FI125888B - Menetelmä ristisilloitetun polymeeriputken valmistamiseksi - Google Patents

Description

MENETELMÄ RISTISILLOITETUN POLYMEERIPUTKEN VALMISTAMISEKSI

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä ristisilloitetun polymeeriputken valmistamiseksi siten, että ainakin polymeeriä sekä lämmön vaikutuksesta hajoavaa ja siten vapaita radikaaleja muodostavaa lisäainetta sisältävä seos extrudoidaan suuttimen läpi, suuttimen sisäpinnan ja tuuman välisen tilan kautta.

Keksinnön edullisia käyttökohteita ovat putket, joilla on suuri halkaisija ja paksu seinämä. Keksinnön käytön tekee erityisen edulliseksi näiden polymeeriputkien yhteydessä se, että niiden etenemissuuntaa ei voida tai ei ole edullista muuttaa oleellisesti valmistusprosessissa extruusion jälkeen. Esimerkkinä tällaisesta putkesta voidaan mainita putki, jonka ulkohalkaisija on 150 mm ja seinämänvahvuus 20 mm. Keksinnön käytön voidaan katsoa olevan edullista silloin, kun valmistettavan putken ulkohalkaisija on yli 60 mm. On tyypillistä, että putken seinämänvahvuus kasvaa halkaisijan kasvaessa.

On yleisesti tunnettua valmistaa ristisilloitettuja polyeteeniputkia käyttäen ristisilloi-tusaineena lisäainetta, joka hajotessaan muodostaa vapaita radikaaleja, jotka edelleen liittävät polyeteenin erilliset molekyylit toisiinsa kemiallisilla sidoksilla. Tällöin prosessissa sekoitetaan polyeteenimuovin sekaan kyseistä lisäainetta ennen muovin sulattamista ja putkeksi muotoilemista.

Yleisimmin polyeteenin sulattaminen ja putkeksi muotoileminen tehdään extruusion avulla, mutta myös sintraamista käytetään laajasti. Sintrausmenetelmässä poly-eteenipulveri, jossa on tarvittavat lisäaineet sekoitettuna, puristetaan kokoon edestakaisin liikkuvan männän avulla ja muodostetaan putkeksi suuttimessa. Heti oikeaan halkaisijaan ja seinämänpaksuuteen saamisen jälkeen pitkä suutin sekä putken sisällä oleva tuuma kuumennetaan sellaiseen lämpötilaan, jossa lisäaine hajoaa aikaansaaden ristisilloittumisen. Tämän ns. Engel -menetelmän etuna on yksinkertaisuus, mutta haittana sen pieni valmistusnopeus, joka johtuu lämmön hitaasta johtumisesta putken seinämän läpi. Tämä haitta on sitä suurempi, mitä paksumpi seinämä on.

Extruusiomenetelmässä putki sulatetaan extruuderissa ja muotoillaan putkeksi puris-tinpäässä. Tämän jälkeen putki kuumennetaan korkeampaan lämpötilaan lisäaineen hajottamiseksi. Kuumennukseen käytetään yleisesti joko kuumaa suolakylpyä tai lyhytaaltoista infrapunasäteilyä. Suolakylpymenetelmän heikkoutena on taas hidas lämmönjohtuminen putken seinämään, vaikkakin extruusion osalta olisi mahdollisuuksia suurempaankin tuotantonopeuteen.

Paras tulos saadaan, kun putki kuumennetaan extruusion jälkeen lyhytaaltoisella infrapunasäteilyllä, joka sekä tunkeutuu putken seinämään että absorboituu polyetee-niin saaden aikaan samanaikaisen kuumenemisen koko seinämän paksuudella. Tällä menetelmällä valmistetaan laajasti putkia, joiden halkaisija on pieni. Tällöin käytetään kuvion 1 mukaista järjestelyä, jossa putki 4 ajetaan suuttimesta ylöspäin, ja veto aikaansaadaan moottoroidun yläpyörän avulla. Putkea käsitellään infrapunauunissa 5 sekä ylös mentäessä että alas tullessa. Tämän jälkeen putki jäähdytetään vesialtaassa.

Edellä kuvatussa menetelmässä, jossa painovoima ei vaikuta haitallisesti pystysuun-taisesti etenevän putken muotoon, asettavat kuitenkin putken halkaisija ja seinämän paksuus tietyt rajat sen käytettävyydelle. Erityisen ongelman muodostaa infrapunauu-nin koko, joka kasvaa suurempiin putkikokoihin mentäessä. Toisen ongelman muodostaa putken oma paino, joka pyrkii venyttämään putkea pitkittäissuunnassa.

Ongelmaa on yritetty ratkaista käyttämällä vaakasuoraa infrapunauunia isoja putkia valmistettaessa. Tällöin kuitenkin putki jää roikkumaan siinä vaiheessa, kun se on alkanut kuumentua, mutta ei ole vielä ristisilloittunut. Hakemuksen kohteena oleva menetelmä poistaa tämän ongelman.

Kun polyeteeni ristisilloittuu, niin sen viskositeetti kasvaa saaden aikaan paremman oman painonsa kestämisen ilman venymistä. Pienikin määrä ristisilloitusta parantaa tätä ominaisuutta.

Edellä kuvattua tunnettua tekniikkaa käytetään yleisesti ristisilloitetun polymeeriput-ken valmistuksessa.

Tunnetun tekniikan suurimpana epäkohtana voidaankin pitää polymeeriputken hidasta valmistusprosessia. Hidas tuotanto merkitsee korkeita valmistuskustannuksia.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan sellainen menetelmä ristisilloitetun polymeeriputken valmistamiseksi jolla vältetään tunnetussa tekniikassa esiintyviä haittoja. Keksinnönmukaiselle ratkaisulle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön suurimpana etuna voidaan pitää tunnettua tekniikkaa huomattavasti nopeampaa ristisilloitetun polymeeriputken valmistusprosessia ja toisaalta merkittävästi pienempien investointien tarvetta. Tämä merkitsee suurta taloudellista etua tuotantokapasiteetin kasvun ja valmistuskustannuksien pienenemisen ansiosta.

Keksintöä kuvataan lähemmin oheisissa piirustuksissa, joissa kuvio 1, esittää tunnetun tekniikan mukaista, pienille putkille soveltuvaa ristisilloitus-prosessia, kuvio 2, esittää kaaviomaisesti pituussuuntaista poikkileikkausta laitteistosta, jota käytetään keksinnönmukaisessa menetelmässä.

Seuraavassa selitetään keksinnön erään edullisen sovelluksen käyttämistä kuvioon 2 viittaamalla.

Kuviossa 2 on kuvattu osa ristisilloitetun polymeeriputken vaakatasossa olevaa valmistuslinjaa. Kuvassa vasemmalla on extruuderi ja sen puristinpään suutin 1 sekä tuuma 2, joita on pidennetty niin, että putken sisä- ja ulkopinta voidaan kuumentaa suuttimessa niin kuumaksi, että ristisilloittumista alkaa tapahtua. Kun valmistettavan putken 4 ulkohalkaisijan D kokoisen suuttimen sisäpinnan 1.1 ja tuuman 2 väliseen tilaan syötetään syöttöaukkojen 1.2 kautta polymeeriä sekä lämmön vaikutuksesta hajoavaa ja siten vapaita radikaaleja muodostavaa lisäainetta sisältävä seosta 3 niin tiettyyn tämän seoksen lämpötilaa korkeampaan edulliseen lämpötilaan lämmitetyt suutin 1 ja tuuma 2 luovuttavat lämpöenergiaa suuttimen sisällä etenevään seokseen 3. Tässä esimerkissä seoksen 3 lämpötila on n. 160 °C ja suuttimen ja tuuman lämpötila pidetään n. 250 °C:ssa, joka on tässä kuvattavalle prosessille edullinen lämpötila. Seokseen 3 siirtyvä lämpöenergia hajottaa putkiaihion uiko-ja sisäpinnalla olevaa lisäai netta ja tämä merkitsee seoksen ristisilloittumista näissä pinnoissa ja suuttimen päätä 1.3 kohti edetessä myös tiettyyn syvyyteen asti näistä pinnoista. Kun seoksesta muodostunut putki 4 työntyy suuttimesta ulos, niin sen sisä- ja ulkopinnoilla on ristisilloit-tuneet kerrokset a, b. Näin putki, jota suutin ja tuuma eivät enää tue poikkipinnaltaan ympyrärenkaan muotoiseksi, kykenee vastustamaan maan vetovoiman aiheuttamaa muodonmuutosta ja pysymään olennaisesti tässä em. muodossa sen ristisilloittuneiden pintakerrosten a, b tukemana. Suutinta seuraa vaakamallinen infrapunauuni 5, johon edetessään ja jonka sisällä osin ristisilloittunut putki siis pystyy jo kannattelemaan itsensä niin, että lopullinen ristisilloitus läpi koko seinämän mahdollistuu ilma että putki roikkuu tai venyy uunissa.

Em. prosessin nopeus on siis säädetty sellaiseksi, että suuttimessa 1 tapahtuu vain putken pinta-alueiden ristisilloittuminen, jonka jälkeen putki ohjataan infrapunauuniin sen ristisilloituksen loppuunsaattamista varten. Keksinnönmukaista menetelmää käytettäessä on valmistusprosessin nopeus erittäin suuri etu tunnettuun tekniikkaan nähden, jossa koko seinämän vahvuus täytyy ristisilloittaa suuttimen sisällä.

Edellä esitetystä poiketen voidaan keksinnönmukaisessa menetelmässä kuumentaa myös vain joko suutin 1 tai tuuma 2. Tällöin päädytään vain putken uiko- tai sisäpinnan alueella toteutuvaan, suuttimen sisällä tapahtuvaan ristisilloitukseen ja jäljelle jääneen kerrosvahvuuden osalta ristisilloittuminen tapahtuu infrapunauunissa 5. Keksinnön kannalta on siis olennaista, että suuttimessa tapahtuva ristisilloittuminen ei ulotu putken 4 seinämän läpi.

Keksinnönmukaisessa menetelmässä voidaan ensimmäisen ja toisen vaiheen ristisil-loittumisten suhde valita aina tapauskohtaisesti siten, että saavutetaan mahdollisemmin suuri prosessinopeus samalla varmistaen sen, että valmistuvaan putkeen ei synny haitallisia muodonmuutoksia. Muuttuvia tekijöitä voivat prosessia suunniteltaessa olla mm. suuttimen ja tuurnan pituus ja niiden lämpötilat.

Keksinnönmukaisella menetelmässä valmistettavat putket voivat vaihdella hal-kaisijoidensa ja seinämänvahvuuksiensa osalta hyvinkin laajasti. Menetelmään liittyvä vaakasuuntainen infrapunauuni 5 voidaan tämä huomioiden koostaa aina halutusta määrästä infrapunayksikköjä ja muita laiteosia.

Suuttimen 1 ja/ tai tuuman 2 lämmittäminen voidaan suorittaa millä tahansa tunnetun tekniikan mukaisella tavalla ja niiden lämpötilaksi voidaan asettaa aina tietty prosessin kannalta edullinen lämpötila. Esimerkkinä niiden lämpötilasta voidaan mainita joku lämpötila-alueella 220- 270 °C oleva lämpötila.

Putken 4 alla voidaan käyttää tarvittaessa tukea 6 suuttimen 1 ja infrapunauunin 5 välissä ja/ tai kahden infrapunayksikön välissä. Selvyyden vuoksi todettakoon, että inf-rapunayksikkö on infrapunasäteilyä 5.1 lähettävien infrapunalamppujen muodostama kehä, joita voidaan sijoittaa infrapunauuniin aina tilanteen vaatima määrä. Kuviossa 2 on esitetty tällaisena tukena rullatuki.

On huomattava, että vaikka tässä selityksessä on pitäydytty yhdentyyppisessä keksinnölle edullisessa toteuttamisesimerkissä, niin tällä ei kuitenkaan haluta mitenkään rajoittaa keksinnön käyttöä vain tämän tyyppistä esimerkkiä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (3)

1. Menetelmä ristisilloitetun polymeeriputken valmistamiseksi, jonka menetelmän mukaan, a. ainakin polymeeriä sekä lämmön vaikutuksesta hajoavaa ja siten vapaita radikaaleja muodostavaa lisäainetta sisältävä seos extrudoidaan suuttimen läpi, suuttimen sisäpinnan (1.1) ja tuuman (2) välisen tilan kautta, b. suuttimen (1) ja/ tai sen sisällä olevan tuuman (2) lämpötila asetetaan sellaiseksi, että suuttimen sisällä etenevän putken (4) sisä- ja/ tai ulkopinnalle muodostuu ristisilloittunut kerros tai kerrokset (a, b) em. lisäaineen hajotessa siihen kohdistetun lämmön vaikutuksesta ja muodostaessa kemiallisen sidoksen tällä/ näillä alueella/ alueilla, c. kerrosten (a, b) yhteinen suurin paksuus muodostetaan pienemmäksi kuin putken (4) seinämän paksuus, tunnettu siitä, että d. suuttimesta (1) ulos tuleva putki (4) johdetaan infrapunauuniin (5), jossa siihen kohdistetaan infrapunasäteilyä (5.1) ja putki (4) ristisilloitetaan koko seinämänsä läpi infrapunasäteilyn (5.1) osuessa em. vapaita radikaaleja muodostavaan lisäaineeseen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että suuttimen (1) ja/ tai tuuman (2) lämpötilaksi asetetaan 220- 270 °C.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että putken (4) alle asetetaan vähintään yksi tuki (6) suuttimen (1) ja infrapunauunin (5) väliin ja/ tai kahden infrapunayksikön väliin.