 84 000 ist die Anordnung einer Bügelzone nach den Trennwänden bekannt, d. h., die Trennwände reichen nicht bis zum Düsenmund.

Aus der GB-PS 11 38 938 ist eine Vorrichtung zum Herstellen von Profilen aus geschäumtem Thermoplast mit einem Extruder mit Schnecke und Extruderkopf bekannt, bei der der Fließkanal durch, in axialer Richtung angeordnete Trennwände einer Dicke von nicht mehr als 2 mm in Einzelkanäle aufgeteilt ist und wobei auch jeder Einzelkanal einen Düsenkoeffizienten k von ca. 0,1 hat.

Die bisher bekannten Methoden, mittels Einbauten in den Extruderkopf den Fließwiderstand zu vergrößern, führen meist zu Entspannungszonen nach den Einbauten und somit zu vorzeitigem Aufschäumen des Materials. Dies macht sich in rauhen und aufgerissenen Oberflächen der fertigen Profile bemerkbar. Durch den Zusatz von erhöhten Mengen an Gleitmitteln können diese Schwierigkeiten zwar eingeschränkt werden jedoch zeigen Profile aus Mischungen mit hohem Gleitinittelanteil oftmals ungleichmäßige Blasen, große Poren und Lunker. Zudem nimmt die Verschweißbarkeit der Materialstränge durch den hohen Gleitmittelzusatz ab. Ein geeignetes Maß für den Fließwiderstand eines Extruderkopfes stellt der Düsenkoeffizient k (mm³) dar. Er hängt bei newtonschen Medien in folgender Weise vom Durchsatz G (cmVsec) von der Schmelzviskosität μ (kp · sec/mm²) und vom Massedruck p(kp/cm²)ab:

k = G ■ μ/ρ

Aus der Geometrie der Düse läßt sich der Düsenkoeffizient berechnen. Beispiele für derartige Berechnungen werden von G. Schenkel in »Kunststoffextruder-Technik«, Carl Hanser-Verlag, München 1963, beschrieben.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, die ΐ !erste!- lung von Profilen aus geschäumten Thermoplasten zi ermöglichen und einen geeigneten Extruder, insbeson-

zur

dere Extruderkopf aufzuzeigen, der das Geschwindigkeitsprofil möglichst einheitlich über den Querschnitt gestaltet, bzw. eine gleichförmige Fließfront erzeugt

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung Herstellung von Profilen aus geschäumten Thermopla sten bestehend aus Extruder und Schnecke sowie einem Extruderkopf mit Fließkanal, bei der der Fließkaiial durch in axialer Richtung angeordnete Trennwände in Einzelkanäle aufgeteilt ist und wobei jeder Einzelkanal einen Däsenkoeffizienten von weniger als 2 mm¹ hat, dadurch gelöst, daß die axiale Länge oder die Seitenlange der Einzelkanäle über dem Querschnitt des Gesamlkana's verschieden groß ausgebildet sind.

Durch die Erfindung wird es möglich, einwandfrei verschäumte Profile auch großen Querschnitts herzustellen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile der Schaumextrusion werden somit durch einfache Maßnahmen verhindert.

Von entscheidender Bedeutung für die Funktion des, Verfahrens und der Vorrichtung sind die im Extruderkopf eingebauten Trennwände, das heilk der durch sie beeinflußbare Fließwiderstand im Extruderkopf. Sie sind vorteilhafterweise in Form eines Gitters angeordnet und können sowohl über den gesamten Querschnitt der Düse vorhanden sein, sowie auch nur in einem Teil der Düse. Ziel der Trennwände ist es, einen möglichst gleichmäßigen Fluß der plastischen Masse über den Gesamtquerschnitt des Profils zu erreichen. Dies kann nur erzielt werden, wenn jeder Einzelkanal, der durch die Trennwände entsteht, einen Düsenkoeffizienten zwischen 0,1 und 2 mm³ hat. Zur Berechnung dieses Koeffizienten gelten folgende Formeln.

Kanal mit Kreisquerschnitt:

k -

4 · F

Kanal mit RcchlecksquerschniU:

40

^k ~ F · 6
darin ist

Jfc(mm³) Düsenkoeffizient

F(?(mm²) Querschnittsfläche des Gesamtprofils

r(mm) Radius bei Kreisquerschnitt

F(mm²) gesamte vom Materialstrom berührte Oberfläche innerhalb des Düsenkanals (Düsenwand und Trennwände)

f)(mm) Kanalbreite bei Rechteckqⁱ<erschnitt

s(rnm) Kanalhöhe bei Rechteckquerschnitt

Für die Praxis ergibt sich aus den Formeln, daß der Düsenkoeffizient und damit die Drosselwirkung der Trennwände einerseits von deren Länge in axialer Richtung abhängt und andererseits von der Höhe und Breite des Einzelkanals, das heißt von dem Abstand der Trennwände.

Um nun das erstrebte Ziel der gleichmäßigen Fließfront der plastischen Masse zu erreichen, kann die axiale Länge des Gitters in einzelnen Zonen verschieden groß sein. Beispielsweise gestaltet man bei üblichen Rund- oder Rechtecksprofilen das Gitter im Zentrum der Düse länger, um die größere Fließgeschwindigkeit in diesem Bereich zu drosseln. Die genaue Anpassung kann mit geringem Aufwand durch Verkürzen zum Beispiel Abschleifen der Trennwände durchgeführt werden.

Bei komplizierteren Profilen ist es oftmals günstiger, wenn der ungleichmäßige Fluß der plastischen Masse dadurch vereinheitlicht wird, daß die Seitenlängen der Einzelkanäle über den Querschnitt des Gesamtkanals verschieden sind. Das heißt an Orten höherer Fließgeschwindigkeit der plastischen Masse befinden sich viele Kanäle pro Flächeneinheit, somit hat der Gesamtkanal hier starke Drosse'wirkung, und an Zonen geringerer Fließgeschwindigkeit befinden sich entsprechend weniger Kanäle pro Flächeneinheit, somit niedriger Drosselwirkung. Eine Feinabstimmung der axialen Länge der Kanäle ist in den meisten Fällen zusätzlich von Vorteil.

im allgemeinen wird das Trennwandgitter außerhalb der Düse aus den einzelnen Trennwänden zusammengesetzt und dann in die Düse des Extruderkopfes eingebaut. Es wird beispielsweise durch eine konische Ausbildung des Fließkanals durch den Materialdruck gehalten oder eingelötet. Vorteilhaft ist es, wenn es leicht austauschbar angebracht ist, da das Drosselgitter an die zu extrudierende Schmelze bzw. deren Gleiteigenschaften an den Kanalwänden angepaßt werden muß. In manchen Fällen ist es auch möglich, die Gleiteigenschaften an das vorhandene Drosselgitter anzupassen.

Neben dem Düsenkoeffizienten, der für die Einzelkanäle einen Wert von 0,1 bis 2 mm^J hat, kann auch der Düsenkoeffizient des Gesamtkanals, der zum Vergleich mit ähnlichen Düsen zweckmäßig ist, mit den gleichen Formeln unter Berücksichtigung des jeweils entsprechenden Kanalquerschnitts und der von dem jeweils betrachteten Massestrom berührten Kanaloberfläche berechnet werden.

Bei Kanälen mit Drosselgitter und rechteckigem Querschnitt besteht folgendes Verhältnis zwischen dem Düsenkoeffizienten des Einzelkanals und den aus vielen Kanälen bestehenden Gesamtkanal

kc=a² · b ■ ki, (mm¹),

Düsenkoeffizient des Gesamtkanals mit

Drosselgitter

Düsenkoeffizient des Einzelkanals

Anzahl der Einzelkanäle auf der schmalen

Rechteckseitc

Anzahl der Einzelkanäle auf der langen

Rechteckseite

worin ^(jnm

^(mrn
a (-)

Im allgemeinen erstrecken sich die Trennwar.de nicht über die gesamte Länge der Extruderdüse in axialer Richtung. Es ist von Vorteil, wenn die Trennwände 5 schon vor dem Düsenmund 7 aufhören und eine Bügelzone 8 der ein- bis fünfzehnfachen Länge der Fließkanalhöhe folgt. Die Bügelzone 8 besteht bevorzugt aus 2 Bereichen, von denen der mit dem Düsenmund 7 endende parallele Wände aufweist und der nach hinten darauffolgende konische Wände mit einer Kompression von 1 : 1,05 bis 1 :1,5 hat.

Durch die Kompression wird das Zusammenschweißen der durch die Trennwände entstehenden Stränge erleichtert. Die Bügelzone kann jedoch auch durchgehend parallele oder durchgehend konische Wände aufweisen.

Die Gesamtlänge der Düse liegt im allgemeinen im Bereich von 2 bis 25 ί (s-Wandabstand der Düse im Bereich der Bügelzone der Düse). Übliche Abmessungen der Einzelkanäle sind: Breite und Höhe 3 bis IO mm. Länge 30 bis 250 mm.

Dadurch, daß die Trennwände sehr dünn ausgeführt sind, tritt keine Entspannung nach dem Gitter ein und die Gefahr des Aufschäumens oder Verbrennens der thermoplastischen Schmelze ist nicht gegeben. Auch die Verschweißung der Teilstränge verläuft ohne Schwierigkeiten und ohne Nahtbildung.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es durch einfache Maßnahmen möglich, eine gleichmäüig strömende Fließfront zu erzielen und somit zu spannungsfreien, homogenen Profilen zu kommen. Dies ist insbesondere deshalb von Bedeutung, da mit den bisher im Werkzeugbau üblichen Methoden, wie der Veränderung der Einströmquerschnitte, bei schäumbarem Material keine wesentlichen Verbesserungen erzielt werden können.

Beispiele für Thermoplasten, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verschäumt werden können, sind PVC und dessen Copolymere, Polystyrol, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Terpolymere und Polyäthylen. Die eingesetzten Mischungen enthalten die üblichen Rezepturbestandteile, wie zum Beispiel Gleitmittel, Stabilisatoren und Treibmittel. Durch die Wahl der Rezeptur können die Eigenschaften des Profils weitgehend beeinflußt werden. Eine vorteilhafte Mischung besteht aus

lOOGew.-TeilenPVC

1 bis 20 Gew.-Teilen Acrylnitril-Butadien-Styrol- oder Methacrylat-Butadien-Styrol-Harzen

0,5 bis 3 Gew.-Teilen Stabilisatoren

0,3 bis 2,5 Gew.-Teilen Gleitmittel

0,1 bis 1,8 Gew.-Teilen Treibmittel

0 bis 10 Gew.-Teilen Füllstoffe

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird an Hand der Abbildungen näher erläutert.

Die A b b. 1 stellt einen Extruder 1 dar. Durch die Schnecke 2 wird die schäumbare, thermoplastische Masse in den Extruderkopf 3 gedrückt. Das im Fließkanal 4 eingesetzte Gitter 5 teilt diesen in Einzelkanäle 6 auf. Die Gestaltung des Gitters ist so durchgeführt, daß in der Mitte des Fließkanals die Länge der Wände größer ist, um den an sich schnelleren Fluß der plastischen Masse im Zentrum zu drosseln. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die plastische Masse gleichmäßig durch die Bügelzone 8 fließt und beim Düsenmund 7 austritt. Mit A b b. 2 wird das Gitter im Querschnitt dargestellt. Alle Trennwände haben den gleichen Abstand. In Abb.3 ist ein Gitter dargestellt, bei dem die Trennwände im mittleren Teil enger stehen.

In A b b. 4 wird der gleiche Extruder wie in A b b. 1 gezeigt. Der in dieser Abbildung dargestellte Kopf dient zur Extrusion eines Profiles mit Stegen. Durch Längenanpassung des Drosselgitters 5 läßt sich hier ebenfalls eine optimale Angleichung der unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten erreichen. In Abb.5 ist der Querschnitt des Drossclgittcrs mit gleichbleibendem Abstand der Trennwände gezeigt. Eine andere Möglichkeit zur Anpassung der Fließgeschwindigkeit zeigt Abb. 6. Hier wird die Anpassung durch unterschiedliche Trennwandabslände erreicht.

Beispiele

Eine schäumbare Hart-Polyvinylclilorid-Mischung mit den Bestandteilen 100 Gcw.-Tcilc Masscpolyvinylchlorid, K Wert 60, 2,5 Gcw.-Tcilc Stabilisator, 1,0 Gcw.-Tcil Gleitmittel, 0,3 Gcw.-Tcilc Azodicarbonamid und Farbstoff wird auf einem F.xtrudcr mit P=60mm Schncckcndurchmesscr, Schneckcnlänge 20 D und Volumenkomprcssion in der Schnecke von I : 3 über verschiedene Düsen zu einem brettartigen Vollstrang extrudiert.

Beispiel 1

Mit der obengenannten Maschine und dem Material wie angegeben wurde mit folgender Düse ein Profil extrudiert: Kanalabmessungen am Düsenmund: Breite B= 100 mm, Höhe A = 10 mm, Düsenlänge L= 300 mm, der Düsenkoeffizient dieser Düse beträgt Jt=25,2 mm³.

ίο Das erzeugte Extrudat enthält große Lunker, die Oberfläche ist wellig, das Material fließt ungleichförmig aus der Düse und durch die Schnecke erzeugte spiralförmige Markierungen sind am Strang noch zu erkennen. Die Dichte des Extrudates beträgt ca.

is 0,95g/cm³.

Beispiel 2

In den Fließkanal der im Beispiel 1 beschriebenen Vorrichtung wurde ein Drosselgilter, bestehend aus neunzehn 10 mm breiten und einer 100 mm breiten Trennwand eingebaut. Dadurch entstehen quadratische Einzelkanäk mit den Abmessungen 5x5 mm. Die Blechdicke betrug 0,2 mm; sie wird bei den Rechnungen nicht berücksichtigt. Die Länge des Drosselgitters

2s betrug 60 mm. Vor dem Drosselgitter war eine Einlaufzone, nach dem Drosselgitter eine Bügelzone mit einer Länge von 30 mm und einer Kompression von 1 :1,1 vorgesehen.
Der Düsenkoeffizient des Einzelkanals beträgt Jt/:= 0,43 mm³

der Düsenkoeffizient des gesamten Kopfes beträgt A«=34,7 mm³

VS Hierfür gilt die Beziehung ka=a² b kr In diesem Beispiel ist
a= 2( 2 Reihen in der Höhe) b= 20 (20 Reihen in der Breite)

Das Extrudat tritt deutlich gleichmäßiger und glatter aus der Düse aus. In der Mitte des Stranges ist die Austrittsgeschwindigkeit etwas größer als am Rand. Die Dichte des Extrudates beträgt ca. 0,7 g/cm^J.

Beispiel 3

In diesem Versuch wird ein Drosselgitter verwendet, dessen Wände im mittleren Bereich der Düse an die Fließfront angeglichen, also ca. 10 mm verlängert wurden und zum Rand zu auf die dort vorhandene

so Länge auslaufen.

Die übrige Vorrichtung wurde wie in Beispiel Ί belassen. Der Düsenkoeffizient der mittleren Einzclkanäle beträgt ca. Zf = 0,37 mm³. Die äußeren Kanäle wurden wie im Beispiel 2 belassen. Der Düscnkocffi

SS zient des gesamter. Kopfes durch die Korrektur wa geringfügig. Der Materialfluß in der Düse ist nach de Korrektur gleichmäßiger. Die Ränder fließen etw gleich schnell wie die Mittelbcrcichc. Die Porcnstruktu ist gleichmäßiger. Die Dichte des Extrudates betrag

ho 0,65 g/cm³.

Beispiel 4

Mit der gleichen schäumbaren Mischung und de gleichen Maschine wie in Beispiel 1 wurde ein Profil m <>s den in A b b. 5 gezeigten Formen gefahren. D Abmessungen betrugen: fr =-10 mm, fo--20mm, Gi samtbreite fr = 100 mm, Breite des Mittclbereichi fr. = 60 mm, Gesamtlänge der Düse /.- 200 mm.

Der Fließkanal wurde in der in A b b . 4 gezeigten Weise mit einem Drosselgitter versehen, der Wandabstand der Gitterwände betrug 5 mm. Die Länge des Gitters betrug durchschnittlich 65 mm. In den Einlaufbereichen der beiden Stege mit einem Querschnitt von 20 χ 20 mm und in der Mitte des Verbindungsteiles mit einer Höhe von 10 mm wurde der Widerstand durch Verlängerung des Drosselgitters um 10—20 mm erhöht. Der Strang trat gleichmäßig aus dem Düsenmund aus. Geringe Unterschiede in der Austrittsgeschwindigkeit ι ο konnten durch weitere Korrekturen an der Drossel-

gitterlänge beseitigt werden. Die Dichte des Extrudats betrug bei gleichmäßiger Porenstruktur 0,63 g/cm',

Beispiel 5

Zu der in den Beispielen i —4 verwendeten Mischung wurden 15 Gew.-Teilc Acryinitril-Butadien-Styrol-Tcrpolymer zugefügt. Ein mit der Vorrichtung aus Beispiel 3 gefahrenes Extrudat hatte eine besonders glatte Oberfläche, eine gleichmäßige Porenstruktur und etwas größere Poren als bei einer Mischung ohne ABS. Die Dichte betrug 0,58 g/cm³.

Hierzu 2 Blatt Zeichnunccn

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung von Profilen aus geschäumten Thermoplasten, bestehend aus Extru- s der und Schnecke sowie einem Ext: ' ' rkopf mit Fließkanal, bei der der Fließkanal du m axialer Richtung angeordnete Trennwände in unzelkanäle aufgeteilt ist und wobei jeder Einzelkanal einen Düsenkoeffizienten von weniger als 2 mm^J hat, u> dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge oder die Seitenlänge der Einzelkanäle über den Querschnitt des Gesamtkanals verschieden groß ausgebildet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- is zeichnet, daß die Trennwände (5) in Form eines Gitters angeordnet sind und den Fließk.inal (4) oder einen Teil des Fließkanals (4) in Einzelkanäle (6) mit rechteckigem Querschnitt aufteilen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch >o gekennzeichnet, daß die Trennwände schon vor dem Düsenmund (7) aufhören und eine Bügelzone (8) der ein- bis fünfzehnfachen Länge der Fließkanalhöhe folgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bügelzone (8) aus zwei Bereichen besteht, von denen der mit dem Düsenmund (7) endende parallele Wände aufweist und der nach hinten darauffolgende konische Wände mit einer Kompression von 1 : 1,05 bis 1 : 1,5 hat.