DE3216720A1 - Verfahren zum extrudieren und kalibrieren von kunststoffrohren - Google Patents

Description

• Verfahren zum Extrudieren und Kalibrieren von
• Kunststoffrohren Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Extrudieren una Kalibrieren von Hohlprofilen, insbesondere Rohren, aus thermoplastischen Kunststoffen amorpher und insbesondere teilkristalliner Art aus Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, Hart-PVC und insbesondere Polyvinylidenfluorid, die nach dem Extrudieren von außen und/oder innen kalibriert und abgekühlt werden.
• Den Verfahrensweisen mit Außenkalibrierung, sei es mit äußerem Vakuum oder i inneerem Stütz- oder Ueberdruck, ist iemeinsam, daß die Wärrneabfuhr im wesentlichen über die Außen wandung des Rohres erfolgt. Das Ergebnis ist ein zeitlich späteres Abkühlen der inneren Rohrschichten und somit ein Aufbau von Eigenspannungen in Umfangsrichtung (tangentiale Eigenspannungen) und in Längsrichtung der inneren Rohrschichten gegenüber den äußeren Rohrschichten, die dann entsprechende entregbengesetzt gerichtete Druckspannungen aufweisen (vgl. Kunststoffe 72 (1982) 1, s. 33 ff.).
• Es irt bekannt, zur äußeren Kaiibrierunrr und Kühlung zusätzlich Innenkühlungen mit Luft oder Wasser oder einem gemisch von beiden zu verwenden und so je nach Steuerung und technischer Ausführung die Spannungen der inneren RohroberfLäche gegenüber der äußeren Rohroberfläche zu mindern.
• werden nun die an sich bekannten Verfahren zum Innenkühlen im Bereich der Außenkalibrierung sowie der gleichzeitigen Außenkühlung für Kunststoffe angewendet, die im Schmelzezustand extrudiert werden, wie z.B. Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polypropylen (PP), so kann es bei Innenkühlungen mit Wasser zu einer ungleichmäßigen Abkühlung der inneren Rohroberfläche und somit zu Störungen der inneren Oberflächenglätte kommen.
• Ferner führt eine intensive innenkühlung zur schnellen Erstarrung der inneren Rohrschicht. Aufgrufgrund der starken Schwindung muß dann bei den teilkristallinen Materialien mit Einfallstellen oder Lunkern gerechnet werden.
• Es ist jedoch festzuhalten, daß auch bei diesem Verfahren noch restliche Zugspannungen bestehen bleiben, die im Inneren der Rohrwandung am größten sind.
• Beim Einsatz von Innendornkalibrierungen, bei denen die Wärmeabfuhr nach innen erfolgt, liegen die Spannunzsverhältnisse umgekehrt wie bei Außenkalibrierungen. Innenkalibrierung wird jedoch seltener angewandt, da sie störanfällip'er ist und Wanddickenschwankunzen die Einhaltung eines präzisen Außendurchmessers nicht gestatten.
• Die in Konstruktionswerkstoffen aus liochpolymeren Je nach Herstellunsprozeß noch vorhandenen Eigenspannungen haben einen großen Einfluß auf das Beanspruchungsverhalten dieser Werkstoffe. Aus der Literatur ist bekannt freworden, daß bei PVC-Ronnen die Größe der Eigenspannungen in der Größenordnung der zulässigen Langzeitbelastung liegen kann. Auch für Poiyeth:yTenrohre werden beachtlich hohe Werte angegeben (Plaste und Kautschuk, Heft 2, 1981).
• Je höher der Kristallinitätsgrad der Thermoplaste ist, desto zur macht sich das Auftreten einseitiger Zugspannunen in der Rohrwandung bemerkbar. Diese Erscheinung ist bei PVDF als teilkristallinem Thermoplast besonders stark. So haben z.B. Rohre aus PVDF, kalibriert nach heute üblichen Herstellverfahren, Stannunsdifferenzen zwischen der inneren und äußeren Oberfläche, die ein längs aufgeschnittenes Rohr ca. 20 bis 25 % des Rohrumfanges übereinanderspringen lassen.
• Darüber hinaus bewirkt die axiale Spannungsdifferenz an den Rohrenden eine Verringerung des Rohrdurchmessers und führt zu einer als tonnenförmig zu bezeichnenden Deformation es Rohrendes.Bei anderen Thermoplasten, wie z.B. Rohren aus PP oder Hart-PVC, tritt diese Erscheinung auch auf, ist jedoch weniger stark.
• Die geschilderten Nachteile können zu einem Versagen durch Verformungsbruch oder durch verformungslosen Bruch bei langzeitbelasteten Rohren führen und sind auch bei der Weiterverarbeitung, z.B. der Warmformung, der Muffenschweißung und der Heißluftschweißung mit Zusatzdraht sehr störend.
• Die noch weitergehende Nutzung der kostenmäßigen und physikalischen Vorzüge, die Werkstoffe aus thermoplastischen Kunststoffen aufweisen, hängt davon ab, daß es gelint, das Einfrieren von Eigenspannungen im Herstellproze zu vermeiden, so da diese Nachteile vermieden werden können Es ist bekannt, daß Eienspannunzen durch Tempern der Produkt abebalt werden 'Können, wobei der Energieeinsatz und die aufzuwendende Zeit stark abhängig von der Größe bzw.
• den Wanddicken der Produkte sind. IIierzu sind zahlreiche vorschläge in Stand der Technik bekannt. Allerdings ist man mit den bei der Temperuntn anwendbaren Temperaturen wegen dez begrenzten Formstabilität von thermoplastischen Rohren oder sonstien Formstücken begrenzt. Bei Temperung mit niedrigen Temperaturen wächst die Behandlungsdauer entsprechend bzw.
• @führt bei Anwendung höherer Temperaturen zu starkem Verzug des Kreisquerschnittes sowie zu Schwankungen des Rohrdurchmessers und der Geradheit über die Länge.
• Es stellte sich deshalb die Aufgabe, ein Verfahren anzureben, welches die Spannungsdifferenzen über den Querschnit in kalibrierten Rohren oder Hohlprofilen aus thermoplastischen Kunststoffen weitgehend abbaut und trotzdem einen formstabilen Zustand mit genauen, der Kalibrierung nahezu entsprechenden, Abmessungen sowie Geradheit und Rundheit tewährleistet. Insbesondere soll ein Verfahren zur Extrusion eigenspannungsarmer kalibrierter thermoplastischer Kunststoffrohre angegeben werden.
• Erfindungsgemäß werden bei einem Verfahren der eingangs renannten Art die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 verwirklicht.
• Das erfindungsgemäße Verfahren läuft im wesentlichen so ab, daß ein Kunststoffrohr, insbesondere aus teilkristallinen Thermoplasten, zunächst nach einer der üblichen Techniken extrudiert, von außen kalibriert, auf Raumtemperatur abgekühlt und in einem, vorzusweise unmittelbar anschließenden Schritt, bei gleichzeitiger Erwärmung des Rohres von außen bis in den thermoelastischen bis thernoplastischen Bereich, Se innere Rohroberfläche zwecks Aufnahme der Rohrabzuskräfte durch entsprechende flaQnahmer in Rohrinneren kaltgehalten wird, so daß die Spannungen sich dem verbleibendenkilteren Rohrkern -flgleichen und die äußeren Schichten der Rohrwandung praktisch spannungsneutral sind. Danach wird das Rohr von innen weiter so lange gekühlt, bis die äußeren Rohrzonen von innen her abgekühlt sind. Erfindungsgemäß resultiert ein Rohr, das durch das Kalthalten im Rohrinneren die geforderte Rundheit, Geradheit und Maßhaltigkeit aufweist.
• Zwecks Auswahl der für den jeweiligen Thermoplasten optimalen Innen- und Außentemperatur kann das Kühlen im Rohrinneren in mehreren Abschnitten erfolgen und die Kühlmittel temperatur in diesen Abschnitten unterschiedlich gewählt werden. Das Kühlmittel wird zweckmäßig in Gegenstrom zur Extrusionsrichtung durch schraubenförmige Wendeln im Inneren des Rohres geführt, wobei die Wendeln im Rohrscheitel kleine Ausnehmungen zum Abtransport von Luft- oder- Gasblasen aufweisen können. Die Kühlmittelabführung erfolge zweckmäßig durch Öffnungen im Rohrscheitel. Das Kühlmittel kann mit Unterdruck geführt werden.
• Die Erwärmung der Rohraußenwandung in der Heizzone kann mit zirkulierendem Heizmedium, vornehmlich Umluft, erfolgen, wobei die Erwärmung der Rohraußenwandung durch zusätzliche Wärmestrahler intensiviert werden kann.
• Die Abführung der Wärme durch Kühlen im Rohrinneren kann durch die Rohrwandung nach innen hindurch mittels einer Isolierhülle oder dergleichen gewährleistet werden. Das Kühlen im Rohrinneren kann durch einen Luftstrom oder gesprühten Wassernebel oder Wasserstrom bewirkt werden.
• Das Ergebnis bei Wahl der für den jeweiligen Thermoplasten optimalen Innen- und Außentemperaturen sowie der optimalen Länge der inneren und äußeren Kühl- und Heizzone ist ein praktisch spannungsfreies Rohr. Für die Extrusionsleistung sowie die Auslegung der inneren Kühlzone sowie der äußeren Heizzone sind die Art des Werkstoffes, die Wanddicke und die Arbeitsgeschwindigkeit die wesentlichen Faktoren, die im einzelnen zu berücksichtigen sind, Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiter anhand der Beispiele 1 und 2 sowie der Fig. 1 und 2 erläutert.
• Beispiel 1: Dieses Beispiel beschreibt eine labormäßige Ausführung des erfindunzszemäßen Verfahrens. Rohrstücke aus PVDF der Abmessung 32 x 2,5 mm, gefertigt nach dem Stand der Technik werden verschlossen, mit Leitungswasser von 16 0C gefüllt und anschließend für einen Zeitraum von 8 Minuten in einen mit Glycerin von 130 oO gefüllten Behälter eingebracht.
• Während des gesamten Versuchsablaufs wird das Kühlwasser im Inneren des Rohres ständig ausgetauscht, so daß die Kühltemperatur praktisch konstant bleibt. Nach Ablauf der angegebenen Zeit werden die Rohre dem Behälter entnommen.
• Die weiterhin laufende Kühlung kühlt die Rohrwand von innen her aus.
• Die abgekühlten Rohre zeigen nach dem Längsaufschneiden keine Cberlappung der Schnittkanten der Rohrwand mehr.
• Ein entsprechender Versuch an Rohrstücken der Abmessungen 63 x 3 mm zeigte den gleichen Effekt, wonach die erfindungsgemäß behandelten Rohre weitgehend frei von Eigenspannungen waren.
• Aus den in Tabelle 1 mitgeteilten Ergebnissen ergibt sich, daß die erfindungsgemäß behandelten Rohre bei 20 °C einen um etwa 10 /o höheren Berstdruck erreichen. Bei Prüftempera turen von 60 °C und 11 °C erreichen die erfindungsgemäß behandelten Rohre höhere Standzeiten als nach dem Stand der Technik hergestellte Rohre.
• Beispiel 2: Das erfi@dungsgemäße Verfahren wurde im Produktionsmaßstab wie folt auseführt (FiWur 1): mittels .inspindel-Extruder 1 mit üblichem Querspritzrohrkopf 2 und 60 mm Schneckendurchmesser wurde PVDF-Granulat extrudiert. Zur Kalibrierung des PVDF-Rohres 3 wurde ein handelsübliches Vakuumtank-Kalibriergerät 4 eingesetzt, das im Inneren die eigentliche Kalibrierbuchse 5 und eine Nachkühlstrecke 6 aufweist. Das austretende Rohr 3 ist dann praktisch abgekühlt und der bleiche riersteilvorgang beendet.
• Der Kalibriervorrichtung schließt sich eine Zone 7 an, in der das Rohr 3 von innen mittels eines Kühlmediums, vorzugsweise Wasser, kaitgehalten wird. Diese Zone wird durch die Manschetten 8 und 16 abgedichtet. Die Zu- und Abführung des Kühlmittels erfolgt mittels kleiner Rohre oder Schläuche 10, die durch den Querspritzkopf 2 mittels eires Trägerrohres 11 geführt werden. Die Dichtmanschette 9, die den Innenkühlbereich unterteilt, wird dann eingesetzt, wenn man aus-kühltechnischen Gründen mit abgestuften Kühlmitteltemperaturen behandeln will. So kann z.B. zwischen Dichtmanschetten 8 und 9 in Zone 15.1 eine angehobene Kühlmitteltemperatur gewählt werden, um die Eindringtiefe der Erwärmung in die Rohrwand zu erhöhen. bann wird Bereich 15.2 ebenfalls durch kleine Rohre oder Schläuche 10 mit vorzugsweise Wasser beschickt, die durch das Trägerrohr 11 führen. In Zone 15.2 erfolgt die weitere Abführung der in Zone 7 in die äußeren Rohrschichten eingebrachten Wärme von innen her. Zone 15.2 wird durch Manschetten 9 und 16 begrenzt.
• Im Gegensatz zur Kühl im Kalibrierbereich 4 erfolgt im Bereich 15,1 und 15.2 die Kühlung der Rohrwand von innen nach außen. Um ein Abfließen der Wärme nach außen zu ver- meiden, kann der Bereich 15.2 mit einer Isolierungshülle 20 versehen sein.
• Position 17 zeigt einen üblichen Rohrabzug.
• Die Temperaturen des Kühlmittels in den Bereichen 15.1 und 15.2 können kalt oder temperiert gewählt werden.
• Die beiden Zonen 15.1 und 15.2 können im Rohrinneren durch Fortfall von Manschette 9 als ein Kühlraum ausgebildet sein.
• Ofen 12 muß äe nach Rohrwanddicke, Arbeitsgeschwindigkeit und Kunststoffart mit unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden. Für PVDF-Rohre in dem beschriebenen Abmessungsbereich haben sich Temperaturen der im Ofen 12 erwärmten und auf konstanter Temperatur gehaltenen Luft yon 130 bis 200 0C bewährt.
• Das durch Rohre oder Schläuche 10 zugeführte Kühlmittel tritt durch die Öffnungen 21 ein und durch die Öffnungen 18 aus. Die Öffnungen 18 sind zweckmäßig oben in der Nähe des Scheitels der inneren Rohrwand vorgesehen. Das Kühlmedium wird zweckmäßig durch schraubenförmig verlaufende Kühlmittelführungen gelenkt, die hier nicht dargestellt sind. Durch kleine Ausnehmungen im Scheitelbereich der Kühlmittelführungen kann der Abtransport durch Öffnungen 18 von Luft- oder Gasblasen unterstützt werden.
• In Zone 7 der Vorrichtung erfolgt von außen Erwärmung der Rohrwand in Ofen 12, der mittels Gebläse 13 mit Zu- und Abführleitungen 14 mit heißer temperierter und thermostatisch esteuerter Lllft im Umluftsystem beschickt wird.
• Anstatt eines Umluftofens 12 zur Erwärmung der Rohrwand kann auch ein i?lüssigkeitsbad, z.B. mit Glykol, verwendet werden.
• Für die kontinuierliche Produktion eines PVDE-Rohres 63 x TY. wurde in den Be@eichen 6, 7, 15.1 und 15.2 mit den folgenden Kühlwasser- und Heizlufttemperaturen nearbreitet: Tabelle 2

  Bereich Zone Beispiel

  2.1 2.2 2.3

  Temperatur (°C)

  achkühlstrecke 6 18 18 18

  Kühlung im 15.1 70 50 18

  Rohrinneren 15.2 18 18 18

  Außenheizung 7 170 190 145

  Mit den Arbeitstemperaturen gemäß Beispiel 2.2 ergeben sich in etwa innere und äußere Rohrwandtemperaturen, wie sie in Fig. 2, Kurve A und Kurve B, dargestellt sind.
• In Figur 2 ist die Kalibrierzone 5 mit A, die anschließend Nachkühlstrecke 6 mit B, die Behandlungsstrecke 7 zur Wiedererwärmung der äußeren Schicht der Rohrwandung und gleichzeitigen Kühlung der Rohrinnenwandung mit C und die anschließende Behandlungsstrecke zur weiteren Innenkühlung mit D bezeichnet. Die übrigen Bezugszeichen haben die leiche Bedeutung wie in Figur 1.
• Mit den Beispielen 2.1 und 2.3 ergeben sich analoge Temperaturdifferenzen an der inneren und äußeren Oberfläche.
• Im allgemeinen wird Zone 15. 1 mit Manschette 8 gleichzei-@i@ mit Heizsone 7 beginnen. Es kann aber auch zwechmäßig sein Zone 1¼.1 in Extrusionsrichtung u versetzen, so daß z.B. ie Innenkühlung sinter einsetzt. Dies kann bei dickwandigen Rohren das Eindringen der Wärme von außen beschleunigen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet einen Abbau der Spannungsdifferenz zwischen dem Inneren und Äußeren einer Rohrwandung oder eines Hohlprofiles aus thermoplastischem Kunststoff. Die Wirksamkeit und Regelbarkeit des vorgeschlagenen Verfahrens wird dadurch deutlich, daß es frelint, die Spannungen in Umfangsrichtung und axialer Richtung zwischen äußerer und innerer Rohrwand praktisch vollständig abzubauen.
• Tabelle 1

  I@nendruckzeitstandversuche an PVDF-Rohren 32 x 2,5 mm

  Präftemperatur Preßdruck Prüfspannuns Standzeit Bemerkungen

  (h)

  (°C) (bar) (N/mm²)

  übliche mit erfindungs-

  Fertigung gemäßer Nach-

  behandlung

  +20 100 59,7 0 Berstdruck

  +20 100 59,4 0 "

  +20 112 65,9 - 0 "

  +20 110 64,7 - 0 "

  +20 112 65,9 - 0 "

  +60 42 25 20,2 Dehnbruck

  +60 42 24,9 21,4 "

  +60 42 25,1 19 "

  +60 43 24,9 33,5 "

  +60 43 25,3 28,5 "

  +140 12 7,2 0,02 "

  +140 12 7,2 0,18 "

  +140 12 7,1 0,83 "

  +140 12 7,0 0,30 "

Claims (6)

1. Patentansorüche: 5 Verfahren Extrudiuren und Kalibrieren von Hohlprofilen, insbesondere Rohren, aus thermoplastischen Kunststoffen amorpher und insbesondere teilkristalliner Art aus Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, Hart-?VC und insbesondere Polyvinylidenfluorid, die nach dem Extrudieren von außen und/oder innen kalibriert und abgekühlt werden, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die kalibrierten Rohre Behandlungsstrecken C, D durchlaufen und a) im Bereich von Behandlungsstrecke (C) die äußere Schicht der Rohrwandung bis zum thermoelastischen bis thermoplastischen Zustandsbereich wiedererwärmt und durch gleichzeitiges Kühlen im Rohrinneren mit Kühlmitteln, vorzugsweise Wasser, die Innenseite der Rohrwandung im Erstarrungszustand gehalten wird und b) die Wärme aus der äußeren Schicht im Bereich von Behandlungsstrecke (D) mittels der Kühlung im Rohrinneren durch die Rohrwandung weiter bis zum teilweisen oder völligen Temperaturausgleich abgeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlen im Rohrinneren in mehreren Abschnitten erfolgt und die Kühlcl tteltemperatur in diesen Abschnitte unterschiedlich gewählt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel im Gegenstrom durch schraubenförmige Wendeln im Inneres des Rohres geführt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel im Bereich von Behandlungsstrecke (C) mi Unterdruck beführt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eühlmittelabführung im Rohrscheitel erfolgt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der äußeren Schicht der Rohrwandung im Bereich von Behandlungsstrecke (C) mit zirkulierendem Heizmedium, vornehmlich Umluft, erfolgt.