DE2533218C3

DE2533218C3 - Verfahren zum Dosieren von gasförmigem Treibmittel

Info

Publication number: DE2533218C3
Application number: DE2533218A
Authority: DE
Inventors: W P Mulvaney
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1974-09-12
Filing date: 1975-07-25
Publication date: 1978-10-26
Also published as: AU8464275A; CA1069662A; FR2284432A1; JPS5545019B2; DK145449B; NL7510712A; AU501089B2; US3975473A; CH605098A5; NL186301B; NL186301C; FR2284432B1; BR7505829A; JPS5153569A; DK405675A; DE2533218A1; SE7510152L; ES440868A1; SE415009B; GB1517219A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dosieren von gasförmigem Treibmittel in ein, in einem Extruder geschmolzenes thermoplastisches Material.

Verfahren tut Herstellung von Gegenständen aus expandierten thermoplastischen Materialien durch Extrusion und Formen sind seit langem bekannt. Nach diesen Verfahren wird in dem Extruder in das geschmolzene thermoplastische Material ein Gas eingeführt. Man erhält dadurch Gegenstände, die feine Zellen in guter Verteilung enthalten. Ein solches Verfahren ist in der USA.-Patentschrift 29 28 130 beschrieben. Hierbei wird ein Gas in einen in zwei jo Stufen arbeitenden Schnecken-Extruder zwischen den beiden Stufen eingeführt. Das Gas wird in der Schmelze des thermoplasi.ichen Materials gelöst und mit ihm innig gemischt, bevor die Schmehe mit dem gelösten Gas aus dem Extruder austri't. J5

Bei den bekannten Verfahren r^m Formen durch Extrusion für die Herstellung von Gegenständen aus zellartigem thermoplastischem Material entstehen Schwierigkeiten beim Einführen des Treibgases in das geschmolzene thermoplastische Material im Extruder. Diese Schwierigkeiten führen zu Schwankungen der physikalischen Eigenschaften der erhaltenen Gegenstände durch Änderungen des Druckes im Extruder, wodurch Änderungen des Volumens des gasförmige!, Treibmittels in dem geschmolzenen thermoplastischen Material verursacht werden. Solche Änderungen können auf Änderungen verschiedener Variablen des Verfahrens beim Extrudieren beruhen und sind Fachleuten gut bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es bei einem Verfahren zum Herstellen von geschäumten Gegenständen Schwankungen in der Zuführung des gasförmigen Treibmittels zu verhindern und damit zu gleichmäßigen physikalischen Eigenschaften der Gegenstände zu gelangen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man das gasförmige Treibmittel vor dem Einführen in das thermoplastische Material durch eine Düse mit einer der Schallgeschwindigkeit gleichen Strömungsgeschwindigkeit strömen läßt. Vorzugsweise wird die durch die Düse strömende Menge des gasförmigen Treibmittels durch Einstellen des Druckes vor der Düsq geregelt.

Bei den Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus einem zellartigen thermoplastischen Material wird μ das feste thermoplastische Material unter Druck in einem Extruder geschmolzen. Ein gasförmiges Treibmittel wird unter Druck in das thermoplastische

= Ρι(ίγϊ-γ) (D

Hierbei bedeutet

Pc = den Druck in der Drossel der Düse. P\ = den stromaufwärts regulierten Druck.

wobei C,, und C₁ die spezifischen Wärmen bei konstantem Druck bzw. bei konstantem Volumen bedeuten.

Unter diesen Bedingungen wird das Zumessen unter hohem Druck mit konstanter Geschwindigkeit so ausgeführt, daß die Gasströmung W(in Ltandard-Litern je Stunde durch die Düse) eine Funktion nur des Druckes oberhalb P₁ und des Querschnitts der Düse oder des Mundstückes ist:

W'(l/Std) = / {Ρ,,α)

(Π)

Bei einer derartigen Ausführung der Einlaßleitung für das Gas in den Extruder strömt das Treibmittel mit Schallgeschwindigkeit, die Strömungsgeschwindigkeit des Gases ist unabhängig von Druckänderungen stromabwärts von dem Meßpunkt. Druckschwankungen stromabwärts von dem MeQpunkt und daher auch in dem Extruder ändern also nichv :las Volumen des Gases, das in den geschmolzenen thermoplastischen Stoff eingefuhrt wird, und sichert damit eine Gleichmäßigkeit der Einführung des Gases und eine Gleichmäßigkeit der Porosität in dem entstandenen Endprodukt.

Es wurde ferner gefunden, daß bei der Profilextrusion mit konstantem Querschnitt und bei der dreidimensionalen Extrusion verschiedene Dichten der Gegenstände aus dem expandierten thermoplastischen Stoff erhalten werden können, und zwar unter Verwendung des gleichen thermoplastischen Stoffes, lediglich durch Änderung des Gasvolumens, das in den thermoplastischen Stoff in dem Extruder eingeführt wird. Das ist neu gegenüber dem Stande der Technik, nach welchem der verwendete thermoplastische Stoff und das Gasvolumen geändert werden, wenn die Dichte des hergestellten Gegenstandes geändert werden soll.

Erfindungsgemäß wird das Abmessen des Treibgases beim Leiten des Gases durch ein verengtes Mundstück durchgeführt, so daß das Gas durch dieses Mundstück mit Schallgeschwindigkeit hindurchströmt.

Es wurde gefunden, daß beim Abmessen des Treibgases bei Schallgeschwindigkeit gemäß der Erfindung der Druck stromaufwärts des Mundstückes gemäß der Gleichung (II) geregelt wird. Demnach wird die Strömungsgeschwindigkeit Wfür ein gegebenes Mundstück durch den Druck l'\ stromaufwärts bestimmt. Änderungen des geregelten Druckes Pi oberhalb führen

/H Änderungen der in die .Schmelze eingeführten Gasmenge und und /ti Änderungen der Pichten der eiiindungsgemäli hergestellten Gegensiiinde aus zellarligem thermoplastischem Stoff. Entsprechend wird der Druck /^Ji stromaufwärts so eingestellt, daß der Druck in der Drossel der kritische Druck P₁ ist, der wenigstens gleich dem Druck in dem Extruder ist. Der Druck P\ stromaufwärts wird so eingestellt, daß er gleich dem Werte nach der umgeformten Gleichung (I) ist oder ihn übertrifft:

(Λτ)

k -

Erfindungsgemüß können Gegenstände aus zellartigen thermoplastischen Stoffen mit einem Dichtenbereich hergestellt werden durch Einstellung des Druckes stromaufwärts in der beschriebenen Art. Die Kenntnis dieser Umstände ist bedeutsam, weil man damit die gewünschte Dichte der Gegenstände erreichen kann lediglich durch Änderung des Druckes, und ohne gemäß dem Stande der Technik ein bestimmtes thermoplastisches Material zu wählen, um einen Gegenstand der gewünschten Dichte herzustellen.

Die zu verwendenden thermoplastischen Stoffe sind bekannt. Zu ihnen gehören beispielsweise Polyäthylen. Polystyrol, Polyvinylchlorid und verschiedene andere synthetische harzartige Stoffe, die thermoplastisch sind. zusammen mit Gemischen und Copolymeren solcher Stoffe, die ebenfalls diese Eigenschaft haben. Zusätzlich können die Stoffe verhältnismäßig kleine Mengen von Zusätzen enthalten, welche die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften ändern, oder andere gut bekannte Zusätze.

Das zu verwendende Treibgas soillte inert sein gegenüber dem zu expandierenden Stoff und vorzugsweise in ihm löslich sein. Vorzugsweise sollte sich das Treibgas bei den Arbeitsbedingungen nicht thermisch zersetzen. Zu den brauchbaren inerten Gasen gehören Stickstoff, Ai gon. Helium, Neon, Kohlendioxyd u. dgl.

Auch andere Treibmittel können verwendet werden, wie beispielsweise Fluorkohlenwasserstoffe.

Obwohl die Verwendung von kernbildenden Stoffen im allgemeinen nicht nötig ist, so können in einigen Fällen doch solche Stoffe verwendet werden.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden kernbildenden Stoffe können in feinvertcilter Form in dem Polyäthylen oder Polypropylen während der Expansion vorhanden sein, wie weiter unten beschrieben ist.

Die Teilchendurchmesser der kcrnbildendcn Mittel können zwischen etwa 0.01 und 50 Mikron liegen. Zu diesen Stotfen gehören Polytetrafluorethylen, Azodicarbonamid, p.p'-Oxy-(Benzolsulfonylhydrazid), Trihydrazin-sym-triazin, und p-Toluolsulfonyl-semicarbazid.

Die kcrnbildendcn Mittel können für sich oder in Kombination miteinander verwendet werden.

Die kernbildenden Mittel sollten so gleichmäßig wie möglich in der Masse des Polymers dispergiert sein. Sie sollten ferner chemisch inert sein gegenüber dem Polymer und unlöslich sein in diesem und in anderen Bestandteilen der erfindungsgemäßen Mischung.

Die Zeichnungen erläutern einige Ausführungsforiiicn der Erfindung Es zeigt

Fig. I schematisch eine Vorrichtung, in welcher das Verfahren durchgeführt werden kann, und

F ig. 2 in miscinandcrgczogcncm Zustand einen Schnitt durch die Vorrichtung /um Massen des eingeführten Gases gemäß F i g. 1,
F i g. 3 einen Längsschnitt durch den Extruder.
Nach den Fig. 1 und 2 wird ein Extruder 10 zum ι Schmelzen des thermoplastischen Materials verwendet und /um Einführen und Mischen des Treibgases. Der Extruder 10 enthält ein äußeres Gehäuse 12 und eine innere Schnecke 14. Das Treibgas wird in den Extruder 10 durch den Einlaß 16 mit dem stromaufwärts

κι angeordneten Ventil 18 eingeführt. Das Treibgas wird dem Behälter 20 entnommen, wo es sich unter einem Druck befindet, der gleich oder höher ist als der Druck in dem gesamten anderen System, /. B. 420 kp/cm-. Nacheinander in der Gasleitung zwischen dem Behälter 20 und dem Ventil 18 sind ein einstellbarer Regler 22 für hohe Drücke, ein Abschlußventil 24, ein Gasfilter 26 und das Gehäuse 28 für das Mundstück angeordnet. Nach Fig. I ist ein Ablaßventil 30 abseits der Leitung zwischen dem Abschlußventil 24 und dem Filter 26 angeordnet. Abseits der Leitung können vorteilhafterweise auch Druckmesser 32 stromaufwärts und stromabwärts von dem Gehäuse 28 '.■■ das Mundstück angeordnet sein.

Nach Fig. 2 enthält das Gehäuse 28 für das Mundstück einen äußeren zylindrischen Teil 34 mit Festhalteteilen 36 an den entgegengesetzten Enden, welche 4ie Vorrichtung zum Zumessen des Gases einschließen. Diese Vorrichtung besieht aus einem zylindrischen Teil 38 mit einem mittig gelegenen

;o Mundstück 39 zwischen zwei Dichtungsringen 40 aus Kautschuk. Das Teil 38 wird gegen die Oberfläche des stromabwärts gelegenen Festhalteteils 36 durch die Feder 42 mittels des Dichtungsringes 44 angedrückt.

Beispiel

Nach diesem Beispiel wurde ein 8 mm dickes CATV-Kabel (Fernsehkabel) erfindungsgemäß hergestellt. Als innerer Leiter wurde ein 1.8 nun c'icker Kupferdraht verwendet, als äußerer Leiter ein 0.125 mm dickes Band aus Aluminium. Die dielektrische Schicht wur-le aus einem Gemisch von 99.9 Gew.-% eines Copolymers von Äthylen und Buten mit einer Dichte von 0.95 und einem Schmelzindex von 0.2 dg/Min, und 0.1 Gew.-% Azodicarbonamid hergestellt.

Die dielektrische Mischung wurde in einer Vorrichtung bearbeitet, die oben beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt ist. Verwendet wurde ein einstufiger Schnecken-Extruder mit einem Durchmesser von 6.35 cm und einem Verhältnis von Länge zum Durchmesser von 20: I. Die Einführungszone, die Übergangszone und die Abmeßzone des Extruders hatten Längen von 4, t bzw. 10 Durchmessern. Das Gehä'T.c des Extruders wurde auf etwa I5O°C in der Nähe des Einlaßendes erwärmt, in der Nähe des Einlasses für das Gas und am Ausladende. Die Extruder-Schnecke wurde mit 30 U/Min, betrieben. Der Druck in dem Kopf des Extruders lag bei 70 kp/cm-. Als inertes Treibgas wurde Stickstoff verwendet. Es wurde unter einem Druck von 35 kp/cm² in das geschmolzene Polymer in den Extruder eingeführt, wobei der geregelte Druck bei 160 kp/cm² lag. Zum Zumessen des Gases wurde ein Mundstück mit einem Druckmesser von 0.013 mm verwendet. Stündlich wurden etwa 19 Liter Stickstoff in den Extruder eingeführt, und zwar an einem Punkt, der 7.< Schraubendurchmesser von dem Auslaßende des Extruders entfernt war. Dieser Punkt

war bei etwa 37'Mi der l.ängc des lAlruders von dessen Auslaßendt entfernt. Beim !Erreichen des F-inlasses für den Stickstoff war das verwendete Polyäthylen vollständig geschmolzen.

Das geschmolzene dielektrische (ionisch mit dem in ihm dispergieren Stickstoff wurde dann mit einer Temperatur von etwa 150"C und unter einem Druck von etwa 70 kp/cm- durch eine Düse geführt, um den Draht /u überziehen. |e Stunde wurden etwa 24 kg des dielektrischen Gemisches aus dem Extruder gefördert.

Der innere Leiter war nicht vorgewärmt und wurde durch die Düse mit einer Geschwindigkeit von 1 J.~) m/Min, hiiuliirchgeführt. In dem Kopf der Düse wurde ein·· Düse mit einem Durchmesser von 3.^r> mm /ur Herstellung eines Überzuges aus einem Vinvlh.n/ und einer I iihruii^sspit/e mit einem inneren Durchmesser von 1.7 mm verwendet. Das dielektrische Gemisch wurde auf den leiter cxlrudicri und expandierte aulterhalb der Düse /ellarlig /u einer Umhüllung mit einer Dichte von 0.4 3 g/cm¹ und einer gleichmäßigen /ellenstruktur mit mittleren /ellendiiichmcssern von ().()> bis 0.12 mm.

Dann wurde der äußere I .eiter aufgebracht, so dal! ein Kabel mit einem äußeren Durchmesser von 11.5 mm entstand. Das Kabel brauchte nicht getrocknet /ti werden. Nach Laboraiioriumsversuchen hatte dieses Kabel einen gleichmäßigen Zcrstreiiungsfaktor von 80 (ir bei ">0 Megn-Ilertz und eine dielektrische Konstante von I.V Ιλ hatte eine berechnete Dämpfung von O.W db.'IOO bei ')() Mega-Ileri/ und von I.JM bei JOOMega-lleriz.

llieizu 2 lilatt /eichmiiisien

Claims

Patentansprüche:

I. Verfahren zum Dosieren von gasförmigem Treibmittel in ein, in einem Extruder geschmolzenes thermoplastisches Material, dadurch gekennzeichnet, daß man das gasförmige Treibmittel vor dem Einführen in das thermoplastische Material durch eine Düse mit einer der Schallgeschwindigkeit gleichen Strömungsgeschwindigkeit strömen läßt.
2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die durch die Düse strömende Menge des gasförmigen Treibmittels durch Einstellen des Druckes vor der Düse regelt.

IO geschmolzene Material eingefuhrt. Das geschmolzene thermoplastische Material und das gasförmige Treibmittel werden dann in eine Zone niedrigeren Druckes gebracht, wo die zellförmige Expansion des thermoplastischen Stoffes durch das Treibgas erfolgt und wobei das Treibgas mit Schallgeschwindigkeit an einem Punkte stromaufwärts der Einführung des Treibgases in das geschmolzene thermoplastische Material gemessen und zugeführt wird.

Die nachfolgende Gleichung dient zur Bestimmung des kritischen Druckes in der Drossel der verengten Düse gemäß der Erfindung: