DE69328257T2

DE69328257T2 - Vorrichtung zur herstellung von koextrudierten mehrschichtartikeln mit einer grenzschutzschicht

Info

Publication number: DE69328257T2
Application number: DE69328257T
Authority: DE
Inventors: Ravi Ramanathan; J. Schrenk; A. Wheatley
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1992-10-02
Filing date: 1993-09-08
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2013-09-09
Also published as: DE69328257D1; AU5102693A; EP0663867A1; JPH08501994A; EP0663867B1; US5269995A; WO1994007677A1; KR950703443A; CA2146011A1; KR100286968B1

Description

Die Erfindung betrifft koextrudierte Mehrschichtartikel und insbesondere Verfahren zum Koextrudieren solcher Mehrschichtartikel, um Schichtaufbruch zu verhindern, sowie Vorrichtungen dafür.
Die Koextrusion mehrschichtiger Bahnen und anderer Artikel, bei denen Einzelschichtdicken in der Größenordnung von Mikrometern liegen, ist in der Technik bekannt. Zum Beispiel lehren die US-A-3773882 und US-A-3884606 (Schrenk) Vorrichtungen, die koextrudierte thermoplastische Mehrschichtpolymermaterialien mit im wesentlichen gleichmäßigen Schichtdicken herstellen. Der Speiseblock der Koextrusionsvorrichtung erhält Ströme diverser thermoplastischer Polymermaterialien aus solchen Quellen wie wärmeplastifizierenden Extrudern. Die Ströme von Harzmaterialien werden zu einem mechanischen Manipulationsabschnitt im Speiseblock geführt. Dieser Abschnitt dient zum Neuordnen der ursprünglichen Ströme zu einem Mehrschichtstrom mit der gewünschten Anzahl von Schichten in einem Endkörper.
Optional kann dieser Mehrschichtstrom danach durch eine Folge von Schichtvervielfachungseinrichtungen (mitunter als Grenzflächenerzeuger bezeichnet) geführt werden, um die Anzahl von Schichten im Endkörper weiter zu erhöhen, was in der US-A-3759647 (Schrenk et al.) beschrieben ist. Danach wird der Mehrschichtstrom in ein Extrusionswerkzeug geleitet, das so aufgebaut und angeordnet ist, daß in ihm ein Stromlinienfluß aufrechterhalten wird. Eine solche Extrusionsvorrichtung ist in der US-A-3557265 (Chisholm et al.) beschrieben. Das resultierende Produkt wird extrudiert, um einen Mehrschichtkörper zu bilden, in dem jede Schicht allgemein parallel zur Hauptfläche benachbarter Schichten ist. Aufgrund der Dünne der gebildeten Schichten kann diese Technik als Mikroschichtkoextrusionstechnik bezeichnet werden. Die Mikroschichtkoextrusion ist von der herkömmlichen Mehrschichtkoextrusion zu unterscheiden, bei der normalerweise weniger als fünfzehn Schichten erzeugt werden, die jeweils Dicken haben, die ein oder zwei Größenordnungen größer als die bei der Mikroschichtkoextrusion erzeugten Schichtdicken sein können.
Eines der Hauptprobleme der Mikroschichtkoextrusionstechnik ist Fließinstabilität, die immer dann auftreten kann, wenn zwei oder mehr Polymere gleichzeitig durch ein Werkzeug extrudiert werden. Solche Instabilität kann Welligkeit und Verziehungen an den Polymerschichtgrenzflächen verursachen. In schweren Fällen können sich die Schichten durchmischen und ihre getrennten Identitäten verlieren. Diese als Schichtaufbruch bezeichnete Erscheinung, ist der Technik der Mikroschichtkoextrusion eigen, wenn sich Einzelschichtdicken 10 um oder weniger benachbart zu den Wänden des Speiseblocks, der Schichtvervielfachungseinrichtungen oder des Koextrusionswerkzeugs der Koextrusionsvorrichtung nähern.
Ein Fluß mehrerer Polymerschichten durch den Speiseblock und die Grenzflächenerzeuger beinhaltet sowohl Scher- als auch Dehnfluß. Dagegen ist ein Fluß außerhalb des Extrusionswerkzeugs scherfreier Dehnfluß. Zum Schichtaufbruch kommt es in den Fließkanälen sehr nahe an den Kanalwänden, wo Scherfluß vorherrscht. Zu Faktoren, die Schichtaufbruch beeinflussen oder verursachen können, gehören kleine Schichtdicken (d. h. höchstens 10 um), Scherspannung, Grenzflächenspannung zwischen Polymerschichten, Grenzflächenhaftung zwischen der Polymerschmelze und den Kanalwänden sowie Kombinationen aus diesen Faktoren.
In "Interfacial Flow Instability in Multilayer Coextrusion", Polymer Engineering and Science, Band 18, Nr. 8 (Juni 1978) identifizieren Schrenk et al. ein Problem der Fließinstabilität bei der herkömmlichen Mehrschichtkoextrusion einer Dreischichtbahn an der Werkzeugabquetschfläche. Die Autoren schlagen mehrere potentielle Lösungen vor, u. a. Erhöhen der Hautschichtdicke in engster Nähe zur Werkzeugwand, Senken der Viskosität der in engster Nähe zur Werkzeugwand befindlichen Schicht durch Erhöhen der Temperatur oder Umstellen auf ein Harz geringerer Viskosität, Reduzieren der Gesamtextrusionsgeschwindigkeit oder Vergrößern des Werkzeugspalts. Von den Autoren wird ein weiteres potentielles Problem bei der Einführung von Hautschichten geringerer Viskosität angesprochen, bei dem es zu ungleichmäßiger Schichtverteilung aufgrund der fehlangepaßten Viskosität zwischen Schichten kommen könnte.
Die US-A-4540623 (Im et al.) lehrt einen laminierten Mehrschichtartikel, der ein Polycarbonat als eine der abwechselnden Schichten unter Verwendung der in den vorgenannten US-A-3773882, US-A-3884606 und US-A-3759647 gelehrten Vorrichtungen aufweist. Ferner beschreiben Im et al. die Verwendung von Opfer- oder integralen Hautschichten in der Größenordnung von 1 bis 10 Milli-Inch (25,4 bis 254 um) Dicke, um die Verarbeitung der Artikel zu erleichtern und ihre Oberflächen vor Beschädigung zu schützen. Diese Außenhautschichten werden unmittelbar vor Austritt des Mehrschichtfilms aus dem Formgebungswerkzeug oder vor Schichtvervielfachung zugefügt.
Die US-A-3711176 (Alfrey, Jr. et al.) und Radford et al., "Reflectivity of Iridescent Coextruded Multilayered Plastic Films", Polymer and Engineering Science, Band 13, Nr. 3, Seiten 216-221 (Mai 1973) lehren einen stark reflektierenden thermoplastischen Mehrschichtkörper, der mit den zuvor diskutierten Mehrschichtkoextrusionsvorrichtungen nach Schrenk hergestellt wird. Die reflektierenden optisch dünnen Filmschichten nach Alfrey, Jr, et al. und Radford et al. beruhen auf der aufbauenden Interferenz von Licht, um reflektierte sichtbare, ultraviolette oder infrarote Abschnitte des elektromagnetischen Spektrums zu erzeugen. Da ferner solche optisch dünnen Filme bei Wellenlängen stark reflektierend sind, bei denen aufbauende Interferenz vorliegt, sind die Mehrschichtfilme nur aus höchstens wenigen hundert Schichten hergestellt. Gewünschte Schichtdicken lassen sich durch Schicht verdünnen beim Dehnfließen außerhalb des Speiseblocks und der Schichtvervielfachungsvorrichtung erreichen. Einzelschichtdicken innerhalb der Koextrusionsvorrichtung können über dem Wert gehalten werden, an dem Fließinstabilitäten und Schichtaufbruch auftreten.
Neuerdings wird die Mehrschichtkoextrusionstechnik zur Herstellung reflektierender Mehrschichtfilme und -bahnen verwendet, die aus optisch dicken Schichten (optische Dicke über 0,45 um) oder einer Kombination aus optisch dicken und optisch sehr dünnen Schichten (optische Dicke unter 0,09 im) bestehen. Siehe hierzu die US-A-5122905 (Wheatley et al.) und US-A-5122906 (Wheatley). Gleichmäßige Schichten, d. h. Schichten ohne Welligkeit, Verziehungen oder Durchmischung, sind von überragender Bedeutung in Anwendungen, in denen die optischen Eigenschaften des Mehrschichtartikels genutzt werden. Selbst geringe Instabilitäten beim Verarbeiten, die zu Schichtaufbruch in nur 1 Prozent der Schichten führen, können das Reflexionsvermögen und Aussehen des Artikels stark beeinträchtigen. Außerdem hängt das Reflexionsvermögen von Mehrschichtfilmen unter Verwendung optisch dicker und optisch sehr dünner Schichten von der Anzahl von Schichtgrenzflächen ab. Zur Erhöhung des Reflexionsvermögens des Körpers oder Films muß die Gesamtanzahl von Schichtgrenzflächen erhöht werden. Mit Erhöhung der Anzahl von Schichten in solchen Artikeln in der Koextrusionsvorrichtung werden die Einzelschichtdicken so klein, daß ein Aufbruch von nur relativ wenigen Schichten eine wesentliche Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften des Artikels verursachen kann, obwohl seine mechanischen Eigenschaften, z. B. Festigkeit, Beständigkeit gegen umgebungsbeeinflußte Spannungsrißbildung, gas- oder feuchtigkeitssperrende Eigenschaften und Temperaturformstabilität, möglicherweise weitgehend unbeeinflußt bleiben.
Um mindestens 80 Prozent Reflexionsvermögen zu erreichen, muß die Anzahl von Schichten in den Körpern der US-A- 5122905 (Wheatley et. al.) und US-A-5122906 (Wheatley) allgemein über eintausend betragen. Will man eine solche Anzahl von Schichten herstellen, müssen die Einzelschichten mehrmals in Grenzflächenerzeugern vervielfacht werden. Mit dünner werdenden Schichten können Schichtinstabilität und -aufbruch zu einem erheblichen Problem werden.
Folglich besteht in der Technik nach wie vor Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Koextrudieren von Mehrschichtpolymerartikeln, wobei Schichtinstabilitäten und Schichtaufbruchprobleme verhindert werden, insbesondere bei Mehrschichtartikeln mit Einzelschichtdicken unter 10 um, die benachbart zu den Wänden des Speiseblocks, der Schichtvervielfachungsvorrichtungen oder des Extrusionswerkzeugs der Koextrusionsvorrichtung sind.
Die Erfindung erfüllt diesen Bedarf durch Bereitstellen eines verbesserten Verfahrens zum Koextrudieren von Mehrschichtpolymerartikeln, wobei Probleme des Stands der Technik mit Schichtinstabilität und Schichtaufbruch verhindert werden, indem Schutzgrenzschichten während des Koextrusionsverfahrens gebildet werden. Während das Verfahren bei der Herstellung vielfältiger Mehrschichtartikel nützlich ist, ist es besonders bei der Herstellung reflektierender Mehrschichtpolymerkörper von Nutzen, die mehrere hundert bis mehrere tausend Schichten haben. Die Forderung nach einer großen Anzahl von Schichten, die physikalische Dünne der Schichten und die notwendige Gleichmäßigkeit der Schichten, um optimale optische Eigenschaften auszubilden, stellen durchweg Verfahrensanforderungen, die bisher nicht mit herkömmlicher Koextrusionstechnik erfüllt werden konnten.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtpolymerkörpers durch Mikroschicht-Koextrusion mit den folgenden Schritten bereitgestellt:
Bereitstellen mindestens eines ersten Stroms und eines zweiten Stroms aus wärmeplastifiziertem extrudierbarem thermoplastischem Material,
Aufteilen jedes der Ströme in mehrere erste Teilströme bzw. mehrere zweite Teilströme,
Kombinieren der Teilströme, um einen Verbundstrom zu bilden, bei dem die ersten Teilströme und zweiten Teilströme verflochten sind,
Bilden eines manipulierten Stroms durch mechanisches Manipulieren des Verbundstroms, um den Verbundstrom in seiner Fließrichtung und über die verflochtenen Schichten in zwei oder mehr Zweige aufzuteilen und die Zweige aufzuschichten, um eine erhöhte Anzahl von Schichten bereitzustellen, und
Formen des manipulierten Stroms zu einem Mehrschichtpolymerkörper mit zahlreichen Schichten aus dem ersten und zweiten thermoplastischen Material, wobei die Schichten allgemein parallel zueinander sind,
dadurch gekennzeichnet, daß Schutzgrenzschichten auf der oberen und unteren Außenfläche des Verbundstroms durch Aufbringen eines dritten Stroms aus wärmeplastifiziertem thermoplastischem Material gebildet werden, das eine Viskosität, hat, die gleich oder kleiner als die des ersten oder zweiten Stroms aus thermoplastischem Material ist, und das mit einem Volumendurchsatz zugeführt wird, der 1 bis 12,5 Prozent des Gesamtvolumens des Verbundstroms beträgt, wodurch die Schutzgrenzschichten Grenzflächen zwischen den aufgeschichteten Zweigen bilden.
In einem weiteren Aspekt wird bereitgestellt: eine Vorrichtung zur Herstellung eines Mehrschichtpolymerkörpers durch die Erzeugung von Grenzflächen innerhalb eines ersten Verbundstroms, der einzelne, sich überlappende Schichten aus einem ersten und zweiten Polymermaterial aufweist, von denen mindestens ein Paar solcher einzelnen, sich überlappenden Schichten eine allgemein ebene Schichtgrenzfläche dazwischen bildet, die allgemein in einer x-z-Ebene eines x-y-z-Koordinatensystems liegt, wobei die z-Achse so betrachtet wird, daß sie in der allgemeinen Fließrichtung des Verbundstroms verläuft, die x-Achse quer zum ersten Verbundstrom verläuft und ein Quermaß der Schichtgrenzfläche bildet und die y-Achse von der ebenen Schichtgrenzfläche in der Dickenrichtung des Paars einzelner, sich überlappender Schichten allgemein senkrecht weg verläuft, wobei die Vorrichtung aufweist:
eine Aufteilungseinrichtung zum Aufteilen des ersten Verbundstroms in mehrere Zweigströme längs der x-Achse, so daß das Paar einzelne, sich überlappende Schichten und die dazwischen gebildete allgemein ebene Schichtgrenzfläche zwischen zwei oder mehr der Zweigströme verteilt sind;
eine Aufschichtungseinrichtung zum Manipulieren und Neupositionieren der Zweigströme längs der x-Achse wie auch der y-Achse; und
eine Rekombinationseinrichtung zum Rekombinieren der Zweigströme, um einen zweiten Verbundstrom mit einer größeren Anzahl einzelner, sich überlappender Schichten aus dem Polymermaterial als der erste Verbundstrom zu bilden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner aufweist:
eine Aufbringungseinrichtung zum Bereitstellen eines dritten Stroms aus wärmeplastifiziertem thermoplastischem Material auf der oberen und unteren Außenfläche des Verbundstroms, um Schutzgrenzschichten darauf zu bilden.
Der Einbau von Schutzgrenzschichten in den Körper schützt die Schichten vor Instabilität und Aufbruch bei der Schichtbildung und -vervielfachung. Das Verfahren der Erfindung weist die Schritte des Bereitstellens mindestens eines ersten Stroms und eines zweiten Stroms aus wärmeplästifiziertem extrudierbarem thermoplastischem Material und des Aufteilens jedes der Ströme in mehrere erste Teilströme bzw. mehrere zweite Teilströme auf.
Die Teilströme werden kombiniert, um einen Verbundstrom zu bilden, bei dem die ersten Teilströme und zweiten Teilströme verflochten sind (d. h. in abwechselnder Schichtbeziehung angeordnet sind). Ein dritter Strom aus wärmeplastifiziertem thermoplastischem Material wird zu den Außenflächen des Verbundstroms geführt, um Schutzgrenzflächen benachbart zu den Wänden der Koextrusionsvorrichtung zu bilden, die die wärmeplastifizierten Polymerströme durchlaufen. Der dritte Strom aus thermoplastischem Material hat eine geringere Viskosität als der erste oder zweite Strom aus thermoplastischem Material und wird mit einem Volumendurchsatz zugeführt, der 1 bis 12,5 Prozent des Gesamtvolumens des Verbundstroms beträgt.
Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß durch Einsatz eines Materials zur Bildung der Schutzgrenzschicht, das die gleiche oder eine geringere Viskosität als jenes hat, das in den Kernschichten des Körpers verwendet wird, Schichtinstabilität und -aufbruch unter Verwendung von Verfahrensbedingungen vermieden werden, die ansonsten die optischen und/oder mechanischen Eigenschaften der erzeugten Artikel negativ beeinflussen würden. Da die Schutzgrenzschichten die optische Leistung der Mehrschichtkörper nicht steigern und die Dicke des Körpers erhöhen, ist es bevorzugt, eine minimale Menge von Schutzgrenzschichtmaterial zu verwenden und dabei immer noch Schichtinstabilität und -aufbruch zu verhindern.
Zum Erhöhen der Anzahl von Schichten wird der Verbundstrom mit den Schutzgrenzschichten mechanisch manipuliert, indem der Verbundstrom aufgeteilt und danach rekombiniert wird. Mehrere mechanische Manipulationsschritte können durchgeführt werden, wenn ein Mehrschichtkörper mit über eintausend Schichten hergestellt werden soll. Danach wird der mechanisch manipulierte Strom zu einem Mehrschichtpolymerköper mit zahlreichen Schichten aus dem ersten und zweiten thermoplastischen Material geformt, die allgemein parallel zueinander sind, indem der manipulierte Strom durch ein geeignet geformtes Extrusionswerkzeug geführt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Mehrschichtkörper 500 bis 5000 Schichten.
Soll ein reflektierender Artikel hergestellt werden, weist der Mehrschichtkörper eine ausreichende Anzahl abwechselnder Schichten aus dem ersten und zweiten Polymermaterial auf, die sich in der Brechzahl unterscheiden und optisch dick oder optisch sehr dünn sind, was in den vorgenannten Patentschriften nach Wheatley et al. und Wheatley gelehrt wird. Die Praxis der Erfindung ist ferner beim Herstellen von reflektierenden Artikel sehr nützlich, die optisch dünne Schichten haben, z. B. die in der US-A-3711176 (Alfrey et al.) gelehrten Artikel, oder von Artikeln mit Kombinationen aus optisch dicken, dünnen und sehr dünnen Schichten gemäß der Lehre in der US-A-5126880 (Wheatley et al.). Vorzugsweise ist die Anzahl abwechselnder Schichten so, daß mindestens 30 Prozent von auf den Körper einfallendem Licht reflektiert wird und sich vorzugsweise das erste und zweite Polymermaterial in der Brechzahl um mindestens 0,03 voneinander unterscheiden. Für die reflektierenden Körper nach Wheatley et al. und Wheatley sind die optisch dicken Schichten zu dick, um sichtbare irisierende Effekte zu verursachen (als eine oder mehrere vielfältige Farben sichtbar wahrgenommen), während die sehr dün nen Schichten zu dünn sind, um solche Effekte zu bewirken. Der resultierende Mehrschichtpolymerkörper reflektiert im wesentlichen weißes Licht und hat ein silbriges, metallisches Aussehen.
In der Verwendung hierin beziehen sich die Termini "reflektierend", "Reflexionsvermögen", "Reflexion" und "Reflexionsgrad" auf den Gesamtreflexionsgrad (d. h. das Verhältnis von reflektierter Wellenenergie zu einfallender Wellenenergie) mit ausreichend spiegelnder Natur, so daß der Polymerkörper ein metallisches Aussehen hat. Der Gebrauch dieser Termini soll halbspiegelnde oder diffuse Reflexion einbeziehen, z. B. die von gebürstetem Metall und Zinn. Allgemein betrifft Reflexionsmessung die Reflexion von Lichtstrahlen in einen Austrittskegel mit einem Spitzenwinkel von 15 Grad, der um den Ausfallwinkel zentriert ist.
Im Gebrauch hierin ist eine spezifische Reflexionsintensität jene Reflexionsintensität, die bei einer Wellenlänge vorliegt, bei der eine zu vernachlässigende Absorption auftritt. Zum Beispiel reflektiert ein silbern aussehender Artikel im wesentlichen alle sichtbaren Wellenlängen, während der Einbau eines Farbstoffs, um andere metallische Farbtöne zu erzeugen, zwangsläufig das Reflexionsvermögen des Körpers bei den Absorptionswellenlängen senkt. Vom Farbstoff unbeeinflußte Wellenlängen werden im wesentlichen mit der gleichen Intensität wie eine nicht gefärbte Probe reflektiert, und die Reflexionsintensität bezieht sich auf den Zustand bei diesen unbeeinflußten Wellenlängen.
Zur Verwendung in der Erfindung ist eine Anzahl von im wesentlichen transparenten Polymeren geeignet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Polymermaterial ein Polycarbonat, und das zweite Polymermaterial ist Polymethylmethacrylat. Vorzugsweise ist das dritte als Schutzgrenzschicht dienende Polymermaterial ebenfalls ein Polycarbonat mit einem höheren Schnelzfließwert (d. h. einer geringeren Viskosität).
Der Polymerkörper kann ferner drei oder mehr abwechselnde Schichten aus diversen Polymermaterialien mit Schutzgrenzschichten aufweisen. Zum Einsatz können sich wiederholende Muster kommen, z. B. ABCBA und ABCABC. Die dritte Schicht im Wiederholungsmuster bildende Polymere können als feuchtigkeits- oder gassperrende Schichten verwendet werden oder als Versteifungsschichten zum Einsatz kommen. Zusätzlich kann der Einsatz optisch dünner Schichten aus einem dritten Polymer unerwünschte Reflexionen höherer Ordnung vom Körper unterdrücken. In einigen Fällen können die dritten Schichten Klebstoffschichten sein, um die anderen Schichten im Mehrschichtartikel miteinander zu verbinden.
Eine Hautschicht kann auf den Außenflächen des manipulierten Stroms vor dem Formen des manipulierten Stroms zum Mehrschichtpolymerkörper oder nach dem Verlassen des Extrusionswerkzeugs durch den Körper gebildet werden. Die Hautschicht kann eine Opferschicht oder dauerhaft sein und als kratzfeste oder witterungsbeständige Schutzschicht dienen. Außerdem können solche Hautschichten nach Koextrusion im nachhinein auf den Körper aufgebracht werden. Beispielsweise kann eine Hautschicht als Spritzbeschichtung aufgetragen werden, die so wirkt, daß sie die Oberfläche des Körpers ebnet, um optische Eigenschaften zu verbessern und Kratzfestigkeit, chemische Beständigkeit und/oder Witterungsbeständigkeit zu verleihen. Die Hautschicht kann auch auf den Mehrschichtkörper laminiert werden. Erwünscht ist eine Laminierung für jene Polymere, die nicht ohne weiteres koextrudierbar sind.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann es erwünscht sein, Färbemittel, z. B. Farbstoffe (u. a. Fluoreszenzfarbstoffe, thermochrome Materialien und elektrochrome Materialien) oder Pigmente, in eine oder mehrere der einzelnen Innenschichten des Polymerkörpers oder in eine oder beide Außenhautschichten des Körpers einzubauen. Dies kann an einer oder beiden Außen- oder Hautschichten des Körpers erfolgen, oder alternativ kann das Färbemittel in eine oder mehrere Innenschichten im Körper eingebaut werden. Die Färbemittel können so ausgewählt sein, daß dem Polymerkörper ein anderes metallisches Aussehen als sein normales silbriges Aussehen verliehen wird, z. B. ein bronzenes, kupfernes oder goldenes.
Außerdem lassen sich unterschiedliche Farben verwenden, z. B. schwarz, blau, rot, gelb und weiß. Normalerweise ist es am stärksten erwünscht, pigmentierte Färbemittel in den Innenschichten zu verwenden, um Opazität und eine zweiseitige spiegelartige Reflexionsgüte vorzusehen, und Farbstoffe auf den Außenflächenschichten zu gebrauchen. Färbemittel können in Kombination zum Einsatz kommen, um gewünschte Färbe- und optische Eigenschaften bereitzustellen. Zum Beispiel kann ein pigmentiertes weißes Färbemittel auf einer Innenfläche verwendet werden, während ein Farbstoff, z. B. blau, gelb, rot oder grün, auf einer oder mehreren Oberflächenschichten eingebaut werden kann, um eine eindeutige reflektierende Farbwirkung zu erzeugen.
Während die normale Oberfläche des Körpers glatt ist, um ein stark reflektierendes silbriges Aussehen zu haben, kann es in einigen Fällen ferner erwünscht sein, der Oberfläche des Körpers ein aufgerauhtes oder gebürstetes Aussehen zu verleihen, um ein gebürstetes metallisches Aussehen nachzubilden. Außerdem kann ein Lösungsmittel verwendet werden, um die Oberfläche des Mehrschichtkörpers zu ätzen und dem Körper ein mattes oder zinnartiges Aussehen zu geben. Zusätzlich kann der Körper mit vielfältigen Mustern geprägt werden, um erwünschte optische Effekte zu schaffen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Koextrusion eines Mehrschichtpolymerkörpers vorgesehen, das die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen mindestens eines ersten Stroms und eines zweiten Stroms aus wärmeplastifiziertem extrudierbarem thermoplastischem Material und Aufteilen jedes der Ströme in mehrere erste Teilströme bzw. mehrere zweite Teilströme. Die Teilströme werden kombiniert, um einen Verbundstrom zu bilden, bei dem die ersten Teilströme und zweiten Teilströme verflochten sind.
In dieser Ausführungsform wird der Verbundstrom mechanisch manipuliert, um eine erhöhte Anzahl von Schichten vor Einbau von Schutzgrenzschichten auf den Außenflächen des manipulierten Stroms zu bilden. Danach wird ein dritter Strom aus wärmeplastifiziertem thermoplastischem Material auf die Außenflächen des manipulierten Stroms aufgebracht, um Schutzgrenzschichten zu bilden. Wiederum hat der dritte Strom aus thermoplastischem Material eine Viskosität, die gleich oder kleiner als die des ersten oder zweiten Stroms aus thermoplastischem Material ist, und wird mit einem Volumendurchsatz zugeführt, der 1 bis 12,5 Prozent des Gesamtvolumens des manipulierten Stroms beträgt.
Am Schichtstrom mit den Schutzgrenzschichten erfolgt eine weitere mechanische Manipulation, um eine erhöhte Anzahl von Schichten im manipulierten Strom zu bilden. Abschließend wird der manipulierte Strom zu einem Mehrschichtpolymerkörper mit zahlreichen Schichten aus dem ersten und zweiten thermoplastischen Material geformt, die allgemein parallel zueinander sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird mindestens einer der nachfolgenden Schritte vor oder während der Bildung des manipulierten Stroms durchgeführt: a) Verringern von Scherbeanspruchung an den Wänden der mehreren Leitungen; b) Verringern von Schergeschwindigkeit an den Wänden der mehreren Leitungen, z. B. durch Verringern der Extrusionsgeschwindigkeit; und/oder c) Erhöhen der Schichtdicke benachbart zu den Wänden der mehreren Leitungen. Danach wird der manipulierte Strom zu einem Mehrschichtpolymerkörper mit zahlreichen Schichten aus dem ersten und zweiten thermoplastischen Material geformt, wobei die Schichten allgemein parallel zueinander sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schritt des Verringerns von Scherbeanspruchung an den Wänden der mehreren Leitungen das Verwenden von Materialien mit geringer Oberflächenspannung oder Beschichten der Wände der Leitungen unter Verwendung von Materialien mit geringer Oberflächenspannung, z. B. Titaniumnitrid, auf, so daß die Grenzflächenspannung zwischen dem Polymerschmelzstrom und den Wänden reduziert ist. Außerdem ist ein solcher Schritt gleitfördernd. In einer weiteren Ausführungsform läßt sich Scherbeanspruchung an den Wänden der mehreren Leitungen durch Einbauen eines Gleitmittels in das wärmeplastifizierte extrudierbare thermoplastische Material verringern.
Außerdem stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Verhindern von Schichtaufbruch bei der Koextrusion eines Mehrschichtpolymerkörpers durch die Erzeugung von Grenzflächen innerhalb eines ersten Verbundstroms bereit. Der Verbundstrom weist einzelne, sich überlappende Schichten aus einem ersten und zweiten Polymermaterial auf, von denen mindestens ein Paar solcher einzelnen, sich überlappenden Schichten eine allgemein ebene Schichtgrenzfläche dazwischen bildet, die allgemein in einer x-z-Ebene eines x-y-z-Koordinatensystems liegt, wobei die z-Achse so betrachtet wird, daß sie in der allgemeinen Fließrichtung des ersten Verbundstroms verläuft, die x-Achse quer zum ersten Verbundstrom verläuft und ein Quermaß der Schichtgrenzfläche bildet und die y-Achse von der ebenen Schichtgrenzfläche in der Dickenrichtung des Paars einzelner, sich überlappender Schichten allgemein senkrecht weg verläuft. Die Vorrichtung weist eine Einrichtung zum Aufteilen des ersten Verbundstroms in mehrere Zweigströme längs der x-Achse auf, so daß das Paar einzelne, sich überlappende Schichten und die dazwischen gebildete allgemein ebene Schichtgrenzfläche zwischen zwei oder mehr der Zweigströme verteilt sind.
Vorgesehen ist eine Einrichtung, um einen dritten Strom aus wärmeplastifiziertem thermoplastischem Material auf die Außenflächen des Verbundstroms aufzubringen, um Schutzgrenzschichten zu bilden. Vorzugsweise ist eine solche Einrichtung vor der Einrichtung zum Aufteilen des ersten Verbundstroms in mehrere Zweigströme angeordnet. Vorgesehen ist weiterhin eine Einrichtung zum Manipulieren und Neupositionieren der Zweigströme sowohl längs der x-Achse als auch der y-Achse sowie eine Einrichtung zum Rekombinieren der Zweigströme, um einen zweiten Verbundstrom mit einer größeren Anzahl einzelner, sich überlappender Schichten aus dem Polymermaterial als der erste Verbundstrom zu bilden.
In einer bevorzugten Form weist die Einrichtung zum Aufteilen des ersten Verbundstroms in mehrere Teilströme mehrere einzelne Einlässe auf, die durch Trennflügel unterteilt sind, und die Einrichtung zum Aufbringen des dritten Stroms aus wärmeplastifiziertem thermoplastischem Material kann geformte Zufuhrschlitze benachbart zu den einzelnen Einlässen aufweisen. Die Einrichtung zum Aufbringen des dritten Stroms aus wärmeplastifiziertem thermoplastischem Material kann eine Einrichtung zum Steuern der Menge des zu den Zufuhrschlitzen geführten thermoplastischen Materials aufweisen. Diese Einrichtung kann über einstellbare Ventile verfügen.
Die durch die Erfindung hergestellten Mehrschichtkörper können in mehreren unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden. Zum Beispiel zeigt ein Mehrschichtartikel mit sehr dünnen abwechselnden Schichten aus spröden und duktilen Polymeren bei Schlagbeanspruchung kaum oder überhaupt keine Weißbruch- oder Haarrißbildung. Dadurch erhält man Glanz- oder andere verformbare Kunststoffbahnen, die mit vielfältigen Polymermaterialkombinationen und unabhängig von Rißbildung der spröden Schichten keine Weißfärbung zeigen.
Wo optische Eigenschaften wichtig sind, z. B. bei reflektierenden Mehrschichtkörpern, können die Körper der Erfindung als spiegelartiger Polymerartikel mit mindestens einer ersten und zweiten Hauptfläche hergestellt werden. Eine oder mehrere lichtabsorbierende Schichten können in den Artikel oder auf einer der Hauptflächen des Artikels eingebaut sein. Zudem kann der reflektierende Polymerkörper der Erfindung so hergestellt sein, daß er als doppelbrechender Lichtpolarisator wirkt, der ein breites Band des elektromagnetischen Spektrums polarisiert.
Somit besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens und einer verbesserten Vorrichtung zum Koextrudieren von Mehrschichtpolymerartikeln, wobei Probleme des Stands der Technik mit Schichtaufbruch umgangen werden, indem Schutzgrenzschichten während des Koextrusionsverfahrens gebildet werden. Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden näheren Beschreibung, den beigefügten Zeichnungen und den Ansprüchen hervor.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung des Mehrschichtpolymerkörpers der Erfindung;
Fig. 2 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines Grenzflächenerzeugers zur Veranschaulichung der Positionierung der Zufuhrschlitze für die Schutzgrenzschichten bzw. Schutzhautschichten;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Grenzflächenerzeugers von Fig. 2;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht an einer Linie 4-4 von Fig. 3;
Fig. 5 ist eine Schnittansicht an einer Linie 5-5 von Fig. 3; und
Fig. 6 ist ein Diagramm der relativen Viskosität von Schutzgrenzschichtmaterial zu den Kernschichtmaterialien als Funktion des prozentualen Anteils von Schutzgrenzschichtmaterial zum Gesamtmaterialvolumen, ausgedrückt als Volumendurchsatz.
In Fig. 1 ist eine typische Mehrschichtkoextrusionsvorrichtung dargestellt. Darstellungsgemäß weist die Extrusionsvorrichtung 10 eine erste, zweite und optionale dritte Quelle von wärmeplastifizierten Polymerharzen für Extruder 11, 12 bzw. 13 in zusammenwirkender Kombination auf. Eine optionale dritte Polymerharzquelle kann zum Einsatz kommen, wenn ein Körper hergestellt werden soll, der unterschiedliche Einheitsmuster der Schichtwiederholung hat, z. B. ABCABC oder ABCBABCB. Das dritte Polymer kann sich in der Brechzahl vom ersten und zweiten Polymer unterscheiden. In einer Ausführungsform kann das dritte Polymer ein Copolymer aus der ersten und zweiten Komponente aufweisen.
Die Extruder 11, 12 und (optional) 13 geben die wärmeplastifizierten Polymerharze in Leitungen 14, 15 bzw. 16 ab. Ein Koextrusionsspeiseblock 17 arbeitet in Kombination mit den Leitungen 14, 15 und 16 und empfängt einen ersten, zweiten und optionalen dritten wärmeplastifizierten Strom aus ihnen. Durch den Speiseblock 17 werden die wärmeplastifizierten Polymere in verflochtenen Schichtbeziehungen kombiniert und angeordnet, was in den vorgenannten US-A-3773882 und US-A- 3884606 gelehrt ist. Ferner bildet der Speiseblock 17 eine Extrusionsöffnung 18, aus der ein erster Verbundstrom aus Polymermaterial mit abwechselnden, im wesentlichen ebenen Schichten aus dem ersten und zweiten (und optional dritten) Polymermaterial austritt.
Aus der Öffnung 18 durchläuft der Verbundstrom einen mechanischen Manipulationsabschnitt 20 (Grenzflächenerzeuger), der zum Neuordnen der abwechselnden Schichten zu einem Strom mit mehr als der ursprünglichen Anzahl von Schichten dient, was später näher erläutert wird. Zusätzliche Manipulationsabschnitte können in Reihe angeordnet sein, um die Anzahl der Schichten im Strom weiter zu vervielfachen. Die Anzahl zusätzlicher erzeugter Schichten richtet sich nach der Ausgangsanzahl von Schichten multipliziert mit der Anzahl von Kanälen in dem oder den Grenzflächenerzeugern.
Danach wird der Mehrschichtstrom in ein Formgebungswerkzeug 22 geführt, das so aufgebaut und angeordnet ist, daß darin ein Stromlinienfluß aufrechterhalten wird. In der US-A- 3557265 ist ein solches Extrusionswerkzeug beschrieben. Während ein Bahn- oder Filmformgebungswerkzeug 22 dargestellt ist, wird der Fachmann erkennen, daß ein Formgebungswerkzeug jeder gewünschten Konfiguration verwendet werden kann, um nicht nur Filme und Bahnen, sondern auch andere Profile und Formen zu extrudieren. Die Konfiguration des Formgebungswerkzeugs kann variieren und so sein, daß die Dicke jeder der Schichten verringert wird. Der genaue Grad der Dickenverringerung der aus dem mechanischen Orientierungsabschnitt abgegebenen Schichten, die Konfiguration des Werkzeugs und die mechanische Umformmenge des Körpers nach Extrusion sind alles Faktoren, die die Dicke der Einzelschichten im Endkörper beeinflussen.
In Fig. 1 ist ferner ein zusätzlicher Extruder 24 schematisch gezeigt, der als Quelle für Schutzgrenzschichtmaterial dient. Der Extruder 24 gibt wärmeplastifiziertes Polymer in eine Leitung 26 ab, die in Arbeitsverbindung mit dem Speiseblock 17 unmittelbar vor dem Grenzflächenerzeuger 20 steht. Wie später näher erläutert und gezeigt wird, dienen die Schutzgrenzschichten dazu, Schichtaufbruch benachbart zu den Wänden des Speiseblocks, des oder der Grenzflächenerzeuger und/oder des Extrusionswerkzeugs zu verhindern.
Fig. 2 zeigt schematisch einen bevorzugten Aufbau eines Grenzflächenerzeugers (ISG), der bei der praktischen Realisierung der Erfindung zum Einsatz kommt, um Fließinstabilitäten und Schichtaufbruch zu verhindern. Dieser bevorzugte ISG- Aufbau ist in den US-A-5094793 und US-A-5094788 (entspricht EP-A-0492890) näher beschrieben, deren Inhalt den Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 bildet.
In Fig. 2 ist zum besseren Verständnis ein herkömmliches x-y-z-Koordinatensystem dargestellt, wobei die z-Richtung der Fluidpolymerflußrichtung durch die Vorrichtung entspricht, die x-Richtung einer Ebene parallel zu den Schichtgrenzflächen im Verbundstrom entspricht und quer dazu verläuft und die y-Richtung dem Dickenmaß des Schichtverbundstroms entspricht und allgemein senkrecht von der x-Achse verläuft. Darstellungsgemäß erfüllt der Grenzflächenerzeuger (ISG) 30 die Grundfunktionen zum Aufteilen des aus der Öffnung 18 des Werkzeugs 17 austretenden ersten Verbundstroms in mehrere Zweigströme, zum mechanischen Manipulieren und Neupositionieren der Zweigströme und zum anschließenden Rekombinieren der Zweigströme zu einem zweiten Verbundstrom mit einer größeren Anzahl einzelner, sich überlappender Schichten aus Polymermaterial als der erste Verbundstrom.
Darstellungsgemäß tritt ein erster Verbundstrom aus einzelnen, sich überlappenden Schichten aus diversen Polymermaterialien, von denen mindestens ein Paar eine allgemein ebene Schichtgrenzfläche dazwischen bildet, die allgemein in der x- z-Ebene liegt, in den ISG 30 durch einen regelmäßig geformten Einlaß 31 ein. Danach wird der erste Verbundstrom in Zweigströme aufgeteilt. In diesem Fall weist der ISG 30 drei Aufteilungsflügel 32, 34 und 36 zum Aufteilen des Verbundstroms in vier Teilströme auf, die durch Leitungen 40, 42, 44 bzw. 46 fließen, wobei der Fachmann aber erkennen wird, daß bedarfsgemäß auch eine andere Anzahl von Aufteilungsflügeln zum Einsatz kommen kann.
Unmittelbar benachbart zu den Aufteilungsflügeln befinden sich Einrichtungen zum Aufbringen eines wärmeplastifizierten Polymermaterials auf die Außenflächen des Verbundstroms, um Schutzgrenzschichten zu bilden, wenn der Verbundstrom die Aufteilungsflügel 32, 34 und 36 durchläuft. Diese Einrichtungen sind als Zufuhrschlitze 48, 50, 52 und 54 über dem Einlaß 31 und entsprechende Zufuhrschlitze (in Fig. 2 nicht näher gezeigt, in Fig. 4 dargestellt) unter dem Einlaß 31 dargestellt. Während die Zufuhrschlitze darstellungsgemäß unmittelbar benachbart zu den Aufteilungsflügeln angeordnet sind, wird der Fachmann erkennen, daß das Schutzgrenzschichtmaterial viel weiter vor den Flügeln eingeleitet werden kann. Während ferner mehrere Zufuhrschlitze gezeigt sind, kann das Material durch Einzelzufuhrschlitze eingeleitet werden, die sich auf jeder Seite des Verbundstroms befinden.
Die Formgebung der Zufuhrschlitze und die Steuerung der Menge von zugeführtem plastifiziertem Polymer können der späteren näheren Erläuterung entsprechen. Die Zufuhrschlitze sind so angeordnet, daß das wärmeplastifizierte thermoplastische Material auf die Außenflächen des Verbundstroms geführt wird, um Schutzgrenzschichten benachbart zu den Wänden zu bilden, z. B. den oberen und unteren Wänden der Leitungen 40, 42, 44 und 46 der Koextrusionsvorrichtung, die die wärmeplastifizierten Polymerströme durchlaufen. Die Geschwindigkeit der Polymerströme in den Leitungen steigt nahe und unmittelbar hinter den Aufteilungsflügeln, was die Scherkräfte erhöht, die an den Wänden dieser Leitungen an diesen Stellen auftreten.
Der Strom aus wärmeplastifiziertem thermoplastischem Material, das zur Bildung der Schutzgrenzschichten dient, hat eine Viskosität, die gleich oder kleiner als die des ersten oder zweiten Stroms aus thermoplastischem Material ist, und wird mit einem Volumendurchsatz zugeführt, der 1 bis 12,5 Prozent des Gesamtvolumens des Verbundstroms beträgt.
Es wurde festgestellt, daß die Verwendung von Schutzgrenzschichten Schichtinstabilität und -aufbruch unter Einsatz von Verfahrensbedingungen verhindert, die ansonsten die optischen und/oder mechanischen Eigenschaften der hergestellten Artikel negativ beeinflussen würden. Bevorzugt ist der Gebrauch relativ dünner Schutzgrenzschichten, um Beeinträchtigungen der optischen Qualitäten der produzierten Artikel zu minimieren sowie eine. Dickenzunahme des Artikels zu minimieren. Ferner wurde festgestellt, daß durch Verwendung eines Materials, das eine kleinere Viskosität als die der in den Kernschichten eingesetzten Polymere hat, das für die Schutzgrenzschichten genutzte Materialvolumen minimiert werden kann. Festgestellt wurde, daß diese Mindestmenge von Schutz grenzschichtmaterial durch folgende Gleichung berechnet werden kann:
%SGSmin - m(ηSGS/ηKERN) - b,
worin %SGSmin die Mindestmenge von benötigtem Schutzgrenzschichtmaterial ist, ausgedrückt als Prozentsatz des gesamten Volumendurchsatzes des Verbundstroms (mit Schutzgrenzschichtmaterial), ηSGS die Viskosität des Schutzgrenzschichtmaterials ist, ηKERN die mittlere Viskosität des ersten und zweiten Polymers in den Teilströmen für die Polymerkernschichten ist sowie m und b Konstanten bei einer bestimmten Scherbeanspruchung sind, deren Wert von den Volumendurchsätzen der Polymere und den Maßen der Leitungen abhängt, die von den Polymeren durchflossen werden.
Zum Gebrauch in der Erfindung eignet sich eine Anzahl im wesentlicher transparenter Polymere. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Polymermaterial ein Polycarbonat, und das zweite Polymermaterial ist Polymethylmethacrylat.
Vorzugsweise ist das dritte als Schutzgrenzschicht verwendete Polymermaterial ebenfalls ein Polycarbonat mit einem höheren Schnelzfließwert (d. h. einer geringeren Viskosität).
Der Polymerkörper kann außerdem drei oder mehr abwechselnde Schichten aus diversen Polymermaterialien mit Schutzgrenzschichten aufweisen. Zum Einsatz können sich wiederholende Muster kommen, z. B. ABCBA und ABCABC. Die dritte Schicht im Wiederholungsmuster bildende Polymere können als feuchtigkeits- oder gassperrende Schichten verwendet werden oder als Versteifungsschichten zum Einsatz kommen. In einigen Fällen können die dritten Schichten Klebstoffschichten sein, um die anderen Schichten im Mehrschichtartikel miteinander zu verbinden. Ferner können sie optisch aktive Schichten sein, die unerwünschte Reflexionen höherer Ordnung vom Körper unterdrücken.
Mit erneutem Bezug auf Fig. 2 wirken die Leitungen 40, 42, 44 und 46 so, daß sie die Zweigströme im Hinblick auf die x- wie auch y-Achse umleiten und neupositionieren. Vorzugs weise sind die Längen der Leitungen im wesentlichen gleich. Die Zweigströme in den Leitungen 42 und 44 werden am meisten längs der y-Achse und am wenigsten längs der x-Achse verschoben, während die Zweigströme in den Leitungen 40 und 46 am meisten längs der x-Achse und am wenigsten längs der y-Achse verschoben werden, so daß beim erneuten Zusammenführen der Zweigströme in der gezeigten bevorzugten Ausführungsform die Zweigströme allgemein längs der y-Achse aufgeschichtet sind. Vorzugsweise erfolgt die zuvor beschriebene Neupositionierung ohne wesentliches Ändern oder Verziehen der Schichten in den Zweigströmen. Die Positionierung von Schutzgrenzschichten längs der oberen und unteren Außenflächen der Zweigströme hilft, Schichtverziehungen oder -aufbruch infolge der Wandscherkräfte zu verhindern, die beim Durchlaufen der plastifizierten Polymermaterialien durch die Leitungen auftreten.
Während eine bevorzugte Ausführungsform gezeigt wurde, wird der Fachmann erkennen, daß andere Schichtvervielfachungsvorrichtungen verwendet werden können, u. a. Grenzflächenerzeuger mit anderen Anzahlen von Flügeln. Zusätzlich können ein oder mehrere Abschnitte des Polymerschmelzstroms die Schichtvervielfachungsvorrichtungen umgehen und danach wieder zu einem Verbundstrom zusammengeführt werden.
Anschließend werden die Zweigströme in einem Auslaß 56 rekombiniert, um einen zweiten Verbundstrom zu bilden. Darstellungsgemäß wird die Dicke des zweiten Verbundstroms längs der y-Achse durch die Form der Auslaßöffnung verkleinert. Schutzhautschichten können dem zweiten Verbundstrom durch Zufuhrschlitze 58 und 60 zugefügt werden, die unter dem Zusammenflußpunkt der Zweigströme im Auslaß 56 angeordnet sind. Alternativ können die Hautschichten vor oder nach dieser Stelle zugefügt werden. Die Schutzhautschichten können Opferschichten oder dauerhaft sein und als kratzfeste oder witterungsbeständige Schutzschichten dienen. Außerdem können die Hautschichten gefärbt oder pigmentiert sein, um dem Körper Farbeffekte und ein metallisches Aussehen oder ein anderes Aussehen zu verleihen. In bestimmten Fällen dienen diese Schutzhautschichten auch als Schutzgrenzschichten, um Schichtaufbruch und Fließinstabilität der Schichten im Ver bundstrom zu verhindern, wenn die in der Dicke durch den geformten Auslaß 56 verkleinert werden.
Fig. 3 bis 5 zeigen die Positionierung und Plazierung der Zufuhrschlitze für die Schutzgrenzschichten sowie der Zufuhrschlitze für die Schutzhautschichten. Gezeigt ist auch eine bevorzugte Ausführungsform, in der einstellbare Ventile verwendet werden, um die Menge von wärmeplastifiziertem Polymer zu steuern, das an den verschiedenen Zufuhrschlitzen eingeleitet wird. Darstellungsgemäß tritt der erste Verbundstrom in den Einlaß 31 des ISG 30 ein und wird durch die Aufteilungsflügel 32, 34 und 36 in Zweigströme aufgeteilt. Wie Fig. 4 am besten zeigt, wird das Schutzgrenzschichtpolymer (in wärmeplastifizierter Form) durch die Zufuhrschlitze 48, 50, 52 und 54 und durch entsprechende Zufuhrschlitze 48', 50', 52' und 54' auf beide Außenflächen des Mehrschichtstroms eingeleitet. Darstellungsgemäß können die Zufuhrschlitze so geformt sein, daß zusätzliche Polymermengen zur Mitte des Zufuhrschlitzes eingeleitet werden. Dies gleicht die Wanderung des Schutzgrenzschichtpolymers mit geringerer Viskosität beim nachfolgenden Fließen aus. Während die Form der Zufuhrschlitze in dieser Ausführungsform mit einem Dreieckquerschnitt dargestellt ist, können anders geformte Zufuhrschlitze genutzt werden. Einstellbare Ventile 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68 und 69 steuern die Menge von wärmeplästifiziertem Polymer, das zum Verbundstrom eingeleitet wird. Zur Veranschaulichung sind die Ventile in verschiedenen Einstellungsstufen von geschlossen (Ventil 62) bis vollständig offen (Ventil 69) gezeigt.
Je nach gewünschter Gesamtanzahl von Schichten und ihrer Dicke läßt sich die an jedem Zufuhrschlitz eingeleitete Menge von Schutzgrenzschichtpolymer so steuern, daß Optimalmengen an jeder Grenzfläche zwischen Zweigstrom und Leitungswand eingeleitet werden. Für die ISG-Konfiguration von Fig. 2 kann es erwünscht sein, einen schwereren Fluß von Schutzgrenzschichtpolymer an der Oberseite der Leitung 42 und Unterseite der Leitung 44 einzuleiten, da nach dem Aufschichten der Zweigströme diese Grenzflächen größeren Scherkräften ausgesetzt sind, wenn die Schichten im Verbundstrom am geformten Auslaß 56 weiter verdünnt werden. Außerdem können gemäß Fig. 2 und 3 Ventile 70, 72 und 74 eingestellt werden, um die Relativdurchsätze der Polymerströme bei ihrem Rekombinieren im Auslaß 56 zu steuern.
Im Schutzumfang der Erfindung liegen auch andere Verfahren zur Verhinderung von Schichtaufbruch bei der Koextrusion eines Mehrschichtpolymerkörpers und bei der Bildung und Manipulation der mehreren Schichten aus Polymeren. Gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung erreicht man die Verhinderung von Schichtaufbruch durch Durchführen mindestens eines der folgenden Schritte vor oder während der Bildung des manipulierten Stroms: a) Verringern von Scherbeanspruchung an den. Wänden der mehreren Leitungen; b) Verringern von Schergeschwindigkeit an den Wänden der mehreren Leitungen, z. B. durch Verringern der Extrusionsgeschwindigkeit; und/oder c) Erhöhen der Schichtdicke benachbart zu den Wänden der mehreren Leitungen.
Eine Senkung von Scherbeanspruchung an den Leitungswänden läßt sich durch Beschichten der Wände mit einem Material mit geringer Oberflächenspannung erreichen, z. B. Titaniumnitrid, um Grenzflächenspannung zwischen dem Polymerschmelzstrom und den Wänden der Leitungen zu reduzieren. Gleitmittel, deren Zusammensetzungen in der Technik bekannt sind, können dem plastifizierten Polymerstrom zugegeben oder auf die Wandoberflächen gepumpt werden. Wie zuvor gelehrt wurde, läßt sich Scherbeanspruchung auch durch Senken der Viskosität der zu den Wänden benachbarten Polymerschichten verringern. Die Schergeschwindigkeit an den Wänden der Leitungen kann durch Durchsatzsenkung des Polymerschmelzstroms reduziert werden. Schließlich verhindert auch die Verwendung von Schutzgrenzschichten zur Dickenerhöhung der zu den Wänden benachbarten Polymerschichten Schichtaufbruch.
Zum besseren Verständnis der Erfindung dienen die nachfolgenden Beispiele, die eine Veranschaulichung der Erfindung darstellen, den Schutzumfang aber nicht einschränken sollen.

Beispiel 1

Hergestellt wurde ein Polymerkörper aus 165 Schichten durch Koextrusion abwechselnder Kernschichten aus einem Bisphenol-A-Polycarbonat mit einem MFR (Schmelzdurchsatz) von 10 und einem Polyethylmethacrylat mit einem MFR von 2 mittels eines halbkreisförmigen Mikroschichtspeiseblocks mit einem Speisering für 165 Schichten, der dem Speiseblock gemäß der Lehre der US-A-3884606 (Schrenk) ähnelte. Der Schmelzdurchsatz eines Polymers ist umgekehrt proportional zu seiner Viskosität. Der Volumendurchsatz der zum Speiseblock geführten Kernschichtmaterialien betrug 70,2 lb/h (31,85 kg/h). Der Speiseblock wurde auf 500ºF (260ºC) gehalten, und die Extruder zum Zuführen des Polycarbonats und Polymethylmethacrylats waren auf 540ºF (282ºC) bzw. 470ºF (243ºC) erwärmt.
Einzelzufuhrschlitze dienten zum Zuführen von Schutzgrenzschichten (SGS) auf jede Außenfläche des Mikroschichtkörpers nach dem Speiseblock. Sowohl der Volumendurchsatz als auch der Schmelzdurchsatz des Schutzgrenzschichtmaterials wurden gemäß den Angaben in den nachfolgenden Tabellen variiert, um die Schutzgrenzschichtmenge zu bestimmen, die zur Verhinderung von Schichtaufbruch unter den Bedingungen in der Koextrusionsausrüstung notwendig war. Die Temperatur des Extruders für das Schutzgrenzschichtmaterial betrug 500ºF (260ºC). Bei den SGS-Polymeren handelte es sich um eine Folge von Polycarbonaten, die im Handel von The Dow Chemical Company unter dem Warenzeichen Calibre und von Teijin Chemical Company unter der Bezeichnung "Panlite 80 melt flow" zu beziehen sind. Diese Polycarbonate hatten Schmelzdurchsätze von 10 (Calibre 302-10), 22 (Calibre 302-22), 51 (eine Mischung aus gleichen Teilen Calibre 302-22 und Panlite 80 melt flow) bzw. 80 (Panlite 80 melt flow). Schichtaufbruch wurde anhand des Vorhandenseins oder Fehlens von Trübung im Laminat beurteilt, die durch Lichtstreuung aus gespaltenen Schichten verursacht war. Tabelle 1 Beim SGS-Material handelte es sich um Calibre 302-10 mit einem MFR von 10. Tabelle 2 Beim SGS-Material handelte es sich um Calibre 302-22 mit einem MFR von 22. Tabelle 3 Beim SGS-Material handelte es sich um eine Mischung aus gleichen Teilen Calibre 302-10 und Panlite 80 melt flow mit einem MFR von 51. Tabelle 4 Beim SGS-Material handelte es sich um Panlite 80 melt flow mit einem MFR von 80.
Die Ergebnisse der in den Tabellen 1 bis 4 protokollierten Durchläufe sind in Fig. 6 grafisch dargestellt. Die Viskositäten der SGS- und Kernpolymerschichten wurden in Verhältnisse gesetzt und als Viskositätsverhältnisse wiedergegeben. Aus den Ergebnissen wird deutlich, daß die zur Verhinde rung von Schichtaufbruch nötige minimale SGS-Menge eine durch folgende Gleichung beschriebene lineare Funktion ist:
%SGSmin - 39,3(ηSGS/ηKERN) - 26,71.
Wird die Koextrusionsausrüstung unter Bedingungen auf oder über der Linie von Fig. 6 betrieben, stellt man Mikroschichtkörper ohne Schichtaufbruch her. Wie der Fachmann erkennen wird, führt der Betrieb einer anderen Ausrüstung mit anders bemessenen Durchflußkanälen und mit anderen Durchsätzen für die Polymere zu anderen Scherbeanspruchungen für die Polymerschmelzströme. Zusätzlich führt auch die Verwendung anderer Polymere, die andere Grenzflächenspannungen zwischen der Polymerschmelze und den Wandflächen der Ausrüstung haben können, zu anderen Scherbeanspruchungen. Ihrerseits führen diese Unterschiede zu einem anderen Konstantensatz für die vorgenannte Gleichung.
Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Einzelheiten zur Veranschaulichung der Erfindung dargestellt wurden, wird der Fachmann erkennen, daß verschiedene Änderungen an den hier offenbarten Verfahren und Vorrichtungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen festgelegt, ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtpolymerkörpers durch Mikroschicht-Koextrusion mit den folgenden Schritten:

Bereitstellen mindestens eines ersten Stroms und eines zweiten Stroms aus wärmeplastifiziertem extrudierbarem thermoplastischem Material,

Aufteilen jedes der Ströme in jeweils mehrere erste Teilströme und mehrere zweite Teilströme,

Kombinieren der Teilströme, um einen Verbundstrom zu bilden, bei dem die ersten Teilströme und zweiten Teilströme verflochten sind,

Bilden eines manipulierten Stroms durch mechanisches Manipulieren des Verbundstroms, um den Verbundstrom in seiner Fließrichtung und über die verflochtenen Schichten in zwei oder mehr Zweige aufzuteilen und die Zweige aufzuschichten, um eine erhöhte Anzahl von Schichten bereitzustellen, und

Formen des manipulierten Stroms zu einem Mehrschichtpolymerkörper mit zahlreichen Schichten aus dem ersten und zweiten thermoplastischen Material, wobei die Schichten allgemein parallel zueinander sind,

dadurch gekennzeichnet, daß Schutzgrenzschichten auf der oberen und unteren Außenfläche des Verbundstroms durch Aufbringen eines dritten Stroms aus wärmeplastifiziertem thermoplastischem Material gebildet werden, das eine Viskosität hat, die gleich oder kleiner als die des ersten oder zweiten Stroms aus thermoplastischem Material ist, und das mit einem Volumendurchsatz zugeführt wird, der 1 bis 12,5 Prozent des Gesamtvolumens des Verbundstroms beträgt, wodurch die Schutzgrenzschichten Grenzflächen zwischen den aufgeschichteten Zweigen bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein erster manipulierter Strom durch mechanisches Manipulieren des Verbundstroms gebildet wird, um den Verbundstrom in seiner Fließrichtung und über die verflochtenen Schichten in zwei oder mehr Zweige aufzuteilen und die Zweige aufzuschichten, um eine erhöhte Anzahl von Schichten bereitzustellen, und der dritte Strom aus wärmeplastifiziertem thermoplastischem Material auf die Außenflächen des ersten manipulierten Stroms aufgebracht wird, um die Schutzgrenzschichten zu bilden.

3. Verfahren nach Abspruch 1 oder 2, wobei der Mehrschichtkörper 500 bis 5000 Schichten hat.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Mehrschichtkörper eine ausreichende Anzahl abwechselnder Schichten aus dem ersten und zweiten Polymermaterial so aufweist, daß mindestens 30 Prozent von auf den Körper einfallendem Licht reflektiert wird, und wobei sich das erste und zweite Polymermaterial in der Brechzahl um mindestens 0,03 voneinander unterscheiden, um einen reflektierenden Polymerkörper herzustellen.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Polymermaterial ein Polycarbonat ist und das zweite Polymermaterial ein Polymethylmethacrylat ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das dritte Polymermaterial ein Polycarbonat ist.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem folgenden zusätzlichen Schritt: Bereitstellen von Außenschutzhautschichten an den Außenflächen des manipulierten Stroms vor Formen des manipulierten Stroms zum Mehrschichtpolymerkörper.

8. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit mindestens einem der folgenden Schritte vor oder während der Bildung des manipulierten Stroms:

a) Verringern von Scherbeanspruchung an den Wänden der mehreren Leitungen,

b) Verringern von Schergeschwindigkeit an den Wänden der mehreren Leitungen und

c) Erhöhen der Schichtdicke benachbart zu den Wänden der mehreren Leitungen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Verringerns von Scherbeanspruchung an den Wänden der mehreren Leitungen den folgenden Schritt aufweist: Beschichten der Wände der Leitungen mit einem Material mit geringer Oberflächenspannung.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Material mit geringer Oberflächenspannung Titaniumnitrid aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Verringerns von Scherbeanspruchung an den Wänden der mehreren Leitungen den folgenden Schritt aufweist: Einbauen eines Gleitmittels in das wärmeplastifizierte extrudierbare thermoplastische Material.

12. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Verringerns von Scherbeanspruchung an den Wänden der mehreren Leitungen den folgenden Schritt aufweist: Senken der Viskosität der Schichten benachbart zu den Wänden der Leitungen.

13. Vorrichtung zur Herstellung eines Mehrschichtpolymerkörpers durch die Erzeugung von Grenzflächen innerhalb eines ersten Verbundstroms, der einzelne, sich überlappende Schichten aus einem ersten und zweiten Polymermaterial aufweist, von denen mindestens ein Paar solcher einzelnen, sich überlappenden Schichten eine allgemein ebe ne Schichtgrenzfläche dazwischen bildet, die allgemein in einer x-z-Ebene eines x-y-z-Koordinatensystems liegt, wobei die z-Achse so betrachtet wird, daß sie in der allgemeinen Fließrichtung des ersten Verbundstroms verläuft, die x-Achse quer zum ersten Verbundstrom verläuft und ein Quermaß der Schichtgrenzfläche bildet und die y- Achse von der ebenen Schichtgrenzfläche in der Dickenrichtung des Paars einzelner, sich überlappender Schichten allgemein senkrecht weg verläuft, wobei die Vorrichtung aufweist:

eine Aufteilungseinrichtung (32, 34, 26) zum Aufteilen des ersten Verbundstroms in mehrere Zweigströme längs der x-Achse, so daß das Paar einzelne, sich überlappende Schichten und die dazwischen gebildete allgemein ebene Schichtgrenzfläche zwischen zwei oder mehr der Zweigströme verteilt sind;

eine Aufschichtungseinrichtung (40, 42, 44, 46) zum Manipulieren und Neupositionieren der Zweigströme längs der x-Achse wie auch der y-Achse; und

eine Rekombinationseinrichtung (56) zum Rekombinieren der Zweigströme, um einen zweiten Verbundstrom mit einer größeren Anzahl einzelner, sich überlappender Schichten aus dem Polymermaterial als der erste Verbundstrom zu bilden,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner aufweist: eine Aufbringungseinrichtung (48, 50, 52, 54, 48', 50', 52', 54') zum Bereitstellen eines dritten Stroms aus wärmeplastifiziertem thermoplastischem Material auf der oberen und unteren Außenfläche des Verbundstroms, um Schutzgrenzschichten darauf zu bilden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Aufbringungseinrichtung (48-54, 48'-54') vor der Aufteilungseinrichtung (32, 34, 36) angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Aufteilungseinrichtung mehrere einzelne Einlässe aufweist, die durch Trennflügel (32, 34, 36) aufgeteilt sind, und die Aufbringungseinrichtung geformte Zufuhrschlitze (48, 50, 52, 54, 48', 50', 52', 54') benachbart zu den einzelnen Einlässen aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Aufbringungseinrichtung eine Einrichtung (62-69) zum Steuern der Menge des zu den Zufuhrschlitzen (48-54, 48'-54') geführten thermoplastischen Materials aufweist.