-
Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von extrudierten schlauchförmigen
thermoplastischen Kunststoffilmen Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung
von kontinuierlichem nahtlosen geblasenen thermoplastischen Filmrohrmaterial bzw.
Filmschlauchmaterial und insbesondere auf die Herstellung von dünnwandigen Filmen
bei höheren Geschwindigkeiten mit verbesserter Gleichförmigkeit in der Wandungsdicke.
-
Geblasene schlauchförmige thermoplastische Filme können dadurch hergestellt
werden, daß man ein thermoplastisches Harz durch ein ringförmiges Werkzeug kontinuierlich
extrudiert; es wird ein innerer Druck eines fließenden Mediums an das extrudierte
Schlauchmaterial angelegt; dadurch wird das Schlauchmaterial expandiert, damit dessen
Wandungsdicke bis zum geeigneten Wert reduziert wird, während das Harz gekühlt und
verfestigt
wird. Das Schlauchmaterial wird dann zwischen Klemmwalzen flach gedrückt. Der mit
doppelter Dicke abgeflachte Film kann zwecks Aufbewahrung und nachfolgender Verwendung
als Schlauch zu einer zylindrischen Rolle aufgewickelt werden, oder das Schlauchmaterial
kann unter Bildung einer Bahn in einfacir Dicke mit doppelter Breite oder unter
Bildung von zwei Bahnen mit einfacher Dicke aufgeschnitten oder aufgeschlitzt werden.
-
Unter gewissen Umständen hat das so hergestellte Schlauchmaterial
den Nachteil, daß eine gute Gleichförmigkeit der Stärke oder Dicke des Folienmaterials
nicht erzielbar istS das bedeutet, daß die Filmdicke nicht gleichförmig ist.
-
Wenn dieser nicht-gleichförmige Film zu einer Rolle aufgewickelt wird,
wird eine unebene wellige Rolle erhalten. Die Wickelspannung verzieht den Film über
den Unebenheiten; infolgedessen liegt der Film, wenn das Harz kalten Fluß zeigt,
nicht flach, wenn er abgewickelt wird; er hat dann Riffelungen oder Wellungen, wodurch
zum Bedrucken, bei Umformungen und bei anderen Verwendungsarten spezielle Vorsichtsmaßnahmen
erforderlich sind. Üblicherweise werden solche Probleme durch Drehen des Werkzeugs
oder durch Verwendung irgendwelcher Kühlringe oder durch beide Maßnahmen verbessert.
-
Diese Stärkenvariationen führen auch dazu, daß eine größere Gewichtsmenge
Harz je Flächeneinheit des Films einzusetzen ist, da eine größere durchschnittliche
Dicke
eingehalten werden muß, damit eine vorgegebene Minimaldicke
aufrechterhalten wird. Es ist daher erwünscht, daß die Stärkenvariation vermindert
wird.
-
Ein wesentliches Problem liegt auch in der Kühlung der extrudierten
Blase aus dem thermoplastischen Material.
-
Die Produktionsgeschwindigkeit für irgendeine vorgegebene Größe oder
Gestalt des Schlauchmaterials (Blase) ist durch die Art der Blase, die extrudiert
wird, begrenzt. So führt unter vorgegebenen Arbeitsbedingungen eine Steigerung des
Extruderausstoßes dazu, daß das thermoplastische Material bei höherer Geschwindigkeit
zu einem Schlauchmaterial ausgeformt wird; da jedoch die Wärmeverlustcharakteristika
des Systems nicht geändert worden sind, führt dies ebenfalls zu einem Anstieg in
der Höhe der Frostlinie (das ist diejenige Linie, wo das geschmolzene extrudierte
Harz fest wird). Dies führt andererseits dann zu einem Anstieg in der Instabilität
der extrudierten Blase, da deren ungestützte geschmolzene Strecke zu lang wird.
-
Die Aufgabe der Erfindung liegt daher in der Verbesserung der Gleichförmigkeit
in der Wandungsdicke bei extrudierten schlauchförmigen Filmen. Der extrudierte Film
wird durch eine Vorrichtung geführt, die der Blase eine ausgewählte Konfiguration
erteilt, jedoch auch so gestaltet ist, daß verhindert wird, daß das geschmolzene
Harz mit der Vorrichtung in Berührung kommt.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Bildung
von schlauchförmigen thermoplastischen Harz filmen mit folgenden Merkmalen gelöst:
1) ringförmiges Extrusionswerkzeug; 2) ein Paar von Klemmwalzen stromabwärts mit
Bezug auf das Werkzeug, die so angepaßt sind, daß das durch das Werkzeug extrudierte
Schlauchmaterial flach gedrückt wird; 3) Einrichtung zur Einführung eines Fluids
unter Druck in das Schlauchmaterial, um dieses zu expandieren und so dessen Wandungsdicke
zu vermindern; 4). ein Gehäuse, koaxial mit dem Werkzeug, stromabwärts mit Bezug
auf das Werkzeug gelegen und in Stromabwärtsrichtung auseinanderlaufend.
-
Das Gehäuse hat Reihen von Kanälen für Kühlfluid; jeder Kanal endet
in einer öffnung auf der Innenfläche des Gehäuses.
-
Die Kanäle sind in Reihenpaaren angeordnet, wobei die Kanäle in einer
Reihe eines jeden Paares von den Kanälen in der anderen Reihe des Paares weggerichtet
sind. Dies führt zu einem Fluß von Kühlfluid (normalerweise Luft), der von jedem
Paar öffnungsreihen weggehend auseinanderläuft.
-
Zwischen jedem Paar von Reihen befindet sich ein Durchgang, durch
den das Kühlfluid entweichen kann. So wird eine Zirkulation von Kühlfluid aus den
Kanälen, durch die öffnungen, über den extrudierten Film und heraus durch die Auslaßdurchgänge
geschaffen.
-
Der Effekt der geblasenen Luft oder eines anderen Kühlfluids durch
die Öffnungen am Ende der Kanäle besteht darin, daß ein Teilvakuum geschaffen wird,
das die extrudierte Blase nach außen gegen die Wandungen des Gehäuses zieht und
so die Gestalt der Blase derjenigen des Gehäuses anpaßt. Es hat sich herausgestellt,
daß das Gehäuse für beste Ergebnisse einen maximalen Divergenzwinkel von 480 haben
soll.
-
Das erfindungemäße Verfahren besteht darin, daß man ein Schlauchmaterial
aus thermoplastischem Kunststoff schmelzextrudiert, innerhalb des Schlauchmaterials
Druck bei der Extrusion aufrechterhält, so daß das Schlauchmaterial durch die Druckanwendung
expandiert wird, weiterhin das extrudierte Schlauchmaterial kühlt, um das Harz zu
verfestigen, und das expandierte gekühlte Schlauchmaterial flachdrückt, wobei im
expandierten Schlauchmaterial Fluid eingeschlossen wird, und# das expandierte extrudierte
Schlauchmaterial nach außen zieht und das expandierte Schlauchmaterial einer auseinandergehenden
Form mit einem maximalen Divergenzwinkel von weniger als 480 anpaßt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform hat das Gehäuse
die
Form einer Reihe von Ringen entlang der zentralen Achse der Blase; diese Ringe sind
getrennt von jedem anderen angeordnet, so daß der Durchgang zum Entweichen des Kühlgases
geschaffen wird.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise
näher veranschaulicht; in der Zeichnung bedeuten: Fig. 1 eine Schnittansicht einer
ringförmigen Extrusionsvorrichtung; Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie
2-2 gemäß Fig. 1; Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht des Kühlringteils der Vorrichtung
gemäß Fig. 1.
-
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird ein thermoplastisches Harz
1o einem Extruder 12 zugeführt, worin es geschmolzen und dann durch ein ringförmiges
Extrusionswerkzeug 14 extrudiert wird, wobei ein Schlauchmaterial 16 aus geschmolzenem
thermoplastischen Harz gebildet wird. Die Leitung 18 in der Insel 20 des ringförmigen
Werkzeugs 22 dient der Zufuhr eines Fluids, normalerweise Luft, zum thermoplastischen
Harzschiauchmaterial 16. So wie das Schlauchmaterial stromabwärts vorangeht, kühlt
es sich ab, bis es an der Frostlinie 24
zu einer dimensionsstabilen
schlauch- oder rohrförmigen Struktur 26 verfestigt wird. Dieses feste Rohrmaterial
26 wird durch eine Führung 28 zum Zusammenfallen gebracht; dann geht es durch den
Walzenspalt eines Paares von Walzen 30 hindurch.
-
Mehrfachkühlringverteiler 32a, 32b, 32c, 32d, 32e, 32f und 32g, wobei
es sich entweder um gesonderte Größen bzw.
-
Teile in einem Gehäuse 34, wie dargestellt, handelt oder die einen
entsprechenden einzelnen monolithischen bzw. einstückigen Aufbau haben können, sind
um die Achse der Blase herum angeordnet. Eine Pumpe 36 führt ein Fluid, zweckmäßig
Luft, durch eine Leitung 38 in das Innere 40 der Ringverteiler 32 heran.
-
Dieses Fluid trifft auf das extrudierte Schlauchmaterial durch die
auseinandergehenden Kanäle 42a und 42b und öffnungen 43 auf.
-
Der Fluß des Fluids aus den auseinandergehenden Düsen erzeugt einen
verminderten Druck zwischen den Düsen (im entsprechenden Bereich mit 44 bezeichnet)
und führt außerdem dazu, daß das Fluid durch die Durchgänge 46 zwischen benachbarten
Ringen aus dem System herausgeführt wird. Das mit hoher Geschwindigkeit geführte
Fluid, das aus der Nähe des extrudierten Schlauchmaterials heraustritt, verursacht
außerdem eine leichte Druckabnahme (im Bereich, der mit 48 bezeichnet ist). Diese
Druckverminderungen ziehen das noch geschmolzene extrudierte Schlauchmaterial 16
gegen die Ringe 32s jedoch bildet das Fluid ein Kissen zwischen den Ringen und dem
Schlauchmaterial, so daß verhindert wird, daß das Schlauchmaterial mit den Ringen
in
Berührung kommt und damit verklebt, während es noch geschmolzen
ist.
-
Eines der wesentlichen Merkmale dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung
liegt in der Verwendung des auseinanderlaufenden Gehäuses zur Schaffung einer besonderen
Gestalt bei dem extrudierten Schlauchmaterial von dem Zeitpunkt, wenn es aus dem
Extrusionswerkzeug austritt, bis zu demjenigen Zeitpunkt, wo es sich mehr in einem
im wesentlichen festen Zustand befindet. Dieses Gehäuse ist von generell divergierender,
d.h. konischer, paraboloider oder ähnlicher Gestalt. Die Art dieses die Gestalt
bildenden Gehäuses beschränkt dieses Teil jedoch nicht auf eine genaue geometrische
Nachbildung dieser mathematischen Funktionen. Vielmehr sind diese Daten zur Veranschaulichung
der generellen Art einer Gestalt angegeben, die angewendet werden kann. Erforderlich
ist nur, daß dieses Gehäuse von einer anfänglichen, stromaufwärts gerichteten Lage
nahe an und koaxial um das ringförmige Extrusionswerkzeug herum nach fortschreitend
mehr stromabwärts gerichteten Lagen weniger in der Nähe des ringförmigen Extrusionswerkzeugs,
jedoch noch koaxial damit, auseinandergeht.
-
Es hat sich herausgestellt, daß die während des Expandierens und
Kühlens der Blase geschaffene Gestalt einen maximalen Divergenzwinkel von weniger
als 480 haben soll, vorzugsweise weniger als 380. Weiterhin ist für irgendeine vorgegebene
Frostlinie zum Extrusionswerkzeugabstand bevorzugt, daß mit einer so beschaffenen
Blasengestalt und -größe gearbeitet
wird, daß der Hals der Blase
(d.h. der Teil der Blase vom Werkzeug bis zu dem Punkt, wo sie auseinanderzugehen
beginnt) länger als bei üblichen Blasen (d.h. solche Blasen, deren Konfiguration
nicht geregelt ist) bis zu einem solchen Ausmaß ist, daß der Divergenzpunkt um 5
bis 15 % des gesamten Werkzeugs zum Frostlinienabstand höher liegt. Die Stärkenvariation
bei so gebildeten Filmen ist bedeutend vermindert, nämlich im Vergleich mit derjenigen
Stärkenvariation, die unter ansonsten im wesentlichen identischen Arbeitsbedingungen,
aber ohne Schaffung einer solchen speziellen Gestalt vor der Verfestigung des extrudierten
Filmes beobachtet wird.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform des Gehäuses liegt jede Reihe
von öffnungen entlang einer Ebene oder Flächegenerell senkrecht zur Achse des Extrusionswerkzeugs.
Die einzelnen Kanäle 42 und deren Öffnungen 43 in jedem Paar von Reihen sind gesondert
in einem Winkel, vorzugsweise dem weitestmöglichen Winkel, in der Richtung der Achse
der Vorrichtung ausgerichtet, d.h. in der Richtung der Filmbewegung. So sind die
Achsen der öffnungen in einem kleinen spitzen Winkel mit Bezug auf die Oberfläche
des thermoplastischen Schlauchmaterials angeordnet. Obwohl dies wahrscheinlich die
wirksamste Gestaltung ist, brauchen die genannten Kanäle nicht von zylindrischer
Gestalt zu sein, sondern es kann sich auch um eine konvergierende Düse oder um eine
andere Gestaltung handeln.
-
Wesentlich ist nur, daß diese Kanäle dazu führen, daß das dort hindurchführende
Fluid beim Austreten aus jedem zusammenwirkenden Paar von öffnungen auseinandergeht.
-
Weiterhin sind Durchgänge zwischen den Paaren von öffnungsreihen
für die Luft oder ein anderes Fluid zum Entweichen vorgesehen. So wird ein Zirkulationssystem
geschaffen, mit dem man erreicht, daß das Fluid von der Außenseite gegen das extrudierte
Schlauchmaterial gelangt, das Fluid entlang dem extrudierten Schlauchmaterial strömt
und das Fluid dann zurück zur Außenseite geleitet wird. Wenn ein anderes Fluid als
Luft verwendet wird, können ein geeigneter Vorratsbehälter und ein geschlossenes
System vorgesehen sein; auch kann der nach außen gerichtete Durchgang das Fluid
einfach in die Atmosphäre abgeben.
-
Dieses Fluid kühlt das extrudierte Schlauchmaterial und verfestigt
es in hinreichendem Ausmaß, so daß es nicht-klebrig und dimensionsstabil gemacht
wird. Wenn dies die einzige Funktion wäre, die durch das Kühlfluid erreicht wird,
würde das Schlauchmaterial expandieren, nämlich entsprechend dem Druck, der durch
das innere Fluid ausgeübt wird, und als Funktion der angewendeten Kühlgeschwindigkeit
und der zugehörigen Flüssigkeitsstärke des verwendeten thermoplastischen Harzes.
Die Effekte und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehen jedoch darüber
hinaus.
-
Die besondere Gestalt der Kanäle und ihrer oeffnungen führt dazu,
daß das daraus herausfließende Fluid als Abzugsmittel wirkt und so ein Teilvakuum
im Raum zwischen den Öffnungen bildet. Dieses zieht das extrudierte Schlauchmaterial
gegen das die Form gebende Gehäuse und veranlaßt, daß sich das extrudierte Schlauchmaterial
eng der Gestalt des Gehäuses anpaßt. Wenn die Temperatur und Fließgeschwindigkeit
des Fluids entsprechend dem besonderen extrudierten thermoplastischen Harz und entsprechend
den
Dimensionen des extrudierten Schlauchmaterials ebenso wie entsprechend
dem Extrusionswerkzeug eingestellt werden, kann die Frostlinie des extrudierten
Schlauchmaterials üblicherweise innerhalb des die Konfiguration gebenden Gehäuses
eingeordnet werden, generell auf dessen stromabwärts gerichtetes Ende zu.
-
Zu berücksichtigen ist, daß viele Arbeitsvariablen voneinander abhängig
und nicht unabhängig variabel sind. Das Verfahrensprinzip liegt darin, dem extrudierten
Schlauch aus thermoplastischem Material eine besondere Expansionsrate und eine besondere
Gestalt zu erteilen, während es bis zum dimensionsstabilen und nicht-klebrigen Zustand
gekühlt wird.
-
Das thermoplastische Material wird üblicherweise durch ein ringförmiges
Werkzeug mit einem Durchmesser von etwa lo bis 40 mm und einer Werkzeugöffnung von
etwa o,25 bis 2,5 mm extrudiert. Die Extrusionsraten bzw. Extrusionsgeschwindigkeiten
sind natürlich von dem verwendeten Extruder abhängig. Aufblasverhältnisse, d.h.
das Verhältnis des endgültigen Filmdurchmessers zum Werkzeugdurchmesser, vonetwa
1,5 bis 5 sind geeignet wie ebenso endgültige Filmstärken von o,o1 bis o,25 mm.
-
Das bevorzugte,den Innendruck schaffende Fluid und entsprechende Außenkühlungsfluids
sind Luft; jedoch können auch andere Gase verwendet werden. Das innere Fluid soll
etwa bei Atmosphärendruck oder leicht oberhalb Atmosphärendruck gehalten werden.
-
Das Außenkühlungsfluid wird zweckmäßig bei einer Temperatur von etwa
200 bis 100°C gehalten; es wird in geeigneter Weise bei einer Geschwindigkeit von
etwa 20 bis 150 m3 (oOC; 760 mm Hg)
je m2 Oberflächenbereich des
zu kühlenden geschmolzenen Schlauchmaterials eingeleitet.
-
Es hat sich herausgestellt, daß eine direkte Anwendung gewisser üblicher
Bedingungen bei dem erfindungsgemäßen gestaltgebenden Verfahren unzweckmäßig sein
kann. So ist gefunden worden, daß bei Anwendung gewisser üblicher Bedingungen das
geschmolzene Extrudat schlaff werden kann, wenn es das Werkzeug verläßt, woraus
resultiert, daß es über sich selbst gefaltet wird oder nach außen zwischen den vertikal
im Abstand angeordneten Kühlringelementen fließt, so daß es stecken bleibt; auch
kann es in gewisser Weise an den Oberflächen der Kühlringelemente in unmittelbarer
Nachbarschaft zum Werkzeug festgehalten werden. Die Möglichkeit solcher Erscheinungen
kann wesentlich vermindert oder eliminiert werden, wenn die Werkzeugaustrittsöffnung
vergößert wird, so daß eine Öffnung gebildet wird, die größer als eine solche ist,
die normalerweise bei üblichen Schlauchextrusionsvorgängen verwendet wird. Bei einem
herkömmlichen Kühlverfahren kann die Größe der üblichen Spalte beispielsweise im
Bereich von o,o6 bis o,1 mm liegen, während die Öffnungsspalten bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren vorzugsweise 1 bis 1,25 mm haben. Beispielsweise wird ein auf 66 cm flach
liegender schlauchförmiger Film mit einer Breite von 132 cm im Umfang und o,o7 mm
Dicke normalerweise mit einer Spalte von 1 mm in einem herkömmlichen Verfahren hergestellt,
erfordert jedoch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Spalte von 1,#5 mm. Unter
Anwendung einer größeren Werkzeugöffnungsspalte ist der geschmolzene Film, wenn
er das Werkzeug verläßt, dicker
und muß mit gößerer Kraft gezogen
bzw. verstreckt werden, damit die erwünschte endgültige Filmdicke bei der Frostlinie
erhalten wird. Diese größere Kraft überwindet die Neigung der geschmolzenen Blase,
in sich zusammenzufalten oder zwischen den Kühlringelementen nach außen zu fließen.
Ohne Kenntnis des tatsächlichen Mechanismus ist anzunehmen, daß die Vergrößerung
der öffnungsspalte und die entsprechende Vergrößerung der Kraft beim Ziehen bzw.
Verstrecken das Problem des Aufhängens des Schlauchmaterials eliminiert, da als
Ergebnis der Steigerung der Ziehkraft bzw. Verstreckungskraft ein abwärts gerichteter
Widerstand, der durch die Kühlringelemente auf das geschmolzene Schlauchmaterial
ausgeübt wird, überwunden wird. Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, daß ein
Verhältnis von Werkzeugöffnungsspalte zu endgültiger Filmdicke oberhalb vonRlo :
1 und vorzugsweise oberhalb von 15 : 1 liegen sollte.
-
Fluidströmungsleitungen können innerhalb des Inselteils des Extrusionswerkszeugs
vorgesehen sein, um einen Teil oder sämtliche in das extrudierte Schlauchmaterial
eingeführte Luft abzuführen, so daß ein Zirkulationssystem gebildet wird.
-
Das die Konfiguration erteilende Gehäuse kann aus einer einzigen
monolithischen bzw. einstückigen Struktur mit einer solchen Höhe, die sich von der
Ebene des Extrusionswerkzeugs bis zu einem Punkt stromabwärts von der Frostlinie
erstreckt, oder aus einer Reihe von aufgestapelten Ringen mit ähnlicher kumulativer
Höhe bestehen. In jedem Fall sollen die Öffnungen in Abständen von etwa 1 bis 20
mm gesondert angeordnet sein,
während die beidenBeihen in jedem
Paar in Abständen von etwa 1o bis 100 mm gesondert angeordnet sind. Die Öffnungen
selbst und deren entsprechende Kanäle sollen sich vorzugsweise in radialen Ebenen
bzw. Flächen befinden; sie sollen gesondert in Abständen von etwa 2 bis 6 Öffnungsdurchmessern
getrennt in jeder Reihe angeordnet sein; die Kanalpaare sollen in einem Winkel von
etwa 50° bis 160° einschließlich, vorzugsweise 1ovo0 bis 150°, divergieren. Die
Luftrückführkanäle zwischen öffnungsreihenpaaren sollen etwa 3 bis 15 mm breit sein,
so daß ein leichter und bequemer Luftstrom zurück von dem extrudierten Schlauchmaterial
gewährleistet ist. Zu berücksichtigen ist, daß die Geschwindigkeit und/oder Temperatur
der Außenkühlungsluft bei allen Öffnungspositionen im wesentlichen konstant sein
oder auch variiertwerden kann, z.B. mit aufsteigendem oder mit absteigendem Gradienten
je nach den Arbeitsbedingungen.
-
Als thermoplastisches Harz kann man beispielsweise ein Polyolefin,
z.B. Polyäthylen, Polypropylen, Polybuten-1, Copolymere von zwei oder mehr von diesen
Polymeren mit oder ohne andere Olefine, Polyvinylchlorid oder Polyvinylidenchlorid,
Vinyl- oder Vinylidenchloridcopolymere mit Acrylaten, Acrylnitril oder Olefinen,
Acrylhomo- und/oder Acrylcopolymere, Styrolhomo- und/oder Styrolcopolymere und ganz
allgemein solche weiteren polymeren Materialien, die zu schlauchförmigen Filmen
schmelzextrudiert werden können, einsetzen.