DE60306811T2 - Polyethylen Formmasse zum Herstellen von Behältern durch Blasformen und damit hergestellte L-Ring-Conrainer - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Polyethylen Formmasse mit multimodaler Molmassenverteilung, die sich besonders eignet zum Blasformen von L-Ring-Containern mit einem Inhalt (Volumen) im Bereich von 50 bis 250 dm3 (l), und ein Verfahren zum Herstellen dieser Formmasse in Gegenwart eines katalytischen Systems aus Ziegler Katalysator und Cokatalysator wie Aluminiumtriethyl, Aluminiumtriisobutyl, Alkylaluminiumchloriden und Alkylaluminiumhydriden über eine mehrstufige, aus aufeinanderfolgenden Suspensionspolymerisationen bestehende Reaktionsabfolge. Die Erfindung betrifft ferner aus der Formmasse durch Blasformen hergestellte L-Ring-Behälter.
- Polyethylen wird in großem Umfang zur Herstellung von Formteilen aller Art verwendet, zu denen ein Werkstoff mit besonders hoher mechanischer Festigkeit, hoher Korrosionsbeständigkeit und absolut zuverlässiger Langzeitbeständigkeit benötigt wird. Polyethylen hat zudem den besonderen Vorteil, dass es daneben auch eine gute chemische Beständigkeit aufweist und ein geringes Eigengewicht besitzt.
- Die EP-A-603,935 beschreibt bereits eine Formmasse auf Basis von Polyethylen, die eine bimodale Molmassenverteilung besitzt und die sich zur Herstellung von Formteilen mit guten mechanischen Eigenschaften eignet.
- Ein Werkstoff mit einer noch weiter verbreiterten Molmassenverteilung ist in der US-PS 5,338,589 beschrieben und wird mit einem hochaktiven Katalysator hergestellt, der aus der WO 91/18934 bekannt ist und bei dem das Magnesiumalkoholat als gelförmige Suspension eingesetzt wird. Überraschend wurde gefunden, dass der Einsatz dieses Werkstoffes in Formteilen eine gleichzeitige Verbesserung der in teilkristallinen Thermoplasten üblicherweise gegenläufigen Eigenschaften Steifigkeit einerseits und Spannungsrissfestigkeit und Zähigkeit andererseits ermöglicht.
- Die bekannten bimodalen Produkte zeichnen sich aber insbesondere durch eine relativ geringe Schmelzefestigkeit bei der Verarbeitung aus. Dabei kommt es immer wieder zum Aufreißen der extrudierten Formteile im Schmelzezustand und damit zu unannehmbaren Instabilitäten im Extrusionsprozess. Ferner wird, insbesondere bei der Herstellung dickwandiger Behälter, eine Ungleichmäßigkeit der Wanddicke beobachtet, deren Ursache ein Abfließen der Polymerschmelze vom oberen in untere Bereiche des Formteils vor der Verfestigung ist.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung war somit die Entwicklung einer Polyethylen Formmasse, mit der sich gegenüber allen bekannten Werkstoffen eine noch bessere Verarbeitung zu L-Ring-Containern nach dem Blasformverfahren ermöglichen lässt. Insbesondere soll die Formmasse durch ihre hohe Schmelzefestigkeit einen Extrusionsprozess ohne Rohling-Störungen über eine lange Zeitdauer ermöglichen und durch ihre gezielt eingestellte Schwellrate eine optimale Wanddickensteuerung zulassen. Außerdem muss die Formmasse eine ausreichend große Zähigkeit besitzen, um den Transport Füllgut enthaltender L-Ring-Behältern per Gabelstapler und Lastwagen zu ermöglichen.
- Gelöst wird diese Aufgabe überraschenderweise durch eine Formmasse der eingangs genannten Gattung, deren Kennzeichenmerkmale darin zu sehen sind, dass sie 35 bis 45 Gew.-% eines niedermolekularen Ethylenhomopolymers A, 34 bis 44 Gew.-% eines hochmolekularen Copolymers B aus Ethylen und einem anderen 1-Olefin mit 4 bis 8 C-Atomen und 18 bis 26 Gew.-% eines ultrahochmolekularen Ethylencopolymers C enthält, wobei alle Prozentangaben bezogen sind auf das Gesamtgewicht der Formmasse.
- Die Erfindung betrifft ferner auch ein Verfahren zum Herstellen dieser Formmasse in kaskadierter Suspensionspolymerisation und ein Verfahren zum Herstellen von L-Ring-Behältern mit einem Inhalt oder Volumen im Bereich von 50 bis 250 dm3 (l) aus dieser Formmasse mit ganz herausragenden mechanischen Festigkeitseigenschaften.
- Die erfindungsgemäße Polyethylen Formmasse besitzt eine Dichte bei einer Temperatur von 23°C im Bereich von 0,950 bis 0,956 g/cm3 und eine breite trimodale Molmassenverteilung. Das hochmolekulare Copolymer B enthält nur geringe Anteile an weiteren 1-Olefinmonomereinheiten mit 4 bis 8 C-Atomen, nämlich kleiner als 0,1 Gew.-%. Beispiele für solche Comonomere sind 1-Buten, 1-Penten, 1-Hexen, 1-Octen oder 4-Methylpenten-1. Das ultrahochmolekulare Ethylenhomo- oder -copolymer C enthält ebenfalls eines oder mehrere der vorstehend genannten Comonomeren in einer Menge im Bereich von 0,1 bis 0,6 Gew.-%.
- Die erfindungsgemäße Polymer-Formmasse besitzt ferner einen Schmelzflussindex gemäß ISO 1133, ausgedrückt als MFI190/21,6, im Bereich von 1, 5 bis 3, 5 dg/min, und eine Viskositätszahl VZges, gemessen nach ISO/R 1191 in Dekalin bei einer Temperatur von 135°C, im Bereich von 500 bis 600 cm3/g.
- Die Trimodalität kann als Maß für die Lage der Schwerpunkte der drei Einzelmolmassenverteilungen mit Hilfe der Viskositätszahlen VZ nach ISO/R 1191 der in den aufeinanderfolgenden Polymerisationsstufen gebildeten Polymeren beschrieben werden. Hierbei sind folgende Bandbreiten der in den einzelnen Reaktionsstufen gebildeten Polymeren zu berücksichtigen:
Die an dem Polymer nach der ersten Polymerisationsstufe gemessene Viskositätszahl VZ1 ist identisch mit der Viskositätszahl VZA des niedermolekularen Polyethylens A und liegt erfindungsgemäß im Bereich von 160 bis 220 cm3/g. - Die an dem Polymer nach der zweiten Polymerisationsstufe gemessene Viskositätszahl VZ2 entspricht nicht VZB des in der zweiten Polymerisationsstufe gebildeten hochmolekularen Polyethylens B, die sich nur rechnerisch ermitteln lässt, sondern sie stellt die Viskositätszahl des Gemisches aus Polymer A plus Polymer B dar. VZ2 liegt erfindungsgemäß im Bereich von 230 bis 320 cm3/g.
- Die an dem Polymer nach der dritten Polymerisationsstufe gemessene Viskositätszahl VZ3 entspricht nicht VZC für das in der dritten Polymerisationsstufe gebildete ultrahochmolekulare Copolymer C, die sich nur rechnerisch ermitteln lässt, sondern sie stellt die Viskositätszahl des Gemisches aus Polymer A, Polymer B plus Polymer C dar. VZ3 liegt erfindungsgemäß im Bereich von 500 bis 600 cm3/g.
- Das Polyethylen wird durch Polymerisation der Monomeren in Suspension bei Temperaturen im Bereich von 60 bis 90 °C, einem Druck im Bereich von 0,15 bis 1 MPa und in Gegenwart eines hochaktiven Ziegler-Katalysators erhalten, der aus einer Übergangsmetallverbindung und Aluminiumtriethyl als aluminiumorganische Verbindung zusammengesetzt ist. Die Polymerisation wird dreistufig, d.h. in drei hintereinander geschalteten Stufen geführt, wobei die Molmasse jeweils mit Hilfe von zudosiertem Wasserstoff geregelt wird.
- Die erfindungsgemäße Polyethylen Formmasse kann neben dem Polyethylen noch weitere Zusatzstoffe enthalten. Solche Zusatzstoffe sind beispielsweise Wärmestabilisatoren, Antioxidantien, UV-Absorber, Lichtschutzmittel, Metalldesaktivatoren, peroxidzerstörende Verbindungen, basische Costabilisatoren in Mengen von 0 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 0 bis 5 Gew.-%, aber auch Füllstoffe, Verstärkungsmittel, Weichmacher, Gleitmittel, Emulgatoren, Pigmente, optische Aufheller, Flammschutzmittel, Antistatika, Treibmittel oder Kombinationen von diesen in Gesamtmengen von 0 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Mischung.
- Die erfindungsgemäße Formmasse eignet sich besonders gut zur Herstellung von L-Ring-Behältern nach dem Blasformverfahren, indem die Polyethylen Formmasse zunächst in einem Extruder bei Temperaturen im Bereich von 200 bis 250 °C plastifiziert und dann durch eine Düse in eine Form gepresst und dort aufgeblasen und dann abgekühlt und verfestigt wird.
- Die erfindungsgemäße Formmasse lässt sich besonders gut nach dem Blasformverfahren zu L-Ring-Containern verarbeiten, weil sie eine Schwellrate im Bereich von 180 bis 220 besitzt, und die damit hergestellten L-Ring-Container weisen besonders hohe mechanische Festigkeit auf, weil die erfindungsgemäße Formmasse eine Kerbschlagzähigkeit (ISO) im Bereich von 60 bis 90 kJ/m2 und eine Spannungsrissfestigkeit (FNCT) im Bereich von 15 bis 25 h besitzt.
- Die KerbschlagzähigkeitISO wird nach der ISO 179-1/1eA/DIN 53453 bei 23°C gemessen. Die Dimension der Probe beträgt 10 × 4 × 80 mm, wobei eine V-Kerbe mit einem Winkel von 45°, einer Tiefe von 2 mm und einem Kerbgrundradius von 0,25 mm eingenutet wird.
- Die Spannungsrissfestigkeit der erfindungsgemäßen Formmasse wird nach einer internen Messmethode ermittelt und in h angegeben. Diese Labormethode ist von M. Fleißner in Kunststoffe 77 (1987), S. 45 ff. beschrieben und entspricht der inzwischen geltenden ISO/CD 16770. Die Publikation zeigt, dass zwischen der Bestimmung des langsamen Risswachstums im Zeitstandversuch an rundum gekerbten Probekörpern und dem spröden Ast der Zeitstandsinnendruckprüfung nach ISO 1167 ein Zusammenhang besteht. Eine Verkürzung der Zeit bis zum Versagen wird durch die Verkürzung der Rissinitiierungszeit durch die Kerbe (1,6 mm/Rasierklinge) in Ethylenglykol als spannungsrissförderndem Medium bei einer Temperatur von 80 °C und einer Zugspannung von 3,5 MPa erreicht. Die Probenherstellung erfolgt, indem drei Probekörper mit den Abmessungen 10 × 10 × 110 mm aus einer 10 mm dicken Pressplatte herausgesägt werden. Die Probekörper werden mit einer Rasierklinge in einer eigens dafür angefertigten Kerbvorrichtung (siehe
5 in der Publikation) in der Mitte gekerbt. Die Kerbtiefe beträgt 1,6 mm. - Arbeitsbeispiel
- Die Polymerisation von Ethylen wurde in einem kontinuierlichen Verfahren in drei hintereinander geschalteten Reaktoren betrieben. In den ersten Reaktor wurde ein Ziegler-Katalysator, der nach der Vorschrift der WO 91/18934, Beispiel 2, hergestellt wurde und in der WO die Operations-Nummer 2.2 hat, in einer Menge von 5,5 mmol/h zusammen mit 150 mmol/h Aluminiumtriethyl eingespeist, zusätzlich ausreichend Suspensionsmittel (Hexan), Ethylen und Wasserstoff. Die Menge an Ethylen (= 49,4 kg/h) und die Menge an Wasserstoff (= 18 g/h) wurden so eingestellt, dass in der Gasphase des ersten Reaktors ein prozentualer Anteil von 49 Vol.-% Ethylen und ein prozentualer Anteil von 43 Vol.-% Wasserstoff gemessen wurden, der Rest war ein Gemisch aus Stickstoff und verdampftem Suspensionsmittel.
- Die Polymerisation in dem ersten Reaktor wurde bei einer Temperatur von 73°C durchgeführt.
- Die Suspension aus dem ersten Reaktor wurde danach in einen zweiten Reaktor überführt, in dem der prozentuale Anteil an Wasserstoff in der Gasphase auf 20 Vol.-% reduziert war und in den neben einer Menge von 46,9 kg/h an Ethylen zusätzlich eine Menge von 15 g/h an 1-Buten zugegeben wurden. Die Reduzierung der Menge an Wasserstoff erfolgte über eine H2-Zwischenentspannung. Im Gasraum des zweiten Reaktors wurden 72 Vol.-% Ethylen, 20 Vol.-% Wasserstoff und < 0,1 Vol.-% 1-Buten gemessen, der Rest war ein Gemisch aus Stickstoff und verdampftem Suspensionsmittel.
- Die Polymerisation in dem zweiten Reaktor wurde bei einer Temperatur von 85 °C durchgeführt.
- Die Suspension aus dem zweiten Reaktor wurde über eine weitere H2-Zwischenentspannung, mit der die Menge an Wasserstoff in der Gasphase im dritten Reaktor auf kleiner als 0,1 Vol.-% eingestellt wurde, in den dritten Reaktor überführt.
- In den dritten Reaktor wurde neben einer Menge von 27,2 kg/h an Ethylen zusätzlich eine Menge von 90 g/h 1-Buten eingegeben. In der Gasphase des dritten Reaktors wurde ein prozentualer Anteil an Ethylen von 91 Vol.-%, ein prozentualer Anteil von Wasserstoff von kleiner als 0,1 Vol.-% und ein prozentualer Anteil von 1-Buten von 0,22 Vol.-% gemessen, der Rest war ein Gemisch aus Stickstoff und verdampftem Suspensionsmittel.
- Die Polymerisation in dem dritten Reaktor wurde bei einer Temperatur von 76 °C durchgeführt.
- Die für die vorstehend beschriebene, kaskadierte Fahrweise erforderliche Langzeitaktivität des Polymerisationskatalysators wurde durch einen speziell entwickelten Ziegler Katalysator wie in der eingangs genannten WO beschrieben gewährleistet. Ein Maß für die Tauglichkeit dieses Katalysators ist seine extrem hohe Wasserstoffansprechbarkeit und seine über eine lange Zeitdauer von 1 bis 8 h gleichbleibend hohe Aktivität.
- Die den dritten Reaktor verlassende Polymersuspension wird nach Abtrennen des Suspensionsmittels und Trocknen des Polymers der Granulierung zugeführt.
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- Die Abkürzungen der physikalischen Eigenschaften in der Tabelle 1 haben die folgende Bedeutung:
- – SR (= Schwellrate) in [%] gemessen in einem Hochdruckkapillarrheometer bei einer Scherrate von 1440 1/s in einer 2/2 Rundlochdüse mit einem konischen Einlauf (Winkel = 15°) bei einer Temperatur von 190°C.
- – FNCT = Spannungsrissfestigkeit (Full Notch Creep Test) gemessen nach der internen Messmethode nach M. Fleißner in [h],
- – KSZISO = Kerbschlagzähigkeit, gemessen nach ISO 179-1/1eA/DIN 53453 in [kJ/m2] bei 23°C.
Claims (10)
- Polyethylen Formmasse mit multimodaler Molmassenverteilung, die eine Dichte bei einer Temperatur von 23°C im Bereich von 0,950 bis 0,956 g/cm3 und einen MFI190/21,6 im Bereich von 1,5 bis 3,5 dg/min besitzt, und die 35 bis 45 Gew.-% eines niedermolekularen Ethylen-homopolymers A, 34 bis 44 Gew.-% eines hochmolekularen Copolymers B aus Ethylen und einem anderen 1-Olefin mit 4 bis 8 C-Atomen, und 18 bis 26 Gew.-% eines ultrahochmolekularen Ethylencopolymers C enthält, wobei alle Prozentangaben auf das Gesamtgewicht der Formmasse bezogen sind.
- Polyethylen Formmasse nach Anspruch 1, wobei das hochmolekulare Copolymer B geringe Anteile, kleiner als 0,1 Gew.-%, an Comonomer mit 4 bis 8 C-Atomen enthält, bezogen auf das Gewicht an Copolymer B, und das ultrahochmolekulare Ethylencopolymer C Comonomere in einer Menge im Bereich von 0,1 bis 0,6 Gew.-% enthält, bezogen auf das Gewicht von Copolymer C.
- Polyethylen Formmasse nach Anspruch 1 oder 2, wobei sie als Comonomer 1-Buten, 1-Penten, 1-Hexen, 1-Octen, 4-Methylpenten-1 oder Mischungen von diesen enthält.
- Polyethylen Formmasse nach einem oder nach mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei sie eine Viskositätszahl VZges, gemessen nach ISO/R 1191 in Dekalin bei einer Temperatur von 135°C, von 500 bis 600 cm3/g besitzt.
- Polyethylen Formmasse nach einem oder nach mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei sie eine Schwellrate im Bereich von 180 bis 220, eine Kerbschlagzähigkeit (ISO) im Bereich von 60 bis 90 kJ/m2, und eine Spannungsrissfestigkeit (FNCT) im Bereich von 15 bis 25 h besitzt.
- Verfahren zum Herstellen einer Polyethylen Formmasse nach einem oder nach mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Polymerisation der Monomeren in Suspension bei Temperaturen im Bereich von 60 bis 90°C, einem Druck im Bereich von 0,15 bis 1,0 MPa und in Gegenwart eines hochaktiven Ziegler-Katalysators durchgeführt wird, der aus einer Übergangsmetallverbindung und einer aluminiumorganischen Verbindung zusammengesetzt ist, wobei die Polymerisation dreistufig geführt wird, wobei die Molmasse des in jeder Stufe hergestellten Polyethylens jeweils mit Hilfe von Wasserstoff geregelt wird.
- Verfahren nach Anspruch 6, wobei in der ersten Polymerisationsstufe die Wasserstoffkonzentration so eingestellt wird, dass die Viskositätszahl VZ1 des niedermolekularen Polyethylens A im Bereich von 160 bis 220 cm3/g liegt.
- Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei in der zweiten Polymerisationsstufe die Wasserstoffkonzentration so eingestellt wird, dass die Viskositätszahl VZ2 des Gemisches aus Polymer A plus Polymer B im Bereich von 230 bis 320 cm3/g liegt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei in der dritten Polymerisationsstufe die Wasserstoffkonzentration so eingestellt wird, dass die Viskositätszahl VZ3 des Gemisches aus Polymer A, Polymer B plus Polymer C im Bereich von 500 bis 600 cm3/g liegt.
- Verwendung einer Polyethylen Formmasse nach einem oder nach mehreren der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von L-Ring-Behältern mit einem Inhalt im Bereich von 50 bis 250 dm3(l), wobei die Polyethylen Formmasse zunächst in einem Extruder bei Temperaturen im Bereich von 200 bis 250 °C plastifiziert und dann durch eine Düse in eine Form gepreßt und dort aufgeblasen und dann abgekühlt und verfestigt wird.
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