DE3801574C2

DE3801574C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Extrudieren, insbesondere Strangpressen, von heißen Kunststoffschmelzen

Info

Publication number: DE3801574C2
Application number: DE3801574A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Ensinger
Original assignee: Wilfried Ensinger
Current assignee: ENSINGER, EVA MARIA, 71154 NUFRINGEN, DE; ENSINGER, KLAUS, 71154 NUFRINGEN, DE; ENSINGER, MARTHA, 71154 NUFRINGEN, DE; ENSINGER, THOMAS, 71154 NUFRINGEN, DE; HOLZBERGER, EDITH, 71154 NUFRINGEN, DE
Priority date: 1988-01-20
Filing date: 1988-01-20
Publication date: 1998-05-07
Anticipated expiration: 2008-01-21
Also published as: DE3801574A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Extrudieren, ins besondere Strangpressen, von heißen Kunststoffschmelzen mit einem Gehalt an Füll- und/oder Verstärkungsstoffen entlang einer Hauptströmungsrichtung aus einer Düse in eine gekühl te Gleitform, wobei Düse und Gleitform ein geschlossenes System bilden und die Schmelze in der Gleitform und unter Druck zum Erstarren gebracht wird. Weiterhin hat es die Er findung mit einer Vorrichtung zur Durchführung eines sol chen Verfahrens zu tun.

Ein Verfahren der genannten Art und eine zu seiner Durch führung geeignete Vorrichtung ist aus der DE-AS 11 40 342 bekannt. Beim Extrudieren, insbesondere Strangpressen von Kunststoffschmelzen in geschlossenen Systemen entstehen in der Regel Extrudate mit isotropem Gefüge, wobei allenfalls eine meist unerwünschte Orientierung bestimmter Molekül ketten, Füll- oder Verstärkungsstoffe in der Extrusions- oder Hauptströmungsrichtung feststellbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsge mäßes Extrusionsverfahren so abzuwandeln, daß Kunststoff produkte mit gezielt orientierten Gefügebestandteilen und dementsprechenden Stoffeigenschaften herstellbar sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man
A) die strömende Kunststoffschmelze im Bereich der Düse durch in den Strömungsweg eingesetzte Hindernisse aus der Hauptströmungsrichtung ablenkt,
B) den Bestandteilen der Schmelze hierdurch relativ zur Hauptströmungsrichtung eine Orientierung in mehreren Vorzugsrichtungen erteilt, und
C) diese Orientierung anschließend in der Gleitform unter Druck bleibend einfriert.

Eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruchs 7.

In der GB 673 367 ist ein Extrudierverfahren anderer Art beschrieben, wobei Kunstharzmaterialien mit fasrigen Füll stoffen, z. B. Asbestfasern hergestellt werden, welche sich ihrerseits im Fertigprodukt in der gleichen Richtung, näm lich der Hauptströmungsrichtung erstrecken sollen. Eine Orientierung der Fasern in mehreren Vorzugsrichtungen rela tiv zur Hauptströmungsrichtung ist nicht vorgesehen.

In der DE-OS 23 11 685 ist eine Breitschlitzdüse beschrie ben, die ebenfalls der Durchführung eines gattungsfremden Verfahrens dient. In der Breitschlitzdüse sind Führungs- und Staumittel angeordnet, welche eine die Düse durchflies sende Kunststoffschmelze in Hauptströmungsrichtung halten. Eine Orientierung der Schmelzbestandteile in mehrere Vor zugsrichtungen mit Einfrierung dieser Orientierungen er folgt nicht. Vielmehr sind nach Verlassen der Breitschlitz düse alle Schmelzebestandteile parallel zur Hauptströmungs richtung ausgerichtet. Es geht bei diesem bekannten Verfah ren mit zugehöriger Vorrichtung ausschließlich darum, eine gleichmäßige Verteilung des die Düse durchdringenden Mate rialstromes sowie eine insgesamt gleichmäßige Austrittsge schwindigkeit über die geforderte Breite zu erreichen.

Schließlich ist aus der DE-AS 15 04 291 ein wiederum gat tungsfremdes Verfahren zur Herstellung von Bahnen aus Poly tetrafluoräthylen bekannt. Das Verfahren wird mit Hilfe ei ner speziellen Düse durchgeführt, wobei das Extrudat zu nächst Stab- und dann Bandform erhält. Hindernisse zur Her stellung unterschiedlicher Orientierungen der Kunststoffbe standteile relativ zur Hauptströmungsrichtung sind in die ser Druckschrift nicht beschrieben. Zwar ist in dieser Druckschrift von einer gerichteten Anordnung von "Fibril len" die Rede, jedoch sind solche "Fibrillen" offensicht lich eine produktspezifische Besonderheit, die nur bei pulvrigem Polytetrafluoräthylen auftritt, das mit Schmier- oder Gleitmitteln vermischt ist, und diese Anordnung ergibt sich im Gegensatz zur Erfindung nicht durch Hindernisse im Strömungsweg, sondern durch einen besonderen Verformungs grad der zunächst in Stab- und dann in Bandform extrudier ten Polytetrafluoräthylenmasse.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbei spiele der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Kunststoff-Extrusionsvorrichtung mit druckloser Erstarrung der Kunststoffschmelze;

Fig. 2 eine Kunststoff-Extrusionsvorrichtung als ge schlossenes System, bei der die Kunststoff schmelze unter Druck erstarrt;

Fig. 3 bis 8 Schnittansichten verschiedener Vorrichtungen zur Erzeugung von Kunststoff-Formteilen mit anisotropem Gefüge;

Fig. 9 eine mikroskopische Ansicht eines erfindungs gemäß erzeugten, anisotropen Kunststoffgefü ges und

Fig. 10 die richtungsabhängige Zugfestigkeit in einer erstarrten Kunststoffschmelze.

Die Fig. 1 zeigt zur besseren Abgrenzung der Erfindung eine Kunststoff-Extrusionsvorrichtung mit beheizter Düse 1 und einer Kühl- und Kalibrierform 2, die im Abstand von der Ex trusionsöffnung der Düse 1 angeordnet ist und in welche die extrudierte Kunststoffschmelze 3 aus der Düse 1 eintritt, um dort zu einem kontinuierlich abgezogenen Kunststoff-Pro fil 4 zu erstarren. Die aus der Düse 1 austretende, heiße Kunststoffschmelze 3 erstarrt allmählich in der Form 2, wo bei dort bei kontinuierlichem Abzug des Kunststoffprofils 4 ständig eine kegelförmige Erstarrungszone 5 vorliegt, in welcher der das Profil bildende Kunststoff noch heiß und plastisch ist. Wegen des Abstandes zwischen Düse 1 und Form 2 tritt die Kunststoffschmelze drucklos in die Form 2 ein und erstarrt dort ebenfalls ohne Druck.

Die Fig. 2 zeigt eine andere Extrusionsvorrichtung, bei welcher zwischen einer Düse 6 und einer gekühlten Profil-Gleit form 7 kein freier Abstand vorliegt, sondern die Form 7 unter Zwischenschaltung einer Wärmedämmplatte 8 direkt an die Düse angeschlossen ist. In diesem Falle tritt die Kunststoffschmelze aus der Düse 6 unter Druck in die Form 7 ein und erstarrt dort unter Druck, wobei sich in der Form wiederum die bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnte, kegelförmige Erstarrungszone 5 ausbildet. Wie dargestellt, ist die Düse 6 unmittelbar einem beheizten Extruder 9 mit Schnecke 10 vorgeschaltet. Dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie es nachstehend beschrieben wird, ist eine Extrusionsan ordnung gemäß Fig. 2 zugrunde gelegt, bei welcher Düse und Form ein geschlossenes System bilden und die Schmelze in der Form unter Druck zum Erstarren gebracht wird.

Ziel der Erfindung ist es, wie eingangs bereits angedeutet, die Bestandteile der Kunststoffschmelze im Bereich der Düse 6 mit Bezug auf die Hauptströmungsrichtung 11 in bestimmter Weise zu orientieren und diese Orientierung im Bereich der Erstarrungszone 5 allmählich einzufrieren, so daß sich ein Kunststoffprofil 4 mit anisotropem Gefüge seinem Bestand teile ergibt.

Vorrichtungen, mit deren Hilfe derartige Anisotropien an Kunststoffprodukten erzeugt werden können, sind beispiel haft und schematisch in Fig. 3 bis 8 dargestellt, wobei einander entsprechende Teile in Fig. 2 bis 8 mit den glei chen Bezugszeichen versehen sind.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 3 ist die Innenwand der Düse 6 unregelmäßig gestaltet, so daß Vorsprünge 12 radial in das Düseninnere abstehen. Statt dessen und/oder außerdem können Umlenkteile 13 in die Düsenwand eingesetzt sein, ebenfalls im wesentlichen radial in das Düseninnere vorste hend, oder der Strömungsweg der Kunststoffschmelze kann sonstige Querschnittsveränderungen aller Art aufweisen. Die Vorsprünge 12 und Umlenkteile 13 sowie gegebenenfalls ande re Querschnittsveränderungen bilden in den Strömungsweg der Kunststoffschmelze 3 eingesetzte Hindernisse, welche diese Schmelze beim Durchströmen der Düse 6 aus der Hauptströ mungsrichtung 11 ablenken und hierdurch den Bestandteilen der Schmelze eine bestimmte Orientierung relativ zur Haupt strömungsrichtung erteilen. Diese Orientierung wird an schließend in der Gleitform 7 (im Erstarrungsbereich 5) bleibend eingefroren, so daß ein stranggepreßter Kunst stoff-Formteil 4 mit anisotropem Gefüge seiner Bestandteile und dementsprechend anisotropen, d. h. richtungsabhängigen Stoffeigenschaften entsteht.

Mit Hilfe der in Fig. 3 prinzipiell dargestellten Vorrich tung lassen sich nicht nur die eigentlichen Bestandteile der Kunststoffschmelze, also Molekülketten, in bestimmter Weise orientieren, sondern insbesondere auch in der Kunst stoffschmelze enthaltene, vor allem faserförmige Füll- und Verstärkungsstoffe, wie beispielsweise Glas-, Kohlenstoff-, Metall-, Mineral-, Aramidfasern und dergleichen, aber auch mineralische Hohlkörper, insbesondere Glashohlkugeln, Woll astonit-, Graphit-, Molybdändisulfit- und Pigmentpartikel.

Ein in Fig. 3 mit 14 bezeichnetes Hindernis weist zusätz lich einen engen Kanal 15 auf, der z. B. parallel zur Haupt strömungsrichtung 11 gerichtet sein kann, und welcher eben falls der willkürlichen Orientierung der Bestandteile der Kunststoffschmelze im Bereich der Düse 6 dient. Ein weite res Hindernis 16 ragt über die eigentliche Düsenöffnung ein Stück in den Erstarrungsbereich 5 hinein.

Die in der den Werkzeugeinlauf bildenden Düse 6 angeordne ten Hindernisse 12, 13, 14 und 16 können fest oder ver stellbar angeordnet sein, so daß sich bestimmte Orientie rungen der Bestandteile der Kunststoffschmelze einstellen lassen. Die genannten Hindernisse könnten auch, z. B. mit Hilfe hydraulischer Antriebsmittel, zyklisch pulsierend an geordnet sein, so daß sich periodisch abwechselnde Orien tierungsmuster mit Bezug auf die Hauptströmungsrichtung 11 im fertiggestellten Kunststoffprodukt 4 ergeben.

Bei der in Fig. 4 schematisch dargestellten Vorrichtung ist außer Hindernissen 14 und 16 noch eine Scheibe 17 in die Düse 6 eingeschaltet, die zwei Strömungskanäle 18 auf weist, und von der ein weiteres Hindernis 19 absteht. Die Scheibe 17 kann fest oder rotierend an der Düse 6 angeord net sein. Die Rotation kann dabei auch taktweise oder hin- und hergehend erfolgen.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 5 ist im Inneren der Düse 6 fest oder durch Antriebsmittel kontinuierlich oder inter mittierend drehbar eine Hülse 21 angeordnet, von welcher Hindernisse 22 im wesentlichen radial nach einwärts abste hen.

Bei den Ausführungsformen nach Fig. 6 und 7 ragt ein z. B. von der Wärmeplatte 8 gehaltener Dorn 23 aus dem Bereich der Düse 6 bis in den Erstarrungsbereich 5 der Form 7. Der Dorn 23 ist wiederum mit Hindernissen 24 besetzt und kann zusätzlich auch eine z. B. von schraubenförmigen Rinnen 25 gebildete Struktur im Bereich der Düse 6 aufweisen. Durch das Einbringen der Hindernisse 24 unmittelbar in den Er starrungsbereich 5 des Kunststoffprofils 4 lassen sich be sonders ausgeprägte Orientierungen oder Verwirbelungen der Bestandteile der Kunststoffschmelze erzielen und bleibend einfrieren.

Entsprechendes gilt für Fig. 7, in welcher der Dorn 23 Ka näle 26 aufweist, die von der Kunststoffschmelze durch strömt sind.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 8 weist die Düse 6 seitlich eingeführte Hilfsdüsen 27, 28 auf, die senkrecht, schräg zur oder in Hauptströmungsrichtung 11 orientiert sein kön nen. Die Hilfsdüse 27 ist bei der dargestellten Ausfüh rungsform in die Wärmedämmplatte 8 eingesetzt. Diese Hilfs düsen stehen mit Extrudern oder anderen Einbringvorrichtun gen in Verbindung. Mit ihrer Hilfe können zusätzliche Be standteile in die Kunststoffschmelze eingebracht werden, insbesondere Füll- und/oder Verstärkungsstoffe oder weitere Kunststoffkomponenten, gegebenenfalls mit den gleichen oder anderen Füll- oder Verstärkungsstoffen. In Fig. 8 sind die bei der Erfindung obligatorischen "Hindernisse", z. B. 12, 13, 14, 16 (in Fig. 3), zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen.

Für das beschriebene Verfahren zur Herstellung anisotroper Kunststoffprodukte eignen sich Schmelzen aus reinen oder modifizierten, thermoplastischen, duroplastischen oder ela stomeren Kunststoffen. Wie dargestellt und beschrieben kön nen den Bestandteilen der Kunststoffschmelze Orientierungen in mehreren Vorzugsrichtungen erteilt werden, um ganz be wußt einen anisotropen Kunststoffkörper mit überall glei chen Werkstoffeigenschaften herzustellen. Auch dies läßt sich erfindungsgemäß mit Hilfe der beschriebenen Hindernis se erreichen, wenn diese so ausgebildet und angeordnet sind, daß die Kunststoffschmelze vor ihrer Erstarrung gleichmäßig durcheinander gemischt und verwirbelt wird.

Wie aus Fig. 3 bis 7 hervorgeht, ist es durch entsprechen de Anordnung und Ausbildung der Hindernisse auch möglich, die gewünschte Orientierung der Bestandteile der Kunst stoffschmelze nur in einem bestimmten Querschnittsbereich der Schmelze hervorzurufen.

Schließlich kann die in der beschriebenen Weise erzeugte Kunststoffschmelze mit ihren willkürlich orientierten Be standteilen auch an vorkonfektionierte Körper anextrudiert werden.

Die Fig. 9 zeigt ein mikroskopisches Querschnittsbild eines erfindungsgemäß gewonnenen Kunststoffkörpers aus Po lyamid mit anisotrop orientierten Glasfasern, wobei die anisotrope Orientierung durch die im Zusammenhang mit Fig. 3 bis 7 beschriebenen Hindernisse erreicht wurde.

Die Fig. 10 zeigt links ein mit Glasfasern verstärktes Kunststoffplättchen 30, das aus einem in der Hauptströ mungsrichtung 11 extrudierten Strang unter Verwendung von Hindernissen in einer Düse 6 gewonnen wurde. Rechts ist in Fig. 10 die winkelabhängige Zugfestigkeit des Kunststoff plättchens 30 dargestellt.

Claims

1. Verfahren zum Extrudieren, insbesondere Strangpressen, von heißen Kunststoffschmelzen mit einem Gehalt an Füll- und/oder Verstärkungsstoffen entlang einer Haupt strömungsrichtung aus einer Düse in eine gekühlte Gleitform, wobei Düse und Gleitform ein geschlossenes System bilden und die Schmelze in der Gleitform und un ter Druck zum Erstarren gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß man
A) die strömende Kunststoffschmelze im Bereich der Düse durch in den Strömungsweg eingesetzte Hindernisse aus der Hauptströmungsrichtung ablenkt,

B) den Bestandteilen der Schmelze hierdurch relativ zur Hauptströmungsrichtung eine Orientierung in mehreren Vorzugsrichtungen erteilt, und
C) diese Orientierung anschließend in der Gleitform unter Druck bleibend einfriert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschmelze als Füll- und/oder Verstärkungs stoffe Glas-, Aramid-, Cellulosefasern und/oder Glasku geln, Wollastonit, Glimmer, Kreide enthält.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schmelzen aus reinen oder modifi zierten, thermoplastischen, duroplastischen oder ela stomeren Kunststoffen eingesetzt werden.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß man den Bestandteilen der Kunststoffschmelze eine örtlich variierende Orientie rung erteilt.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß man den Bestandteilen der Kunststoffschmelze eine Orientierung nur in einem be stimmten Querschnittsbereich der Schmelze erteilt.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschmelze mit den orientierten Bestandteilen an vorkonfektionierte Körper anextrudiert wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer einen Werkzeugeinlauf bildenden Düse und mit einer ein Werkzeug bildenden Gleitform, die unmittelbar an die Düse angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern der Düse (6) und im Strömungsweg der Kunststoffschmelze (3) Hinder nisse (12, 13, 14, 16, 18, 19, 22, 24, 26) angeordnet sind, welche die Schmelze aus ihrer Hauptströmungsrich tung (11) ablenken.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hindernisse (13, 14, 16) im Längs- und/oder Querschnittsbereich der Düse (6) regelmäßig oder unre gelmäßig angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich net, daß die Hindernisse (13, 17, 18, 19, 21, 22) ver stellbar angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hindernisse (13, 17, 21) durch Antriebsmittel (insbesondere periodisch) verstellbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch im Düseninnern rotierende Hindernisse (17, 21).

12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein mit Hindernissen (24, 26) besetzter Dorn (23) aus der Düse (6) in die Gleitform (7) hinein er streckt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch we nigstens eine in die Düse (6) einmündende Hilfsdüse (27, 28) zum orientierten Einleiten von Bestandteilen, insbesondere von Füll- und/oder Verstärkungsstoffen in die Kunststoffschmelze (3).