DE2341127C2

DE2341127C2 - Schlitzdüse zum Extrudieren eines thermoplastischen Kunststoffes

Info

Publication number: DE2341127C2
Application number: DE2341127A
Authority: DE
Inventors: David Edward Circleville Ohio Heyer; Richard Donald Wilmington Del. 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: 1984-03-22
Also published as: NL7311179A; FR2196231A1; BE803611A; DE2341127A1; NL182944B; GB1444757A; NL182944C; FR2196231B1; LU68236A1

Description

25

Die Erfindung betrifft eine Breitschlitzdüse zum Extrudieren eines thermoplastischen Kunststoffes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der US-*-S 33 41 388 ist eine Schlitzdüse zum Extrudieren euies thermoplastischen Kunststoffes bekannt, die zwei gegenüberliegende und zwischen sich eine Extrudieröffnung bildende DS- anlippen mit durchgehenden Düsenlippenflächen und eine Mehrzahl unabhängig voneinander mittels Temperaturfühler gesteuerter Heizelemente aufweist Die Heizelemente befinden sich dabei oberhalb des Verteilungskanals, so daß die Temperatur des schmelzflüssigen thermoplastischen Kunststoffes zu einem sehr frühen Zeitpunkt gesteuert wird. Innerhalb des schmelzflüssigen Kunststoffes besteht zu diesem Zeitpunkt noch keine gleichgerichtete, parallele Strömung. Eine Temperaturerhöhung im mittleren Bereich der Düsenlippenflächen beeinflußt auch die Viskosität des an den Enden der Schlitzdüse austretenden schmelzflüssigen Kunststoffes. Tritt an einer bestimmten Stelle der Folienbreite eine Dickenabweichung auf, so ist dies im allgemeinen auf eine zu hohe oder zu niedrige Temperatur mehrerer Heizelemente zurückzuführen, wodurch die Steuerung des Zicken-Profils der erzeugten thermoplastischen Folie erschwert wird.

In der DE-OS 22 29 924 wird eine Schlitzdüse nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 vorgeschlager. Die Heizelemente sind dabei nebeneinander auf der Außenseite einer der Düsenlippen angeordnet. Hierdurch wird zwar eine selektive Steuerung der Temperatur der einzelnen Düsenlippenabschnitte ermöglicht, jedes Heizelement beeinflußt jedoch auch die Temperatur der benachbarten Düsenlippenabschnitte, so daß bei der beabsichtigten Änderung der Temperatur eines bestimmten Düsenlippenabschnittes die Stromzufuhr auch zu den benachbarten Heizelementen geändert werden muß und außerdem die Steuerung insgesamt träge ist. μ

Der Erfindung liegt die Aufgabe ?:ugrunde, eine Schlitzdüse zu schaffen, bei der das Dickenprofil einer thermoplastischen Kunststoffolie mittels der Temperatur der einzelnen Düsenlippenabschnitte präzise und mit kurzer Ansprechzeit gesteuert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die im Patentanspruch 2 angegebene Ausbildung des Anmeldungsgegenstandes verbessert die thermische Isolation der einzelnen Düsenlippenabschnitte gegenüber dem Hauptteil der Schlitzdüse.

Die erfindungsgemäße Schlitzdüse eignet sich insbesondere zum Extrudieren von Polyester-Folien hoher Festigkeit und einer Dicke zwischen 0,005 und 0,025 mm, wie sie für Magnet-Aufzeichnungsbänder oder als Verpackungsmaterial verwendet werden. Durch das schnelle und präzise Steuern der Temperatur der Düsenlippenabschnitte können durch die erfindungsgemäße Schlitzdüse insbesondere Unterschiede in der Zusammensetzung des Kunststoffes, ungleichmäßige Erhitzung des schmelzflüssigen Materials und sporadische Wellen des Pumpsystems weitgehend ausgeglichen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert Es zeigt

F i g. 1 in schematischer Form die Schlitzdüse und das Steuerungssystem einschließlich der Vorrichtung zur Bestimmung des Dickenprofils der Folie;

Fig.2 in einer isometrischen Darstellung einzelne der beheizten Düsenlippenabschnitte;

F i g. 3 einen Schnitt durch eine Extruderöffnung mit Darstellung der thermischen Grenzschicht innerhalb des schmelzflüssigen Kunststoffes:

F i g. 4 eine Teilansicht der Stirnfläche der Schlitzdüse.

Die F i g. 1 —4 zeigen eine Breitschlitzdüse für das Exdrudieren eines thermoplastischen Kunststoffes zur Herstellung einer Folie, wie z. B. einer Polyäthylenterephthalat-Folie mit verbesserten physikalischen Eigenschaften.

Gemäß den F i g. 1 bis 3 wird der Kunststoff M der aus einer nicht gezeigten Quelle zugeführt und in eine Düsen-Anpaßeinrichtung weitergefördert, durch die der Kunststoff M zu einer Schlitzdüse 10 fließt, aus der er in Form einer Bahn Waus polymerem Material extrudiert wird.

Die Schlitzdüse 10 enthält Düsenlippen 11, die eine Extrudieröffnung 12 begrenzen, wobei jede Düsenlippe 11 eine Mehrzahl in engem Abstand angeordneter, beheizter Düsenlippenabschnitte 13 aufweist. Jeder Düsenlippenabschciitt 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 DüsenlippenaDschnitt 13 von den anderen im wesentlichen thermisch isoliert ist. Vor dem Produktionsablauf wird der Einflußbereich jedes Düsenlippenabschnitts 13 auf die Bahn W festgelegt und genau bestimmt. Der Energiewert für die beheizten Lippenabschnitte 13 wird dann von Hand durch eine Bedienungsperson mit Hilfe eines geeigneten Sensors für die Bahndicke eingestellt.

Entsprechend dem zu korrigierenden Fehler der Foliendicke kann die Einstellung der Leistung der Heizelemente entweder zur Erniedrigung oder Erhöhung der Temperatur des jeweiligen beheizten Düsenlippenabschnitts 13 erfolgen. Durch Erhöhung der Leistung wird die Temperatur des schmelzflüssigen thermoplastischen Kunststoffes M an der Stelle des beheizten Düsenlippenabschnitts 13 erhöht. Dies verursacht eine lokale Verringerung der Schmelz-Viskosität des schmelzflüssigen Kunststoffs M und eine entspre-

chende lokale Erhöhung des Massen-Durchsatzes. Weil die Verweilzeit des Kunststoffes M in Berührung mit der Hochtemperaturzone sehr kurz ist, tritt kein merklicher Abbau des Polymeren auf.

Abhängig von der- Zusammensetzung und dem Verhalten des Kunststoffes M und der gewünschten Korrektur der Foliendicke kann die thermische Geometrie so gestaltet werden, daß die Dicke der thermischen Grenzschicht 22 vergrößert oder verringert wird oder die gesamte Dicke des Kunststoffes M auf eine höhere Temperatur angehoben wird.

Die Schlitzdüse 10 wird in der Weise betrieben, daß alle beheizten Düsenlippenabschnitte 13 zu Beginn auf einen gleichmäßigen Temperaturwert eingestellt werden, der etwas höher ist als die Einlaßtemperatur des schmelzflüssigen Kunststoffes M. Die Temperatur eines oder mehrerer beheizter Düsenlippenabschnitte 13 kann an der Stelle eines Bahnfehlers, z. B. im Fall eines verdickten Streifens reduziert werden, was eine lokale Erhöhung der relativen Viscosität des Kunststoffes M und eine entsprechende lokale Verringerung des Massen-Durchsatzes auslöst. Korrekturen dr_:- Dicke können mit gutem Ergebnis entweder durch Erwärmen oder Abkühlen der beheizten Düsenlippenabschnitte 13 erhalten werden.

Es bestehen in der Praxis mehrere Möglichkeiten für das Ausglätten eines Streifens erhöhter Dicke. Zur Leistungsreduzierung für das Heizelement 14 an der Stelle des Streifens erhöhter Dicke und der dadurch ausgelösten Verringerung des lokalen Massen-Durchsatzes kann der Streifen erhöhter Dicke auch dadurch ausgeglättet werden, daß die Energiezufuhr für alle anderen beheizten Düsenlippenabschnitte 13 mit Ausnahme des an der Stelle des Streifens erhöhter Dicke erhöht wird, wodurch das Durchsatzübermaß des Streifens erhöhter Dicke über die Extrudieröffnung 12 verteilt wird. Das Ausglätten des verdickten Streifens hängt ab von dem Ausmaß der Dickekorreiktur, den vorhandenen Extrudierbedingungen, einschließlich der Extrudiergesci.windigkeit, dem Ausmaß der Reckung und der Genauigkeit hinsichtlich der Dicke. Oberflächenfehler (Buckel und -täler) können also sofort entweder durch selektives Erwärmen oder Abkühlen der beheizten Düsenlippenabschnitte 14 korrigiert werden.

Die Schlitzdüse ίΟ enthält ob;re und untere Hauptteile 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 -,0 verdübelt und verschraubt sind.

Entlang der Zwischenflächa besitzt die Schlitzdüse 10 eine Polymerisat-Durchführung 29, die in Strömungsrichtung in der schmalen, langgestreckten Extrudieröffnung 12 endet. Die Polymerisat-Durchführung 29 besteht — der Reihe nach — aus einem Einlaß 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 schmelzfiüssigen Polymeren über die Breite der Schlitzdüse 10. Der Vorkanal 31 stellt eine im wesentlichen gleichgerichtete Strömung (d. h. eine Strömung in Bahnlaufrichtung) des Kunststoffes M vor dem Extrudieren sicher, während der Kanal 32 die Dicke der Bahn W des durch die Extrudieröffnung 12 extrudierten Kunststoffs herstellt. Durch die Erzeugung einer solchen in einer Richtung erfolgenden Strömung in dem Vorkanal 31 wird die Wirkung des anschließenden selektiven Erhitzens des betreffenden Streifens des schmelzflüssigen Kunststoffes 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 Polymerisats M verbunden, aus der geeignete Polymer-Zusammensetzungen, wie z. B. Polypropylen, Polyäthylen, Polyamide und vorzugsweise Polyester sofort durch die Schlitzdüse 10 verarbeitet werden.

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

Jede Düsenlippe 35 und 36 i-st — wie oben beschrieben — in eine Mehrzahl in engem Abstand voneinander angeordneter geheizte Düsenlippenabschnitte 13 unterteilt, von denen jeder ein hülsenförmiges Widerstands-Heizelement 14 von 6_r35 mm Durchmesser enthält. Jeder geheizte Düsenlippenabschnitt 13 ist von seinem benachbarten Düsenlippenabschnitt 13 durch eine schmale, offene Nut 41, die einen Luftzwischenraum bildet, getrennt und isoliert. In der Nähe jedes Heizelementes 14 befindet sich ein thermoelektrischer Temperaturfühler 15. In einem Ausführungsbeispiel enthält eine 50,8 cm lange Extruderöffnung 12 zweiundfünfzig beheizte Düsenlippenabschnitte 13.

Wie in F i g. 2 gezeigt, ist jeder Düsenlippenabschnitt 13 praktisch vollständig von den anderen Düsenlippenabschnitten isoliert, und zwar durch die Nuten 41, die soweit in die Düsenlippen 35 und 36 hineinragen, daß nur noch eine dünne die Düsenlippenabschnitte 13 verbindende Rippe 42 benachbarte Düsenlippenabschni'te 13 verbindet, wodurch die durchgehenden Düsenlippenflächen 35' und 36' definiert werden.

An der Ansatzstelle eines jeden isolierten Düsenlippenabschnitts 13 enden die Nuten 41 in verbreiterte, kreisförmige Öffnungen 43, die von der Stirnfläche der Schlitzdüse 10 zurückgesetzt sind und von denen jede durch eine dünne Rippe 44 von der nächsten getrennt ist.

Auf Grund der Rippen 42 bilden die Düsenlippenabschnitte 13 ein zusammenhängendes Teil der entsprechenden Düsenlippen 11 und stellen sicher, daß dem schmelzflüssigen Kunststoff M gegenüber eine glatte, durchgehende Düsenlippenfläche 35' oder 36' vorhandei. ist. Die Rippen 44 dienen andererseits als Wärmesperre, um den Wärmefluß in den Hauptteil der Schlitzdüse 10 zu reduzieren. Die von den Heizelementen 14 abgegebene Wärme würde sich ohne die dazwischengesetzten Nuten 41 und die Rippen 42 und 44 schnell auf die Ri'Tipfbereiche der Hauptteile 23 und 24 und auf die benachbarten Düsenlippenabschnitte 13 verteilen, wodurch die Streifenauflösung verringert und die Ansprechzeit unerträglich verlängert würde. Mit der genannten Ausführung kann die Temperatur irgendeines Düsenlippenabschnitts 13 um bis zu 25°C geändert werden, ohne daß d^:3 benachbarten Düsenlippenabschnitte 13 merklich beeinflußt werden.

Die einzelnen Betriebsbedingungen für die Schlitzdüse 10 hängen in bekannter Weise von der Beschaffenheit

des zu extrudierenden Kunststoffes ab.

Die folgenden Beispiele zeigen quantitativ das Steuerungsausmaß der Bahndicke, das mit den präzise geheizten Düsenlippenabschnitten erreichbar ist. Jedes Beispiel beschreibt eine Testreihe, die mit einer Standard-Schlitzdüse für Folien (ähnlich Serie 102 der F. W. Egan Company) durchgeführt wurde. Die Schlitzdüse wurde mit einer kontinuierlichen Quelle eines schmelzflüssigen Polyäthylen-terephthalat-Polymeren verbunden und in üblicher Weise in Verbindung mit einer gekühlten Rotations-Gießwalze betrieben. Das Prinzip des Präzisionsheizens entsprechend der vorliegenden Erfindung wurde nur im Mittelabschnitt der oberen Düsenlippe in Form von dreizehn beheizten Düsenlippenabschnitten 13 im Abstand von 9,5mm !5 verwirklicht. Jeder Düsenlippenabschnitt 13 war in der oben beschriebenen Weise von dem nächsten thermisch isoliert und mit einem hülsenförmigen Heizelement 14 und einem thermoelektrischen Temperaturfühler 15 ausgerüstet. Die Heizelemente 14 wurden mit unabhängig voneinander gesteuerten Stromversorgungseinheiten verbunden, ähnlich den von der Elektronics Control Systems, Inc. hergestellten. Zu Beginn vor dem Messen der Folie, wurde die Extruderöffnung 12 mechanisch auf eine Spalthöhe von 1,5 mm eingestellt. Der Polymer-Durchsatz wurde auf 181,4 kg pro Stunde bei einer Scherkraft von 230 reziproken Sekunden quer zum Vorkanal 3t der Schlitzdüse 10 eingestellt. Die Walze, auf der sich die schmelzflüssige Bahn verfestigte, wurd% auf eine Geschwindigkeit von 28,5 m pro Minute jo eingestellt, um ein Reckungsverhältnis 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. J5

Beispiel 1

Das Gießen der Folie wurde mit abgeschalteter Stromversorgung für die Heizelemente 14 begonnen, so daß sich die Schlitzdüse 10 und die Düsenlippen 11 bei abgeschalteter Stromversorgung für die Präzisions-Heizelemente bei 285^CC stabilisierten. Ein Profilverlauf für die Dicke der gegossenen Folie wurde bestimmt Der Verlauf wurde mittels eines Dicke-Meßinstruments der Elektfomikrograph-Bauart, wie es von der Pratt & Whitney Company hergestellt wird, erhalten. Die Heizelemente H-\ bis //-13 wurden dann eingeschaltet, um die Temperatur eines jeden beheizten Düsenlippenabschnitts 13 auf etwa 20° C über der Anfangstemperatur des schmelzflüssigen Polymeren anzuheben. Nacndem 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 Düsenlippenabschnitte 13 um 10⁰C eingestellt Nach einer Stabilisierungperiode 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 Düsenlippentemperatur um weitere 10⁰C 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 U von 400⁰C erreicht wurde. Nach dem Erhalten eines endgültigen Profilverlaufs wurde die Energieversorgung der Heizelemente W-I bis H-13 zurückgedreht, wodurch die Temperatur der Düsenlippen 11 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 beheizten Lippenbereich) um 0,0236 mm erhöhte, also eine Erhöhung um 13,3% bei einer Temperaturänderung von 115°C. Dies entspricht einer durchschnittlichen, durch die beheizten Düsenlippenabschnitte 13 ausgelösten Änderung der Dicke von 0,11% pro °C Temperaturerhöhung. Die Testläufe zeigten auch, daß die Erwärmungsgeschwindigkeit nicht linear war und bis zu 60% der Endtemperatur 0344⁰C pro Sekunde und von 60% bis 90% der Endtemperatur O,I77°C pro Sekunde betrug. Die Tests zeigten andererseits, daß die Abkühlgeschwindigkeit erheblich höher war als die Aufheizgeschwindigkeit. Wenn die Stromzufuhr zu den Heizelementen 14 reduziert wurde, kühlten sich die Düsenlippe U 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 Wärm&absorbierfähigkeit des schmelzflüssigen Polymerstroms zuzuschreiben ist.

Beispiel 2

Dieses Beispiel zeigt das hohe Auflösungsvermögen schmaler oder feiner Streifen, das sich mittels der geheizten Düsenlippenabschnitte 13 erreichen läßt. Die Anordnung und die Gießbedingungen entsprechen im wesentlichen denen von Beispiel 1.

gegossenen Folie mit abgeschalteten Heizelementen wurde zur Kontrolle nach dem Stabilisieren der Düsenlippentemperatur bei 285°C aufgenommen. Die Energiezufuhr zu den Hei7»lementen W-I bis W-13 wurde dann eingeschaltet und die Düsenlippentemperatur auf etwa 330⁰C erhöht. Nach dem Stabilisieren des Systems wurde ein Profilverlauf der gegossenen Folie aufgenommen. Die Stromzufuhr zu dem Heizelement H-7 wurde dann schrittweise erhöht, so daß sich die Temperatur des betreffenden geheizten Düsenlippenabschnitts 13 kontinuierlich erhöhte. Gleichzeitig wurde die Temperatur der den Heizelementen W-6 und W-8 entsprechenden Düsenlippenabschnitte 13 überwacht Die Temperatur des beheizten Düsenlippenabschnitts 13 des Heizelements H-7 wurde so lange erhöht bis eine Temperaturänderung der Heizelemente W-6 und W-8 von \°C festgestellt wurde. Dieser Test zeigt daß eine Temperaturdifferenz von 25" C zwischen benachbarten beheizten Düsenlippenabschnitten 13 eingestellt werden kann, ohne eine störende Beeinflussung von mehr als 1°C hervorzurufen. Bei einer normalen, eine Dickenänderung von 0,11 % bis 0,22% je ° C hervorrufenden Aufheizgeschwindigkeit ist es auf diese Weise möglich, von Streifen zu Streifen eine 2%ige bis 5%ige Änderung der Dickenkorrektur vorzunehmen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Breitschlitzdüse zum Extrudieren eines thermoplastischen Kunststoffes, bestehend aus zwei gegenüberliegenden und zwischen sich eine Extruderöffnung bildenden Düsenlippen mit durchgehenden Düsenlippenflächen, wobei jede Düsenlippe in eine Mehrzahl, in geringem Abstand angeordneter Düsenlippenabschnitte unterteilt ist, die unabhängig voneinander mittels Temperaturfühler gesteuerte Heizelemente aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenlippenabschnitte (13) durch schmale, offene Nuten (41) getrennt sind und nur an den durchgehenden Düsenlippenflächen (35',

. 36') mit den jeweils benachbarten Düsenlippenab- ,5 schnitten (13) durch dünne Rippen (42) verbunden sind.

2. Breitschlitzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Stirnfläche der Breitschlitzdüse entfernte Teil einer jeden Nut (41) in einer kreisförmigen, zylindrischen Öffnung (43) endet, dessen Durchmesser größer ist als die Breite der restlichen Nut (41).