DE19536563A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von geschäumten Folien - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von geschäumten FolienInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Herstellung von geschäumten Folien aus einem Polymer,
enthaltend Propylen, welches mit einem physikalischen
Treibmittel und einem Nukleierungsmittel zu einem
schäumfähigen Polymer vermischt wird und das Polymer zusammen
mit dem Nukleierungsmittel und ggf. weiteren Additiven in
einem Extruder mit einer Einzugs- und Plastifizierzone,
Mischzone und Kühlzone und mit Austrittsdüse erwärmt und
aufgeschmolzen wird, und der Polymerschmelze das Treibmittel
unter Druck zugegeben und nachfolgend die begaste
Polymerschmelze auf eine zum Aufschäumen geeignete Temperatur
gekühlt wird und danach unter Aufschäumen aus der Düse
gegebenenfalls als Schlauch austritt, und der Schlauch
nachfolgend innenseitig und außenseitig gekühlt wird und
anschließend der Schlauch in Längsrichtung zur Bildung einer
flachen Folie aufgeschnitten und abgezogen und ggf.
aufgewickelt wird.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind bekannt.
Beispielsweise beschreibt die EP 0 570 221 A2 ein solches
Verfahren zum Herstellen einer Schaumfolie aus Polypropylen
mittels eines Tandem-Extruders, welches mit einem
physikalischen Treibmittel und einem Nukleierungsmittel zu
einem schäumfähigen Polymer vermischt wird und das Polymer
zusammen mit dem Nukleierungsmittel und ggf. weiteren
Additiven in dem ersten Extruder mit einer Einzugs- und
Plastifizierzone und einer Mischzone gemischt und
aufgeschmolzen wird, und der Polymerschmelze das Treibmittel
unter hohem Druck mittels einer - 5000 pounds = 2250 kg -
Hochdruckpumpe zugegeben wird und nachfolgend die begaste
Polymerschmelze auf eine zum Aufschäumen geeignete Temperatur
in dem zweiten Extruder gekühlt wird und danach unter
Aufschäumen aus einer ringförmigen Düse als Schlauch austritt,
und der Schlauch nachfolgend innenseitig und außenseitig
gekühlt wird und anschließend der Schlauch in Längsrichtung
zur Bildung einer flachen Folie aufgeschnitten und abgezogen
und ggf. aufgewickelt wird.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist der Einsatz von zwei
Extrudern in der sogenannten Tandemanordnung, bei dem der
erste Extruder zum Aufschmelzen des Polymers und dem
Vermischen mit dem Treibmittel und der zweite Extruder zum
Kühlen der schäumfähigen Schmelze auf eine für das Aufschäumen
beim Austritt aus der Ringdüse geeignete Temperatur verwendet
wird. Derartige Tandemextruder sind einerseits besonders
aufwendig und teuer, andererseits ist ihre Leistungsfähigkeit
gemessen an den Anlagenkosten zu gering, um wirtschaftlich
geschäumte Folien, beispielsweise für Verpackungen herstellen
zu können. Auch erscheint die Qualität der erhaltenen
geschäumten Folie verbesserungswürdig, da die erhaltenen
Zelldurchmesser relativ groß und die Oberfläche der Folie zu
uneben ist, um beispielsweise ein Bedrucken der Oberfläche zu
gestatten. Desweiteren muß das Treibmittel, um genügend kleine
Zellen zu erhalten, unter hohem Druck von 100 bar und mehr
mittels Hochdruckpumpen, die eine Leistung von mehr als 300 bar
(5000 pounds of pressure) aufweisen, eingebracht werden.
Die EP 0 520 028 B1 beschreibt die Herstellung einer
geschäumten Folie aus ausgewählten HMS-Polypropylenen unter
Verwendung von zwei Extrudern wiederum in Tandemanordnung. Zur
Erzielung bestimmter Funktionen der erhaltenen Folie, wie etwa
Gasdichtigkeit o. ä., kann die geschäumte Folie mit einer oder
mehreren Funktionsschichten beschichtet werden, wobei dieses
sowohl durch eine entsprechende Düse während der Herstellung
der geschäumten Folie als auch durch Laminieren der
geschäumten Folie nach deren Herstellung mit einer separat
zugeführten Funktionsschicht erfolgen kann. Nachteilig ist
auch hier die Arbeitsweise der Tandemextruder mit hohen
Drücken über 120 bar und der relativ geringe Durchsatz von 50
bis 50 kg/h, um geschäumte Polyolefinfolien ausgewählter
HMS-Polypropylentypen mit hoher Steifigkeit zu erhalten.
Die GB 1,400,494 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von
geschäumten Bahnen aus einem Polymer, wie Polypropylen, durch
Extrusion des Polymers zusammen mit einem physikalischen
Treibmittel, wie Kohlenwasserstoffen, aus einer ringförmigen
Düse, bei dem die diese verlassende Bahn in einem außenseitig
und innenseitig gekühlten Ringspalt aufschäumt. Die erhaltene
geschäumte Bahn weist eine ungleichmäßige Zellstruktur mit
lederartigen Außenhäuten auf und ist im Innern so stark
aufgeschäumt, daß sie leicht zu zwei Teilen mit je einer
glatten Außenhaut auseinandergerissen werden kann, wobei sich
an der Rißfläche eine samtähnliche Struktur bildet. Derartige
Bahnen sind somit nur für ganz spezielle Einsatzbereiche, bei
denen es auf diese samtähnliche Oberfläche ankommt, geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Herstellung von geschäumten Folien aus einem
Polymer, enthaltend Propylen, zu schaffen, die eine besonders
gleichmäßige und feinzellige Schäumstruktur aufweisen und sich
daher besonders für die Weiterverarbeitung durch Thermoformen,
wie Tiefziehen, Vakuumformen eignen. Die bekannten Verfahren
sollen auch in ihrem Aufbau vereinfacht und eine erhöhte
Leistung als bisher möglich soll erreicht werden, um die
Herstellung derartiger geschäumter Folien wirtschaftlicher zu
machen.
Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruches 18 aus.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den
Unteransprüchen entnehmbar.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von
geschäumten Folien aus einem Polymer, enthaltend Propylen,
vorgeschlagen, bei dem das Aufschmelzen des Polymers, Mischen
der Polymerschmelze mit dem physikalischen Treibmittel und
Kühlen der so erhaltenen begasten schäumfähigen
Polymerschmelze in einem Doppelschneckenextruder einer Länge
von 30 bis 42 D (D = Schneckendurchmesser) mit gleichen und
gleichsinnig rotierenden parallelen Schnecken durchgeführt
wird und das physikalische Treibmittel mit einem Druck kleiner
20 bar am Ende der etwa 10 bis 15 D langen Einzugs- und
Plastifizierzone des Doppelschneckenextruders in das
aufgeschmolzene (plastifizierte) Polymer geleitet wird und in
der, sich an die Einzugs- und Plastifizierzone anschließenden
Mischzone mit einer 3 bis 6 D entsprechenden Länge des
Doppelschneckenextruders mit dem aufgeschmolzenen Polymer zu
einer schäumfähigen Polymerschmelze homogenisiert wird.
Die Erfindung lehrt, daß bei Einsatz eines derartigen
Doppelschneckenextruders mit gleichen und gleichsinnig
rotierenden parallelen Schnecken und Begasen mit Treibmittel
bei sehr geringen Drücken eine geschäumte Folie erhalten wird,
die besonders gleichmäßig und feinzellig aufgeschäumt ist und
die bereits eine relativ gute glatte und ebene Oberfläche
aufweist, die der Folie einen angenehmen Griff verleiht und
gegebenenfalls ein Bedrucken dieser Oberfläche nach den
bekannten Verfahren ermöglicht.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Doppelschneckenextruder
stellt eine wesentlich einfacheren Aufbau als der zweier
Extruder in Tandemanordnung, wie es der Stand der Technik ist,
dar, und reduziert somit die Anlagenkosten.
Weiterhin herrscht im Innern der Mischzone des erfindungsgemäß
eingesetzten und gestalteten Doppelschneckenextruders, in die
das physikalische Treibmittel eingeleitet wird, im Gegensatz
zum Tandemextruder ein besonders niedriger Druck unter 20 bar,
bevorzugt unter 15 bar, so daß das Treibmittel mit niedrigem
Druck unter 20 bar, vorzugsweise unter 15 bar bis unter 10
bar, wie etwa 3 bis 8 bar eingeleitet wird und auch die
Fördereinrichtung zum Zuführen des physikalischen Treibmittels
beim erfindungsgemäßen Verfahren nur diesen geringen Druck
aufbringen muß. Auf teure und verschleißanfällige
Hochdruckpumpanlagen für die ansonsten üblichen Drücke weit
über 100 bar kann somit beim erfindungsgemäßen Verfahren
verzichtet werden.
Überraschend zeigt es sich, daß trotz des Einmischens des
Treibmittels in die Mischzone bei relativ niedrigem Druck eine
gute Homogenisierung erfolgt und Folien mit einer
ausgezeichneten Aufschäumung und Feinzelligkeit und glatten
Oberfläche erhalten werden. Erfindungsgemäß wird dies durch
die besonders intensive Mischung von Polymer,
Nukleierungsmittel und physikalischem Treibmittel infolge der
Homogenisierung und Einmischung des Treibmittels mit
gleichsinnig rotierenden Doppelschnecken erreicht.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der
Doppelschneckenextruder mit einer solchen Menge an Polymer
gespeist, daß dieser unterfüttert betrieben wird. Dadurch kann
die Vermischung des Polymers mit dem Nukleierungsmittel und
dem physikalischen Treibmittel intensiviert und somit ein noch
besseres Folienergebnis erzielt werden.
Für das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung können
Doppelschneckenextruder mit Schneckendurchmessern von 40 bis
130 mm, bevorzugt 65 bis 125 mm eingesetzt werden. Die
Einzugs- und Plastifizierzone wird in einer etwa 10 bis 15 D
(D=Schneckendurchmesser des Extruders) entsprechenden Länge
ausgeführt, um ein vollständiges Schmelzen des mit dem
Nukleierungsmittel versehenen Polymers zu gewährleisten. Das
erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht durch die besonders
intensiven Mischungsvorgänge im Doppelschneckenextruder, die
spezielle Mischzone, in der das physikalische Treibmittel in
die Polymerschmelze eingeleitet wird, sehr kurz, nämlich etwa
3 bis 6 D auszuführen und dennoch die besonders feinzellige
Struktur und gute Oberflächenqualität der geschäumten Folie zu
erhalten. An diese Mischzone schließt sich bei einer
Gesamtlänge von etwa 30 bis 42 D des Doppelschneckenextruders
ein genügend langer Abschnitt an, ausgeführt als Kühlzone, um
die schäumfähige Polymerschmelze beim Homogenisieren auf eine
für das Aufschäumen beim Austritt aus dem Extruder bzw. der
Düse geeignete Temperatur zu temperieren.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird
das Polymer in der Einzugs- und Plastifizierzone auf
Temperaturen von 190 bis 220°C erwärmt, wobei es
plastifiziert wird und nachfolgend das physikalische
Treibmittel am Ende dieser Einzugs- und Plastifizierzone in
der Mischzone in die Polymerschmelze zur Bildung eines
schäumfähigen Polymers eingeleitet wird. Die so begaste
Polymerschmelze wird nachfolgend in der Mischzone und Kühlzone
gut durchgemischt, homogenisiert, wobei die beim Durchlaufen
der Kühlzone bis zu ihrem Austritt aus der Düse auf einem
Temperaturniveau gehalten - gekühlt - wird, das eine
Austrittstemperatur der begasten Polymerschmelze aus der Düse
von etwa 175 bis 195°C ermöglicht.
Besonders gute Ergebnisse bei der Herstellung von geschäumten
Folien nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden erzielt,
wenn als Polymer ein Polypropylen mit hoher
Schmelzefestigkeit, üblicherweise als HMS-Polypropylen
bezeichnet, verwendet wird, welches einen MFI (230°C; 2,16)
von 3 bis 7 g/10 min und eine Zugfestigkeit von 30 bis 40 N/mm²
aufweist. Ein derartiges HMS-Polypropylen ist
beispielsweise von der Firma Himont unter der Bezeichnung
Himont PF 814 im Handel erhältlich und beispielsweise in den
US-PS 4,916,198, US-PS 5,047,446 und 5,047,485 beschrieben.
Ein derartiges HMS-Polypropylen kann allein oder in Abmischung
mit weiteren Polyolefinen für die Herstellung geschäumter
Folien gemäß der Erfindung verwendet werden. Derartige
HMS-Polypropylene sind auf Grund ihrer erhöhten Schmelzefestigkeit
schwer zu verarbeiten. Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht eine wirtschaftliche Verarbeitung solcher
HMS-Polypropylene, insbesondere für die Herstellung von steifen,
selbsttragenden Schaumfolien, die nachfolgend auch einer
Thermoverformung unterzogen werden können.
Vorteilhaft werden dem Polymer bereits bei der Zuführung zum
erfindungsgemäßen Doppelschneckenextruder Nukleierungsmittel
beigegeben, um das spätere Aufschäumen zu erleichtern.
Derartige Nukleierungsmittel können anorganische
Nukleierungsmittel wie Talkum, Kieselsäure, Kaolin und/oder
Carbonate und Sulfate, bevorzugt von Erdalkalimetallen, wie
Natriumbicarbonat, Metalloxide, wie Titandioxid,
Antimontrioxid und/oder organische Verbindungen, wie
Zitronensäure sein. Hierbei werden handelsübliche Mischungen
von Natriumbicarbonat und Zitronensäure gerne eingesetzt.
Als physikalische Treibmittel können insbesondere (Iso)Pentan,
(Iso)Butan, Kohlendioxid oder Stickstoff eingesetzt werden,
wobei es auch möglich ist, Mischungen derselben zu verwenden.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene geschäumte
Folie kann in ihren Eigenschaften, wie Feinzelligkeit, Dichte,
Dicke etc. durch den Einsatz von mehreren, insbesondere zwei
verschiedenen Treibmitteln beeinflußt werden. Vorteilhaft
werden diese der Polymerschmelze getrennt und unmittelbar
nacheinander am Ende der Einzugs- und Plastifizierzone des
erfindungsgemäßen Doppelschneckenextruders zugeführt. Es ist
bevorzugt, das Treibmittel bei möglichst geringem Druck
zuzumischen, bevorzugt sind hierbei Drücke unter 12 bar.
Es wurde gefunden, daß bei Einsatz von (Iso)Butan als einzigem
Treibmittel ein sehr feinzelliger gleichmäßiger Schaum
geringer Dichte unter 0,4 g/cm³, vorzugsweise unter 0,32 g/cm³
auch mit einem hohen Aufblasverhältnis bis zu 1 : 3 erhalten
werden kann.
Bei Einsatz von (Iso)Pentan wird insbesondere ein sehr
feinzelliger Schaumstoff höherer Dichten über 0,3 g/cm³ bei
geringem Aufblasverhältnis oder bevorzugt ohne Aufblasen der
extrudierten Folien erhalten.
Bei Einsatz von 100% Kohlendioxid als Treibmittel wird ein
gleichmäßiger feinzelliger Schaumstoff erhalten, dessen feine
Zellen jedoch größer im Mittel sind als die bei Einsatz von
Pentan oder Butan.
Der Einsatz von Kohlendioxid als Treibmittel hat insbesondere
fertigungstechnische Vorteile in bezug auf die Anlagentechnik,
da infolge der Unbrennbarkeit des Kohlendioxids die
Sicherheitsmaßnahmen im Betrieb, die für die leichtbrennbaren
Treibmittel Pentan und Butan erforderlich sind, entfallen
können. Dieses ist ein ganz wesentlicher wirtschaftlicher
Vorteil für die Fabrikationsanlagen.
Nach einem Vorschlag der Erfindung ist es bevorzugt, eine
Abmischung von Butan und Kohlendioxid als Treibmittel
einzusetzen. Bevorzugt werden hierbei mindestens 50 Gew.-%
Butan eingesetzt, wobei die Anteile an Kohlendioxid zwischen
50 bis 10 Gew.-% variieren. Mit solchen Mischungen werden sehr
feinzellige Schaumstoffe bei geringer Dichte mit einem großen
Aufblasverhältnis erhalten, die nicht kollabieren.
Zur Herstellung einer geschäumten Folie wird das schäumfähige
Polymer bevorzugt aus einer ringförmigen Düse extrudiert und
der derart gebildete rohrförmige Schlauch wird nach seinem
Austreten aus der Düse innen- und/oder außenseitig mit
Kühlluft beaufschlagt. Diese Beaufschlagung kann
beispielsweise durch Anblasen erfolgen. Auch ist es möglich,
den rohrförmigen Schlauch mittels entsprechender, an der Düse
angebrachter Kühlringe insbesondere innenseitig mittels
Kontaktkühlung zu kühlen.
Weiterhin kann die aus der ringförmigen Düse austretende
geschäumte Folie zur Längs- und Querversteckung innenseitig
mit Druckluft beaufschlagt werden, so daß die geschäumte Folie
von innen aufgeblasen wird und der Durchmesser des
rohrförmigen Schlauchs vergrößert wird und der rohrförmige
Schlauch gereckt wird. Der derart aufgeblasene Schlauch wird
nachfolgend über einen Kühlring geführt, der mittels
Kontaktkühlung den rohrförmigen Schlauch weiter abkühlt und
diesen in seinem Durchmesser kalibriert.
Der Kühlring wird vorzugsweise von einem Temperiergerät
mittels den Kühlring durchströmenden Wassers auf einer
geeigneten Temperatur gehalten. Das mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren erreichbare Aufblasverhältnis, d. h. das Verhältnis
vom Durchmesser der Austrittsöffnung des Schlauchs aus der
ringförmigen Düse zum Kühlringdurchmesser beträgt etwa 1 : 1 bis
1 : 3, vorzugsweise bis zu 1 : 2,2.
Nachdem der geschäumte Schlauch über den Kühlring geführt
worden ist, ist er so weit abgekühlt, etwa auf Temperaturen
von 140 bis 160°C, daß er zur Bildung einer flachen
Folienbahn entlang seiner Längserstreckung kontinuierlich
aufgeschnitten werden kann. Auch ist es mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren möglich, den Schlauch an zwei,
vorzugsweise einander gegenüberliegenden Bereichen
aufzuschneiden, so daß 2 Folienbahnen gebildet werden. Das
Aufschneiden erfolgt noch in einem soweit erwärmten Zustand
der Folienbahn, der ein nachfolgendes Flachlegen zu einer
ebenen Bahn ohne Wellen ermöglicht.
Die derart gebildeten Folienbahnen werden kontinuierlich von
einer Abzugseinrichtung abgezogen und können entweder
aufgewickelt oder inline einer Weiterverarbeitung, wie einer
Laminierstation oder Tiefziehstation, zugeführt werden.
Insbesondere ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
möglich, die Folienbahnen beim Abziehen in Längsrichtung nach
dem Aufschneiden der Folienbahn nochmals bis um das Vierfache
zu recken, etwa durch eine in geeigneter Weise erhöhte
Abzugsgeschwindigkeit. Durch diese Reckung kann die Oberfläche
der geschäumten Folienbahn weiter verbessert werden und
Faltenbildung vermieden werden. Insbesondere zeichnet sich die
erfindungsgemäß hergestellte geschäumte Polypropylenfolie
durch einen angenehmen körperfreundlichen Griff aus, d. h.
einen hohen Berührungskomfort durch Glätte und Weichheit.
Derartige geschäumte Folien nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren weisen vorteilhaft Dichten von etwa 0,2 bis 0,5 g/cm³,
vorzugsweise etwa 0,25 bis 0,4 g/cm³ auf, bestehen aus
überwiegend geschlossenen, feinen und gleichmäßigen Zellen mit
einem durchschnittlichen Zelldurchmesser von 0,05 bis 0,35 mm
und sind in Dicken von etwa 0,1 bis 10 mm herstellbar. Auf
Grund der eingesetzten HMS-Polypropylene erhält man steife,
selbsttragende geschäumte Folien, die gegenüber kompakten
Folien aus dem gleichen Material den Vorteil des geringeren
Flächengewichtes, des höheren Komforts sowie
Isoliereigenschaften in bezug auf Kälte/Wärme aufweisen.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte
geschäumte Folie eignet sich hervorragend zur
Weiterverarbeitung durch Thermoformen, so ist sie z. B. zum
Tiefziehen von Lebensmittelverpackungen, wie Fleischschalen,
Eisbechern, etc. geeignet. Die nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellte geschäumte Folie, etwa aus HMS-Poly
propylen, kann unmittelbar mit einer geeigneten
funktionalen Schicht, etwa einer ein- oder mehrschichtigen
kompakten, d. h. ungeschäumten Folie, ein- oder beidseitig
laminiert werden. Eine derartige kompakte Folie kann dann
beispielsweise eine Schicht, die gas- und flüssigkeitsdicht
ist, etwa eine EVOH-Schicht für Lebensmittelverpackungen
aufweisen. Des weiteren ist die erfindungsgemäß geschäumte
Polypropylenfolie für den Einsatz in Schichtstoffen mit
Isoliereigenschaften, Verkleidungsteilen im Kfz-Bau und
Bauwesen hervorragend geeignet.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird
überdies vorgeschlagen, daß die begaste schäumfähige
Polymerschmelze innerhalb der ringförmigen Düse vor dem
Austritt aus der Düse mit mindestens einem kompakten Material
beschichtet wird. Auf diese Weise ist es möglich, gänzlich auf
ein Laminieren der geschäumten Folienbahn nach deren Bildung
zu verzichten, wodurch ein Verfahrensschritt eingespart und
das Verfahren vereinfacht wird. Überdies ist es bei einer im
Innern der ringförmigen Düse erfolgenden Beschichtung möglich,
verschiedene Beschichtungsvarianten schnell umzustellen, da
keine speziell aufgebaute Laminierfolie bereitgestellt werden
muß.
Weiterhin bietet der erfindungsgemäße Doppelschneckenextruder
bei der Extrusion von geschäumten Folien aus einem Polymer,
enthaltend Propylen, eine besonders hohe Leistung, die ab
einem Schneckendurchmesser von 65 mm schon bei 130 kg/h bei
Schneckendurchmessern über 120 mm sogar über 800 kg/h liegt.
Ein bevorzugter Leistungsbereich liegt etwa bei 250 bis 350 kg/h,
wenn Doppelschneckenextruder mit einem
Schneckendurchmesser D im Bereich von 80 bis 90 mm eingesetzt
werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines
Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens in schematisierter Darstellung.
Fig. 2 eine Seitenansicht des Doppelschneckenextruders in
vergrößerter Darstellung gemäß Fig. 1.
Wie in der Fig. 1 dargestellt, umfaßt die Vorrichtung zur
Herstellung geschäumter Folien aus Polypropylen einen
Doppelschneckenextruder 1 mit einem Zylinder mit
innenliegenden gleichen und gleichsinnig rotierenden
parallelen Schnecken, an dessen Austrittsende eine bevorzugt
ringförmige Düse 12 befestigt ist. Der Doppelschneckenextruder
1 wird von dem Antrieb 2 angetrieben.
Das zur Herstellung der geschäumten Folie verwendete Polymer,
beispielsweise ein HMS-Polypropylen, wird aus einem Silo 13
über eine Förderleitung E2 zu einer Dosiervorrichtung 3
gefördert, in der es mit dem Nukleierungsmittel und ggf.
weiteren Additiven vermischt wird. Von der Dosiervorrichtung 3
gelangt dieses Gemisch über die Einzugsöffnung 11 im Zylinder
in den Doppelschneckenextruder 1.
Wie auch aus der Fig. 2 ersichtlich, erstreckt sich von der
Einzugsöffnung 11 des Doppelschneckenextruders eine Einzugs-
und Plastifizierzone in Arbeitsrichtung A des
Doppelschneckenextruders 1, die eine Länge L1 von etwa 10 bis
15 D aufweist. In dieser Einzugs- und Plastifizierzone wird
das Polymer auf Temperaturen von etwa 190 bis 210°C erwärmt
und aufgeschmolzen und ist am Ende der Einzugs- und
Plastfizierzone vollständig plastifiziert.
Am Ende der Einzugs- und Plastifizierzone wird das
physikalische Treibmittel, welches von einer Fördereinrichtung
4 über eine Leitung El zugeführt wird, über eine Öffnung 10 im
Zylinder des Doppelschneckenextruders 1 in die Polymerschmelze
eingeleitet. Die derart begaste Polymerschmelze wird
nachfolgend in der sich an die Öffnung 10 anschließende
Mischzone M des Doppelschneckenextruders, die eine Länge von
etwa 3 bis 6 D aufweist, von den gleichsinnig rotierenden
Schnecken des Doppelschneckenextruders 1 intensiv
durchgemischt, so daß eine schäumfähige Polymerschmelze mit
besonders gleichmäßiger und feiner Verteilung des Treibmittels
erhalten wird.
In der sich an die Mischzone M anschließenden Kühlzone K des
Doppelschneckenextruders 1 wird die schäumfähige Schmelze
weiter homogenisiert und gemischt, wobei sie jedoch auf eine
für das Austreten aus der Düse geeignete Temperatur durch
entsprechende Kühlung des Zylinders der Doppelschnecke in der
Kühlzone temperiert wird, d. h. auf eine Temperatur von etwa
175 bis 195°C bei ihrem Austritt aus der ringförmigen Düse 12.
Die Gesamtlänge L des Doppelschneckenextruders beträgt
vorzugsweise 30 bis 42 D, wobei D im Bereich von 50 bis 100 mm
bevorzugt gewählt ist.
Die schäumfähige Schmelze tritt aus der ringförmigen Düse 12
als rohrförmiger Schlauch S aus und wird außenseitig von einem
Kühlring 5 durch Anblasen mittels Kühlluft von
Umgebungstemperatur ca. 14-16°C gekühlt.
Gleichzeitig wird der Schlauch S von der gemäß Pfeil B
herangeführten und entgegen der Austrittsrichtung des
Schlauches S in dessen Innenraum eingeblasenen Druckluft
aufgeblasen, d. h. sein Durchmesser vergrößert sich.
Nachfolgend wird der Schlauch S mit seinem vergrößerten
Durchmesser über einen Kühldorn 6 gezogen. Der Kühldorn 6 wird
über ein Temperiergerät mit einem Kühlmedium durchströmt, so
daß der Schlauch S eine weitere innenseitige Abkühlung durch
Kontakt mit dem Kühldorn 6 erfährt. Das Aufblasverhältnis,
d. h. der Durchmesser der Austrittsöffnung des Schlauches S aus
der ringförmigen Düse 12 zu dem des Kühldorns 6, beträgt etwa
1 : 1 bis 1 : 3.
Nach der weiteren Abkühlung des Schlauches S an den
Außenflächen des Kühlringes 6 weist der Schlauch S eine
Temperatur von etwa 135 bis 160°C auf und ist so verfestigt,
daß er von einer Schneideinrichtung 8, beispielsweise Messern,
an zwei gegenüberliegenden Bereichen in Längsrichtung
aufgeschnitten werden kann. Dabei bilden sich aus dem Schlauch
S zwei Folienbahnen 9a, b, die infolge ihrer Wärme nachfolgend
problemlos flachgelegt und von einer mehrere Abzugsrollen
enthaltenden Abzugseinrichtung 7 abgezogen werden. Von dort
können die flachgelegten Folienbahnen in nicht dargestellter
Weise entweder aufgewickelt oder inline einer
Weiterverarbeitungsvorrichtung, wie einer Laminiereinrichtung
zum Beschichten der geschäumten Folie mit einer Kompaktfolie
oder einer Tiefziehstation, zugeführt werden.
Durch geeignete Wahl der Abzugsgeschwindigkeit der
Abzugseinrichtung 7 ist es überdies möglich, die noch nicht
erstarrten noch auf einer Temperatur von 135 bis 160°C
befindlichen Folienbahnen 9a, b in Längserstreckung bis um das
Vierfache, d. h. im Verhältnis 1 : 1 bis 1 : 4 zu recken.
Zur Herstellung von geschäumten Folien, die mit einer
kompakten Folie beschichtet sein sollen, wie es etwa für
Lebensmittelverpackungen erforderlich sein kann, kann überdies
die ringförmige Düse 12 als Koextrusionsdüse ausgeführt sein,
um bereits die begaste Polymerschmelze vor ihrem Austritt aus
der Düse 12 mit mindestens einem kompakten Material zu
beschichten, wobei für die Zuführung jedes kompakten Materials
vorteilhaft jeweils ein weiterer, sogenannter Co-Extruder
verwendet wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung ist es
möglich, geschäumte Folien auf Basis von Polypropylen,
insbesondere enthaltend HMS-Polypropylen, herzustellen, die
über eine besonders gleichmäßige und feinzellige Struktur
verfügen und sehr gut thermoverformbar sind, was nachfolgend
an einem Beispiel ersichtlich ist.
Ein Doppelschneckenextruder mit zwei gleichen und gleichsinnig
rotierenden parallelen Schnecken von je 85 mm Durchmesser (D)
wurde bei einer Schneckendrehzahl von 47 min-1 mit einem
HMS-Polypropylen (Himont PF 814) in einem Anteil von 98,6 Gew.-%
vermischt mit 0,8 Gew.-% Talkum und 0,4 Gew.-% Hydrocerol® der
Firma Boehringer Ingelheim KG (Natriumbicarbonat und
Zitronensäure), aus einer Dosiervorrichtung mit etwa 250 kg/h
gespeist.
Innerhalb der 15 D langen und auf 220-240°C beheizten Einzugs-
und Plastifizierzone wurde das Polymer vollständig
plastifiziert. Am Ende dieser Einzugs- und Plastifizierzone
wurden 0,2 Gew.-% Butan als physikalisches Treibmittel mit
einem Druck von 7 bar in die Polymerschmelze eingeleitet und
diese begaste Polymerschmelze in der 4 D langen Mischzone
gemischt.
Nachfolgend wurde die begaste Polymerschmelze beim weiteren
Durchmischen auf eine Austrittstemperatur von etwa 190°C in
der 14 D langen Kühlzone bis zum Austritt aus der Düse
temperiert. Der aus der Düse durch eine ringförmige
Austrittsöffnung von 220 mm Durchmesser austretende
aufschäumende Schlauch wurde im Verhältnis 1 : 2,2 aufgeblasen
mit Druckluft von 15°C und nachfolgend über einen von einem
auf 140°C eingestellten Temperiergerät geregelten Kühldorn mit
einem Durchmesser von 488 mm gezogen, wobei der Schlauch beim
Aufblasen außenseitig mittels Kühlluft von 15°C beaufschlagt
wurde. Nach erfolgter Abkühlung auf eine Temperatur von etwa
140 bis 150°C wurde der Schlauch aus geschäumtem
HMS-Polypropylen zu Folienbahnen aufgeschnitten, die
kontinuierlich mit einer Abzugsgeschwindigkeit von 5,4 m/min.
flach und eben gelegt wurden, und die folgende Eigenschaften
aufwiesen:
Dicke der Folie|2100 µm | |
Dichte der Folie | 0,39 g/cm³ |
durchschnittlicher Zellendurchmesser | 0,08 mm |
Insgesamt wurde die extrudierte Schaumfolie dabei in
Längserstreckung um das Zweifache verstreckt.
Diese Folie besaß eine sehr glatte Oberfläche, die ein
einfaches Bedrucken ermöglichte, und ausgezeichnete
Tiefzieheigenschaften.
Claims (22)
1. Verfahren zur Herstellung von geschäumten Folien aus einem
Polymer, enthaltend Propylen, welches mit einem
physikalischen Treibmittel und einem Nukleierungsmittel zu
einem schäumfähigen Polymer vermischt wird und das Polymer
zusammen mit dem Nukleierungsmittel und ggf. weiteren
Additiven in einem Extruder mit einer Einzugs- und
Plastifizierzone, Mischzone und Kühlzone und mit
Austrittsdüse erwärmt und aufgeschmolzen wird, und der
Polymerschmelze das Treibmittel unter Druck zugegeben und
nachfolgend die begaste Polymerschmelze auf eine zum
Aufschäumen geeignete Temperatur gekühlt wird und danach
unter Aufschäumen aus der Düse gegebenenfalls als Schlauch
austritt, und nachfolgend innenseitig und außenseitig
gekühlt wird und anschließend der Schlauch in
Längsrichtung zur Bildung einer flachen Folie
aufgeschnitten und abgezogen und ggf. aufgewickelt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen des Polymers,
Mischen der Polymerschmelze mit dem physikalischen
Treibmittel und Kühlen der so erhaltenen begasten
schäumfähigen Polymerschmelze in einem
Doppelschneckenextruder einer Länge von 30 bis 42 D
(D = Schneckendurchmesser) mit gleichen und gleichsinnig
rotierenden parallelen Schnecken durchgeführt wird und das
physikalische Treibmittel mit einem Druck kleiner 20 bar
am Ende der etwa 10 bis 15 D langen Einzugs- und
Plastifizierzone des Doppelschneckenextruders in das
aufgeschmolzene (plastifizierte) Polymer geleitet wird und
in der, sich an die Einzugs- und Plastifizierzone
anschließenden Mischzone mit einer 3 bis 6 D
entsprechenden Länge des Doppelschneckenextruders mit dem
aufgeschmolzenen Polymer zu einer schäumfähigen
Polymerschmelze homogenisiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Doppelschneckenextruder mit einer solchen Menge an Polymer
gespeist wird, daß dieser unterfüttert betrieben wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß als Polymer enthaltend Propylen ein
HMS-Polypropylen mit einem MFI (230°C; 2,16) von 3 bis
7 g/10 min und einer Zugfestigkeit von 30 bis 40 N/mm²
allein oder in Abmischung mit einem oder mehreren
Polyolefinen eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß als physikalisches Treibmittel
(Iso)Pentan, (Iso)Butan, Kohlendioxid oder Stickstoff oder
Mischungen hiervon eingesetzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei
Einsatz von zwei oder mehr verschiedenen Treibmitteln
diese der Polymerschmelze getrennt und unmittelbar
nacheinander zugeführt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als
Treibmittel (Iso)Butan und Kohlendioxid zugeführt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß als Nukleierungsmittel Talkum,
Zitronensäure, Natriumbicarbonat, Siliziumdioxid,
Titandioxid oder Abmischungen hiervon eingesetzt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß Schaumfolien einer Dichte von 0,2 bis
0,5 g/cm³, vorzugsweise 0,25 bis 0,4 g/cm³ hergestellt
werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß Schaumfolien mit überwiegend
geschlossenen, feinen und gleichmäßigen Zellen mit einem
durchschnittlichen Zellendurchmesser von 0,05 bis 0,35 mm
hergestellt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß Schaumfolien einer Dicke von 0,1 bis
10 mm hergestellt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen des Polymers in der
Einzugs- und Plastifizierzone des Doppelschneckenextruders
bei Temperaturen des Polymers von 190 bis 220°C erfolgt
und die Polymerschmelze nach Zugabe des Treibmittels beim
Durchlaufen der Kühlzone maximal auf diesem
Temperaturniveau gehalten wird und die begaste
schäumfähige Polymerschmelze mit einer Temperatur von 175
bis 195°C aus der ringförmigen Düse austritt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß der aus der ringförmigen Düse
austretende Schlauch innen- und/oder außenseitig mit
Kühlluft und innen mit Druck beaufschlagt wird, um ein
Aufblasverhältnis von 1 : 1 bis 1 : 3, vorzugsweise bis 1 : 2,2
zu erzielen und nach dem Aufblasen der Schlauch
innenseitig mittels eines Kühldorns kalibriert und
kontaktgekühlt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß der aus der Düse austretende
rohrförmige Schlauch unmittelbar anschließend
innen- und/oder außenseitig über einen Kühlring zur
Kontaktkühlung geführt ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der rohrförmige Schlauch beim Abziehen
von der Düse in Längserstreckung bis um den Faktor 4
gereckt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die begaste schäumfähige
Polymerschmelze innerhalb der ringförmigen Düse vor
Austritt aus der Düse mit mindestens einem kompakten
(nicht geschäumten) Material beschichtet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schlauch auf eine Temperatur von
135 bis 155°C gekühlt und in diesem Zustand aufgeschnitten
und flachgelegt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß nach dem Aufschneiden des Schlauches
die flachgelegte Folienbahn mit einer ein- oder
mehrschichtigen kompakten Folie ein- oder beidseitig
laminiert wird.
18. Vorrichtung zur Herstellung von geschäumten Folien aus
einem Polymer, enthaltend Propylen, welches mit einem
physikalischen Treibmittel und einem Nukleierungsmittel zu
einem schäumfähigen Polymer vermischt wird, enthaltend
einen Extruder mit einer Einzugs- und Plastifizierzone,
Mischzone und Kühlzone, in dem das Polymer zusammen mit
dem Nukleierungsmittel und ggf. weiteren Additiven
aufgeschmolzen wird und der Polymerschmelze das
Treibmittel unter Druck zugegeben und nachfolgend die
begaste Polymerschmelze auf eine zum Aufschäumen geeignete
Temperatur gekühlt wird, eine Fördereinrichtung zum
Zuführen des physikalische Treibmittels in den Extruder,
eine ringförmige Düse, die am Austrittsende des Extruders
angeordnet ist, um die schäumfähige Polymerschmelze zu
einem aufgeschäumten rohrförmigen Schlauch zu formen,
mindestens einen Kühldorn, über den der aufgeschäumte
rohrförmige Schlauch gezogen wird und mittels Anblasen mit
Kühlluft gekühlt wird, eine Schneideinrichtung zum
Aufschneiden des Schlauchs in Längsrichtung zur Bildung
einer geschäumten Folienbahn und eine Abzugseinrichtung
zum Abziehen und ggf. Aufwickeln der geschäumten Folie,
dadurch gekennzeichnet, daß als Extruder zum Aufschmelzen
des Polymers, Mischen der Polymerschmelze mit dem
physikalischen Treibmittel und Kühlen der so erhaltenen
schäumfähigen Polymerschmelze ein Doppelschneckenextruder
einer Länge von 30 bis 42 D mit gleichen und gleichsinnig
rotierenden parallelen Schnecken vorgesehen ist und das
physikalische Treibmittel von der Fördereinrichtung mit
einem Druck kleiner 20 bar am Ende der etwa 10 bis 15 D
langen Einzugs- und Plastifizierzone des
Doppelschneckenextruders in das aufgeschmolzene
(plastifizierte) Polymer einleitbar ist und in der, sich
an die Einzugs- und Plastifizierzone anschließenden
Mischzone mit einer 3 bis 6 D entsprechenden Länge des
Doppelschneckenextruders mit dem aufgeschmolzenen Polymer
zu einer schäumfähigen Polymerschmelze vermischbar ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß
als ringförmige Düse eine Koextrusionsdüse zum Beschichten
der begasten Polymerschmelze innerhalb der Düse mit
mindestens einem kompakten (nicht geschäumten) Material
vorgesehen ist, wobei für die Zuführung jedes kompakten
Materials in die Koextrusionsdüse jeweils ein weiterer
Extruder vorgesehen ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch
gekennzeichnet, daß eine ringförmige Düse mit einem daran
außen- und/oder innenseitig angeordneten Kühlring zwecks
Kontaktkühlung des aus der ringförmigen Düse austretenden
rohrförmigen Schlauchs vorgesehen ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Doppelschneckenextruder mit einer
Länge (L) von 30 bis 42 D mit einer Einzugs- und
Plastifizierzone einer Länge von 10 bis 15 D und einer
Mischzone mit einer Länge von 3 bis 6 D und einer Kühlzone
mit einer Länge von 24 bis 10 D für die Verarbeitung von
Polypropylen mit hoher Schmelzefestigkeit mit einem MFI
(230°C; 2,16) von 3 bis 7 g/10 min und einer
Zugfestigkeit von 30 bis 40 N/mm² zu Schaumfolien mit
einer Dichte von 0,2 bis 0,5 g/cm³ und einer Dicke von 0,1
bis 10 mm vorgesehen ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch
gekennzeichnet, daß im Übergangsbereich von der Einzugs-
und Plastifizierzone zur Mischzone zwei
Zuführeinrichtungen jeweils mit einem Förderdruck unter 20 bar
für Treibmittel vorgesehen sind.
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VDI-Buch "Kunststofftechnik-Schäume aus der thermoplastischen Schmelze", S.1-7, VDI-Verlag Düsseldorf 1981 * |
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