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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft eine Koextrudierdüse und ein Verfahren zum Koextrudieren.
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ALLGEMEINER STAND DER
TECHNIK
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Die
Erfindung betrifft ein Koextrudierverfahren für wenigstens zwei thermoplastische
Materialien, die unterschiedliche physikalische Eigenschaften haben.
Die zwei Materialien werden durch eine Düse geführt, in der das eine Material
unlösbar
an das andere Material gekoppelt wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine neue Art von Koextrudierdüse zum Formen
von Kunststoffverbundstoffen bereit.
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DE 2425655 offenbart ein
Extrudierwerkzeug nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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DE 2425655 lehrt, einen
Stab eines ersten Materials durch einen ersten Schlitz zu extrudieren und
ein zweites Material am Umfang des Stabes längs eines Bogens durch einen
zweiten Schlitz aufzubringen. Die Strömungsbahn des Materials durch den
zweiten „Schlitz" umfaßt einen
Verteiler
35, der sich ebenfalls durch einen Bogen erstreckt,
und „Mündungsmittel"
38, die
sich von dem Verteiler
35 zu Bohrungen
31 und
36 erstrecken;
wenn eine doppelte äußere Lage
erforderlich ist, werden zwei Verteiler und zwei Mündungen
bereitgestellt. Der Verteiler
35 und der Schlitz
38 liegen
in zwei unterschiedlichen Ebenen, die nicht koplanar sind. Daher
liegt die Strömungsbahn
des zweiten Materials nicht in einer Ebene, und sie ist nicht senkrecht
zu der Ebene der durch den ersten Schlitz definierten Hauptströmungsbahn.
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EP-A-0655311
betrifft ein Verfahren zum Extrudieren von Verbundstoffen, die Lagen
haben, die thermisch unterschiedlich sind, in einer einzigen Extrudierstation.
Der gewonnene Verbundstoff ist eine Folie, verwendet zum Beschichten
eines Substrats (z.B. Pappe), und eigentlich ist es eine der Aufgaben dieser
Anmeldung, „die
Dicke des extrudierten Verbundstoffs auf ein Minimum zu verringern" (Spalte 3, Zeilen
40 bis 41).
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Nach
diesem Dokument werden die unterschiedlichen Strömungskanäle unterschiedlicher Materialien
durch eine thermische Sperre thermisch isoliert und werden mit Thermodetektorelementen
und Temperaturbeeinflussungsmitteln versehen. Alle Ströme unterschiedlicher
Materialien (z.B. erster und zweiter Materialien) werden zusammen „quer verteilt" (z.B. in einem Verteiler 114 von 4 oder
einem Verteiler 214 von 5 oder einem
Verteiler 314 von 6), bevor
sie zusammen extrudiert werden. Die Strömungskanäle definieren Strömungsbahnen,
die nicht in einer Ebene geformt sind, sondern die aus mehreren,
in unterschiedlichen Ebenen geformten, Abschnitten hergestellt sind.
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WO
97/19995 offenbart ein Koextrudierverfahren des starren thermoplastischen
Polyurethans ISOPLAST® mit einem Polycarbonat.
Es gibt keine Offenbarung der Koextrudierdüse, die als Kasten gezeigt
wird.
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DARSTELLUNGEN
DER ERFINDUNG
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird eine Koextrudierdüse bereitgestellt,
die folgendes umfaßt: einen
ersten Düsenschlitz,
der sich in einer ersten Ebene erstreckt, mit einem Einlaß zum Aufnehmen eines
Materialstroms von einem ersten Extruder und einem Auslaß zum Erzeugen
eines Extrudats aus der Düse,
und einen zweiten Düsenschlitz
zum Aufnehmen eines Materialstroms von einem zweiten Extruder, und
der eine Öffnung
in den ersten Düsenschlitz zwischen
dessen Einlaß und
Auslaß hat,
und dessen Querschnittsfläche
weniger als 5 % der Äquivalenzfläche des
ersten Düsenschlitzes
beträgt,
gekennzeichnet nach Anspruch 1.
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Vorzugsweise
hat der zweite Düsenschlitz einen
ersten Abschnitt von gleichbleibender Tiefe und der von dessen Einlaß bis zu
einer Höchstbreite, die
geringer ist als die Breite des ersten Schlitzes, kontinuierlich
in der Breite zunimmt, und einen zweiten Abschnitt, der sich in
den ersten Düsenschlitz öffnet und
der eine wesentlich gleichbleibende Breite hat, die annähernd dem
Höchstwert
gleich ist.
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Vorzugsweise
hat der zweite Abschnitt eine Tiefe, die weniger als 10 % der Tiefe
des ersten Abschnitts und vorzugsweise weniger als 7,5 % und noch
bevorzugter etwa 7 % beträgt.
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Vorzugsweise
beträgt
die minimale Querschnittsfläche
des zweiten Düsenschlitzes
quer zum Strom weniger als 3 % der minimalen Äquivalenzquerschnittsfläche des
ersten Düsenschlitzes,
noch bevorzugter etwa 2 %.
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Der
zweite Düsenschlitz
ist wesentlich senkrecht zu ersten Düsenschlitz.
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Nach
der Erfindung wird ebenfalls eine Koextrudierdüse bereitgestellt, die folgendes
umfaßt:
einen ersten Düsenschlitz,
der sich in einer ersten Ebene erstreckt, mit einem Einlaß zum Aufnehmen
eines Materialstroms von einem ersten Extruder und einem Auslaß zum Erzeugen
eines Extrudats aus der Düse, und
einen zweiten Düsenschlitz
zum Aufnehmen eines Materialstroms von einem zweiten Extruder, und der
eine Öffnung
in den ersten Düsenschlitz
zwischen dessen Einlaß und
Auslaß hat,
wobei der zweite Düsenschlitz
in einer Ebene senkrecht zum ersten Düsenschlitz liegt und einen
ersten Abschnitt, der von dessen Einlaß bis zu einer Höchstbreite,
die geringer ist als die Breite des ersten Schlitzes, kontinuierlich
in der Breite zunimmt, und einen zweiten, schmaleren, Abschnitt
von wesentlich gleichbleibender Breite hat, die annähernd dem
Höchstwert
gleich ist, mit einer Öffnung
in den ersten Düsenschlitz,
die sich quer zu demselben erstreckt.
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Die
Erfindung stellt ebenfalls eine Extrudiervorrichtung bereit, die
eine Koextrudierdüse
nach der vorliegenden Erfindung einschließt.
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Noch
ein anderer Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zum Erzeugen
eines Polymerlaminats bereit, bei dem zwei Polymermaterialien durch
eine Koextrudierdüse
extrudiert werden, die zwei Düsenschlitze
hat, einen ersten Düsenschlitz,
der sich in einer ersten Ebene erstreckt, mit einem Einlaß zum Aufnehmen
eines Stroms eines Materials von einem ersten Extruder und einem
Auslaß zum
Erzeugen eines Extrudats aus der Düse, und einen zweiten Düsenschlitz,
der eine Nebenströmungsbahn
zum Aufnehmen eines Stroms des zweiten Materials von einem zweiten
Extruder definiert, und der eine Öffnung in den ersten Düsenschlitz
zwischen dessen Einlaß und
Auslaß hat,
gekennzeichnet nach Anspruch 8.
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Noch
ein weiterer Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zum Erzeugen
eines Polymerlaminats bereit, bei dem zwei Polymermaterialien durch
eine Koextrudierdüse
extrudiert werden, die zwei Düsenschlitze
hat, einen ersten Düsenschlitz,
der sich in einer ersten Ebene erstreckt, mit einem Einlaß zum Aufnehmen
eines Stroms eines Materials von einem ersten Extruder und einem
Auslaß zum
Erzeugen eines Extrudats aus der Düse, und einen zweiten Düsenschlitz
zum Aufnehmen eines Stroms des zweiten Materials von einem zweiten
Extruder, und der eine Öffnung
in den ersten Düsenschlitz
zwischen dessen Einlaß und
Auslaß hat,
wobei das zweite Material durch einen ersten Abschnitt des zweiten
Düsenschlitzes,
der von seinem Einlaß bis
zu einer Höchstbreite,
die geringer ist als die Breite des ersten Schlitzes, kontinuierlich
in der Breite zunimmt, und danach durch einen zweiten, schmaleren,
Abschnitt gedrückt wird,
der sich in den ersten Düsenschlitz öffnet und der
eine wesentlich gleichbleibende Breite hat, die annähernd dem
Höchstwert
gleich ist.
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Die
Düse und
das Verfahren der vorliegenden Erfindung stellen ein Polymerlaminat
bereit, das wenigstens zwei Lagen von thermoplastischen Polymermaterialien
umfaßt,
wobei eine erste und eine benachbarte zweite Lage unmittelbar aneinander
gebunden sind und aus nicht verträglichen ersten und zweiten
Materialien, die einen ersten und einen zweiten Schmelzpunkt haben,
hergestellt sind, wobei der Unterschied zwischen den Werten des
ersten und des zweiten Schmelzpunkts wenigstens 5° beträgt. Der
Unterschied zwischen den Werten des ersten und des zweiten Schmelzpunkts
kann vorzugsweise wenigstens 10° betragen.
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Das
durch die Düse
und das Verfahren der Erfindung gewonnene Laminatmaterial ist ein
Laminat, das zwei oder mehr Lagen, koextrudiert nach dem oben offenbarten
Verfahren, hat; das Laminat wird auf die gewünschte Dicke kalandriert und
ist wesentlich selbsttragend, d.h., es unterscheidet sich von koextrudierten
Folien und ähnlichen
bekannten Erzeugnissen. Allgemein besteht das Laminat aus einer
ersten Lage eines starren Materials mit den geforderten mechanischen
Eigenschaften und aus einer zweiten Lage eines Beschichtungsmaterials
(z.B. eines weichen Materials), das einen geforderten „Touch" und/oder ästhetischen
Aspekt hat. Das Laminat wird für
solche Anwendungen wie Gebäudebauteile,
Automobilteile und Transportfahrzeuge im allgemeinen, Wand- und
Rohrschützer
und Ausgangstafeln zum Warmformen eine Vielzahl von Erzeugnissen,
wie beispielsweise Koffern, Badewannen, Spülbecken und Duschtassen, verwendet.
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Das
Verfahren nach der Erfindung führt
zu der Möglichkeit,
eine erste und eine zweite Lage, die aus Materialien bestehen, die
nicht verträglich
sind, durch Koextrudieren unmittelbar zu verbinden. „Nicht verträgliche" Materialien ist
so zu verstehen, daß es Materialien
bedeutet, die Lagen bilden, die normalerweise delaminieren würden, sobald
sie durch herkömmliche
Koextrudiertechniken verbunden werden. Solche nicht verträglichen
Materialien sind zum Beispiel Polycarbonate und thermoplastische
Polyurethane (TPU).
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Nicht
verträgliche
Materialien, wie hierin definiert, dürfen gleichzeitig nicht auf
Grund ihrer chemischen Mischung schädlich füreinander sein. Ein Beispiel
einer solchen schädlichen,
nicht in der vorliegenden Erfindung enthaltenen, Kopplung ist die durch
Koextrudieren von plastifiziertem Polyethylen oder PVC mit Polycarbonat
gewonnene Kopplung: das sich ergebende Laminatmaterial wird schließlich auf
Grund des Vorhandenseins des Phthalatweichmachers reißen.
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Das
mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung gewonnene Laminatmaterial
umfaßt
folglich zwei benachbarte Lagen nicht verträglicher Materialien, die unmittelbar,
d.h., ohne jegliche mechanische oder chemische Befestigungsvorrichtung,
aneinander gebunden werden; die Materialien zweier benachbarter
Lagen haben unterschiedliche Schmelzpunkte (gemessen nach DSC (Digital
Scanning Calorimetry – digitale
Abtastkalorimetrie) oder der Temperatur des Schmelzflusses), und
der Unterschied zwischen den Werten der Schmelzpunkte der zwei benachbarten
Lagen beträgt
wenigstens 5°C,
vorzugsweise wenigstens 20°C
und noch bevorzugter wenigstens 30°C, aber er kann bis zu 100 bis
110°C oder
mehr betragen. Ähnlich
haben die zwei benachbarten Materialien unterschiedliche Erweichungspunkte:
der Unterschied zwischen den Werten der Erweichungspunkte (gemessen
nach den Normen ISO 306, DIN 53460 oder dem A/50-Testverfahren) der
Materialien der ersten und der zweiten Lage beträgt wenigstens 10°C, vorzugsweise
wenigstens 20°C
und am bevorzugtesten wenigstens 30°C.
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Wie
oben erwähnt,
führt das
Verfahren nach der Erfindung zu der Möglichkeit, nicht nur verträgliche Materialien,
sondern auch und insbesondere nicht verträgliche Materialien, zu koextrudieren.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nur als Beispiel beschrieben und unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen,
in denen:
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1 ein
Ablaufdiagramm für
ein Verfahren ist, das eine Koextrudierdüse nach der vorliegenden Erfindung
einsetzt,
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2 ein
Schnitt durch eine Koextrudierdüse
nach der vorliegenden Erfindung ist und längs der Linie II-II von 3 gezogen
ist,
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3 eine
Draufsicht der in 2 gezeigten Koextrudierdüse, gesehen
in der Richtung des Pfeils A, ist,
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4 eine
Schnittansicht, gezogen längs der
Linie IV-IV von 2, ist,
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5 eine
Schnittansicht an der Linie V-V von 4 ist und
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6 eine
Schnittansicht an der Linie VI-VI von 4 ist.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Unter
Bezugnahme auf 1 setzt ein Verfahren für die Herstellung
eines Polymerlaminats eine Koextrudierdüse 10 nach der vorliegenden
Erfindung ein. Die Düse
nimmt ein erstes Polymermaterial A von einem ersten Extruder 11 und
ein zweites Polymermaterial B von einem zweiten Extruder (oder Koextruder) 12 auf.
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Das
Polymermaterial A in Pellet-, Pulver oder Flockenform wird mit Hilfe
einer Vakuumpumpe 14 und einer Dosiereinheit 15 dem
ersten Extruder 11 und anschließend durch einen Flansch 13 dem Haupteinlaß der Koextrudierdüse 10 zugeführt. Das Polymermaterial
B in ähnlicher
Form wird durch ähnliche
Mittel dem zweiten Extruder 12 zugeführt.
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Das
Material A ist ein Material, das starrer ist als das Material B,
das heißt,
es hat einen höheren Biegemodul.
Das Material A kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Akrylnitril-Butadien-Styrol (ABS),
Polyvinylchlorid (PVC), Polycarbonat, thermoplastisches Polyurethan,
Polyolefine, wie beispielsweise Polyethylen und Polypropylen, Polyamide
umfaßt,
und wird im folgenden als „starres
Material" bezeichnet.
Das Material B kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die thermoplastische
Elastomere, Polyethylen, Polypropylen, Ethylen-Vinylacetat (EVA)
umfaßt
und wird im folgenden als „weiches
Material" bezeichnet.
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In
einigen Fällen
können
das starre und das weiche Material unterschiedliche Qualitäten des
gleichen Polymers sein.
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Bevorzugte
zu einer Laminatbahn zu formende Kombinationen von Materialien sind:
Polycarbonat-TPU
(thermoplastisches Polyurethan)-PPMA-TPU
ABS-TPU und ABS-PVC
Styrolpolymere-PVC
und Styrolpolymere-TPU
Mischungen-TPU, PA-TPU.
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Herkömmlicherweise
sind Mischungen handelsübliche
Polymergemische, die z.B. Polycarbonat-ABS-Styrolpolymere, ABS-PVC-Styrolpolymere, ABS-PVC
enthalten.
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Die
zwei Materialien werden in der Koextrudierdüse 10 aneinander laminiert
und werden durch einen Flansch und eine Schlitzdüse oder Breitschlitzdüse 16 geführt. Danach
können
die Materialien durch einen Kalander 17 geführt werden,
um genaue Dicken für
eine kalandrierte Bahn zu erreichen. Falls das Material geprägt oder
geformt werden soll, kann die flache Bahn durch eine andere Formvorrichtung oder
Kalibriervorrichtung 18 hindurchgehen. Das Extrudat wird
durch Abziehrollen oder eine Fördereinrichtung 19 entnommen,
vor dem Schneiden an einer Station 21 und der anschließenden Prüfung und
Verpackung an einer Qualitätssicherungsstation 22 bzw. Auslieferungsstation 23.
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Nun
ist unter Bezugnahme auf 2 bis 6 die Koextrudierdüse 10 aus
zwei Hälften 31 und 32 geformt,
die aneinander verbolzt sind, um die Düse zu bilden. Die eine Hälfte 31 ist
am ersten Extruder 11 befestigt, und das Extrudat tritt
aus der anderen Hälfte 32 in
der Richtung des Kalanders 17 aus. Die zwei Hälften sind
durch sechs Bolzen oder Gewindestifte 33 aneinander befestigt
und werden durch einen Keil 34 und Positionierstifte in
Löchern 35 im
Verhältnis
zueinander positioniert.
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Die
Koextrudierdüse 10 hat
einen ersten Düsenschlitz 41,
der in Axialrichtung durch die Düse
die Hauptströmungsbahn
formt. Der erste Schlitz 41 hat einen gleichbleibenden
Querschnitt, und das Material A von dem ersten Extruder 11 wird
in halbgeschmolzenem Zustand durch den Schlitz gedrückt. Der
erste Düsenschlitz
hat einen Querschnitt von etwa 120 mm × 30 mm.
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Ein
zweiter Düsenschlitz 42 ist
in der Düse
in einer Ebene, wesentlich senkrecht zum ersten Düsenschlitz 41,
geformt und formt eine zweite Strömungsbahn in die Koextrudierdüse. Der
zweite Extruder 12 speist das Material B unter Druck und
in halbgeschmolzenem Zustand in den zweiten Düsenschlitz ein.
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Der
zweite Düsenschlitz 42 ist
in den Paßflächen zwischen
den Hälften 31 und 32 geformt
und hat einen zylindrischen Einlaß 43 (Durchmesser
etwa 12 mm), der sich in einen fächerförmigen ersten
Abschnitt 44 öffnet,
der sich dann in einen dünnen
rechteckigen zweiten Abschnitt 46 erstreckt, der sich in den
ersten Düsenschlitz 41 öffnet. Der
fächerförmige Abschnitt 44 nimmt
in der Breite W kontinuierlich zu, von einer Breite W1 (12 mm) am
Einlaß 43 bis
zu einem Maximum W2 (etwa 90 mm) an seiner Basis 45. Die
Basisbreite W2 ist geringer als die Breite des ersten Düsenschlitzes 41.
Der zweite Düsenschlitz 42 stellt
durch den zweiten Abschnitt 46, der sich von der Basis 45 aus
erstreckt und in die Wand des ersten Düsenschlitzes öffnet, eine
Verbindung in den ersten Düsenschlitz 41 her.
Der zweite Abschnitt 46 erstreckt sich quer zur Strömungsrichtung
durch den ersten Düsenschlitz
und ist eng, mit einer wesentlich gleichbleibenden Breite, die wesentlich
der Breite W2 der Basis 45 entspricht.
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Der
erste Abschnitt 44 hat eine gleichbleibende Tiefe, die
wesentlich dem Durchmesser des Einlasses 43 entspricht,
und der zweite Abschnitt 46 ist beträchtlich dünner oder schmaler, wobei er
eine Tiefe D hat, die weniger als 10 % und vorzugsweise zwischen
6 und 7 % der Tiefe des ersten Abschnitts, in diesem Fall etwa 0,8
mm, beträgt.
Der erste Düsenschlitz
hat quer zur Strömungsrichtung
eine Querschnittsfläche,
die wesentlich größer ist
als die Äquivalenzfläche des
zweiten Abschnitts 46, der sich in den ersten Düsenschlitz 41 öffnet. Der
zweite Abschnitt 46 hat eine Querschnittsfläche, die
weniger als 5 % und vorzugsweise etwa 2 % der Fläche des ersten Düsenschlitzes 41 beträgt.
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Der
zweite Abschnitt 46 öffnet
sich an einer Position ungefähr
auf halbem Weg längs
seiner Axiallänge
in den ersten Düsenschlitz 41.
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Das
weiche Material B bildet, wo es in den ersten Düsenschlitz 41 eintritt,
eine dünne
Lage des weichen Materials auf dem starreren Material A. Die relative
Dicke der dünnen
Lage wird durch die Verarbeitungsbedingungen geregelt. Die Gesamtdicke
des fertigen Materials umfaßt
vorzugsweise etwa 70 % des Materials A und etwa 30 % des Materials
B.
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Die
Erfindung wird weiter illustriert durch die folgenden Beispiele,
welche die Vorzüge
der vorliegenden Erfindung demonstrieren.
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BEISPIEL 1 (VERGLEICHSBEISPIEL)
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Eine
Laminatbahn, die eine Polycarbonat-Tragschicht (LEXAN von der Dow
Chemicals, Schmelzpunkt 270°C,
Erweichungspunkt 146°C)
und eine TPU- (thermoplastisches Polyurethan) Deckschicht (ESTANE
von der BF Goodrich, Schmelzpunkt 165°C, Erweichungspunkt 75°C) umfaßt, wird in
einer standardmäßigen Extrudiermaschine
durch einfaches Koppeln und Laminieren durch Erhitzen koextrudiert.
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Die
sich ergebende Bahn delaminiert, wenn sie Reißen oder chemischen Mitteln
ausgesetzt wird.
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BEISPIEL 2
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Eine
Laminatbahn, die das erste und das zweite Material von Beispiel
1 umfaßt,
wird nach dem Verfahren der Erfindung koextrudiert.
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Die
sich ergebende Bahn hat verbesserte mechanische Eigenschaften, eine
kratzbeständige Oberfläche und
zeigt keinerlei Delamination nach dem Anwenden von chemischen Mitteln
oder mechanischem Reißen.
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BEISPIEL 3
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Eine
Laminatbahn, die eine ABS-Tragschicht (ABC von der Dow Chemicals,
Schmelzpunkt 220°C, Erweichungspunkt
116°C) und
eine PVC-Deckschicht (hergestellt von der FINPROJECT, Schmelzpunkt
150°C, Erweichungspunkt
70°C) umfaßt, wird nach
dem Verfahren der Erfindung koextrudiert.
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Die
sich ergebende Bahn zeigt ebenfalls verbesserte mechanische Eigenschaften,
eine kratzbeständige
Oberfläche
und zeigt keinerlei Delamination nach dem Anwenden von chemischen
Mitteln oder mechanischem Reißen.