WO2007006770A1 - Extrusionsverfahren zur herstellung eines werkstücks - Google Patents

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WO2007006770A1
WO2007006770A1 PCT/EP2006/064054 EP2006064054W WO2007006770A1 WO 2007006770 A1 WO2007006770 A1 WO 2007006770A1 EP 2006064054 W EP2006064054 W EP 2006064054W WO 2007006770 A1 WO2007006770 A1 WO 2007006770A1
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extrudate
microwave
heated
field
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Wolfgang Sauerer
Jens Assmann
Florian Hennenberger
Melanie Urtel
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Basf Aktiengesellschaft
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    • B29K2105/16—Fillers

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a workpiece by processing a polymer melt, wherein an extrusion of the polymer melt is carried out.
  • the polymer melt is continuously pressed through a shaping die, cooled behind this and optionally cut to size.
  • the rapid cooling of the extrudate produces internal stresses in the extrudate, in particular orientation stress and cooling stresses. In the prior art, these stresses are reduced after cooling and optionally the cutting of the extrudate by annealing in a tempering furnace.
  • the extrusion would be stored in the oven for several hours to several days at temperatures above 100 0 C heat. The heat storage usually takes place above the glass point and below the melting point of the material.
  • Ultraform® is the trade name for construction materials from the copolymeric polyoxymethylene range of BASF AG, Germany
  • a disadvantage of this process for stress relief is that the heating of the extrudate in the annealing furnace must largely be carried out via thermal conduction, which is time-consuming and energy-consuming due to the poor thermal conductivity of the polymers. Furthermore, it is usually a discontinuous process, which also results in a high expenditure of time.
  • This object is achieved by a method for producing a workpiece by processing a polymer melt with the steps
  • thermoplastic or the additive can be heated by a high-frequency electromagnetic field
  • a workpiece is any product which can be produced by an extrusion process and optionally further production steps.
  • semifinished products for example strands, films, plates, profiles, tubes, rods or tubes, are produced by the production method according to the invention.
  • a polymer melt contains a heat-liquefied polymer.
  • the extrudates after-treated according to the invention preferably have a minimum thickness of 2 mm.
  • step A) of the process according to the invention an extrusion of the polymer melt takes place. This creates an extrudate.
  • This extrudate is at least partially cooled before the post-treatment in step B) is carried out.
  • extruded semi-finished products are first cut, collected in containers and stored intermediately before a post-treatment is carried out.
  • the after-treatment of the extrudate according to the invention is preferably carried out in such a way that the extrudate retains its external shape during the aftertreatment. This is achieved in particular by the targeted design of the high-frequency field, so that in the extrudate no punctual overheating occur.
  • the extrudate used in the method according to the invention contains a thermoplastic and / or an additive, wherein the thermoplastic or the additive or both can be heated by a high-frequency electromagnetic field.
  • the thermoplastics which can be heated by a high-frequency electromagnetic field include, in particular, those which have polar structures.
  • Additives that can be heated by a high-frequency electromagnetic field include, in particular, che, which have polar structures or which are metal or graphitic.
  • Polar structures in the sense of the invention have a dipole moment> 0. It may, for example, be individual structural chemical units of the thermoplastic, for example CH 2 O units in polyoxymethylene (POM). Due to the polar structures, a polarization heating of the extrudate by an electromagnetic high-frequency field, in particular by microwave radiation is possible. Other possible heating mechanisms for the extrudate are electrical resistance heating, heating by Maxwell-Wagner effect or electron polarization.
  • thermoplastic has polar structures and these are in non-crystalline form, it can be heated directly in the electromagnetic high-frequency field.
  • Thermoplastics with polar structures which are directly heatable in a microwave field include e.g. Polyamide (PA), polyetheretherketone (PEEK), polyethylene terephthalate (PET), polyvinyl chloride (PVC), polyurethane (PU), polyoxymethylene (POM), polybutylene terephthalate (PBT), polyethersulfone (PES), poly-n-butyl methacrylate (PBMA) Polymethyl methacrylate (PMMA), polyimides or styrene acrylonitrile (SAN).
  • PA Polyamide
  • PEEK polyetheretherketone
  • PET polyethylene terephthalate
  • PVC polyvinyl chloride
  • PU polyurethane
  • POM polyoxymethylene
  • PBT polybutylene terephthalate
  • PES polyethersulfone
  • PBMA Polymethyl
  • Indirect heating can be achieved by modifying the thermoplastic by an additive which, for example, has polar structures or is metal or graphite-containing and can therefore be heated in the electromagnetic high-frequency field.
  • the present invention may be additives commonly used in plastics technology, in particular colorants, additives, fillers, reinforcing agents or the like.
  • the use of such additives is possible in principle for all thermoplastics, but is particularly suitable for not or poorly directly in the electromagnetic high frequency field heatable thermoplastics.
  • the thermoplastics that can not be heated or are not heatable directly in the electromagnetic high-frequency field include, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene (PE), polypropylene (PP), and polystyrene (PS).
  • additives may, for example, graphite, carbon fibers, metal powders, in particular iron powder, ZnO, TiO 2, Al 2 O 3, CaTiO 3, BaTiO 3, ⁇ -Fe 2 O 3, BaO-18Fe 2 O 3, Fe 3 O 4, polyphenylene sulfides, Ferrites, Ti or Zr hydroxyethyl phosphonates, bentonites, alkali metal or alkaline earth metal-containing aluminum silicates or dyes such as spinnel black, aluminum pigment paste, gold bronze powder or carbon black.
  • the inventive method has a number of advantages.
  • the high frequency field used allows contactless heating.
  • the aftertreatment of the extrudate can be carried out continuously, in contrast to the discontinuous annealing in a furnace according to the prior art. It can be achieved a high efficiency in the generation of the electromagnetic high frequency field.
  • the high-frequency field is generated only during the post-treatment, so that energy is only consumed and not before or after the aftertreatment.
  • Devices for generating electromagnetic high-frequency fields for example microwave ovens
  • the post-treatment in the electromagnetic high-frequency field requires little time and energy consumption, in particular since preparatory steps are omitted (for example, a warm-up of the furnace) and the heat energy is generated immediately inside the extrudate by means of the radio-frequency electromagnetic field and not be directed from the outside into the interior of the extrudate got to.
  • the energy input can also be selectively controlled, for example by varying the number and power of microwave sources.
  • the sources can be positioned so that the energy is registered as evenly as possible in the extruded product. However, the sources can also be specifically positioned so that an uneven energy input into the extruded product takes place.
  • Temperöfen devices for generating a high-frequency electromagnetic field can also be made more compact and therefore space-saving.
  • a high frequency field in this context is any electromagnetic field suitable for the dielectric heating of an extrudate.
  • the electromagnetic high-frequency field used in the method according to the invention preferably has a frequency in the range of 100 kHz to 900 GHz.
  • the high-frequency field has a frequency in the range of 0.3 to 300 GHz.
  • This is microwave radiation, which is preferably used in the after-treatment of the extrudate to reduce internal stresses in the process according to the invention.
  • Microwave radiation (in contrast to the present invention) is used in the prior art for example for microwave welding of polymers, for thermoforming of polymer parts or for hot drawing of polymer strands, rods or fibers. Such applications are described, for example, in H.
  • the design and operation of the microwave sources are preferably matched in the inventive method to the material properties and the shape of the extruded product.
  • At least two microwave sources can preferably be switched on alternately during the after-treatment of the extrudate for stress relief, so that the extrudate is heated substantially uniformly by the microwave radiation.
  • By alternately switching on various microwave sources local heating, as may occur due to the microwave radiation of a single microwave source, is largely avoided.
  • a plurality of microwave sources is, for example, at regular intervals from each other, arranged surrounding the extrudate.
  • a round waveguide is used which concentrically surrounds the extruded product.
  • a particularly favorable distribution of the microwave field is given, which leads to particularly stress-free workpieces.
  • the extrudate has a melting point T s and is heated in the aftertreatment by means of the electromagnetic high-frequency field to a surface temperature, the 2 ° C to 100 0 C, preferably 5 ° C to 50 0 C, especially preferably 8 ° C to 25 ° C below the melting point T s .
  • the power of the high frequency electromagnetic field should be adapted to the material and the extent of the voltages to be removed.
  • a heat output is introduced into the extrudate by the high-frequency field, which is controlled by means of a non-contact sensor that detects changes in the properties of the extrudate during the aftertreatment.
  • property changes that can be detected by the sensor are, for example, Changes in the temperature or refractive indices of the post-treated extrudate.
  • the radiofrequency field symmetry may be adapted to the geometry of the extrudate (as it is the direct result of the extrusion or to the geometry of pieces separated therefrom) (for example, rotational symmetry of the radiofrequency field in the aftertreatment of round bars).
  • the extrudate preferably passes the electromagnetic high-frequency field continuously in the method according to the invention.
  • the high frequency field is designed so that the most homogeneous possible heating of the extrudate takes place in the high frequency field.
  • the extrudate is heated to relieve stress by at least one additional heat source.
  • the aftertreatment of the extrudate for reducing internal stresses by means of the electromagnetic high-frequency field can be supplemented by a discontinuous heat treatment (heat storage) in an annealing furnace.
  • the post-treatment step for reducing internal stresses is preferably designed so that such a discontinuous heat treatment is superfluous.
  • heat radiators can also be used in a continuous process, which additionally heat the extrudate from the outside.
  • point heat radiators or planar heat zones are positioned in order to specifically control the energy input into the extrudate (for example semifinished product).
  • the extrudate is first heated thermally and subsequently by the high-frequency field for post-treatment after extrusion.
  • the extruded product can first pass through a first zone in which it is thermally heated (for example by contact with hot surfaces or by heat radiators) and then a second zone in which it is exposed to microwave radiation.
  • this embodiment according to the invention has the advantage that the high-frequency field, in particular the microwave radiation, is better absorbed in the thermally preheated material.
  • round bars having an external diameter of 100 mm are extruded from a polymer melt.
  • the production of the round rods is carried out by a method known in the art, e.g. in accordance with one of the processes described in the documents Ultraform® Polyoxymethylene, Stand 02/2004 p. 26-28, ed. BASF Aktiengesellschaft or Hostaform® Acetal Polymerizate, Stand 05/2001, pp. 66-68, ed. Ticona GmbH, Frankfurt / Main are described.
  • the resulting extrudate consists of the thermoplastic polyoxymethylene, which contains polar structures in the form of CH 2 -O structures.
  • the round rod with a diameter of 100 mm and a length of 150 mm is heated in a microwave field within 40 min at 120 ° C and then stored for a further 555 min at this temperature. For heat storage, the heat is also supplied by microwave radiation, the heat input is reduced so that it just compensates for the cooling of the round rod.
  • the microwave oven is a converted fresh air drying oven (Heraeus type FT 60/200).
  • the drying oven is rotated 90 ° and equipped with 18 domestic microwave generators.
  • 3 x 3 square generators are located at the top and bottom of the fresh air drying oven.
  • the maximum power of each generator is 0.25 kW, whereby the power can be regulated in 1% increments.
  • the round bar is positioned upright in the center of the drying oven and irradiated alternately by one of the 18 microwave generators. It is switched on every 60 seconds, another generator to heat the rod as evenly as possible.
  • the power of the activated generator is typically 0 to 2.5% of the maximum value. It is adapted to the desired heating rate.
  • the temperature is measured with a fiber optic thermometer (Luxtron, model 750) on the lower end face of the round bar. Every 15 minutes, the microwave oven opened, the round rod turned clockwise by 90 ° and the temperature sensor repositioned. This also ensures that the round bar heats as evenly as possible and this heating is reliably detected.
  • a fiber optic thermometer Loxtron, model 750
  • two cylinders each with a height of 2 mm, are turned off by the round rod extruded and post-treated according to the invention.
  • a ring with an outer diameter of 50 mm and an inner diameter of 40 mm is made in each case.
  • Both rings are scribed with a sharp knife parallel to the inner axis (with the resulting cut surface and the cylinder axis lying in one plane), so that the rings are open and each have two ends. They are then stored for 48 h under standard conditions (23 ° C, 50% humidity).
  • the stored rings then have warped legs.
  • Figure 1 shows two ways how these warped legs can be formed.
  • the ring 1 may have crossed 2 or diverging legs 3.
  • the rings produced from the round rod produced according to the invention in this case have a spacing of their ends of -1, 5 mm and -1, 7 mm.
  • two rings of the same dimensions produced from a round rod produced by the identical method but not aftertreated by microwave radiation have a spacing of their ends of -2 mm in each case.
  • the extruded rod treated by the method according to the invention consequently has lower material tensions than a non-treated, extruded round rod otherwise produced under the same conditions.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks durch Verarbeitung einer Polymerschmelze mit den Schritten A) Extrusion der Polymerschmelze zur Herstellung eines Extrudats, wobei das Extrudat einen Thermoplast und gegebenenfalls einen Zusatzstoff enthält, wobei der Thermoplast oder der Zusatzstoff durch ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld erwärmbar sind, und B) Nachbehandlung des Extrudats mittels eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes zum Abbau von Spannung in dem Extrudat.

Description

Extrusionsverfahren zur Herstellung eines Werkstücks
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks durch Verarbeitung einer Polymerschmelze, wobei eine Extrusion der Polymerschmelze durchgeführt wird.
Bei der Extrusion wird die Polymerschmelze kontinuierlich durch eine formgebende Düse gepresst, hinter dieser abgekühlt und gegebenenfalls zugeschnitten. Bei der raschen Abkühlung des Extrudats entstehen innere Spannungen in dem Extrudat, insbesondere Orientierungsspannung und Abkühlspannungen. Im Stand der Technik werden diese Spannungen nach dem Abkühlen und gegebenenfalls dem Zuschneiden des Exdrudats durch Tempern in einem Temperofen abgebaut. Dazu wird die Extrusions- wäre in dem Ofen für mehrere Stunden bis mehrere Tage bei Temperaturen über 1000C Wärme gelagert. Die Wärmelagerung erfolgt üblicherweise über dem Glaspunkt und unterhalb des Schmelzpunktes des Materials.
Die Herstellung von Halbzeugen wird im Stand der Technik zum Beispiel in der BASF- Broschüre „Ultraform®" (September 2004) beschrieben. Ultraform® ist der Handelsname für Konstruktionswerkstoffe aus dem copolymeren Polyoxymethylen-Sortiment der BASF AG, Deutschland. In nach dem Kühldüsenextrusionsverfahren hergestellten, dickwandigen Hohl- und Vollprofilen entstehen demnach Spannungen durch das zeitlich und örtlich unterschiedliche Erstarren und die Abkühlung der Schmelze. Diese Ne- ßen sich durch eine nachträgliche Wärmebehandlung abbauen. Gemäß dieser Broschüre sei bei hohen Anforderungen an die Dimensionsstabilität eine Temperung unumgänglich. Gemäß diesem Dokument aus dem Stand der Technik wird die Temperung in Luft, Flüssigwachs oder öl bei Temperaturen von 130 bis 1500C, meist bei 140 bis 145°C vorgenommen. Darunter liegende Temperaturen seien wenig effizient. Die Dauer der Temperung richtet sich nach der Wanddicke des Extrudats (10 min/1 mm Wanddicke).
Ein Nachteil dieses Verfahrens zum Spannungsabbau ist, dass die Erwärmung des Extrudats in dem Temperofen weitgehend über Wärmeleitung erfolgen muss, was auf- grund der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Polymere zeit- und energieaufwändig ist. Des Weiteren handelt es sich üblicherweise um ein diskontinuierliches Verfahren, woraus sich ebenfalls ein hoher Zeitaufwand ergibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Tech- nik zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks durch Verarbeitung einer Polymerschmelze bereitzustellen, das einen geringeren Energieverbrauch und einen geringeren Zeitaufwand zum Abbau von bei der Extrusion des Werkstücks und dem anschließenden Abkühlen entstehenden inneren Spannungen gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks durch Verarbeitung einer Polymerschmelze mit den Schritten
A) Extrusion der Polymerschmelze zur Herstellung eines Extrudats, wobei das Extrudat einen Thermoplast und gegebenenfalls einen Zusatzstoff enthält, wobei der Thermoplast oder der Zusatzstoff durch ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld erwärmbar sind, und
B) Nachbehandlung des Extrudats mittels eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes zum Abbau von Spannungen in dem Extrudat.
Ein Werkstück ist in diesem Zusammenhang jedes durch ein Extrusionsverfahren und gegebenenfalls weitere Herstellungsschritte herstellbare Produkt. Insbesondere werden durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren Halbzeuge, zum Beispiel Stränge, Folien, Platten, Profile, Rohre, Stäbe oder Schläuche, hergestellt. Eine PoIy- merschmelze enthält ein durch Wärme verflüssigtes Polymer. Vorzugsweise weisen die erfindungsgemäß nachbehandelten Extrudate eine Mindestdicke von 2 mm auf.
In Schritt A) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Extrusion der Polymerschmelze. Dabei entsteht ein Extrudat. Dieses Extrudat wird zumindest teilweise abge- kühlt, bevor die Nachbehandlung in Schritt B) durchgeführt wird. Üblicherweise werden extrudierte Halbzeuge zunächst geschnitten, in Behältern gesammelt und zwischengelagert, bevor eine Nachbehandlung durchgeführt wird. Beim Abkühlen des Extrudats entstehen innere Spannungen in dem Extrudat, die unerwünscht sind, da die inneren Spannungen bei einer Weiterverarbeitung des Extrudats zum Beispiel zu einem End- produkt zu nachteiligen Form- und Maßveränderungen führen. Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Nachbehandlung des Extrudats so durchgeführt, dass das Extrudat bei der Nachbehandlung seine äußere Form beibehält. Dies wird insbesondere durch die gezielte Auslegung des Hochfrequenzfeldes, so dass in dem Extrudat keine punk- tuellen Überhitzungen auftreten, erreicht.
Das in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Extrudat enthält einen Thermoplast und/oder einen Zusatzstoff, wobei der Thermoplast oder der Zusatzstoff oder beide durch ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld erwärmbar sind. Zu den Thermoplasten, die durch ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld erwärmbar sind, zählen insbesondere solche, die polare Strukturen aufweisen. Zu den Zusatzstoffen, die durch ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld erwärmbar sind, zählen insbesondere sol- che, die polare Strukturen aufweisen oder die metall- oder graphithaltig sind. Polare Strukturen im Sinne der Erfindung weisen ein Dipolmoment > 0 auf. Es kann sich zum Beispiel um einzelne chemische Struktureinheiten des Thermoplastes handeln, beispielsweise CH2O-Einheiten in Polyoxymethylen (POM). Durch die polaren Strukturen ist eine Polarisationserwärmung des Extrudats durch ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld, insbesondere durch Mikrowellenstrahlung möglich. Weitere mögliche Erwärmungsmechanismen für das Extrudat sind eine elektrische Widerstandserwärmung, Erwärmung durch Maxwell-Wagner Effekt oder Elektronen-Polarisation.
Wenn der Thermoplast polare Strukturen aufweist und diese in nicht-kristalliner Form vorliegen, ist er direkt im elektromagnetischen Hochfrequenzfeld erwärmbar. Zu den Thermoplasten mit polaren Strukturen, die direkt in einem Mikrowellenfeld erwärmbar sind, zählen z.B. Polyamid (PA), Polyetheretherketon (PEEK), Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylchlorid (PVC), Polyurethan (PU), Polyoxymethylen (POM), Polybuty- lenterephthalat (PBT), Polyethersulfon (PES), Poly-n-Butylmethacrylat (PBMA), PoIy- methylmethacrylat (PMMA), Polyimide oder Styrolacrylnitril (SAN).
Eine indirekte Erwärmung kann dadurch erreicht werden, dass der Thermoplast durch einen Zusatzstoff modifiziert wird, der z.B. polare Strukturen aufweist oder metall- oder graphithaltig ist und daher im elektromagnetischen Hochfrequenzfeld erwärmbar ist. Dabei kann es sich bei der vorliegenden Erfindung um in der Kunststofftechnik üblicherweise eingesetzten Zusatzstoffe, insbesondere Farbmittel, Additive, Füllstoffe, Verstärkungsstoffe oder ähnliches handeln. Der Einsatz solcher Zusatzstoffe ist prinzipiell für alle Thermoplaste möglich, bietet sich jedoch besonders für nicht oder schlecht direkt im elektromagnetischen Hochfrequenzfeld erwärmbaren Thermoplaste an. Zu den nicht oder schlecht direkt im elektromagnetischen Hochfrequenzfeld erwärmbaren Thermoplasten zählen z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), und Polystyrol (PS). Als Zusatzstoffe können z.B. Graphit, Kohlenstofffasern, Metallpulver, insbesondere Eisenpulver, ZnO, TiO2, AI2O3, CaTiO3, BaTiO3, γ-Fe2O3, BaO- 18Fe2O3, Fe3O4, Polyphenylensulfide, Ferrite, Ti- oder Zr- Hydroxyethylphospho- nate, Bentonite, Alkali- oder Erdalkali-haltige Aluminiumsilikate oder Farbstoffe wie Spinnel-Schwarz, Aluminiumpigment-Paste, Goldbronzepulver oder Farbruß, verwendet werden.
In Schritt B) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Nachbehandlung des Extrudats zum Abbau von Spannung durchgeführt. Diese Nachbehandlung erfolgt mittels eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes. Durch das elektromagnetische Hochfrequenzfeld wird das Extrudat (z.B. aufgrund der darin enthaltenen polaren Strukturen oder freien Elektronen) von innen heraus erwärmt, so dass innere Spannungen in dem Extrudat abgebaut werden. - A -
Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt eine Vielzahl von Vorteilen. Das verwendete Hochfrequenzfeld ermöglicht eine berührungslose Erwärmung. Die Nachbehandlung des Extrudats kann kontinuierlich erfolgen, im Unterschied zu dem diskontinuierlichen Tempern in einem Ofen gemäß dem Stand der Technik. Es kann ein hoher Wirkungsgrad bei der Erzeugung des elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes erreicht werden. Das Hochfrequenzfeld wird nur während der Nachbehandlung erzeugt, so dass Energie nur dann verbraucht wird und nicht vor oder nach der Nachbehandlung. Vorrichtungen zum Erzeugen elektromagnetischer Hochfrequenzfelder (zum Beispiel Mikrowel- lenöfen) bleiben selbst kalt, so dass eine erhöhte Arbeitssicherheit gewährleistet wird. Die Nachbehandlung im elektromagnetischen Hochfrequenzfeld erfordert einen geringen Zeitaufwand und Energieverbrauch, insbesondere da Vorbereitungsschritte entfallen (zum Beispiel ein Aufwärmen des Ofens) und die Wärmeenergie sofort im Inneren des Extrudats mittels des elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes erzeugt wird und nicht erst von außen in das Innere des Extrudats geleitet werden muss. Der Energieeintrag kann zudem gezielt gesteuert werden, zum Beispiel indem die Anzahl und die Leistung von Mikrowellenquellen variiert wird. Die Quellen können dabei so positioniert werden, dass die Energie möglichst gleichmäßig in die Extrusionsware eingetragen wird. Jedoch können die Quellen auch gezielt so positioniert werden, dass ein un- gleichmäßiger Energieeintrag in die Extrusionsware erfolgt. Gegenüber im Stand der Technik bekannten Temperöfen können Vorrichtungen zur Erzeugung eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes auch kompakter und daher platzsparender ausgeführt werden.
Ein Hochfrequenzfeld ist in diesem Zusammenhang jedes für die dielektrische Erwärmung eines Extrudats geeignete elektromagnetische Feld. Das in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete elektromagnetische Hochfrequenzfeld weist vorzugsweise eine Frequenz im Bereich von 100 kHz bis 900 GHz auf. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Hochfrequenzfeld eine Fre- quenz im Bereich von 0,3 bis 300 GHz auf. Es handelt sich dabei um Mikrowellenstrahlung, die bevorzugt bei der Nachbehandlung des Extrudats zum Abbau von inneren Spannungen in dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommt. Mikrowellenstrahlung findet (im Unterschied zur der vorliegenden Erfindung) im Stand der Technik zum Beispiel Anwendung zum Mikrowellenschweißen von Polymeren, zum Thermo- formen von Polymerteilen oder zum Heißziehen von Polymersträngen, -Stäben oder - fasern. Solche Anwendungen werden zum Beispiel in H. Potente et al., „Erwärmbarkeit von Kunststoffen im Mikrowellenfeld - Untersuchungen zum Mikrowellenschweißen", Schweißen und Schneiden 55 (11), 616 bis 623 (2003); M. Chen et al., „Basic Ideas of Microwave Processing of Polymers" Polymer Engineering and Science, 33 (17) 1092 bis 1109 (1993); Y. Takeuchi, "Morphological changes of wide polyoxymethylene rod during a microwave heating drawing process", Polymer, 26 (13) 1929 bis 1934 (1985) oder in EP 0 084 274 B1 oder DE 197 18 505 A1 offenbart.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Ex- trudat bei der Nachbehandlung kontinuierlich in einem Mikrowellenofen mit mindestens zwei Mikrowellenquellen durch Mikrowellenstrahlung erwärmt. Geeignete Mikrowellen- heizvorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann für das erfindungsgemäße Verfahren eine Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz verwendet werden, wie sie in dem Dokument EP 0 801 879 B1 offenbart wird.
Die Ausgestaltung und der Betrieb der Mikrowellenquellen werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise auf die Materialeigenschaften sowie auf die Form der Extrusionsware abgestimmt. Mindestens zwei Mikrowellenquellen können bei der Nachbehandlung des Extrudats zum Spannungsabbau vorzugsweise abwechselnd eingeschaltet werden, so dass das Extrudat weitgehend gleichmäßig durch die Mikrowellenstrahlung erwärmt wird. Durch das abwechselnde Einschalten verschiedener Mikrowellenquellen wird eine örtliche Erwärmung, wie sie durch die Mikrowellenstrahlung einer einzelnen Mikrowellenquelle auftreten kann, weitgehend vermieden. Eine Vielzahl von Mikrowellenquellen ist dabei zum Beispiel mit regelmäßigen Abständen zueinander, das Extrudat umgebend angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird bei der erfindungsgemäßen Nachbehandlung des Extrudats als Mikrowellenquelle ein runder Hohlleiter verwendet, der die Extrusionsware konzentrisch umgibt. Hierbei ist eine be- sonders günstige Verteilung des Mikrowellenfeldes gegeben, die zu besonders spannungsarmen Werkstücken führt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Extrudat einen Schmelzpunkt Ts auf und wird bei der Nachbehandlung mittels des e- lektromagnetischen Hochfrequenzfeldes auf eine Oberflächentemperatur erwärmt, die 2°C bis 1000C, bevorzugt 5°C bis 500C, besonders bevorzugt 8°C bis 25°C unter dem Schmelzpunkt Ts liegt. Bei diesen Temperaturen werden Spannungen in dem Extrudat besonders effizient abgebaut. Die Leistung des elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes sollte an das Material und das Ausmaß der abzubauenden Spannungen angepasst werden.
Vorzugsweise wird durch das Hochfrequenzfeld eine Wärmeleistung in das Extrudat eingebracht, die mittels eines berührungsfreien Sensors geregelt wird, der Eigenschaftsänderungen des Extrudats während der Nachbehandlung erfasst. Solche Ei- genschaftsänderungen, die durch den Sensor erfasst werden können, sind zum Bei- spiel Änderungen der Temperatur oder des Brechungsindizes des nachbehandelten Extrudats.
Vorzugsweise wird die Nachbehandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit- tels des Hochfrequenzfeldes während einer Zeit von mindestens 1 min, bevorzugt mindestens 1 h, besonders bevorzugt mindestens 5 h durchgeführt. Die Intensität des Hochfrequenzfeldes kann zeitlich konstant sein oder variieren. In einer bevorzugten Ausführungsform mit einer Nachbehandlungsdauer von N Stunden wird das Material einem Hochfrequenzfeld, insbesondere einem Mikrowellenfeld, ausgesetzt, dessen Intensität während der ersten 0,1 x N Stunden von 0 auf den angestrebten Maximalwert ansteigt und dessen Intensität während der letzten 0,1 x N Stunden vom Maximalwert wieder auf 0 sinkt. Die Einstrahlungsdichte des elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes kann während der Nachbehandlung des Extrudats konstant sein oder zeitabhängig gesteuert werden (zum Beispiel stufenförmig, sinusförmig oder linear an- steigend bzw. abfallend).
Die Symmetrie des Hochfrequenzfeldes kann an die Geometrie des Extrudats (so wie es direktes Ergebnis der Extrusion ist oder an die Geometrie davon abgeteilter Stücke) angepasst werden (zum Beispiel Rotationssymmetrie des Hochfrequenzfeldes bei der Nachbehandlung von Rundstäben). Das Extrudat passiert das elektromagnetische Hochfrequenzfeld bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise kontinuierlich. Bevorzugt wird das Hochfrequenzfeld so ausgelegt, dass eine möglichst homogene Erwärmung des Extrudats im Hochfrequenzfeld erfolgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Extrudat zum Abbau von Spannungen durch mindestens eine zusätzliche Wärmequelle erwärmt. Beispielsweise kann die Nachbehandlung des Extrudats zum Abbau innerer Spannungen mittels des elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes durch eine diskontinuierliche Temperung (Wärmelagerung) in einem Temperofen ergänzt werden. Bevor- zugt wird der Nachbehandlungsschritt zum Abbau innerer Spannungen jedoch so gestaltet, dass eine solche diskontinuierliche Temperung überflüssig ist.
Neben der erfindungsgemäßen Nachbehandlung mittels des elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes können auch in einem kontinuierlichen Verfahren Wärmestrahler zum Einsatz kommen, die das Extrudat zusätzlich von außen erwärmen. Dazu werden punktförmige Wärmestrahler oder flächige Wärmezonen positioniert, um den Energieeintrag in das Extrudat (zum Beispiel Halbzeug) gezielt zu steuern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Extrudat zur Nachbehandlung nach der Extrusion zunächst thermisch und anschließend durch das Hochfrequenzfeld erwärmt. Dabei handelt es sich vorzugsweise um ein kontinuierliches Verfahren. Dazu kann die Extrusionsware zunächst eine erste Zone, in der sie thermisch erwärmt wird (zum Beispiel durch Kontakt mit heißen Oberflächen oder durch Wärmestrahler) und anschließend eine zweite Zone, in der sie Mikrowellenstrahlung ausgesetzt wird, passieren. Diese erfindungsgemäße Ausführungs- form hat bei vielen Extrudaten den Vorteil, dass das Hochfrequenzfeld, insbesondere die Mikrowellenstrahlung, in dem thermisch vorgeheizten Material besser absorbiert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand eines erfindungsgemäßen Beispiels näher erläutert.
Beispiel
Durch ein Kühldüsen-Extrusionsverfahren werden aus einer Polymerschmelze Rundstäbe mit einem Außendurchmesser von 100 mm extrudiert. Die Herstellung der Rundstäbe erfolgt nach einem im Stand der Technik bekannten Verfahren, z.B. nach einem der Verfahren, die in den Druckschriften Ultraform® Polyoxymethylen, Stand 02/2004 S. 26-28, Hrsg. BASF Aktiengesellschaft oder Hostaform® Acetalpolymerisat, Stand 05/2001 , S. 66 - 68, Hrsg. Ticona GmbH, Frankfurt/Main beschrieben werden.
Das dabei entstehende Extrudat besteht aus dem Thermoplast Polyoxymethylen, der polare Strukturen in Form von CH2-O-Strukturen enthält. Der Rundstab mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Länge von 150 mm wird in einem Mikrowellenfeld innerhalb von 40 min auf 120°C erwärmt und anschließend für weitere 555 min bei dieser Temperatur gelagert. Für die Wärmelagerung erfolgt die Wärmezufuhr ebenfalls durch Mikrowellenstrahlung, wobei die Wärmezufuhr derart reduziert wird, dass sie die Abkühlung des Rundstabes gerade kompensiert.
Als Mikrowellenofen dient ein umgebauter Frischluft-Trockenofen (Heraeus Typ FT 60/200). Der Trockenofen wird um 90° gedreht und mit 18 haushaltsüblichen Mikrowellengeneratoren versehen. Je 3 x 3 quadratisch angeordnete Generatoren befinden sich oben und unten am Frischluft-Trockenofen. Die maximale Leistung jedes Generators beträgt 0,25 kW, wobei die Leistung in 1 %-Schritten geregelt werden kann. Der Rund- stab wird hochkant in der Mitte des Trockenofens positioniert und jeweils abwechselnd von jeweils einem der 18 Mikrowellengeneratoren bestrahlt. Es wird dabei alle 60 sec ein anderer Generator eingeschaltet, um den Rundstab möglichst gleichmäßig zu erwärmen. Die Leistung des aktivierten Generators beträgt typischerweise 0 bis 2,5 % des Maximalwertes. Sie wird jeweils an die gewünschte Aufheizrate angepasst. Die Temperatur wird mit einem faseroptischen Thermometer (Luxtron, Modell 750) an der unteren Stirnfläche des Rundstabes gemessen. Alle 15 min wird der Mikrowellenofen geöffnet, der Rundstab im Uhrzeigersinn um 90° gedreht und der Thermofühler dabei neu positioniert. Dies stellt ebenfalls sicher, dass der Rundstab möglichst gleichmäßig erwärmt und diese Erwärmung auch zuverlässig erfasst wird.
Zur Messung der Materialspannungen werden von dem erfindungsgemäß extrudierten und nachbehandelten Rundstab zwei Zylinder jeweils mit einer Höhe von 2 mm abgedreht. Aus den zwei Zylindern wird jeweils ein Ring mit einem Außendurchmesser von 50 mm und einem Innendurchmesser von 40 mm gefertigt. Beide Ringe werden mit einem scharfen Messer parallel zur Innenachse eingeritzt (wobei die entstehende Schnittfläche und die Zylinderachse in einer Ebene liegen), so dass die Ringe offen sind und jeweils zwei Enden aufweisen. Sie werden anschließend 48 h unter Normklima (23°C, 50 % Luftfeuchtigkeit) gelagert. Die gelagerten Ringe weisen dann verzogene Schenkel auf. Figur 1 zeigt zwei Möglichkeiten, wie diese verzogenen Schenkel ausgebildet sein können. Der Ring 1 kann überkreuzte 2 oder auseinandergebogene Schenkel 3 aufweisen. Die Verzerrung wird als Abstand 4, 5 der Enden 6, 7 des Ringes 1 gemessen (überkreuzte Schenkel: = Abstand < 0, auseinandergebogene Schenkel: = Abstand > 0). Je größer der Betrag des Abstandes 4,5 der Enden 6, 7 ist, desto ausgeprägter sind die Materialspannungen in dem Rundstab.
Die aus dem erfindungsgemäß hergestellten Rundstab erzeugten Ringe weisen dabei einen Abstand ihrer Enden von -1 ,5 mm und -1 ,7 mm auf. Zwei aus einem nach dem identischen Verfahren hergestellten, jedoch nicht mittels Mikrowellenstrahlung nachbehandelten Rundstab erzeugte Ringe gleicher Abmessungen weisen hingegen einen Abstand ihrer Enden von jeweils -2 mm auf. Der nach dem erfindungsgemäßen Verfah- ren nachbehandelte extrudierte Rundstab weist folglich geringere Materialspannungen als ein nicht nachbehandelter, ansonsten unter gleichen Bedingungen hergestellter, extrudierter Rundstab auf.
Bezugszeichenliste
Ring überkreuzte Schenkel gebogene Schenkel erster Abstand zweiter Abstand erstes Ende des Ringes zweites Ende des Ringes

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks durch Verarbeitung einer Polymer- schmelze, gekennzeichnet durch
A) Extrusion der Polymerschmelze zur Herstellung eines Extrudats, wobei das Extrudat einen Thermoplast und gegebenenfalls einen Zusatzstoff enthält, wobei der Thermoplast oder der Zusatzstoff durch ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld erwärmbar sind, und
B) Nachbehandlung des Extrudats mittels eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes zum Abbau von Spannungen in dem Extrudat.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbehandlung des Extrudats so durchgeführt wird, dass das Extrudat bei der Nachbehandlung seine äußere Form beibehält.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzfeld eine Frequenz im Bereich von 100 kHz bis 900 GHz aufweist.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzfeld eine Frequenz im Bereich von 0,3 bis 300 GHz aufweist.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Extrudat ein Schmelzpunkt T3 aufweist und bei der Nachbehandlung mittels des elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes auf eine Oberflächentemperatur erwärmt wird, die 2°C bis 1000C unter dem Schmelzpunkt Ts liegt.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Extrudat bei der Nachbehandlung kontinuierlich in einem Mikrowellenfeld mit mindestens zwei Mikrowellenquellen durch Mikrowellenstrahlung erwärmt wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenquellen bei der Nachbehandlung abwechselnd eingeschaltet werden.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Extrudat zum Abbau von Spannungen durch mindestens eine zusätzliche Wärmequelle erwärmt wird.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Hochfrequenzfeld eine Wärmeleistung in das Extrudat eingebracht wird, die mittels eines berührungsfreien Sensors geregelt wird, der Eigenschaftsänderungen des Extrudats während der Nachbehandlung erfasst.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbehandlung mittels des Hochfrequenzfeldes während einer Zeit von mindestens 1 min durchgeführt wird.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Extrudat zur Nachbehandlung nach der Extrusion zunächst thermisch und anschließend durch Mikrowellenstrahlung erwärmt wird.
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