DE19744515A1 - Verfahren zur Herstellung eines endlos extrudierten Profilstranges durch Coextrusion unterschiedlicher Materialien und Extrusionsvorrichtung - Google Patents

Description

Extrusionsvorrichtungen zur Herstellung von Endlos-Profilen sind immer dann anwendbar, wenn die umzuformenden Materialien, ggf. mittels Erwärmung, fließfähig gemacht werden können. Das Extrudieren unterscheidet sich vom verfahrenstechnisch ähnli­ chen Spritzgießen dadurch, daß Teile kontinuierlich gefertigt werden können. Typische Herstellprodukte sind Halbzeuge wie Vollstäbe, Rohre, Schläuche, Tafeln und andere Profile, gewellte Platten, Drahtummantelungen, Maschennetze sowie viele Hohlkörper-Fertigteile.

Beim Extrudieren von thermoplastischen Kunststoffen wird ein rieselfähiges Pulver oder Granulat in den Extruder aufgegeben, mit Stabilisatoren, Gleitmitteln sowie Farb- oder Füllstoffen versetzt und anschließend mittels einer Schnecke zu einem pro­ filgebenden Extrusionswerkzeug gefördert, wobei die Materialien verdichtet, entgast und unter gleichzeitigem Mischen und Kneten homogenisiert werden. Die homogene fließfähige Mischung, die Formmasse, wird hierbei auf einer Temperatur gehalten bzw. erwärmt, deren untere Grenze durch die Plastifizierung und damit die Verformbarkeit des Materials und deren obere Grenze durch die Zersetzung des Materials bestimmt ist. In entspre­ chender Weise wird tafelförmiges Halbzeug durch Breitschlitzdü­ sen mit nachfolgendem Durchlaufen eines Glättwalzwerks herge­ stellt.

Zur Herstellung von Hohlkörpern wird das sogenannte Extrusions­ blasen angewendet, bei dem in einem ersten Schritt von dem Extruder ein Schlauchstück gefertigt und in ein zweiteiliges Werkzeug geführt wird, das nach Einführen des Materials geschlossen wird, wobei die überstehenden Schlauchenden abge­ quetscht werden und die Schnittkanten anschließend verschweißt werden. Durch eine Hohlnadel wird Druckluft in den noch heißen und formbaren Schlauchabschnitt geblasen, womit der Schlauch aufgeweitet und an die gekühlte Werkzeugwandung gepreßt wird, wo der Kunststoff abkühlt und erstarrt. Nach Öffnen des Werkzeugs kann der fertige Hohlkörper ausgeworfen werden.

Folien aus thermoplastischen Kunststoffen werden mittels des sogenannten Folienblasens hergestellt. In diesem Falle ist einem Extruder ein Blaskopf nachgeschaltet, in dem ein formba­ rer Kunststoffschlauch erzeugt wird, der durch Druckluft zu einem dünnwandigen Foliensack aufgebläht wird. Beim Aufblähen erstarrt die Kunststoffmasse. Der Foliensack kann fortlaufend abgezogen und aufgewickelt werden.

Die vorbeschriebenen Urform-Verfahren bereiten dann keine Schwierigkeiten, wenn nur ein Kunststoffmaterial verarbeitet werden soll. Es ist darüberhinaus auch grundsätzlich möglich, durch Coextrusion unterschiedliche Materialien bei einer vor­ eingestellten Temperatur zu Verbundprofilen zu verarbeiten, die z. B. für Dichtungszwecke verwendet werden. In Verbundprofilen können vorteilhafterweise die Eigenschaften der verschiedenen Materialkomponenten in dem hergestellten Stück vereint werden. So lange die gemeinsam zu extrudierenden Ausgangsstoffe bei einer gleichen Temperatur durch Formen verarbeitungsfähig sind, können somit die bekannten Extrusionsverfahren ohne Einschrän­ kung angewendet werden. Diese Voraussetzung ist jedoch nicht immer erfüllt, insbesondere beispielsweise dann nicht, wenn Materialien verarbeitet werden sollen, die unterschiedliche Formgebungstemperaturen erfordern. Dies gilt beispielsweise für die Kombination von Kautschuk bzw. Gummi mit anderen thermopla­ stischen Elastomeren (TPE), die hinsichtlich der kombinierbaren Eigenschaften besonders erstrebenswert erscheint.

Unter thermoplastischen Elastomeren sollen synthetische Polymere verstanden werden, (makromolekulare Stoffe), die sich reversibel mindestens auf das Doppelte bis Mehrfache ihrer Aus­ gangslänge dehnen lassen und eine hohe Zugfestigkeit und eine gute Rückprallelastizität besitzen. Viele synthetische thermoplastische Kunststoffe besitzen wünschbare Eigenschaften wie eine hohe Beständigkeit gegen aggressive Umgebungseinflüsse, Farbechtheit und ähnliches und können als verarbeitungsfähige Rohstoffe mit genau definierten bzw. ein­ stellbaren Eigenschaften industriell hergestellt werden. Nach­ teilig ist bei einigen thermoplastischen Kunststoffen ihre ein­ geschränktes Elastizitäts-Verhalten, insbesondere bei wechseln­ der Umgebungstemperatur. Unterschiedliche Elastizitäten bei wechselnden Temperaturen schränken jedoch die Anwendungsmög­ lichkeiten stark ein.

Unter Gummi wird primär der aus dem natürlichen Rohstoff Kautschuk hergestellte Werkstoff verstanden. Der Naturkautschuk ist in reiner Form zunächst ein plastisches Produkt, das jedoch bei längerem Lagern durch Kristallisation und Quervernetzung der linearen Makromoleküle verhärtet und spröde wird. Um den Kautschuk die wertvollen Eigenschaften des Gummis, nämlich eine Elastizität und Widerstandsfähigkeit gegen atmosphärische und chemische Einflüsse sowie gegen mechanische Beanspruchung zu verleihen, bedarf es der Vulkanisation, bei der der Kautschuk durch Erhitzen und Kneten in Gegenwart von Luftsauerstoff in eine plastische Form gebracht wird und anschließend mit Schwe­ fel und Füllstoffen wie beispielsweise Ruß- und Zinkoxid sowie den verschiedenartigsten Vulkanisationshilfmitteln und Stabili­ satoren vermengt wird. Durch Pressen dieser Mischung und Erhit­ zen auf etwa 160°C bis 180°C (Heißvulkanisation) erfolgt eine Vernetzung der langgestreckten Kautschukmoleküle durch Schwe­ felbrücken.

Dem vorbeschriebenen, aus Naturkautschuk hergestellten Gummi ähnlich sind synthetische Elastomere, die durch Polymerisation von Olefinen oder Vinylderivaten hergestellt werden, wozu die Copolymerisate von Acrylsäureethylester mit Acrylnitril sowie Kombinationen von Ethylen mit Propylen und Dicyclopentadien (EPDM) gehören. Das EPDM beispielsweise verfügt über eine besonders hohe Elastizität und elastische Verformungsfähigkeit sowie UV-Beständigkeit, welche die Verwendung z. B. für Dich­ tungsprofile besonders geeignet machen. Die vorbeschriebenen Eigenschaften sind weitgehend temperaturunabhängig.

Nachteilig bei künstlichen wie synthetischen Gummisorten sind die beschränkte Farbgebungsmöglichkeit sowie das bisweilige Auftreten von optischen Mängeln (Ausblühungen etc.) und die Geruchsbildung bis hin zu möglichen gesundheitlichen Beein­ trächtigungen durch Ausgasen von flüchtigen Bestandteilen über längere Zeiträume. Mit der Verbindung verschiedener Grundsub­ stanzen in einem Produkt können deren positiven Eigenschaften kombiniert bzw. die negativen Eigenschaften kompensiert werden. Der gemeinsamen Extrusion unterschiedlicher Materialien zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes in einem Arbeitsgang ste­ hen jedoch nach dem Stand der Technik die unterschiedlichen Verarbeitungsbedingungen der Materialien entgegen. So muß bei­ spielsweise zur Vermeidung einer vorzeitigen Vulkanisation oder auch einer beginnenden Vernetzung in den Fließkanälen des Extrusionskopfes das Kautschukmaterial möglichst bei Temperatu­ ren von 100°C bis 120°C extrudiert werden. Andererseits müssen viele thermoplastische Kunststoffe zur Extrusion bei Temperatu­ ren oberhalb des Schmelzpunktes, d. h. bei 200°C bis 250°C fließfähig gehalten werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, womit es möglich ist, unter­ schiedliche Materialien, die bei unterschiedlichen Temperaturen umformbar sind, gemeinsam extrudieren zu können, um ein Ver­ bundwerkstoff herzustellen.

Diese Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch die Maßnahmen nach Anspruch 1 gelöst, wonach erfindungsgemäß die unterschiedlichen Materialien über separate, jeweils getrennt temperierbare und thermisch gegeneinander isolierte Kanäle einem Extrusionswerk­ zeug zugeführt werden, in dem die unterschiedlichen Materialien, vorzugsweise unter Druck, zusammengeführt und extrudiert werden. Je nach benötigter Temperatur zur Aufrechterhaltung der Fließfähigkeit werden die unter­ schiedlichen Kanäle beheizt und/oder gekühlt, so daß jedes ein­ zelne Ausgangsmaterial individuell auf der gewünschten Tempera­ tur gehalten wird. Mit anderen Worten, die Temperaturzonen der einzelnen Kanäle werden im Zuführbereich getrennt. Erst kurz vor Erreichen des Profilwerkzeuges werden die Materialkomponen­ ten zusammengeführt.

Weitere Ausgestaltung der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 beschrieben.

Es ist nach dem Stand der Technik bekannt, Verbundkörper aus elastischem Kunststoff-Material mit Stützkörpern, z. B. biegsa­ men Stahleinlagen herzustellen. Dies kann beispielsweise im Rahmen des erfindungsgemäßem Verfahrens dadurch geschehen, daß dem Extrusionskörper über mindestens einen weiteren vorzugs­ weise temperaturisolierten Kanal Festkörper zugeführt werden, die zusammen mit den zusammengeführten Materialien extrudiert werden. Solche Stützkörper können beispielsweise Stahleinlagen sein, die von den fließfähigen coextrudierten Materialien um­ spritzt werden. Nach dem Austritt aus dem Extrusionswerkzeug können dann - je nach Biegefähigkeit - die Stahleinlagen plastisch verformt werden, um beispielsweise Eckprofile für Blechkantenteile herzustellen. Betreffende Stützkörper können auch vorfertigte Kunststoffteile sein, die entsprechend gewünschte mechanische Eigenschaften im Gegensatz zu dem biege­ schlaffen Material, mit dem sie umspritzt werden, aufweisen.

Alternativ ist es mit der vorliegenden Erfindung auch möglich, die Stützkörper erst durch entsprechende Formwerkzeuge zusammen in einem Arbeitsgang mit dem Verbundmaterial urzuformen. Hier­ bei wird ein pulver- oder granulatförmiges Ausgangsmaterial in entsprechender Weise gemischt, zu einem fließfähigen Stoff homogenisiert und verdichtet, der dann zusammen mit den übrigen Stoffen entweder bereits kurz vor Erreichen des zur Coextrusion verwendeten profilgebenden Werkzeuges bereits in ausgehärteter Form zugeführt und umspritzt wird oder noch in fließfähiger Form über entsprechend temperierte Kanäle das profilgebende Extrusionswerkzeug erreicht und zusammen extrudiert wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, daß die bisher verwendeten Stahl­ einlagen, deren separate Fertigung und deren taktweise Zufüh­ rung entfallen können, da sich sowohl der gewünschte Verbund­ körper als auch die Stützkörper koextrudieren lassen.

Vorzugsweise werden Gummi (hergestellt aus natürlichem und syn­ thetischem Kautschuk) und dem Gummi ähnliche elastische Kunst­ stoffe mit beliebigen thermoplastischen Elastomeren, ggf. kom­ biniert mit Verstärkungseinlagen, coextrudiert.

Die materialabgestimmte Temperierung der getrennten Kanäle, von denen je nach Werkstoffkombination mindestens zwei vorliegen, erfolgt vorzugsweise durch elektrische Heizungen, insbesondere Widerstandsheizungen, oder durch Umspülen mit flüssigen Stof­ fen, wie Thermoöl. In entsprechender Weise können die Zuführka­ näle auch durch Umspülen mit Kühlflüssigkeit, im einfachsten Fall mit Wasser, gekühlt werden. Dies schließt mit ein, daß ein einheitlicher Extrusionskopf aus einem Metallwerkstoff verwen­ det wird, in dem entsprechende Kanäle angeordnet sind. Soll z. B. einer der Kanäle auf eine Temperatur von 250°C geheizt werden, z. B. über in Bohrungen eingesteckte Widerstands-Heizpa­ tronen, und soll der zweite Kanal eine Temperatur von 120°C erhalten, so kann die durch Wärmeleitung und Abstrahlung der durch die Widerstandspatronen erzeugten Wärme bestehende Tempe­ ratur im zweiten Kanal dadurch gesenkt werden, daß der betref­ fende Kanal mit einer Kühlflüssigkeit umspült und thermisch getrennt wird.

Es können 2 oder mehr unterschiedliche Materialien coextrudiert werden; ebenso können - mit oder ohne Stützkörper - aufschäum­ bare und nicht aufschäumbare Kautschuke verwendet werden.

Die Aufgabe wird vorrichtungstechnisch durch die Extrusionsvor­ richtung nach Anspruch 8 gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens zwei voneinander getrennte, mit jeweils einem separaten Extruder verbundene, getrennt tem­ perierbare Kanäle in ein Extrusionswerkzeug münden, vorzugs­ weise, in Fließrichtung gesehen, unmittelbar vor einer Profil­ scheibe.

Weiterbildungen dieser Extrusionsvorrichtung sind in den Ansprüchen 7 bis 10 beschrieben.

Zum Aufbau und den Vorteilen der Extrusionsvorrichtung wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. Die Fließkanäle beste­ hen vorzugsweise jeder für sich getrennt aus einer im Gehäuse­ teil eines Coextrusionskopfes befindlichen Bohrung und einem in den Außenmantel eines als Pinole ausgebildeten Innenteil des Kopfes eingearbeiteten Innenkanal. In unmittelbarer Nähe der Innenkanäle sind sowohl im Gehäuseteil als auch in die Pinole Bohrungen zur Aufnahme von Heizelementen bzw. zur Führung von Flüssigmedien zur Heizung oder Kühlung eingebracht. Zur thermi­ schen Trennung der unterschiedlichen Temperaturzonen voneinan­ der können zusätzlich eine Anzahl in der Pinole zwischen den Temperaturzonen befindliche Hohlräume vorhanden sein, durch die der Wärmeleitwiderstand zwischen den unterschiedlichen Tempera­ turzonen erhöht und der Wärmefluß und der Temperaturausgleich gemindert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Extrusionsvorrichtung in schematischer Darstellung und

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Extrusionskopfes mit Extrusionswerkzeug.

Zwei (oder mehr) im Prinzip nach dem Stand der Technik bekannte Extruder 1 und 2 dienen zur Verarbeitung unterschiedlicher Aus­ gangsmaterialien, die zu einem Verbundwerkstoff coextrudiert werden. Die fließfähigen homogenisierten und verdichten Stoffe gelangen über Kanäle 11 und 12 eines Extrusionskopfes 4 in ein gemeinsames Mittelteil 10, das mit einem schematisch darge­ stellten Extrusionswerkzeug 3 verbunden ist. Die Kanäle 11 und 12 werden erst unmittelbar vor dem profilgebenden Werkzeug 13 derart zusammengeführt daß die unterschiedlichen Ausgangsmate­ rialien gemeinsam durch das Werkzeug 13 gepreßt und zu einem Strangprofil 6 verarbeitet werden. Zur Temperierung des Kanals 12 im Mittelteil 10 dient ein Widerstandsheizelement 9, das die Fließfähigkeit des aus dem Extruder 2 kommenden Materialstroms aufrechterhält. Andererseits wird die wesentlich geringere Tem­ peratur im Kanal 11 dadurch eingestellt, daß eine Flüssigtempe­ rierkammer 7 mit entsprechender Kühlflüssigkeit gespült wird. Eine aus einer Bohrung 8 bestehende Isolationskammer hemmt zudem die Wärmeleitung in Richtung des Kanals 11. Auf diese Weise kann z. B. in dem Zuführkanal 12 eine Temperatur von 250°C und im Kanal 11 eine Temperatur von 120°C aufrechterhalten wer­ den. Zusätzlich werden Verstärkungseinlagen 5 über eine nicht dargestellte Bohrung derart in den Extrusionskopf eingeführt, daß diese mit den Material strömen aus Kanälen 11 und 12 coex­ trudiert bzw. umspritzt werden. Soweit es sich bei der Verstär­ kungseinlage 5 um einen durch Extrusion herstellbaren Festkör­ per handelt, kann in entsprechender Weise ein weiterer tempe­ rierter, nicht dargestellter Kanal vorgesehen sein, über den das fließfähige Material der Verstärkungseinlage dem Extrusi­ onskopf 4 zugeführt wird. Je nach Material und Verarbeitungs­ temperatur sowie gewünschter Verbindung kann die Aushärtung des Festkörpers (Verstärkungseinlage) kurz vor Erreichen des Werk­ zeugkopfes oder erst im Werkzeugkopf erfolgen, letzteres mit dem Ziel, eine innige Verbindung der Verstärkungseinlage mit den Coextrudiertenen Materialströmen aus Kanälen 11 und 12 zu gewährleisten. Die Kanalführung sowie etwaige Düsen, Matrizen oder sonstige profilgebende Scheiben des Extrusionswerkzeuges 3 sind dem herzustellenden Verbundwerkstoff und der Anzahl der Kanäle 11, 12 sowie weitere Kanäle angepaßt. Die Temperaturfüh­ rung der Kanäle 11, 12 sowie weiterer Kanäle ergibt sich aus den Verarbeitungstemperaturen der verwendeten Ausgangsstoffe.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines endlos extrudierten Profilstranges durch Coextrusion unterschiedlicher Mate­ rialien, deren Extrusionstemperaturen voneinander abwei­ chen, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Materialien über separate, jeweils getrennt temperierbare und thermisch gegeneinander isolierte Kanäle (11, 12) einem Extrusionswerkzeug (3) zugeführt, dort, vorzugsweise unter Druck, zusammengeführt und extrudiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich über mindestens einen weiteren, vorzugsweise temperaturisolierten Kanal Festkörper (5) dem Extrusions­ werkzeug (3) zugeführt werden, die zusammen mit den zusam­ mengeführten Materialien extrudiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über einen weiteren ggf. temperierten Kanal fließfähige Kunststoffe zugeführt werden, die zu einem Stützkörper (5) vor oder bei Erreichen des Extrusionswerkzeuges (3) aus­ härten und die zusammen mit den übrigen Materialien extru­ diert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß thermoplastische Elastomere (TPE) und natürlicher Kautschuk (Gummi) coextrudiert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten Kanäle (11, 12) mittels elektrischer Heizungen (9), vorzugsweise Widerstandshei­ zungen oder durch Umspülen mit flüssigen Stoffen, vorzugs­ weise Thermoöl, geheizt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als 2 unterschiedliche Materiali­ en coextrudiert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß aufschäumbare Kautschuke in Kombination mit nicht aufschäumbaren Kautschuken verwendet werden.

8. Extrusionsvorrichtung zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus unterschiedlichen Materialien, deren Extrusionstemperaturen voneinander abweichen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei voneinander getrennte, mit jeweils separaten Extrudern (1, 2) verbun­ dene, getrennt temperierbare Kanäle (11, 12) in ein Extru­ sionswerkzeug (3) münden, vorzugsweise - in Fließrichtung gesehen - unmittelbar vor einer Profilscheibe (13).

9. Extrusionsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer, vorzugsweise temperaturisolierter Kanal zur Zufuhr von Festkörpern (5) vorgesehen ist, der ebenfalls in das Extrusionswerkzeug (3) mündet.

10. Extrusionsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperierung der Kanäle (11, 12) Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen (9) oder Hohlräume (8) zur Temperaturisolation vorgesehen sind.

11. Extrusionsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtungen aus elektrischen Heizelementen, vorzugsweise Widerstandsheizelementen (9) bestehen.

12. Extrusionsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen aus Kanälen (7) bestehen, die mittels Heiz- und/oder Kühl­ flüssigkeiten spülbar sind.