DE3216720C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen spannungsfreier Hohlprofile, insbesondere von Rohren aus thermoplastischem amorphem und insbesondere teilkristallinem Kunststoff - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen spannungsfreier Hohlprofile, insbesondere von Rohren aus thermoplastischem amorphem und insbesondere teilkristallinem Kunststoff

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Abstract

In einem Verfahren zum Extrudieren und Kalibrieren von Rohren bzw. Hohlprofilen aus thermoplastischen Kunststoffen, insbesondere Polyvinylidenfluorid, werden die Rohre nach dem Extrudieren von außen und/oder innen kalibriert und abgekühlt. Zwecks Abbaues von Eigenspannungen in Umfangsrichtung und axialer Richtung unter Gewährleistung der geforderten Rundheit, Geradheit und Maßhaltigkeit durchlaufen die kalibrierten Rohre Behandlungsstrecken C, D und es wird a) im Bereich von Behandlungsstrecke C die äußere Schicht der Rohrwandung bis zum thermoelastischen bis thermoplastischen Zustandsbereich wiedererwärmt und durch gleichzeitiges Kühlen im Rohrinneren die Innenseite der Rohrwandung im Erstarrungszustand gehalten und b) die Wärme aus der äußeren Schicht im Bereich von Behandlungsstrecke D durch die Rohrwandung weiter bis zum teilweisen oder völligen Temperaturausgleich abgeführt.

Description

dadurch gekennzeichnet, daß nachdem die Rohrwandung unter Verformungstemperatur abgekühlt wurde, die äußere Schicht der Rohrwandung von außen mittels zirkulierendem Heizmedium bis zum thermoelastischen bis thermoplastischen Zustandsbereich wiedererwärmt wird,
daß gleichzeitig die innere Schicht der Rohrwandung durch Innenkühlung miiCels Kühlmitteln, vorzugsweise Wasser, im Erstarrungsbereich gehalten wird, und daß die anschließende Kühlung der Rohrwandung auf Raumtemperatur mittels der Innenkühlung von innen nach außen erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiedererwärmung mittels Umluft oder Glycerin erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiedererwärmung durch zusätzliche Wärmestrahler intensiviert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkühlung in mehreren Abschnitten erfolgt und die Kühlmitteltemperatur in diesen Abschnitten unterschiedlich gewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel im Gegenstrom durch schraubenförmige Wendeln im Inneren des Rohres geführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel mit Unterdruck geführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelabführung im Rohrscheitel erfolgt.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, bei der zur Kalibrierung der extrudieren Hohlprofile (3) aus thermoplastischen Kunststoffen im Anschluß an eine Vakuumtank-Innenkalibrierung (4) mit Kalibrierbuchse (5) und Außenkühlung (6) eine Wiedererwärmung der Hohlprofilaußenwandung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zum Wiedererwärmen eine Heizvorrichtung (7) vorgesehen ist und eine Einrichtung zur Innenkühlung (15.1) am gleichen Profilabschnitt angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen spannungsfreier Hohlprofile gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE-AS 12 85 721) schließen sich an eine erste Behandlungsstrecke, bei der durch Kühlen die Rohraußenwand in den Erstarrungszustand gebracht wird, ein Bereich der Erwärmung der Außenwand durch Ausgleichung der Wandtemperatur und daran ein weiterer Bereich der Abkühlung mittels Außenkühlung an. Der Temperaturausgleich erfolgt hier ohne weitere Maßnahmen durch Wärmeleitung.
Den Verfahrensweisen mit Außenkalibrierung, sei es mit äußerem Vakuum oder innerem Stütz- oder Überdruck, ist gemeinsam, daß die Wärmeabfuhr im wesentlichen über die Außenwandung des Rohres erfolgt. Das Ergebnis ist ein zeitlich späteres Abkühlen der inneren Rohrschichten und somit ein Aufbau von Eigenspannungen in Umfangsrichtung (tangential Eigenspannungen) und in Längsrichtung der inneren Rohrschichten gegenüber den äußeren Rohrschichten, die dann entsprechende entgegengesetzt gerichtete Druckspannungen aufweisen (vgl. Kunststoffe 72 (1982) 1, S. 33 ff.).
Es ist weiterhin bekannt, zur äußeren Kalibrierung 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 wie z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polypropylen (PP) angewendet, 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. Aufgrund der starken Schwindung muß dann bei den teilkristallinen Materlallen mit Einfallstellen oder Lunkern gerechnet werden. Es ist jedoch festzuhalten, daß auch hler 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 Span-
(i5 nungsverhältnlsse umgekehrt wie bei Außenkalibrierungen. Innenkalibrierung wird jedoch seltener angewandt, da sie störanfälliger ist und Wanddickenschwankungen die Einhaltung eines präzisen Außendurchmessers nicht gestatten.
Die In Konstruktionswerkstoffen aus Hochpolymeren je nach Herstellungsprozeß noch vorhandenen Eigen-
spannungen haben einen großen Einfluß auf das Beanspruchungsverhalten dieser Werkstoffe. Aus der Literatur ist bekannt geworden, daß bei PVC-Rohren die Größe der Eigenspannungen in der Größenordnung der zulässigen Langzeitbelastung liegen kann. Auch für Polyaethylenrohre werden beachtlich hohe Werte angegeben (Plaste und Kautschuk. Heft 2, 1981).
Je höher der Kristallinitätsgrad de·- Thermoplaste ist, desto mehr macht sich das Auftreten einseitiger Zugspannungen in der Rohrwandung bemerkbar. Diese Erscheinung ist bei PYDF als teilkristallinem Thermoplast besonders stark. So haben z. 3. Rohre aus PVDF, kalibriert nach heute üblichen Herstellverfahren. Spannungsdifferenzen zwischen der inneren und äußeren Oberfläche, die ein längs aufgeschnittenes Rohr ca. 20 bis 25% des Rohrumfanges übereinariderspringen lassen.
Darüber hinaus bewirkt die axiale Spannungsdifferenz an den Rohrenden eine Verringerung des Rohrdurch- :" messers und führt zu einer als tonnenförmig zu bezeichnenden Deformation des 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 langzeitbelasteteii Rohren führen und sind auch bei der Weiterverarbeitung, z. B. der Warmformung, der Muffenschweißung und der Heißlufischweißung mit Zusatzdraht sehr störend.
Die. noch weitergehende Nutzung der kostenmäßigen und physikalischen Vorzüge, die Werkstoffe aus thermoplastischen Kunststoffen aufweisen, hängt davon ab, daß >;s gelingt, das Einfrieren von Eigenspannungen im Herstellungsprozeß zu vermeiden, so daß diese Nachteile vermieden werden können.
Es ist bekannt, daß Eigenspannungen durch Tempern der Produkte abgebaut werden können, wobei der Energieeinsatz und die aufzuwendende Zeit stark abhängig von der Größe bzw. den Wanddicken der Produkte sind. -'· Hierzu sind zahlreiche Vorschläge im Stand der Technik bekannt. Allerdings ist man mit den bei der Temperung anwendbaren Temperaturen wegen der begrenzten Formstabiiität von thermoplastischen Rohren oder sonstigen 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.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, womit die Spannungsdifferenzen über den Querschnitt in kalibrierten Rohren oder Hohlprofilen aus thermoplastischen Kunststoffen weitgehend abgebaut werden können und trotzem ein formstabiler Zustand mit genauen, der Kalibrierung nahezu entsprechenden. Abmessungen sowie Geradheit und Rundheit gewährleistet werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 gelöst. w
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, die im Anspruch 8 beschrieben Ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Aus den in Tabelle 1 mitgeteilten Ergebnissen ergibt sich, daß die erfindungsgemäß behandelten Rohre bei 200C einen um etwa 10* höheren Berstdruck erreichen. Bei Prüftemperaturen von 60'C und 140'C erreichen -'? die erfindungsgemäß behandelten Rohre höhere Standzeiten als nach dem Stand der Technik hergestellte Rohre.
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 gelingt, die Spannungn in Umfar.gsrichtung und axialer Richtung zwischen äußerer und innerer Rohrwand praktisch vollständig abzubauen. ao
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Herstellen spannungsfreier Hohlprofile und
Fig. 2 den Temperaturverlauf der inneren und der äußeren Schicht der Wandung des Mohlprofils im Verlaufe des Fertigungsverfahrens von der Extrusionstemperatur bis zur Raumtemperatur.
Mittels Einspindel-Extruder 1 mit üblichem Querspritzrohrkopf 2 und 60 mm Schneckendurchmesser wurde PVDF-Granulat zu einem Rohr 3 extrudierl. Zur Kalibrierung des 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 übliche Herstellvorgang beendet. 5«
Dem Vakuumtank-Kalibriergerät 4 schließt sich eine Zone 7 an, in der das Rohr 3 von innen mittels eines Kühlmediums, vorzugsweise Wasser, kaltgehalten wird. Diese Zone 7 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 eines Trägerrohres 11 geführt werden. Die Dichtmanschette 9, die den Innenkühlbereich unterteilt, wird dann eingesetzt, wenn man aus kühltechnischen Gründen mit abgestuften Kühlmittel- ?> temperaturen 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. Dann wird Bereich 15.2 ebenfalls durch kleine Rohre oder Schläuche 10 mit vorzugsweise Wasser beschickt die durch das Trägerrohr 11 führen. Im Bereich 15.2 erfolgt die weitere Abführung der in Zone 7 in die äußeren Rohrschichten eingebrachten Wärme von innen her. Der Bereich 15.2 wird durch Manschetten 9 und 16 begrenzt. f>°
Im Gegensatz zur Kühlung im Vakuumtank-Kalibriergerät 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 vermeiden, 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 1^ werden.
Die beiden Zonen 15.1 und 15.2 können im Rohrinneren durch Fortfall von Manschette 9 als ein Kühlraum ausnebildet S'-'m.
Der Uniluftofen 12 muß je nach Rohrwanddicke, Arbeitsgeschwindigkeit und Kunststoffart mit unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden. Für PVDF-Rohre in dem beschriebenen Abmessungsbcireich haben sich Temperaturen der im Ofen 12 erwärmten und auf konstanter Temperatur gehaltenen Luft von 130 bis 200° C bewährt.
Das durch Rohre oder Schläuche K) 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 den Umluftolen 12, der mittels Gebläse 13 mit Zu- und Abführleitungen 14 mit heißer temperierter und thermostatisch gesteuerter Luft im Umluftsystem beschickt wird. Anstatt eines Umluftofens 12 zur Erwärmung der Rohrwand kann auch ein Flüssigkeitsbad, z. B. mit Glykol, verwendet werden.
Die Wiedererwärmung kann noch mittels Wärmestrahler 19 intensiviert werden.
Für die kontinuierliche Produktion eines PVDF-Rohres 63 χ 3 mm wurde in den Zonen 6, 7, 15.1 und 15.2 mit den folgenden Kühlwasser- und Heizlufttemperaturen gearbeitet:
Tabelle 2
Bereich Zone Beispiel
2.1 2.2 2.3
Temperatur (° C)
Nachkühlstrecke 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 Rohnvandtemperaturen, wie sie in Fig. 2, Kurve A und Kurve B, dargestellt sind.
3n In Fig. 2 ist der Bereich der Kalibrierbuchse 5 mit A, die anschließende Nachkühlstrecke 6 mit S, die Zone 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 gleiche Bedeutung wie in Fig. 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 gleichzeitig mit Heizzone 7 beginnen. Es kann aber auch zweckmäßig sein. Zone 15.1 in Extrusionsrichtung zu versetzen, so daß z. B. die Innenkühlung später einsetzt. Dies kann bei dickwandigen Rohren das Eindringen der Wärme von außen beschleunigen.
ii, Tabelle 1
Innendruckzeitstandversuche an PVDF-Rohren 32x2,5 mm
Prüftemperatur
(0C)		 Preßdruck
(bar)		 Prüfspannung
(N/mm2)		 Standzeit (h)
übliche
Fertigung		 Bemerkungen
mit erfindungs
gemäßer Nach
behandlung		 Berstdruck
+ 20 100 59,7 0 Berstdruck
+ 20 100 59,4 0 Berstdruck
+ 20 112 65,9 _ 0 Berstdruck
+ 20 110 64,7 — 0 Berstdruck
+ 20 112 65,9 — 0 Dehnbiuch
+ 60 42 25 20,2 Dehnbruch
+ 60 42 24,9 21,4 Dehnbiuch
+ 60 42 25,1 19 Dehnbiuch
-i- 60 43 24,9 33,5 Dehnbruch
+ 60 43 25,3 28,5 Dehnbruch
+ 140 12 7,2 0,02 Dehnbruch
+ 140 12 7,2 0,18 Dehnbruch
+ 140 12 7,1 0,83 Dehnbruch
+ 140 12 7,0 0,30
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen spannungsfreier Hohlprofile, insbesondere von Rohren, aus thermoplastischem amorphen und insbesondere aus teilkristallinem Kunststoff, nämlich aus Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, Hart-Polyvinylchlorid und insbesondere Polyvinylidenfluorid, wobei
das Hohlprofil extrudiert wird,
dann von außen und/oder innen kalibriert und gleichzeitig von außen gekühlt wird,
- diese Außenkühlung fortgesetzt wird bis unter die Verformungstemperatur des Kunststoffes,
ίο - danach Temperaturausgleich zwischen der inneren und der äußeren Schicht der Rohrwandung erreicht wird, und
anschließend weiter bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird,
DE3216720A 1982-05-05 1982-05-05 Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen spannungsfreier Hohlprofile, insbesondere von Rohren aus thermoplastischem amorphem und insbesondere teilkristallinem Kunststoff Expired DE3216720C2 (de)

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