DE2361368A1

DE2361368A1 - Verfahren zur verminderung von dickstellen bei der herstellung von flachfolien aus thermoplastischen kunststoffen

Info

Publication number: DE2361368A1
Application number: DE2361368A
Authority: DE
Inventors: Jakob Dipl Ing Ansen; Norbert Dipl Phys Dr Roth
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1973-12-10
Filing date: 1973-12-10
Publication date: 1975-06-12

Description

K 2278 . FP-Dr.Kn-df 7. Dezember 1973

- Beschreibung zur Anmeldung der

KALLE AKTIENGESELLSCHAFT Wiesbaden-Biebrich :

für ei η Patent auf

Verfahren zur Verminderung von Dickstellen beider Herste ΠungvonFla cn f.o.-li en a u s thermoplastischen Kunststoffen / ■ ■'

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem die zwangsläufig, bei der FoIienherstellung auftretenden Dickenänderungen vermindert vier den und somit verbesserte thermoplastische Folien entstehen.

Bei der Herstel1ung von FoTi en aus thermopTasti sehen Schmelzer treten Dick- und Dünnstellen auf, die durch ihre Ausdehnung eine Reihe von FoTgefehTern und unerwünschte Begleitum-

509824/07 8 0

-z-

stände hervorrufen. Diese Bereiche unterschiedlicher Dicke verlaufen streifenförmig in Längsrichtung der Folienbahn und behalten ihre Lage über einen langen Zeitraum hin bei. Die Streifen können verschiedene Ursachen haben, wie z.B. geringfügige Änderungen der Oberflächenrauhigkeit und mechanische Verletzungen an der Extrusionsdüse oder Benetzungsunterschiede beim Austritt der Schmelze aus der Extrusionsdüse.

Werden die Folien aus dem thermoplastischen Material anschließend längs- und/oder quergestreckt oder umgekehrt, so können zu den oben beschriebenen Defekten in der Folienbahn, noch weitere Streifen hinzukommen, deren Ursache eine ungleichförmige Verstreckung ist.

Da diese Streifen unterschiedlicher Dicke ihre Lage in der Folienbahn für mehrere 10.000 m- beibehalten, addieren sich die Abweichungen beim Aufrollen der Folie. Es kommt dadurch auf der Rolle zu ringförmigen Wulsten aufgrund von Dickstellen und zu ringförmigen Rillen aufgrund von Dünnste!len.

Sowohl die Wulste als auch die Rillen führen zu sehr nachteiligen bleibenden Verprägungen und Verdeh nun gen der Folie Des weiteren erweisen sie sich als sehr nachteilig beim Weiterverarbeiten (z.B. Metallisieren und Beschichten) der Folienbahn und müssen daher unterbunden werden. 509824/0780

235136

Neben den Problemen, die sich aus der Weiterverarbeitung der in dieser Hinsicht fehlerhaften FoIien ergeben, besteht für die Qualitätskontrol1e das Problem der Erfassung und Klassifizierung dieser flange! "-oder Fehler.

Beides, die Verarbeitung mangelhafter Folien und.die Erfassung dieser dickenabhängigen Mängel verursachen Kosten, die zum Teil vermeidbar sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermindert fehlerhafte Abweichungen von der mittleren Foliendicke bereits am Schmelzefilm unabhängig von ihrer Entstehung. Es bewirkt eine einheitlichere Foliendicke über die gesamte Bahnbreite und dient somit der Qualitätsverbesserung .

Bild 1 zeigt die Aufzeichnung einer Dickendurchmessung einer gestreckten Folienbahn. Man erkennt darin Dickenschwankungen, deren Größe an der ungestreckten Vorfolie bis zu mehreren Prozenten der mittleren Dicke betragen kann, und die in ihrer Querausdehnung von mehreren Zentimetern bis zu wenigen Mi11imetern reichen. Die aufgezeichneten Abweichungen verhalten sich in der Regel zeit-, konstant und werden teilweise als Düsenstreifen bezeichnet

509824/0780

I3 D I O D

Eine bisher zur Verringerung der Streifen angewandte Methode ist die Verformung der durchgehenden Düsenlippen mit dem Ziel, die Ex.tr us i ons spa 1 twei te zu verstellen. Man verwendet zu diesem Zweck Stellschrauben, die die Düsenlippen verspannen. Die gewählte Konstruktion erweist sich jedoch insbesondere, im mittleren Bereich der Breitschlitzdüse als nicht ausreichend wirksam, da sowohl eine rückwirkungsfreie Verstellung als auch eine diskrete Spaltweitenänderung im Bereich einer Stellschraube nicht möglich ist. Demgegenüber ermöglicht die Aufteilung der Düsenlippe in Segmente (Bild 2) eine rückwirkungsfreie Einstellung ohne den bisherigen großen Kraftaufwand auch im mittleren Bereich der Breitschlitzdüse. Nach dieser Konstruktion eignet sich die Verformung der Düsenlippe besonders auch im Hinblick auf das anschließend erläuterte Verfahren zur Grobeinteilung des Dickenprofils des Schmelzefilmes.

Die Bestrebungen zur Qualitätsverbessung konzentrieren sich in dieser Anmeldung auf die Streifen, die aufgrund ihrer geringen Breite von den Stellschrauben nicht direkt beeinflußt werden können. Diese Dick- und Dünnstellen treten wie auch die breiteren bereits im Schmelzefilm auf. Sie werden bei den nachfolgenden Vers.treckungen noch verstärkt, da die Temperatur der dicken Stellen der Folie nach der ersten Erkaltung des Schmelzefilmes

509824/0780

2361168

-in. der Praxis immer kleiner oder gleich der der dünneren Stellen ist. Dies führt bei Vers treckung stets zur stärkeren Dehnung der dünneren Ste 11 en ,-d.h. ursprüngliche Dünnstellen der Vorfolie werden relativ zur Foliendicke noch dünner, und ursprüngliche Dickstellen relativ noch dicker. Die Fehler werden also verstärkt.

Eine Verminderung bzw. Einebnung der Dickstellen setzt ■ eine stärkere Dehnung derselben voraus. Dies ist nur dann möglich, wenn die Temperatur einer dickeren Stelle jeweils höher als die einer dünneren ist, da die Fließ-...'.. fähigkeit mit der Temperatur wächst, Bestrebungen, diesen Zustand zu erreichen, sind seit 1angem bekannt, z.B, . aus der US-PS 2 851 733. Bei den bisher beschri ttenen .".""-. Wegen ließ sich der gewünschte Temperaturzustand jedoch insbesondere aus Gründen der heute gängigen hoh,en Arbeitsgeschwindigkeiten nicht -sicher verwirk!ichen. ^:

Es stellte sich somit die Aufgabe, ein" relativ technisch einfaches Verfahren zu entwickeln die Dickstellen in FoI ienbah.nen zu; vermindern und gleichzeitig eine .Ver-"-"-gleichmäßigung der Folie zu erzielen.

Gelöst wird die vorstehend genannte Aufgabe durch ein_: Verfahren zur Verminderung von Dickstellen und zum Verbessern des Dickenprofi Ts bei der. Herstellung von aus

509824/07 8 0

Breitschlitzdüsen extrudierten thermoplastischen Folien, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man den aus der Breitschlitzdüse ausgepreßten Schmelzefilm oberhalb der Verfestigungstemperatur stufenweise abkühlt und dabei eine Dehnung quer zur Extrusionsrichtung vornimmt und erst anschließend den Schmelzefilm zur festen Folie abkühlt. Dabei wird die Voraussetzung für den Dehnvorgang, der dickenproportionale Temperaturzustand der Folie, unabhängig von der Arbeitsgeschwindigkeit oder sonstigen Störeinf.lüssen, sicher erreicht,

Beim Austritt der Schmelze aus der Düse liegt die Temoeratur des Schmelzefi1mes über dem Schmelzepunkt. Die Abkühlung verläuft in Abhängigkeit vom Wärmeinhalt des jeweiligen Folienstreifens nach einer Exponentialfunktion (Bild 3), Da der Wärmeinhalt sich nahezu proportional zur Foliendicke verhält, ergibt sich während der Abkühlung bei gleichen Kühlbedingungen über die Kühlwalzenbreite für einen dickeren Folienstreifen eine höhere Temperatur.

über der gesamten Folienbreite ist der Temperaturverlauf proportional zur jeweiligen FoIienstreifendicke. Er entspricht insgesamt dem in Bild 3 schraffierten Feld zwischen den Abkühlkurven des dünnsten und des dicksten Folienstreifens.

509824/0 7 80

Das beschriebene Temperaturverhai ten wird von einem mit steigender Temperatur sinkenden Verlauf der Streckspannung begleitet (Bild 4 und 4a)» Daraus folgt, daß während der ersten Abkühlung aufgrund der sich er- . gebenden Temperaturdifferenzen die Streckspannung eines jeweils dickeren Folienstreifens geringer ist als die eines jeweils dünneren. ,..-.-

Durch die erfindungsgemäße stufenweise Abkühlung in Verbindung mit der Querdehnung wird eine Egalisierung des gesamten FoIienpröfi1s ohne zusätzliche Aufheizung und den damit verbundenen Störeinflüssen sicher erreicht.

Gerätetechnisch laßt sich die Temperaturdifferenz während der Abkühlung unter anderem durch die Verwendung von zwei hintereinander liegenden Walzen statt der sonst üblichen einen Kühlwalze verwirklichen. Zwischen den beiden Kühlwalzen ist erfindungsgemäß eine Querstreckvorrichtung für den Schmelzefilm angebracht, die so konstruiert ist, daß die Querdehnung mit konstanter Kraft und bei konstanter Bahngeschwindigkeit erfolgt und die Dehnung auf ein notwendiges einstellbares Maximum begrenzt werden kann.

Der Schmelzefilm kühlt sich nach dem Verlassen der Breitschlitzdüsen sehr schnell ab. Um die Arbeitstemperatur des erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch nicht zu unterschreiten folgt,- daß der erste Kühlweg zum Erreichen

50982A/078O

der notwendigen Arbei ts temperatur kurz gehalten v/erden muß. Des weiteren soll der S-chmelze-Abzugswinkel möglichst klein gehalten werden. Beiden Forderungen wird der Einsatz einer ersten Kühlwalze mit kleinem Durchmesser gerecht. Für die zweite Kühlwalze ergibt sich ein für die Endkühlung erforderlicher größerer Durchmesser, wenn für beide Walzen von den gleichen Kühlbedingungen ausgegangen wird.

Nach der ersten Abkühlung liegt die Vorfolie, ohne die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einem unbestimmten Spektrum von Dick- und Dünnstellen vor. Zur Egalisierung sind somit entsprechend unterschiedliche Einschnürungen zu bewirken. ■ ·

In Bild 5 ist ein schemati scher Folienstreifen.-aus -der Gesamtbahn als Muster im vergrößerten'Maßstab darge- stellt, wie er von der ersten Kühlwalze abläuft. An der Stelle X-, liegt die Temperatur t^ » die temperaturabhängige Streckspannung & , die querstreckkraftabhängige Spannung *«-? , und die Querschmttsflache F₁ vor. Entsprechendes gilt für die Stellen Xp und X₃. K ist die auf den Streifen wirkende Querstreckkraft. An den Stellen X^, Xp und X₃ wirken die inneren Kräfte

^Kl ^{= F}l ' £> 1» ^K2 ^{= F}2 ' ^ Z ^{Und K}3 ^{= F}3 ' 3 ^quer

l ^{= F}l ' £> 1» ^K2 ^{= F}2 ' ^ Z ^{Und K}3 ^{= F}3 ' 3 zur Bahnrichtung. In dem im Bild 5 gezeigten Beispiel ist die Fläche F₁ ( F„ < F₃.

509824/0 7 80

Die Kühlung des Schmel zefi Iniesi st nun an der Stelle zu unterbrechen, an der bei t,{ t, <^ t^, und somit

^{die Differen2} zwischen

slv* ß s2 ^ & s3

_so -^u'ⁿ^ £l> ς. 3 mög T ich st groß ist, wobei ty größer^;,\:-"

als die Glastemperatur, d.h. großer als die Temperatur ;-des ersten UmwandTungspunktes sein muß, Die Querstreckkraft K ist dabei so zu dimensionieren., daß O \^ i' G Z> 6T_s2 und 6 ₃> 6 _s3 wird. G _sl, 6 — und ^J q sind die Streckspannungen in Abhängigkeit von der jewei 1 i gen Temperatur- eines Folienstreif ens . Bild 6 veranschaul i cht ihr Verhältnis im Spannungs-Dehnurigs-Di a-. gramm. (S ■, ist die Spannung an der gewünschten kleinsten Vorfoli endi cke. An -der Stelle X. so 11 al so kei ne Formänderung erfolgen. \

Da die FTießgeschwindgigk&it von thermoplas ti sehen'- f4aterialien mit der Temperatur und -."-dem sich ändernden Verhäl tni s von Dehnkraft und Streckkraft steigt, sind ^:: die Voraussetzungen zur di ckenproport-i onälen E i nschnürung bei der richtigen Dauer der Dehnung gegeben. Ei n_re weitere/ Mögli chkei t, die Ei nschnürung ri chti g zu proportionieren, ist, η e b en d e κ D e h η ζ e i t d i e D eh η ge s c h v/i η d i g k e i t zu be e in flüssen, da der FIi eßwi derstand von therniopTasti sehen

50 9 82 4/07 8 0

- ίο -

Materialien auch von der Fließgeschwindigkeit abhängt.

Um Strukturschäden in der Folie zu vermeiden, soll der Betrag der Dehnung nicht zu groß v/erden und das Verfahren nur auf die Feinstruktur des Dickenprofils der Folie angewandt werden. Die Grobstruktur des Dickenprofils ist zweckmäßig durch eine in Segmenten einstellbare Fla'chdüse zu bewirken.

Zusammenfassend sei nochmals auf die v/esentl i chen Gesichtspunkte verwiesen.

Im beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren wird der Schmelzefilm vor seiner ersten Abkühlung auf Verfestigungstemperatur zur Verminderung von Dickstellen behandelt Die anderen bekannten Verfahren greifen zu diesem Zweck erst 'nach der ersten Abkühlung ein.

Die angewandte Querdehnung erfolgt zur Vermeidung der Spannungsspitzen mit konstanter Dehnkraft und notwendiger begrenzter Maximal dehnung und nicht, wie bei Querreckungen sonst üblich, mit konstanter Dehnung.

Die Breitschlitzdüse ist zur Einstellung der Die ken grobstruktur in einzelnen Segmenten über die gesamte Breite einstellbar. Sie ermöglicht jedoch nur die Be-

50982 A/0780

- Ii -

einfiussung zeitkonstanter Dickenschwankungen, wogegen.--., das erfindungsgemäße Verfahren auch unregelmäßig-auftretende Dickenschwankungen korrigiert.

Die nach dem beschriebenen Verfahren produzierte Folie als Vorfolie und in verstreckter Form weist im Dicken-, profil· in Anzahl und Größe wesentlich weniger Fehlerquellen auf, die sich auf die Endfolie negativ auswirken und beim Weiterverarbeiten stören würden· ^:

Apparativ, läßt sich das Verfahren mittels üblicher um- " laufender Kluppen oder endloser Doppel bänder oder Ketten mit Anpreßrädern, die den Schmelzefilm fassen, durchführen. Des weiteren können- zur Querdehnung des _: Schmelzefilmes auch divergent verlaufende Kegelräder genommen werden.- Vorzugsweise sind hierbei die Bahnführungselemente (Kluppen, Bänder, Scheiben, Ketten) so auszuführen, daß die erforderliche Konstanz der - . Kraft während des Dehnens gewährleistet wird. Diese/ ■ Apparate sind Stand der Technik und schränken das erfindungsgemäße Verfahren nicht ein.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich auf alle Flachfolien aus thermoplastischen Kunststoffen anwendbar, wird jedoch bevorzugt für Polyester, Polyolefine, wie .

509 8 24/0 7 80

Polypropylen und Polyamide, angewendet und zwar insbesondere für solche Folien, deren Enddicke 2 bis 50 ,u betragen soll, da gerade diese dünnen Folien den Schädigungen durch Dickstellen besonders unterworfen sind.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung nochmals erläutern, ohne daß jedoch eine Einschränkung hierauf bestehensoll.

Beispiel 1

Polyäthylenterephthalat wurde mit 30 m/min in einer Breite von 450 mm bei 29O⁰C aus einer Breitschlitzdüse extrudiert. Unterhalb der Düse war in einem Abstand von 50 cm eine auf 2O⁰C gekühlte Walze angeordnet, auf der die Schmelze zur Folie verfestigt wurde. Auf der Strecke zwischen Düse und Walze wurde die Schmelze kontinuierlich von 29O⁰C auf 24O⁰C abgekühlt. Anschließend wurde die verfestigte Folie in Längsrichtung bei 90⁰C im Verhältnis 1 : 3,5 und danach in Querrichtung bei HO⁰C in Querrichtung im Verhältnis 1 : 3,5 gestreckt. Die gestreckte 12,u starke Folie wurde bei 22O⁰C thermofixiert. Die Dickendurchmessung der nach dem Stand der Technik hergestellten Folie ist in Figur.1 dargestellt.

Beispiel 2

Beispiel 1 wurde wiederholt mit dem Unterschied, di zwischen Düse und Kühlwalze die Schmelze mittels

509824

ä i ze die
/0780

divergent angeordneten angetriebenen Scheiben um 10%
gedehnt wurde. Die Di ckenabwei chifngen vom Sol !wert ■;/.-: (Figur 1) wurden um 30% vermindert. ■

Beispiel 3

Beispiel 2 wurde-wiederholt mit dem Unterschied, daß .,

eine Dehnung von 20% vorgenommen wurde. /.".-""--"

Die Dickenabweichungen vom Sol!wert (Figur 1) wurde

um 40% vermindert.

Beispiel 4 ■:■'■''■ ^: -■:■'■.

Beispiel 2 wurde wiederholt mit dem Unterschied ,daß ^:

eine Dehnung von 30% vorgenommen wurde.

Die Dickenabweichung vom Sollwert (Figur 1) wurde um

50% vermindert. _;

Beispiel 5 ,

Polypropylen wurde mit 10 m/min in einer Breite von

250 mm bei 25O⁰G aus einer Brei tschl i tzdlise extrudiert. ..

Unterhalb" der "Düs.e-v/a-r -in einem Abstand von 50 cm eine

auf 2O⁰C gekühlte Walze angeordnetj auf der die Schmelze zur Folie verfestigt wurde. Auf der Strecke zwischen Düse und Walze wurde die Schmelze kontinuierlich von 25Q⁰C auf 215⁰C abge kühlt. Ans chiießend wurde die Verfestigte FoI ie in Längsrichtung·bei 140 C im Verhältnis 1 : 6 und danach

50982Λ/078

in Querrichtung bei 150⁰C im Verhältnis 1 : 7 gestreckt. Die gestreckte 12.u starke Folie wurde bei 16O⁰C thermofixiert.

Die Dickendurchmessung der nach dem Stand der Technik hergestellten Folie entsprach in der Größenordnung der Darstellung in Figur 1.

Beispiel 6

Beispiel 5 wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß zwischen Düse und Kühlwalze die Schmelze mittels divergent angeordneten angetriebenen Scheiben um 10% gedehnt wurde. Die Dickenabweichung vom Sollwert gegenüber dem Stand der Technik wurde um 25% vermindert.

Beispiel 7

Beispiel 6 wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß eine Dehnung von 20$ vorgenommen wurde.

Die Dickenabweichung vom Sollwert wurde um 37% vermindert

Beispiel 8

Beispiel 6 wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß eine Dehnung von 30% vorgenommen wurde.

Die Dickenabweichung vom Sollwert wurde um 45% vermindert

509824/0780

Claims

PA TE N T A NSPR O G H' E

-1.} Verfahren zur Verminderung von DicksteTien und zum Verbessern des Dickenprofils bei der Herstellung von aus Breitschlitzdüsen extrudierten thermoplasti - , sehen Folien, dadurch gekennzeichnet, daß man den aus der Breitschlitzdüse ausgepreßten Schmelzefilm oberhalb der Verfestigungstemperatur stufenweise abkühlt und dabei eine Dehnung quer zur Extrusionsrichtung vornimmt und erst ansehließend den Schmelzefilm zur festen Folie abkühlt. - -· - ■
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die verfestigte Folie anschließend simultan oder stufenweise streckt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Längs-, Querstreckung vornimmt.".--.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man Polyester verwendet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dehnung eine Querstreckkraft (K)

5 0 9 8 2 4/0 7 8 0

aufgewendet wird, bei der die Streckspannungen 6₁<<o_sl»^2>6_s2 und ...<£ ₃ > G _s3 b.e tragen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man Folien mit einer Dicke von 2 bis 50,u herstellt.

50982 47 0780