DE3921853C2 - Verfahren zur Herstellung eines verdünnten Rohres durch Coextrusion und Rohrziehform zu dessen Durchführung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines verdünnten Rohres durch Coextrusion und Rohrziehform zu dessen Durchführung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her­ stellung eines verdünnten Rohres, umfassend eine mittlere Schicht (Seele) aus expandiertem thermoplastischem Material und Innen- und Außenwände aus dichtem thermoplastischem Material, durch Coextrusion, und eine Rohrziehform, die besonders zu dessen Durchführung geeignet ist.
Im europäischen Patent EP 0019564 B1 wird bereits ein Ver­ fahren zur Herstellung eines solchen Rohres durch Coextru­ sion beschrieben, bei dem man die geschmolzenen, thermo­ plastischen Materialien, die das Rohr bilden, durch einen Verteilerkopf coextrudiert, derart, daß drei rohrförmige Stränge aus den thermoplastischen Materialien, die in Kon­ takt miteinander sind, gebildet werden, die den Rohling des gewünschten Rohres darstellen und man dann die drei Stränge in Kontakt miteinander durch eine klassische Rohrziehform leitet, umfassend einen Diffusor und einen geraden Ab­ schnitt zur Formgebung des Rohres.
Bei einem solchen Verfahren werden die Stränge aus thermo­ plastischem Material, die durch den Diffusor fließen, durch einen Dreipaß geleitet, dessen Zweige oder dessen den Form­ kern tragende Stege Längsteilungen in den Durchflußsträngen hervorrufen, wobei der konvergierende Teil eine Ver­ schweißung des Rohlings sichert. Es ist aber offensicht­ lich, daß das endgültig produzierte, verdünnte Rohr im allgemeinen Längsmarkierungen aufweist, die von dieser Teilung herrühren und seinem Aussehen schaden und Zonen mit vermindertem mechanischem Widerstand darstellen.
Sicher kann man das Aussehen des so produzierten, verdünn­ ten Rohres verbessern, indem man die konvergierende Zone der Rohrziehform derart gestaltet, daß ihre Seitenwände selbst konvergierend sind, wie dies in der Figur, die dem obenge­ nannten europäischen Patent beigefügt ist, gezeigt wird.
Man stellt allerdings fest, daß dieser Weg von einer unge­ wissen Wirksamkeit ist, besonders dann, wenn das herge­ stellte verdünnte Rohr einen großen Durchmesser, über 25 cm, oder eine Wandstärke über 5 mm aufweist.
Das US 4,364,882 offenbart ebenfalls ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Extrusion von Kunststoffrohren mit Verbundwänden. Bei der Extrusion werden drei Materialströme zunächst durch einen Diffusor mit einem sich erweiternden Abschnitt und einem sich daran anschließenden konvergierenden Abschnitt geleitet. An den konvergierenden Abschnitt schließt sich ein im wesentlichen geradlinig verlaufender und einen konstanten Strömungsquerschnitt aufweisender Abschnitt an, der zur Austrittsöffnung führt. Eine Zone verengten Querschnitts wird nicht offenbart.
Die DE-AS 20 51 006 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit denen rohrförmige Profilteile bestehend aus einem einzigen Material hergestellt werden. An den Diffusor schließt sich ein Abschnitt an, der einen sich zur Auslaßöffnung hin stetig verringernden Querschnitt aufweist. Ein vor der Auslaßöffnung angeordneter Abschnitt mit erneut größerem Querschnitt ist nicht vorgesehen.
Die DE-OS 21 26 976 offenbart ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit denen rohrförmige Profilteile bestehend aus einem einzigen Material hergestellt werden. An den Diffusor schließt sich ein Abschnitt mit sich stetig verringerndem Querschnitt an, gefolgt von einem geraden Bereich bis zur Austrittsöffnung. Ein vor der Austrittsöffnung angeordneter Abschnitt mit erneut größerem Querschnitt ist nicht vorgesehen.
Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es ein ver­ bessertes Verfahren zu liefern, das die Herstellung von verdünnten Rohren erlaubt, die keine Spur, hervorgerufen durch die Stege, die den Formkern tragen und dadurch einen verbesserten mechanischen Widerstand aufweisen.
Infolgedessen betrifft die vorliegende Erfindung ein Ver­ fahren zur Herstellung eines verdünnten Rohres durch Coextrusion, bei dem das Rohr eine mittlere Schicht aus expandiertem thermoplastischem Material und jeweils eine Innen- und Außenschicht aus dichtem thermoplastischem Material aufweist und das folgende Schritte aufweist:
  • a) Coextrudieren der geschmolzenen thermoplastischen Materialien durch einen Verteilerkopf, derart, daß drei rohrförmige Stränge aus den thermoplastischen Materialien gebildet werden,
  • b) Leiten der drei Stränge in Kontakt miteinander durch eine Rohrziehform, umfassend einen Diffusor (2, 3) und einen geraden Abschnitt (6) zur Formgebung des Rohres, wobei
  • c) die drei Stränge aus thermoplastischem Material durch eine erste Zone des Formgebungsabschnittes (6) geleitet werden,
  • d) darauffolgend durch eine Zone (7) mit gegenüber der ersten Zone des Formgebungsabschnitts (6) verengtem Querschnitt, derart geleitet werden, daß der Druck um 2×106 bis 15×106 Pascal in den thermoplastischen Materialien, die durch den konvergierenden Teil der Rohrziehform fließen, ansteigt, und anschließend
  • e) die drei Stränge durch eine zweite Zone des Formgebungsabschnittes (6) mit gegenüber der Zone (7) größerem Querschnitt geleitet werden, welche zweite Zone in Strömungsrichtung zwischen der Zone (7) und einer Austrittsöffnung angeordnet ist.
Das thermoplastische Material, das die Innen- und Außen­ wände bildet, kann beliebig gewählt werden und kann insbe­ sonders ein Vinylharz, wie Vinylpolychlorid, ein Polyole­ fin, wie Polyethylen oder Polypropylen, ein Styrolharz, wie Polystyrol oder auch ein Acrylharz, wie ein Copolymer vom ABS-Typ sein. Die Innen- und Außenwände können wahlweise aus identischen oder unterschiedlichen thermoplastischen Materialien hergestellt werden. Das thermoplastische Mate­ rial, das die Seele bildet, kann ein Vinylharz, wie Vinyl­ polychlorid, ein Styrolharz, wie Polystyrol, ein Polyolefin wie Polyethylen oder Polypropylen oder auch ein Acrylharz wie ein Copolymer vom ABS-Typ sein, wobei diese Harze ein Expansionsmittel enthalten, das durch eine flüchtige Flüs­ sigkeit wie einen Kohlenwasserstoff oder durch ein chemi­ sches Mittel wie ein Stickstoff freisetzendes Mittel, wie im englischen Patent GB 1.211.860 A beschrieben, gebildet wird.
In dem Fall, in dem das hergestellte Rohr nicht harten Verwendungsbedingungen ausgesetzt ist, kann das thermo­ plastische Material, das die Seele bildet, vorzugsweise aus wiederverwerteten thermoplastischen Materialien erhalten werden, besonders aus Verpackungsabfällen wie Flaschen.
Vorzugsweise wählt man die thermoplastischen Materialien, die die Wände und die Seele bilden, so, daß diese kompati­ bel sind, um eine genügende Adhäsion zwischen den Schich­ ten, die das verdünnte Rohr bilden, zu erhalten. Man kann die verdünnten Rohre aber auch aus nicht-kompatiblen ther­ moplastischen Materialien herstellen, indem man eine oder mehrere Schichten eines geeigneten thermoplastischen Haft­ mittels zwischen den nicht-kompatiblen Schichten vorsieht, was natürlich einen Verteilerkopf für vier bzw. fünf Schichten notwendig macht.
Die vorliegende Erfindung hat ebenfalls zum Ziel eine Rohr­ ziehform zu schaffen, die besonders für die Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist.
Die Erfindung betrifft also außerdem eine Rohrziehform, umfassend einen Diffusor und einen geraden Abschnitt zur Formgebung des Rohres, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der gerade Abschnitt zur Formgebung des Rohres umfaßt:
  • - eine erste Zone
  • - eine Zone (7) mit gegenüber der ersten Zone verengtem Querschnitt und
  • - in Strömungsrichtung zwischen der Zone (7) und der Austrittsöffnung eine zweite Zone mit gegenüber der Zone (7) größerem Querschnitt.
Vorzugsweise beträgt in der Rohrziehform gemäß der Erfin­ dung das Verhältnis zwischen dem Querschnitt der Austritts­ öffnung und dem Querschnitt der Zone verengten Querschnitts zwischen 1,5 und 5.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Rohrziehform gemäß der Erfindung wird die Zone verengten Querschnitts durch eine Erhöhung des inneren Durchmessers der Durchfluß­ zone des geraden Formgebungsabschnitts gebildet.
Nach einer anderen Ausführungsform wird die Zone verengten Querschnitts durch eine Verringerung des äußeren Durchmes­ sers der Durchflußzone des geraden Formgebungsabschnitts gebildet.
Es ist jedoch offensichtlich, daß die Zone verengten Quer­ schnitts zugleich durch eine Erhöhung und durch eine Ver­ ringerung des inneren und äußeren Durchmessers der Durch­ flußzone des geraden Formgebungsabschnitts gebildet werden kann.
Um jegliches Stagnationsrisiko des thermoplastischen Mate­ rials zu vermeiden, empfiehlt es sich die Erhöhung und/oder Verringerung des inneren und äußeren Durchmessers der Durchflußzone des geraden Formgebungsabschnitts fortschrei­ tend und vorzugsweise in einem Winkel zwischen 5 und 15° durchzuführen.
Vorzugsweise hat die Zone verengten Querschnitts eine Länge zwischen 5 und 20 cm.
Außerdem beträgt der Abstand zwischen der Zone verengten Querschnitts und der Austrittsöffnung des geraden Formge­ bungsabschnitts wenigstens 5 cm, um die Bildung eines ver­ dünnten Rohres mit der gewünschten Seitenwanddicke zu sich­ ern, ungeachtet des Vorhandenseins der Zone mit verengtem Querschnitt.
Das Verfahren und die Rohrziehform gemäß der Erfindung werden außerdem noch detaillierter in den folgenden, prak­ tischen Durch- bzw. Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur beschrieben, die in einem schema­ tischen Teilschnitt den Durchflußkanal der thermoplasti­ schen Materialien in einer Rohrziehform gemäß der Erfindung zeigt.
Wie diese Figur zeigt, umfaßt die Rohrziehform gemäß der Erfindung, deren Rückteil 1 mit einem Verteilerkopf, der nicht gezeigt wird, verbunden ist, einen divergierenden Teil 2 und einen konvergierenden Teil 3, die miteinander durch einen Dreipaß verbunden sind, der die Stege umfaßt, die den Kern 5 halten und einen geraden Abschnitt 6 zur Formgebung des Rohres, wobei dieser Abschnitt eine Länge Lo und eine Durchflußweite eo hat.
Gemäß der Erfindung umfaßt der gerade Abschnitt 6 eine Zone 7 verengten Querschnitts der Länge L und der Weite e, die durch eine Erhöhung des inneren Durchmessers der Durch­ flußzone des geraden Formgebungsabschnitts 6 erhalten wird. Außerdem ist die Zone 7 verengten Querschnitts mit der Innenwand des geraden Formgebungsabschnitts 6 mit fort­ schreitendem Übergang in einem Winkel zwischen 8 und 10° verbunden.
Bei einer Rohrziehform mit großem Durchmesser (über 25 cm), wie in der oben beschriebenen Figur gezeigt, aber ohne Zone 7 verengten Querschnitts, kann der erzeugte Extru­ sionsdruck durch die Beziehung:
berechnet werden, wobei
  • - γ der Geschwindigkeitsgradient, entwickelt in der An­ fangsgeometrie mit der Weite eo und der Länge Lo;
  • - n = der nicht-Newton'sche Koeffizient, berechnet nach der Beziehung:
    wobei
  • - τ die Scherspannung des eingesetzten thermoplastischen Materials beim Geschwindigkeitsgradienten und
  • - K = eine Konstante, erhalten aus der vorhergehenden Be­ ziehung ist.
Beispiele
Bei den folgenden Beispielen hat man aus Gründen der Ein­ fachheit die verdünnten Rohre nur aus Vinylpolychlorid mit K = 66 hergestellt, enthaltend 2,1 pcr Bleistabilisator, 0,5 pcr inneres Gleitmittel und 0,5 pcr äußeres Gleitmit­ tel.
Die rheologischen Werte dieser Zusammensetzung wurden mit Hilfe eines Kapillaren-Viskosimeters INSTRON® gemessen, das mit zylindrischen Rohrziehformen mit einem Durchmesser von 0,2 cm und einem Verhältnis L/R von 1 bzw. 30 ausge­ rüstet ist, was denselben Geschwindigkeitsgradienten und Extrusionsdrücke P1 bzw. P2 ergibt. Die Scherspannung be­ rechnet sich mittels des klassischen Verhältnisses:
(P1 und P2 wurden in kg/cm2 gemessen).
Für die durchgeführte Formulierung sind die gemessenen rheologischen Parameter:
  • - K = 2.104
  • - n = 0.55.
Beispiel 1 (zum Vergleich)
Bei diesem Versuch, der zum Vergleich gegeben wurde, hat man eine Rohrziehform wie in der beigefügten Figur be­ schrieben, verwendet, die jedoch keine verengte Zone im geraden Formgebungsabschnitt aufwies und mit einem Vertei­ lerkopf verbunden war.
Die geometrischen Parameter dieser Rohrziehform im geraden Formgebungsabschnitt sind:
  • - Durchmesser = 315 mm
  • - Lo = 34,6 cm
  • - eo = 8,85 mm.
Mit dieser Apparatur wird die vorher definierte Zusammen­ setzung mit einer Abgabemenge von 400 kg pro Stunde extru­ diert, wobei die Temperatur der Rohrziehform 185°C und die Temperatur des thermoplastischen Materials beim Austritt 189°C betrug.
Der von der verwendeten Rohrziehform entwickelte Druck auf der Höhe des konvergierenden Teils ist gleich:
bei dem:
Infolgedessen erhält man einen im konvergierenden Teil entwickelten Druck von 4,6.106 Pascal.
Man stellt fest, daß das extrudierte, verdünnte Rohr unter diesen Bedingungen Längsmarkierungen aufweist, die von den den Kern tragenden Stegen herrühren und im Fall eines Stoßes Schwachpunkte darstellen.
Beispiel 2
Man verfährt wie in Beispiel 1, indem man eine identische Rohrziehform benützt, die aber dieses Mal eine verengte Zone im geraden Formgebungsabschnitt, wie in der beigefüg­ ten Figur gezeigt, aufweist.
Die Länge der verengten Zone beträgt 79 mm und der in die­ ser Zone freigelassene Durchgang hat eine Dicke von 4,35 mm.
Der Geschwindigkeitsgradient in Höhe der verengten Zone beträgt infolgedessen 30 sec-1.
Der daraus resultierende Druck in Höhe des konvergierenden Teils beträgt infolgedessen:
was einen um 3,65.106 Pa höheren Druck, als der, der gemäß Beispiel 1 entwickelt wurde, bedeutet.
In diesem Fall stellt man fest, daß das produzierte ver­ dünnte Rohr ohne jeglichen Mangel ist.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines verdünnten Rohres durch Coextrusion, bei dem das Rohr eine mittlere Schicht aus expandiertem thermoplastischem Material und jeweils eine Innen- und Außenschicht aus dichtem thermoplastischem Material aufweist und das folgende Schritte aufweist:
  • a) Coextrudieren der geschmolzenen thermoplastischen Materialien durch einen Verteilerkopf, derart, daß drei rohrförmige Stränge aus den thermoplastischen Materialien gebildet werden,
  • b) Leiten der drei Stränge in Kontakt miteinander durch eine Rohrziehform, umfassend einen Diffusor (2, 3) und einen geraden Abschnitt (6) zur Formgebung des Rohres, wobei
  • c) die drei Stränge aus thermoplastischem Material durch eine erste Zone des Formgebungsabschnittes (6) geleitet werden,
  • d) darauffolgend durch eine Zone (7) mit gegenüber der ersten Zone des Formgebungsabschnitts (6) verengtem Querschnitt, derart geleitet werden, daß der Druck um 2×106 bis 15×106 Pascal in den thermoplastischen Materialien, die durch den konvergierenden Teil der Rohrziehform fließen, ansteigt, und anschließend
  • e) die drei Stränge durch eine zweite Zone des Formgebungsabschnittes (6) mit gegenüber der Zone (7) größerem Querschnitt geleitet werden, welche zweite Zone in Strömungsrichtung zwischen der Zone (7) und einer Austrittsöffnung angeordnet ist.
2. Rohrziehform zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend einen Diffusor (2, 3) und einen geraden Abschnitt (6) zur Formgebung des Rohrs, dadurch gekennzeichnet, daß der gerade Abschnitt (6) zur Formgebung des Rohres umfaßt:
  • - eine erste Zone
  • - eine Zone (7) mit gegenüber der ersten Zone verengtem Querschnitt und
  • - in Strömungsrichtung zwischen der Zone (7) und der Austrittsöffnung eine zweite Zone mit gegenüber der Zone (7) größerem Querschnitt.
3. Rohrziehform nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Querschnitt der Austrittsöffnung und dem Querschnitt der Zone (7) verengten Querschnitts zwischen 1,5 und 5 beträgt.
4. Rohrziehform nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (7) verengten Querschnitts durch eine Erhöhung des inneren Durchmessers der Durchflußzone des geraden Formgebungsabschnitts (6) gebildet wird.
5. Rohrziehform nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (7) verengten Querschnitts durch eine Verringerung des äußeren Durchmessers der Durchflußzone des geraden Formgebungsabschnitts (6) gebildet wird.
6. Rohrziehform nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (7) verengten Querschnitts eine Länge zwischen 5 und 20 cm hat.
7. Rohrziehform nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Zone (7) verengten Querschnitts und der Austrittsöffnung des geraden Formgebungsabschnitts wenigstens 5 cm beträgt.
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