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Die
Erfindung bietet ein Verfahren und die dazu gehörende Anlage für die Reckung
und doppelte Orientierung eines mehrschichtigen bzw. vielschichtigen
thermoplastischen Materials, insbesondere coextrudierter mehrschichtiger
Materialien, wodurch ermöglicht
wird, das maximale Orientierungsverhältnis für alle Schichten selbst dort
zu erzielen, wo sie unterschiedliche Reckungsverhältnisse
und Orientierungstemperaturen haben.
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Insbesondere
bringt das Verfahren gemäß der Erfindung
ein mehrschichtiges coextrudiertes röhrenförmiges bzw. schlauchartiges
Material, das den Vorwärmtunnel
verlässt,
auf die Orientierungstemperatur des Materials bei der höchsten Reckungstemperatur,
führt dann
eine erste doppelte Orientierungsphase durch, während die verbleibenden Materialien
noch in einem plastischen Zustand sind, senkt dann die Temperatur des
röhrenförmigen bzw.
schlauchartigen Materials auf die Temperatur der doppelten Orientierung
des zweiten Materials, und führt
dann eine Orientierungsphase des zweiten Materials durch, während gleichzeitig
die doppelte Orientierung des ersten Materials vervollständigt wird,
usw. für
alle anderen Schichten.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
ermöglicht
es daher, eine doppelte Orientierung der verschiedenen Schichten
bei dem maximalen zulässigen
Verhältnis
für jede
von ihnen zu erzielen, während
ihre chemischen und physikalischen Merkmale verbessert werden und
auch wesentliche Materialeinsparungen erzielt werden.
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Die
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Herstellung mehrschichtiger
extrudierter Materialien und ins besondere auf die Herstellung röhrenförmiger bzw.
schlauchartiger Materialien oder Filme aus einem mehrschichtigen
thermoplastischen Material.
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Diese
röhrenförmigen bzw.
schlauchartigen Materialien oder Filme werden z.B. für das Verpacken
vorgekochter oder roher Lebensmittel wegen ihrer niedrigen Kosten
und chemisch-physikalischen Eigenschaften verwendet, die eine günstige Konservierung
des Produktes über
vernünftige
Zeitdauern hinweg gewährleisten.
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Diese
röhrenförmigen bzw.
schlauchartigen Materialien oder Filme bestehen im Allgemeinen aus
mehreren Schichten von Materialien, die je nach ihren Eigenschaften
ausgewählt
werden.
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Insbesondere
das Material, aus dem die innere Schicht zusammengesetzt ist, muss
mit dem verpackten Produkt kompatibel und vollständig nicht-toxisch sein, und
die anschließenden
Schichten müssen
eine effektive Barriere gegen Gase, Flüssigkeiten und Gerüche bilden.
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Diese
röhrenförmigen bzw.
schlauchartigen Materialien oder Filme werden im Allgemeinen hergestellt, indem
man Schichten konzentrischer Materialien durch eine ringförmige Düse extrudiert,
an deren Auslass das röhrenförmige bzw.
schlauchartige Material kalibriert und abgekühlt wird und dann aufgewärmt wird,
indem man es durch einen Tunnel hindurchführt und es anschließend doppelt
orientiert wird, indem man es gleichzeitig in zwei Richtungen, nämlich eine
Querrichtung und eine Längsrichtung,
reckt.
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Das
Längsrecken
wird durchgeführt,
indem man das röhrenförmige bzw.
schlauchartige Material zwischen zwei Formstücken reckt, die sich mit unterschiedlichen
Geschwindigkeiten und mit einer Geschwindigkeitszunahme zwischen ihnen
bewegen, die gleich dem Reckungsverhältnis ist, während das
Querrecken durch das sogenannte "Blasen"-System durchgeführt wird,
das darin besteht, dass man ein Volumen an Luft in das röhrenförmige bzw.
schlauchartige Material bläst,
was eine Zunahme seines Durchmessers, die gleich dem Reckungsverhältnis ist,
verursachen kann, wodurch eine Art von Luftblase im Innern des gestreckten
röhrenförmigen bzw.
schlauchartigen Materials zwischen den beiden Formstücken erzeugt
wird.
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Die
JP-A-59072662 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines laminierten
Films durch Laminieren eines nicht-kristallinen Polyesterharzes
auf kristallines Polyesterharz durch Coextrusion, bei dem die Oberflächentemperatur
des Films bei dem Anfangspunkt der Expansion beim Recken größer gemacht
wird als diejenige eines nicht-gereckten
Rohmaterials, woraufhin die Temperatur in einer Expansionszone angehoben
wird, die Temperatur der Birne von dem Anfangspunkt der Expansion
zu dem Endpunkt der Expansion auf einem höheren Wert gehalten wird und
anschließend
die Temperatur abgesenkt wird.
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Diese
Reckungssysteme sind dem Fachmann bekannt, so dass sich eine ausführliche
Beschreibung erübrigt.
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Die
unterschiedlichen Materialien, aus denen die verschiedenen Schichten
zusammengesetzt sind, haben im Allgemeinen unterschiedliche Schmelz-
und Orientierungstemperaturen, und ihre maximal erzielbaren Reckungsverhältnisse
variieren ebenfalls von Material zu Material.
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Die
folgende Tabelle zeigt die erwähnten
Parameter für
die am häufigsten
verwendeten Materialien beim Herstellen dieser röhrenförmigen bzw. schlauchartigen
Materialien:
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Um
ein Reißen
des Materials zu verhindern, aus dem eine oder mehrere dieser Schichten
bestehen, ist es offensichtlich notwendig, dass das Recken des zu
orientierenden röhrenförmigen Materials
die Werte für das
Material mit dem niedrigsten Reckungsverhältnis beachtet.
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Hieraus
folgt daher, dass viele der Materialien nicht vollständig ausgenutzt
werden, da sie trotz ihrer Fähigkeit,
größere Reckungsverhältnisse
als die angelegten zu ertragen, tatsächlich in einem geringeren
Ausmaß und
bei einem Reckungsverhältnis
gereckt werden, das gleich groß wie
das Reckungsverhältnis
des Materials ist, welches den kleinsten Dehnungsgrad toleriert.
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Diese
Grenzen werden nun durch Anwenden des erfindungsgemässen Verfahrens überschritten,
welches es erlaubt, den maximal möglichen Reckungswert für jede Schicht
zu erreichen.
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Hierfür wird erfindungsgemäss, wie
in Anspruch 1 offenbart, das aus dem Tunnel austretende röhrenförmige bzw.
schlauchartige Material bis auf die Temperatur des Materials gebracht,
das die höchste
Reckungstemperatur hat, und das röhrenförmige bzw. schlauchartige Material
wird ausgedehnt, um das Recken der ersten Schicht zu beginnen, während das
Material der verbleibenden Schichten, die noch in einem geschmolzenen
Zustand sind, sich plastisch verformt, indem es den Dehnungen der
ersten Schicht folgt.
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Die
Temperatur des röhrenförmigen Materials
wird dann verringert und bis herab zur Orientierungstemperatur des
zweiten Materials gesteuert, wobei die erste Schicht weiterhin gereckt
wird, während
gleichzeitig diese zweite Schicht gereckt wird.
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Der
Prozess wird dann so fortgesetzt, bis alle Schichten vollständig gereckt
sind.
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Die
Erfindung wird nun beispielhaft und nicht einschränkend anhand
der beigefügten
Figuren ausführlich
beschrieben, wobei:
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1 eine
vereinfachte Ansicht einer erfindungsgemässen Anlage für die Herstellung
eines röhrenförmigen bzw.
schlauchartigen Materials aus einem mehrschichtigen thermoplastischen
material zeigt;
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2 eine
vergrößerte Einzelheit
von 1 ist; und
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3 ein
Diagramm ist, welches das Reckungsverhältnis, die Heiztemperatur und
die Temperatur des röhrenförmigen bzw.
schlauchartigen Materials beschreibt.
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Die
folgende Beschreibung bezieht sich auf den speziellen Fall eines
röhrenförmigen bzw.
schlauchartigen Materials, welches drei Schichten aufweist, wovon
eine aus Polyamid, eine aus Klebstoff und eine aus PP-Copolymer
besteht.
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Es
ist jedoch klar, dass dieselbe Lösung
auch in geeigneter Weise bei auf einer Mehrzahl von Schichten basierenden
Materialien verwendet werden kann oder mit anderen Materialien hergestellt
werden kann.
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In 1 bezeichnet
die Bezugsziffer 1 eine in vereinfachter Form gezeigte
Düse bzw.
Matrize, die ein röhrenförmiges bzw.
schlauchartiges Material aus einer Schicht von PP-Copolymer, einer
Schicht aus Klebstoff und einer weiteren Schicht aus Polyamid extrudiert.
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Das
PP-Copolymer hat eine Orientierungstemperatur im Bereich von etwa
128 bis 138°C
und kann ein Reckungsverhältnis
erreichen, das nahe bei 1:6,5 liegt.
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Das
Polyamid hat eine Orientierungstemperatur von 75 bis 85°C und kann
ein Reckungsverhältnis
von bis zu 1:3,5 oder maximal 1:4 erreichen.
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Nach
dem Austritt aus der Düse 1 tritt
das röhrenförmige bzw.
schlauchartige Material 2 durch eine Kammer hindurch, die
von mehreren, vorzugsweise auf Basis von Wasser arbeitenden, Kühlvorrichtungen 3 umgeben
ist.
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Diese
Vorrichtungen sind für
sich bekannt, so dass eine ausführlichere
Beschreibung nicht notwendig ist.
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Die
Rollen bzw. Walzen 4 nehmen das röhrenförmige bzw. schlauchartige Material
mit einer Geschwindigkeit mit, die höher als die Austrittsgeschwindigkeit
aus der Düse
ist, wodurch bewirkt wird, dass es in einer plastischen Phase gestreckt
wird, und um die Dicke des primären
röhrenförmigen bzw.
schlauchartigen Materials vor dem Kühlschritt zu bestimmen.
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Die
Rollen 5 arbeiten synchron mit den Rollen 4 und
sind am Einlass des Tunnels angeordnet, der aus zwei oder mehreren
Kammern 6 und 7 besteht, die von einer Reihe ringförmiger Heizvorrichtungen,
vorzugsweise vom Infrarot-Typ, umgeben sind und mit "IR" bezeichnet sind.
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Weiter
förderabseitig übernimmt
eine Kühlvorrichtung 8 das
Kühlen
des röhrenförmigen bzw. schlauchartigen
Materials, das anschließend
durch zwei Ebenen aus Rollen bzw. Walzen 9 flach gemacht
wird, dann zwischen einem Rollen- bzw.
Walzenpaar 10 aufgenommen wird und schließlich zu
einer in der Figur nicht gezeigten Aufwicklungsspule geführt wird.
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Die
Rollen bzw. Walzen 10 nehmen das röhrenförmige bzw. schlauchartige Material
mit einer Geschwindigkeit mit, die größer als diejenige der Rollen
bzw. Walzen 5 ist, wodurch bewirkt wird, dass diese sich in
einer axialen Richtung verlängern
und orientieren.
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Gleichzeitig
bewirkt die ins Innere des röhrenförmigen bzw.
schlauchartigen Materials geblasene Luft eine Ausdehnung bei der
Reckung im Innern der Kammer 7, die durch die Heizvorrichtungen
IR definiert ist, und führt
somit seine Orientierung in einer Querrichtung durch.
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Das
Merkmal der Erfindung besteht darin, dass einige Mittel bereitgestellt
werden, die in der Lage sind, die Temperatur des röhrenförmigen bzw.
schlauchartigen Materials in den verschiedenen Bereichen seines Weges
zu steuern, um einen Temperaturgradienten zu erzielen, der von der
Orientierungstemperatur des Polypropylens in dem stromaufseitigen
Bereich am Einlass der Kammer abweicht, bis hin zu der (niedrigen)
Orientierungstemperatur des Polyamids in dem förderabseitigen Bereich zum
Auslass der Kammer 7 hin.
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Im
Wesentlichen wird das Material in dem ersten Teilabschnitt des Wegs
im Innern der Kammern 6 in dem durch S1 bezeichneten Bereich
in der Figur auf die Temperatur zum Orientieren des Polypropylens
und somit auf etwa 138°C
vorgewärmt.
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Die
Länge der
Teilstrecke S1 ist derart, dass sie die Temperatur T1 erreichen
kann, wobei die Vorwärtsgeschwindigkeit
der röhrenförmigen bzw.
schlauchartigen Materialien berücksichtigt
wird.
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Das
röhrenförmige bzw.
schlauchartige Material bewegt sich anschließend zu der Kammer 7 in
den mit S2 markierten Bereich und erfährt an diesem Punkt eine erste
Orientierung bis zu einem Verhältnis
R1. Bei der Weiterbewegung des röhrenförmigen bzw.
schlauchartigen Materials wird die Temperatur verringert, bis sie den
Wert T2 in dem Teilabschnitt S3 erreicht, die gleich groß wie der
Orientierungswert des Polyamids ist, der in diesem speziellen Fall
etwa 80°C
beträgt.
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Selbst
in diesem Fall ist die Länge
des Teilabschnitts S2 derart berechnet, dass während dieses Teilabschnitts
das röhrenförmige bzw.
schlauchartige Material auf den maximal zulässigen Wert für das Polyamid bei
einem Reckungsverhältnis
R2 orientiert wird.
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Während dieser
Phase wird auch die Orientierung der ersten Schicht fortgesetzt,
wobei diese Orientierung sich zu der vorherigen addiert, so dass
sogar die erste Schicht bis zu dem maximal zulässigen Wert orientiert wird,
während
die dazwischen angeordnete Klebstoffschicht sich in einem plastischen
Zustand stets verlängert.
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Im
Wesentlichen bedeutet dies, dass, wenn R3 das maximale Orientierungsverhältnis für das erste Material
be zeichnet und R2 das Orientierungsverhältnis des zweiten Materials
bezeichnet, die Orientierung der ersten Teilstrecke S2 den Wert
R1 = R3 – R2
hat.
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Auf
diese Weise werden am Ende des Prozesses alle Schichten letztendlich
bei ihren maximal zulässigen
Werten orientiert.
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Abschließend lässt sich
sagen, dass das erfindungsgemässe
Verfahren das Durchführen
eines ersten partiellen Reckungsvorgangs bei der Orientierungstemperatur
des ersten Materials ermöglicht,
während
die anderen Materialien noch in einem plastischen Zustand sind und
deshalb der Verformung des ersten Materials folgen, ohne innere
Spannungen zu verursachen, sowie eine zweite Phase zum Verringern
der Temperatur ermöglicht,
bei der das röhrenförmige bzw.
schlauchartige Material auf die tiefere Orientierungstemperatur
des zweiten Materials gebracht wird, und eine weitere Reckungsphase
ermöglicht,
bei der das Recken der ersten Stufe vervollständigt wird und das Recken der
zweiten Schicht durchgeführt
wird.
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Dieselbe
Vorgehensweise kann in dem Fall von beliebigen röhrenförmigen bzw. schlauchartigen
Materialien mit drei oder mehreren Schichten durchgeführt werden,
indem man die verschiedenen Reckungsphasen richtig verändert.
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Das
Diagramm der 3 zeigt beispielhaft die verschiedenen
Parameter, wobei auf den Reckungsvorgang einer Polypropylen-Schicht
Bezug genommen wird. Die Linie "RS" zeigt hier das Querrichtung/Längsrichtung-Reckungsverhältnis, während die
Linie "T-IR" die Temperatur der
Heizelemente und die Linie "T-TV" die Temperatur des
eigentlichen röhrenförmigen bzw.
schlauchartigen Materials zeigt.
