DE2910965A1 - Spritzvorrichtung zur aufbringung einer umhuellung aus geschaeumtem kunststoff auf langgestrecktes gut - Google Patents
Spritzvorrichtung zur aufbringung einer umhuellung aus geschaeumtem kunststoff auf langgestrecktes gutInfo
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Description
Kabel- und Metallwerke Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft
ι 1665
12. März 1979
Spritzvorrichtung zur Aufbringung einer Umhüllung aus
geschäumtem Kunststoff auf langgestrecktes Gut
Die Erfindung bezieht sich auf eine Spritzvorrichtung zur Aufbringung
einer Umhüllung aus geschäumtem Kunststoff auf langgestrecktes Gut, welche aus einem Gehäuse besteht, in dem eine
Einfüllöffnung zur Aufnahme von. ungeschäumtem Ausgangsmaterial
des Kunststoffs und ein zylindrischer Hohlraum angebracht sind, in welchen die Einfüllöffnung mündet und in welchem eine den
Kunststoff bis zu einer in einem Mundstück befindlichen Austrittsöffnung
fördernde, drehbar gelagerte und antreibbare zylindrische Schnecke mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser
von wenigstens l6 J 1 angeordnet ist, und in dem weiterhin im Bereich zwischen dem Mundstück und der halben axialen
Länge des Hohlraums eine in denselben einmündende Öffnung zur Zuführung eines unter Druck stehenden, inerten Gases und
mindestens eine Heizeinrichtung zum Aufschmelzen des Kunststoffs angebracht sind.
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Langgestrecktes Gut im Sinne der Erfindung sollen beispielswei
se Drähte? Leitungen, Kabel und Rohre sein. Bei Rohren wird
eine geschäumte Umhüllung beispielsweise dann benötigt, wenn
dieselben als isolierte Leitungsrohre zum Transport erwärmter
ς Medien eingesetzt werden. Bei Drähten und Leitungen kann es
sich beispielsweise um Adern von Nachrichtenkabeln und um
elektrische Leitungen allgemein handeln, insbesondere ist die
Vorrichtung nach der Erfindung jedoch zur Herstellung von koaxialen Hochfrequenzkabeln (HF-Kabeln) gedacht, bei denen der
Innenleiter von einem geschäumten Dielektrikum umgeben ist. Als
Materialien für das Dielektrikum werden in der Regel Polyolefine, insbesondere Polyäthylen, verwendet. Für alle geschilderten
Anwendungsfälle besteht die Forderung, daß für die Umhüllung im fertigen Produkt möglichst wenig Material eingesetzt
ist, wobei jedoch insbesondere auch die Eigenschaften
der Umhüllung vorgegebene Anforderungen erfüllen müssen. Die folgenden Ausführungen sind der Einfachheit halber nur auf
koaxiale HF-Kabel bezogen, sie gelten prinzipiell jedoch auch für die anderen angegebenen Anwendungsfälle.
Insbesondere bei koaxialen HF-Kabeln besteht neben den Forderungen
nach möglichst wenig Materialaufwand und ausreichenden
mechanischen Eigenschaften weiterhin die Forderung, daß auch die elektrischen Eigenschaften des Dielektrikums so gut sind,
daß ein möglichst verlustarmes Kabel hergestellt werden kann.
Diese Forderung kann insbesondere dadurch erfüllt werden, daß ein Ausgangsmaterial mit niedrigen dielektrischen Verlusten
verwendet wird und daß die Aufschäumung dieses Materials möglichst weit getrieben wird. Hierzu könnte zu dem Ausgangsmaterial
beispielsweise ein chemischer Schaumbildner beigemengt
werden, der bei einer bestimmten Temperatur reagiert und das Material der Umhüllung zum Aufschäumen bringt. Unabhängig davon,
wie hoch dabei der erzielbare Aufschäumgrad ist, werden die elektrischen Werte der so hergestellten geschäumten Umhüllung
von den im Material verbleibenden Rückständen des
INSPECTED
Schaumbildners meist ungünstig beeinflußt. Eine andere Form der Aufschäumung, bei welcher keine störenden Rückstände im Material
verbleiben, ist die unter Druck erfolgende Zufuhr von Gas Ln den aufgeschmolzenen Kunststoff - die sogenannte Gasinjektion
-, welche auch bei der vorliegenden Vorrichtung eingesetzt wird. Zur Erfüllung der oben genannten Forderungen
müßte hier also möglichst viel Gas in das Dielektrikum eingebracht werden.
In der DE-OS 20 29 9ö9 ist eine mit Gasinjektion arbeitende
Vorrichtung beschrieben, mit der ein Draht mit einer umhüllung aus einem geschäumten Kunststoff versehen werden kann. Diese
Vorrichtung besteht aus zwei um 90 gegeneinander versetzten Spritzvorrichtungen - im folgenden kurz "Extruder" genannt -,
von denen der eine zum Aufschmelzen des Kunststoffs dient und an den anderen angeschlossen ist, in welchem das Aufschäumen
durch Zuführung des Gases unter Druck durchgeführt wird. Auf diese Weise ist es mit erheblichem apparativem Aufwand möglich,
einen Draht mit geschäumtem Kunststoff zu umhüllen, wobei allerdings über die Güte der erzeugten Umhüllung und deren
Dichte keine Aussagen gemacht sind. Aus dieser Druckschrift kann somit nur die Lehre entnommen werden, daß zur Herstellung
einer geschäumten Umhüllung eines Drahtes mittels des Verfahrens der Gasinjektion zwei ineinander arbeitende Extruder
zu verwenden sind, da scheinbar nur auf diesem Wege die erforderliche Verweilzeit des Kunststoffs im Extruder erreicht
werden kann.
Es ist allerdings inzwischen ein Extruder auf dem Markt erhältlich,
der ebenfalls zur Beschichtung eines Drahtes mit einer geschäumten Umhüllung dient. Dieser Extruder ist mit einer
Förderschnecke versehen, bei welcher das Verhältnis von Länge zu Durchmesser etwa 38 · 1 ist. Hier wird die erforderliche
Verweilzeit durch einen überlangen Extruder mit überlanger Schnecke erreicht, wodurch es möglich ist, einen für die Gasinjektion
ausreichenden Druck im Extruder aufzubauen. Ein solcher Extruder stellt eine Spezialanfertigung dar und bringt
für die zentrische Führung der sehr langen Schnecke, beim An-
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fahren und bei der Reinigung erhebliche Schwierigkeiten mit sich. Außerdem ist ein solcher Extruder aus wirtschaftlichen
Gründen für andere Anwendungsfälle nicht einsetzbar.
Eine Vorrichtung, wie sie eingangs beschrieben ist, geht aus der DE-OS 2k 37 998 hervor. Bei dieser bekannten Vorrichtung
wird eine einfache zylindrische Schnecke mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von wenigstens l6 : 1 verwendet.
Trotz dieser relativ kurzen Schnecke ist es gemäß den Angaben in dieser Druckschrift gelungen, ein Dielektrikum für ein
koaxiales HF-Kabel herzustellen, das bei ausreichend niedrigem Verlustfaktor eine Dichte von 0,3 bis 0,6 g/cm hat. Bei dem
angegebenen Ausgangsmaterial Polyäthylen mit einer Dichte von 0,95 g/cm entspricht das einer Dielektrizitätskonstante von
1,31 bis 1,71 in» geschäumten Material. Derartige Kabel entsprechen
dem heutigen Standard und haben Dämpfungswerte, die bisher in Kauf genommen wurden. Geschäumte Umhüllungen für die
Innenleiter von koaxialen HF-Kabeln mit niedrigeren Dichtewerten sind mit dieser bekannten Vorrichtung nicht herstellbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben,
mit der es möglich ist, einen Draht mit einer Umhüllung aus einem geschäumten Kunststoff zu versehen, die unter Beibehaltung
der guten mechanischen und elektrischen Eigenschaften
bekannter Materialien eine Dichte von weniger als 0,3 g/cm hat.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs geschilderten
Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Schnecke in ihrem axialen Verlauf mindestens zwei voneinander getrennte
Scherteile aufweist, von denen das eine im Bereich zwischen 1/2 und 2/3 der Schneckenlänge und das andere in der Nähe des
Mundstücks im Bereich zwischen 4/5 der Länge und dem Ende der
Schnecke angeordnet ist, daß die Schnecke ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von höchstens 28 : 1 aufweist, und daß
die Öffnung für die Gaszuführung im Bereich zwischen dem Beginn des einen Scherteils und dem Ende des anderen in dem Gehäuse
angebracht ist.
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Mit einem derartigen Extruder ist es möglich, einen Draht mit einer geschäumten Umhüllung beliebigen Durchmessers zu beschichten,
die eine Dichte von weniger als 0,3 g/cm hat. Durch diesen hohen Aufschäumgrad ergibt sich für das geschäumte
Material bei gegenüber bekannten Materialien gleichbleibenden mechanischen und sonstigen elektrischen Eigenschaften
eine Dielektrizitätskonstante £ von etwa 1,2. Wenn ein solches Material für das Dielektrikum von koaxialen HF-Kabeln
eingesetzt wird, ergeben sich Kabel mit extrem niedrigen Verlusten, da die durch die Dielektrizitätskonstante direkt mit
bestimmte Dämpfung gegenüber bekannten Konstruktionen erheblich herabgesetzt ist.
Die niedrige Dichte der geschäumten Umhüllung mit Werten zwischen 0,15 und 0,28 g/cm läßt sich mit der Vorrichtung
nach der Erfindung durch die Verwendung der speziellen Schnecke mit den von einander getrennten Scherteilen erzielen,
obwohl die Schnecke mit einem maximalen Verhältnis von Länge zu Durchmesser (D) von 28 : 1 (28D-Extruder) relativ kurz ist.
Derartige "kurze" Schnecken sind bei Extrudern zum Erzeugen von Hüllen aus ungeschäumten und wenig geschäumten Materialien
üblich. Durch die Erfindung ist es jetzt möglich, derartige in jeder Fertigungsstätte von Kabeln vorhandene Extruder auch für
die Herstellung von hochaufgeschäumten Umhüllungen mit einer Dichte von weniger als 0,3 g/cm einzusetzen.
Durch die im Verlauf der Schnecke vorhandenen mindestens zwei Scherteile wird die Kunststoffschmelze im Endbereich des
Extruders soweit aufgeschmolzen und gleichzeitig nach beiden Seiten so stark abgedichtet, daß eine gegenüber bekannten Verfahren
erhöhte Gasmenge in die Schmelze eingedrückt werden kann, die zu dem hohen Aufschäumgrad in der Umhüllung führt.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in den
Zeichnungen dargestellt.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt
durch eine Vorrichtung nach der Erfindung, und in Fig. 2 ist
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ORiGlNAL !NSF5Z ~T™^
ein Teil der darin enthaltenen Schnecke in vergrößertem Maßstab dargestellt.
Mit 1 ist das Gehäuse eines Extruders bezeichnet, welches mit einer Einfüllöffnung 2 zum Einfüllen von zu verarbeitendem
Kunststoff und einem zylindrischen Hohlraum 3 versehen ist. Die Einfüllöffnung 2 erstreckt sich bis in den Hohlraum 3
hinein und ist nach außen zum einfacheren Einfüllen des Kunststoffs trichterförmig erweitert. Der Kunststoff wird
vorzugsweise in Granulatform in Richtung des Pfeiles 4 in diesen Trichter der Einfüllöffnung 2 eingebracht.
In dem sich in Längsrichtung erstreckenden zylindrischen Hohlraum 3 des Gehäuses 1 ist eine zylindrische Schnecke 5 drehbar
angeordnet, die in Fig. 1 nur rein schematisch dargestellt ist. Sie weist einen schraubenlinienförmigen Gang auf, durch
welchen der Kunststoff in Richtung des Pfeiles 6 zum Mundstück 7 des Extruders gefördert wird, in welchem sich die
Auetrittsöffnung des Extruders befindet. Außerdem weist das Gehäuse 1 eine Öffnung 8 auf, durch welche unter Druck stehendes
Gas in den Hohlraum 3 eingeführt werden kann. Die Öffnung ist vorzugsweise düsenförmig verengt. Statt nur einer Öffnung
können auch zwei oder mehr Öffnungen vorgesehen werden. Der Einfachheit halber wird im folgenden jedoch von nur einer
Öffnung 8 ausgegangen* Das Gehäuse 1 ist durch eine oder mehrere Heizeinrichtungen beheizbar, wobei in Fig. i eine
solche beispielsweise elektrisch zn betreibende Heiseinrichtung 9 schematisch angedeutet ist. Heizeinrichtiangen sind bei
Extrudern bekannt und brauchen daher nicht .genauer beschrieben
zu werden.
Die Schnecke 5 fördert den Kunststoff in Eicktung des Pfeiles
zum Mundstück 7 des Extruders, durch -welches der zu beschichtende
Draht 10 hindurchgeführt, wird. Aas clera Mundstück 7 tritt
dann der mit einer Umhüllung 11 vergebene Draht aus. Diese
Umhüllung besteht aus ein®m hoch aufgeschäumten Kunststoff,
der innerhalb des Gehäuses 1 durch die dosierte Zufuhr eines
inerten Gases, wifi beispielsweise Siickstoff, in den aufge-
O 3 H / 0 3 G 3
7 -
ORIGINAL
schmolzenen Kunststoff durch die Öffnung 8 im Gehäuse 1 erhalten wird. Durch die Öffnung 8 wird beispielsweise bei
einem Extruder mit einem Bohrungsdurchmesser von 90 mm eine
Gasnenge von weniger als 5 3- pro Minute in den Kunststoff
eingedrückt.
Damit überhaupt eine ausreichende Menge Gas durch die Öffnung 8 in den Hohlraum 3 des Extruders eingedrückt werden kann, ist
die Schnecke 3 speziell ausgebildet. Sie weist in ihrem axialen Verlauf mindestens zwei Scherteile 12 und I3 auf, die
voneinander getrennt sind und die sonstigen Bereiche einer üblichen Schnecke, wie Förderteil, Meteringteil und Mischteil,
unterbrechen. Im Bereich zwischen den beiden Scherteilen und 13 könnte gewünschtenfalls ein weiteres Scherteil vorhanden
sein. An den beiden Scherteilen 12 und I3 wird der Spalt zwischen Schnecke 3 und Gehäuse 1 so weit verengt, daß
sich eine erhöhte Reibung für den zu fördernden Kunststoff ergibt. Dadurch wird der Kunststoff bereits im Bereich des
Scherteils 12 voll aufgeschmolzen, so daß schon in diesem Bereich
das Zuführen des Gases unter Druck möglich ist. Die beiden Scherteile bewirken in dem Hohlraum 3 eine Abdichtung, so
daß im Bereich zwischen den beiden Scherteilen ein hoher Druck aufgebaut werden kann. Venn das Gas durch die Öffnung 8 dann
in die Kunststoffschmelze gedrückt wird, kann hierfür ein entsprechend
hoher Druck angewendet werden und es gelingt auf diese Weise, eine sehr große Menge des Gases in die Kunststoff
schmelze einzubringen, ohne daß von diesem Gas durch Undichtigkeiten
eine wesentliche Menge verloren geht.
Entsprechend diesen Ausführungen wird die Öffnung 8 somit vorzugsweise
an einer Stelle im Gehäuse angebracht, unter der das Scherteil 12 liegt. Der Ort des Einpressen^ des Gases ist in
Fig. 2 dementsprechend durch einen Pfeil lh angedeutet. Es ist jedoch auch möglich, das Gas nicht, unmittelbar im Bereich
des Scherteils 12 einzupressen, sondern es kann auch an einer Stelle zwischen den beiden Scherteilen 12 und I3 in
die Kunststoffschmelze eingebracht werden.
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ORIGINAL INSPECTED
Die beiden Scherteile 12 und I3 befinden sich nun nicht an
einer beliebigen Stelle der Schnecke 3» sondern das Scherteil 12 ist in einem Bereich anzuordnen, der zwischen 1/2
und 2/3 der Schneckenlänge liegt, während das Scherteil I3
im Bereich der Spritze der Schnecke liegen soll, und zwar zwischen k/5 der axialen Länge der Schnecke und dem Ende derselben.
Es ist auf diese Weise möglich, wie es auch schon weiter oben erwähnt ist, handelsübliche Extruder mit einem
Verhältnis von Länge zu Durchmesser zwischen 20 : 1 und 28 : 1 einzusetzen, wobei vorzugsweise ein sogenannter 25D-Extruder
verwendet wird, bei dem sich Länge zu Durchmesser (D) wie 25 : 1 verhalten. Durch den Einsatz der mindestens zwei
Scherteile im Verlauf der Schnecke läßt sich so viel Gas in die Kunststoffschmelze eindrücken, daß sich eine Umhüllung
des Drahtes 10 mit einer Dichte von beispielsweise 0,23 g/cm ergibt, was einer Dielektrizitätskonstante i von etwa 1,2 entspricht,
die in der Größenordnung derjenigen von Luft liegt. Ein HF-Kabel mit einem entsprechenden Dielektrikum hat somit
extrem niedrige Verluste und Eigenschaften, die bisher nicht erreichbar waren.
Bevor der für die Umhüllung 11 verwendete Kunststoff in die Einfüllöffnung 2 des Extruders eingefüllt wird, ist er in der
Regel speziell aufzubereiten. Der Kunststoff selbst wird im
allgemeinen in Granulatform in den Extruder eingefüllt. Für das Verfahren des Aufschäumens mittels Gasinjektion ist es
bekannt, daß dem Kunststoff außerdem keimbildende Mittel hinzugegeben werden, die als Nukleierungsmittel bezeichnet werden.
Hierfür eignen sich beispielsweise gegenüber dem Material der Umhüllung höher schmelzende Polyolefine oder auch Mineralien,
wie beispielsweise Glasmehl. Diese Stoffe werden in feinster Verteilung in den Kunststoff eingebracht und dienen zur Bindung
des Gases in der Kunststoffschmelze zur Erzeugung der
Gasblasen in dem fertig aufgeschäumten Produkt.
Weiterhin kann dem Ausgangsprodukt von vornherein ein übliches chemisches Vernetzungsmittel hinzugegeben werden, so
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daß die fertige Umhüllung 11 auf dem Draht 10 nicht nur aufgeschäumt,
sondern auch vernetzt ist und dadurch noch verbesserte mechanische Ei g en a c nc* ft en hat. Ein solches Vernetzungsmittel
ist beispielsweise Siloxan, bei dem sich eine über den Schmelzpunkt des Isoliermaterials hinausgehende
Warmbehandlung erübrigt. Der Draht 10 kann vor seiner Einführung in das Mundstück 7 des Extruders erwärmt werden.
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Claims (1)
- Kabel- und Metallwerke Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaftt 166512„ März 1979Patentansprüche1. Spritzvorrichtung zur Aufbringung einer Umhüllung aus geschäumtem Kunststoff auf langgestrecktes Gut, welche aus einem Gehäuse besteht, in dem eine Einfüllöffnung zur Aufnähme von ungeachäunitem Ausgangsmaterial des Kunststoffs und ein zylindrischer Hohlraum angebracht sind, in welchen die Einfüllöffnung mündet und in welchem eine den Kunststoff bis zu einer in einem Mundstück befindlichen Austrittsöffnung fördernde, drehbar gelagerte und antreibbare zylindrische Schnecke mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von wenigstens 16 : 1 angeordnet ist, und in dem weiterhin im Bereich zwischen dem Mundstück und der halben axialen Länge des Hohlraums eine in denselben einmündende Öffnung zur Zuführung eines unter Druck stehenden, inerten Gases und mindestens eine Heizei—nrichtung zum Aufschmelzen des Kunststoffs angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecke (5) in ihrem axialen Verlauf mindestens zwei voneinander getrennte Scherteile (12, I3) aufweist, von denen das eine (12) im Bereich zwischen 1/2 und 2/3 der Schneckenlänge und das andere (I3) in der Nähe des0 30 039/0383 - 2 -BADMundstücks (7) im Bereich zwischen 4/5 der Länge und dem Ende der Schnecke angeordnet ist, daß die Schnecke ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von höchstens 28 : 1 aufweist, und daß die Öffnung (8) für"die Gaszuführung im Bereich zwischen dem Beginn des einen Scherteils und dem Ende des anderen in dem Gehäuse (l) angebracht ist«,2« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (8) für die Gaszuführung im Bereich des etwa in der Mitte der Schnecke (5) befindlichen Scherteils (12) angeordnet ist.3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch .gekennzeichnet, daß die Schnecke (5) ein Verhältnis Länge zu Durchmesser von 25 : 1 hat.k. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 t dadurch gekennzeichnet, daß für die Gaszuführung mehrere Offnungen im Gehäuse (l) angebracht sind.5. Verfahren zur Aufbereitung eines Kunststoffs für eine mit der Vorrichtung nach einem der Ansprüche i bis k herstellbare Umhüllung, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kunststoff vor dem Einfüllen in den Extruder Nukleierungsmittel zugegeben werden.6. Verfahren nach Anspruch 5 t dadurch gekennzeichnet 0 daß dem Kunststoff chemische Vernetzungsmittel zugegeben werden.7„ Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Vernetzungsmittel Siloxan verwendet wird.0 30 039/0383
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