DE2341127A1

DE2341127A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von polymer-folien

Info

Publication number: DE2341127A1
Application number: DE19732341127
Authority: DE
Inventors: David Edward Heyer; Richard Donald Mules
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1972-08-15
Filing date: 1973-08-14
Publication date: 1974-02-28
Also published as: NL7311179A; DE2341127C2; FR2196231A1; BE803611A; NL182944B; GB1444757A; NL182944C; FR2196231B1; LU68236A1

Description

Verfahren und Vorrichtung ,zur Herstellung von

Polymer-Folien

Die Erfindung betrifft die Herstellung einer Folie aus einem thermoplastischen Polymeren durch Extrudieren und insbesondere das Steuern des Dickenprofils einer solchen extrudierten Folie.

Es sind viele Versuche unternommen worden, um die Dickeeigenschaften extrudierter Folien zu verbessern. Zahlreiche Vorrichtungen und Verfahren sind z. B. entwickelt worden, um während der Folienherstellung Dicke-Abweichungen wahrzunehmen und das Einstellen der Foliendicke an bestimmten Stellen zu bewirken, gewöhnlich an oder nahe dem Extrusionspunkt des polymeren Stoffes.

Bei einigen solchen Verfahren wird die öffnung der Strangpressform durch Justierschrauben entweder von Hand oder durch Motore in der Dicke vergrössert oder verkleinert, wie

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es in den US-PSer 3122 782, 3 122 784 und 3 455 175 beschrieben wird. Bei anderen solchen Verfahren werden ausgewählte Streifen der extrudierten Folie nach dem Abziehen der Folie von der Äbschreckwaize, aber vor dem Verstrecken erwärmt, wie es in den US-PSen 3 161 711 und 3 649 726 beschrieben ist. Bei einem weiteren Verfahren sind Heizvorrichtungen innerhalb des Hauptteils der Stranspressform in der Nähe der Zuführungs- und Verteilungsleitung für das Polymere angeordnet, um Bereiche der Stranpressform zu erwärmen und so zu helfen, die Dicke der Folie im wesentlichen konstant zu halten, wie es in der US-PS 3 341 388 beschrieben wird.

Alle diese Verfahren besitzen jedoch einen oder mehrere Nachteile, worunter ungenügende Steuerung des Profils der Foliendicke , Kompliziertheit der Vorrichtung und mangelnde Anpassungsfähigkeit für die Steuerung einer grossen Anzahl sehr schmaler Streifen der Folie zu rechnen sind. Es wird nach einem Weg gesucht, um die Foliendicke in einer grossen Anzahl von sehr schmalen Streifen zu steuern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss in einem Verfahren zur Steuerung des Dickenprofils einer thermoplastischen Polymer-Folie, die durch Strangpressen des Polymeren mittels einer Strangpressform mit einem Paar von Düsenaustrittslippen hergestellt wird, durch Einstellen der Temperatur des schmelzflüssigen Polymeren in der Strangpressform dadurch gelöst, dass die Temperatur des schmelzflüssigen Polymeren beim Durchtritt des Polymeren durch die Düsenaustrittslippen in einzelnen Streifen getrennt gesteuert wird.

Bei der Herstellung der extrudierten Folie wird mittels einer ebenfalls erfindungsgemässen Vorrichtung ein Extrudat regulierter Dicke erhalten. Die Vorrichtung weist eine Strangpressform mit einem Paar von Düsenaustrittslippen auf, von denen jede eine durchgehende, in Gegenbeziehung zu der

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anderen stehende Oberfläche besitzt, so dass dazwischen eine Austrittsöffnung der Strangpressdüse begrenzt wird, wobei Düsenaustrittslippe eine Mehrzahl in engem Abstand angeordneter Düsenaustrittslippenabschnitte enthält und jeder der Abschnitte ein unabhängig gesteuertes Heizelement und ein Temperaturfühlerelement besitzt.

Bei der Herstellung von Folien für eine Reihe von Verwendungen ist es bekannt, die Dickeneigenschaften der Folie durch Steuerung des Polymerflusses in der Extrudiervorrichtung zu verbessern. Dennoch hat bei der Herstellung solcher Folien nach vielen bekannten Verfahren die so gebildete Folie gewöhnlich eine oder mehrere Zonen oder Bereiche mit grösserer oder geringerer Dicke als der Rest der Folie (Dickenschwankungen) , die durch Unvollkommenheiten oder Schwankungen des Polymerflusses verursacht werden, die ihrerseits zu einem ungleichförmigen Verlauf des polymeren Stoffes in der Extrudiervorrichtung führen.

Beim Extrudieren polymerer Stoffe in Form einer endlosen Bahn ist es bekannt, dass die Stärke oder Dicke der Folie, ihr Einheitsgewicht und die Eigenschaften der Bahn, der Folie oder des Rohres für die Bildung von Rollen alle unmittelbar· durch die Gleichmässigkeit des Polymerflusses durch die Strangpressform und andere Teile der Extrudiervorrichtung, insbesondere die Düsenaustrittslippen gesteuert oder bestimmt werden. Wenn die Bahn z. B. aufgewickelt wird, würde jede sich fortsetzende, feststehende Dickeabweichung auf einer anderen derartigen Abweichung zu liegen kommen, so dass sich in einem Kumulierungseffekt ein harter Ring aufbaut, wodurch sich die Wicklung verzieht und so die Brauchbarkeit verringert und Ausschuss verursacht wird.

Bei der Herstellung einer dünnen Polymer-Folie, z. B. aus gerecktem Polyester-, Polyäthylen- und Polypropylenmaterial, beginnt man gewöhnlich mit der Herstellung einer relativ

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dicken Bahn aus einem Material, das in thermoplastischem Zustand aus einer schmalen, langgestreckten Extrudieröffnung einer Breitschlitzdüse extrudiert wird. Das schmelzflüssige Polymer-Material wird auf eine glatte, gekühlte, endlose, sich bewegende Abschreckfläche abgelegt, wie z. B. auf ein Förderband aus rostfreiem Stahl oder eine Drehtrommel, und verfestigt sich. Das erhärtete Material in der Form einer Folienbahn wird anschliessend von der gekühlten Fläche abgenommen und zu einer Reckvorrichtung befördert, wo es auf eine Temperatur unmittelbar oberhalb seiner Glasübergangstemperatur wiedererwärmt wird und in Längs- und Querrichtung auf die gewünschte Dicke gereckt wird. Von hier wird die dünne Folienbahn zu anderen Verarbeitungsstationen geführt, wo sie abhängig von dem endgültigen Verwendungszweck eine Vielfalt von Oberflächenbehandlungen erhalten kann, und dann entsprechend den Anweisungen des Kunden in geeigneter Weise zugeschnitten und zu Packungen oder Ballen gewickelt wird.

Die überlegenen physikalischen Eigenschaften gerechten Polyestermaterials werden jetzt in Form hochfester, ultradünner Folien erfolgreich ausgewertet. Diese Folien mit einer Dicke zwischen 0,005 mni und 0,025 ^ finden weitverbreitete Anwendung in Magnet-Aufzeichnungsbändern, in elektrischen Anwendungen, in Oberflächenbeschichtungen und allgemein beim Verpacken mittels dünner Folien. Da das Folienmaterial ultradünn hergestellt wird, hat es sich gezeigt, dass Ungleichemässigkeiten der Dicke bei der Herstellung eines Erzeugnisses guter Qualität in zunehmendem Mass kritisch werden. Vor allem geringe Schwankungen, wie schmale Bänder oder Streifen verringerter oder erhöhter Dicke, die bisher toleriert werden konnten, stören nun ausserordentlich und verhindern eine Korrektur herkömmlicher Extrudiervorrichtungen z. B. durch einfaches Justieren der Austrittslippen. Der Ursprung dieser Dicke-Streifen und -Bänder kann auf zahlreiche Ursachen zurückgeführt werden, die unter Umständen die Her-

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Stellung des Polymeren und das Fördersystem ebenso wie die St rangpress vor richtung selbst einschliessen können. Weitere Ursachen dieser Ungleichmässigkeiten werden vermutet, die Folge sporadischer Wellen in dem Pumpsystem, ungleichmassiger Erhitzung des schmelzflüssigen Materials und sogar inhärenter Unterschiede in der Zusammensetzung des Polymer-Materials zu sein.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Folien mittels Extrudieren und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur eines schmelzflüssigen Polymer-Materials auf neuartige Weise in der Extrudiervorrichtung durch Verwendung neuartiger isolierter Teile der Düsenaustrittslippen, die einen kontrollierten Polymerfluss und im wesentlichen eine gleichmässige Dicke der Folie sicherstellen.

Durch Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens und durch Verwendung der neuartigen Steuervorrichtung für den Polymerfluss lassen sich Polymer-Folien mit ausgezeichneten Eigenschaften und gleichmässiger Dicke herstellen, die. die Anforderungen für eine sehr grosse Anzahl von Verwendungszwecken erfüllen.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe Strangpressform mit präzise heizbaren Düsenaustrittslippen, die für kontinuierlichen Hochleistungsbetrieb in einen automatischen, geschlossenen Regelkreis für die Foliendicke geschaltet ist (aus Gründen der Übersichtlichkeit sind einige Teile weggelassen). Das System enthält einen querlaufenden Abtaster für die Bahndicke, einen Analog-Digital-Signalumsetzer, eine Temperatur-Rückkopplungseinrichtung an den geheizten Austrittslippen, eine Schnittstelle für die Energiezuführung und einen Digital-Computer. Der Computer nimmt in dem System die Schwankungen der Bahndicke und die Temperaturanzeigen der einzelnen, geheizten Teile der Aus-

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trittslippen auf, "berechnet die Abweichungen von dem gewünschten Dickenprofil und gibt Korrektursignale an die Energieschnittstelle ab, die die Energiezuführung zu den Heizelementen reguliert.

Fig. 2 ist eine isometrische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Strangpressform (aus Gründen der Übersichtlichkeit sind Teile entfernt), die die geheizten Teile der Düsenaustrittslippen zeigt, die durch Luftzwischenräume getrennt sind, und die Abschnitte minimaler Dicke entlang der Austrittslippen, die zur thermischen Isolation der geheizten Teile der Austrittslippen voneinander und von dem Hauptteil der Strangpressform dienen.

Fig. 3 zeigt eine typische Ausbildung der thermischen Grenzschicht durch den schmelzflüssigen Strom des polymeren Materials bei dessen in einer Richtung erfolgenden Bewegung durch den Temperatur-Steuerbereich, wobei die Heizelemente nahe der Lippenflächen angeordnet sind.

Fig. 4- ist eine Teilansicht von vorne, die eine Ge samt aufnahme der Stirnfläche des oberen und unteren Hauptteils zeigt.

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemässe Strangpressform mit einer Festhaltevorrichtung für die gesamte Bahnbreite zusammen mit bekannten Teilen einer Folien-Herstellungsvorrichtung, die eine Einrichtung zum Recken der Folie in Laufrichtung und Querrichtung und eine Aufwickelvorrichtung für die Folienbahn enthält.

Fig. 6 (6A bis 6D) ist eine graphische Darstellung, die die Auswirkung des selektiven, isolierten Heizens der Austrittslippe auf die prozentuale Änderung der Foliendicke bei Kombination mit einer über die ganze Bahnbreite wirkenden Festhalte vorrichtung in Form eines elektrostatisch geladenen Drahtes zeigt, und zwar für die Herstellung einer Folie mit

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einer Giessdicke von 0,318 mm bei einem Durchsatz von 249,5 kg pro Stunde, wobei die öffnung der Austrittslippen 1,40 mm, die Spannweite 38 mm und die Breite der Strangpress form 5018 cm beträgt.

7 (7A bis 7D) ist eine graphische Darstellung, die die Auswirkung des elektiven, isolierten Heizens der Austrittslippe auf die prozentuale Änderung der Foliendicke zeigt, wenn es mit dem elektrostatischen Festhalten der Kanten kombiniert wird, und zwar unter den gleichen Bedingungen wie in Fig. 6.

Die Figuren zeigen eine erfindungsgemässe Vorrichtung für das Zuführen fliessfähigen, schmelzflüssigen polymeren Materials und dessen Extrudieren in Form einer Bahn aus polymerem Material zur Herstellung einer Folie, wie z. B. einer PoIyäthylenterephthalat-Folie mit verbesserten physikalischen Eigenschaften.

Insbesondere gemäss den Fig. 1 bis 3 wird polymeres Material M der erfindungsgemässen Vorrichtung aus einer nicht gezeigten Quelle zugeführt und in eine Düsen-Anpasceinrichtung weitergefördert, durch die das Material zu einer neuartigen, erfindungsgemässen Strangpressform 10 fliesst, aus der es in Form einer Bahn W ("web") aus polymerem Mat rial extrudiert wird.

Die Strangpressform 10 enthält Austrittslippen 11, die eine Extrudieröffnung 12 begrenzen, wobei jede Lippe 11 eine Mehrzahl in engem Abstand angeordneter, geheizter Lippenabschnitte oder -teile 13 aufweist. Jeder Lippenabschnitt 13 enthält ein Heizelement 14 und einen Temperaturfühler 15, der mit einer regulierten Energieversorgung 16 verbunden ist und durch diese unabhängig gesteuert wird, so dass jeder Lippenabschnitt 13 im wesentlichen von den anderen thermisch isoliert ist. Vor dem Produktionsablauf wird der Einflussbe-

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reich jedes thermischen Lippenabschnitts 13 auf die Bahn W aus polymerem. Material festgelegt und genau bestimmt.Der Energiewert für die getrennten, geheizten Lippenabschnitte wird dann von Hand durch eine Bedienungsperson mit Hilfe einer geeigneten Messvorrichtung 17 für die Bahndicke eingestellt. Eine häufig verwendete und im Handel erhältliche derartige Vorrichtung ist ein Beta-Strahlenabtaster, der auf einem querlaufenden Mechanismus befestigt ist, der in Richtung der Bahnbewegung in einigem Abstand von der Strangpressform angeordnet ist, vorzugsweise an einer Stelle, an der die Bahn V aus polymerem Material sich zu einer Folienbahn F verfestigt hat. Der Abtaster wird über die Breite' der Folienbahn F hin- und herbewegt und registriert Dickeabweichungen, die zweckmässigerweise als ein Dickenprofil auf einer Kathodenstrahlröhre angezeigt werden können. Die Bedienungsperson stellt durch Vergleich mit dem Profilverlauf den Energiewert der Heizelemente in geeigneter Weise ein, und beeinflusst so den Bereich der DickeSchwankung.

Entsprechend dem zu korrigierenden Fehler kann die Einstellung des Energiewertes entweder zur Erniedrigung oder Erhöhung der Temperatur des ausgewählten, geheizten Lippenabschnitts 13 erfolgen. Durch Erhöhung, des Energiewertes wird die Temperatur des schmelzflüssigen Stroms an der Stelle des geheizten Lippenabschnitts 13 erhöht. Dies verursacht eine lokale Verringerung der Schmelz-Viseositat des schmelzflüssigen Materials M und eine entsprechende lokale Erhöhung der Massen-Durchflussleistung. Weil die Verweilzeit des Materials in Berührung mit der Hochtemperaturzone sehr kurz ist, tritt kein merklicher Abbau des Polymeren auf.

Abhängig von der Zusammensetzung und dem Verhalten des polymeren Materials und der gewünschten Korrektur der Foliendicke kann die thermische Geometrie so gestaltet werden, dass die Dicke der thermischen Grenzschicht vergrössert oder verringert wird oder die gesamte Dicke des Materials auf

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eine höhere Temperatur angehoben wird.

Vorzugsweise wird die Strangpressform 10 in der Weise betrieben, dass alle geheizten Lippenabschnitte 13 zu Beginn auf einen gleichmässigen Temperaturwert eingestellt werden, der etwas höher ist als die Einlasstemperatur des schmelzflüssigen Stroms. Die Temperatur eines oder mehrerer geheizter Lippenabschnitte 13 kann dann an der Stelle eines Bahnfehlers, z. B. im Fall eines verdickten Streifens reduziert werden, was eine lokale Erhöhung der relativen Viscositat des Materials und eine entsprechende lokale Verringerung der Massen-Durchflussleistung auslöst. Korrekturen der Dicke können mit gutem Ergebnis entweder durch Erwärmen oder Abkühlen der geheizten Lippenabschnitte 13 erhalten werden.

Dieses Steuerverfahren für die Foliendicke ist besonders gut für die Verwendung in automatischen, geschlossenen Regelkreisen geeignet, die von einem Digital-Computer gesteuert werden, der zuvor mit einem gewünschten. Profil der Bahndicke programmiert wurde. Gem?ss Fig. 1 enthält ein solches Regelungssystem die oben genannte Strangpressform 10, einen PDP-8/E-Computer 18 (Digital Equipment Coporation), der über Analog-Digital-Umsetzen 19a und 19b mit den Ausgängen der Temperaturfühler 15 und des Beta-Strahlabtasters 17 verbunden ist. Der Computer 18 erhält die Eingangsdaten, vergleicht diese Information mit dem gewünschten Dickenprofil, das zuvor in seinen Speicher einprogrammiert wurde, und berechnet den Betrag der elektrischen Energie, der den Präzisions-Heizelementen 14 zugeführt werden muss, um das gewünschte Dickeprofil zu erreichen, über eine Energieversorgungs-Schnittstelle 16, die mit den Heizelementen 14 und einer Standard-Wechselstromquelle verbunden ist, wird die Energie von dem Computer 18 zugeteilt. Über Festkörperschaltkreise, die es dem Computer 18 ermöglichen, den Energiebetrag für die Heizelemente 14 individual und kollektiv zu

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regulieren, ist die Energieversorgungs-ßchnittstelle 16 mit den Heizelementen 14 und dem Computer 18 verbunden.

Bei einem bevorzugten Verfahren wird der Computer 18 dafür programmiert, über die Energieversorgungs-Schnittstelle 16 einen gleichmässigen Anfangs-Energiewert allen Präzisions-Heizelementen 14 zuzuteilen. Dies stellt eine geheizte Zone 21 her, die in der Nähe des schmelzflüssigen polymeren Materials M Oberflächentemperaturen von etwa 10° C oberhalb der Eingangstemperatur des Materials aufweist. Wie es am deutlichsten in Fig. 3 zu sehen ist, erzeugt die Bewegung durch die geheizte Zone 21 eine Grenzschicht 22 entlang der Ober- und Unterseite des viskosen Materials M und eine höhere, lokale Massen-Durchflussleistung. Beim Entstehen eines Bandes oder Streifens abweichender Dicke korrigiert das Steuerungssystem den Fehler in folgender Weise: Der Computer 18 erhält das Signal für die Dickeabweichung von dem Abtaster 17 und den Temperaturwert von demjenigen geheizten Lippenabschnitt 13» der sich an der Stelle des Fehlers befindet. Der Computer 18 vergleicht dann die Abweichungen in der Dicke mit dem gewünschten programmierten Profil und berechnet das Ausmass der Korrektur des ivnergiewertes, der entsprechend den vorherfestgelegten Werten für die Änderung der Massen-Durchflussleistung des Materials M in dem fehlerhaften Bereich notwendig ist. Ein Energiewertsignal wird dann von dem Computer 18 über die Schnittstelle 16 der Energieversorgung zu dem betreffenden Heizelement 14 übermittelt. Wie oben im Zusammenhang mit dem bevorzugten Verfahren erwähnt, läuft die Energiekorrektur im allgemeinen auf eine verringerte Energiezufuhr hinaus, was ein Abkühlen des Heizabschnittes 13 bewirkt. Dieser abgekühlte Abschnitt 13 verursacht ein lokales Abkühlen der Grenzschicht 22, eine entsprechende Erhöhung der Viskosität des Materials und eine vereingerte, lokale Massen-Durchflussleistung. Bei der tatsächlichen Durchführung bestehen mehrere Verfahren für das Ausglätten eines Streifens erhöhter Dicke. Zu dem

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oben erwähnten Verfahren der Energiereduzierung für das Heizelement 14 an der Stelle des Streifens erhöhter Dicke und zu der dadurch ausgelösten Verringerung der lokalen Massen-Durchflussleistung besteht ein ebenso wirksames Gegenstück. Der Streifen erhöhter Dicke kann auch dadurch ausgeglättet werden, dass die Energiezufuhr für alle anderen geheizten Lippenabschnitte oder -teile mit Ausnahme der an der Stelle des Streifens erhöhter Dicke erhöht wird, wodurch das Durchflussübermass des Streifens erhöhter Dicke im wesentlichen über die Extrudieröffnung 12 verteilt wird. Die Methode des Ausglättens der Dickestreifen hängt ab von dem Ausmass der Dickekorrektur, dem vorhandenen Satz von Extrudierbedingungen, einschliesslich der Extrudiergeschwindigkeit, dem Ausmass der Reckung und der Genauigkeit hinsichtlich der Dicke. Oberflächenfehler (Ansammlungsbuckel und -täler) können also sofort entweder durch selektives Erwärmen oder Abkühlen der geheizten Abschnitte 14 korrigiert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Strangpressform 10 obere und untere Eauptteile 23 und 24, die im wesentlichen rechteckig geformte Blöcke aus einer masshaltigen Metallegierung sind, die entlang einer gemeinsamen, nicht gezeigten, Zwischenfläche in geeigneter Weise miteinander verdübelt und verschraubt sind.

Entlang der Zwischenfläche besitzt die Strangpressform 10 eine Polymer-Durchführung 29, die in Strömungsrichtung in der schmalen, langgestreckten Extrudieröffnung 12 endet. Die Durchführung 29 besteht - der Eeihe nach - aus einer Einführung und einem Verteilungskopf, die nicht gezeigt sind, einem abgeflachten Vorkanal 31 und schliesslich aus einem verengten Kanal 32. Der Verteilungskopf ist von bekannter Bauart und bewirkt das Verteilen des schmelz flüssigen Polymeren über die Breite der Strangpressform. Der Vorkanal 31 stellt eine im wesentlichen gleichgerichtete Strömung (d. h. eine Strömung in Bahnlaufrichtung) des Materials M vor

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dem Extrudieren sicher, während der Kanal 32 die Ausgangsdicke der Bahn W des durch die Extrudieröffnung 12 extrudierten Materials herstellt. Durch die Erzeugung einer solchen in einer Richtung erfolgenden Strömung in dem Vorkanal 51 wird die Wirkung des anschliessenden selektiven Erhitzens des betreffenden Streifens des schmelzflüssigen Materials ermöglicht, da seine Position dadurch festgestellt werden kann, dass er auf einer geraden Linie mit dem Streifen abweichender Dicke in der Folie liegt.

Die Durchführung 29 ist mit einer nicht gezeigten, kontinuierlichen Quelle des schmelzflüssigen Polymeren verbunden, aus der geeignete Polymer-Zusammensetzungen, wie z. B. Polypropylen, Polyäthylen, Polyamide und vorzugsweise Polyester sofort durch die Strangpressform verarbeitet werden können.

Die Extrudieröffnung 12 wird im wesentlichen durch die Innenflächen 35' und 36' der Austrittslippen 11 begrenzt (aus Gründen der Übersichtlichkeit werden die obere und untere Austrittslippe ebenfalls mit 35 und 36 bezeichnet), die ihrerseits den Vorkanal 31 und den Kanal 32 begrenzen. Bei Bedarf können bekannte Justierschrauben zum Vor-Einstellen der Dicke verwendet werden.

Jede Austrittslippe 35 und 36 ist - wie oben beschrieben in eine Mehrzahl in engem Abstand voneinander angeordneter geheizte Lippenabschnitte oder -teile 13 unterteilt, von denen jeder ein hülsenförmiges Widerstands-Heizelement 14 von 6,35 ¹³³Bi Durchmesser enthält. Jeder geheizte Lippenabschnitt 13 ist von seinem benachbarten Lippenabschnitt durch eine schmale,-offene Nut oder einen Lu ft Zwischenraum 41 getrennt oder isoliert. In der Nähe jedes Heizelementes 14 befindet sich ein thermoelektrischer Temperaturfühler I5. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält eine 50,8 cm lange öffnung 12 zweiundfünfzig geheizte Abschnitte 13.

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Wie es am besten in Fig. 2 zu sehen ist, ist. jeder thermische Lippenabschnitt 13 praktisch vollständig von den anderen Lippenabschnitten isoliert, und zwar durch die Lippenabschnitte isolierende Einrichtungen (d. h. durch die Nuten 41), die soweit in die Austrittslippen 35 und 36 hineinragen, dass nur noch ein dünnes die Rippen der Lippenabschnitte verbindendes Teil 42 die benachbarten Lippenabschnitte 13 verbindet, wodurch die durchgehenden Lippenflächen 35' und 36' definiert werden.

An der Ansatzstelle eines jeden isolierten Lippenabschnitts 13 enden die Luftzwischenräume oder Nuten 41 in verbreiterte, kreisförmige öffnungen 43, die von der Stirnfläche der Strangpressform zurückgesetzt sind und von denen jede durch eine dünne Hippe 44 von der anderen getrennt ist.

Auf Grund der Verbindungsteile 42 bilden die Lippenabschnitte 13 ein zusammenhängendes Teil der entsprechenden Austrittslippen und stellen sicher, dass dem schmelzflüssigen Material M gegenüber eine glatte, durchgehende Oberfläche 35' oder J>6' vorhanden ist. Die Rippen 44 dienen andererseits als Wärmesperre, um den Wärmefluss in den Hauptteil der Strangpressform zu reduzieren. Dies ist ein entscheidendes Merkmal der erfindungsgemässen Vorrichtung und des erfindungsgemässen Verfahrens, da die von den Elementen 14 abgegebene Wärme ohne die dazwischenge setzt en Lufträume 41 und die reduzierten Rippen oder Verbindungsteile 42 und 44 sich schnell auf die Rumpfbereiche der Strangpressformteile 23 und 24 und auf die benachbarten Lippenabschnitte verteilen würde, wodurch die Streifenauflösung verringert und die Ansprechzeit unerträglich verlängert würde. Mit der genannten Ausführung kann die Temperatur irgendeines thermischen Lippenabschnitts 13 um bis zu 25° C geändert werden, ohne dass die benachbarten Lippenabschnitte merklich beeinflusst werden.

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Die einzelnen Betriebsbedingungen für die erfindungsgemässe Extrudiervorrichtung hängen in bekannter Weise von der Beschaffenheit des zu extrudierenden Materials ab. Die z. B. für das Extrudieren von Polyäthylen-terephthalat-Material erforderlichen Betriebsbedingungen sind aus der US-PS 2 828 421 bekannt.

Die oben beschriebene Extrudiervorrichtung kann in zufriedenstellender Weise für das Giessen einer Folienbahn mit relativ langsamer Geschwindigkeit verwendet werden, bei höheren Produktionsraten kann jedoch eine sorgfältig ausgewählte Festhaltevorrichtung für die Folienbahn als Hilfsmittel zum wirkungsvollen Abschrecken und Kontrollieren des Dickenprofils notwendig sein. Dies resultiert zum Teil aus dem komplexen Quer-Schrumpfverhalten der schmelzflüssigen Bahn aus einem Material, das Temperatur- und Viskositätsgradienten quer zur Bahnrichtung bestitzt, die dem beabsichtigen Effekt entgegenwirken.

Um dies zu verstehen, wird der Fall einer Folienbahn mit einem Streifen erhöhter Dicke betrachtet; Den Teil der Düsenaustrittslippen, durch den das schmelzflüssige Polymere dieses Streifens hindurchtritt, lässt man auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur der benachbarten Lippenbereiche abkühlen. Dies verursacht eine höhere Viskosität des schmelzflüssigen Polymeren in diesem Streifen als in dem Rest der Folienbahn, wodurch sich der Massendurchfluss ■vermindert, was die Dicke des Streifens verringert.

Die tatsächliche Auswirkung dieser Massnahme zur Vermeidung dieses Bandes, oder Streifens grösserer Dicke hängt jedoch von der Art und Weise ab, in der die Folie auf der Abschreckfläche abkühlt und schrumpft. Wenn die Bahn nur an den Kanten festgehalten wird, wie beim elektrostatischen Festhalten entlang der Kanten, ist der mittlere Bereich der Bahn im wesentlichen frei beweglich und gleitet beim Abkühlen auf

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Abschreckfläche seitwärts und tendiert zum Schrumpfen. Diese Schrumpf kraft zieht das Polymere von den Rändern der Streifen niedrigerer Temperatur und höhrerer Viskosität, die weniger schrumpfen, weg. Anstatt die kühleren Streifen dünner zu machen, werden die Nachbarbereiche dieser relativ unbeweglichen Streifen dünner, was dem ursprünglich beabsichtigen Effekt entgegenwirkt und ein dickeres Band oder einen dickeren Streifen hinterlässt. Dieser Effekt, der durch den Temperaturgradienten ausgelöst wird, der zur Verringerung eines Streifens erhöhter Dicke eingerichtet wurde, kann mehr stören als der Streifen erhöhter Dicke.

Es hat sich gezeigt, dass dieses Problem im wesentlichen durch sorgfältiges Abstimmen der Art und Weise verhindert werden kann, in der die Bahn festgehalten wird oder in der das Festhalten der Bahn mit dem Heizen der Düsenaustrittslippen, das vorausgehend beschrieben wurde, kombiniert wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Bahn aus dem Material W dementsprechend über .ihre ganze Breite hin vollständig festgehalten, wie z. B. durch Festhalten mittels elektrostatisch geladener Drähte, die sich über die volle Breite der Bahn erstrecken, wie es in den US-PSen 3 223 757 und 3 068 528 beschrieben wird, oder durch ein pneumatisches Festhalte ve rf hären, wie es in der US-Anmeldung 232 763 vom 8. März 1972 beschrieben wird. Bei Verfahren, die diese Art von Abschreckhilfsmitteln, die allgemein mit 50 bezeichnet sind, verwenden, wird die Bahn V über ihre ganze Breite auf einer normalen, sich bewegenden Abschreckfläche S (d. h. auf die Abschreckfläche S der Abschreckwalze 40 in Fig. 5) ausreichend festgehalten, um ijede transversale Bewegung des Polymeren zu verhindern. Dies stellt zusätzlich sicher, dass die Stelle des oder der betreffenden Streifen in dem schmelzflüssigen Material durch eine geradlinige Bezugnahme genau festgestellt werden kann,- und dass sich eine Korrektur des Wärmegradienten im wesent-

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lichen so auswirkt, wie man es aus den Viscositätsänderungen in dem strömenden Polymeren erwartet.

Die folgenden Beispiele zeigen quantitativ das Steuerungsausmass der Bahndicke, das mit den präzise geheizten Austrittslippen erreichbar ist. Jedes Beispiel beschreibt eine Testreihe, die mit einer Standard-Spritzform für Folien (ähnlich Serie 102 der F.W. Egan Company) durchgeführt wurde. Die Spritzdüse wurde mit einer kontinuierlichen Quelle eines schmelzflüssigen Polyäthylen-terephthalat-Polymeren verbunden und in üblicher Weise in Verbindung mit einer gekühlten Botations-G-iesswalze betrieben. Das Prinzip des Präzisionsheizens entsprechend der vorliegenden Erfindung wurde nur im Mittelabschnitt der oberen Düsenlippe in Form von 13 geheizten Lippenabschnitten im Abstand von 9»5 ^mm- verwirklicht. Jeder Lippenabschnitt war in der oben beschriebenen Weise von dem nächsten thermisch isoliert und mit einem hülsenförmigen Heizelement und einem thermoelektrischen Fühler ausgerüstet. Die Heizelemente wurden mit unabhängig voneinander gesteuerten Energieversorgungseinheiten verbunden, ähnlich den von der Electronics Control Systems, Inc. hergestellten. Zu Beginn vor dem Messen der Folie wurde die Extrudierdüsenöffnung mechanisch auf eine Spalthöhe von 1,5 mm eingestellt. Der Polymer-Durchsatz wurde auf 181,4 kg pro Stunde bei ejlner Scherkraft von 2JO reziproken Sekunden über dem Kanalbschnitt der Strangpressform eingestellt. Die Walze, auf der sich die schmelzflüssige Bahn verfestigte, wurde auf eine Geschwindigkeit von 28,5 m pro Minute eingestellt, um ein Eeckungsverhältnis von etwa 10 : 1 zu erhalten und dadurch eine 0,18 mm dicke, gegossene Folie herzustellen. Diese Einstellungen wurden dann für jeden nachstehend beschriebenen Testlauf konstant gehalten.

Beispiel 1

Das Giessen der Folie wurde mit abgeschalteter Energiever-

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sorgung für die Heizelemente begonnen, so dass sich die Strangpressform und die Düsenaustrittslippen bei abgeschalteter Energieversorgung für die Präzisions-Heizelemente bei 285° C stabilisierten. Ein Profilverlauf für die Dicke der gegossenen Folie wurde bestimmt. Der Verlauf wurde mittels eines Dicke-Messinstruments der Elektromikrograph-Bauart, wie es von der Pratt & Whitney Company hergestellt wird, erhalten. Die Heizelemente H-1 bis H-13 wurden dann eingeschaltet, ¹Um die Temperatur eines jeden geheizten Lippenabschnitts auf etwa 20° C über der Anfangstemperatur des schmelzflüssigen Polymeren anzuheben. Nachdem sich das System bei diesen Bedingungen stabilisiert hatte, wurde ein Verlauf der Dickenprofile der gegossenen Folie angefertigt. Der Energiebetrag der Heizelemente H-5 bis H-9 wurde dann zur Erhöhung der Temperatur der entsprechenden Lippenabschnitte um 10° C eingestellt. Nach einer Stabilisierungsperiode von 10 bis 15 Minuten wurde ein Profilverlauf der gegossenen Folie hergestellt. Der Energiewert der Heizelemente H-5 und H-9 wurde dann erneut eingestellt, um die Lippentemperatur um weitere 10° C anzuheben, und ein weiterer Profilverlauf der gegossenen Folie wurde aufgenommen. Das obige Verfahren wurde jeweils mit Intervallen von 10° C wiederholt, bis eine Endtemperatur der Düsenlippe von 400° C erreicht wurde. Nach dem Erhalten eines endgültigen Profilverläufs wurde die Energieversorgung der Heizelemente H-1 bis H-13 zurückgedreht, wodurch die Temperatur der Lippen auf 315° C erniedrigt wurde.

Eine Untersuchung der Profilverläufe zeigte, dass sich die Dicke der 0,18 mm dicken gegossenen Folie im Mittelabschnitt ( unmittelbar bei dem geheizten Lippenbereich) auf 0,0236 mm erhöhte, also eine Erhöhung um 13)3 % bei einer Temperaturänderung von 115 C. Dies entspricht einer durchschnittlichen, durch die geheizten Düsenlippen ausgelösten Änderung der Dicke von 0,11 % pro ⁰C Temperaturerhöhung. Die Testläufe zeigten auch, dass die Erwärmungsgeschwindigkeit nicht

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linear war und bis zu 60 % der Endtemperatur 0,544° C proSekunde und von 60 % bis 90 % der Endtemperatur 0,177° C pro Sekunde betrug. Die Tests zeigten andererseits, dass die Abkühlgeschwindigkeit erheblich höher war als die Aufheizgeschwindigkeit. Venn die Energie der Heizelemente reduziert wurde, kühlten sich die Düsenlippe mit einer Geschwindigkeit von 0,407° C pro Sekunde bei 60 % der Endtemperatur und mit 0,252° C pro Sekunde bei 90 % der Endtemperatur ab. Es wird vermutet, dass das schnellere Abkühlen der hohen Wärmeabsorbierfähigkeit des schmelzflüssigen Polymerstroms zuzuschreiben ist.

Beispiel 2

Dieses Beispiel zeigt das hohe Auflösungsvermögen schmaler oder feiner Streifen, das sich mittels der geheizten Lippenabschnitte gemäss der vorliegenden Erfindung erreichen lässt. Die Anordnung und die Giessbedingungen entsprechen im wesentlichen denen von Beispiel 1.

Ein anfänglicher Verlauf des Dickeprofils der gegossenen Folie mit abgeschalteten Heizelementen wurde zur Kontrolle nach dem Stabilisieren der Düsenlippentemperatur bei 285° C aufgenommen. Die Energiezufuhr zu den Heizelementen H-1 bis H-13 wurde dann eingeschaltet und die Lippentemperatur auf etwa 350° C erhöht. Nach dem Stabilisieren des Systems wurde ein Profilverlauf der gegossenen Folie aufgenommen. Die Energiezufuhr zu dem Heizelement H-7 wurde dann schrittweise erhöht, so dass sich die Temperatur des betreffenden geheizten Lippenabschnitts kontinuierlich erhöhte. Gleichzeitig wurde die Temperatur der den Heizelementen H-6 und H-8 entsprechenden thermischen Lippenabschnitten überwacht. Die Temperatur des geheizten Lippenabschnitts des Heizelements H-7 wurde so lange erhöht, bis eine Temperaturänderung der Heizelemente H-6 und H-8 von 1° C festgestellt wurde. Dieser Test zeigt, dass eine Temperaturdifferenz von 25° C zwischen

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benachbarten geheizten Lippenabschnitten eingestellt werden kann, ohne eine störende Beeinflussung von mehr als 1⁰C hervorzurufen. Bei einer normalen, eine Dickenänderung von 0,11 % bis· 0,22 % je ⁰C hervorrufenden Aufheizgeschwindigkeit ist es auf diese Weise möglich, von Streifen zu Streifen eine 2%ige bis 5%iS^e Änderung der Dickenkorrektur vorzunehmen.

Beispiel 5

Dies ist ein Beispiel für die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei eine Verbesserung dadurch erreicht wird, dass das Verfahren oder die Einrichtung zum Heizen der getrennten Lippenabschnitte mit dem selektiven Festhalten der Materialbahn auf der sich bewegenden Abschreckfläche kombiniert wird, wie es oben beschrieben wurde.

Diese Verbesserung ist in den Fig. 6 und 7 aus der Schärfe und der Gleichförmigkeit des Ansprechens zu ersehen, die beispielsweise durch die Kombination des Festhaltens mittels einer sich über die ganze Bahnbreite erstreckenden, elektrostatisch, geladenen DrahJcelektrode mit den isolierten, geheizten Austrittslippenabschnitten, im Vergleich beispielsweise zu der Kombination dieser Austrittslippen mit dem elektrostatischen Festhalten der Kanten ermöglicht wird. Die Kurve D der Fig. 6 zeigt das gute und gleichmässige Ansprechen, das mit dem Festhalten mittels einer sich über die ganze Bahnbreite erstreckenden, elektrostatisch geladenen Drahtelektrode durch Erhöhen der Temperatur von drei Heizelemente auf jeder Seite eines mittleren Heizele.mentes (zusammen sieben Heizelemente) um 80° C erreicht wird. Diese Kurve stellt die prozentuale Änderung der Dicke dar und ist durch einen glatten Verlauf mit einer Ansprechhöhe von 14- % gekennzeichnet. Das anschliessende jeweilige Verringern der Anzahl von Heizelementen um zwei für die Kurven G und B und bis auf ein einziges Heizelement für die Kurve A, zeigt im allgemeinen glatte Kurvenverläufe mit hohen Ansprechwerten. ^vie in den

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entsprechenden Kurven der Fig. 7 gezeigt wird, ist andererseits das elektrostatische Festhalten der Kanten durch niedriges, ungleichmässiges Ansprechen hinsichtlich der prozentualen Änderungen der Dicke gekennzeichnet. Man sieht daraus, dass das vollständige Festhalten mittels einer elektrostatisch geladenen Drahtelektrode das wirkungsvollste Verfahren zum Festhalten der Folienbahn (kombiniert mit präzise geheizten Düsenaustrittslippen) für die Steuerung der Dicke einer lienbahn ist.

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Claims

F-2293/2396 14. Patentansprüche

1.j Verfahren zur Steuerung des Dickeprofils einer thermo- -"^ plastischen Polymer-Po lie, die durch Extrudieren des Polymeren durch eine zwei Düsenaustrittslippen aufweisende Strangpressform unter Einstellen der Temperatur des schmelzflüssigen Polymeren in der Strangpressform hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des schmelzflüssigen Polymeren selektiv in einzelnen Streifen gesteuert wird, wenn sich das Polymere zwischen den Düsenaustrittslippen hindurchbewegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des schmelzflüssigen Polymeren innerhalb der Strangpressform genau in die Laufrichtung der Polienbahn ausgerichtet wird, bevor die Temperatur des ßchmelzflüssigen Polymeren selektiv gesteuert wird.

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der einzelnen Streifen so gewählt wird, dass eine Folie von im wesentlichen über die Breite der Folie hin gleichförmiger Dicke entsteht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein ausgewählter Streifen des Polymeren erhitzt wird.

5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Streifen des Polymeren abgekühlt wird.

6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur jedes Streifens unter Ansprechen auf eine Messung der Bahndicke gewählt wird, wobei die Messung entweder an dem gleichen

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Streifen vor dem transversalen Recken oder an dem entsprechenden Streifen nach, dem transversalen Recken erfolgt.

7· Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die extrudierte Bahn des Polymeren auf einer sich bewegende Abschreckfläche gegossen wird und die Bahn über ihre ganze Breite hin auf der Abschreckflache festgehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbahn durch Festhalten mittels einer sich über die ganze Folienbahn erstreckenden, elektrostatisch geladenen Drahtelektrode auf einer elektrisch geerdeten Abschreckfläche festgehalten wird.

9· Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbahn durch Fluiddruck auf der Abschreckfläche festgehalten wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorausgehenden Ansprüche, die eine Strangpressform mit zwei Düsenaustrittslippen aufweist, die jeweils durchgehenden Flächen besitzen, die einander gegenüber angeordnet sind, um dazwischen eine Extrudieröffnung zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass jede Düsenaustritt slippe (35, 36) eine Mehrzahl in geringem Abstand angeordneter Düsenlippenabschnitte (13) enthält, wobei jeder der Abschnitte ein unabhängig gesteuertes Heizelement (14) und ein Temperaturfühlerelement (15) enthält.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Abschnitte jeder Düsenaustrittslippe durch eine Nut (41) getrennt sind, die aus einem inneren und äusseren Teil besteht, wobei der innere Teil nahe der Düsenlippenflache, die die Extrudieröffnung begrenzt, und im Abstand zu ihr angeordnet ist.

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12. Vorrichtung nach. Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Stirnfläche der Strangpressform entfernte Teil einer jeden Nut in einem kreisförmigen, zylindrischen Teil (43) endet, dessen Durchmesser grosser ist als die Breite der restlichen Nut.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Einrichtung (1?) zur Messung der Foliendicke in einzelnen Streifen über die Breite der Folienbahn hin vorgesehen ist und zur Übertragung eines Signals eingerichtet ist, das eine Funktion der Foliendicke ist, und dass eine Steuereinrichtung (18) zur Aufnahme der Signale der Temperaturfühlelemente in den Lippenabschnitten und der Einrichtung zur Messung der Foliendicke und zur Regulierung der Energieversorgung eines jeden Heizelements entsprechend einem bevorzugten Profil der Foliendicke vorgesehen sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13» gekennzeichnet durch eine sich bewegende Abschreckfläche (S), wobei Einrichtungen zum Festhalten der Polymerbahn auf der Abschreckfläche vorgesehen sind.

Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschreckfläche (S) elektrisch geerdet ist, und dass eine Elektrode (50) in Form eines Drahtes vorgesehen ist, der sich über die Breite der Polymerbahn erstreckt und in deren Nähe angeordnet ist, ohne sie jedoch zu berühren.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Festhalten der Polymerbahn wenigstens eine Fluidzuleitung aufweist, die im Abstand zur Abschreckfläche angeordnet ist und auf sie ausgerichtet ist.

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