DE2829232C2

DE2829232C2 - Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus hochmolekularem Niederdruckpolyäthylen

Info

Publication number: DE2829232C2
Application number: DE2829232A
Authority: DE
Inventors: Arnolt Gerlicher; Joachim Dipl.-Ing. Much; Ali Maher Dipl.-Ing. Onallah; Volkmar Dipl.-Ing. 4200 Oberhausen Schmidt
Original assignee: RUHRCHEMIE AG 4200 OBERHAUSEN DE
Current assignee: RUHRCHEMIE AG 4200 OBERHAUSEN DE
Priority date: 1978-07-03
Filing date: 1978-07-03
Publication date: 1983-10-20
Also published as: AT380656B; ATA445779A; YU40223B; FR2430305B1; NL7808330A; IT7949615A0; CH642906A5; YU149279A; GB2024701B; GB2024701A; IT1162648B; DE2829232A1; FR2430305A1

Description

T = Konst · D" festgelegt wird,
wobei Konst = 5 · 10"³bis5 · 10-²,

η = 1,5 bis 3,

D = 4 -A

25

30

wobei /"die Querschnittsfläche des Extrusionswerkzeuges und Uder Umfang dieser Querschnittsfläche ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Kolbenextruder aufzuwendende Druck P - gemessen in bar - in Abhängigkeit vom äquivalenten Durchmesser D des Extrusionswerkzeuges — gemessen in Millimetern — und der Extruderlänge L — gemessen in Metern von der Eintragsseite bis zur Austragsseite — nach der folgenden Beziehung festgelegt wird:

M_x D"'

L +

M₂

wobei

M₁ =
M₂ =

Π) =

n₂ =
ist.

5 · 10³bis 15 ·

1 · 10³ bis 2,5
0,4 bis 2
0,1 bis 1,5

ΙΟ³ ΙΟ³

45

50

55

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus hochmolekularem Niederdruckpolyäthylen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung geht gattungsmäßig aus von einem Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus hochmolekularem Niederdruckpolyäthylen mit einem Molekulargewicht über 500 000, insbesondere über 000 000, unter Verwendung eines Kolbenextruders mit einem Extrusionswerkzeug nach der DE-PS 17 78 258, wobei das Niederdruckpolyäthylen im Kolbenextruder verdichtet und während einer festzulegenden Verweilzeit von einer Plastifiziertemperatur heruntergekühlt wird.

Die sogenannte Ramextrusion, ein Verfahren, das unter anderem zum kontinuierlichen Herstellen von Profilen aus Kunststoff dient, ist vor allem für die Drucksinter-Verarbeitung von Polytetrafluoräthylen bekannt (siehe z. B. Dr. A. Stehiingsr und P. Stamprech, Rameütrusion von Polytetrafluoräthylen, in der Zeitschrift Kunststoffe, »Bd. 60, 1970, H. 5, Seite 290-294 und« Kunststoffe, »Bd. 63,1973, H. 9 Seite 558 - 563).

Das Ramextrusionsverfahren arbeitet im Prinzip folgendermaßen: Mit einer Dosiervorrichtung wird z. B. Kunststoffpulver chargenweise in ein Extrusionsrohr (Extrusionswerkzeug) eingetragen und mit einem Stempel, der durch eine Antriebsvorrichtung (Hydraulikaggregat) bewegt wird, zu einem Strang gepreßt Danach wird der Stempel zurückgezogen, neues Pulver nachgefüllt und wieder gepreßt Dieses Verfahren wird zunehmend zur Herstellung von Formkörpern aus hochmolekularem Niederdruckpolyäthylen verwendet (siehe z. B. DE-OS 17 29 174 und DE-PS 17 78 258).

Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit besteht das Bestreben, möglichst rasch mit ausreichender Qualität zu fertigen. In der obengenannten Veröffentlichung von Steininger/Stramprech in »Kunststoffe,« Bd. 60, 1970, H. 5, S. 292 ist für das Sintern und Verformen von Polytetrafluoräthylen mittels Ramextrusion die maximal erreicnbare Extrusionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Werkzeugquerschnitt angegeben. Diese Werte lassen sich aber wegen der Unterschiede, die hinsichtlich thermischen und viskoelastischen Verhaltens zwischen Polytetrafluoräthylen und hochmolekularem Polyäthylen bestehen, nicht auf die P.amextrusion von hochmolekularem Polyäthylen übertragen.

Für ein wirtschaftliches, unter technisch günstigen Bedingungen arbeitendes Verfahren, mit dem Profile der verschiedensten Abmessungen aus hochmolekularem Polyäthylen hergestellt werden sollen, ist es erforderlich, die von den einzelnen Profilquerschnitten abhängigen Extrusionsgeschwindigkeiten bzw. die Aufenthaltszeiten des zu plastifizierenden hochmolekularen Polyäthylens sowie die bei der Verarbeitung einzustellenden Werkzeugtemperaturen zu kennen.

Für die Dimensionierung eines bei einem derartigen Verfahren verwendeten Kolbenextruders ist vor allem die Kenntnis des maximal auftretenden Druckes erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten, für eine optimale Verarbeitung von hochmolekularem Polyäthylen mittels Ramextrusion und die für die Auslegung des daher verwendeten Kolbenextruders erforderlichen Daten bereitzustellen. ·

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das gattungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur auf ²Ii bis ⁴A der Länge des Kolbenextruders, gemessen von der Eintragsseite, in einem Bereich von 180 bis 230⁰C und auf Vs bis '/3 der Länge des Kolbenextruders, gemessen von der Austragsseite, in einem Bereich von 140 bis 160°C gehalten wird und die Aufenthaltszeit T des Niederdruckpolyäthylens — gemessen in Minuten

— in Abhängigkeit vom äquivalenten Durchmesser D des Extrusionswerkzeuges — gemessen in Millimetern

— und bei einer Werkzeuglänge von 1 m entsprechend der Beziehung

T = Konst. · D" festgelegt wird,

wobei Konst = 5 ■ 10~³bis5 · 10"²,

η = U bis 3,

D = 4-X,

ί/

wobei /die Querschnittsfläche des Extrusionswerkzeuges und Uder Umfang dieser Querschnittsfläche ist.

Es ist überraschend, daß diese, für hochmolekulares Polyäthylen gefundene Beziehung ganz entscheidend von der für Polytetrafluoräthylen angegebenen (»Kunststoffe,« Bd. 60,1970, H. 5, S. 292) abweicht

Die Herstellung des beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten hochmolekularen Polyäthylens mit einem Molekulargewicht von über 1 Million ist in der DE-OS 23 61 508 beschrieben.

Unter hochmolekularem Polyäthylen mit einem Molekulargewicht von über 500 000, insbesondere über 1 Million sind auch Mischungen von Polyäthylen unterschiedlichen Molekulargewichtes im Pereich von über 500 000 bis etwa 10 Millionen zu verstehen.

Wird die Aufenthaltszeit des Polyäthylens im Werkzeug unterhalb des in obiger Beziehung angegebenen Bereiches eingestellt, so wird das Polyäthylen nicht ganz durchplastifiziert In diesem Fall ist das Polyäthylenpulver im Kern der Profile lediglich zusammengesintert; die Fehlstellen sind in Querschnitten des Profils mit bloßem Auge zu erkennen: Während das plastifizierte Material transparent und vollkommen porenfrei ist, hat das nicht plastifizierte Material die Farbe des Ausgangspulvers und eine porige Sinterstruktur.

Aus wirtschaftlichen Gründen betreibt man cas Extrusionsverfahren so nah wie möglich an der sich aus obiger Formel ergebenden, maximal zulässigen Extrusionsgeschwindigkeit, also dem maximal möglichen Polyäthylendurchsatz. Extrusionsgeschwindigkeiten, die unterhalb der Hälfte der maximal zulässigen liegen, sind wirtschaftlich uninteressant. Bei einem, auf maximalen Durchsatz ausgelegten Extruder, entstünden bei einer darartigen starken Minderleistung auch zusätzliche Probleme mit der Regulierung der Beheizung des Werkzeuges. Die Temperatur in den eintragsseitigen ²A bis ⁴/5 des Werkzeuges wird so gewählt, daß das Polyäthylen einerseits nicht überhitzt wird, was zu dessen thermischem Abbau führen würde; etwa 230⁰C sollen daher nicht überschritten werden. Da man andererseits aus Kostengründen die Heizfläche und den von der Länge der Heizfläche abhängigen Druck möglichst niedrig halten will, betreibt man die Beheizung des Werkzeuges möglichst nahe an der maximal zulässigen Temperatur.

Die elektrische Beheizung hat sich für dieses Verfahren als besonders günstig erwiesen. Bei entsprechender Regelungsmöglichkeit können auch andere Heizsysteme, die z. B. mit Dampf oder besonderen Heizflüssigkeiten arbeiten, verwendet werden.

Im austragsseitigen '/3 bis '/s des Werkzeuges — also vor dem Austritt des Profils ins Freie — ist die Werkzeugtemperatur so einzustellen, daß das extrudierte Polyäthylenprofil das Werkzeug mit etwa 130⁰C verläßt. Bei höheren Austrittstemperaturen ist das Material noch nicht starr genug, so daß es infolge seiner ungeregelten und ungleichmäßigen Abkühlung zu Spannungen kommt, die zu Rissen führen. Verringert man die Werkzeugbeheizung so weit, daß die Temperatür des austretenden Polyäthylenprofils erheblich unter 130°C liegt, so steigen die Reibungskräfte zwischen extrudiertem Prodil und Werzeug an und führen zu einer unerwünschten Erhöhung des Druckes im Extruder.

Es hat sich gezeigt, daß die Durchsatzleistung bei Veränderung der Extruderlänge direkt proportional zur Werkzeuglange zunimmt, so daß also ausgehend von der vorstehenden Formel auf jede beliebige Werk zeuglänge proportional umgerechnet werden kann.

Bei der Auslegung eines Kolbenextruders, der eine bestimmte Menge eines Profils mit vorgegebenem Querschnitt pro Zeiteinheit herstellen soll, kann man aus den genannten Beziehungen die erforderliche Werkzeuglänge ermitteln.

Für die Dimensionierung des Extruders (Wandstärke des Werkzeuges, Anordnung und Ausführung von Versteifungen) sowie für die Auslegung des Hydraulikaggregats, das den Stempel des Kolbenextruders antreibt, ist die Kenntnis des höchsten im Extruder während des Extrusionsvorganges auftretenden Drukkes erforderlich.

Nach Anspruch 2 ist es zweckmäßig, daß der im Kolbenextruder aufzuwendende Druck P — gemessen in bar — von dem äquivalenten Durchmesser D des Werkzeuges — gemessen in Millimetern — und der Werkzeuglänge L — gemessen in Metern — nach der folgenden Beziehung festgelegt wird:

P =

Af₁

L +

M₂
D"²

'vobei

M₂ =

/Jl = /7₂ =

5 · 10³bis 15 ·
1 · 103bis2,5
0,4 bis 2
0,1 bis 1,5

103

ist und es sich bei den Größen Mi, M₂, m und n₂ um Hilfsparameter handelt.

Bei der Festlegung von Hubzahl und Hublänge des Stempels bzw. Hydraulikkolbens ist zu berücksichtigen, daß das komprimierte Polyäthylen und damit der extrudierte Polyäthylenstrang wegen der Kompression des als Schüttung in das Werkzeug eingebrachten Polyäthylenpulvers beim Vorwärtshub des Kolbens nur etwa 10/3 2 des Kolbenwegs vorwärts geschoben wird.

Zur Ermittlung der minimal erforderlichen Verweilzeit bzw. des maximal möglichen Durchsatzes sowie des maximal im Extruder auftretenden Druckes und des Druckverlaufs über die Länge des Extruder in Abhängigkeit vom Profilquerschnitt (äquivalenter Durchmesser) wurden Versuche an Kolbenextrudern konventioneller Bauart mit Werkzeugen folgender Abmessungen durchgeführt:

a) Kreisquerschnitt mit Durchmesser von 20 mm, Werkzeuglänge 765 mm (Beispiel 1)

b) Kreisquerschnitt mit Durchmesser von 50 mm, Werkzeuglänge 1000 mm (Beispiel 2)

c) Kreisquerschnitt mit Durchmesser von 50 mm, Werkzeuglänge 1800 mm (Beispiel 3)

d) Rechteckquerschnitt 475 mm χ 65 mm, Werkzeuglänge 3020 mm (Beispiel 4)

Bei allen Versuchen wurden die Werkzeuge entsprechend dem oben angegebenen Temperaturprofil beheizt. Durch Erhöhen der Kolbengeschwindigkeit wurde der Durchsatz so lange gesteigert, bis sich in den Profilen ein nicht plastifizierter Bereich zeigte. Als

minimale Aufenthaltszeit wurde die ermittelt, bei der die Qualität der Profile noch einwandrei war.

Beispiel 1

In einem Kolbenextruder konventioneller Bauart mit einem Werkzeug mit einem Kreisquerschnitt von 20 mm Durchmesser und einer Länge von 765 mm wurde hochmolekulares Polyäthylenpulver (durchschnittliches Molekulargewicht von 1,5 Millionen) zu einem Strang extrudiert. Der Ausstoß wurde zunächst auf 5,5 m Strang je Stunde eingestellt und dann jeweils nach einer halben Stunde erhöht, indem die Hubzahl des Stempels erhöht wurde. Es wurden auf diese Weise nacheinander die folgenden Ausstoßgeschwindigkeiten eingestellt:

5,5 m/h, 6,9 m/h, 7,3 m/h, 7,7 m/h, 8,5 m/h, 8,9 m/h, 10,1 m/h, 11,2 m/h, 11,6 m/h.

Während der gesamten Versuchsdauer wurde die Temperatur auf zwei Drittel der Länge des Werkzeuges, gemessen von der Eintragsseite, auf 190° C und auf ein Drittel der Länge, gemessen von der Austragsseite, auf 150° C gehalten.

Um laufend zu überprüfen, ob der gesamte Querschnitt gleichmäßig plastifiziert ist, wurde der Strang in regelmäßigen Zeitabständen durchgesägt, so daß der Querschnitt des gerade extrudierten Strangs sichtbar war.

Bei den Ausstoßgeschwindigkeiten von 10,1 m/h, 11,2 m/h und 11,6 m/h war der Kern des Strangs nicht mehr durchplastifiziert, sondern hatte eine poröse, nicht transparente Sinterstruktur. Bei einer Ausstoßgeschwindigkeit von 8,9 m/h war der Strangquerschnitt durchgehend, also auch im Kern, transparent und plastifiziert. Der maximale im Extruder auftretende Druck lag während des Versuchs zwischen 240 und 280 bar, wobei der Druck in diesem Bereich mit steigendem Durchsatz leicht zurückging.

Beispiel 2

Der in Beispiel 1 beschriebene Versuch wurde mit dem gleichen Polyäthylenpulver in analoger Weise mit einem Kolbenextruder mit einem Werkzeug mit einem Kreisquerschnitt von 50 mm Durchmesser und 1 m Länge durchgeführt. Als maximale Ausstoßgeschwindigkeit, bei der noch volle Plastifizierung des Strangquerschnitts erreicht wurde, ergaben sich 1,8 m/h. Der maximale Druck im Extruder lag zwischen 140 und 145 bar.

Beispiel 3

ίο Der in Beispiel 1 beschriebene Versuch wurde mit dem gleichen Polyäthylenpulfer in analoger Weise mit einem Kolbenextruder mit einem Werkzeug mit einem Kreisquerschnitt von 50 mm Durchmesser und 1,8 m Länge durchgeführt. Als maximale Ausstoßgeschwindigkeit, bei der noch volle Plastifizierung des Strangquerschnitts erreicht wurde, ergaben sich 3,2 m/h. Der maximale Druck im Extruder lag zwischen 280 und 320 bar.

Beispiel 4

Der in Beispiel 1 beschriebene Versuch wurde mit dem gleichen Polyäthylenpulver in analoger Weise in einem Kolbenextruder mit einem Werkzeug mit 475 mm χ 65 mm Rechteckquerschnitt und 3020 mm Länge (äquivalenter Durchmesser 2mal Plattenstärke = 130 mm) durchgeführt. Als maximale Ausstoßgeschwindigkeit, bei der noch volle Plastifizierung des Strangquerschnitts erreicht wurde, ergaben sich 1,1 m/h. Der maximale Druck im Extruder lag bei 120 bar.

Das Molekulargewicht des verarbeiteten Polyäthylenpulvers ist viskosimetrisch bestimmt. Eine Beschreibung dieser Methode ist z. B. von Elliot, Horowitz und Hoodock in Journal of Applied Polymer Science, Vol. 14, S. 2947-2963, Jahrgang 1970.

In der Zeichnung F i g. 1 ist ein Kolbenextruder entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Er besteht aus einem Werkzeug 1, das von Heizelementen 2 umgeben ist und von der Halteplatte 5 getragen wird. Der Aufgabetrichter 6 dient zur Zufuhr des zu extrudierenden Kunststoffpulvers. Der Kolben 3, der sich im Werkzeug hin- und herbewegt, wird durch das Hydraulikaggregat 4 angetrieben. Er bewirkt den Transport und die Verdichtung des Kunststoffpulvers.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aas hochmolekularem Niederdruckpolyäthylen mit einem Molekulargewicht über 500 000, insbesondere s über 1 000 000, unter Verwendung eines Kolbenextruders mit einem Extrusionswerkzeug, wobei das Niederdruckpolyäthylen im Kolbenextruder verdichtet und während einer festzulegenden Verweilzeit von einer Plastifiziertemperatur heruntergekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur auf ²/3 bis ⁴/s der Länge des Kolbenextruders, gemessen von der Eintragsseite, in einem Bereich von 180 bis 230⁰C und auf 1/3 der Länge des Kolbenextruders, gemessen von der Austragsseite, in einem Bereich von 140 bis 160⁰C gehalten wird und die Aufenthaltszeit T des Niederdruckpolyäthylens — gemessen in Minuten — in Abhängigkeit vom äquivalenten Durchmesser D des Extrusionswerkzeuges — gemessen in ^M Millimetern — und bei einer Werkzeuglänge von 1 m entsprechend der Beziehung