DE3876082T2 - Verfahren zum extrudieren. - Google Patents
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Description
- Diese Erfindung betrifft ein Extrusionsverfahren, durch das eine Schrumpffolie hergestellt wird.
- Viele Jahre betrachtete man Hochdruckpolyethylene niedriger Dichte, die stark verzweigte Polymere sind, als das Harz der Wahl für kommerzielle Schrumpffolien- Anwendungen. Die Haupteigenschaft, die die Verwendung von Hochdruckpolyethylen niedriger Dichte für diese Anwendungen erleichtert, ist die Langkettenverzweigung. Die Langkettenverzweigung ermöglicht die Entwicklung hoher Schmelzspannungen, die während der Schlauchfolienextrusion an der Kristallisationsgrenze in die Folie eingefroren werden können. Mit anderen Worten, während der Schlauchfolienextrusion tritt ausreichende Umformungshärtung auf, um zum Beispiel in der Folie die eingefrorenen Spannungen zu erzeugen, die für Schrumpffolien-Anwendungen benötigt werden. Unter Schrumpftunnel-Bedingungen veranlassen die eingefrorenen Spannungen die Folie zum Schrumpfen um den zu verpackenden Gegenstand und sichern ihn somit fest ab. Diese Harze haben auch eine relativ niedrige Spannungsrelaxationsrate, was eine Aufrechterhaltung der Schrumpfkräfte, die benötigt werden, um den verpackten Gütern Halt zu verleihen, erleichtert.
- Anders als Hochdruckpolyethylen niedriger Dichte weist das gewöhnlich für die Schlauchfolienextrusion verwendete lineare Polyethylen niedriger Dichte mit enger Molekulargewichtsverteilung nur Kurzkettenverzweigung auf, wobei die Verzweigungen in der Länge dem alpha-Olefin entsprechen, das mit Ethylen copolymerisiert wird, um es herzustellen. Ohne Langkettenverzweigung entspannen jedoch während der Schmelzextrusion die Spannungen des linearen Polyethylens niedriger Dichte mit enger Molekulargewichts-Verteilung zu schnell, um die hohen Schmelzspannungen zu liefern, die in die Folie eingefroren werden können. Dies trifft inbesondere auf die Querrichtung des linearen Polyethylenfilms niedriger Dichte mit enger Molekulargewichtsverteilung zu, die während der Folienextrusion viel weniger gereckt wird als die Maschinenrichtung und deshalb praktisch keine Schrumpfung in dieser Richtung aufweist. Daher ist lineares Polyethylen niedriger Dichte mit enger Molekulargewichtsverteilung für Schrumpffolienanwendung nicht akzeptabel, da es um das zu verpackende Material herum durchhängt anstatt es sicher zu halten.
- Hersteller von linearem Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE) strebten deshalb danach, ein LLDPE zu identifizieren, das für Schrumpffolienanwendungen geeignet war, leichter zu verarbeiten war als die Hochdruck-Polyethylenharze niedriger Dichte und schließlich eine Folie ergeben würde, die Hockdruck-Harzfolien übertreffen würde, was diejenigen Eigenschaften betrifft, die in Schrumpffolien am wünschenswertesten sind.
- Ein Ziel dieser Erfindung ist deshalb, ein Extrusionsverfahren bereitzustellen, das ein besonderes LLDPE verwendet, um eine insbesondere auf Schrumpffolienanwendungen zugeschneiderte Folie zu erzeugen.
- Andere Ziele und Vorteile werden im folgenden offenbar werden.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das obige Ziel erreicht durch ein Extrusionsverfahren, bei dem unter Bedingungen, die eine Schrumpffolie ergeben, ein lineares Copolymer niedriger Dichte von Ethylen und mindestens einem alpha- Olefin mit 3 bis 6 Kohlenstoffatomen extrudiert wird, wobei das Copolymer (i) eine Dichte im Bereich von 0,915 bis 0,932 g/cm³ ; (ii) ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts von mindestens 250000; (iii) ein Verhältnis des Gewichtsmittels zum Zahlenmittel des Molekulargewichts von mindestens 6; und (iv) eine Copolymer- Spezies mit einem Molekulargewicht von mindestens 500000 in einer Menge von mindestens 8 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des Copolymers, aufweist.
- Schrumpffolien können durch verschiedene Extrusionsverfahren, wie z.B. Blasfolienextrusion und Schlitzgußextrusion mit biaxialer Orientierung, hergestellt werden. Schlauchfolienextrusion wird bevorzugt, insbesondere die luftgekühlte Blas-Schlauchfolien-Extrusion. Eine typische Vorrichtung und ein Verfahren zur Blas-Schlauchfolien-Extrusion wird in den Beispielen unten beschrieben. Die Mindestwerte für kritische Schrumpffolien-Eigenschaften, die durch das vorliegende Verfahren erzielt werden, sind wie folgt:
- (i) die Schrumpfung bei 135ºC (ungefähre Schrumpftunnel-Temperatur) in Maschinenrichtung ist mindestens 30 Prozent und in Querrichtung mindestens 10 Prozent; (ii) die Schrumpfkraft ist im Hinblick auf die Schmelzspannung Null oder positive Kilopascal und ist im Hinblick auf die Spannung unter Kühlung mindestens 600 kPa; und (iii) die Festigkeit der Schmelze in Maschinen- und Querrichtung ist mindestens 7 Sekunden. Die bevorzugte Schmelzspannung ist 5 bis 30 kPa; die bevorzugte Spannung unter Kühlung ist mindestens 900 kPa; und die bevrozugte Festigkeit der Schmelze ist mindestens 10 Sekunden. Die einzigen Obergrenzen für diese Folieneigenschaften sind diejenigen, die praktisch erreicht werden können.
- Die Begriffe sind wie folgt definiert.
- 1. Maschinenrichtung ist die Richtung, in welche die Folienbahn aus der Düse des Folienextruders gezogen wird.
- 2. Querrichtung ist die Richtung der Bahn, die senkrecht zur Maschinenrichtung und parallel zur Bahn ist.
- 3. Die Schrumpfung (die prozentuale Änderung in der Folienabmessung) wird wie folgt bestimmt: Schrumpfung (in Prozent) in Maschinenrichtung Schrumpfung (in Prozent) in Querrichtung
- worin LiMD = ursprüngliche Länge in Maschinenrichtung
- LsMD = Länge in Maschinenrichtung nach dem Schrumpfen
- LiTD = ursprüngliche Länge in Querrichtung
- LsTD = Länge in Querrichtung nach dem Schrumpfen
- 4. Schmelzspannungen sind Spannungen, die in die Folie an der Kristallisationsgrenze eingefroren sind.
- 5. Spannungen unter Kühlung sind kristalline Spannungen, die in der verfestigten Folie zurückbleiben.
- 6. Die Festigkeit der Schmelze ist die Beständigkeit gegen Verformung in der Schmelze.
- Die LLDPE-Copolymere mit breiter Molekulargewichtsverteilung und hohem Molekulargewicht können hergestellt werden, indem man einen Katalysator auf Vanadiumtrichlorid-Basis verwendet, um Ethylen mit mindestens einem alpha- Olefin, das 3 bis 6 Kohlenstoffatome pro Molekül hat, zu copolymerisieren. Ein Verfahren zur Herstellung dieser Copolymere unter Verwendung eines derartigen Katalysators ist in der EP 0 120 501, veröffentlicht am 3. Oktober 1984, beschrieben. Diese Anmeldung und andere Veröffentlichungen, die in dieser Beschreibung erwähnt werden, sind durch Bezugnahme hierin eingeschlossen. Andere herkömmliche Verfahren zur Herstellung dieser LLDPE-Copolymere unter Verwendung verschiedener Katalysatoren können eingesetzt werden; jedoch müssen die Bedingungen angepaßt werden, um die folgenden Eigenschaften zu liefern: (i) eine Dichte im Bereich von 0,915 bis 0,932 g/cm³ und vorzugsweise im Bereich von 0,922 bis 0,928 g/cm³; (ii) ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts von mindestens 250000 und vorzugsweise von mindestens 300000; (iii) ein Verhältnis des Gewichtsmittels des Molekulargewichts zum Zahlenmittel des Molekulargewichts von mindestens 6 und vorzugsweise mindestens 7; und (iv) eine Copolymer-Spezies mit einem Molekulargewicht von mindestens 500000 in einer Menge von mindestens 8 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des Copolymers, und vorzugsweise mindestens 12 Gewichtsprozent. Es gibt keine Obergrenze soweit die Punkte (ii), (iii) und (iv) betroffen sind, außer die Grenzen der Praktikabilität.
- Das Verhältnis vom Gewichtsmittel des Molekulargewichts zum Zahlenmittel des Molekulargewichts ist als Polydispersität bekannt und ist ein Maß für die Breite der Molekulargewichtsverteilung. Die Bestimmung des Copolymer-Spezies- Prozentsatzes erfolgt unter Verwendung von Größenausschlußchromatographie (size exclusion chromatography, SEC). Typische SEC-Bedingungen sind wie folgt: Infrarot-Detektor; 1,2,4-Trichlorbenzol-Lösungsmittel; g/m/m IBM Füllkörpersäulen; 140ºC Säulentemperatur; 250 ul Probengröße; 20ºC Probenherstellungstemperatur; 1000 Teile pro Sekunde; Infrarotzelle THK (Kaliumsalz-Platte) = 1,0 mm; Fließgeschwindigkeit = 1,004 ml/min.; Konzentration = 0,2018% (Gewicht pro Volumen); Dämpfung = 0,100.
- Die durch das obige Verfahren hergestellte Schrumpffolie kann, zusätzlich dazu, daß sie die in Schrumpffolienanwendungen so wichtigen eingefrorenen Spannungen besitzt, höhere Durchstoßbeständigkeit, höhere Zugfestigkeit und größere Zähigkeit erlangen als ihr Gegenstück auf Hochdruckharz-Basis .
- Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele erläutert. In diesen Beispielen ist 1 Inch = 25 mm, 1 mil = 0,025 mm, 1 Pound = 0,454 kg und 1 Mikron = 1 um.
- Die für diese Beispiele hergestellten Folien werden durch Blas-Schlauchfolien- Extrusion hergestellt. Der Extruder ist mit einer kannelierten Mischschnecke ausgestattet, die das Niveau an Homogenität der Schmelze liefern kann, das man bei gegenwärtigen kommerziellen Schlauchfolien-Extrusionen findet. 3 Inch und 6 Inch Zuführung von unten, spiralförmige Ziehdorn-Schlauchfolien-Düsen, jede mit einem 0,04 Inch Düsenkegel ausgestattet, werden verwendet, um das Polymer oder Copolymer zu extrudieren. Die Größe der Düsenöffnung wird bei 0,06 Inch gehalten.
- Die Filme werden, unter Verwendung eines Aufblasverhältnisses (BUR) von 1,5 : 1 bis 3,0 : 1, bei einer Düsengeschwindigkeit von 9 Pound/Stunde/Inch Düsenumfang, Schmelztemperaturen im Bereich von etwa 240ºC bis etwa 260ºC und einer Kristallisationsgrenzen-Höhe von 12 Inch extrudiert.
- Veränderungen dieser Extrusionsbedingungen, um die Folieneigenschaften für spezifische Anwendungen zu optimieren, können von jedem, der gewöhnliche Fachkenntnisse auf dem Gebiet der Streckfolienextrusion hat, vorgenommen werden.
- Der Extruder ist ein 2,5 Inch (63 mm) Extruder, der eine 3 Inch (75 mm) Düse und eine 40 mil (1,0 mm) Öffnung hat. Die Dicke der bereitgestellten und getesteten Folie ist, außer in den Beispielen 1, 2 und 3, wo sie 110, 102 bzw. 110 ist, 100 Mikron. Die Temperaturen sind wie folgt: Trommelprofil = 200ºC, Adapter = 210ºC, Düse = 220ºC und Schmelze = 260ºC. Die Schneckengeschwindigkeit ist 60 Umdrehungen pro Minute (UpM), der Schmelzdruck ist 388 bar, die Extrusionsgeschwindigkeit ist 34 kg pro Stunde, und der Antriebsstrom ist 80 Ampere.
- Das in Beispielen 1, 2, 9, 10 und 11 verwendete Polymer ist ein Hochdruck- Homopolymer niedriger Dichte von Ethylen, das nach dem in der "Introduction to Polymer Chemistry", Stille, Wiley, New York, 1962, Seiten 149 bis 151, beschriebenen Hochdruck-Verfahren hergestellt wurde. Die in den anderen zehn Beispielen verwendeten Polymere sind LLDPE Copolmere von Ethylen und einem alpha-Olefin mit einem hohen Molekulargewicht. Sie werden unter Verwendung des in der oben erwähnten EP-0 120 501 beschriebenen Katalysatorsystems hergestellt. Die Polymere der Beispiele 3 und 4 haben eine mittlere Molekulargewichtsverteilung, das Polymer von Beispiel 14 hat eine enge Molekulargewichtsverteilung und die Polymere der übrigen 12 Beispiele haben eine breite Molekulargewichtsverteilung.
- Die Variablen und die Folieneigenschaften sind in der Tabelle dargelegt. TABELLE Beispiel Schmelzfluß (dg/min.) Dichte (kg/m³) Comonomer Konzentration von Spezies mit hohem Molekulargewicht (%) Folienmaß (Mikron) Aufblasverhältnis Dart-Stoß (g) ASTM Verfahren Elmendorf-Reißfestigkeit (g/mil) Durchstoßfestigfestigkeit (J/mm) TABELLE (Fortsetzung) Beispiel Zugfestigkeit Zugdehnung (%) Trübung (%) 45 Grad Glanz (%) Sekant-Modul (MPa) Schmelzpunkt (ºC) Schrumpfung (%) TABELLE (Fortsetzung) Beispiel Spannung unter Kühlung (kPa) Festigkeit der Schmelze zu niedrig zur Messung
- 1. Der Schmelzfluß wird unter ASTM D-1238-79 bestimmt und ist in Dezigramm pro Minute angegeben. In Beispielen 1, 2, 9, 10 und 11 wird anstelle des Schmelzflusses der Schmelzindex (MI) angegeben. Der Schmelzindex wird unter ASTM D-1238, Bedingung E, bestimmt. Er wird bei 190ºC gemessen und als Gramm pro 10 Minuten angegeben.
- 2. Die Dichte wird unter ASTM D-1505 bestimmt. Eine Platte wird gemacht und eine Stunde bei 100ºC konditioniert, um sich Gleichgewichts-Kristallinität zu nähern. Die Dichtemessung wird dann in einer Dichtegradient-Säule vorgenommen und die Dichtewerte werden in Kilogramm pro Kubikzentimeter angegeben.
- 3. Das mit Ethylen verwendete Comonomer ist ein alpha-Olefin, entweder Propylen, 1-Buten oder 1-Hexen.
- 4. Mw bedeutet Gewichtsmittel des Molekutargewichts. Es wird als Mw x 10&supmin;³ angegeben.
- 5. Mw/Mn ist das Verhältnis von Gewichtsmittel zu Zahlenmittel des Molekulargewichts. Dieses Verhältnis wird als Polydispersität bezeichnet, die ein Maß für die Molekulargewichtsverteilung ist.
- 6. Die Konzentration von Spezies mit hohem Molekulargewicht sind die Gewichtsprozent von Copolymer, das ein Molekulargewicht von mindestens etwa 500000 hat. Sie ist auf das Gewicht des gesamten Copolymers bezogen.
- 7. Das Folienmaß ist die Dicke den Folie. Der Wert ist in Mikron angegeben.
- 8. Das Aufblasverhältnis ist das Verhältnis von Düsendurchmesser zu Blasendurchmesser. Der Blasendurchmesser wird wie folgt bestimmt: 2 x Flachlegen/pi. Das "Flachlegen" bezieht sich auf die Breite einer flachgedrückten Blase.
- 9. Die Dart-Stoßfestigkeit wird nach ASTM D-1709, Methoden A und B, bestimmt. Sie ist in Gramm angegeben.
- 10. Die Elmendorf-Reißfestigkeit wird nach ASTM D-1992 bestimmt. Sie wird in Gramm pro mil angegeben.
- (i) MD = Maschinenrichtung
- (ii) TD = Querrichtung
- 11. Die Durchstoßfestigkeit ist definiert als die Kraft, die benötigt wird, ein Probenstück zu durchstoßen, und die während des Durchstoßens von der Folie absorbierte Energie. Sie wird unter Verwendung eines "Instron" Druckprüfgeräts bestimmt. Die zu testenden Proben werden für mindestens 40 Stunden bei oberhalb von 23ºC und einer relativen Feuchte von etwa 50 konditioniert, und die Tests werden unter diesen Bedingungen durchgeführt. Die Traversengeschwindigkeit ist 20 Inch pro Minute und die Aufschreibgeschwindigkeit ist 10 Inch pro Minute. Eine 0 bis 5 Pound- Ganzbereichs-Skala wird verwendet für Fasern, die eine Nenndicke von 0,5 mil haben. Eine 0 bis 10 Pound-Ganzbereichs-Skala wird verwendet für Folien, die eine Nenndicke von 1,0 mil haben. Der Druckkolben wird so eingestellt, daß er eine Abwärtsbewegung von 6 Inch hat.
- Die durchschnittliche Durchstoßenergie in Inch-Pounds ist gleich
- worin: X = durchschnittliche Integrator-Ablesung
- K = durchschnittlicher Korrigierfaktor
- L = totale Belastung in Pound
- S = Rate der Probendehnung
- In diesem Testverfahren basieren S = 20 Inch pro Minute und 5000 auf einer totalen Integration, die eine Minute durchgeführt wurde und in einer Zählung von 5000 resultierte. Sie wird in Inch-Pound/mil angegeben.
- 12. Die Zugfestigkeit wird nach ASTM D-882 bestimmt. Sie ist in Millipascal (MPa) angegeben.
- 13. Die Zugdehnung wird nach ASTM D-882 bestimmt. Der Wert ist in Prozent (%).
- 14. Die Trübung wird nach ASTM D-1003 bestimmt. Der Wert ist in Prozent (%).
- 15. Der 45 Grad-Glanz wird ASTM D-523 bestimmt. Er ist in Prozent (%) angegeben.
- 16. Das Sekant-Modul wird anch ASTM D-882 bestimmt. Der Wert ist in Millipascal (MPa).
- 17. Der Schmelzpunkt ist in Grad Celsius angegeben.
- 18. und 19. Die Schrumpfung wird wie folgt bestimmt:
- Eine 3 Inch x 3 Inch Folienprobe wird so geschnitten, daß die MD- und TD- Richtungen parallel zu den Seiten der Probe sind. Die Probe wird 60 Sekunden in ein zirkulierendes Ölbad bei 124ºC gelegt, wobei ein geeigneter Halter so verwendet wird, daß die Folie frei schrumpfen, aber sich nicht einrollen kann. Die Probe wird aus dem genommen und kurz in Wasser abgeschreckt. Die MD- und TD-Schrumpfung wird erhalten durch Messen der Proben in der MD- und TD-Richtung und durch Anstellen der folgenden Berechnung:
- Prozent Schrumpfung = Ursprüngliche Breite minus Endgültige Breite/Ursprüngliche Breite x 100
- Der Wert ist in Prozent.
- 20. und 21. Die Schmelzspannung und die Spannung unter Kühlung werden wie folgt bestimmt:
- Eine ein Inch breite Folienprobe wird in einen Satz von "Instron"- Klemmbacken eingespannt, so daß sie 6 Inch auseinander liegen. Bei stationären "Instron"-Klemmbacken wird ein 500W-Heizstrahler in einer vorgegebenen Entfernung von der Folie eingeschwenkt und veranlaßt die Folie, zu schmelzen und zu schrumpfen anzufangen. Die Spannung im Schmelzzustand wird als eine Belastung auf dem "Instron"-Diagramm aufgezeichnet. Während die Schmelzspannung beginnt sich abzubauen, wird der Heizer enfernt und man läßt die Folie abkühlen. Die entwickelte Spannung unter Kühlung (Belastungsstabilität) wird ebenfalls auf dem "Instron"-Diagramm aufgezeichnet. Die Spannung im gekühlten und geschmolzenen Zustand wird erhalten, indem man die aufgezeichnete Belastung durch den ursprünglichen Querschnitt der Folie teilt. Diese Messung wird sowohl in MD- als auch TD- Richtung vorgenommen. Die Werte sind in Kilopascal (kPa) angegeben.
- 22. und 23. Die Festigkeit der Schmelze einer Schrumpfolie kann definiert werden als die Eigenschaft, die dem Dünnerwerden und der anschließenden Lochbildung (Durchbrennen) widersteht, wenn sie den Schrumpfspannungen, die frei werden, während die Folie sich im geschmolzenen Zustand im Schrumpfofen befindet, unterliegt. Die Festigkeit der Schmelze wird gemessen, indem man ein geeignetes Gewicht an eine Folienprobe von 1 Inch x 1 Inch in der Abmessung festklemmt, um die Eigenschaft entweder in Maschinen- oder Querrichtung zu messen. Die beschwerte Probe wird dann vollständig in ein Ölbad bei einer erhöhten Temperatur (üblicherweise 124ºC) eingetaucht. Dann wird die Zeit, bis die Folie unter dem angehängten Gewicht auseinanderreißt, als Festigkeit der Schmelze in Sekunden aufgezeichnet. Zum Beispiel wird üblicherweise für eine Probe von vier mil ein Gewicht von 18 Gramm, das in Öl eine Spannung von 57 kPa (8,3 psi) ergibt, verwendet. Die Ausfallzeit beträgt üblicherweise zwischen 10 und 70 Sekunden. Temperaturen und Gewichte werden gemäß Foliendicke und Schmelzpunkt variiert.
- Das Produkt von Beispiel 14 ist für Schrumpffolien-Anwendungen nicht akzeptabel.
Claims (4)
1. Extrusionsverfahren, bei dem unter Bedingungen, die eine
Schrumpffolie ergeben, ein lineares Copolymer niedriger
Dichte von Ethylen und mindestens einem α-Olefin mit 3
bis 6 Kohlenstoffatomen extrudiert wird, wobei das
Copolymer (i) eine Dichte im Bereich von etwa 0,915 bis
etwa 0,932 g/cm³; (ii) ein Gewichtsmittel des
Molekulargewichts von mindestens etwa 250000; (iii) ein
Verhältnis des Gewichtsmittels zum Zahlenmittel des
Molekulargewichts von mindestens etwa 6; und (iv) eine
Copolymer-Spezies mit einem Molekulargewicht von
mindestens etwa 500000 in einer Menge von mindestens
etwa 8 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des
Copolymers, aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Copolymer (i) eine
Dichte im Bereich von etwa 0,924 bis etwa 0,928 g/cm³;
(ii) ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts von
mindestens etwa 300000; (iii) ein Verhältnis des
Gewichtsmittels zum Zahlenmittel des Molekulargewichts
von mindestens etwa 7; und (iv) eine Konzentration der
hochmolekularen Spezies mit einem Molekulargewicht von
mindestens etwa 500000 von mindestens etwa 12
Gewichtsprozent aufweist.
3. Schrumpffolie, erhältlich nach dem Verfahren von
Anspruch 1 oder 2, mit den folgenden Eigenschaften:
(i) eine Schrumpfung bei etwa 135ºC von mindestens etwa
30 % in Maschinenrichtung und mindestens etwa 10%
in Querrichtung;
(ii) die Schmelzspannung entspricht Null oder positiven
kPa;
(iii)eine Spannung unter Kühlung von mindestens etwa 600
kPa; und
(iv) eine Festigkeit der Schmelze in Maschinen- und
Querrichtung bei etwa 135ºC von mindestens etwa 7
Sekunden.
4. Verfahren zur Schrumpfung einer Folie um einen
Gegenstand, welches umfaßt, daß man den Gegenstand mit
einer nach dem Verfahren von Anspruch 1 oder 2
erhaltenen Folie bei einer Temperatur im Bereich von
etwa 135ºC bis etwa 250ºC derart in Kontakt bringt, daß
die Folie den Gegenstand umgibt und schrumpft, bis die
Folie der Außenoberfläche des Gegenstands im
wesentlichen angepaßt ist.
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