Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Extrudierung eines schlauchförmigen thermoplastischen Kunststoffilms, und auf ein Verfahren zum Betrieb derselben.
Geblasene schlauchförmige thermoplastische Filme können dadurch hergestellt werden, dass man thermoplastischen Kunststoff durch ein ringförmiges Werkzeug kontinuierlich extrudiert; wobei das auszustossende Material unter Druck gesetzt wird, um es in Schlauchform zu bringen. Dabei wird das Kunststoffmaterial expandiert und seine Wandstärke bis zum gewünschten Wert reduziert, während das Material gekühlt und verfestigt wird. Das Schlauchmaterial wird dann zwischen Klemmwalzen flach gedrückt. Der mit doppelter Dicke abgeflachte Film kann zwecks Aufbewahrung und nachfolgender Verwendung als Schlauch zu einer zylindrischen Rolle aufgewickelt werden, oder das Schlauchmaterial kann unter Bildung einer Bahn in einfacher Dicke mit doppelter Breite oder unter Bildung von zwei Bahnen mit einfacher Dicke aufgeschnitten oder aufgeschlitzt werden.
Unter gewissen Umständen hat das so hergestellte Schlauchmaterial den Nachteil, dass eine gute Gleichförmigkeit der Dicke des Folienmaterials nicht erzielbar ist; das bedeutet, dass die Filmdicke nicht gleichförmig ist. Wenn dieser nicht-gleichförmige Film zu einer Rolle aufgewickelt wird, wird eine unebene wellige Rolle erhalten. Die Wickelspannung verzieht den Film über den Unebenheiten; infolgedessen liegt der Film, wenn der Kunststoff kalten Fluss zeigt, nicht flach, wenn er abgewickelt wird; er hat dann Riffelungen oder Wellungen, wodurch zum Bedrucken, bei Umformungen und bei anderen Verwendungsarten spezielle Vorsichtsmassnahmen erforderlich sind. Üblicherweise werden solche Probleme durch Drehen des Werkzeugs oder durch Verwendung irgendwelcher Kühlringe oder durch beide Massnahmen verbessert.
Diese Stärkenvariationen führen auch dazu, dass eine grössere Gewichtsmenge Kunststoff je Flächeneinheit des Films einzusetzen ist, da eine grössere durchschnittliche Dikke eingehalten werden muss, damit eine vorgegebene Minimaldicke aufrechterhalten wird. Es ist daher erwünscht, dass die Stärkenvariation vermindert wird.
Ein wesentliches Problem liegt auch in der Kühlung der extrudierten Blase aus thermoplastischem Material. Die Produktionsgeschwindigkeit für irgendeine vorgegebene Grösse oder Gestalt des Schlauchmaterials (Blase) ist durch die Art der Blase, die extrudiert wird, begrenzt. So führt unter vorgegebenen Arbeitsbedingungen eine Steigerung des Extruderausstosses dazu, dass das thermoplastische Material bei höherer Geschwindigkeit zu einem Schlauchmaterial ausgeformt wird; da jedoch die Wärmeveriustcharakteristika des Systems nicht geändert worden sind, führt dies ebenfalls zu einer Verschiebung der Erstarrungszone (Erstarrungslinie) (das ist diejenige Linie, in der Schlauchbahn, wo der geschmolzene extrudierte Kunststoff fest wird).
Dies führt andererseits dann zu einem Anstieg in der Instabilität der extrudierten Blase, da deren ungestützte geschmolzene Strecke zu lang wird.
Der Zweck der Erfindung liegt daher in der Verbesserung der Gleichförmigkeit in der Wandungsdicke bei extrudierten schlauchförmigen Filmen. Der extrudierte Film wird durch eine Vorrichtung geführt, die der Blase eine ausgewähl- te Konfiguration erteilt, jedoch auch so zu gestalten ist, dass verhindert wird, dass der geschmolzene Kunststoff mit der Vorrichtung in Berührung kommt.
Die zu diesem Zweck vorgesehene Vorrichtung zur Extrudierung eines schlauchförmigen thermoplastischen Kunststoffilms, mit einem ringförmigen Extrusionswerkzeug und mit Klemmwalzen zum Flachdrücken des extrudierten Schlauches, um einen Überdruck innerhalb des jeweils zwischen dem Werkzeug und den Walzen befindlichen Schlauchabschnittes zum Expandieren desselben aufrechterhalten zu können, ist erfindungsgemäss gekennzeichnet durch ein vom Extrusionswerkzeug aus stromabwärts gerichtetes und zum Werkzeug koaxiales Gehäuse mit reihenweise angeordneten Kühlmittelkanälen, die bezüglich Kühlmittelaustrittsschlitzen, welche zwischen Paaren von Kühlmittelkanalreihen angeordnet sind, voneinander divergieren.
Zweckmässig weist das Gehäuse einen Stapel von Ringverteilern auf, in welchem je ein Paar Reihen von Kühlmittelkanälen enthalten sind.
Der Effekt der durch die Öffnungen am Ende der Kanäle geblasenen Luft oder eines anderen Kühlfluids besteht darin, dass ein Teilvakuum geschaffen wird, das die extrudierte Bla- se nach aussen gegen die Wandungen des Gehäuses zieht und so die Gestalt der Blase derjenigen des Gehäuses anpasst.
Es hat sich herausgestellt, dass das Gehäuse für beste Ergebnisse einen maximalen Divergenzwinkel von 480 haben soll.
Die Herstellung des Schlauches erfolgt in der Weise, dass man thermoplastischen Kunststoff schmelzextrudiert, innerhalb des Schlauches Druck während der Extrusion aufrechterhält, so dass das Schlauchmaterial durch die Druckanwendung expandiert wird, weiterhin das extrudierte Schlauchmaterial kühlt, um den Kunststoff zu verfestigen, und das expandierte gekühlte Schlauchmaterial flachdrückt, wobei in den extrudierten Schlauch ein Fluid geblasen wird, welches das Schlauchmaterial nach aussen drängt, und zwar unter einem maximalen Divergenzwinkel von weniger als 480.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat das Gehäuse die Form einer Reihe von Ringen entlang der zentralen Achse der Blase; diese Ringe sind getrennt von jedem anderen angeordnet, so dass Durchgänge zum Entweichen des Kühlgases geschaffen werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine Schnittansicht einer ringförmigen Extrusionsvorrichtung;
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 gemäss Fig. 1;
Fig. 3 eine vergrösserte Schnittansicht des Kühlringteils der Vorrichtung gemäss Fig. 1.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird ein thermoplastischer Kunststoff 10, im folgenden auch Harz genannt, einem Extruder 12 zugeführt, worin das Harz geschmolzen und dann durch ein ringförmiges Extrusionswerkzeug 14 extrudiert wird, wobei ein Schlauchmaterial 16 aus geschmolzenem thermoplastischen Harz gebildet wird. Die Leitung 18 in der Insel 20 des ringförmigen Werkzeugs 22 dient der Zufuhr eines Fluids, normalerweise Luft, zum thermoplastischen Harzschlauchmaterial 16. So wie das Schlauchmaterial stromabwärts vorangeht, kühlt es sich ab, bis es an der Erstarrungslinie 24 zu einer dimensionsstabilen schlauchförmigen Struktur 26 verfestigt wird. Dieses feste Material 26 wird durch eine Führung 28 zum Zusammenfallen gebracht; dann geht es durch den Walzenspalt eines Paares von Walzen 30 hindurch.
Mehrfachkühlringverteiler 32a, 32b, 32c, 32d, 32c, 32f und 32g, wobei es sich entweder um gesonderte Teile in einem Gehäuse 34, wie dargestellt, handelt oder die einen entsprechenden einstückigen Aufbau haben können, sind um die Achse der Blase herum angeordnet. Eine Pumpe 36 führt ein Fluid, zweckmässig Luft, durch eine Leitung 38 in das Innere 40 der Ringverteiler 32 heran. Dieses Fluid trifft auf das extrudierte Schlauchmaterial durch die auseinandergehenden Kanäle 42a und 42b und Öffnungen 43 auf. Der Fluss des Fluids aus den auseinandergehenden Düsen erzeugt einen verminderten Druck zwischen den Düsen (im entsprechenden Bereich mit 44 bezeichnet) und führt ausserdem dazu, dass das Fluid durch die Durchgänge 46 zwischen benachbarten Ringen aus dem System herausgeführt wird.
Das mit hoher Geschwindigkeit geführte Fluid, das aus der Nähe des extrudierten Schlauchmaterials heraustritt, verursacht ausserdem eine leichte Druckabnahme (im Bereich, der mit 48 bezeichnet ist). Diese Druckverminderungen ziehen das noch geschmolzene extrudierte Schlauchmaterial 16 gegen die Ringe 32; jedoch bildet das Fluid ein Kissen zwischen den Ringen und dem Schlauchmaterial, so dass verhindert wird, dass das Schlauchmaterial mit den Ringen in Berührung kommt und damit verklebt, während es noch geschmolzen ist.
Wichtig bei dieser Vorrichtung ist die Verwendung des auseinanderlaufenden Gehäuses zur Schaffung einer besonderen Gestalt bei dem Extrudierten Schlauchmaterial von dem Zeitpunkt, wenn es aus dem Extrusionswerkzeug austritt, bis zu demjenigen Zeitpunkt, wo es sich mehr in einem im wesentlichen festen Zustand befindet. Dieses Gehäuse ist von generell divergierender, d. h. konischer, paraboloider oder ähnlicher Gestalt. Die Art dieses die Gestalt bildenden Gehäuses beschränkt diesen Teil jedoch nicht auf eine genaue geometrische Nachbildung dieser mathematischen Funktionen.
Vielmehr sind diese Daten zur Veranschaulichung der generellen Art einer Gestalt angegeben, die angewendet werden.
kann. Erforderlich ist nur, dass dieses Gehäuse von einer anfänglichen, stromaufwärts gerichteten Lage nahe an und koaxial um das ringförmige Extrusionswerkzeug herum nach fortschreitend mehr stromabwärts gerichteten Lagen weniger in der Nähe des ringförmigen Extrusionswerkzeugs, jedoch noch koaxial damit, auseinandergeht.
Es hat sich herausgestellt, dass die während des Expandierens und Kühlens der Blase geschaffene Gestalt einen maximalen Divergenzwinkel von weniger als 480 haben soll, vorzugsweise weniger als 380. Weiterhin ist für irgendeine vorgegebene Erstarrungslinie zum Extrusionswerkzeugabstand bevorzugt, dass mit einer so beschaffenen Blasengestalt und -grösse gearbeitet wird, dass der Hals der Blase (d. h.
der Teil der Blase vom Werkzeug bis zu dem Punkt, wo sie auseinanderzugehen beginnt) länger als bei üblichen Blasen (d. h. solche Blasen, deren Konfiguration nicht geregelt ist) bis zu einem solchen Ausmass ist, dass der Divergenzpunkt um 5 bis 15 o/o des gesamten Werkzeugs zum Frostlinienabstand höher liegt. Die Stärkenvariation bei so gebildeten Filmen ist bedeutend vermindert, nämlich im Vergleich mit derjenigen Stärkenvariation, die unter ansonsten im wesentlichen identischen Arbeitsbedingungen, aber ohne Schaffung einer solchen speziellen Gestalt vor der Verfestigung des extrudierten Filmes beobachtet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Gehäuses liegt jede Reihe von Öffnungen entlang einer Ebene generell senkrecht zur Achse des Extrusionswerkzeugs. Die einzelnen Kanäle 42 und deren Öffnungen 43 in jedem Paar von Reihen sind gesondert in einem Winkel, vorzugsweise dem weitestmöglichen Winkel,-in der Richtung der Achse der Vorrichtung ausgerichtet, d. h. in der Richtung der Filmbewegung. So sind die Achsen der Öffnungen in einem kleinen spitzen Winkel mit Bezug auf die Oberfläche des thermoplastischen Schlauchmaterials angeordnet. Obwohl dies wahrscheinlich die wirksamste Gestaltung ist, brauchen die genannten Kanäle nicht von zylindrischer Gestalt zu sein, son dem es kann sich auch um eine konvergierende Düse oder um eine andere Gestaltung handeln.
Wesentlich ist nur, dass diese Kanäle dazu führen, dass das dort hindurchführende Fluid beim Austreten aus jedem zusammenwirkenden Paar von Öffnungen auseinandergeht.
Weiterhin sind Durchgänge zwischen den Paaren von Öffnungsreihen für die Luft oder ein anderes Fluid zum Entweichen vorgesehen. So wird ein Zirkulationssystem geschaffen, mit dem man erreicht, dass das Fluid von der
Aussenseite gegen das extrudierte Schlauchmaterial gelangt, das Fluid entlang dem extrudierten Schlauchmaterial strömt und das Fluid dann zurück zur Aussenseite geleitet wird.
Wenn ein anderes Fluid als Luft verwendet wird, können ein geeigneter Vorratsbehälter und ein geschlossenes System vor gesehen sein; auch kann de#r nach aussen gerichtete Durch gang das Fluid einfach in die Atmosphäre abgeben.
Dieses Fluid kühlt das extrudierte Schlauchmaterial und verfestigt es in hinreichendem Ausmass, so dass es nicht klebrig und dimensionsstabil gemacht wird. Wenn dies die einzige Funktion wäre, die durch das Kühlfluid erreicht wird, würde das Schlauchmaterial expandieren, nämlich entspre chend dem Druck, der durch das innere Fluid ausgeübt wird, und als Funktion der angewendeten Kühlgeschwindigkeit und der zugehörigen Flüssigkeitsstärke des verwendeten ther moplastischen Harzes. Die Effekte und Vorteile der erfin dungsgemässen Vorrichtung gehen jedoch darüber hinaus.
Die besondere Gestalt der Kanäle und ihrer Öffnungen führt dazu, dass das daraus herausfliessende Fluid als Abzugsmittel wirkt und so ein Teilvakuum im Raum zwischen den Öff- nungen bildet. Dieses zieht das extrudierte Schlauchmaterial gegen das die Form gebende Gehäuse und veranlasst, dass sich das extrudierte Schlauchmaterial eng der Gestalt des Gehäuses anpasst. Wenn die Temperatur und Fliessgeschwindig keit des Fluids entsprechend dem besonderen extrudierten thermoplastischen Harz und entsprechend den Dimensionen des extrudierten Schlauchmaterials ebenso wie entsprechend dem Extrusionswerkzeug eintestellt werden, kann die Erstar rungslinie des extrudierten Schlauchmaterials üblicherweise innerhalb des die Konfiguration gebenden Gehäuses einge #ordnet werden, generell auf dessen stromabwärts gerichtetes Ende zu.
Zu berücksichtigen ist, dass viele Arbeitsvariablen# von- einander abhängig und nicht unabhängig variabel sind. Das Verfahrensprinzip liegt darin, den Schlauch aus thermopla stischem Material mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu extrudieren und ihm dabei eine besondere Gestalt zu erteilen, während das Material bis zum dimensionsstabilen und nicht klebrigen Zustand gekühlt wird.
Das thermoplastische Material wird üblicherweise durch ein ringförmiges Werkzeug mit einem Durchmesser von etwa
10 bis 40 mm und einer Werkzeugöffnung von etwa 0,25 bis
2,5 mm extrudiert. Die Extrusionsgeschwindigkeit ist selbst verständlich vom verwendeten Extruder abhängig. Aufblas verhältnisse, d. h. das Verhältnis des endgültigen Filmdurch messers zum Werkzeugdurchmesser, von etwa 1,5 bis 5 sind geeignet wie ebenso endgültige Filmstärken von 0,01 bis 0,25 mm. Das bevorzugte, den Innendruck erzeugende Fluid und entsprechende Aussenkühlungsfluids sind Luft; jedoch kön nen auch andere Gase verwendet werden. Das den Innen druck erzeugende Fluid soll leicht oberhalb Atmosphären druck gehalten werden.
Das Aussenkühlungsfluid wird zweckmässig bei einer Temperatur von etwa 200 bis 1000 C gehalten; es wird mit einer solchen Geschwindigkeit zugeführt dass etwa 20 bis 150 m3 (00 C; 760 mm Hg) je m2 Ober flächenbereich des zu kühlenden geschmolzenen Schlauchma terials entfallen.
Es hat sich herausgestellt, dass eine direkte Anwendung gewisser üblicher Bedingungen bei dem beschriebenen Ver fahren unzweckmässig sein kann. So ist gefunden worden, dass bei Anwendung gewisser üblicher Bedingungen das ge schmolzene Extrudat schlaff werden kann, wenn es das
Werkzeug verlässt, woraus resultiert, dass es über sich selbst gefaltet wird oder nach aussen zwischen den vertikal im Ab stand angeordneten Kühkingelementen fliesst, so dass es stecken bleibt; auch kann es in gewisser Weise an den Ober flächen der Kühlringelemente in unmittelbarer Nachbar schaft zum Werkzeug festgehalten werden.
Die Möglichkeit solcher Erscheinungen kann wesentlich vermindert oder eliminiert werden, wenn die Werkzeugaustrittsöffnung vergrössert wird, so dass eine Öffnung gebildet wird, die grösser als eine solche ist, die normalerweise bei üblichen Schlauchextrusionsvorgängen verwendet wird. Bei einem herkömmlichen Kühlverfahren kann die Grösse des üblichen Spaltes beispielsweise im Bereich von 0,06 bis 0,1 mm liegen, während der Öffnungsspalt bei der erfindungsgemässen Vorrichtung vorzugsweise 1 bis 1,25 mm beträgt. Beispielsweise wird ein 66 cm breiter flach liegender schlauchförmiger Film mit 0,07 mm Dicke normalerweise mit einem Spalt von 1 mm in einem herkömmlichen Verfahren hergestellt. Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung wird jedoch ein Spalt von z. B.
1,25 mm verwendet. Unter Anwendung eines grösseren Werkzeugöffnungsspaltes ist der geschmolzene Film, wenn er das Werkzeug verlässt, dicker und muss mit grösserer Kraft gezogen bzw. verstreckt werden, damit die erwünschte endgültige Filmdicke bei der Erstarrungslinie erhalten wird.
Diese grössere Kraft überwindet die Neigung der geschmolze- nen Blase, in sich zusammenzufalten oder zwischen den Kühlringelementen nach aussen zu fliessen. Ohne Kenntnis des tatsächlichen Mechanismus ist anzunehmen, dass die Vergrös serung des Öffnungsspaltes und die entsprechende Vergrösserung der Kraft beim Ziehen bzw. Verstrecken das Problem des Aufhängens des Schlauchmaterials eliminiert, da als Ergebnis der Steigerung der Ziehkraft bzw. Verstreckungskraft ein abwärts gerichteter Widerstand, der durch die Kühlringelemente auf das geschmolzene Schlauchmaterial ausgeübt wird, überwunden wird. Es hat sich herausgestellt, dass ein Verhältnis von Werkzeugöffnungsspalt zu endgültiger Filmdicke oberhalb von 10:1 und vorzugsweise oberhalb von 15:1 liegen sollte.
Fluidströmungsleitungen können innerhalb des Inselteils des Extrusionswerkzeugs vorgesehen sein, um einen Teil oder sämtliche in das extrudierte Schlauchmaterial eingeführte Luft abzuführen, so dass ein Zirkulationssystem gebildet wird.
Das die Konfiguration erteilende Gehäuse kann aus einer einstückigen Struktur mit einer solchen Höhe, die sich von der Ebene des Extrusionswerkzeugs bis zu einem Punkt stromabwärts von der Erstarrungslinie erstreckt, oder aus einer Reihe von aufgestapelten Ringen mit ähnlicher kumulativer Höhe bestehen. In jedem Fall sollen die Öffnungen in Abständen von etwa 1 bis 20 mm gesondert angeordnet sein, während die beiden Reihen in jedem Paar in Abständen von etwa 10 bis 100 mm gesondert angeordnet sind. Die Öffnungen selbst und deren entsprechende Kanäle sollen sich vorzugsweise in radialen Ebenen bzw. Flächen befinden; sie sollen gesondert in Abständen von etwa 2 bis 6 Öffnungsdurchmessern getrennt in jeder Reihe angeordnet sein; die Kanalpaare sollen in einem Winkel von etwa 500 bis 1600 einschliesslich, vorzugsweise 1000 bis 1500, divergieren.
Die Luftrückführkanäle zwischen Öffnungsreihenpaaren sollen etwa 3 bis 15 mm breit sein, so dass ein leichter und bequemer Luftstrom zurück von dem extrudierten Schlauchmaterial gewährleistet ist. Zu berücksichtigen ist, dass die Geschwindigkeit und/oder Temperatur der Aussenkühlungsluft bei allen Öffnungspositionen im wesentlichen konstant sein oder auch variiert werden kann, z. B. mit aufsteigendem oder mit absteigendem Gradienten je nach den Arbeitsbedingungen.
Als thermoplastisches Harz kann man beispielsweise ein Polyolefin, z. B. Polyäthylen, Polypropylen, Polybuten-1, Copolymere von zwei oder mehr von diesen Polymeren mit oder ohne andere Olefine, Polyvinylchlorid oder Polyvinylidenchlorid, Vinyl- oder Vinylidenchloridcopolymere mit Acrylaten, Actylnitril oder Olefinen, Acrylhomo- und/oder Acrylcopolymere, Styrolhomo- und/oder Styrolcopolymere und ganz allgemein solche weiteren polymeren Materialien, die zu schlauchförmigen Filmen schmelzextrudiert werden können, einsetzen.
PATENTANSPRUCH I
Vorrichtung zur Extrudierung eines schlauchförmigen thermoplastischen Kunststoffilms, mit einem ringförmigen Extrusionswerkzeug und mit Klemmwalzen zum Flachdrükken des extrudierten Schlauches, um einen Überdruck innerhalb des jeweils zwischen dem Werkzeug und den Walzen befindlichen Schlauchabschnittes zum Expandieren desselben aufrechterhalten zu können, gekennzeichnet durch ein vom Extrusionswerkzeug (14) aus stromabwärts gerichtetes und zum Werkzeug koaxiales Gehäuse mit reihenweise angeordneten Kühlmittelkanälen (42a, 42b), die bezüglich Kühlmittelaustrittsschlitzen (46), welche zwischen Paaren von Kühlmittelkanalreihen angeordnet sind, voneinander divergieren.
UNTERANSPRÜCHE
1. Vorrichtung nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (42a, 42b) in einem Winkel von 50C bis 1500, vorzugsweise 1000 bis 1500, divergieren.
2. Vorrichtung nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen Stapel von Ringverteilern (32) aufweist, in welchen je ein Paar Reihen von Kühlmittelkanälen (42a, 42b) enthalten ist.
3. Vorrichtung nach Patentanspruch I oder einem der vorhergehenden Unteransprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelkanäle (42a, 42b) in gegenseitigen Abständen vom 2- bis 6fachen des Öffnungsdurchmessers eines Kanals in den bezüglichen Reihen angeordnet sind.
PATENTANSPRUCH II
Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das extrudierte Schlauchmaterial unter einem Winkel von weniger als 480 nach aussen gezogen wird.