DE2837751C2

DE2837751C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Monofilen aus Polyvinylidenfluorid

Info

Publication number: DE2837751C2
Application number: DE2837751A
Authority: DE
Inventors: Egon Ing.(Grad.) Lang; Wilhelm Dipl.-Ing. Nachtigall; Joachim Dipl.-Chem. Dr. 5210 Troisdorf Stark
Original assignee: Dynamit Nobel AG
Current assignee: Dynamit Nobel AG
Priority date: 1978-08-30
Filing date: 1978-08-30
Publication date: 1983-12-15
Also published as: DE2960400D1; US4264555A; JPS5536389A; DE2837751A1; EP0008612A1; EP0008612B1

Description

Formfestigkeit führt beispielsweise bei der nachfolgenden Umlenkung und Weiterführung der Monofile zu unerwünschten Verformungen des Querschnittes.

Ein weiteres Problem bei der Monofilextrusion besteht darin, Monofile mit möglichst geringen Toleranzen und gleichbleibenden Monofilquerschnitten zu fertigen. Dieser Forderung ist nicht nur während der Abkühlungsphaae der extrudierten Monofile Rechnung zu tragen, sondern auch bereits während der Extrusion. Dies bedeutet, daß gleiche Fließweglänge der einzelnen Düsen, gleiche FließgeschwindigkeUen und ein gleichmäßiges Temperaturfeld für alle Monofile erforderlich sind. Dennoch stellt sich zusätzlich das Problem, daß die frisch extrudierten Monofile keine ausreichend glatte Oberfläche aufweisen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sie zum Herstellen von Monofüamenten aus PVDF mit geringen Durchmesserschwankungen, mit gleichbleibenden Monofilquerschnitten sowie mit glatter Oberfläche geeignet sind.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 bzw. von Anspruch 7 charakterisierten Maßnahmen gelöst

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von PVDF-Monofilen mit glatter Oberfläche, guter Verstreckbarkeit, sehr guter Rundheit und kleinen Abweichungen des Durchmessers unter 2% bei einem Durchmesser der abgekühlten und noch nicht verstreckten Monofile zwischen 0,2 und 1,1 mm.

Mit der zusätzlichen gleichmäßigen Aufheizung der zu extrudierenden Monofile beim Austritt aus dem Extrusionswerkzeug wird mit Sicherheit eine ungleiche Schmelztemperierung ausgeschlossen. Eine unsymmetrische Schmelze und damit Monofilerwärmung führt nämlich zu Monofilverformungen und damit zu ungleichmäßigen Querschnitten. Ferner wird ein zusätzlicher Glättungseffekt der Oberfläche der Monofile bewirkt.

Eine hohe Kristallinität und Formfestigkeit der w extrudierten Profile bei gleichzeitig geringen Abweichungen von den vorgegebenen Durchmessern wird dabei durch die Verwendung des Kühlmediums mit einer gegenüber Wasser schlechteren Wärmeleitzahl und höheren Viskosität sichergestellt. Die geringe Wärmeleitzahl des Kühlmediums führt zu einer langsameren Abkühlung der PVDF-Monofile und damit, zu einer Verlängerung o?.s Zeitraumes, während dessen die PVDF-Monofile den Temperaturbereich der größten Rekris»allisationsgeschwindigkeit im Bereich von ca. 130 bis 140⁰C durchlaufen. Die mit dem höheren Kristallinitätsgrad und der damit stärkeren Orientierung ausgebildeten PVDF-Monofile weisen eine höhere Zug- und Biegefestigkeit und erhöhte Formfestigkeit auf, so daß auch bei der Umlenkung der Monofile im Kühlbad keine Verformung der Monofilquerschnitte mehr eintritt und sie sich später sehr gut verstrecken lassen. Maßhaltigkeit und Formtreue der PVDF-Monofile sind durch das erfindungsgemäße Verfahren gegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, die Monofile zwischen dem Austritt aus dem Extrusionswerkzeug und dem Kühlmedium eine Luftstrecke, in der Regel mn· eine kurze zwischen 10 und 250 mm, vorzugsweiss zwischen 50 und 100 mm, durchlaufen zu lassen, ehe sie in das eigentliche Kühlmedium eintauchen- Bevorzugt wird erfindungsgemäß als Kühlmedium G!· ''erin verwendet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Eintauchtiefe für die Monofile zwischen 200 bis 2000 mm, vorzugsweise zwischen 500 bis 1000 mm gewählt Hierbei ist mit der Eintauchtiefe die Strecke vom Einlaufen in das Kühlmedium bis zum Umlenken gemeint Da nach dem Verlassen des Kühlbades in der Regel Kühlmedium, wie beispielsweise Glycerin, an den Monofilen anhaftet ist es zweckmäßig, die abgekühlten Monofile von dem anhaftenden Kühlmedium zu reinigen, beispielsweise mechanisch mittels Walzen und Schwämmen und mit einem daran sich anschließenden Wasserbad. ■

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die zusätzliche gleichmäßige Aufheizung der zu extrudierenden Monofile durch die im Austrittsbereich der Düsen innen- und außenseitig der Düsenaustrittsöffnungen vorgesehenen Heizeinrichtungen erzielt Um einen Wärmeahfluß von dem höher beheizten Düsenaustrittsbereich in das übrige Extrusionsweri'.äeug zu verhindern bzw. zu verringern, ist die thernäf^he Isolierung vorgesehen. Die thermische Isolierung des Düsenaustrittsbereiches von dem übrigen Extrusionswerkzeug kann beispielsweise in der Weise vorgenommen sein, daß die Düse über einen Stegring mit dem Verteilerbereich des Extrusionswerkzeuges verbunden ist wobei im Bereich des Stegringes die einzelnen Düsenbohrungen für die Monofile verlaufen. Um den erhöhten Anforderungen bezüglich der Genauigkeit und Gleichmäßigkeit der PVDF-Monofile gerecht zu werden, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, auch den Verteilerbereich des Extrusionswerkzeuges außen und innen mit Heizeinrichtungen auszustatten.

Die Erfindung wird in der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 und 2 einen schematischen Querschnitt durch eine Anlage zum Herstellen von PVDF-Monofilen,

Fig.3 einen Querschnitt durch ein ExtiusioriSwerkzeug,

F i g. 4 eine Aufsicht auf das Extrusionswerkzeug nach F i g. 3 und

Fig.5 eine grafische Darstellung der Abweichung des Monofildurchmcssers bei unterschiedlichen Kühlmedien.

In der F i g. 1 ist schematisch eine Anlage zum Herstellen von PVDF-Monofilen dargestellt, bei der die Monofile einer Aufwickelvorrichtung zugeführt werden. Das in dem Extruder 1 beispielsweise 275° C ptastifizierte PVDF wird über das als Mehrlochkopfscheibe ausgebildete Extrusionswerkzeug zu Monofilen 2 verformt. Nach Durchlaufen einer kurzen nicht näher bezeichneten LuftstrecUe tauchen die Monofile 2 in die Küh;"lüssigkeit 5, z. B. Glycerin, das in dem Behälter 4 untergebracht ist ein. Nach Durchlaufen einer Kühlstrecke, die vom Eintauchen in das Kühlbad bis zur Achse der in dem Kühlbad untergebrachten angetriebenen Umlenkwalze 6 bemessen wird, werden die Monofile über die mit Nuten versehene Umlenkwalze i> umgelenkt und wieder nach oben aus dem Kühltank 4 herausgefünrt und über weitere Umlenkwaizen 8, beispielsweise durch ein nachgeschaltetes Abt?opfbekken 9 für das Glycerin, und ein weiteres nachgeschaltetes Spülbad 10, das beispielsweise mit Wasser gefüllt ist, über Abzugswalzen 11 zu der Aufwickelvorrichtung 12 geführt.

In der Fi g. 2 ist eine andere Verfahrensvariante zum Herstellen von PVDF-Monofilen schematisch dargestellt, wobei der Extruder 1 horizontal auf dem Sockel 13 aufgestellt ist und das Extrusionswe;^-kzeug 3 über den

Krümmer 18 mit dem Extruder verbunden ist. Die Monofile 2 werden nach dem Herausführen aus dem Kühltank 4 über eine Abzugseinrichtung 14 direkt einer nachgeschalteten Reckanlage 15 zugeführt, wonach sie über eine weitere Abzugsvorrichtung 16 auf die Vorrichtung 17 aufgewickelt werden.

In den Fig.3 und 4 ist die erfindungsgemäße Ausbildung des Exirusionswerkzeuges als Mehrlcchkopf dargestellt. Die in dem Extruder 1 plastifizierte Masse wird dem Extrusionswerkzeug 3 beispielsweise ι ο über den Krümmer 18, der außenseitig mit der Heizeinrichtung 19 versehen ist, zugeführt. Das Extrusionswerkzeug 3 ist mit den Verteilerkanälen 31 für die thermoplastische Schmelze ausgebildet und weist hierzu im mittleren Teil den als Einlaufkonus 35 ι > bezeichneten Werkzeugteil auf. An die Verteilerkanäle 31 schließt die eigentliche Düse 20 mit den Düsenaustrittsöffnungen 21 bzw. den Düsenbohrungen 22 an. Wie aus der Aufsicht nach Fig.4 zu ersehen, sind die Düsenaustrittsöffnungen 21 auf einem einzigen Kreis- -Ό ring angeordnet. Das Extrusionswerkzeug 3 mit Düse 20 weist kurze Fließwege, gleiche Fließweglänge der einzelnen Düsen, praktisch keine Fließgeschwindigkeitsunterschiede, keine toten Ecken, keine unnötig hohe Scherung auf. Durch eine gleichmäßige Beheizung -5 des Werkzeuges 3 mit Außenheizungen 32, 33 sowie innerhalb der Einlaufkonus 35 untergebrachte Heizeinrichtungen 34, beispielsweise in Gestalt von Heizpatronen, werden ebenfalls Temperaturunterschiede vermieden und ein gleichmäßiges Temperaturfeld gewährleistet. Um alle Düsenbohrungen 22 und Düsenaustrittsöffnungen 21 gleichmäßig erwärmen zu können, wurden diese einreihig auf nur einem einzigen Kreisring angeordnet und außenseitig und innenseitig mit je einer Heizeinrichtung 23, 24 ausgerüstet. Bei mehrreihiger J5 Anordnung der Düsenaustrittskanäle entsteht bei ausgeschalteter Heizung sin Wärmcgcfäi'e nach außen, bei eingeschalteter Heizung nach innen, diese Temperaturunterschiede führen zu unterschiedlichen Monofildurchmessern, da kältere Monofile dicker sind bzw. ·»<> einseitig erwärmte Monofile infolge des von der Schmelztemperatur abhängigen Schrumpfes verformt werden. Die um die Düsenaustrittsöffnungen 21 angeordneten Heizeinrichtungen 23 und 24 ermöglichen nicht nur eine gleichmäßige Beheizung, sondern ⁴^ zugleich auch eine unabhängige Beheizung des DCsenaustrittsbereiches von dem übrigen Verteilerbereich innerhalb des Extrusions Werkzeuges 3. Damit ist es aber auch möglich, die erfindungsgemäß vorgeschlagene höhere Beheizung des Düsenaustrittsbereiches vorzunehmen, wodurch ei;₍e Glättung der Monofiloberfläche erreicht wird. Um einen Wärmeabfluß von dem Düsenaustrittsbereich mit den Düsenaustrittsöffnungen

21 auf den Verteilerbereich (31,35) des Extrusionswerkzeugs 3 zu verhindern bzw. zu verringern, ist der Düsenaustrittsbereich 20 gegenüber dem Verteilerbereich (31, 35) des Extrusionswerkzeugs thermisch isoliert, beispielsweise wie in der Fig.3 abgesetzt ausgebildet. Hierbei besteht nur noch über den schmalen Stegring 25, durch den die Düsenbohrungen

22 geführt sind, eine Verbindung zu dem übrigen Extrusionswerkzeug. In der F i g. 3 sind für die einzelnen Bereiche beispielsweise die Heiztemperaturen angegeben, woraus ersichtlich wird, daß der Düsenaustrittsbereich höher beheizt wird als das restliche Extrusionswerkzeug. Die Düsenaustrittsöffnung 21 weist einen Durchmesser d auf, der etwas größer als der Durchmesser des extrudierten abgekühlten Monofiles ist, beispielsweise bei einem Monofildurchmesser von 0,6 mm beträgt der Durchmesser der Düsenaustrittsöffnung 1,4 mm. Diese Werte sind empirisch zu ermitteln. Die Länge /der Heizstrecke für den Düsenaustrittsbereich ist etwa 5 bis 20 · d zu wählen, um im Sinne der Erfindung wirksam zu werden. Der Düsenberech wird etwa 15 bis 25" höher beheizt als das übrige Werkzeug und die über den Krümmer 18 einlaufende PVDF-Schmelae.

Um ein«; möglichst optimale Abkühlung der extrudierten Monofile 2 zu erreichen, wird durch ein geeignetes Kühlmedium, wie beispielsweise Glycerin eine langsame Abkühlung der Monofile 2 bei nicht allzu großen Eintauchtiefen gewährleistst, um ein unruhiges Laufen der Monofile zu verhindern. Gleichzeitig muß jedoch die Eintauchtiefe wenigstens so groß gewählt sein, daß eine ausreichende Formverfestigur.g der Monofile stattgefunden hat, so daß sie beim Auflaufen auf die Umlenkwalze 6 nicht mehr verformt werden.

Aus der in der F i g. 5 gezeigten grafischen Darstellung sind die Durchmesserabweichungen eines mit einer Düsenaustrittsöffnung von 1,4 mm esxtrudierdten und nach der Verfestigung einen runden Durchmesser von 0,6 mm aufweisenden PVDF-Monofils bei Abkühlung in einem Glycerinbad mit einer Eintauchlänge von 1000 mm bei unterschiedlichen Kühltemperaturen und bei Abkühlung in einem Wasserbad bei einer Eintauchtiefe von 2000 mm bei unterschiedlichen Kühltemperaturen dargestellt. Hieraus ist eindeutig zu ersehen, wie durch die Auswahl eines Kühlmediums mit schlechter Wärmeleitfähigkeit und höherer Dämpfung die gewünschten Anforderungen bezüglich der Maßgenauigkeit und Formgenauigkeit des PVDF-Monofils erfi-ift werden können.

Hierzu 4 Biatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Monofilmen aus thermoplastischem Kunststoff, wobei der Kunststoff mit einem Extruder plastifiziert und in einem Extnisionswerkzeug zu Monofilmen geformt wird mit nachfolgender Abkühlung in einem auf einer Temperatur von 60 bis 140⁰C gehaltenen Flüssigkeitsbad mit einem Kühlmedium mit einer Wärmeleitzahl unter 0,40 W/mK, einer Viskosität des Kühlmediums bei tOO°C über 0,5cPas und einer Dichte des Kühlmediums bei 100⁰C über 1,1 g/cm³, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff Polyvinylidenfluorid verwendet wird, und daß die Monofile auf der letzten Wegstrecke vor dem Verlassen des Extrusionswerkzeuges gleichmäßig auf eine um 10 bis 30⁰C höhere Temperatur als die vorangehende Extrudertemperatur gebracht werden.

Z Verfahre« nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur auf der letzten Wegstrecke vor dem Verlassen des Extrusionswerkzeuges um 15 bis 25°C höher als die Extrudertemperatur ist, daß die Temperatur des Kühlmediums 90 bis 110⁰C, seine Wärmeleitzahl weniger als 03 W/mK, seine Viskosität bei IWC über 1,4 cPas und seine Dichte bei 100° C über 1,2 g/cm³ betragen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Monofile zwischen dem Austritt aus dem Extrusionswerkzeug und dem Kühlmedium eine Luftstrecke von 10 bis 250 mm, vorzugsweise 50 bis 100 mm, durchlaufen.

4. Verfahren nach einen· dir Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aU Kühlmedium Glycerin verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Monofile über eine Tiefe von 200 bis 2000 mm, vorzugsweise 500 bis 1000 mm, in das Kühlmedium eintauchen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, -to dadurch gekennzeichnet, daß die abgekühlten Monofile von dem anhaftenden Kühlmedium gereinigt werden.

7. Vorrichtung zum Herstellen von Monofilen aus thermoplastischem Kunststoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Extruder, mit einem als Mehrlochkopf ausgebildeten Extrusionswerkzeug, das einen Verteilerbereich und eine Düse mit auf einem Kreisring angeordneten Düsenaustrittsöffnungen umfaßt, mit einem flüssigkeitsgekühlten KUhltank, mit einer Umlenkwalze und mit einer Abzugsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Monofilen aus Polyvinylidenfluorid die Düse (20) von dem Verteilerbereich (31, 35) des Extrusionswerkzeugs (3) thermisch isoliert und mit einer den Kreisring der Düsenaustrittsöffnungen (21) außen und innen umgebenden regelbaren Heizeinrichtung (23,24) versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (20) über einen Stegring (25) mit dem Verteilerbereich (31, 35) des Extrusionswerkzeugs (3) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerbereich (31, 35) des Extrusionswerkzeugs (3) außen und innen mit einer Heizeinrichtung (32, 33, 34) ausgestattet ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Monofilen aus thermoplastischem Kunststoff entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind in dem Buch von Dr. Ing. Schenkel, Kunststoff-Extradertechnik, Carl Hanser Verlag München (1963), auf den Seiten 438 bis 444 beschrieben.

Gemäß dieser Druckschrift wird z.B. bei der Herstellung von Filamenten aus Polystyrol und Polypropylen das Material in einem Ethylenglykol- oder Gh'cerinbad bei einer Temperatur oberhalb 100⁰C abgekühlt

Aus der DE-AS 17 85 222 ist es bei der Herstellung synthetischer Fäden, .z.B. aus Polyvinylidenchlorid, bekannt, die Temperatur der Spinndüse so zu wählen, daß die Temperatur der zugeführten Polymerschmelze in der Düse um mindestens 6O⁰C erhöht wird.

Aus der jF 13 399/68 ist es bekannt, Fasern aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) durch Extrusion eines Suspensionspolymerisats, Strecken (300%) und Erhitzen auf 150° C zu erhalten.

Bei der Herstellung von Monofilen aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) ist ayf die Erzielung einer glatten Oberfläche, eine gute Verstreckbarkeit und möglichst geringe Durchmesserabweichungen, d.h. einen möglichst hohen Rundheitsgrad bei mit Kreisquerschnitten auszubildenden Monofilen zu achten. Diese Anforderungen an Monfile aus PVDF konnten mit den erwähnten bekannten Verfahren und Anlagen zum Extrudieren von Monofilen aus Polyäthylen, Polypropylen, Polyamiden, Polystyrol, Polyvinylchlorid und Polyvinylidenchlorid nicht erfüllt werden. PVDF ist ein teilkristalliner thermoplastischer Kunststoff, dessen Kristallinitätsgrad im wesentlichen von der thermischen Vorbehandlungsgeschichte abhängt. Dwich schnelles Abkühlen nach der Verarbeitung wird ein weitgehend amorphes Material von hoher Transparenz und guter Flexibilität erzielt, während ein langsames Abkühlen insbesondere im Temperaturbereich der größten Rekristallisationsgeschwindigkeit, die für PVDF bei 130 bis 140⁰C etwa liegt, zu hochkristallinem Material führt, das zwar weniger durchsichtig ist, dafür aber bei höherer Dichte einen größeren Zug- und Biegemodul besitzt und eine verbesserte Druckstandfestigkeit aufweist.

Da die Monofile eine möglichst hohe Formstabilität einerseits und zum anderen eine gute Verstreckbarkeit aufweisen sollen, ist ein hoher Kristallinitätsgrad erwünscht.

Die bei der Abkühlung von Polystyrolmonofilen bewährte Luftkühlung bei 110 bis 120°C erwies sich für die Abkühlung von PVDF-Monofilen als nicht geeignet, da die Monofile durch ihr Eigengewicht sehr dünn gezogen wurden, was zu erheblichen Durchmesserschwankungen und Abweichungen von der gewünschten Querschnittsform führte; darüber hinaus laufen die Monofile bei der bei Luftkühlung erforderlichen erheblich langen Kühlstrecke sehr unruhig. Aber auch der Einsatz einer Wasserkühlung zum Verfestigen von PVDF-Monofilen bringt noch nicht den gewünschten Erfolg, da bei Wasserkühlung die Monofile zu schnell abgekühlt werden und damit den optimalen Rekristallisationsbereich zu schnell durchlaufen und damit einen zu geringen Kristallisationsgrad und eine entsprechend geringe Formfestigkeit aufweisen. Diese mangelnde