DE4308689C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung orientierter Schlauchfolien aus Polypropylen mit verbesserter Festigkeit und Transparenz - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Herstellung orientierter Schlauchfolien aus Poly­ propylen mit verbesserter Festigkeit und Transparenz für Schlauchfolien mit einer Dicke von 20 bis 200 µm, wobei eine Drucktrennung im Inneren des aufzublasenden Schlauches wirksam und einfach vorgenommen wird.

Bei den bekannten bisherigen Herstellungsverfahren und den ent­ sprechenden Vorrichtungen für orientierte Schlauchfolien erfolgt die Orientierung des PP-Schlauches aus dem Festzustand, wobei der Schlauch in einer Wärmekammer auf die Recktemperatur erwärmt und dann durch Aufblasen in Querrichtung und durch zwei Walzen­ paare mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in Längsrichtung verstreckt wird.

Es ist auch eine Orientierung des HD-PE-Schlauches aus dem Schmelzzustand bekannt, wobei die Längsorientierung durch den Unterschied der Austrittsgeschwindigkeit der Schmelze aus der Düse und der Abzugsgeschwindigkeit, die Querorientierung durch Aufblasen nach Abkühlen im Bereich der Schmelztemperatur der HD- PE erfolgt (Fahrweise mit langem Hals).

Es ist auch bereits die gleichzeitige Längs- und Querorientie­ rung des LD-PE-Schlauches im Schmelzzustand vorgeschlagen wor­ den, wobei der Schlauch unmittelbar nach der Düse durch die Un­ terschiede der Düsenaustrittsgeschwindigkeit zur Abzugsgeschwin­ digkeit und durch Aufblasen orientiert wird.

Jedes dieser bekannten Verfahren hat jedoch spezifische Nachtei­ le, das erstgenannte Verfahren ist für HD-PE und PP geeignet, erfordert aber einen hohen Energieverbrauch und hohe Investiti­ onskosten.

Das zweite Verfahren eignet sich vorwiegend für das schnellkri­ stallisierende lineare HD-PE und ergibt immer trübe Folien, bei begrenzter Festigkeitsverbesserung.

Das dritte Verfahren wird besonders für das verzweigte LD-PE verwendet, das nur sehr weiche Folien mit geringem Orientie­ rungseffekt ergibt.

Die beiden Schmelzorientierungsverfahren sind für lineares PP wegen der geringeren Kristallisationsgeschwindigkeit und der re­ lativ niedrigen Kristallisationstemperatur nicht geeignet, weil die Orientierung schneller relaxiert, als sie durch die Kristal­ lisation fixiert wird.

Aus der DE 37 29 449 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines stranggepreßten, verstreckten, nahtlosen Schlauches bekannt. Ein aus einer Strangpresse über eine Ringdüse extrudierter, nahtloser Vorschlauch durchläuft hier einen Kalibrator und umgibt koaxial ein Sondenrohr, das durch die Ringdüse hindurch bis über den Kalibrator hinweggeführt wird. Auf dem Sondenrohr der DE 37 29 449 sitzt ein Dichtungs­ element auf, das zwei Druckbereiche im Inneren des Rohres von­ einander trennt. Bei dem Trennungsvorgang wird das Dichtungsele­ ment dichtend gegen die Innenseite eines Rohres angelegt. Fer­ ner wird in einer ersten Heizkammer das Rohr auf die Strecktem­ peratur erwärmt und durch einen Bandabzug mit erhöhter Streckge­ schwindigkeit gegenüber der Abzugsgeschwindigkeit des ersten Bandabzugs zu einer zweiten Heizkammer transportiert, in der eine Wärmefixierung des Rohres erfolgt. Die hier vorgenommene Trennung der beiden Druckbereiche wird als technisch kompliziert und kostenmäßig aufwendig empfunden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Herstellung längs- und querorientierter transparenter Schlauchfolien mit einer Dicke von 20 bis 200 µm bereitzustel­ len, die einfach und kostengünstig im Aufbau sind und eine hö­ here Zugfestigkeit der Folien gewährleisten.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der Haupt­ ansprüche überraschend einfach gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung längs- und quer­ orientierter Schlauchfolien aus Polypropylen-Homo- und -Copolymeren sowie Blends mit verzweigten Polyolefinen, deren Viskosität bei einer mittleren Orientierungstemperatur von 180°C wenigstens von 5% auf 800% ansteigt, deren Verzweigungsgrad (g) zwischen 0,2 und 0,8 liegt, und deren Enddicke zwischen 20 und 200 µm beträgt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Längsorien­ tierung aus dem Schmelzzustand durch zunehmende Schlauchge­ schwindigkeit in einem Unterdruckbereich bewirkt wird und die Orientierung durch Aufblasen des Schlauches während der Kristal­ lisation bewirkt wird, wobei der Aufblasdruckbereich vom Unter­ druckbereich durch einen zylindrischen Körper und einen Luftan­ preßring getrennt wird und der Schlauch zusätzlich durch die aus dem Luftanpreßring austretende Luft temperiert wird.

Die erfindungsgemäße nach dem oben genannten Verfahren arbeiten­ de Vorrichtung mit einem Unterdruckbereich und einem Aufblasbe­ reich ist dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruckbereich vom Aufblasbereich mittels eines zylindrischen Ansaugkörpers und eines Luftanpreßringes getrennt ist und die aus dem Luftanpreß­ ring austretende Luft den Schlauch zusätzlich temperiert.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer nach diesem Verfahren arbeitenden Vorrichtung hergestellten Blasfolien aus Polypropylen sind frei von den oben genannten Nachteilen. Hier­ bei wird zunächst die Längsorientierung vorwiegend aus dem Schmelzzustand durch zunehmende Schlauchgeschwindigkeit bei in­ tensiver Kühlung vorgenommen und die Querorientierung durch Auf­ blasen im Kristallisationsbereich und anschließender Kühlung durchgeführt.

Die Trennung der Längs- und Querorientierungsbereiche erlaubt im Gegensatz zu den bekannten Schmelzorientierungsverfahren eine unabhängige Beeinflussung der Festigkeitseigenschaften in Längs- und Querrichtung und eine höhere Transparenz.

Um gleiche biaxiale Festigkeiten zu erreichen, muß als Folge der unterschiedlichen Orientierungsrelaxation das Längsorientie­ rungsverhältnis, d. h. die Zunahme der Schlauchgeschwindigkeit hö­ her sein als das Querorientierungsverhältnis.

Im Gegensatz zu den bekannten Orientierungsprozessen wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Längsorientierung im Schmelzbereich der Querorientierung im Kristallisationsbereich überlagert.

Zur Durchführung des Verfahrens werden vorzugsweise Polypropylen Homo- und Copolymerisate mit verzweigten Ketten (long chain­ branched-PP) und Mischungen mit verzweigtem PE verwendet, insbe­ sondere dann, wenn eine starke Längsorientierung im Schmelzzu­ stand erreicht werden soll. Bei geringerem Längsorientierungsef­ fekt sind Mischungen mit linearem PP oder nur lineares PP alleine sinnvoll.

Im Gegensatz zu linearem PP zeigen die verzweigten PP-Typen beim Dehnen im Schmelzbereich eine mit der Dehnung zunehmende Festig­ keit - strain hardening.

Die rheologischen Eigenschaften dieser verzweigten PP-Typen (high melt strength PP′s) sind in "Kunststoffe 82" (1992), Seite 8, näher beschrieben.

Im Kunststoff-Handbuch (Hanser Verlag), Band 1, Seite 126 und 233-242 ist die Dehnungsverfestigung von Schmelzen, insbesondere von verzweigtem LD-PE, ausführlich dargestellt.

Diese Dehnungsverfestigung der Schmelze erlaubt eine beachtliche Molekülorientierung zwischen dem Schmelz- und dem Kristallisati­ onsbereich, weil die intermolekularen Gleitvorgänge - Relaxation - vermindert sind.

Der Verzweigungsindex g quantifiziert den Grad der Langketten­ verzweigung von PP

ist aussagefähig, weil die Viskosität der verzweigten Moleküle infolge ihrer günstigen Knäulform niedriger als die der linearen Moleküle ist.

Die Methode zur Bestimmung der Grenzviskosität (intrinsic viskosity) ist beschrieben in J. App. Poly. Sci. page 2947-2963.

Bevorzugt verwendete PP′s haben einen Verzweigungsindex g von 0,3-0,8.

In der Praxis wird die Zunahme der Schmelzenfestigkeit mit der Dehnung nach folgendem Verfahren gemessen:

mit µ_*(t) Dehnungsviskosität, f(t) zum Ziehen der Probe verwen­ dete Kraft, e_o Dehnungsverhältnis, a_o anfängliche Querschnitts­ fläche der Probe und t Zeit.

Die Dehnungsviskosität wird auf einem Dehnungs-Rheometer (hier: Rheometrics 9000 RER) ermittelt. Dabei wird ein zylindrischer Schmelzstrang (Durchmesser 6,6 mm, Länge 26,6 mm) bei 180°C ein­ achsig entweder bei gleichmäßiger Geschwindigkeit oder bei gleichbleibendem Dehnungsverhältnis gezogen. Dabei wird die Kraft gemessen, die man zum Ziehen der Probe benötigt.

Erfindungsgemäß geeignet sind solche verzweigten PP-Typen, deren Viskosität im Dehnungsbereich von 5-800% bei einer mittleren Orientierungstemperatur von 180°C ansteigt.

Die Schmelzfestigkeit d. h. die Schmelzviskosität und die Dehnung werden dabei ermittelt, indem der Schmelzenstrang mit einer kon­ stanten Dehnungsgeschwindigkeit von einem Zeitpunkt 0 bis tx ge­ dehnt wird. Die Proben aus verzweigtem PP zeigen dann einen ela­ stischen, diejenigen aus linearem PP einen duktilen Bruch.

Die verzweigte Molekülform ist auch für die Querorientierung im Kristallisationsbereich trotz der hier schnelleren Kristallisa­ tion vorteilhaft, weil dadurch ein höherer Orientierungseffekt entsteht.

Im Vergleich zu nach den bekannten Orientierungsverfahren produ­ zierten Folien besitzen diese Folien eine höhere, in der Rich­ tung beeinflußbare Elastizität und Dehnung, sowie eine befriedi­ gende Schweißbarkeit und Thermoformbarkeit.

Außerdem ist es nach diesem Verfahren auch möglich, coextrudier­ te Folien aus Materialien mit sehr verschiedenen Schmelzberei­ chen herzustellen. Dieses Eigenschaftsspektrum erlaubt es, neue anwendungsoptimierte Einsatzgebiete zu erschließen.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, daß die relativ niedri­ gen Investkosten einer Folienblasanlage durch die Zusatzeinrich­ tungen nicht wesentlich erhöht und die Herstellkosten vermindert werden.

Weitere vorteilhafte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird nun anhand der Fig. 1 im einzelnen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematisierte erfindungsgemäße Vorrichtung. Aus einem Blaskopf 1 tritt die Schmelze 2 schlauchförmig aus und wird durch einen unmittelbar nach der Düse ange­ ordneten Luftkühlring 3 mit Luftmengensteuerung abgekühlt.

Die Innenkühlung erfolgt durch Luft die aus dem Spalt im Unterdruckbereich 4 austritt. Dieser Spalt liegt nahe dem Düsenende und ist diesem gegenüber thermisch isoliert. Grundsätzlich können verschiedene bekannte Innenkühlsysteme angewendet werden, unter der Voraussetzung, daß durch den Taster 4.1 der Unterdruck so gesteuert wird, daß keine wesentliche Schlauchaufweitung erfolgt.

Der Unterdruckbereich 4 wird durch einen zylindrischen Körper 5, an den der Schlauch angesaugt wird, abgedichtet.

Zusätzlich wird der Anpreßdruck an diesen Zylinder durch den Luftanpreßring 6 verstärkt. Dieser Ring dient außerdem zur Temperierung des Schlauches vor der Querorientierung und erzeugt eine zusätzliche Reibungsbremsung.

Das Aufblasen zur Querorientierung erfolgt durch eine sepa­ rate Druckleitung 7, deren Druck erforderlichenfalls durch einen Taster 7.1 gesteuert wird.

Der Kontaktkühlring 8 der Kühlung 2.2 dient dem schnellen Einfrieren der Orientierung.

Der Kontakttemperring 9, mit einer Temperatur von 70-120°C, bewirkt eine gewisse Nachkristallisation und Redu­ zierung des Schrumpfes im Aufblasbereich 10 des Schlauches.

Beispiel 1

Der Schlauch aus einem verzweigten PP-Copolymer, mit einem Schmelzindex 190/5 von 1,0 gr/10 min, wird bei einer Masse­ temperatur von 220°C aus einer Runddüse mit 200 mm Durch­ messer und einem Spalt von 1,0 mm, mit einer Leistung von 70 kg/h extrudiert.

Das verwendete verzweigte PP zeigt die nachfolgend darge­ stellte Dehnungsverfestigungscharakteristik.

Der Schlauch wurde durch Regelung der Innen- und Außen­ kühlluftmenge auf einer Länge von 20 cm von 220°C auf 140°C abgekühlt und an einen 20 cm über der Düse angeordneten zylindrischen Körper gesaugt. Das Verhältnis der Düsenaus­ trittsgeschwindigkeit zur Abzugsgeschwindigkeit war 1 : 4. Anschließend wurde der Schlauch durch getrennten Innendruck im Verhältnis 1 : 4 aufgeblasen. Die Anpreß-, Kühl- und Temperelemente wurden bei diesem Prinzipversuch nicht verwendet.

An der 40 µ dicken Folie wurden folgende Eigenschaften nach DIN 53455 gemessen:

Zugefestigkeit N/qmm längs 66
Zugefestigkeit N/qmm quer 72
Dehnung % längs 510
Dehnung % quer 470.

Diese Festigkeitswerte sind etwa doppelt so hoch, als beim üblichen Blasverfahren erreichbar.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung längs- und querorientierter Schlauchfolien aus Polypropylen-Homo- und -Copolymeren so­ wie Blends mit verzweigten Polyolefinen, deren Viskosität bei einer mittleren Orientierungstemperatur von 180°C we­ nigstens von 5% auf 800% ansteigt, der Verzweigungsgrad (g) zwischen 0,2 und 0,8 liegt, und deren Enddicke zwischen 20 und 200 µm beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Längsorientierung aus dem Schmelzzustand durch zuneh­ mende Schlauchgeschwindigkeit in einem Unterdruckbereich (4) bewirkt wird; und
• - die Querorientierung durch Aufblasen des Schlauches (2) während der Kristallisation bewirkt wird, wobei
• - der Aufblasdruckbereich (10) vom Unterdruckbereich (4) durch einen zylindrischen Körper (5) und einen Luftan­ preßring (6) getrennt wird; und
• - der Schlauch (2.1) zusätzlich durch die aus dem Luftan­ preßring (6) austretende Luft temperiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Längsorientierungsverhältnis, d. h. die Zunahme der Schlauchgeschwindigkeit, höher ist als das Querorientie­ rungsverhältnis.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Längsorientierung vorwiegend im Schmelzbereich bei gleichzeitiger Kühlung erfolgt und die Querorientierung im Kristallisationsbereich mit anschlie­ ßender Kühlung überlagert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise Polypropylen, Homo- und Copolymerisate mit verzweigten Ketten (long-chain-branched-pp) und deren Mi­ schungen verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß Folienmaterial mit unterschiedlichen Schmelzbereichen für koextrudierte Folien verwendet werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Unterdruckbereich (4) und einem Aufblasbereich (10), dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Unterdruckbereich (4) vom Aufblasbereich (10) mittels eines zylindrischen Ansaugkörpers (5) und eines Luftan­ preßringes (6) getrennt ist; und
• - die aus dem Luftanpreßring (6) austretende Luft den Schlauch zusätzlich temperiert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Innendruck im Aufblasbereich (10) mittels eines Tasters (7.1) geregelt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kühlung des Schlauches (2.2) mittels eines Kontaktkühlringes (8) durchgeführt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß nach dem Kontaktkühlring (8) ein Temperring (9) mit einer Temperatur zwischen 70°C und 120°C angeordnet ist.