DE2759621C2 - Biaxialgereckte Kunststofftafel mit erhöhter Wärmeformbeständigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine biaxial gereckte Kunststofftafel nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Sie läßt sich aus Kunststoffen herstellen, die einen ausgeprägten thermoelastischen Zustandsbereich oberhalb der Glastemperatur und unterhalb des thermoplastischen Zustandsbereichs aufweisen. Bei der biaxialen Reckung im thermoelastischen Zustand werden die Polymermoleküle in einen orientierten Zustand übergeführt, in dem sie durch Abkühlung unter die Erweichungstemperatur eingefroren werden. Die mechanischen Eigenschaften und die Witterungsbeständigkeit des Kunststoffes werden durch die Reckung spürbar verbessert.

Ein Nachteil der gereckten Kunststofftafeln ist ihre gegenüber dem ungereckten Material verminderte Wärmeformbeständigkeit. Während beispielsweise ungerecktes Polymethylmethacrylat (PMMA) eine Wärmeformbeständigkeit nach Vicat von 115⁰C hat, beginnt biaxial um je 70% gerecktes PMMA bereits bei 65⁰C langsam zu schrumpfen. Diese Schrumpfung erreicht einen mit der Temperatur und dem ursprünglichen Reckungsrad steigenden Grenzwert. Er beträgt 0,2% bei 70° C, 0,5% bei 80⁰C und Wo bei 90° C, jeweils bezogen auf die Längenausdehnung des gereckten Materials. Diese Rückschrumpfung kann trotz des geringen Betrags nicht immer vernachlässigt werden, denn sie kann beispielsweise dazu führen, daß eine am Rand in einem Rahmen gefaßte Kunststoffscheibe aus dem Rahmen herausgezogen wird. Dies läßt sich zwar durch eine Vorbehandlung bei der höchsten zu erwartenden Gebrauchstemperatur vermeiden, jedoch ist eine solche Vorbehandlung aufwendig und die höchste Gebrauchstemperatur nicht immer genau genug vorherzusehen.

Aus der DE-OS 25 36 461 ist es bekannt, einen Verbundkörper aus wenigstens zwei Schichten aus thermoplastischen Kunststoffen biaxial zu recken. Beispielsweise können die Kernschicht des Verbundkörpers aus Polyvinylchlorid (PVC) und die an der 5 Oberfläche gelegenen Schichten aus PMMA bestehen. Der Verbundkörper läßt sich bei einer Temperatur, bei der die PMMA-Schichten thermoelastisch sind, biaxial recken. Da PVC eine um etwa 25° C niedrigere Glastemperatur als PMMA hat, ist es bei der

ίο Recktemperatur bereits thermoplastisch, so daß in der PVC-Schicht keine nennenswerte Molekülorientierung eintritt. Das gereckte Verbundmaterial zeigt etwa die gleichen Rückschrumpfeigenschaften wie biuxial gerecktes PMMA. Bei den Temperaturen, bei denen ein deutlicher Rückschrumpf der PMMA-Schicht eintritt, beginnt der Kern aus PVC zu erweichen und setzt dem Rückschrumpf keinen Widerstand entgegen. Liegen die Glastemperaturen der am Aufbau des Verbundkörpers beteiligten Kunststoffe näher beieinander, so liegen sie bei der Reckung beide im chermoelastischen Zustand vor, so daß sie auch beide orientiert werden und ein gleichartiges Rückschrumpfverhalten zeigen.

In der Praxis hat es sich bewährt, als Wärmeformbeständigkeit einer gereckten Kunststofftafel diejenige Temperatur anzugeben, bei der die Rückschrumpfung einen Grenzwert von 0,5% nicht überschreitet. Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, die Wärmeformbeständigkeit von biaxial gereckten Kunststofftafeln zu erhöhen und möglichst der Glastemperatur des

jo Kunststoffes anzunähern.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs gelöst

Der von Reckspannungen weitgehend freie Kern der Kunststofftafel ist gleichsam mit einer gereckten Haut überzogen. Der unterschiedlichen Reckung im Kern und den oberflächennahen Schichten entspricht eine unterschiedliche Molekülorientierung. Bei Temperaturen unterhalb der Glastemperatur, bei der gleichmäßig gereckte Kunststofftafeln in der oben beschriebenen Weise schrumpfen, treten vergleichbare Schrumpfkräfte bei den erfindungsgemäßen Tafeln nur im Oberflächenbereich ein, während der weniger gereckte Kernbereich entweder einen geringeren Grenzwert des

4^r> Schrumpfes oder im günstigsten Fall gar keinen Rückschrumpf aufweist und eine Schrumpfung der oberflächennahen Schichten verhindert. Dieser Effekt ist um so stärker, je größer die Differenz zwischen den Reckungsgraden im Kernbereich und an der Oberfläche ist. Um dem Material die Vorteile des biaxial gereckten Kunststoffes zu verleihen, beträgt die Reckung in den Oberflächenschichten vorzugsweise 40 bis 120%. Die Reckung im Kernbereich sollte so niedrig wie möglich liegen. Überraschenderweise zeigt dieses unterschiedlieh gereckte Material die gleichen Vorzüge wie homogen gerecktes Material. Dies ist dadurch zu erklären, daß für das Witterungs- und Korrosionsverhalten die gereckten Oberflächenschichten verantwortlich sind und diese Schichten auch bei mechanischen Biegebeanspruchungen den überwiegenden Teil der auftretenden Kräfte aufnehmen.

Die erhöhte Wärmeformbeständigkeit von erfindungsgemäßen Kunststofftafeln aus PMMA mit einer biaxialen Reckung von je 70% in den Oberflächenschichten und einer völlig ungereckten Kernschicht wird in der nachfolgenden Tabelle im Vergleich zu homogen biaxial um je 70% gerecktem PMMA veranschaulicht.

Tabelle

Temperung

(Stunden)

Temperatur

Rückschrumpfung

(% der ursprünglichen Länge)

PMMA, homogen biaxial um je 70% gereckt

PMMA, Oberflächenschichten biaxial um je 70% gereckt, Kern ungereckt

20
20
20
20
90
20
20
20

70

80

90

95

95

100

105

110

0,2
0,5
1,0

6,0

0,2

1,0

6,6

Die Meßwerte wurden an Probekörpern von 200 χ 200 mm Größe ermittelt. Auf jedem Probekörper war ein Kreis von 100 mm Durchmesser eingeritzt, dessen Durchmesser bei der Temperung allmählich abnimmt Die Abnahme ist in Prozent des ursprünglichen Durchmessers angegeben. Es ergibt sich eine Wärmeformbeständigkeit von 100 bis 105° C was mit der Glastemperatur von PMMA übereinstimmt. Dagegen liegt die Wärmeformbeständigkeit des homogen gereckten PMMA nur bei 70 bis 80°C. Die erfindungsgemäßen Kunststofftafeln sind im allgemeinen 1 bis 8 mm dick.

Bedingt durch die Herstellung sind die Kern- und Oberflächenbereiche im allgemeinen nicht scharf voneinander getrennt. Bei dem Herstellungsverfahren, das unten genauer beschrieben wird, bildet der Reckungsgrad einen von der Oberfläche bis zum Kern kontinuierlich abnehmenden Gradienten. Als Grenze zwischen dem Kern und dem Oberflächenbereich wird die Zone angesehen, bei der der Reckungsgrad den Mittelwert zwischen dem höchsten und dem niedrigsten vorkommenden Reckungsgrad erreicht. Die Grenze kann allerdings bei anderen Herstellungsverfahren ziemlich scharf sein, so daß ein solcher Mittelwert nicht auftritt.

Die erfindungsgemäßen Tafeln können aus allen Kunststoffen hergestellt werden, die bei bestimmten Temperaturen oberhalb der Erweichungstemperatur und unterhalb des thermoplastischen Zustands einen thermoelastischen Zustandsbereich haben, in dem eine Molekülorientierung erreicht und durch Abkühlen eingefroren werden kann. Diese Orientierung ist die eigentliche Ursache für die Eiigenschaftsverbesserung. Der therrnoelastische Zustandsbereich von Kunststoffen ist in G. Schreyer, »Konstruieren mit Kunststoffen« (1972), S. 384-414,456-492 eingehend beschrieben. Zu den verwendbaren Kunststoffen gehören z. B. Polymethylmetharcrylat oder Mischpolymerisate von mehr als 80% Methylmethacrylat mil anderen Acryl- oder Methacrylestern oder -nitrilen, sowie Polystyrol, Styrol-Acrylnitril-Mischpolymerisate., Polyvinylchlorid und deren schlagzähe Modifikationen, Polyolefine, Polyamide, Polyoxymethylen, thermoplastische Polyester. Die genannten Kunststoffe auf Basiü von Methylmethacrylat sind bevorzugt. Da die Temperatur in der Reckzone sehr genau eingestellt werden kann, können die erfindungsgemäßen Tafeln auch aus Kunststoffen mit einem sehr schmalen Temperaturbereich des thermoelastischen Zustands hergestellt sein. Wenn das verwendete Kunststoffband durch Extrusion hergestellt worden ist, richten sich die Anforderungen an das Molekulargewicht und die Schmelzviskosität des Kunststoffes in an sich bekannter Weise nach den Bedingungen der Extrusion. Grundsätzlich kann für die Erfindung jedes Kunststoffmaterial als geeignet angesehen werden, dessen thermoelastische Spannung innerhalb der zum Umformen bis zum Einfrieren erforderlichen Zeitspanne nicht wesentlich relaxiert

Vorzugsweise besteht die erfindungsgemäße Kunststofftafel aus einem extrudierbaren Kunststoff, d. h. einem Material, das oberhalb des thermoelastischen einen thermoplastischen Zustandsbereich aufweist Ein Kunststoff dieser Art ist z. B. Acrylglas mit einem Molekulargewicht zwischen 100.000 und 400.000. Derartige Werkstoffe gestatten ein besonders einfaches Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäßen Kunststofftafeln. Die ungereckte Tafel wird in der Weise erwärmt, daß sie im Kernbereich eine Temperatur im thermoplastischen Zustandsbereich und in der Oberflächenschicht eine Temperatur im thermoelastischen Zustandsbereich hat Zweckmäßig erreicht man dies durch anfängliches Erhitzen der ganzen Tafel bis zum thermoplastischen Zustand und nachfolgende Abkühlung bis zum Eintritt der Oberflächenschicht in den thermoelastischen Zustand. Dabei stellt sich ein von außen nach innen ansteigender Temperaturgradient ein. In diesem Zustand wird die Tafel biaxial gereckt. Dabei tritt nur in der oberflächennahen Schicht, wo das Material thermoelastisch ist, eine Molekülorientierung und damit eine echte Reckung ein. Dagegen wird der Kernbereich plastisch verformt, ohne daß eine Molekülorientierung stattfindet.

j5 Dieses Verfahren eignet sich besonders zur kontinuierlichen Herstellung der erfindungsgemäßen Tafeln, was nachfolgend am Beispiel der Verarbeitung einer PMMA-Formmasse vom Molekulargewicht 180.000 erläutert wird. Die Formmasse wird in an sich bekannter Weise in einem Extruder aufgeschmolzen und in einer Breitschlitzdüse bei einer Temperatur von 230° zu einem kontinuierlich fließenden Band von 700 mm Breite und 6 mm Dicke extrudiert. An die Extrusionsdüse ist ein gekühlter Formkanal angeschlossen, worin die Oberfläche des Stranges auf eine Temperatur von 130° bis 150° C abgekühlt wird. In diesem Zustand wird das Band biaxial gereckt. Das Band wird dabei auf eine Breite von 1200 mm gedehnt. Durch eine erhöhte Abzugsgeschwindigkeit wird gleichzeitig eine Längsreckung um 70% bewirkt. Während der biaxialen Reckung nimmt die Dicke des Bandes von 6 auf 2 mm ab. Das gereckte Band wird unter die Erweichungstemperatur, mindestens auf 80° C, abgekühlt Danach wird das Band gegebenenfalls besäumt und zu Tafeln von gewünschter Länge geschnitten.

Bei einer besonders vorteilhaften Arbeitsweise wird die Extrusionsdüse druckdicht an einen aus drei nacheinander folgenden Zonen bestehenden Formkanal angeschlossen. In der ersten Zone wird das extrudierte Band bis zum thermoelastischen Zustand der Oberflächenschicht abgekühlt, während der Kernbereich thermoplastisch bleibt. In der darauffolgenden zweiten Zone wird die Oberflächentemperatur durch entsprechende Temperierung des Formkanals konstant gehal-

b5 ten. In dieser Zone nimmt die Dicke des Formkanals ab und die Breite zu, wobei die Querschnittsfläche sgesamt allmählich abnimmt. Das Formmassenband wird durch den im Extruder erzeugten Massendruck

durch die Zone hindurchgepreßt und dabei biaxial gereckt In der nachfolgenden dritten Zone, deren Querschnitt mit dem am Ende der zweiten Zone übereinstimmt, wird das Band unter die Erweichungstemperatur abgekühlt Es ist vorteilhaft, am Beginn der ersten Zone ein hochviskoses Schmiermittel in den Formkanal einzuleiten, um die Bewegung des Bandes zu erleichtern. Das Herstellungsverfahren selbst ist nicht Gegenstand der Erfindung. Die erfindungsgemäßen Tafeln haben alle Vorzüge der bekannten, homogen biaxial gereckten Kunststofftafeln, übertreffen diese jedoch in der Wärmeformbeständigkeit Sie können daher bei höheren Temperaturen verwendet werden, ohne daß eine Rückschrumpfung zu befürchten ist

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Biaxial gereckte Kunststofftafel mit erhöhter Wärmeformbeständigkeit aus Kunststoff, der in einem Temperaturbereich oberhalb der Erweichungstemperatur und unterhalb des thermoplastischen Zustar.dsbereichs einen thermoelastischen Zustandsbereich hat, dadurch gekennzeichnet, daß die biaxiale Reckung im oberflächennahen Bereich wesentlich höher als im Kern ist.

2. Kunststofftafel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern im wesentlichen ungereckt ist.

3. Kunststofftafel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der lineare Reckungsgrad im oberflächennahen Bereich 40 bis 120% beträgt

4. Kunststofftafel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Kunststoffauf Basis von Methylmethacrylat besteht.

5. Kunststofftafel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Molekulargewicht des Kunststoffes bei 100.000 bis 400.000 liegt