DE2526616A1

DE2526616A1 - Verfahren zum extrudieren von polymeren

Info

Publication number: DE2526616A1
Application number: DE19752526616
Authority: DE
Inventors: Frederic Neil Cogswell
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1974-06-13
Filing date: 1975-06-13
Publication date: 1976-01-02
Also published as: AU8173275A; JPS5116362A

Description

Verfahren zum Extrudieren von Polymeren Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zul Extrudieren, d.h. Stragpressen oder Spritsgießen, eines Polymers und auch auf ein Polymer in einem neuen Zustand.
In ~Polymer", Januar 1973, Sehen 1 bis 20, wird ein Verfahren zur Herstellung kristallisierter, orientierter Fibrillen bzw. Kristallitstränge aus polymerem Material durch Extrudieren des Polymers durch gegenüberliegende Öffnungen in der Weise beschrieben, daß dem Polymer ein Geschwindigkeitsgradient aufgeprägt wird, der die Polymermolektile in Extrusionsrichtung orientiert und Kristallisation der orientierten Moleküle einleitet. Die dadurch erzeugten Pibrillen haben einen höhen Modul. Es hat sich als schwierig erwiesen, das Verfahren so zu steuern, daß die Orientierung im fertigen Erzeugnis beibehalten wird.
Das erfindungsgeinäße Verfahren zum Extrudieren eines Polymers zeichnet sich dadurch aus, daß einem geschmolzenem Polymer ein Ge schwindigke it sgradient in der Weise aufgeprägt wird, daß zumindest ein Teil des Stromes in Extrusionsrichtung beschleunigt wird und dadurch Polymermoleküle in Extrusionsrichtung orientiert werden, und daß dem Strom während dieser Beschleunigung auch ein Temperaturgradient in der Weise aufgeprägt wird, daß ein Teil des Stromes einer Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur und ein anderer Teil des Stromes einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur auagesetst ist, so daß ein dazwischenliegender Teil des Stromes bei der kritischen Temperatur beschleunigt wird, die zur Beibehaltung der Orientierung im Produkt führt.
Bei den bevorzugten Polymeren handelt es sich um Polyäthylen, Polypropylen und Äthylen-Propylen-Copolymerisate. Die kritischen Temperaturen hängen vom Molekulargewicht ab, wofür der Schmelzindex ein Maß ist.
Der Schmelzindex, auch MFI genannt, wird gemäß der Norm ASTM D 1238 bestimmt, beispielsweise bei 190 oO und 2kg. Geeignete Werte für Polyäthylen sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
Tabelle 1

Kritische Temperatur

MFI Min | Max bevorzugter

Wert

0,008 145 0C 150 00 148 o,

0,16 138 0C 142 °C 140 0C

135 0C 136 cc

Der Geschwindigkeitsgradient wird in günstiger Weise dadurch erzeugt, daß getrennte Polymerströme zum Zusammenfließen gebracht werden, wobei die getrennten Polymerströme vorzugsweise durch Teilung eines einzigen Stromes erzeugt werden. In diesem Fall wird der Temperaturgradient am günstigsten durch Kühlung der Schmelze dicht bei der Stelle erzeugt, an der das Zusammenfließen stattfindet.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung teilt sich ein einziger Polymerstrom um einen gekühlten Körper herum in zwei Ströme auf, wobei der Körper nahe dem Eingang eines Extrusions- bzw. Preßschlitzes angeordnet ist, so daß sich die zwei Ströme dicht beim Eingang des Preßschlitzes wieder vereinigen.
Die Erfindung umfaßt ferner eine neue Form von Polyäthylen, die einen Schmelzpunkt im Bereich von 150 0C bis 153 oC hat.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden unter Bezugsnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch den Extruder; Fig. 2 zum Extruder gemäß Fig. 1 gehörende Stromlinien; und Fig. 3 zum Extruder gemäß Fig. 1 gehörende Isothermen.
Ein Polymer wird geschmolzen und in einen Pressenzylinder 10 unter Verwendung eines Kolbens und einer Heizung eingeführt, die in den Zeichnungen nicht dargesellt sind. Die Schmelze strömt um einen zylindrischen Kühlkörper 12, der unmittelbar oberhalb eines Preßschlitzes 13 angeordnet ist. Beim Austreten aus dem Preßschlitz wird das extrudierte Material mit geeigneter Zugkraft abgezogen.
Der Preßschlitz bzw. die Preßform hat eine Spaltweite von 1 mm, ist 10 mm breit und 5 mm lang.
Der zylindrische Kühlkörper 12 liegt parallel zum Schlitz und 1,5 mm oberhalb seines Eintritts. Der Durchmesser des zylindrischen Kühlkörpers beträgt 5 mm.
Die Schmelze strömt im Pressenzylinder 10 abwärts und teilt sich am zylindrischen Kühlkörper 12 so, daß unterhalb des Zylinders zwei getrennte Ströme waagerecht aufeinander zuströmen. Die zwei Ströme werden umgelenkt und strömen dann nach unten durch den Preßschlitz 13. Zwischen den zwei Strömen besteht ein Bereich geringer Aktivität, und wenn die Schmelze aus diesem Bereich abströmt, unterliegt sie einer Streckung, die die Moleküle parallel zur Strömungsrichtung ausrichtet. Die Stroslinien der Strömung sind in Fig. 2 dargestellt.
Der zylindrische Kühlkörper 12 wird gekühlt, indem kalte Luft durch seine Innenbohrung geführt wird.
Daher befindet sich das Polymer nahe dem zylindrischen Kühlkörper auf einer niedrigeren Temperatur als das Polymer in größerer Entfernung vom Xühlkörper. Entsprechend Isothermen sind in Fig. 3 dargestellt. Die wiedergegebenen Temperaturen gehören zu einem Polyäthylen mit einem Schmelzindex (MFI) von 0,008, das in den Pressenzylinder 10 mit einer Temperatur von 170 °C eintritt, wie noch im Zusammenhang mit Beispiel 1 erläutert werden wird.
Ein Vergleich der Fig. 2 und 3 zeigt, daß die Stromlinien ähnlichen Bahnen wie die Isothermen folgen und daß eine Stromlinie ungefähr der Isotherme für die kritische Temperatur folgt. Dieses Polymer wird daher bei der Temperatur gestreckt, die-zur Beibehaltung der Ausrichtung führt.
Beispiel 1 Hochdichtes Polyäthylen mit dem Schmelzindex 0,008 (190 OC/2 kg) wurde geschmolzen und im Pressenzylinder 10 bei einer Temperatur von 170 oC mit einem Durchsatz von 30 x 10 9 m3/s nach unten gedrUckt. Durch den zylindrischen Kühlkörper 12 wurde Luft mit Umgebungstemperatur gefUhrt, wobei der Durchsatz zwischen 6 und 11 litern Je minute schwankte. Der Preßdruck betrug 40 atm, und die Abziehkraft betrug 3 kg. (Wenn nicht abgezogen wurde, war ein Preßdruck von 270 atm erforderlich, und selbst dann neigte das extrudierte Material zur #usbildung einer Verdickung.) Vergleichsbeispiele Zum Vergleich wurde der Versuch zweimal ohne Luftkühlung mit dem gleichenPolymer in beiden Fällen wiederholt. Beim ersten Vergleichsversuch lag die Temperatur der Schmelze wie bei Beispiel 1 oberhalb der größten kritischen Temperatur, und beim zweiten Vergleichsversuch wurde die Schmelze sorgfältig auf eine Temperatur von 148 0C gesteuert.
Die Strangpreßbedingungen und die Eigenschaften des Stranges sind in Tabelle 2 wiedergegeben.

Tabelle 2

Vergleichs- Vergleichs-

Versuch Beispiel beispiel 1 beispiel 2

liufttem-

peratur 20 0C 20 °C 20 °C

Schmelzen-

temperatur 170 °C 160 °C 148 °C

Preßdruck 40 atm 25 atm 40 atm

Kühlung Luft keine keine

Abziebkraft 3 kg 0,1 kg 5 kg

Volumen-

durchsatz 30 x 10-9 m3/s 8 x 10 9 m3/s 8 x 10 9 m3/s

Strangge-

schwindigkeit 3,0 mm/s 0,8 mm/s 0,8 mm/8

Modul 1,3 GN/m2 0,7 GN/m2 3,3 GN/m2

Zugfestig- 55 MN/m 20 MN/m2 120 MN/m2

Für den im Beispiel 1 erzeugten Strang wurde eine differentielle Thermoanalyse durchgeführt. Dies geschah mittels eines Gerätes 11Perkin Elmer DSO 2", das entsprechend dem Handbuch des Herstellers geeicht und benutzt wurde. Alle Messungen erfolgten in einer Heliumatmosphäre.

Bei den Proben handelte es sich um dUnne Scheiben mit einer Masse zwischen 0,5 und 1,5 mg. Die Proben wurden mit 80 °C/min erwärmt. Dabei wurden scharf ausgebildete Spitzen bei 134 oO und eine kleine Spitze im Bereich von 150 OC bis 152 OC erhalten. Der Meßfehler betrug + 1 OC, Die erste Spitze entspricht dem herkömmlichen Polyäthylen, und die zweite Spitze gehört zu einer unerwarteten, neuen Form von Polyäthylen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung, das durch Beispiel 1 erläutert wird, weist das besondere Merkmal auf, daß sich das extrudierte Material zuerst in der Mitte verfestigt. Dies kann speziell in dicken Querschnitten die Tendenz zur Ausbildung von Hohlräumen vermindern.
Bei der Erfindung wird somit außer Geschwindigkeitsgradienten zur Ilusrichtung von Molekülen während des Extrudierens auch ein Temperaturgradient angewendet, so daß ein Strom bzw. Teil des Stromes optimale Temperatur hat.

Claims

Patentanspruche

1.#Verfahren zum Extrudieren eines Polymers, dadurch gekennzeichnet, daß einem geschmolzenen Polymer ein Geschwindigkeitsgradient in der Weise aufgeprägt wird, daß zumindest ein Teil des Stromes in Extrusionsrichtung beschleunigt wird und dadurch Polymermoleküle in Extrusionsrichtung orientiert werden, und daß dem Strom während dieser Beschleunigung auch ein Temperaturgradient in der Weise aufgeprägt wird, daß ein Teil des Stromes einer Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur und ein anderer Teil des Stromes einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur ausgesetzt ist, so daß ein dazwischenliegender Teil des Stromes bei der kritischen Temperatur beschleunigt wird, die zur Beibehaltung der Orientierung im Produkt führt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeitsgradient dadurch erzeugt wird, daß bewirkt wird, daß getrennte Polymerströme zusammenfließen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten Ströme durch aufteilung eines einzigen Stromes erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgradient durch Abkühlung der Schmelze.

dicht bei der Stelle erzeugt wird, an der das Zusammenströmen erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein einziger Polymerstrom um einen gekühlten Körper herum teilt, der nahe dem Eingang eines Extrusions- bzw. Preßschlitzes angeordnet ist, und daß das Zusammenströmen dicht beim Eingang des Preßschlitzes erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das den Preßschlitz verlassende, extrudierte Material mit geeigneter Zugkraft abgezogen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Polymer um Polyäthylen, insbesondere Polyäthylen mit einem Schmelz index unter 1,0, Polypropylen oder ein Äthylen-Propylen-Copolymerisat handelt.

8. Polyäthylen mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 150 0C bis 153 00.