-
1. Gebiet
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung biaxial orientierter
Thermoplastfolien.
-
Insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine biaxial orientierte
Thermoplastfolie, wie zum Beispiel Polyethylenterephthalat oder
Polyethylennaphthalat, die durch simultanes biaxiales Strecken in einem
Reckrahmen hergestellt wird, wobei die Folie simultan sowohl in
Längs-
als auch in Querrichtung gestreckt wird, während die beiden Wulstränder der
Folie durch Greifvorrichtungen, die auf Schienen fortbewegt werden,
gehalten werden. Durch ein Erhöhen
der Temperatur der Wulstränder
der Folie auf den entsprechenden Folienorientierungstemperaturbereich
nach dem Ergreifen und vor oder während des simultanen Reckens kann
ein zuverlässigeres
Ergreifen der Ränder,
eine Verringerung von Folienrissen und eine größere Gleichmäßigkeit
der Folienränder
erreicht werden.
-
2. Beschreibung des Standes
der Technik
-
Kommerziell
einsetzbare Folien aus Thermoplastpolymeren, wie zum Beispiel Polyethylenterephthalat oder
Polyethylennaphthalat, werden herkömmlicherweise durch die folgenden
Schritte hergestellt:
- (1) Es wird ein anfänglicher
Schmelzfim gebildet, und zwar durch Extrudieren einer kontinuierlichen
flachen Bahn geschmolzenen Polymeres auf eine gekühlte sich
bewegende Metalloberfläche, üblicherweise
die Oberfläche
einer rotierenden zylindrischen Walze oder Trommel, welche das geschmolzene
Polymereband kühlt
und verfestigt;
- (2) Der Folie wird eine Molekülorientierung zur Verbesserung
ihrer Festigkeit und anderer mechanischer Eigenschaften durch Strecken
der Folie in einer biaxialen Streckvorrichtung verliehen; und
- (3) Die orientierte Folie wird zu einer Folientransfer- und
-Wickelstelle transportiert, die typischerweise Schneidmesser zum
Entfernen der Ränder
und zum Aufteilen der Folie in mehr als eine letztendliche Bahnbreite
und schließlich
Vorrichtungen zum Aufwickeln der Bahn in Folienwickel aufweist.
-
Geeignete
Typen biaxialer Streckvorrichtungen sind zum Beispiel sequenzielle
Streckvorrichtungen, die mindestens zwei Streckabschnitte zum Verleihen
einer Orientierung zuerst in einer Richtung (Längs- oder Querrichtung) und
dann in der anderen Richtung enthalten. Sequenzielle Streckvorrichtungen
verleihen typischerweise eine Längsrichtungsorientierung
zuerst durch Transportieren des Films über Walzen, die sich mit zunehmenden
Geschwindigkeiten drehen, und verleihen dann eine Querorientierung
mittels eines Kluppen-Reckrahmens. Die Folienränder werden durch sich bewegende
Kluppen ergriffen, die mit konstanter Geschwindigkeit auf Schienen
angetrieben werden, die auseinander laufen, um eine Querrichtungsorientierung vorzusehen.
-
Alternativ
dazu kann die Streckvorrichtung ein simultaner biaxialer Reckrahmen
sein, der sowohl eine Längsrichtungs-
als auch eine Querrichtungsorientierung in einem einzigen Schritt
durchführt,
indem die Ränder
des gerade gegossenen Films mit Kluppen auf Schienen ergriffen werden,
die auseinander führen,
um eine Querorientierung zu verleihen, während die Kluppen mit sich
erhöhender
Geschwindigkeit vorwärts
getrieben werden, um die Längsrichtungsorientierung
zu verleihen. Die im Streckabschnitt eingesetzte Antriebseinrichtung
kann eine mechanische Vorrichtung, wie zum Beispiel eine große Spindel
sein, deren Gewindesteigung sich entlang des Kluppenwegs variabel
verändert,
wie das zum Beispiel im US-Patent Nr. 3,150,433 (Kampf) beschrieben
ist, oder auch elektrische Linearmotoren, die zum Beschleunigen
der Kluppen angeordnet sind, während
sie sich durch den Streckabschnitt bewegen, wie das zum Beispiel
im US-Patent Nr. 5,051,225 (Hommes et al.) beschrieben ist.
-
Beim
simultanen biaxialen Recken von Kunststofffolien ist allgemein bekannt,
dass die Temperatur der zu streckenden Folie zuerst innerhalb einer
geeigneten Orientierungstemperaturbereich, der für das spezifische Polymer charakteristisch
ist, eingestellt werden muss. Dies wird üblicherweise durch Laufen Lassen
der gerade gegossenen Folie durch eine Vorheizzone bewerkstelligt,
nachdem die Folienkanten durch die Kluppen ergriffen wurden, wobei
sich die Kluppen mit im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit
bewegen und die Kluppenpfade im Wesentlichen parallel sind, so dass
keine Streckung erfolgt. Die Folie kann durch ein beliebiges einem
Stand der Technik bekanntes Verfahren erwärmt werden, üblicherweise
entweder durch das Auftreffen von Heizluft auf die Folie und/oder
durch die Anwendung von Strahlungswärme von elektrischen Heizelementen
verschiedener Typen.
-
Auf
das Vorheizen der Folie folgt dann das simultane Recken, bei dem
die Pfade der Kluppen, welche die Folienränder ergreifen, auseinander
führen,
um eine Querrichtungsorientierung zu verleihen, während die Kluppen
simultan beschleunigt werden, um eine Längsrichtungsorientierung zu
verleihen. Die Folientemperatur kann wahlweise während des Streckens durch eine
weitere Anwendung von Luft einer gesteuerten Temperatur oder durch
Strahlungsenergie eingestellt werden.
-
Ein
typisches Beispiel eines solchen Verfahrens ist im US-Patent Nr.
5,429,785 (Jolliffe) beschrieben. Gemäß dem Jolliffe-Patent ist ein
Verfahren zur Herstellung einer ultra-dünnen, simultan biaxial gestreckten Polymerefolie
in einem Reckrahmen durch Heizen der Folie auf die Folienorientierungstemperatur
im Reckrahmen vor dem Strecken und Halten der Folie innerhalb des
Folienorientierungstemperaturbereichs unter der Verwendung von Strahlungsheizelementen
vorgesehen, während
die Folie simultan im Reckrahmen gestreckt wird. Die biaxial gestreckte
Folie des Jolliffe-Patents hat eine Dickengleichmäßigkeit,
die zur kommerziellen Anwendung mit einer Dickenvariation von typischerweise
weniger als 25% geeignet ist, wodurch eine verbesserte Lauffähigkeit
und eine verbesserte Herstellung von Wickeln mit glatter Oberfläche vorgesehen
wird.
-
Es
hat sich nun herausgestellt, dass während des simultanen biaxialen
Streckungsschrittes eines solchen Verfahrens des Standes der Technik
die Dicke und die Temperaturen der Ränder der Folie, die als "Wulst" bezeichnet werden,
sehr kritisch sind. Wulstränder
werden anfangs, wenn die Folie gegossen wird, hergestellt. Normalerweise
sind die Wulstränder
etwas dicker als die Folienbahn in der Mitte. Beim simultanen Recken
wirken die Wulstränder
als an den Rändern
der Folie angebrachte Streifen, die einen quer zur Längsrichtung
verlaufenden Zug an die Folie zwischen den Kluppen anliegen, während die
Kluppen während
der Reckung in die Längsrichtung
sich voneinander entfernen. Im Patent von Hommes et al. lassen die
Wulstränder
die passiven (Leerlauf-) Kluppen mitlaufen, und die Wulstränder selbst
werden hauptsächlich
in der Längsrichtung
gestreckt, da keine Ergreifung zwischen den Kluppen besteht, um
an die Wulstränder
eine Kraft in Querrichtung anzulegen.
-
Wenn
die Wulstränder
nicht die entsprechende Dicke haben oder innerhalb des Orientierungstemperaturbereichs
der Folie sind, kann es häufig
vorkommen, dass die Wulstränder
reißen,
während
sie in der Längsrichtung
verlängert
werden. Die Wulstrisse setzen sich in die Hauptbahn der Folie fort,
wodurch der kontinuierliche Betrieb unterbrochen wird, der zur Herstellung
langer Rollen gereckter Folie benötigt wird, die für einen
kommerziellen Betrieb erforderlich sind. In solchen Fällen mit
Wulsttemperaturen unterhalb des idealen Orientierungstemperaturbereichs
kann es vorkommen, dass die Wulstränder und die Folie ständig reißen und aus
dem Reckrahmen in Stücken
allgemein einer geringeren Länge
als einen Meter herauskommen.
-
Das
auf den Hauptteil der Folie angewendete Heizverfahren erwärmt die
Wulstränder
der Folie nicht zuverlässig
auf die richtige Orientierungstemperatur, insbesondere wenn die
Wulstkanten eine Dicke haben, die zur simultanen biaxialen Streckung
geeignet sind. Die Wulstränder
sind üblicherweise
viel dicker als die Folie und erfordern daher einen größeren Wärmeaufwand
pro Oberflächeneinheit
zum Erreichen der gewünschten
Temperatur. Die Wulstränder
erhalten üblicherweise
sogar weniger Wärme
pro Oberflächeneinheit als
die Folie, da sie sich an den Rändern
der Heizvorrichtungen befinden, wo sie teilweise gegenüber der Strahlungswärmequelle
abgeschirmt sind, wenn die Folie mit Strahlungswärme aufgeheizt wird, oder es
kann sein, dass sie weniger Heißluft
als die Folienbahn in der Mitte erhalten, wenn der Film durch Heißluft aufgeheizt wird.
Aus diesen Gründen
sind die Wulstränder üblicherweise
beträchtlich
kühler
als die Folie. In einem Beispiel hatte Strahlungswärme ohne
getrennte Wulstheizung in einer Vorheizzone die Folientemperatur
um 76°C und
die Wulstränder
nur um 3°C
erhöht.
-
Beim
simultanen Recken ist es wichtig, ein Reißen der Wulstränder durch
die Verwendung einer geeigneten Wulstdicke und Aufheizen des Wulstrandes
auf eine akzeptable Orientierungstemperatur zu vermeiden. Wenn die
Wulsttemperatur über
oder unterhalb dieses akzeptablen Temperaturbereichs ist, wird dies
zu Wulstrissen führen.
-
Die
Ränder
der in einem simultanen biaxialen Reckrahmen orientierter Folie
haben eine langettierte (muschelsaumartige) Form mit Einschnürungen zwischen
den durch die Kluppen ergriffenen Punkte. Die langettierten Ränder werden
nach der Orientierung und bevor der Film auf Rollen aufgewickelt
wird, abgeschnitten. Wenn die Wulsttemperaturen über den für die Orientierung idealen
Temperaturbereich angehoben wird, verringert sich die Spannung in
den Wulsträndern,
und die Langettierungstiefe erhöht
sich, wodurch es notwendig wird, einen breiteren Streifen eines
Abfallwulstes zu entfernen. Hierdurch wird die Abfallmenge erhöht, wodurch
der Prozesswirkungsgrad verringert wird, sowie die Breite der erzielten
Nutzfolie verringert.
-
Bei
der im US-Patent Nr. 5,051,225 (Hommes et al.) beschriebenen simultanen
biaxialen Streckungsvorrichtung werden die Kluppen durch elektrische
Linearmotoren angetrieben. Es hat sich herausgestellt, dass es nicht
notwendig ist, dass die Linearmotoren alle Kluppen antreiben. Es
ist wirtschaftlicher, zum Beispiel nur jede dritte Kluppe anzutreiben,
wobei die dazwischen liegenden zwei Kluppen durch einen Eingriff
mit den Folienwulsträndern
angetrieben werden. Wulstränder
einer entsprechenden Dicke sind nötig, um die Streckkräfte aufzunehmen
und die passiven Kluppen anzutreiben. Beim vorliegenden Verfahren
hat sich herausgestellt, dass eine gegossene Wulstranddicke von
zwischen 400 bis 1000 μm
vorzugsweise zwischen 600 bis 800 μm eine gegossene PET- oder PEN-Folie
mit einer Dicke von höchstens
250 μm bevorzugt
wird. Wenn die Wulstränder
nicht die entsprechende Dicke haben oder nicht im entsprechenden
Temperaturbereich gehalten werden, um die passiven, nicht angetriebenen
Kluppen vorzutreiben, kann es vorkommen, dass die Wulstränder reißen. Außerdem können Wulsttemperaturen,
die entweder zu hoch oder zu niedrig sind, oder Wulstränder, die
zu dünn
sind, verursachen, dass die Abstände
der passiven Kluppen unregelmäßig sind.
Unregelmäßige Abstände der
Kluppen wirken sich negativ auf die Gleichmäßigkeit der orientierten Foliendicke
und die physikalischen Eigenschaften der Folie in der Nähe der Kanten
aus.
-
Außerdem ist
es beim Strecken von Folien unter der Verwendung eines Reckrahmen
von überragender
Wichtigkeit, dass die Kluppen die Wulstränder stark und zuverlässig halten.
Es hat sich herausgestellt, dass das zuverlässige Ergreifen durch die Kluppen
von der Temperatur der Folie und vom Ergreifungspunkt abhängt. Wenn
die Temperatur der Wulstränder
zur Zeit des Ergreifens nicht genügend hoch ist, um die Wulstränder zu
erweichen und es den Kluppenbacken zu erlauben, die Oberfläche einzudrücken, wird
kein zuverlässiges
Ergreifen erzielt, und die Kluppen können die Folie während des
Reckens loslassen und den Vorgang unterbrechen. Dies trifft insbesondere
unter der Verwendung eines simultanen biaxialen Streckrahmens zu,
wo die durch die Folie auf die Kluppen ausgeübte Kraft aufgrund der Längsrichtungs-Verstreckungskräfte nicht
immer im rechten Winkel zur Kluppenachse ist.
-
Ein
Verfahren zur Herstellung einer in Querrichtung gereckten Thermoplastfolie
sowie eine hierfür
eingesetzte Vorrichtung ist aus der FR 2 250 625 A wohl bekannt.
Diese Druckschrift wird erörtert,
um die Sicherheit des Ergreifens der Folie, d. h. des Wulstes der
Folie, zu verbessern. Die Lösung
hierfür
liegt darin, dass beide Folienränder
erwärmt
werden, bevor die Folienränder
durch die Kluppen ergriffen werden. Die Folienränder sollten auf eine Temperatur
der Recktemperatur erwärmt
werden.
-
Dieser
Stand der Technik hat jedoch den Nachteil, dass die Dicke der Folienränder ungleichmäßig ist. Ein
weiterer Nachteil ist, dass bei dieser Erwärmung der Folienränder die
Eigenschaften der Folie insbesondere im Bereich neben den Folienrändern nachteilig
beeinflusst wird.
-
Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Dicke der
Folienkanten und/oder das Streckergebnis der Folie zu verbessern,
d. h. insbesondere das Streckergebnis derjenigen Teile der Folie
zu verbessern, die in der Nähe
der Folienränder
liegen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
-
Dementsprechend
sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum simultanen biaxialen
Recken einer Thermoplastfolie, die Wulstränder aufweist, in einem Reckrahmen,
wobei die Temperaturen der Wulstränder der Folie nach dem Ergreifen
und vor und während
des Reckens auf Temperaturen erhöht
werden, die zum Recken geeignet sind, wodurch Wulstrisse vermieden
werden, die sich in die Folie fortsetzen und den Reckvorgang unterbrechen,
die Unregelmäßigkeiten
entlang der Kanten minimiert, die von unnötig hohen Wulsttemperaturen
herrühren,
und die Zuverlässigkeit
des Ergreifens der Wulstränder
der Folie durch die Kluppen erhöht.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
einer simultan biaxial gereckten Thermoplastfolie gemäß Anspruch
1.
-
Der
Fokus der Wärme
auf die Wulstränder
der Folie wirkt sich nach unserer Auffassung nicht auf die Temperatur
des Mittelteils der Folie aus.
-
Thermoplastfolien
und insbesondere Polyesterfolien, wie zum Beispiel Polyethylenterephthalat
und Polyethylennaphthalat, die eine Enddicke nach dem Recken haben,
die sich von mindestens 0,2 μm
bis 350 μm
erstreckt, können
unter Einsatz dieses Verfahrens gereckt werden. Allgemein werden
die Folien mindestens um das Doppelte und vorzugsweise zwischen
dem Doppelten und dem Fünffachen,
ihrer ursprünglichen Länge in der
Längsrichtung
und mindesten um das Doppelte, und vorzugsweise um das Zwei- bis
Fünffache, ihrer
ursprünglichen
Breite in der Querrichtung gereckt.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist eine schematische
Draufsicht auf den Reckrahmen, der zum simultanen biaxialen Recken einer
Thermoplastfolie verwendet wird und veranschaulicht die Orte der
verschiedenen Wulstheizelemente, die erfindungsgemäß eingesetzt
werden.
-
Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
einer biaxial orientierten Polymerefolie mit Wulsträndern, die
allgemein dicker als der mittlere Teil der Folie sind, und zum simultanen
biaxialen Recken der Folie in einem Reckrahmen, während die
Temperatur der Wulstränder
der Folie vor oder während
der simultanen biaxialen Reckung auf eine Temperatur innerhalb des
Folienorientierungstemperaturbereichs erhöht wird.
-
Wärme wird
selektiv an beliebigen oder allen folgenden Stufen des Verfahrens
auf die Wulstränder
angewendet:
- (1) kontaktfreie Wulstheizung,
nachdem der Film durch die Kluppen ergriffen wurde, jedoch bevor
das simultane Recken beginnt;
- (2) kontaktfreies Wulstheizen während des simultanen Reckvorgangs;
und
- (3) kontaktfreies Wulstheizen vor und während der Folienverarbeitungsschritte
in Verarbeitungsrichtung nach dem Simultanreckrahmen, einschließlich einer
weiteren Längsrichtungsreckung
zum Erhöhen
der Festigkeit des Films.
-
Außerdem können die
Wulstränder
durch kontaktfreies Wulstheizen selektiv mit Hitze beaufschlagt werden,
bevor der Film durch die Kluppen ergriffen wird, welche den Film
durch den Simultanreckrahmen vortreiben.
-
Die
Wahl der Wulstheizverfahren ist für die Erfindung nicht wesentlich.
Die Wulstheizvorrichtungen müssen
jedoch zum gezielten Richten von Wärme auf die Wulstränder der
Folie mit minimalen oder im Wesentlichen keinen Auswirkungen auf
die Temperatur des mittleren Teils der Folie fähig sein, die vorzugsweise durch
getrennte Mittel gesteuert wird. Eine unabhängige Steuerung der Wulsttemperatur
ist vorzuziehen, so dass Wulsttemperaturen zur Verarbeitungszuverlässigkeit
eingestellt werden können
ohne dass sich dadurch Auswirkungen auf die Temperatur des mittleren
Hauptteils der Folie ergeben.
-
Ein
kontaktfreies Wulstheizen kann unter der Verwendung des Auftreffens
von Heizluft durch Düsen, die
zum Richten eines schmalen Luftstroms entlang des Wulsts konfiguriert
sind, und durch Strahlungsheizen unter der Verwendung elektrischer
Heizelemente erfolgen. Elektrische Heizelemente sind zum Beispiel:
(1) Flache schmale Hüllen-Heizelemente,
die über
oder unter den Wulsträndern
des gerade gegossenen Films angebracht und vor dem Kluppen-Ergreifungspunkt angeordnet
sind; (2) röhrenförmige Hochintensitäts-Strahlungsheizelemente
mit parabolischen Zylinderreflektoren, die über oder unter der Folie angebracht
und auf die Wulstränder
gerichtet sind, die nach dem Kluppen-Ergreifungspunkt und vor Beginn
der Reckung angeordnet sind; und (3) röhrenförmige Hüllen-Heizelemente, die parallel
zu den Kluppenpfaden über
der Folie und nahe den Kluppen angebracht sind, um eine Hitzebeaufschlagung
der Wulstränder
zu maximieren. Es können
sowohl Heißluft-
als auch Strahlungsheizelemente in der Folienvorheizzone dem Simultanreckrahmen
vorgespannt, innerhalb des Simultanreckrahmen und in nachfolgenden
Reckvorgängen
verwendet werden und erzielen höchst
orientierte Folien.
-
Es
hat sich als allgemein wünschenswert
herausgestellt, wenn die Temperatur der Wulstränder ungefähr gleich oder größer als
die Temperatur der mittleren Folienbahn ist. Die Folie muss innerhalb
eines Orientierungstemperaturbereichs sein, der für das bestimmte
Polymere geeignet ist. Die Wulstränder, die als Träger für die Folie
dienen, können
innerhalb oder über
dem Filmorientierungstemperaturbereich sein. Die Notwendigkeit zur
separaten Steuerung der Wulsttemperaturen ergibt sich sowohl aus
der ungleichen Heizung, die auf die Wulstränder im Vergleich zur Folie
in typischen Reckrahmenheizzonen angewendet wird, als auch durch
die Notwendigkeit einer separaten Optimierung der Folien- und der
Wulsttemperatur.
-
Geeignete
Thermoplastpolymere sind amorphe, nicht kristalline Polymere, wie
zum Beispiel Polysterol und Polyakrylate sowie kristallisierbare
Polymere, wie zum Beispiel Polyolefine, Polyamide und Polyester,
hierauf jedoch nicht eingeschränkt.
Bevorzugt werden kristallisierbare Polyester, die als Hauptsäurekomponente eine
aromatische Dicarbonsäure
(oder den niedrigeren Alkylester davon) und als die Hauptglykolkomponente ein
Alkylenglykol enthalten. Beispiele der aromatischen Dicarbonsäure sind
Terephthalsäure,
Isophthalsäure, Naphthalindicarbonsäure, Diphenoxyethandicarbonsäure, Diphenyletherdicarbonsäure, Diphenylsulfodicarbonsäure und
Diphenylketondicarbonsäure,
hierauf jedoch nicht eingeschränkt.
Am meisten werden Terephthalsäure
oder Naphthalindicarbonsäure
bevorzugt. Das bevorzugte Alkylglycol ist Ethylglycol. Geeignete
copolymerisierbare Komponenten, die zum Optimieren der Eigenschaften
der gewünschten
Folien hinzugefügt werden
können,
sind, wie auf diesem Gebiet wohl bekannt, beispielsweise Diole,
wie zum Beispiel Diethylglykol, Propylglycol oder Neopentylglycol;
aromatische zweiwertige Säurekomponenten,
wie zum Beispiel Phthalsäure
und Isophthalsäure;
und aliphatische zweiwertige Säurekomponenten,
wie zum Beispiel Sebazinsäure und
Adipinsäure.
Polyethylenterephthalat (PET) oder Polyethylen-2,6-Naphthalat (PEN)
sind für
die durch dieses Verfahren hergestellte Folie besonders geeignet.
Das Verfahren ist auch auf Polyestercopolymere von PET und PEN,
Copolymere, die mehr als 70 Gewichtsprozent entweder von PET oder
PEN enthalten, und Polymermischungen, die aus einer Kombination
geeigneter Polymere gebildet werden, vorausgesetzt, dass die Mischung
Orientierungseigenschaften aufweist, die für PET und PEN während des
Folienbildungsvorgangs typisch sind, anwendbar.
-
Das
Polymer kann auch unlösliche
(anorganische oder organische) Partikel enthalten, die innerlich
gefällt
oder extern hinzugefügt
wurden, wie auf diesem Gebiet wohl bekannt ist, um als ein Schmiermittel
zu dienen, das die Folienhandhabung, einschließlich des Aufwickelns auf die
Folienrolle erleichtert.
-
Gemäß der Zeichnung
zeigt 1 einen Reckrahmen 11,
der allgemein zum simultanen biaxialen Recken einer Thermoplastfolie
geeignet ist, wie zum Beispiel einer Polyethylenterephthalatfolie
oder einer Polyethylennaphthalatfolie.
-
Die
Orte der Wulstheizelemente 1 bis 6 sind gemäß der vorliegenden
Erfindung in den folgenden Beispielen beschrieben.
-
Anfänglich wird
ein geschmolzenes Polyethylenterephthalat(PET)- oder Polyethylennaphthalat(PEN)-Polymer
typischerweise durch eine Schlitzdüse eines Extruders schmelzextrudiert
und auf die Abschreckoberfläche
einer innengekühlten,
rotierenden Abschrecktrommel, die bei einer Temperatur von typischerweise
30°C gehalten
wird, gegossen, um eine im Wesentlichen amorphe freitragende Folie
W zu erzeugen.
-
Die
Folie W wird von der Trommel abgezogen und über geheizte Walzen in einen
Vorheizabschnitt 16 im Reckrahmen 11 geführt, wo
sie auf beiden Seiten durch Kluppen ergriffen 15, und auf
eine Orientierungstemperatur vor dem Recken aufgeheizt wird. Eine
Quelle von Heißluft
oder Strahlungswärme 17 wird
zum Vorheizen der Folie verwendet. Der Orientierungstemperaturbereich
für Polyethylenterephthalat
(PET) ist typischerweise zwischen 80° und 120°C, und der Orientierungstemperaturbereich
für Polyethylennaphthalat (PEN)
ist typischerweise zwischen 115° und
165°C. Der
Orientierungstemperaturbereich ist hier derjenige Temperaturbereich,
in dem die Molekülorientierung
einer Polymerefolie bewirkt werden kann. Unterhalb des Orientierungstemperaturbereichs
hat die Folie die Tendenz zu reißen. Oberhalb des Orientierungstemperaturbereichs
wird die Folie ohne Orientierung gestreckt. Der spezifische Orientierungsbereich
für ein
bestimmtes Thermoplastpolymere kann von einem Fachmann auf diesem
Gebiet leicht festgestellt werden.
-
Dann
wird die Folie W in den Streckabschnitt 18 bewegt, wo sie
simultan biaxial in der Längs-
und der Querrichtung gereckt wird, während die Temperatur innerhalb
des Orientierungstemperaturbereichs des bestimmten Polymeres unter
der Verwendung von Strahlungs- oder Luftheizelementen 19 gehalten
wird. Die Folie wird um mindestens das Doppelte ihrer ursprünglichen
Abmessungen in jeder Richtung gereckt.
-
Nachdem
die Folie W biaxial im Streckabschnitt 18 gereckt wurde,
wird sie wahlweise in einen Wärmefixierungsabschnitt 20 des
Reckrahmens gebracht, wo eine weitere Bearbeitung durchgeführt wird,
während
ihre Temperatur unter der Verwendung von Strahlungs- oder Heißluftheizelementen 21 auf
einen Bereich gebracht wird, der für die spezifischen Verarbeitungsschritte
geeignet ist. Diese Schritte können
eine weitere Reckung hauptsächlich
in der Längsrichtung
und ein Wärmefixieren
durch Anheben der Temperatur zur Abmessungsstabilisierung der Folie
oder Kombinationen beliebiger dieser Schritte sein.
-
Schließlich wird
die gereckte Folie F von den Kluppen losgelassen 22, die
Ränder
werden abgeschnitten und der Mittelteil des Films wird auf eine
Rolle gewickelt.
-
Die
folgenden Beispiele dienen der Veranschaulichung, schränken die
Erfindung jedoch in keinster Weise ein.
-
Beispiel 1
-
Ein
Linearmotor-Reckrahmen des im US-Patent Nr. 5,051,225 (Hommes) beschriebenen
Typs wurde zum simultanen biaxialen Recken einer Polyethylenterephthalatfolie
verwendet. Die einzigen benötigten
Modifikationen waren das Hinzufügen
und die Verwendung von Strahlungsheizelementen, um die Folie bei
den geeigneten Temperaturen zum Heizen, Recken und Wärmefixieren
zu halten, und das Hinzufügen
und die Verwendung von Wulstheizelementen im Reckrahmen, um die
Temperatur der Wulstränder
bei den entsprechenden Betriebstemperaturen zu halten, im Vorheiz-
und Reckabschnitt des Reckrahmens, wie das oben bereits beschrieben
wurde.
-
Eine
Thermoplastfolie wurde durch Extrudieren eines geschmolzenen Polyethylenterephthalat(PET)-Polymeres
aus einem Folienherstellungsextruder auf die Oberfläche einer
rotierenden, wassergekühlten
Abschrecktrommel gebildet, wo es zum Erzeugen einer im Wesentlichen
amorphen freitragenden Folie abgekühlt wurde. Die gegossene amorphe
Folie war 40 cm breit, im mittleren Hauptteil 180 μm und am
jeweiligen Wulstrand 700 μm
dick. Die Randdicke verjüngte
sich von den 700 μm
dicken Kanten zu der mittleren Bahndicke von 180 μm über eine
Strecke von 4 cm. Die Folie wurde mit einer Geschwindigkeit von
20 m pro Minute gegossen. Der Extruder war in herkömmlicher
Weise konstruiert mit entsprechenden Einrichtungen zur Ermöglichung
einer Einstellung des gegossenen Folienprofils durch Einstellung
der Mündung
der Düse
an mehreren Punkten entlang der Mündung. Eine nominelle Öffnung von
1,3 mm wurde zwischen den Mündungslippen
beibehalten, um einen entsprechenden Druckabfall herzustellen, der
zur Viskosität
des Polymeres und der Fließrate
passte.
-
Die
gegossene Folie wurde dann von der Abschrecktrommel abgezogen und über geheizte
Walzen, die bei 80°C
gehalten werden, um die Folien- und die Wulsttemperatur zu erhöhen, wobei
jedoch ein Ankleben der Folie und der Wulstränder an die Walzen vermieden
wird, zum Eingang des Reckrahmens 11 transportiert.
-
Am
Eingang des Reckrahmens wurden die Wulstränder der Folie durch Kluppen
ergriffen 15, die anfänglich
offen waren und sich dann schlossen, nachdem die Wulstkanten in
die Backen eingeführt
wurden. Die in die Kluppen einlaufende Folie hatte eine Temperatur
von ungefähr
50°C.
-
Unmittelbar
nach dem Punkt, wo die Kluppenbacken sich um die Folienränder schlossen,
war eine Reihe von drei fokussierten Strahlungsheizelementen 2 auf
beiden Seiten des Reckrahmens angeordnet, wo sie über der
Folie angebracht waren und nach außen und innen gerichtet waren,
um die Hitze auf die Wulstkanten zu fokussieren. Jedes dieser Heizelemente
bestand aus einem Metall-Parabol-Zylinderreflektor,
der 3,8 cm breit und 28 cm lang war, wobei ein 25 cm langes zylindrisches
Glühheizelement
am Brennpunkt des paraboloiden Querschnitts des Reflektors angeordnet
war, um annähernd
parallele Strahlen zu projizieren. Jedes der Heizelemente hatte
eine elektrische Leistung von maximal 2000 Watt, und die tatsächliche
elektrische Leistung war von 0 auf 100 Prozent dieser Leistung durch
eine geeignete manuell einstellbare Leistungssteuerung einstellbar.
Die Reflektor- und
Heizelementanordnungen wurden so angebracht, dass die Hitzestrahlen in
Winkeln von 45° zur
Senkrechten auf die Verdickungsränder
der Folie projiziert wurden.
-
Einen
halben Meter nach dem letzten der drei Strahlungsheizelementen 2 lief
der Film in den Streckofen, der fünf getrennte Heizzonen aufwies,
von denen eine zum Vorheizen 16 der Folie in Vorbereitung
zum Recken, dann zum Recken der Folie simultan 18 und zur
Wärmefixierung 20 (in
den letzten drei Zonen) der gereckten Folie waren. Die Folie wurde
durch Felder flacher Strahlungsheizelemente 17, 19 und 21 aufgeheizt, die
35 cm über
der Folie angebracht waren, wobei die Heizelementleistung für jede der
fünf Heizzonen
getrennt einstellbar war. Die Heizelemente waren Casso-Solar-Heizelemente
des Typs C, die im Handel erhältlich
sind und so konstruiert sind, dass sie von ihren Quarzflächen vorzugsweise
Infrarotenergie nach außen, in
diesem Fall nach unten, abstrahlen.
-
Die
Kluppen wurden in ungefähr
geraden parallelen Pfaden in den Vorheizabschnitt 16 geführt, wo
die Folie auf eine Temperatur von 94°C aufgeheizt wurde.
-
Nach
der Vorheizzone 16 gingen die Pfade der Kluppen auseinander,
und sich gegenüber
liegende Paare von Kluppen wurden beschleunigt, wodurch sie sich
von benachbarten Paaren entfernten, um die aufgeheizte Folie simultan
in der Längs- und der Querrichtung
zu recken 18. Die Folie wurde auf das 3,55-fache ihrer ursprünglichen
Länge in
der Längsrichtung
und das 3,55-fache ihrer ursprünglichen
Breite in der Querrichtung gereckt.
-
Nach
der Reckzone wurden die Kluppenpfade wieder ungefähr parallel,
und die Folie wurde dadurch wärmefixiert,
dass sie in der Wärmefixierungszone 20 auf
eine Temperatur von 200°C
gebracht wurde, wo kein weiteres Recken erfolgte. Die Wärmefixierung
verringert Abmessungsveränderungen,
wenn die Folie später wieder
aufgeheizt wird, wie das bei der nachfolgenden Verarbeitung oder
in manchen Endanwendungen geschieht. Am Ausgang des Reckrahmens
wurde die Folie von den Kluppen losgelassen 22 und durch
Wulstentfernungsmesser zu einer Aufwickelvorrichtung geführt, welche
die Folie auf Rollen wickelte.
-
Die
für ein
gleichmäßiges Recken
und zum Entwickeln der gewünschten
physikalischen Eigenschaften erforderliche Folientemperatur wurde
durch Einstellen der Leistung der Infrarotfolienheizelemente in
der Vorheizzone
16 und in der Reckzone
18 gesteuert,
um die gewünschten
Folientemperaturen zu erreichen, die durch Ircon-Infrarotpyrometer
gemessen wurden, welche auf der Mittellinie der Maschine am Ende
einer jeden der Ofenheizzonen gerichtet waren. Die folgenden Prozessbedingungen
erzeugten zuverlässig
eine PET-Folie mit konsistenten physikalischen Eigenschaften in
genügend
langen Rollenlängen: Prozessbedingung
| Gießgeschwindigkeit | 20
Meter/Minute |
| Reckverhältnis, jede
Richtung | 3,55 |
| Recktemperatur | 94°C |
| Wärmefixierungstemperatur | 200°C |
| Wulststrahlungsheizelementleistung,
gesamt für
jeden Wulst | 4900
Watt |
-
Die
fokussierten Wulststrahlungsheizelemente 2 lieferten die
nötige
Erhöhung
der Wulsttemperatur, um Folienrisse zu vermeiden. Eine größere Leistung
der Heizelemente verursachte ein unerwünschtes Ausdünnen der
Folie an der Innenseite der Wulstränder aufgrund der Ausbreitung
der Strahlungswerte in die Folie.
-
Beispiel 2
-
Der
im Beispiel 1 beschriebene Linearmotor-Reckrahmen wurde zur Herstellung
einer höchst
zugbelastbar gemachten Polyethylenterephthalat(PET)-Folie mit ungewöhnlich großer Festigkeit
in der Längsrichtung
verwendet. Die große
Festigkeit wurde ihr dadurch verliehen, dass zuerst die Folie gegossen
und sie dann simultan unter ähnlichen
Bedingungen, wie sie für
das Beispiel 1 beschrieben wurde, gereckt wurde, und sie dann weiter
in der Längsrichtung
gereckt wurde. Das kontinuierliche Recken in der Längsrichtung
wurde durch Einstellen der Steuerelemente der elektrischen Linearmotoren
erzielt, so dass sie die Kluppen weiter beschleunigten, nachdem
die simultane Reckung abgeschlossen war.
-
Dieses
Beispiel verwendete die fokussierten Strahlungsheizelemente 2,
wie sie in Beispiel 1 beschrieben sind. Zusätzlich waren Heißluftdüsen 4, 5 und 6 in
den Grenzbereichen zwischen den Heizzonen am Beginn der Simultanreckzone
und am Beginn der nächsten
zwei Zonen nach der anfänglichen
Reckzone angeordnet. Die Düsen
waren so angebracht, dass sie Luft auf die Wulstränder der
Folie richteten und wurden mit Heißluft von herkömmlichen
Luftheizvorrichtungen und Lüftern
versorgt, die getrennte Steuerungen für Lufttemperaturen und Lüftergeschwindigkeiten
für alle
sechs Düsen
hatten. Die Temperatur der gelieferten Luft war zwischen 180° und 190°C. Die Wulstränder selbst
waren nicht zur Temperaturmessung zugänglich.
-
Die
sowohl mit als auch ohne die zusätzlichen
Heißluftdüsen erreichbare
maximale Folienfestigkeit in der Längsrichtung wurde durch Messen
der Werte von F5, d. h. der Belastung in einer Zugtestprobe festgestellt,
die bei einer 5%igen Längung
in einer herkömmlichen
Zugprüfungsvorrichtung
gemessen wurde. Das Längsrichtungsreckverhältnis (MDX)
war die hauptsächliche
Prozessvariable, die sich auf erreichbares F5 auswirkte.
-
Wenn
die anderen Bedingungen im Wesentlichen konstant blieben, waren
die durchschnittliche und die standardmäßige Abweichung vom maximal
erreichbaren MDX ohne Wulstriss und die resultierende F5 in Längsrichtung
mit und ohne die Heißluftwulstheizelemente
wie folgt:
-
-
Der
durch die Verwendung dieser Wulstheizelemente erreichbare Vorteil
war das Erreichen eines größeren Endreckverhältnisses
in der Längsrichtung,
weil sich die Wulstränder
bei höheren
Temperaturen auf ein höheres
Verhältnis
strecken konnten, ohne zu reißen.
-
Beispiel 3
-
Der
im US-Patent Nr. 5,051,225 (Hommes et al.) beschriebene Linearmotor-Reckrahmen wurde
zur Herstellung einer orientierten Polyethylennaphthalat(PEN)-Folie verwendet.
Jede dritte Kluppe wurde angetrieben, und zwei nicht angetriebene
bzw. leer laufende Kluppen wurden zwischen jedem Paar angetriebener Kluppen
angeordnet.
-
Eine
Thermoplastfolie wurde durch Extrudieren eines geschmolzenen PEN-Polymeres auf die
Oberfläche
einer rotierenden, gekühlten
Abschrecktrommel gebildet und zum Erzeugen einer amorphen selbsttragenden
Folie gekühlt.
Die Folie war 51 cm breit, über
ihren mittleren Hauptbereich 44 μm
dick und an jedem Wulstrand 700 μm
dick, wobei sich die Randdicke von den 700 μm dicken Kanten zur Bahnmitte
von 44 μm über eine
Strecke von 4 cm verjüngte.
Die Lineargeschwindigkeit der gegossenen Folie war 18 Meter pro
Minute.
-
Gemäß 1 wurde dann der gegossene
Film von der Abschrecktrommel abgezogen und über geheizte Walzen bei 94°C zum Eingang
des Simultan-Biaxial-Reckrahmens 11 transportiert,
wo die Wulstkanten von Kluppen ergriffen wurden 15. Unmittelbar
vor dem Punkt, bei dem die Folie in die Kluppen einlief, lief jeder Wulst
zwischen flachen elektrischen Hüllenheizelementen 1,
die 25 cm lang, 4 cm breit waren und 12 mm über bzw. unter dem Folienpfad
angeordnet waren. Die elektrische Leistung der Wulstheizelemente 1 war
500 Watt bei jedem Heizelement, wodurch insgesamt 1000 Watt für jeden
der beiden Wülste
vorgesehen waren.
-
Unmittelbar
nach dem Punkt, bei dem die Kluppenbacken die Folie ergriffen 15,
waren drei fokussierte Strahlungsheizelemente 2 auf jeder
Seite des Reckrahmens angeordnet. Die elektrische Leistung der fokussierten
Heizelemente war 2000 Watt bei jedem Heizelement, wodurch insgesamt
6000 Watt für
jeden der beiden Wülste
vorgesehen war.
-
Ungefähr einen
halben Meter nach dem letzten Strahlungsheizelement trat die Folie
in den Reckrahmenofen, der in fünf
Heizzonen aufgeteilt war, zum Vorheizen 16 der Folie zur
Vorbereitung zum Recken, zum simultanen Recken 18 der Folie
und dann zur Wärmebehandlung 20 der
Folie in den letzten drei Zonen. Die Folie wurde durch Felder flacher
Strahlungsheizelemente 17, 19 und 21 aufgeheizt,
die 35 cm über
der Folie angebracht waren, wobei die Heizelementleistung für jede der
fünf Heizzonen
getrennt einstellbar war. Die Heizelemente waren im Handel erhältliche
Casso-Solar-Heizelemente des Typs C, die von ihren Quarzflächen Infrarotenergie
nach unten abstrahlten.
-
In
der Vorheizzone 16 erhöhte
das Folienheizelement 17 die Folientemperatur auf 136°C, die in
der Mitte der Folie unter Verwendung eines Ircon-Infrarotpyrometers gemessen wurde. Röhrenförmige Hüllen-Wulstheizelemente 3 waren
parallel zu den Pfaden der Wulstränder über der Folienebene und so
nah wie praktisch möglich
sowohl zur Folienebene als auch zu den Rändern der Kluppen angebracht,
um einen so großen
Anteil der Energie wie möglich
auf die Wulstränder
einzustrahlen. Diese Wulstheizelemente 3 hatten eine Länge von
109 cm, einen Durchmesser von 0,95 cm und eine Leistung von 5400
Watt für
jeden Wulst. Die Leistung der Heizelemente an den beiden Rändern des
Reckrahmens waren getrennt einstellbar.
-
Nach
dem Laufen durch die Vorheizzone 16 wurde die Folie in
der Reckzone 18 biaxial und simultan mit einem Reckverhältnis von
3,3 sowohl in der Längs-
als auch in der Querrichtung gereckt. Die Folientemperatur nach
dem Recken war 130°C,
was unter der Verwendung eines Ircon-Infrarotpyrometers gemessen wurde.
-
Nach
dem Recken gelangte die Folie durch eine Wärmefixierungszone 20 (die
aus drei getrennten Heizzonen bestand), wo keine weitere Reckung
erfolgte und wo die Folientemperatur 160°C, 208°C bzw. 133°C in den entsprechenden drei
Zonen war. Am Ausgang des Reckrahmens wurden die Kluppen auf jeder Seite
des Reckrahmens aufgedrückt 22.
Die letztendliche Folie mit einer Breite von einem Meter nach Entfernen
der Wulstränder,
wurde auf Rollen gewickelt.
-
Bei
diesem Beispiel wurden PEN-Folien durch Einstellen der verschiedenen
Heizleistungen an der Folie und an den Wulsträndern dadurch vorgenommen,
dass die röhrenförmigen Wulstheizelemente 3 der
Vorheizzone zunächst
ausgeschaltet waren. Die Temperatur der Wulstränder wurde gemessen. Dann wurden
die röhrenförmigen Heizelemente 3 der
Vorheizzone eingeschaltet, und ihre Leistung wurde so eingestellt,
dass die Wulstränder
der gereckten Folie am Ausgang des Reckrahmens am besten aussahen
und die Leerlaufkluppen den besten Abstand zueinander hatten. Die
Wulsttemperaturmessungen wurden wiederholt.
-
Tabelle
1 fasst die Wulstheizbedingungen und die Wulsttemperaturen zusammen,
die unter der Verwendung einer Agema Thermovision – Thermobildkamera
gemessen wurden, die von Agema Infrared Systems AB, Schweden, hergestellt
wurde. Die Ergebnisse geben die Häufigkeit von Folienrissen für jede Gruppe von
Bedingungen, den beobachteten Unterschied bei den Leerlaufkluppenabständen in
Zuordnung zur entsprechenden Wulsttemperatur und das Erscheinungsbild
des gereckten Wulst- oder Verdickungsrandes an.
-
-
-
-
Dieses
Beispiel zeigt, dass:
- (a) bei ausgeschalteten
Vorheizzonen-Wulstheizelementen (Bedingung A) die Wulsttemperatur
nur 3 Grad gegenüber
108 auf 111°C
angehoben wurde, während
die Folientemperatur durch die großflächigen Folienstrahlungsheizelemente
von ungefähr
65 auf 136°C
erhöht
wurde, was klar zeigt, dass die Folienheizelemente die Wulstränder nicht
zuverlässig
aufheizten.
- (b) wenn die Wulstränder
der PEN-Folie nur auf 111°C
vor Einlauf in die Reckzone aufgeheizt wurden (Bedingung A), eine
Temperatur unter dem idealen Bereich zum Recken von PEN, die Wulstränder in
90 Minuten 20 Mal rissen. Wenn die Vorheizzonen-Wulstheizelemente
eingeschaltet waren, wurden die Wulsttemperaturen auf eine geeignete
Recktemperatur von 138°C
gebracht (Bedingung B), was ungefähr gleich der Folienorientierungstemperatur
ist, und die Risse hörten
auf, was die überragende
Bedeutung der angemessenen Wulsttemperatur zur Erzeugung langer
Rollen orientierter Polymerefolie aus Simultan-Biaxial-Reckrahmen
zeigt.
- (c) ein zufriedenstellendes Wulstverhalten bei einer Temperatur über der
Folienorientierungstemperatur (165°C, Bedingung C) erreicht wurde,
was zeigt, dass die Wulsttemperatur unabhängig von der Folientemperatur
gesteuert werden kann.
- (d) die Gleichmäßigkeit
der PEN-Folie entlang der Kanten wurde durch inkorrekte (zu niedrige)
Wulsttemperaturen (Bedingung A) negativ beeinflusst, da beobachtet
werden konnte, dass die Abstände
der Leerlaufkluppen so lange unregelmäßig waren, bis die Wulsttemperatur
in den geeigneten Bereich gebracht wurde (Bedingungen B und C).
