DE4035196C2 - Verfahren zur Herstellung von Kunststoffolien aus thermoplastischen Kunststoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffolien aus thermoplastischen Kunststoffen nach dem Folienschlauchblasverfahren.

Das Folienschlauchblasverfahren ist ein Prozeß zur Her­ stellung von Folien aus thermoplastischen Kunststoffen, bei dem als charakteristisches Merkmal eine sogenannte Folienblase ausgebildet wird. Die Folienblase ist ein ausgeformtes Stück des Folienschlauches aus vorher pla­ stifiziertem Kunststoffmaterial, welches zwischen dem Folienblaskopf und den Abzugswalzen aufgespannt ist. Die Ausformung erfolgt dabei über die eingeschlossene und als Stützluft bezeichnete Luftblase.

Eine Folienblase "steht", wenn alle die Existenz der Folienblase begründenden und erhaltenden Einflüsse ei­ nen dynamischen Gleichgewichtszustand erreicht haben. Innerhalb dieses Gleichgewichtssystems ändern zwar die einzelnen Kunststoffteilchen ihren Platz und wandern unter Platzwechsel mit anderen Teilchen vom Blaskopf her zu den Abzugswalzen; in diesem thermodynamisch aus­ geglichenen, quasi stationären System befindet sich jedoch an jeder beliebigen Stelle immer die gleiche Masse mit der gleichen Energie und der gleichen Ge­ schwindigkeit. Es handelt sich jedoch nicht um diesel­ ben Masseteilchen.

Die einzelnen Kunststoffteilchen ändern auf dem Weg vom Blaskopf zu den Abzugswalzen sowohl ihre Viskosität als auch den Ordnungszustand ihrer molekularen Superstruk­ tur. Zur Erhaltung des thermodynamischen Gleichgewichts­ zustandes müssen demnach die von der Anlage und den Vorrichtungen ausgehenden Kräfte von dem System der Folienblase aufgenommen und wieder abgegeben werden. An unterschiedlichen Stellen einer sogenannten "stehenden" Folienblase befinden sich somit unterschiedliche Masse­ teilchen mit unterschiedlicher Energie und unterschied­ licher Geschwindigkeit. Dies ist die Folge der an un­ terschiedlichen Stellen unterschiedlichen Parameter wie insbesondere der Kühlung, des Aufblasverhältnisses, der Geschwindigkeit und des Rekristallisationszustandes.

Die Herstellung von Folien im Folienschlauchblasverfah­ ren ist ein Fertigungsprozeß, bei dem folgendes gleich­ zeitig stattfindet:

• - Von einem Extruder wird eine gewisse Menge eines bestimmten Kunststoffmaterials aufbereitet, plasti­ fiziert und gefördert.
• - Im Blaskopf wird dieses Material zu einem Rohr ge­ formt und über die Ringdüse des Blaskopfes mit einer berechenbaren Geschwindigkeit der Folienblase zuge­ führt.
• - Die Abzugswalzen übernehmen diesen geförderten Schlauchrohling und "ziehen" ihn über die einge­ schlossene Luftblase. Dabei erfolgt in Abhängigkeit von dem Aufblasverhältnis, der Geschwindigkeit, mit der die fertige Folie abtransportiert wird, der För­ dergeschwindigkeit im Düsenspalt und dem jeweiligen Verformungswiderstand eine Beschleunigung der Kunst­ stoffteilchen.
• - Außerhalb des Ringspaltes wird das ausgetretene Kunststoffmaterial einer Kühlung ausgesetzt. Hier­ durch wird dem Kunststoffmaterial Energie entzogen; es schrumpft und verfestigt sich unter Erhöhung der Viskosität.
• - Auf seinem weiteren Weg wird entsprechend der jewei­ ligen Beschleunigung der Kunststoffschlauch ver­ streckt und bei teilkristallinen Kunststoffen die Rekristallisation angeregt. Die dabei freiwerdende Kristallisationswärme entspricht der beim Plastifi­ zieren zugeführten Schmelzwärme. Diese Wärmemenge führt dann in einem Bereich der Folienblase erneut zu einer Erniedrigung der Viskosität.
• - Der zur Folienblase aufgeweitete Kunststoffschlauch wird, wenn er den Durchmesser der zu fertigenden Folie erreicht hat, schließlich flachgelegt, im Spalt der Abzugswalzen abgequetscht und zur Aufwick­ lung der fertigen Folie weitertransportiert.

Bei diesem Prozeß durchwandert somit jedes einzelne Masseteilchen vom Extruder bis zur Aufwicklung die ver­ schiedenen Zonen der Folienblase und ändert dabei seine Energie und seine Geschwindigkeit. Die Folienblase als ganzes bleibt dabei aber ortsstabil, unabhängig davon, an welcher Stelle die Kräfte aufgenommen und/oder abge­ geben werden und unter welchen Bedingungen ein Energie­ austausch mit dem Umfeld stattfindet.

Diese ortsstabile Folienblase nimmt unter dem Einfluß der vorgegebenen und eingestellten Prozeßparameter eine charakteristische Form an, die sich so lange nicht ver­ ändert, wie die von der Verfahrensweise der vorliegen­ den Blasanlage und vom Umfeld erzeugten Bedingungen stabil bleiben. In der Gestalt der Folienblase spiegelt sich daher die gesamte Verfahrensweise wider. Mögliche Änderungen einzelner Prozeßparameter erzeugen ganz be­ stimmte Änderungen bei der Form der Folienblase.

Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine typische Form einer Folienblase, wie sie bei der Verwendung von LDPE (low density polyethylene) auftritt. Dabei ist der Ursprung des eingezeichneten Koordinatensystems in das Zentrum des Ringdüsenwerkzeugs verlegt. Die bei der Verarbeitung von LDPE erzeugte Folienblase besteht aus einem paraboloiden Ab­ schnitt (durch Rotation der Figur um die Y-Achse), der in einen zylindrischen Abschnitt übergeht. Das Ende des zylindri­ schen Abschnitts ist durch den Ort des Zusammenlegens des Folienschlauches bestimmt.

Die Fig. 2 zeigt eine Blasenform, wie sie bei einem bereits optimierten Verfahren unter Verwendung von HDPE (high density polyethylene) typischerweise vorliegt, und zwar ebenfalls im Querschnitt. Die räumliche Form dieses Folienschlauches ergibt sich durch Rotation der gezeigten Figur um die Y-Achse des eingezeichneten Koordinatensystems, dessen Ursprung ebenfalls im Ringdüsenwerkzeug liegt. In einem Abschnitt (c), der bei ideal er Arbeitsweise eine kegelstumpfförmige Gestalt aufweist (Arbeiten mit Einschnürung gemäß der DE-PS 24 26 677) schließt ein Abschnitt (b) an, bei dem der kegelstumpfförmige bis zylindrische Teil (c) in den Abschnitt (a) übergeht. Der Abschnitt (a) ist ebenfalls ein Paraboloid und geht seiner­ seits in einen zylindrischen Abschnitt über. Der vom Ringspalt ausgehende zylindrische bis kegelstumpfförmige Teil wird auch als sogenannter "langer Hals" bezeichnet.

Stand der Technik

Die DE 32 41 192 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bildung einer Blasfolie, wobei die Produktionsrate der Blasfolie aus thermoplastischem Harz mit einer Schmelzspannung von höchstens 4 g gesteigert wird. Die Folienblase wird dabei gekühlt.

Die Zeitschrift "Plastverarbeiter" 32. Jg. 1981, Nr. 9, Seite 1219 beschreibt, daß im Ringspalt des Düsenwerkzeugs eine "Schergeschwindigkeit" vorliegt. Es wird mit einer reduzierten Schergeschwindigkeit gearbeitet, um der Orientierung der Moleküle entgegenzuwirken. Das aus dem Ringspalt austretende plastifizierende Material entspricht mindestens dem Spalt­ durchmesser des Düsenwerkzeuges, welches sich erst im weiteren Verlauf des Folienblasens verjüngt.

Der DE 28 16 583 A1 liegt die Aufgabe zugrunde, die Ausstoß­ leistung von Folienblasanlagen entsprechend der von der Temperatur der Umgebungsluft und der Temperatur der Kühlluft abhängigen Kühlleistung zu optimieren. Es handelt sich dabei um ein Verfahren, mit dem eine nach Breite und Dicke zu fertigende Folien in Bezug auf ihre Dicke am Anfang der Folienblase gefahren werden kann.

Die DE 30 14 989 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung der Foliendicke der, in einer Blasfolienextruderanlage hergestell­ ten Schlauchfolien mit einem in mit Stellgliedern versehenen Temperiersektoren gleiche Umfangslänge aufgeteilten Düsen­ ringes.

Die DE 84 28 566 U1 beschreibt eine Kühlvorrichtung für einen durch Strangpressen hergestellten Folienschlauch.

Die DE 34 36 881 A1 beschreibt eine Kühlvorrichtung für aus einem Folienblaskopf extrudierte Kunststoffschlauchfolien mit Luft­ kühlung.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, ein Verfahren zu beschreiben, mit dem sich das Folien­ schlauchblasverfahren optimieren läßt. Insbesondere soll die Produktmenge gesteigert werden, ohne daß die Qualität des Folienproduktes darunter leidet. Durch die Optimierung soll die Wirtschaftlichkeit des Folienschlauchblasverfahrens gesteigert werden.

Will man beim Folienschlauchblasverfahren die Menge des herzustellenden Produktes vergrößern, so muß man die Abzugsge­ schwindigkeit erhöhen. Bei gleicher flachgelegter Breite und Wandstärke der ausgeformten, fertigen Folie muß dann die Menge des vom Extruder plastifizierten und geförderten Kunststoff­ materials im gleichen Verhältnis erhöht werden. Die jeweiligen Prozeßparameter stehen jedoch in einem delikaten Verhältnis zueinander und können nicht ohne weiteres beliebig variiert werden, da ansonsten das oben beschriebene, quasi stationäre System derartig gestört wird, daß die Qualität der Folien in nicht vertretbarem Maße leidet.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren beschrieben, welches er­ laubt, die Abhängigkeit der Prozeßparameter zu erfassen und aufeinander abzustimmen. Es handelt sich dabei um ein Verfah­ ren zur Herstellung von Kunststoffolien aus thermoplastischen Kunststoffen nach dem Folienschlauchblasverfahren, bei dem bei konstanter Förderungsmenge des geschmolzenen Kunststoff­ materials durch ein Düsenwerkzeug unter Beibehaltung der Spaltbreite des Düsenwerkzeugs die Oberfläche der Folienblase in der Schlauchbildungszone durch die Wahl kleinerer Aufblas­ verhältnisse vergrößert wird, wodurch die Wandstärke des ausgetretenen Schlauchrohlings verkleinert wird, zur Verbes­ serung der Kühlbedingungen bei ansonsten konstanten Parametern der hergestellten Folie, danach die Abzugsgeschwindigkeit erhöht wird und eine entsprechende Anpassung der durchgesetz­ ten Menge an Rohmaterial erfolgt.

Die in den Unteransprüchen formulierten Merkmale stellen besondere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Blasenformen können durch optisch und rechnerisch erfaßbare geometrische Parameter beschrieben werden, die ihre Gestalt bei Änderung der Prozeß­ parameter auch entsprechend verändern. Die nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren einzustellenden Änderungen können mittels eines analytischen Verfahrens gemäß dem sogenannten geometrischen Modell erfaßt werden. Änderungen der Prozeßpara­ meter bewirken eindeutige Veränderungen der Folienblasenform. Die anhand der jeweiligen Deformationen des Kunststoffmate­ rials sich ergebenden Kurven können zur Berechnung des gesam­ ten Deformationsvorganges herangezogen werden. Das geometri­ sche Modell gestattet so mit relativ einfachen mathematischen und theoretischen Kenntnissen eine Optimierung des Folienblas­ verfahrens, in dem einzelne Prozeßparameter berechnet bzw. aus der Folienblasenform ermittelt werden und so vorbestimm­ bare Veränderungen möglich sind. Dies kann auch mittels automatisierbarer Steuer- und Regelungstechniken durch ent­ sprechend ausgestaltete Software und rechnergesteuerte Ände­ rungen der genannten Parameter erfolgen.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es somit unter Verwendung des geometrischen Modells erstmals möglich, gezielt durch Operationen das Folienblasver­ fahren zu optimieren. Es muß dabei nicht auf komplexe rheologische und thermodynamische Vorgänge Bezug genom­ men werden. Die Grundlage des geometrischen Modells bilden nämlich folgende einfache meßbare und errechen­ bare Grundparameter:

• 1. der verarbeitete Kunststoffrohstoff mit seinen Stoff­ werten wie Schmelzenviskosität, Dichte, Wärmeinhalt und Wärmeleitfähigkeit sowie sein Molekülaufbau und die kristalline Struktur;
• 2. die zu fertigende Folie, die mit ihren meßbaren Wer­ ten für die doppeltflachgelegte Breite und die Wand­ stärke vorgegeben ist. Eine Überprüfung der gemesse­ nen Wandstärke erfolgt in der Praxis beispielsweise durch Wägung einer bestimmten Menge der gefertigten Folie gemäß der Gleichung Länge × Breite × Wandstärke × Dichte = Gewicht der Folie;
• 3. die Abzugsgeschwindigkeit als meß- und errechenbare Größe. Bei modernen Fertigungsanlagen wird die Ab­ zugsgeschwindigkeit bei laufendem Betrieb ständig angezeigt;
• 4. das Aufblasverhältnis als Verhältnis des Durchmes­ sers des zu fertigenden Folienschlauches zum mittle­ ren Durchmesser des Ringspalts beim Blaswerkzeug.
  Der Durchmesser des zu fertigenden Folienschlauches errechnet sich aus der doppeltflachgelegten Breite der fertigen Folie, die gleich dem halben Umfang ist nach der Beziehung Umfang = Durchmesser × π. Der mittlere Durchmesser des Ringspalts ist beim Einbau in den Blaskopf zu messen;
• 5. die Fördergeschwindigkeit im Ringkanal des Extru­ sionswerkzeuges. Beim rechnerischen Ermitteln geht man von der trivialen Voraussetzung aus, daß die Menge des Kunststoffes für die herzustellende Folie pro Zeiteinheit gleich der Menge des Rohstoffes ist, die der Extruder in der gleichen Zeit aufzubereiten und zu fördern hat. Aus der doppeltflachgelegten Breite des Folienschlauches, der Wandstärke und der Abzugsgeschwindigkeit läßt sich das Volumen der pro Zeiteinheit hergestellten fertigen Folie berechnen.
  Aus dem Produkt des Umfangs des Ringwerkzeuges in cm und der Spaltweite in cm ergibt sich das Spaltvolu­ men in cm³/cm. Der Quotient aus dem Volumen der zu fertigenden Folie in cm³/sec und dem Spaltvolumen in cm³/cm ist dann die Fördergeschwindigkeit in cm/sec unter Vernachlässigung der unterschiedlichen Werte der Dichte der fertigen Folie und der Dichte des plastischen Materials im Spalt. Die tatsächliche Geschwindigkeit im Spalt ist dann wegen der gerin­ geren Dichte im Spalt entsprechend etwas höher. Falls erforderlich, läßt sie sich mit Hilfe des Dichteverhältnisses aber auch berechnen.
• 6. Bei der Kühlung als weiterem Prozeßparameter muß man zunächst ganz allgemein die Wärmeabgabe des die Fo­ lienblase bildenden Kunststoffmaterials an das Um­ feld berücksichtigen. Diese Wärmeabgabe setzt sich zusammen aus der Wärmestrahlung, die von der Ober­ fläche und der Oberflächentemperatur abhängig ist, und der Wärmeabgabe durch Wärmeübergang auf die durch den Kühlring an die Folienblase herangebrachte Luftströmung. Da die Wärmeabgabe durch Strahlung in der Praxis nicht zu beeinflussen ist - wenn man von der möglichen Veränderung der Gesamtoberfläche und ihrer Temperatur absieht - bleibt als wesentlicher Prozeßparameter die Kühlluftmenge und ihre Geschwin­ digkeit.

Die wechselseitigen Abhängigkeiten der Prozeßparameter und die Wirkungen möglicher Veränderungen im Betriebs­ zustand sind wie folgt gegeben:
Bedingt durch das Produktionsziel, aus einem bestimmten Rohstoff eine durch Breite und Wandstärke festgelegte Folie herzustellen, werden wesentliche Parameter vorge­ geben. Durch die Wahl des Ringdüsenwerkzeuges und die aus der Erfahrung zu erwartende Produktionsleistung werden dann bereits alle veränderbaren Prozeßparameter festgelegt. Somit bleibt für die Prozeßsteuerung le­ diglich die Kühlung so einzustellen, daß sich eine sta­ bile Blasenform von selbst bildet. Nach dem Stand der Technik waren, bedingt durch die Leistung der Kühlrin­ ge, die Wandstärke der herzustellenden Folien und die Bauhöhe der Abzugseinrichtung für die LDPE-Folien, Ab­ zugsgeschwindigkeiten von 5 m/min bis 7 m/min im Be­ reich der möglichen Produktionsleistung. Auch bei den HDPE-Folien waren trotz besserer Kühlbedingungen und der möglichen geringeren Bauhöhe der Abzugseinrichtung zunächst keine größeren Abzugsgeschwindigkeiten zu er­ reichen, wenn bei einem Aufblasverhältnis von 6 : 1 bis 10 : 1 gearbeitet wurde. Nach der Offenbarung der DE 24 26 677 C2 ergab sich die Realisierung von wesentlich größeren Abzugsgeschwindigkeiten. Die danach einsetzen­ de Entwicklung beim Maschinenbau für Folienblasanlagen führte dann auch zu höheren Abzugsgeschwindigkeiten bei der Herstellung von LDPE-Folien. Die wechselseitigen Abhängigkeiten der Prozeßparameter und insbesondere die Möglichkeit einer gezielten Einflußnahme auf einzelne Parameter wurden jedoch nicht erkannt und fanden daher im Stand der Technik keinen Niederschlag. Man entwickel­ te lediglich bessere Kühlleistungen und damit eine grö­ ßere Produktion im Rahmen der durch die übrigen Parame­ ter gesteckten Grenzen. Man ging vom Aufblasverhältnis von 3 : 1 bis 4:1 aus, so daß dadurch auch weiterhin durch die Formulierung des Produktionszieles, eine be­ stimmte Folie herzustellen, alle anderen Prozeßbedin­ gungen im wesentlichen festgelegt waren.

Will man beim Folienschlauchblasverfahren die Menge des herzustellenden Produktes vergrößern, so muß man die Abzugsgeschwindigkeit erhöhen. Bei gleicher flachgeleg­ ter Breite und Wandstärke der ausgeformten fertigen Folie muß dann die Menge des vom Extruder plastifizier­ ten und geförderten Kunststoffmaterials im gleichen Verhältnis erhöht werden.

Die Wärmemenge, die pro Fördersekunde der Folienblase zugeführt wird, ist dann mindestens auch im gleichen Verhältnis größer, wenn man die durch die größere Ex­ truderleistung zusätzlich mitgeführte Energie durch Druck- und Temperaturerhöhung nicht berücksichtigt.

Die der Folienblase zugeführte Menge Q₁/sec ist dann auch in jedem beliebigen Schlauchabschnitt
Q₁/sec = e × d × π × h × w × γ × Δt.

In dieser Gleichung bedeutet:
e die spezifische Wärme
d der mittlere Durchmesser des Schlauchabschnitts
h die Höhe des Schlauchabschnitts
w die mittlere Wandstärke des Schlauchabschnitts
γ die Dichte
Δt die Temperaturdifferenz.

Soll die Folienblase stabil bleiben, so muß die an das Umfeld abgegebene Wärmemenge Q₂ mindestens gleich der zugeführten Wärmemenge sein. Die durch Kühlung abzufüh­ rende Wärmemenge ist abhängig von der Wärmeleitfähig­ keit, der Oberfläche, der Wandstärke und der Tempera­ turdifferenz. Sie ist

In dieser Gleichung bedeutet
k die Wärmeleitfähigkeit
d der mittlere Durchmesser des Schlauchabschnitts
h die Höhe des Schlauchabschnitts
d die mittlere Wandstärke des Schlauchabschnitts
Δt die Temperaturdifferenz.

Wird nun Q₁ durch die erwünschte Leistungssteigerung größer, so muß die Oberfläche des Schlauchabschnittes entsprechend größer werden oder die Wandstärke kleiner gehalten werden können. Die Fig. 3 zeigt die Geometrie des Deformationsvorgangs eines Schlauchabschnittes. Ist die durch die Leistungssteigerung zusätzlich mitgeführ­ te Wärme in einem Schlauchabschnitt größer, so muß die Höhe nach dem Verstrecken des Schlauchabschnittes grö­ ßer werden, da sonst bei gleicher Oberfläche die größe­ re Wärmemenge nicht in der Zeit abgeführt werden kann; es sei denn, die Kühlintensität könnte in diesem Schlauchabschnitt gesteigert werden. Die Abschnitte (a), (b) und (c) der Fig. 1 und 2 werden demnach größer, so daß der Abstand zwischen Folienblaskopf und Abzugs­ walzen wesentlich vergrößert werden muß. Da außerdem die Endwandstärke durch die zu fertigende Folie festge­ legt ist, wird die Wandstärke infolge der größeren axialen Verstreckung im jeweils vorherigen Abschnitt größer und damit auch die Kühlbedingungen wiederum schlechter. Daraus ergibt sich dann, daß die Abschnitte (a), (b) und (c) überproportional vergrößert werden müssen.

Die Grenzen einer Leistungssteigerung nach dem Stand der Technik werden somit durch den Abstand zwischen Blaskopf und Abzugswalzen einerseits und andererseits durch die aus den größeren Wandstärken resultierenden schlechteren Kühlbedingungen festgelegt. Diese Grenz­ werte machen sich insbesondere bei der Verarbeitung von LDPE bemerkbar.

Bei der Verarbeitung von HDPE bestimmt die Folienquali­ tät in erster Linie den Grenzwert der Leistungssteige­ rung. Da bei Vergrößerung des Abschnitts (a) die axiale Verstreckung gegenüber der radialen Verstreckung über­ wiegt, läßt sich die für die Festigkeit erforderliche gleichmäßige biaxiale Verstreckung nicht mehr realisie­ ren. Auch kann durch die größere Verstreckung im Ab­ schnitt (c) und damit die Erhöhung der Wandstärke des aus dem Ringspalt ausgetretenen Kunststoffmaterials die gemäß DE 24 26 677 C2 geforderte Wandstärke als Grenz­ wert der zulässigen Wandstärke nicht eingehalten wer­ den. In diesem Fall wird die radiale Verstreckung zu­ sätzlich kleiner, da keine Einschnürung am Ende des "langen Halses" eintritt. Die axiale Verstreckung im Abschnitt (c) addiert sich mit der axialen Verstreckung in den Abschnitten (b) und (a), so daß es zur Zerstö­ rung der kristallinen Überstruktur kommt.

Anhand des für das erfindungsgemäße Verfahren zugrunde gelegten geometrischen Modells lassen sich für LDPE und HDPE die Grenzen der Leistungssteigerung für jede her­ zustellende Folie berechnen und somit das Verfahren derartig ausgestalten, daß es den jeweilig optimalen Grenzbedingungen entspricht. Es zeigt sich dabei, daß als eine der Maßnahmen eine separate Kühlung des Fo­ lienschlauches im Abschnitt (a) vorgenommen werden muß. Vorzugsweise kann dies durch eine Kühlringkühlung er­ folgen. In diesem Bereich (a) der Folienblase sind die Wandstärken stets relativ gering, so daß durch die Küh­ lung die mitgeführte Wärme auch abgeführt werden kann. Die dadurch mögliche Erhöhung der Viskosität erhöht den Verformungswiderstand und führt im Ergebnis zu geringe­ rer axialer Verstreckung.

Die Fig. 4 und 5 zeigen schematisch die Wirkung der erfindungsgemäßen Kühlung im Abschnitt (a), jeweils für LDPE- und HDPE-Folien.

Die Fig. 4 betrifft die Wirkung auf LDPE-Folien. Es zeigt sich, daß bei einem gemäß Stand der Technik ein­ zuhaltenden Raumbedarf von 5 m eine Leistungssteigerung bei der Folienherstellung einen Raumbedarf von ca. l4 m bedeuten würde, dieser jedoch praktisch auf den Raumbe­ darf des Standes der Technik reduziert werden kann durch Kühlung des Schlauches im Abschnitt (a). Zusätz­ lich können durch geeignete mechanische Maßnahmen, näm­ lich Reduzierung des Durchmessers mittels beispielswei­ se einer Irisblende, diese Maßnahmen unterstützt wer­ den.

Die Fig. 5 zeigt ebenfalls schematisch die konzertier­ ten Maßnahmen gemäß der Erfindung für das Erstellen eines Folienschlauches mit HDPE.

Bei entsprechender Kühlung wird der Abschnitt (a) klei­ ner und damit auch die Wandstärke im Abschnitt (b). Als weiterer Parameter, der erfindungsgemäß zur Optimierung des Blasverfahrens modifiziert werden soll, kann im Abschnitt (b) durch mechanisch und/oder strömungstech­ nisch wirkende Vorrichtungen eine Begrenzung des Durch­ messers erfolgen. Hierdurch erreicht man, daß bei LDPE der aufsteigende obere Parabelast auf den Durchmesser der fertigen Folie reduziert wird. Als Folge davon folgt eine geringere axiale Verstreckung im Abschnitt (c) und damit eine kleinere Wandstärke des aus der Ring­ düse ausgetretenen plastischen Materials.

Im Zusammenwirken mit einer intensiven Kühlung im Ab­ schnitt (a) und gegebenenfalls auch (b) läßt sich so erreichen, daß auch LDPE-Folien mit dem sogenannten "langen Hals" gefahren werden können. Bei HDPE-Folien führt eine gesteuerte Reduzierung des Durchmessers im Bereich der Einschnürung am Ende des "langen Halses" zu einer größeren radialen Verstreckung im Abschnitt (a) und damit steuerbar zu besseren Folienqualitäten.

Weiterhin soll bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit kleineren - als nach dem Stand der Technik üblich - Aufblasverhältnissen gearbeitet werden. Dadurch wird erreicht, daß die Oberfläche im Abschnitt (c) vergrö­ ßert und somit die Wirkung der Kühlung in diesem Be­ reich verbessert wird.

Die nach der Erfindung vorteilhafte Verwendung von Ring­ düsenwerkzeugen mit größeren Spaltdurchmessern und/oder Spaltweiten reduziert dann auch die Fördergeschwindig­ keiten im Spalt. Dadurch erreicht man, daß die Beschleu­ nigung des im Ringspalt geförderten Materials - da die Fördergeschwindigkeit kleiner ist gegenüber der Ge­ schwindigkeit des aus der Ringdüse ausgetretenen Mate­ rials - zu einer Reduzierung der Wandstärke im Spalt führt, und zwar an der Stelle, wo die vom Extruder re­ sultierende Druckströmung in die Zugströmung der Ab­ zugseinrichtung übergeht.

Rechnerisch kann man die Wandstärke an dieser Stelle ermitteln, indem man zunächst die Geschwindigkeit des aus der Ringdüse ausgetretenen Kunststoffmaterials durch die Fördergeschwindigkeit dividiert und aus die­ ser Verstreckung mit Hilfe der Prozeßkonstanten (Ge­ schwindigkeit × Radialverformung × Wandstärke) die Wand­ stärke berechnet. Diese Verstreckung im Spalt eröffnet in Zusammenwirkung mit einer weiteren Maßnahme eine gezielte Beeinflussung der Viskosität des plastifizier­ ten Kunststoffes im Spalt. Erfindungsgemäß soll diese weitere Maßnahme darin bestehen, daß zwischen Ringdü­ senwerkzeug und dem eigentlichen Folienblaskopf eine thermisch wirkende Trennung vorgesehen ist, damit das Ringdüsenwerkzeug und der Bereich im und am Spalt sepa­ rat und gezielt gekühlt werden können. Die auf diese Weise zu beeinflussende Wärmemenge, die der Folienblase zugeführt wird, führt im Zusammenwirken mit den übrigen Maßnahmen zu einer Reduzierung der Wandstärken im ge­ samten Bereich der Folienblase. Da jedoch die Wandstär­ ke der zu fertigenden Folie vorgegeben ist, folgt aus der Wandstärkenreduzierung im übrigen Bereich auch eine Reduzierung der Materialmenge, aus der die Folienblase gebildet wird. Die Geschwindigkeit, mit der die Masse­ teilchen vom Blaskopf bis zu den Abzugswalzen wandern, ist von Anfang an größer.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Optimierung des Folienschlauchblasverfahrens werden die Prozeßpara­ meter in ihrer wechselseitigen Abhängigkeit anhand von Modellrechnungen nach dem sogenannten geometrischen Modell entwickelt. Des weiteren ist bei der Folienblase im zylindrischen Teil bei LDPE bzw. im Bereich der bi­ axialen Deformation bei HDPE mindestens eine steuerbare Kühlringkühlung vorgesehen. Im Bereich der Rekristalli­ sation wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Durchmesser der Folienblase durch mechanisch und/oder strömungstechnisch wirkende Vorrichtungen begrenzt wird. Des weiteren wird durch die Wahl kleinerer Auf­ blasverhältnisse als nach dem Stand der Technik üblich die Oberfläche der Folienblase zwischen Ringdüse und Rekristallisationszone vergrößert und somit ebenfalls eine Produktionssteigerung ermöglicht. Ein Verstrecken des im Ringspalt geförderten Kunststoffmaterials vor Verlassen des Ringspaltes bewirkt ebenfalls erfindungs­ gemäß ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Kunststoffolien. Als weitere Maßnahme wird erfindungs­ gemäß beschrieben, die Kunststoffschmelze im Ringspalt zu kühlen bzw. zu temperieren. Des weiteren soll das Kunststoffmaterial durch geeignete Beimischungen und/ oder Aufbereitungsverfahren so verändert werden, daß seine Schmelzenviskosität und/oder seine Stoffkonstan­ ten e, k und γ eine weitere Optimierung des Blasverfah­ rens ermöglichen. Die wechselseitigen Abhängigkeiten der einzelnen Prozeßparameter werden in den folgenden Beispielen näher erläutert:

Beispiel 1

In Fig. 6 sind die typischen Blasenformen, die sich bei der Fertigung einer Folie mit einer doppeltflachge­ legten Breite von 450 mm und einer Wandstärke von 15 µm bei einem Aufblasverhältnis von 3:1 einstellen, darge­ stellt. Um die Deformation für LDPE und HDPE in optisch gleiche Bereiche zu unterteilen, wurde auf einen kor­ rekten Maßstab in axialer Richtung verzichtet, so daß es sich hier um eine schematische Darstellung handelt.

Die bei A fertig ausgeformte Folie wird mit einer Ab­ zugsgeschwindigkeit von 40 m/min gefertigt. Das Folien­ volumen ist dann 2 × 45 × 0,0015 × 4000 = 540 cm³/min.

Da die Menge der fertigen Folie gleich der Menge des vom Extruder plastifizierten Rohstoffes ist, muß der Extruder bei LDPE mit einer Dichte von 0,92 540 cm³/min × 0,92 g/cm³ = 496,8 g/min und bei HDPE mit einer Dichte von 0,95 entsprechend 513 g/min thermopla­ stisches Material fördern. Das entspricht bei LDPE ei­ ner Leistung des Extruders von 29,8 kg/h und bei HDPE einer Leistung von 30,78 kg/h. Die Fördergeschwindig­ keit im Düsenspalt ist unabhängig von der Dichte des eingesetzten Rohstoffes bei einem mittleren Spaltdurch­ messer von 9,5 cm und einer Spaltweite von 0,1 cm und damit einem Spaltvolumen von 9,5 × π × 0,1 × 1 = 2,98 cm³/cm aus dem Verhältnis vom Fördervolumen zum Spaltvolumen zu berechnen. Dies beträgt 540 cm³/min 2,98 cm³/cm = 181 cm/min.

Diese Fördergeschwindigkeit ist unter Berücksichtigung der Tatsache, daß im Düsenspalt eine höhere Temperatur und daher eine kleinere Dichte anzusetzen wäre, ent­ sprechend größer. Sie erhöht sich im Spalt um einen Faktor aus dem Dichteverhältnis. Wenn man jedoch den Einfluß der unterschiedlichen Werte für die Dichte in der Rechnung berücksichtigen will, so müßten auch die entsprechenden anderen Werte für die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärme Berücksichtigung finden, wo­ durch der Fehler bei Ansatz der Dichte von Raumtempera­ tur zum Teil auch kompensiert wird. Da jedoch im Düsen­ spalt auch ein Förderdruck existiert und das aus dem Spalt herausgetretene plastische Material der Kühlung ausgesetzt ist und dabei schrumpft, kann man für Berech­ nungen im gesamten Folienschlauchblasprozeß von den Stoffwerten bei Raumtemperatur ausgehen. Im übrigen ist beim Vernachlässigen von Werten mit der Volumendimen­ sion cm³ die Auswirkung des Fehlers auf die Wandstärke der Folienblase mit der Dimension cm lediglich nur noch in der Größenordnung der dritten Wurzel dieses Fehlers und damit sicherlich vernachlässigbar klein.

Das aus dem Düsenspalt ausgetretene Kunststoffmaterial wird gekühlt und infolge der wesentlich höheren Abzugs­ geschwindigkeit verstreckt. Diese Verstreckung ist aus der Blasenform entnehmbar. So wird der Folienschlauch aus LDPE im Abschnitt C-B entsprechend der Parabel­ form Y = x² verstreckt und anschließend im zylindri­ schen Teil B-A im Verhältnis 1 : 3. Demgegenüber ergibt sich aus der Blasenform bei HDPE im Abschnitt B-A eine Verstreckung nach der Parabelgleichung Y = 1/3 X² Für die Verstreckung im zylindrischen Teil C-B ist dann bei entsprechender Kühlung ein Wert von 1:3 zu erreichen. In den in der Fig. 6 dargestellten Beispie­ len errechnen sich dann die Wandstärken des aus dem Ringspalt ausgetretenen plastischen Materials bei LDPE mit 1215 µm und bei HDPE entsprechend mit 405 µm. Die Berechnung dieser Werte ergibt sich aus der Tatsache, daß an jeder beliebigen Stelle der Kunststoffblase das Produkt aus der Wandstärke, der radialen Verformung und der Geschwindigkeit, mit der die Masseteilchen bewegt werden, eine Konstante ist. Beobachtet man bei "stehen­ der" Folienblase Änderungen der Kühlung, so zeigen sich bei LDPE und HDPE entgegengesetzt verlaufende Auswirkun­ gen. Bei Verringerung der Kühlung wandert bei LDPE der Punkt "B" in Richtung "C" und bei HDPE in Richtung "A". Bei erhöhter Kühlung wird bei LDPE der zylindrische Abschnitt B-A kleiner. Bei HDPE wird sowohl der zy­ lindrische Abschnitt C-B und der Abschnitt der bi­ axialen Verstreckung B-A kleiner. Die Grenzen für derartige Änderungen der Kühlung sind jedoch für eine stabile Blasenform und damit für eine betriebssichere Fertigung sehr eng. Sind demnach durch die Aufgabe aus einem bestimmten Rohstoff eine nach Breite und Wand­ stärke festgelegte Folie zu fertigen, so wird durch die Wahl von Aufblasverhältnis und Abzugsgeschwindigkeit die entsprechende richtige Kühlung bereits vorgegeben. Aufblasverhältnis und Abzugsgeschwindigkeit werden da­ bei nach der maschinellen Einrichtung und der Erfahrung im jeweiligen Betrieb bestimmt. Die Kühlung ist nach dem Stand der Technik dabei stets nur der Parameter, der eine sichere Produktion garantiert, und wird mehr oder weniger intuitiv ermittelt.

Beispiel 2 Änderung einzelner Prozeßparameter Änderung der Abzugsgeschwindigkeit

Ändert man bei den gemäß Fig. 6 dargestellten Beispie­ len die Abzugsgeschwindigkeit, so ändert sich die Fo­ lienblase, da die von der Abzugsgeschwindigkeit abhän­ gige Beschleunigung der Masseteilchen zu anderen Ge­ schwindigkeiten und damit zu anderen Verstreckungen führt. Wird zum Beispiel die Abzugsgeschwindigkeit auf 60 m/min erhöht, so verändert sich die Wandstärke der fertigen Folie. Aus dem konstanten Wert für das Produkt Geschwindigkeit × Radialverformung × Wandstärke läßt sich der Wert für die Wandstärke der fertigen Folie errechnen. Es ist nämlich die Konstante

40 × 3 × 15 = 1800 = 60 × 3 × 10

und daher die Wandstärke der fertigen Folie bei einer Abzugsgeschwindigkeit von 60 m/min gleich 10 µm.

Der Abschnitt B-A wird größer. Bei LDPE zeigt sich eine Verstreckung in diesem Abschnitt von 1 : 4. Bei HDPE stellt sich eine biaxiale Verformung der Parabelform ein, die der Gleichung Y = 1/2 X² entspricht. Daraus läßt sich errechnen: Die Wandstärke der Folienblase mit LDPE bei dem Punkt "B" ist 4 × 10 = 40 µm bei einer Geschwindigkeit von 15 m/min. Die Folienblase bei der Fertigung mit HPDE hat bei "B" eine Wandstärke von 4,5 × 3 × 10 = 135 µm und eine Geschwindigkeit von 13,3 m/min.

Die Blasenform im Bereich C-B ändert sich bei der Verarbeitung von LDPE und ausreichender Kühlung nicht, so daß eine Verformung entsprechend der Parabel Y = X² erhalten bleibt. Die Geschwindigkeit des aus der Ring­ düse ausgetretenen plastischen Kunststoffes ändert sich aber. Sie ist 15 : 9 = 1,66 m/min. Die Wandstärke wird dabei 1080 µm stark.

Bei der Verarbeitung von HDPE ändert sich die Blasen­ form im Abschnitt C-B nicht, so daß die Wandstärke des aus dem Ringspalt ausgetretenen Materials mit 405 µm auch unverändert bleibt.

Wird demgegenüber mit einer geringeren Abzugsgeschwin­ digkeit, zum Beispiel mit 24 m/min gefahren, so wird die Wandstärke der fertigen Folie w = 1800 : 24 : 3 = 25 µm. Aus der Blasenform der LDPE-Folie ergibt sich bei entsprechender Kühlung im Abschnitt B-A eine Ver­ streckung von 1 : 3 und im Abschnitt C-B eine biaxiale Verformung entsprechend der Parabelgleichung Y = 3/4 X². Die Wandstärken- und Geschwindigkeitswerte sind dann bei "B": 8 m/min und 75 µm bei "C": 8/6,75 = 1,18 und 1525 µm.

Die Blasenform der HDPE-Folie zeigt im Abschnitt B-A eine biaxiale Verformung entsprechend der Parabelglei­ chung Y = 2/5 X², so daß bei "B" eine Wandstärke von 270 µm vorliegt bei einer Geschwindigkeit von 6,66 m/min.

Die Wandstärke des aus der Ringdüse ausgetretenen Kunst­ stoffmaterials beträgt dann bei einer Verformung im Bereich des "langen Halses" von 1 : 3 810 µm. Sie liegt damit über dem Wert des nach der DE-PS 24 26 677 ange­ gebenen Maximalwertes für die Wandstärke. Folien aus HDPE mit einer Wandstärke von 25 µm können daher mit einem Aufblasverhältnis von 3 : 1 und größer nicht mit guten Festigkeiten gefertigt werden.

Beispiel 3 Änderung des Aufblasverhältnisses

Wird bei der in der Fig. 6 dargestellten Fertigung, zum Beispiel durch Einbau eines Düsenwerkzeuges, mit einem Durchmesser von 13 cm und einer Spaltweite von 0,1 cm gearbeitet, so hat das Aufblasverhältnis einen Wert von 2,2 : 1. Als Folge des geringeren Aufblasver­ hältnisses haben die Kurven der biaxialen Verformung sowohl am Düsenspalt bei LDPE als auch am Ende des "langen Halses" bei HDPE eine größere Steigung. Als Bild dieser Verformungen sind daher Parabelgleichungen Y = a × X² anzusetzen. Dabei hat a in Abhängigkeit von Abzugsgeschwindigkeit und Kühlung einen aus der Blasen­ form ermittelbaren Wert. Im zylindrischen Teil der Fo­ lienblase sind die Kühlbedingungen wegen des größeren Durchmessers und damit der größeren Oberfläche bedeu­ tend besser. Mit einem Aufblasverhältnis von 2,2 : 1 kön­ nen demnach dann auch Folien aus HDPE mit einer Wand­ stärke von 25 µm bei einer Abzugsgeschwindigkeit von 24 m/min mit guten Festigkeiten gefertigt werden. Die Konstante aus dem Produkt Geschwindigkeit × Radialver­ formung × Wandstärke ist in diesem Fall 24 × 2,2 × 25 = 1320. Die Wandstärke am Ende des "langen Halses" be­ trägt bei einer Deformation entsprechend der Parabel Y = 2/3 X² 177,5 µm, so daß bei einer Verstreckung im "langen Hals" von 1 : 3 die Wandstärke des aus der Ring­ düse ausgetretenen Kunststoffmaterials 533 µm beträgt. Mithin ist die Wandstärke damit kleiner als der Wert, der sich nach der Lehre des Patentes DE-PS 24 26 677 als Grenzwert aus der Wurzel k/e × γ ergibt (e: spe­ zifische Wärme in cal/g°C; k: Wärmeleitfähigkeit in cal/cm sec°C;γ: Dichte in g/cm³).

Beispiel 4 Änderung der Fördergeschwindigkeit

Die Fördergeschwindigkeit ist abhängig vom Spaltvolu­ men. Durch eine Änderung des Ringdüsenwerkzeugs mit einem Durchmesser von 9,5 cm (Fig. 6) auf einen Durch­ messer von 13 cm bei gleicher Spaltweite würde das Spaltvolumen auf 13 × π × 0,1 = 4,08 cm³/cm vergrößert. Die Fördergeschwindigkeit wird dann als Verhältnis von Folienvolumen zu Fördervolumen 540 : 4,08 = 133,3 cm/min und damit um den Faktor 0,733 kleiner. Die Förderge­ schwindigkeit kann aber nicht nur mit kleinerem Auf­ blasverhältnis bei gleicher Spaltweite, sondern auch mit größeren Spaltweiten bei gleichem Aufblasverhältnis erreicht werden. Bei einem mittleren Durchmesser der Ringdüse von 9,5 cm und einer Spaltweite von 0,137 cm stellt sich nämlich ebenfalls eine Fördergeschwindig­ keit von 133 cm/min ein. Bezogen auf das Fertigungsbei­ spiel gemäß Fig. 6 wird somit die Fördergeschwindig­ keit auch um den Faktor 0,733 kleiner. Eine Änderung der Gesamtdeformation, die ganz wesentlich vom Verhält­ nis der Abzugsgeschwindigkeit bestimmt wird, läßt sich demnach sowohl durch Änderung des Aufblasverhältnisses als auch durch Änderung der Spaltbreite erreichen.

Beispiel 5 Änderung der Kühlbedingungen

Gemäß dem Stand der Technik wird die Kühlung jeweils so eingestellt, daß eine stabile Folienblase "steht" und damit eine betriebssichere Fertigung der Folien erfol­ gen kann.

Die Kühlung ist insofern kein selbständiger Prozeßpara­ meter, der beliebig geändert werden könnte. Bei verän­ derter Extruderleistung und/oder der Abzugsgeschwindig­ keit sowie des Aufblasverhältnisses muß die Kühlung immer auf den betriebssicheren Wert eingestellt werden. Die dabei auftretenden Folgen, die geänderte Deforma­ tionen und damit eine andere Blasenform zeigen, sind dann nicht mehr zu beeinflussen. Wenn auf die Deforma­ tion und damit auf die Blasenform eingewirkt werden soll, so müßte neben der sogenannten Kühlringkühlung, die oberhalb des Blaskopfes angebracht ist, beispiels­ weise eine zweite Kühlringkühlung im Bereich B-A an­ gebracht werden. Damit könnte die in diesem Bereich mitgeführte Wärme und die Rekristallisationswärme ge­ zielt abgeführt werden und so bei der LDPE die Bauhöhe der Anlagen niedriger sein und die Wandstärke des aus dem Ringspalt ausgetretenen Materials kleiner gehalten werden. Bei HDPE kann in diesem Bereich mit einer sol­ chen Kühlung das Verhältnis von radialer Verformung zu axialer Verformung verändert und so auch bei größeren Leistungen und kleineren Aufblasverhältnissen die für die Folienqualität entscheidende gleichmäßige Ver­ streckung eingehalten werden. Eine weitere thermische Beeinflussung sollte noch im kritischen Bereich der Schlauchbildung, nämlich am und im Düsenspalt vorgese­ hen werden. Auf diese Weise wird der Wärmeinhalt und die Viskosität des geförderten und der Folienblase zu­ geführten Kunststoffmaterials beeinflußbar. Dies hat eine wesentliche Leistungssteigerung der Produktionsan­ lage zur Folge.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Kunststoffolien aus thermo­ plastischen Kunststoffen nach dem Folienschlauchblasverfah­ ren, bei dem bei konstanter Fördermenge des geschmolzenen Kunststoffmaterials durch ein Düsenwerkzeug unter Beibehal­ tung der Spaltweite des Düsenwerkzeugs die Oberfläche der Folienblase in der Schlauchbildungszone durch die Wahl kleinerer Aufblasverhältnisse vergrößert wird, wodurch die Wandstärke des ausgetretenen Schlauchrohlings verkleinert wird, zur Verbesserung der Kühlbedingungen bei ansonsten konstanten Parametern der hergestellten Folie, danach die Abzugsgeschwindigkeit erhöht wird und eine entsprechende Anpassung der durchgesetzten Menge an Kunststoffmaterial erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei durch die Wahl einer größeren Spaltweite des Düsenwerkzeugs des Extruderblaskopfes und höherer Abzugsgeschwindigkeit die Verringerung der Wandstärke des ausgetretenen Schlauchrohlings erzielt wird, wodurch bessere Kühlbedingungen geschaffen werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der Folienblase im Bereich der Rekristallisation des thermoplastischen Kunststoffes und/oder Kühlung des Materials im Bereich des an die Folien­ blase anschließenden zylindrischen Teils (a) des ausgebil­ deten Folienschlauches erfolgt und/oder durch Begrenzung des Durchmessers der Folienblase die axiale Verstreckung des Schlauches verringert wird, was zu einer geringen Wandstärke der Folienblase in den Bereichen a), b) und c) führt.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das im Ringkanal geförderte Kunststoffmaterial vor Verlassen des Ringspaltes verstreckt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine thermische Entkopplung von Ringdüsenwerkzeug und Folien­ blaskopf erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der ver­ wendete Kunststoffrohstoff durch Beimischungen und/oder Aufbereitungsverfahren bezüglich der spezifischen Wärme, Wärmeleitfähigkeit, Dichte und Schmelzviskosität an das Verfahren angepaßt wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Begrenzung des Durchmessers der Folienblase durch mechanisch und/oder strömungstechnisch wirkende Einrichtungen erfolgt.