DE3635302A1 - Verfahren und vorrichtung zum abkuehlen eines aus einer breitschlitzduese in ein kuehlsystem extrudierten schmelzefilms - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum abkuehlen eines aus einer breitschlitzduese in ein kuehlsystem extrudierten schmelzefilmsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen eines
aus einer Breitschlitzdüse in ein Kühlsystem extrudierten
Schmelzefilms, der zwischen der Breitenschlitzdüse
und dem Kühlsystem verstreckt wird, sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
Bei der Herstellung von biaxial gestreckten Flachfolien
werden üblicherweise folgende Prozeßschritte angewandt:
Extrusion, Schmelzefilmbildung, Schmelzefilmkühlung zur
Vorfolie, biaxiales Strecken mit Fixierung und Aufrollung
der Folie.
So beschreibt die Druckschrift DE-A 31 24 290 die
Herstellung einer biaxial orientierten Polypropylenfolie,
die geschmolzen und in Bahnform extrudiert wird,
danach abgekühlt und verfestigt wird. Die geformte
Polypropylenfolie wird vorgeheizt und in Längsrichtung
sowie abschließend in Querrichtung orientiert. Die
Längsorientierung erfolgt dabei in einem zumindest
zweistufigen Verfahren.
Aus der Druckschrift EP-A 00 26 911 ist ein Verfahren
zur Herstellung einer biaxial gestreckten Polypropylenfolie
bekannt, bei dem ein Längs-Quer-Längs-Flachstreckprozeß
durchgeführt wird, wobei eine längs-quergestreckte
Polypropylenfolie mit einem Doppelbrechungswert zwischen
0,010 und 0,030 erhalten wird. Diese Folie wird
dann noch um das 1,8- bis 3,0fache ihrer ursprünglichen
Länge in der Längsrichtung nachgestreckt, wobei
der Breiteneinsprung unter 20% gehalten wird.
In der Druckschrift EP-A 01 15 917 ist ein Verfahren
zur Herstellung einer Polypropylenfolie beschrieben,
die nach dem Extrudieren aus einer Düse in Längsrichtung
mit einem Verhältnis 4 bis 9 zur ursprünglichen
Länge längsgestreckt wird und anschließend die Oberflächen
der Vorfolie erhitzt werden, um die Molekularketten
in den Oberflächenlagen in einen nichtorientierten
Zustand zu bringen. Danach wird die Folie mit einem
Verhältnis von 1,2 bis 3 nachgestreckt.
Das in der Druckschrift DE-C 15 04 454 beschriebene
Verfahren zur Herstellung von schrumpffähigen Folien
aus Polypropylen sieht vor, die extrudierte Folie in
Längsrichtung auf das 5- bis 7fache der ursprünglichen
Länge und in Querrichtung auf das 8- bis 13fache der
ursprünglichen Breite zu verstrecken, wobei die zweite
Streckung bei einer höheren Temperatur als die erste
Streckung erfolgt. Die Folie wird beim Erwärmen auf die
Längsverstreckungstemperatur auf eine Temperatur zwischen
125 und 140°C vorgewärmt, anschließend auf eine
Temperatur zwischen 140 und 150°C weiter erwärmt und
dabei längsverstreckt. Unmittelbar nach dem Längsverstrecken
wird die Folie gekühlt, danach auf eine Temperatur
zwischen 150 und 165°C erwärmt und bei einer
Temperatur von 150 bis 160°C quer verstreckt.
Beim Prozeßschritt der Schmelzfilmkühlung zur Vorfolie
wird gegenwärtig fast ausschließlich die Walzenkühlung
angewandt. Hierbei tritt der Schmelzefilm aus einer
Breitschlitzdüse aus und gelangt auf die Oberfläche
einer gekühlten, sich drehenden Walze. Typische Daten
für den Schmelzefilm und die Abzugswalze sind:
Breite des Schmelzefilm:0,5-2,0 m
Dicke des Schmelzefilms:0,3-3,5 mm
Temperatur des Schmelzefilms:250-300°C
Walzendurchmesser:0,5-2,0 m
Umfangsgeschwindigkeit der Walze:20-60 m/min
Zur Erzielung eines guten Dickenprofils und zur Vermeidung
von Quellen des Extrudats, was die Gefahr von
Oberflächendefekten in sich birgt, wird der Schmelzefilm
zwischen Düse und Walze verdehnt. Typische Dehnverhältnisse
sind bei Polypropylen ca. 1,2 bis 4,0 und
bei Polyethylenterephthalat ca. 4 bis 25, wobei sich
die größeren Verstreckungszahlen auf dünnere Schmelzefilmdicken
beziehen. Beim Anlegen des Schmelzefilms
auf die Walze muß gesichert sein, daß durch die Dehnung
die Breitenverringerung bzw. der -einsprung klein
bleibt und möglichst wenig Luft zwischen den Schmelzefilm
und die Walzenoberfläche eingezogen wird. Ein
kleiner Breiteneinsprung und ein geringer Lufteinzug
können nur durch einen kleinen Abstand zwischen Düse
und Auftreffpunkt des Schmelzefilms in Verbindung mit
einem geeigneten Anlegeverfahren erzielt werden. Geeignete
Anlegeverfahren sind z. B. die Luftmesser-, die
Saugkasten- und die Anlegung mit Hilfe von Elektroden
nach dem sogenannten Pinningverfahren.
An die Walze werden hauptsächlich zwei Anforderungen
gestellt, nämlich daß sie den Schmelzefilm möglichst
effektiv und gleichmäßig kühlt und daß sie eine einwandfreie
Folienoberfläche erzeugt.
Zur Erzielung einer effektiven, d. h. schnellen Abkühlung
des Schmelzefilms muß der Wärmetransport von dem
Schmelzefilm zur Walze möglichst groß sein. Technisch
wird dies beispielsweise durch Kühlschlangen gelöst,
die spiralförmig an der Innenfläche des Mantels der
Abzugswalze angebracht sind und von gekühltem Wasser
durchflossen werden. Eine andere Möglichkeit besteht
darin, die innere Mantelfläche der Abzugswalze über den
ganzen Umfang oder partiell mit Wasser anzusprühen
(EP-A 01 64 912).
Der Wärmeübergang Wasser/innerer Walzenmantel ist sehr
intensiv, es lassen sich hierbei Wärmeübergangszahlen
(WÜK) bis zu α WS ≈ 3500 W/m2K realisieren. Bedingt
durch den Wärmewiderstand von Metallmantel und der Zwischenschicht
Walzenoberfläche/Folie reduziert sich der
Wärmeaustausch zwischen Kühlmedium und Folie, so daß in
der Praxis Werte für den Durchgangskoeffizienten K WF
(Kühlmedium-Folie) im Bereich von 500 bis 1500 W/m2K
erzielt werden.
Bei der Herstellung von Polypropylenfolien hat sich
gezeigt, daß die optischen Eigenschaften der Folie, wie
Glanz oder Trübung, umso besser sind, je kürzer die
Abkühlzeit und je tiefer die bei der Abkühlung erzielte
Folientemperatur ist. Die Temperatur der Vorfolie
soll dabei deutlich kleiner als 95°C sein.
Die Abkühlzeit bis zum Erreichen einer gewünschten Temperatur
der Vorfolie nach dem Abkühlvorgang hängt vom
Material, von den Wärmeübergangskoeffizienten zur Folie
und von der Dicke des Schmelzefilms ab. Bei bekanntem
Material, vorgegebener Konfiguration der Abzugswalze
und Dicke des Schmelzefilms liegt der zeitliche Temperaturverlauf
in der Folie fest und ist kaum noch zu
beeinflussen.
Die Endtemperatur in der Vorfolie, die sich im folgenden
immer auf die Temperatur der Folie nach Verlassen
des Kühlsystems bezieht, ist somit nur eine Funktion
der Verweilzeit des Schmelzefilms auf der Abzugswalze.
Bei gegebener Umfangsgeschwindigkeit v A der Abzugswalze
ist die Verweilzeit t ω der Folie auf der Abzugswalze
mit dem Durchmesser D über die folgende Gleichung verknüpft:
t ω = πα D/360 · V A . Der Winkel a gibt dabei den
Umschlingungswinkel der Folie auf der Walze an.
Nach dieser Gleichung läßt sich für konstante Umfangsgeschwindigkeit
v A eine große Verweilzeit durch einen
großen Durchmesser der Abzugswalze erzielen. Die sich
anbietende Lösung besteht in einer Vergrößerung des
Walzendurchmessers. Zu bedenken ist hierbei, daß mit
größer werdendem Durchmesser Nachteile entstehen, wie
z. B. schlechtere Beherrschbarkeit des Prozesses in bezug
auf die Rundlaufeigenschaften der Abzugswalze, Temperaturgleichmäßigkeit,
Drehschwingverhalten, geringerer
Platz für die Saugkastenanlegung, größere Wegstrecke
des Schmelzefilms bei Luftmesseranlegung und vor allem
das vorzeitige Wegplatzen des Schmelzefilms von der
Walzenoberfläche. Hierdurch wird der Wärmeübergang für
die restliche Abkühlstrecke stark vermindert. Der Walzendurchmesser
muß wegen dieses Effekts über den rechnerischen
Wert angehoben werden, was bei großen Walzen
(D < 1,5 m) bis zu 50% Durchmesserzuwachs ausmachen
kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abkühlen
eines Schmelzefilms zu schaffen, bei dem dieser
möglichst schnell und tief abgekühlt wird, ohne daß es
zu einem zu frühen Abplatzen des Schmelzefilms von
einer Metalloberfläche innerhalb eines Kühlsystems
kommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise gelöst,
daß der Schmelzefilm in dem Kühlsystem zunächst durch
Wärmeübergänge der einen Schmelzefilmoberfläche zu
einer Metalloberfläche und der anderen Schmelzefilmoberfläche
zu Luft abgekühlt wird und daß der Schmelzefilm
vor dem Abplatzen von der Metalloberfläche in
einem Wasserbad des Kühlsystems weiter abgekühlt und
zuletzt in einem Nachkühlwasserbad auf die gewünschte
Endtemperatur gebracht wird.
In Ausgestaltung des Verfahrens wird der auf der Metalloberfläche
teilverfestigte Schmelzefilm während des
Übergangs von dem Wasserbad in das Nachkühlwasserbad
durch Wasser hindurchgeführt. Dabei wird der Schmelzefilm
bis zum Verlassen des Kühlsystems auf eine mittlere
Übergabetemperatur T ü an das Nachkühlwasserbad von
100°C bis 120°C abgekühlt. Zuletzt wird der Schmelzefilm
auf eine Endtemperatur T ω von 40°C abgekühlt.
Die Vorrichtung zum Abkühlen des aus der Breitschlitzdüse
in das Kühlsystem extrudierten Schmelzefilms, der
zwischen der Breitschlitzdüse und dem Kühlsystem verstreckt wird,
zeichnet sich dadurch aus, daß das Kühlsystem
aus einer Abzugswalze und einem Wassertrog besteht,
daß die Abzugswalze teilweise in dem Wassertrog
eintaucht und daß das Nachkühlwasserbad dem Kühlsystem
nachgeschaltet ist und einen gleichhohen Wasserpegel
wie der Wassertrog aufweist.
Die Weiterbildung der Vorrichtung ergibt sich aus den
Merkmalen der Patentansprüche 6 bis 14.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
nach der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Abzugswalze mit
tiefgezogenem Wasserbad der Vorrichtung;
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Abzugswalze mit
hochgezogenem Wasserbad der Vorrichtung;
Fig. 4 eine Schnittansicht der Abdichtung eines Wellenzapfens
der Abzugswalze nach Fig. 3;
Fig. 5 Diagramme der Temperaturverläufe in dem Schmelzefilm
und der Oberfläche der Abzugswalze, auf
welcher der Schmelzefilm aufliegt;
und
Fig. 6a-6c Diagramme der spezifischen Wärme c p von Polypropylen,
der Wärmeleitfähigkeit λ und des spezifischen
Volumens v in Abhängigkeit von der
Temperatur.
Die in Fig. 1 schematisch dargestelle Vorrichtung
nach der Erfindung weist ein Kühlsystem 10 auf, das aus
einer Abzugswalze 3 und einem Wassertrog 4 besteht, in
dem die Abzugswalze teilweise eintaucht. Dem Wassertrog
4 ist ein Nachkühlwasserbad 5 nachgeschaltet. Aus einer
Breitschlitzdüse 1 wird ein Schmelzefilm 12 auf die
Umfangsfläche, bei der es sich im allgemeinen um eine
Metallfläche, insbesondere Stahlfläche, handelt, der
Abzugswalze 3 extrudiert. Die Temperatur T des Schmelzefilms
unmittelbar nach dem Austritt aus der Breitschlitzdüse
1 beträgt 265 bis 275°C. Auf dem Teil der
Umfangsfläche der Abzugswalze 3 von dem Auftreffpunkt
des Schmelzefilms 12 bis zum Eintauchen in das Wasserbad
des Wassertrogs erfolgen zunächst Wärmeübergänge
der einen anliegenden Schmelzefilmoberfläche zu der
Umfangsfläche der Abzugswalze 3 und der anderen Schmelzefilmoberfläche
zu Luft.
Der Wassertrog 4 weist einen Zulauf 2 für das Wasser
auf, von dem aus das einströmende Wasser in mehreren
Teilströmen innerhalb des Wassertrogs 4 verteilt wird.
Das überschüssige Wasser fließt durch einen Ablauf 14
des Wassertrogs 4 ab. Seitenwände 9 und 11 begrenzen
seitlich den Wassertrog 4. Innerhalb des Wassertrogs 4
wird ein Wasserpegel 13 eingestellt, der unterhalb der
Wellenzapfen 6 einer Welle 21 (vgl. Fig. 4) der Abzugswalze
3 liegt, die einen Durchmesser D besitzt.
Innerhalb des Wasserbades des Wassertrogs 4 werden beide
Schmelzefilmoberflächen gleichmäßig gekühlt, da jeweils
ein Wärmeübergang von dem Folienmaterial zu Wasser
bzw. zu der wassergekühlten Teilumfangsfläche der
Abzugswalze 3 stattfindet, die die gleiche Temperatur
wie das Wasserbad aufweist. Der Schmelzefilm 12 wird
bis zum Verlassen des Kühlsystems 10 auf eine mittlere
Übergabetemperatur T ü an das Nachkühlwasserbad 5 von
100°C bis 120°C abgekühlt. Nach dem Verlassen des
Wassertrogs 4 wird der Schmelzefilm 12 über eine Umlenkrolle
17 in das Nachkühlwasserbad 5 geführt, dort
über eine weitere Umlemkrolle 18 herumgeführt und nach
dem Verlassen des Nachkühlwasserbads 5 über eine weitere
Umlenkrolle 19 zu einer nicht dargestellten Aufwickelstation
geführt. Nach dem Verlassen des Nachkühlwasserbads
5 befindet sich der Schmelzefilm auf seiner
Endtemperatur T ω von ca. 40°C. Über einen Zulauf 15
das Nachkühlwasserbads 5 strömt frisches Wasser zu,
während das überschüssige Wasser über einen Ablauf 16
des Nachkühlwasserbad 5 verläßt. Der Wasserpegel 13 im
Nachkühlwasserbad 5 wird auf der gleichen Höhe wie der
Wasserpegel 13 im Wassertrog 4 gehalten.
Das Kühlsystem 10 aus Abzugswalze 3, die in einem Wassertrog
4 eintaucht, und dem nachgeschalteten Nachkühlwasserbad
5 hat im Vergleich zu einer Reihenschaltung
von Walzen ohne Wasserkühlung eine Reihe von Vorteilen
aufzuweisen, wie beispielsweise größere Flexibilität
hinsichtlich der erforderlichen Verweilzeit des Schmelzefilms
12 zum Abkühlen auf die gewünschte Endtemperatur
bessere Beherrschbarkeit der Verfahrensschritte
und geringeren Anschaffungspreis. Bei einer Hintereinanderschaltung
von beispielsweise drei Walzen ist die
Übergabe des Schmelzefilms von Walze zu Walze problematisch,
da es hierbei zu Verquetschungen im Schmelzefilm
kommen kann. Außerdem ist die Übergabe an jeder
Walze jedesmal mit einem Breiteneinsprung verbunden,
der sich nachteilig auf das Dickenprofil des Schmelzefilms
bzw. der Vorfolie auswirkt.
Durch das Wasserbad im Wassertrog 4 wird eine gleichmäßige
Abkühlung beider Schmelzeoberflächen, wie schon
zuvor erwähnt wurde, erzielt, da die Wärmeübergänge dadurch
so gestaltet werden, daß auf beiden Oberflächen
etwa der gleiche Übergangskoeffizient realisiert wird.
Daraus ergeben sich gleichmäßig physikalische Eigenschaften
der Vorfolie über den Folienquerschnitt.
Liegt der Wasserpegel 13, wie aus Fig. 2 ersichtlich
ist, unterhalb der Wellenzapfen 6, so wird von einem
tiefgezogenen Wasserbad gesprochen, das technisch die
einfachste Lösung darstellt und keine besonderen Vorkehrungen
hinsichtlich der Lagerung der Welle und Zapfen
in den Seitenwänden 9 und 11 des Wassertrogs 4 erfordert.
Der Umschließungswinkel α t des Wassertrogs 4
in bezug auf die Abzugswalze 3 beträgt 150 bis 155°.
Der Umschlingungswinkel β zwischen der Auftreffstelle
des Schmelzefilms 12 auf der Umfangsfläche der Abzugswalze
3 und dem Eintauchpunkt des Schmelzefilms 12 in
das Wasserbad des Wassertrogs 4 liegt im Bereich von
87 bis 89°, während der Winkel γ zwischen der Austrittsstelle
des Schmelzefilms 12 aus dem Wasserbad und
der Ablösestelle des Schmelzefilms 12 von der Umfangsfläche
der Abzugswalze 3 etwa 41 bis 39° beträgt. Bei
dem tiefgezogenen Wasserbad ist der gesamte Umschlingungswinkel
β + α t + γ größer als bei einem hochgezogenen
Wasserbad, wie dies anschließend anhand von Fig. 3
noch beschrieben werden wird. Daß dies so sein muß, ist
offensichtlich, da bei sonst gleichen Abmessungen der
Abzugswalze 3 die Kühlstrecke durch das Wasserbad des
Wassertrogs 4 beim tiefgezogenen Wasserbad erheblich
kürzer als beim hochgezogenen Wasserbad ist, so daß zum
Ausgleich für die verkürzte Wasserkühlstrecke der
Schmelzefilm 12 außerhalb des Wasserbads entsprechend
lange Kontaktstrecken mit der wassergekühlten Abzugswalze
3 haben muß.
Der von der Umfangsfläche der Abzugswalze 3 abgelöste
Schmelzefilm 12 wird über zwei Umlenkrollen 17 und 20
nach unten in das nicht dargestellte Nachkühlwasserbad
geleitet, das ebenso wie bei der Ausführungsform nach
Fig. 1 ausgebildet ist.
Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung nach der Erfindung mit
hochgezogenem Wasserbad, bei dem der Wasserpegel 13 im
Wassertrog 4 oberhalb der Wellenzapfen 6 der Abzugswalze
3 liegt. Diese Konzeption ist technisch aufwendiger,
da infolge der zweiteiligen Ausführung des Wasserbads
für Reinigungszwecke die Welle 21 abgedichtet werden
muß, wie dies in Fig. 4 im Ausschnitt gezeigt ist. Jeder
der beiden Wellenzapfen 6 der Welle 21 ist mit je
zwei Abdichtungen 7 und 8 ausgerüstet und mit diesen
Abdichtungen in der zugehörigen Seitenwand 9 bzw. 11
des Wassertrogs 4 gelagert. Die Abdichtungen 7 und 8
lassen eine definierte Leckage des Wassers zu, so daß
es keine Schwierigkeiten bereitet, den Wasserpegel 13
jeweils auf der gewünschten Höhe durch entsprechende
Regelung der Wasserzufuhr zu halten.
Bei dem hochgezogenen Wasserbad nach Fig. 3 beträgt
der Umschließungswinkel α h des Wassertrogs 4 gegenüber
der Abzugswalze 3 198° bis 203°. Der Winkel β liegt in
der Größenordnung von 77° bis 82°. Der Wassertrog 4 und
das Nachkühlwasserbad 5 bilden miteinander kommunizierende
Gefäße, wobei die eine Umlenkrolle 17 so angeordnet
ist, daß der auf der Metalloberfläche der Abzugswalze
3 teilverfestigte Schmelzefilm 12 während des
Übergangs von dem Wasserbad des Wassertrogs 4 in das
Nachkühlwasserbad 5 durch Wasser hindurchgeführt wird
und nicht mit Luft in Berührung kommt. Die Ablösung des
Schmelzefilms 12 von der Abzugswalze 3 erfolgt im Wasserbad
unterhalb des Wasserpegels 13. Der Schmelzefilm
12 wird dann über die Umlenkwalzen 17 und 20 nach unten
in das Nachkühlwasserbad 5 umgelenkt, verläuft nahe dem
Boden des Nachkühlwasserbads 5 über die weitere Umlenkrolle
18 und wird senkrecht nach oben aus dem Nachkühlwasserbad 5
über die Umlenkrolle 19 herausgeführt und
zu der nicht gezeigten Aufwickelstation transportiert.
Die Regulierung des Wasserpegels 13 im Wassertrog 4 und
im Nachkühlwasserbad 5 erfolgt beispielsweise durch
den Wasserzufluß durch den Zulauf 15 und der Wasserabfuhr
über den Ablauf 16. Selbstverständlich ist es auch
möglich, daß beispielsweise über einen Zulauf des Wassertrogs
4 das Wasser einströmt und über den Ablauf 16
des Nachkühlwasserbads 5 das überschüssige Wasser abströmt.
Der Zulauf 15 entfällt dann in diesem Falle.
Für das optimale Zusammenwirken des Kühlsystems 10 und
des Nachkühlwasserbads 5 zu einer wirksamen Abkühlung,
wobei die Abkühlgeschwindigkeit groß, d. h. mit anderen
Worten, die Abkühlzeit kurz sein soll, sind die Größe
des Durchmessers D der Abzugswalze 3 und die Länge L
des Nachkühlwasserbads 5 wesentliche Parameter.
Bevor auf diese Parameter im einzelnen näher eingegangen
wird, werden anhand der Diagramme in Fig. 5 die
Temperaturverläufe in dem Schmelzefilm und in der Oberfläche
der Abzugswalze 3 kurz erläutert. Aus den Diagrammen
ist ersichtlich, daß die jeweiligen Temperaturübergänge
T PL , T p = T s und T SW an den Grenzflächen
unterschiedlicher Materialien im wesentlichen stetig
erfolgen. In Fig. 5 bedeuten d p , d s jeweils die Dicke
des Schmelzfilms 12 bzw. des Metallmantels der Abzugswalze
3, dy p und dz jeweils ein Inkrement im Schmelzefilm,
k und λ konvektiven und den diffusen Wärmestrom,
T p , T s , T sw und T w jeweils die Temperatur im
Schmelzefilm, in der Abzugswalze, an der Umfangsfläche
des Metallmantels der Abzugswalze und des Wassers in
der Abzugswalze, T L die Lufttemperatur, y p und y s Koordinaten
im Schmelzefilm bzw. im Metallmantel der Abzugswalze,
z die Koordinate im Polymerfilm, α PL und
a SW die Wärmeübergangszahlen Schmelzefilm-Luft und Abzugswalze-
Wasser. Die Wassertemperatur T W sowie die
Lufttemperatur T L sind im wesentlichen als konstant
anzusehen.
Voranstehend wurde auf das unerwünschte Abplatzen des
Schmelzefilms bzw. der Vorfolie von der Walzenoberfläche
großer Walzen hingewiesen. Eine effektive und
schnelle Abkühlung wird erreicht, wenn der Durchmesser
der Abzugswalze so klein ausgeführt ist, daß bereits
vor dem Abplatzen der Vorfolie diese an das Wasserbad
übergeben wird. Dabei muß sichergestellt werden, daß
der Schmelzefilm soweit zur Vorfolie verfestigt ist,
daß er problemlos in das Nachkühlwasserbad eingebracht
werden kann. Aus technischer Sicht kommt als Vorteil
hinzu, daß bei einer kleinen Walze die Verhältnisse
hinsichtlich einer guten Anlegung des Schmelzefilms und
qualitativ hohen Fertigung besser werden.
Dies bedeutet, daß ein optimales Zusammenwirken des
Kühlsystems und des Nachkühlwasserbads einen kleinstmöglichen
Walzendurchmesser der Abzugswalze, bei dem
der Schmelzefilm schon so weit verfestigt ist, daß er
problemlos an das Nachkühlwasserbad übergeben werden
kann, erfordert und daß bei vorgegebenem Walzendurchmesser
D die Länge L des Nachkühlwasserbads festliegt.
Bei der Herstellung einer Folie aus Polymeren, die
hauptsächlich aus Polypropylen bestehen, liegt die maximale
Übergabetemperatur T ü etwa bei 120°C. Diese
Temperatur ist als arithmetischer Mittelwert über die
Foliendicke zu verstehen und bezieht sich auf Walzengeometrien,
wie sie in den Fig. 2 und 3 gezeigt
sind. Die Übergabetemperatur ist im üblichen Dickenbereich
von 200 bis 3000 µm nahezu unabhängig von der
Foliendicke und kann als konstant angesehen werden.
Für die optimale Anordnung und Auslegung des Kühlsystems
und des Nachkühlwasserbads lassen sich Gleichungen
in dimensionsloser Form aufstellen, aus denen Walzendurchmesser
D und die Länge des Nachkühlbades L ermittelt
werden können.
Der Abkühlvorgang von Polypropylenschmelze auf einer
wassergekühlten Walze wird durch die folgenden, mit
Randbedingungen zu lösenden Wärmetransportgleichungen
beschrieben:
Die Wärmebilanz für die Folie, wie sie in Fig. 5 dargestellt
ist, lautet:
Die Wärmebilanz für die Walze nach Fig. 5 ergibt sich
zu:
Die Stoffwerte
c und λ von
Polypropylen, als Funktion der Temperatur beim schnellen
Abkühlen des Polypropylenfilms, werden den Diagrammen
der Fig. 6a, 6b und 6c entnommen, die keiner
weiteren Erläuterung bedürfen.
Der Einflußgrößensatz für den Durchmesser D der Abzugswalze
und die Länge L des Nachkühlwasserbads lautet:
D = f (d, v A , T ü , T a -T ü , T w , ρ · c, λ , a st , α w )
L = g (d, v A , T w , T ü -T ω , T ω , ρ · c, λ , α w ),
wobei f und g Funktionen der Einflußgrößen sind. Die
einzelnen Einflußgrößen bedeuten dabei:
D= Walzendurchmesser, in m,d= Vorfoliendicke, in m,T ü = Übergabetemperatur, in °C,T α = Temperatur der Schmelze, in °C,T w = Walzentemperatur sowie Wasserbadtemperatur,
in °C (beide Temperaturen werden der Einfachheit
halber gleichgehalten),ρ= Dichte der Vorfolie, in kg/m3,c= spez. Wärme von Polypropylen, in J/(kg · K),g= Wärmeleitfähigkeit, in W/(m2K)v A = Umfangsgeschwindigkeit der Abzugswalze,α st (WÜK)= Folie - Walzenwasser, in W/m2K
(entspricht dem Wert K sw , α st beträgt etwa
1700 W/m2K),
α w (WÜK)= Folie - Wasserbad, in W/(m2K),
T ω = Endtemperatur der Vorfolie, in °C.
Durch Anwendung der Dimensionsanalyse wird ein Satz dimensionsloser
Einflußgrößen erhalten, der unabhängig
von der Größe der Vorrichtung ist.
Für die spezifischen Wärmemengen c A der Abzugswalze und
c N des Nachkühlwasserbads werden geeignete Mittelwerte
benutzt, etwa
Die Ermittlung der Funktion f″ und g″ geschieht durch
Parameterstudien, in denen die einzelnen Kenngrößen
variiert werden.
Für den dimensionslosen Walzendurchmesser D/d liefern
die Parameterstudien den Zusammenhang
wobei die Konstante K t = 0,380 für das tiefgezogene
Wasserbad und
die Konstante K h = 0,330-0,340, insbesondere K h = 0,337
für ein hochgezogenes Wasserbad gelten. Die Geometrien
der Wasserbäder gegenüber den Walzen, vor allem die Umschließungswinkel
in bezug auf die Abzugswalzen, für
die die Konstanten K t und K h berechnet wurden, zeigen
die Fig. 3a und 3b.
Das Ergebnis für die Länge L des Nachkühlwasserbads
ergibt sich zu:
mit K w = 0,4 bis 0,8, insbesondere 0,5 bis 0,7.
Die in den Gleichungen (a) und (b) enthaltenen Größen
sind voranstehend im Zusammenhang mit dem Einflußgrößensatz
im einzelnen spezifiziert.
An einem Beispiel sollen die mit den beiden Gleichungen (a)
und (b) zu bestimmenden Größen D, L berechnet werden.
Gegeben sind:
d= 1,3 mm (Schmelzefilmdicke)v A = 33 m/min (Umfangsgeschwindigkeit der Abzugswalze)T α = 270°C (Schmelzetemperatur)T ü = 120°C (Übergabetemperatur)T w = 40°C (Wassertemperatur der Abzugswalze)T ω = 40°C (Endtemperatur der Abzugswalze)α w = 2015 W/m2K (WÜK Folie - Wasser)α st = 1700 W/m2K (WÜK Folie - Stahlmantel)λ= 0,2 W/mK (Wärmeleitfähigkeit von Polypropylen)ρ · c A = 2,0 · 106 J/m3K (Dichte × spez. Wärme von Polypropylen
auf der Abzugswalze)
ρ · c N = 1,7 · 106 J/m3K (Dichte × spez. Wärme von Polypropylen
im Nachkühlwasserbad).
Mit diesen Daten errechnet sich für ein tiefgezogenes
Wasserbad ein Walzendurchmesser D = 1,1 m und eine
Länge des Nachkühlwasserbads L = 4,8 m.
Es ist anzumerken, daß sich die angegebenen Gleichungen
auf geometrisch ähnliche Walzen zu den Ausgangsgeometrien
beziehen, wie sie in den Fig. 3a und 3b wiedergegeben
sind. Wie Vergleiche mit Modellrechnungen
gezeigt haben, gelingt eine Übertragung auf nicht ähnliche
Geometrien (veränderter Umschlingungswinkel)
durch Einbezug der Verweilzeiten des Schmelzfilms bzw.
der Vorfolie im Kühlsystem und im Nachkühlwasserbad.
Gegeben sind die Größen aus dem voranstehenden Beispiel.
Gesucht ist der Walzendurchmesser der Abzugswalze,
mit dem - ohne Nachkühlwasserbad - die Schmelze
auf 40°C abgekühlt werden kann. Die Rechnung mit
ρ · c ≈ 1,8 · 106 J/m3K ergibt einen Wert von D = 3,0 m,
der für die Praxis unbrauchbar ist.
Claims (14)
1. Verfahren zum Abkühlen eines aus einer Breitschlitzdüse
in ein Kühlsystem extrudierten Schmelzefilms,
der zwischen der Breitschlitzdüse und dem Kühlsystem
verstreckt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schmelzefilm in dem Kühlsystem zunächst durch Wärmeübergänge
der einen Schmelzefilmoberfläche zu einer
Metalloberfläche und der anderen Schmelzefilmoberfläche
zu Luft abgekühlt wird und daß der Schmelzefilm vor dem
Abplatzen von der Metalloberfläche in einem Wasserbad
des Kühlsystems weiter abgekühlt und zuletzt in einem
Nachkühlwasserbad auf die gewünschte Endtemperatur gebracht
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der auf der Metalloberfläche teilverfestigte
Schmelzefilm während des Übergangs von dem Wasserbad in
das Nachkühlwasserbad durch Wasser hindurchgeführt
wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schmelzefilm bis zum Verlassen
des Kühlsystems auf eine mittlere Übergabetemperatur
T ü an das Nachkühlwasserbad von 100°C bis 120°C abgekühlt
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schmelzefilm auf eine Endtemperatur T ω von
40°C abgekühlt wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
Kühlsystem (10) aus einer Abzugswalze (3) und einem
Wassertrog (4) besteht, daß die Abzugswalze (3) teilweise
in dem Wassertrog (4) eintaucht und daß das Nachkühlwasserbad
(5) dem Kühlsystem (10) nachgeschaltet
ist und einen gleichhohen Wasserpegel wie der Wassertrog
(4) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem tiefgezogenen Wasserbad der Wasserpegel
im Wassertrog (4) unterhalb der Wellenzapfen (6)
der Abzugswalze (3) liegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem hochgezogenen Wasserbad der Wasserpegel
im Wassertrog (4) oberhalb der Wellenzapfen (6)
der Abzugswalze (3) liegt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder der beiden Wellenzapfen (6) mit zwei
Abdichtungen (7, 8) ausgerüstet und mit diesen Abdichtungen
in der entsprechenden Seitenwand (9, 11) des Wassertrogs
(4) gelagert ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wassertrog (4) und das Nachkühlwasserbad
(5) miteinander kommunizierende Gefäße bilden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Walzendurchmesser D der Abzugswalze (3)
kleiner/gleich
ist, mit der Schmelzefilmdicke d, der Dichte ρ in kg/
m3 des Schmelzefilms, der spezifischen Wärme c A des
Folienmaterials auf der Abzugswalze, der Umfangsgeschwindigkeit
v A der Abzugswalze, der Wärmeleitfähigkeit
λ , den Wärmeübergangszahlen a w für Schmelzefilm-
Wasser und α ST für Schmelzefilm-Metalloberfläche der
Abzugswalze, der Schmelzetemperatur T a , der Übergabetemperatur
T ü , der Wassertemperatur T w des Wasserbades
der Abzugswalze, sowie der Konstanten K t für tiefgezogene
Wasserbäder und K h für hochgezogene Wasserbäder.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß bei tiefgezogenen Wasserbädern der Umschließungswinkel
α t des Wassertrogs (4) in bezug auf
die Abzugswalze (3) 150 bis 155° beträgt und daß die
Konstante K t = 0,38 ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß bei hochgezogenen Wasserbädern der Umschließungswinkel
α h des Wassertrogs (4) gegenüber der
Abzugswalze (3) 198° bis 203° beträgt und daß die Konstante
K h = 0,33-0,34 lautet.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge L des Schmelzefilms in den
Nachkühlwasserbädern zumindest gleich
ist, mit der spezifischen Wärme c N des Folienmaterials
im Nachkühlwasserbad, der Endtemperatur T ω der Abzugswalze
und der Konstanten K w = 0,4-0,8 für Nachkühlwasserbäder.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Konstante K w des Nachkühlwasserbades
gleich 0,5 bis 0,7 ist.
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