DE3635302C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen eines aus einer Breitschlitzdüse in eine Kühleinrichtung extrudierten Schmelzefilms, der zwischen der Breitschlitzdüse und der Kühleinrichtung verstreckbar ist, die eine in ein Wasserbad eintauchende Kühlwalze umfaßt, wobei der Schmelzefilm durch Wärmeübergänge von der einen Schmelzefilmoberfläche zu der Kühlwalzenoberfläche und von der anderen Schmelzefilmoberfläche zu Luft abgekühlt 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.

Aus der EP-A2-01 72 924 ist eine Vorrichtung zum Abkühlen eines aus einer Breitschlitzdüse in eine Kühleinrichtung extrudierten Schmelzefilms bekannt, der zwischen der Breitschlitzdüse und der Kühleinrichtung verstreckbar ist, die eine in ein Wasserbad eintauchende Kühlwalze umfaßt. Zwischen der in Wasser eintauchenden Kühlwalze und der Breitschlitzdüse befinden sich weitere Kühlwalzen, die vollständig in Luft angeordnet sind, und keinen Kontakt mit einem Wasserbad haben. Die Extrusion und die Abkühlung des Schmelzefilms erfolgt größtenteils auf den von Luft umgebenen Kühlwalzen. Ein dem Wasserbad nachgeschaltetes Nachkühlwasserbad ist bei dieser Vorrichtung nicht vorhanden. Nach der US-Patentschrift 30 86 275 werden extrudierte Kunststoffäden durch unterschiedlich zusammengesetzte Bäder hindurchgeleitet und jeweils zwischen den einzelnen Bädern in Luft um Umlenkrollen herumgeführt. Dieser Abkühlmechanismus erfordert eine große Baulänge der Kühleinrichtung und eine lange Abkühlzeit sowie einen größeren konstruktiven Aufwand, da eine Anzahl von Bädern vorhanden ist.

So beschreibt die Druckschrift DE-A1-31 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 anschließend in Querrichtung orientiert. Die Längsorientierung erfolgt dabei in einem zumindest zweistufigen Verfahren.

Aus der Druckschrift EP-A1-00 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-A1-01 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 nicht-orientierten Zustand zu bringen. Danach wird die Folie mit einem Verhältnis von 1,2 bis 3 nachgestreckt.

Das in der Druckschrift DE-PS 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 urprünglichen 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 längsversetzt. 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 Schmelzefilms: 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 des Quellens 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 schraubenlinienförmig 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-A2-01 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 α 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 von der Breitschlitzdüse auf die in einem Wasserbad angeordnete Kühlwalze, die zugleich Abzugswalze ist, extrudiert wird, wobei der Schmelzefilm zunächst Luft und anschließend das Wasserbad durchläuft, daß der Walzendurchmesser der Kühlwalze so gewählt wird, daß ein Abheben des Schmelzefilms von der Kühlwalzenoberfläche infolge eines Lufteinschlusses unterbleibt und der Schmelzefilm dadurch so weit abgekühlt wird, daß er im Wasserbad verfestigt und dehnungsfrei von der Kühlwalze abnehmbar ist und danach durch Wasser hindurch in ein Nachkühlwasserbad weiterbefördert und in diesem auf die gewünschte Endtemperatur abgekühlt wird.

In Ausgestaltung des Verfahrens wird der Schmelzefilm bis zum Verlassen der Kühleinrichtung 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 zur Durchführung des Verfahrens mit einer Breitschlitzdüse und einer Kühleinrichtung, die Kühlwalze und ein Wasserbad umfaßt, zeichnet sich dadurch aus, daß die Kühleinrichtung aus einem Wassertrog mit dem Wasserbad und einem Nachkühlwasserbad besteht, daß der Wassertrog und das Nachkühlwasserbad miteinander kommunizierende Gefäße sind, daß die Kühlwalze zugleich die Abzugswalze für den Schmelzefilm ist, der innerhalb der Kühleinrichtung von seinem Eintritt in das Wasserbad bis zu seinem Austritt aus dem Nachkühlwasserbad in Wasser geführt ist, und daß der Walzendurchmesser D der Abzugswalze kleiner/gleich einem vorgegebenen Wert ist, in den Schmelzefilmparameter, Wärmeübergangszahlen, Temperaturen, Umfangsgeschwindigkeit der Abzugswalze und eine Konstante für das Wasserbad eingehen.

Die Weiterbildung der Vorrichtung ist aus den Merkmalen der Patentansprüche 5 bis 10 ersichtlich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht der Abdichtung eines Wellenzapfens der Abzugswalze nach Fig. 3;

Fig. 3 Diagramme der Temperaturverläufe in dem Schmelzefilm und der Oberfläche der Abzugswalze, auf welcher der Schmelzefilm aufliegt; und

Fig. 4a-4c 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 dargestellte Vorrichtung weist ein Kühlsystem auf, das aus einer Abzugswalze 3 und einem Wassertrog 4 besteht, in den die Abzugswalze teilweise eintaucht. Dem Wassertrog 4 ist ein kommunizierendes 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.

Innerhalb des Wassertrogs 4 wird ein Wasserpegel 13 eingestellt, der oberhalb der Wellenzapfen 6 einer Welle 21 (vgl. Fig. 2) 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 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 Umlenkrolle 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 des Nachkühlwasserbads 5 strömt frisches Wasser zu, während das überschüssige Wasser über einen Ablauf 16 das Nachkühlwasserbad 5 verläßt. Der Wasserpegel 13 im Nachkühlwasserbad 5 befindet sich auf der gleichen Höhe wie der Wasserpegel 13 im Wassertrog 4.

Das Kühlsystem aus Abzugswalze 3, die in einen 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 gleichmäßige physikalische Eigenschaften der Vorfolie über den Folienquerschnitt.

Liegt der Wasserpegel 13 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 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°.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 ist mit einem hochgezogenen Wasserbad ausgerüstet, bei dem der Wasserspiegel 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. 2 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 gewünchten Höhe durch entsprechende Regelung der Wasserzufuhr zu halten.

Bei dem hochgezogenen Wasserbad nach Fig. 1 beträgt der Umschließungswinkel α _h des Wassertrogs 4 gegenüber der Abzugswalze 3 198° bis 203°. Der Umschlingungswinkel 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 Umlenkrollen 17 und 20 nach unten in das Nachkühlwasserbad 5 umgelenkt, verläuft nahe dem Boden des Nachkühlwasserbads 5 über eine 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 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. 3 die Temperaturverläufe in dem Schmelzefilm und in der Oberfläche der Abzugswalze 3 kurz erläutert. Aus den Diagrammen ist ersichtlich, daß die jeweilige Temperaturübergänge T _PL, T _p = T _s und T _SW an den Grenzflächen unterschiedlicher Materialien im wesentlichen stetig erfolgen. In Fig. 3 bedeuten d _p, d _s jeweils der Dicke des Schmelzefilms 12 bzw. des Metallmantels der Abzugswalze 3, dy _p und dz jeweils ein Inkrement im Schmelzefilm, _k und _λ konvektiven und 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 α _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 eine Walzengeometrie, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. 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. 3 dargestellt ist, lautet:

Die Wärmebilanz nach Fig. 3 für die Walze ergibt sich zu:

Die Stoffwerte , c und λ von Polypropylen, als Funktion der Temperatur beim schnellen Abkühlen des Polypropylenfilms, werden den Diagrammen der Fig. 4a, 4b und 4c entnommen, die keiner weiteren Erklärung bedürfen.

Der Einflußgrößensatz für den Durchmesser D der Abzugswalze und die Länge L des Nachkühlwasserbads lautet:

D = f (d, v _A, T _ü, T _α-T _ü, T _w, ρ · c, λ, α _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),
λ = Wärmeleitfähigkeit der Abzugswalze,
v _A = Umfangsgeschwindigkeit der Abzugswalze,
α _st = (WÜK) Folie - Walzenstahlmantel, 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 Funktionen f′′ und g′′ geschieht durch Parameterstudien, in denen die einzelnen Kenngrößen variiert werden.

Für den dimensionalen Walzendurchmesser D/d liefern die Parameterstudien den Zusammenhang

wobei die Konstante K _t = 0,380 für ein tiefgezogenes Wasserbad und die Konstante K _h = 0,330-0,340, insbesondere K _h = 0,337 für ein hochgezogenes Wasserbad gelten. Die Geometrie des Wasserbades gegenüber der Walze, vor allem den Umschließungswinkel in bezug auf die Abzugswalze, für die die Konstante K _h berechnet wurde, zeigt die Fig. 1. Ein tiefgezogenes Wasserbad hat eine ähnliche Konfiguration wie in Fig. 1 gezeigt, mit dem Unterschied, daß die Wellenzapfen 6 oberhalb des Wasserpegels 13 liegen und die Abdichtung der Wellenzapfen entfallen.

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 - Wasserbad)
α _ST = 1700 W/m²K (WÜK Folie - Walzenstahlmantel)
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 der Ausgangsgeometrie beziehen, wie sie in Fig. 1 wiedergegeben ist. Wie Vergleiche mit Modellrechnungen gezeigt haben, gelingt eine Übertragung auf nicht ähnliche Geometrien (veränderter Umschlingungswinkel) durch Einbezug der Verweilzeiten des Schmelzefilms bzw. der Vorfolie im Kühlsystem und im Nachkühlwasserbad.

Vergleichsbeispiel

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 (10)

1. Verfahren zum Abkühlen eines aus einer Breitschlitzdüse in eine Kühleinrichtung extrudierten Schmelzefilms, der zwischen der Breitschlitzdüse und der Kühleinrichtung verstreckbar ist, die eine in ein Wasserbad eintauchende Kühlwalze umfaßt, wobei der Schmelzefilm durch Wärmeübergänge von der einen Schmelzefilmoberfläche zu der Kühlwalzenoberfläche und von der anderen Schmelzefilmoberfläche zu Luft abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzefilm von der Breitschlitzdüse auf die in einem Wasserbad angeordnete Kühlwalze, die zugleich Abzugswalze ist, extrudiert wird, wobei der Schmelzefilm zunächst Luft und anschließend das Wassserbad durchläuft, daß der Walzendurchmesser der Kühlwalze so gewählt wird, daß ein Abheben des Schmelzefilms von der Kühlwalzenoberfläche infolge eines Lufteinschlusses unterbleibt und der Schmelzefilm dadurch so weit abgekühlt wird, daß er im Wasserbad verfestigt und dehnungsfrei von der Kühlwalze abnehmbar ist und danach durch Wasser hindurch in ein Nachkühlwasserbad weiterbefördert und in diesem auf die gewünschte Endtemperatur abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzefilm bis zum Verlassen der Kühleinrichtung auf eine mittlere Übergabetemperatur T _ü an das Nachkühlwasserbad von 100°C bis 120°C abgekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzefilm auf eine Endtemperatur T _ω von 40°C abgekühlt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Breitschlitzdüse und einer Kühleinrichtung, die Kühlwalze und ein Wasserbad umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (10) aus einem Wassertrog (4) mit dem Wasserbad und einem Nachkühlwasserbad (5) besteht, daß der Wassertrog (4) und das Nachkühlwasserbad (5) miteinander kommunizierende Gefäße sind, daß die Kühlwalze zugleich die Abzugswalze (3) für den Schmelzefilm ist, der innerhalb der Kühleinrichtung von seinem Eintritt in das Wasserbad bis zu seinem Austritt aus dem Nachkühlwasserbad (5) in Wasser geführt ist, und daß der Walzendurchmesser D der Abzugswalze (3) kleiner/gleich einem vorgegebenen Wert ist, in den Schmelzefilmparameter, Wärmeübergangszahlen, Temperaturen, Umfangsgeschwindigkeit der Abzugswalze und eine Konstante für das Wasserbad eingehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserbad hochgezogen ist, so daß der Wasserpegel im Wassertrog (4) oberhalb des Wellenzapfens (6) der Abzugswalze (3) liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, 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.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 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 α _w für Schmelzefilm- Wasser und α _ST für Schmelzefilm-Metalloberfläche der Abzugswalze, der Schmelzetemperatur T _α, der Übergabetemperatur T _ü, der Wassertemperatur T _w des Wasserbades der Abzugswalze, sowie der Konstanten K _h für hochgezogene Wasserbäder.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei hochgezogenenen Wasserbädern der Umschließungswinkel a _h des Wassertrogs (4) gegenüber der Abzugswalze (3) 198° bis 203° beträgt und daß die Konstante K _h = 0,33-0,34 ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge L des Schmelzefilms in dem Nachkühlwasserbad 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 das Nachkühlwasserbad.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstante K _w des Nachkühlwasserbades gleich 0,5 bis 0,7 ist.