NO340064B1 - Fremgangsmåte for fremstilling av orienterte polymerstrimler - Google Patents

Description

FREMGANGSMÅTE FOR FREMSTILLING AV ORIENTERTE POLYMERSTRIMLER

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for fremstilling av orienterte polymerstrimler og anvendelsen av disse for armering av rør.

Det er velkjent fra teknikken at strekking i lengderetningen av en semikrystallinsk polymerfilm ved en temperatur noe over smeltetemperaturen resulterer i en monoaksial orientering av polymerkjedene. Slike monoaksialt orienterte polymerfilmer viser i lengderetning visse mekaniske egenskaper som er overlegne egenskapene til ikke-orienterte polymerfilmer.

Det finnes et antall fasttilstandsorienteringsprosesser som har vært benyttet for å fremstille sterkt orienterte høymodulpolymerer. Disse prosesser inkluderer trekking, ekstrudering og valsing. Alle tre teknikker er basert på å gjeninnrette den eksisterende krystallstruktur i en sterkt orientert fibril-lær struktur ved en ekstensjonsdeformeringsprosess. Hver av disse teknikker har flere varianter og unike trekk forbundet med seg. Trekking kan være isotermisk eller ikke-isotermisk, fri eller med begrenset deformasjon. Ekstrudering kan være direkte eller hydrostatisk, adiabatisk eller isotermisk. Valsingen kan skje uten spenning, adiabatisk eller isotermisk.

Det er velkjent at under monoaksialorientering har filmer en tendens til innsnevring ("necking"). Mens orienteringen av polymerkjedene gjør en polymerfilm armert i lengderetningen, blir i tillegg sprøheten i tverretning vanligvis økt. Den sprøhet i tverretning forringer ikke signifikant armerings-effekten i lengderetning, men forårsaker problemer når det gjelder prosesserbarheten for polymerfilmen, særlig når det er tilsiktet å kutte av kantene for å oppnå orienterte polymerstrimler med nøyaktige dimensjoner.

For eksempel blir monoaksialt orienterte polymerfilmer med nøyaktige dimensjoner spesielt rele-vante når de benyttes for å forsterke den mekaniske stabilitet for rør. Armerende polymerstrimler fremstilt av monoaksialt orienterte polymerfilmer kan legges på rør for å forsterke motstanden mot hydrostatiske trykk. I sammenlikning med konvensjonelle rør som ikke er støttet av slike armerende polymerstrimler, kan arbeidstrykket økes eller tykkelsen for røret, som er nødvendig for å motstå det trykk røret eksponeres for, reduseres. For å oppnå en optimal, stabiliserende effekt bør arme-ringspolymerstrimlene festes på sylinderkappen av nevnte rør i en viss vinkel (fortrinnsvis 54,7° i forhold til rørets lengdeakse). Videre er det krevd at de armerende polymerstrimler dekker hele røret for derved å unngå gap mellom suksessive viklinger for å oppnå en homogen armering og forsterkning av røret. Imidlertid kan dette kun realiseres hvis de armerende polymerstrimler har en konstant og nøyaktig bredde. For ytterligere detaljer kan det henvises til for eksempel FR-A 2836652, WO 02/87874 og WO 02/88589. Når rør som er omhyllet av slike armeringspolymerstrim-ler, testes med henblikk på stabilitetsgrense (bruddstyrke), vil de armerende polymerstrimler vanligvis sprekke og gi en øredøvende støy.

Når kantene av konvensjonelle, monoaksialt orienterte polymerfilmer underkastes skjæreverktøy, svikter de fleste når det gjelder å gi rette skjærekanter, tvert imot ender man opp med frynser, sprekker og liknende. Kun kuttesystemer basert på CC>2-lasere eller vannstråler kan gi kutt med tilstrekkelig kvalitet. Imidlertid er disse systemer meget kostbare når de sammenliknes med konvensjonelle kuttesystemer. Ved kutting med en CCb-laser kan i tillegg visse polymerer frigi toksiske damper som krever komplisert rensing av økonomiske grunner. Når en vannstråle benyttes som et kuttesystem, er et ytterligere prosesstrinn krevd da strimlene som regel trenger rensing etter kutting.

Således er det et behov for polymerfilmer som har fordeler i forhold til den kjente teknikk, og særlig hvis kantene kan underkastes konvensjonelle kutteverktøy. Polymerfilmene bør ha sammenliknbare og fortrinnsvis bedre egenskaper enn polymerfilmene ifølge den kjente teknikk, og særlig bør de kombinere en god forsterkningseffekt i lengderetning med en redusert sprøhet i tverretning og en god evne til å kunne kuttes.

US 4151245 beskriver en fremgangsmåte for strekking av en termomyknende høymolekylær film omfattende å bevege den termomyknende høymolekylære film i en lengderetning mens man hol-der filmen ved en temperatur under mykningstemperaturen og på overflaten av denne filmen ut-øver en kraft som tenderer til å ekspandere filmen mens den samtidig utøver en kompresjonskraft på filmen i tykkelsesretningen via gummiliknende, elastiske elementer. Ved å gjøre dette forhindrer man at filmen utsettes for innsnevring. I dette dokument er det imidlertid anbefalt ikke å strekke filmen mer enn 1,2 til 1,5 ganger den opprinnelige lengde, slik at det er nødvendig å gjennomføre strekkingsoperasjonen flere ganger for å strekke filmen tilfredsstillende.

US 3619460 beskriver en prosess for fremstilling av en orientert strimmel omfattende en semikrystallinsk polymer hvor en film som omfatter nevnte polymer, trekkes i en lengderetning en lengde L mellom to punkter hvor filmen forflyttes med respektiv lineærhastighet vi ogV2under trekking, hvor vi ogV2og L tilfredsstiller følgende kriterier

hvor trekkingen gjøres ved hjelp av i det minste to uavhengige trekkevalser som har sine rotasjonsakser perpendikulært på lengderetningen til den polymere filmen og roterer i samme retning, men med ulike tangentielle hastigheter vi ogV2, hvor klemvalser anvendes til å klemme filmen mot matevalsen slik at trekkingen utføres i det tangentielle gapet mellom matevalsen og den etterføl-gende trekkevalsen.

Det er nå overraskende funnet at sågar bedre mekaniske egenskaper kan oppnås hvis denne innsnevring skjer og sågar overgås, men på en spesifikk måte: ved å trekke polymerfilmen med et meget høyt relativt trekkeforhold (det vil si meget høyt forhold på meget kort avstand) og hindre filmen i å slippe på trekkevalsene ved hjelp av kontraroterende hjelpevalser med rotasjonsakser perpendikulært på den polymere filmens lengderetning og med samme tangentielle hastighet, men i motsatt retning.

Ved trekking av en gitt lengde av semikrystallinsk polymerfilm med et økende trekkeforhold vil filmen vanligvis utsettes for innsnevring inntil den når en minimumsbredde. Hvis imidlertid deretter trekkeforholdet fremdeles økes, vil filmbredden øke igjen (muligens på grunn av det faktum at de molekylære sammenfiltreringer så løses opp) og når en "platå"-verdi, hvoretter filmen brister. Filmer som strekkes ut over det kritiske trekkeområdet (der maksimal innsnevring inntrer), viser bemer-kelsesverdige og uventede egenskaper.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for fremstilling av en orientert strimmel omfattende en semikrystallinsk polymer i henhold til hvilke en film omfattende nevnte polymer trekkes i lengderetning på en lengde L mellom to punkter ved hvilke filmen beveger seg med en respektiv lineær hastighet vi ogV2under trekkingen, og hvor vi,V2og L tilfredsstiller det følgen-de kriterium: (V2- vi)/L > 0,22 s<1>.

I henhold til foreliggende oppfinnelse blir semikrystallinske polymerfilmer trukket til strimler. Uttrykket "film" slik det benyttes i foreliggende beskrivelse, henviser til en film, et ark, en bane og liknende. Uttrykket "semikrystallinsk polymer" er ment å angi en polymer som i en viss grad krystalliserer etter størkning fra den smeltede tilstand. Dette er således et termoplastisk materiale (fordi det må smelte) og kan være en konstruksjonspolymer (som PA (polyamid) eller PVDF (polyvinylfluorid)) eller et polyolefin. Det er fortrinnsvis et polyolefin og aller helst et polyetylen som HDPE (høydensi-tetspolyetylen). Gode resultater er oppnådd med bimodale HDPE-harpikser og mer spesielt med slike harpikser som har en Ml (smelteindeks i henhold til ISO 1133 under 5 kg og 190 °C) på mindre enn 2 g/10 min og særlig mindre enn 1 g/10 min.

Ifølge oppfinnelsen må filmen trekkes ved høy hastighet (ved bruk av et høyt trekkeforhold) over en kort avstand. Denne må kvantiteres ved en relativ trekkehastighet, det vil si differansen for hastigheten for filmen mellom to punkter av den dividert med lengden mellom disse punkter: (V2-Vi)/L. I henhold til oppfinnelsen må den relative trekkehastighet være > 0,22 uttrykt i s~<1>(eller 22/s). Helst er den relative trekkehastighet > 0,25 og sågar > 0,28 s<1>.1 enkelte tilfeller kan, avhengig av poly-merens art og trekkebetingelsene, den relative trekkehastighet sågar være > 0,30 s~<1>og filmen allikevel få forbedrede egenskaper uten brudd.

I henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen blir strekkingen av polymerfilmen gjennomført ved hjelp av etterfølgende valser på hvilke polymerfilmen må adhere idet valsene roterer med forskjellige tangentialhastigheter og derved resulterer i en orientering av polymerkjedene. Slike valser er velkjente for fagfolk på området. De er generelt fremstilt av en hard metallkjerne (som stål), og er kontrollert hva angår temperatur, trykk og så videre. De kan ha en sylinderkappe rundt metallkjer-nen som kan være av et metall eller også et annet materiale (som for eksempel gummi) og som kan være overflatebehandlet.

I praksis og for å kunne være i stand til å nå slike høye relative trekkehastigheter, blir filmen fortrinnsvis forhindret fra å gli på valsene ved å benytte en kontraroterende hjelpevalse i det minste på den første trekkevalse (fordi det vanligvis er fra denne at filmen har en tendens til å gli) og/eller ved overflatebehandling av trekkevalsene for å forbedre adhesjonen av filmen derpå. I det første tilfellet har den kontraroterende hjelpevalse fortrinnsvis sin rotasjonsakse perpendikulært på lengderetningen for polymerfilmen og dreier seg med samme tangentialhastighet vi som den første valse, men i motsatt retning. I ethvert tilfelle oppnås gode resultater når man bringer filmen i kontakt med en stor del av omkretsen av hver valse (ideelt sett med det maksimalt mulige, det vil si rundt halv-parten).

Fortrinnsvis blir filmen også forhindret fra å gli på den andre trekkevalse ved hjelp av en andre, kontraroterende hjelpevalse.

Således foretas, i en fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen, trekkingen ved hjelp av minst to uavhengig drevne trekkevalser som har sine rotasjonsakser perpendikulært på lengdeaksen for polymerfilmen og som dreier seg i samme retning, men med forskjellige tangentialhastigheter vi ogV2, og filmen forhindres fra å gli på disse trekkevalser ved hjelp av kontraroterende hjelpevalser som har sine rotasjonsakser perpendikulært på lengderetningen for polymerfilmen og som dreier seg med samme tangentialhastighet, men i motsatt retning.

En enda mer foretrukket utførelsesform av denne prosess benytter minst en tredje trekkevalse som dreier seg med en tangentialhastighetV3som er høyere enn den ene av den andre valse (V2). I denne utførelsesform blir den tredje trekkevalse anordnet overfor nok en kontraroterende hjelpevalse.

I fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen blir polymerfilmen trukket i fast tilstand (det vil si ved en temperatur under smeltepunktet), men ved en temperatur nær smeltepunktet, for eksempel fra 10 til 50 °C under den og helst fra 15 til 40 °C under.

Fortrinnsvis skjer trekkingen i linje med filmfremstillingen ved ekstrudering, kalandrering, og så videre. I dette tilfellet må filmen avkjøles til en temperatur som ligger under krystalliseringstempera-turen før strekking. Alternativt kan trekkingen skje på en film som er varmet opp til den krevde temperatur. For eksempel kan temperaturkondisjoneringssylindere benyttes for respektivt å avkjøle eller varme opp filmene til krevd temperatur.

Nøkkeltrekket ved oppfinnelsen ligger, som forklart ovenfor, i det faktum at man har to trekkevalser som trekker filmen ved høy hastighet på en kort avstand. Dette innebærer imidlertid ikke at de to valser skal være de første i trekkeinstallasjonen (inkludert en suksesjon av trekkevalser). Således blir, i henhold til en foretrukket utførelsesform, hver trekkevalse dublert og består av et par valser som dreier seg med samme hastighet. Med andre ord er de to første valser roterende ved den samme hastighet og de andre så vel (og til og med tredje valser, hvis til stede) slik at det høye trekkforhold observeres mellom den andre valse i det første par og den første valse i det andre par. I praksis er gode resultater oppnådd med tre par trekkevalser som dreier seg med økende tangentialhastigheter vi,V2ogV3og med de ovenfor nevnte kriterier tilfredsstilt av den andre valse i det første sett og den første valse i det andre sett av valser.

Videre blir fortrinnsvis avstanden mellom etter hverandre følgende valser som dreier seg med forskjellige tangentialhastigheter (det vil si den frie lengde av polymerfilmen som underkastes strekking) redusert for derved å undertrykke krymping av bredden av filmen mellom nevnte valser. Der-for er helst trekkevalsene, som nevnt ovenfor, brakt i linje slik at filmen beskriver en "S"-kurve mellom disse. Det er da fordelaktig å posisjonere de kontraroterende hjelpevalser på alternerende sider av trekkevalsene, det vil si i front av delen av sylindrene som utgjør denne "S".

Den eller de kontraroterende hjelpevalser som benyttes i denne utførelsesform av oppfinnelsen, har fortrinnsvis en gummiliknende sylinderkappe. Dette, særlig i kombinasjon med bruk av trekkevalser som er overflatebehandlet, gir god adhesjon mot valsene.

I fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er det trykk som utøves av de kontraroterende hjelpevalser på filmen, så lavt at dette ikke fører til noen deformasjon (utflating) av filmen. Filmen blir kun grepet mellom den eller de anvendte trekke- og hjelpevalser, ikke komprimert mellom disse fordi dette ikke ville tillate å løse opp den molekylære sammenfiltring slik dette antas å skje. Nevnte grep kan gjennomføres ved å legge trykkluft på valsene. Eksempler på trykkverdier som virker på valsene er fra noen få bar (for eksempel 6, som i dag er tilgjengelig med trykkluftsystem).

Foreliggende oppfinnelse angår også anvendelsen av en orientert polymerstrimmel, oppnådd ved nevnte fremgangsmåte, for forsterkning av et rør.

De orienterte polymerstrimler ifølge oppfinnelsen viser, selv om de produseres ved høy hastighet og i få trekketrinn, sammenliknbare mekaniske egenskaper i lengderetning som de monoaksialt

orienterte polymerfilmer ifølge den kjente teknikk, men viser overlegen motstandsevne i en retning perpendikulært på orienteringen av polymerkjedene, det vil si i tverretning. Kantene av de monoaksialt orienterte polymerfilmer kan skjæres til eller kuttes ved konvensjonelle kutteverktøy. Kostbare og meget sofistikerte kuttesystemer som CCh-lasere og vannstråler er ikke nødvendig for å gi orienterte polymerstrimler med godt definerte og nøyaktige dimensjoner. Således tilveiebringer fremgangsmåten orienterte polymerstrimler som er optimalisert for å armere rør. Når videre rør omviklet av slike forsterkende polymerstrimler underkastes fysiske tester, opptrer ingen støyende brudd når filmen ryker.

Foreliggende oppfinnelse illustreres på ikke-begrensende måte ved hjelp av figur 1 og de følgende eksempler som benytter en trekkeinstallasjon som inkluderer trekkevalser som angitt i figur 1.

Disse valser består av tre par av trekkevalser, alle i linje, stilt overfor tre par kontraroterende hjelpevalser som er posisjonert på alternerende sider av linjen, for å presse filmen mot overflaten av trekkevalsene. I hvert sylinderpar roterer begge valser med samme tangentialhastighet, henholds-vis vi,V2ogV3, derV2er minst 4 ganger vi, ogV3er høyere ennV2, men mindre enn to gangerV2.

Trekkinstallasjonen som benyttes i eksemplene, inkluderer et slikt sett av valser og omfatter mer spesielt: en ekstruder (Kuhne med en 60 mm skrue og utstyrt med en flat Johnson-dyse på 300 mm x 8 mm) for fremstilling av polymerfilmer med en bredde rundt 260 mm; to sett av sylindere for avkjøling av polymeren ved 50 °C og krystallisering av denne (idet det siste sett kun kreves for store tykkelser); to sylindere som sikrer et fast punkt ved hvilket hastigheten kontrolleres; seks sylindere for temperaturkondisjoneringen av filmen før dens orientering (temperaturen i strimmelen er rundt 90 °C ved inngangen til disse sylindere og rundt 115 °C ved utløpet fra disse); oriente-ringsdelen (bestående av tre par sylindere som i figur 1 med diameter D = 130 mm og i en avstand fra hverandre på rundt d = 30 mm); en siste kutteseksjon der kantene av filmen kuttes av til ønsket bredde (avhengig av diameteren av røret som strimlene er ment for).

Eksempel (ifølge oppfinnelsen)

Den ovenfor angitte installasjon ble benyttet for fremstilling av HDPE-strimler (Eltex TUB121 fra BPS) ved bruk av følgende trekkehastigheter: vi = rundt 1 m/min.;V2= rundt 6,5 m/min. ogV3= rundt 9 m/min.; idet det første trekkforhold derved var rundt 550 % og det andre rundt 30 % slik at filmen ble strukket med en faktor rundt 8,5 til sammen. En betraktning av den ovenfor nevnte stør-relse og posisjonen for sylindere, førte dette til følgende likninger:

Trykket som ble påført av gummisylindrene, var rundt 6 bar (trykket til den komprimerte luft som ble tilført) slik at strimlene ikke egentlig ble komprimert (flatet ned), men kun forhindret fra å gli. Filmbredden var rundt 230 mm og kunne lett skjæres til den ideelle bredde på 200 mm uten brudd og kunne vikles rundt røret på 117 mm diameter med den ovenfor nevnte ideelle vinkel på 54,7°.

Sammenlikningseksempel (ikke ifølge oppfinnelsen)

Alle betingelser var som benyttet i eksempelet ovenfor, bortsett fra at de kontraroterende sylindere ikke ble benyttet; således ble det oppnådd et mye lavere trekkforhold (på rundt en faktor 6), og en innsnevring fra 260 til 140 mm ble observert. Det ble observert at i praksis var trekkelengden i vir-keligheten dobbel fordi filmen kunne nådd hastighetenV2ved den andre sylinder i det andre sett, og ikke ved den første. Således ble følgende sammenhenger observert:

Den oppnådde film var sprø, inhomogen hva angår tykkelse, og den ideelle bredde på 200 mm for å oppnå den ideelle oppviklingsvinkel på 54,7° kunne ikke oppnås.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av en orientert strimmel omfattende en semikrystallinsk polymer i henhold til hvilken en film omfattende nevnte polymer trekkes i lengderetning på en lengde L mellom to punkter ved hvilke filmen beveger seg ved en respektiv lineær hastighet vi ogV2under trekkingen, hvor vi,V2og L tilfredsstiller det følgende kriteriet:

hvor trekkingen foretas ved hjelp av minst to uavhengige drevne trekkevalser (1, 5) med deres rotasjonsakser perpendikulært på lengdeaksen for polymerfilmen og dreiet i samme retning, men med forskjellige tangentialhastigheter vi ogV2, og hvor filmen forhindres fra å gli på trekkevalsene ved hjelp av kontraroterende hjelpevalser (2, 6) med deres rotasjonsakser perpendikulært på lengderetningen av polymerfilmen og i rotasjon med samme tangentialhastighet, men i motsatt retning,karakterisert vedat hver trekkevalse (1, 5, 9) er doblet og består av et par valser (1, 3; 5, 7; 9,11) som dreier med økende tangentielle hastigheter vi,V2ogV3motsatt av tre par kontraroterende hjelpevalser (2, 4; 6, 8; 10,12).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat de to førs-te trekkerullene (1, 3) roterer med samme hastighet vi, de to andre trekkerullene (5, 7) roterer med samme hastighetV2, og de to tredje trekkerullene (9,11) roterer med samme hastighetV3.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2,karakterisert vedatV2er minst fire ganger vi,V3er høyere ennV2, men mindre enn to gangerV2, og det høye trekkeforholdet er observert mellom den andre rullen (3) i det først paret trekkeruller (1, 3) og den første rullen (5) i det andre paret trekkeruller (5, 7).

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat den semikrystallinske polymer er et polyolefin, og nevnte polyolefin er en bimodal HDPE-(høydensitetspolyetylen-)harpiks med en Ml (smelteindeks i henhold til ISO 1133 under 5 kg og 190 °C) på mindre enn 2 g/10 min.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat trekkevalsene er overflatebehandlet for å øke adhesjonen av polymerfilmen derpå.

6. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav,karakterisertved at de tre parene trekkevalser (1, 3; 5, 7; 9,11) står på linje slik at filmen beskriver en «S»-kurve mellom dem og at de kontraroterende hjelpevalsene (2, 4; 6, 8; 10, 12) er plassert på alternerende sider av trekkevalsene, i front av delen av sylinderen som omslutter denne "S".

7. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav,karakterisertved atV3er høyere ennV2, men mindre enn to gangerV2.

8. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat de kontraroterende hjelpevalsene (2, 4, 6, 8,10,12) har en gummiliknende sylindrisk kappe.

9. Fremgangsmåte for forsterkning av et rør,karakterisert vedat en orientert polymerstrimmel oppnådd fra fremgangsmåten ifølge et hvilket som helst av de foregående krav anvendes til forsterkning av nevnte rør.