NL1010057C2 - Werkwijze en inrichting voor het extruderen van geschuimde voorwerpen. - Google Patents

Description

985173/Iem/mke

Korte aanduiding: Werkwijze en inrichting voor het extruderen van geschuimde voorwerpen.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het extruderen van geschuimde voorwerpen uit thermoplastische kunststof, waarbij een smelt, bestaande uit verwarmde, met een schuimmiddel gemengde en onder druk 5 staande kunststof, door een nucleator en een het voorwerp vormgevende opening wordt geperst en vervolgens wordt afgekoeld.

Bij het extruderen van geschuimde voorwerpen uit thermoplastische kunststof bestaan er verschillende mogelijk-10 heden om het schuim te vormen. Het is bijvoorbeeld mogelijk de kunststof al vóór het extruderen te mengen met een chemisch schuimmiddel dat in de extruder ontleedt, zoals azodicarbonamide. Een andere mogelijkheid is de kunststof eerst in de extruder te smelten en vervolgens een chemisch 15 of fysisch schuimmiddel toe te voegen en met de smelt te mengen. Om een voldoende homogeen kunststofschuim met cellen van geringe afmetingen te verkrijgen, dat in het algemeen een betere mechanische kwaliteit heeft dan inhomogeen of grof kunststof schuim, is goed mengen van de kunststof en het 20 schuimmiddel essentieel. Zeker bij het gebruik van een fysisch schuimmiddel, dat in de vorm van een vloeistof (zoals pentaan of een chloorfluorkoolwaterstof), een gas (zoals stikstof) of een superkritische vloeistof (zoals kooldioxide) kan worden toegevoegd, is het gewenst een zo homogeen 25 mogelijke smelt te verkrijgen, waarbij het schuimmiddel is opgelost in de kunststof. Vervolgens moet dan, hoe het mengsel eerst ook gevormd is, door wijziging van het thermo-dynamische evenwicht het schuimmiddel uit de oplossing komen en als gas in het dan tweefasenmengsel het schuim vormen. Dit 30 proces wordt aangeduid als de "nucleatie".

Voor de vorming van een zogenaamd microschuim, met celafmetingen van 50μπ\ en kleiner, is het van belang dat wordt uitgegaan van een zeer homogene uitgangssmelt met de 1010057 -2- juiste temperatuur en druk en dat het thermodynamisch evenwicht zeer snel wordt gewijzigd.

Uit WO 98/08667 is een werkwijze van het in de aanhef ' beschreven type bekend. In deze publicatie is aangegeven 5 (fig. 5 en de bijbehorende beschrijving op pagina 25 e.v.) ! dat de nucleatie van de smelt in een extrusiekop plaatsvindt ; door de smelt door een veelvoud van kanalen te laten stromen, " waarbij een grote drukval optreedt. Vervolgens wordt de smelt door het resterende gedeelte van de extrusiekop geleid en de 10 inmiddels geschuimde kunststof afgekoeld. Het is gebleken dat deze werkwijze niet tot het gewenste resultaat leidt. Er ” wordt geen zeer fijn microschuim gevormd, maar een grof schuim met onregelmatig gevormde cellen. Dit kan worden verklaard doordat het in en juist achter de nucleator 15 gevormde schuim bij stroming door de extrusiekop zodanige afschuifkrachten ondervindt, dat de gevormde schuimstructuur wordt beschadigd. De wanden tussen de schuimcellen, die nog warm en daardoor betrekkelijk zwak zijn, kunnen onder invloed ^ van de afschuifkrachten gemakkelijk scheuren, waardoor 20 grotere en minder regelmatige schuimcellen ontstaan. Boven dien worden de in de nucleator gevormde deelstroompjes geschuimde kunststof onvoldoende aaneengelast. Ook dat geeft aanleiding tot grote en onregelmatig gevormde schuimdelen tussen de deelstroompjes.

25 In WO 98/08667 is verder een werkwijze beschreven (fig.

Γ" 14 en de bijbehorende beschrijving op pagina 31 e.v.) waarbij geen gebruik wordt gemaakt van een aparte nucleator, maar waarbij slechts een vernauwing van de spleet in de extrusiekop als nucleator dient. Deze werkwijze is alleen geschikt 30 voor het vormen van dunwandige voorwerpen, zoals een draad-ontmanteling. Bij toepassing van deze werkwijze voor meer dikwandige producten wordt echter geen microschuim gevormd.

De uitvinding heeft tot doel een werkwijze voor het extruderen van geschuimde voorwerpen uit thermoplastische 35 kunststof te verschaffen, waarmee voorwerpen met wanddikten van één tot enkele tientallen milimeters en met een microschuim- structuur kunnen worden geëxtrudeerd.

' ' Dit doel wordt bereikt met de werkwijze volgens conclu sie 1.

*1010057 -3-

Het is gebleken dat bij toepassing van deze werkwijze de nadelen van de bekende werkwijze niet optreden en de geëxtrudeerde voorwerpen een zeer fijne microschuim-structuur verkrijgen.

5 Bijzonder goede resultaten worden bereikt wanneer de maatregelen volgens conclusie 2 worden toegepast.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een inrichting voor het extruderen van geschuimde voorwerpen uit thermoplastische kunststof volgens conclusie 9.

10 Voorkeursuitvoeringsvormen van de werkwijze en inrich ting volgens de uitvinding zijn vastgelegd in de afhankelijke conclusies.

De uitvinding wordt in de hiernavolgende beschrijving toegelicht aan de hand van de tekening, waarin: 15 Fig. 1 in langsdoorsnede het eindgedeelte van een extrusiekop met daarop gemonteerde nucleator weergeeft,

Fig. 2 schematisch en op vergrote schaal detail A van fig. 1 weergeeft met een bepaalde uitvoeringsvorm van de nucleator,

20 Fig. 3 en 4 schematisch en op vergrote 'schaal detail A

van fig. 1 weergeven met een andere uitvoeringsvorm van de nucleator, en met onderling verschillende stromingspatronen van de smelt,

Fig. 5 zeer schematisch in bovenaanzicht een extrusie- 25 lijn voor het extruderen van geschuimde voorwerpen weergeeft, en

Fig. 6 en 7 schuimstructuren weergeven die worden gevormd zonder resp. met toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding.

30 In fig. 1 is in langsdoorsnede een eindgedeelte van een in het algemeen met 1 aangeduide extrusiekop voor het vormen van een hol profiel, in het bijzonder een buis uit geschuimde kunststof weergegeven. De extrusiekop 1 is bestemd om op een (hier niet weergegeven) extruder te worden gemonteerd.

35 De extrusiekop 1 omvat een buitenconus 2 en een binnen- conus 3 die een ringvormig kanaal 4 begrenzen. Een uit de extruder komende smelt, bestaande uit verwarmde, met een schuimmiddel gemengde en onder druk staande kunststof, wordt door dit kanaal 4 geperst.

P1010057 -4-

Op de extrusiekop 1 is aan de uitstroomzi jde een nucleatorsamenstel 5 gemonteerd. Dit nucleatorsamenstel 5 bestaat uit een ringvormige nucleator 6 en een nucleatorhou-der 7, bestaande uit twee platen 8 en 9, waartussen de 5 nucleator 6 is vastgeklemd. Het geheel is concentrisch op de extrusiekop 1 bevestigd door middel van bouten 10.

De nucleator 6 omvat een veelvoud van fijne kanalen en omvat bij voorkeur een of meerdere zeven met een maaswijdte van 50-500 μπ\, bij voorkeur 100-300 μιη. Eventueel kunnen aan 10 de uitstroomzijde ter versterking grovere zeven zijn aangebracht. Het aantal zeven is afhankelijk van de viscositeit van de smelt en van de gewenste drukval. Bij een hoog visceuse smelt kan in het algemeen worden volstaan met minder zeven dan bij een laag visceuse smelt.

15 De nucleator 6 kan ook een of meerdere geperforeerde platen met gaten van 50-500 μτη, bij voorkeur 100-300 μτη omvatten. De gaten kunnen zijn gevormd door middel van ! laserperforatie. De nucleator 6 zal veelal vlak zijn uitgevoerd, aangezien dit tot de meest eenvoudige constructie 20 leidt.

Ook andere constructies van de nucleator, bijvoorbeeld die welke beschreven zijn in WO 98/08667, kunnen worden toegepast.

Bij het door de nucleator 6 persen van de smelt bestaan-2 5 de uit verwarmde, met een schuimmiddel gemengde en onder druk staande kunststof, ontstaat in de smelt een schuimstructuur met zeer kleine cellen. Doordat de nucleator 6 in extrusie-richting gezien achter de door de buitenconus 2 en de binnenconus 3 van de extrusiekop 1 gevormde, het te extrude-30 ren voorwerp vormgevende opening, is geplaatst, is uit de nucleator 6 komende smelt nauwelijks meer onderhevig aan afschuifkrachten, die de wanden van de schuimcellen zouden kunnen beschadigen.

Een bijzonder goede en zeer fijne microschuimstruc-35 tuur wordt verkregen als de uit de nucleator 6 komende smelt aan een kortstondige compressie wordt onderworpen, waarbij ervoor wordt gezorgd dat er in de smelt geen of slechts 1 i geringe afschuifkrachten optreden. Deze kortstondige compres- 1010057 -5- sie die het aaneenlassen van de uit de nucleator 6 komende stroompjes geschuimde kunststof bevordert, kan op verschillende manieren worden gerealiseerd.

Zo kan in plaats van een vlakke nucleator een gekromde 5 nucleator worden gebruikt, zoals in fig. 2 is weergegeven. Deze nucleator 6 is aan de uitstroomzijde hol uitgevoerd. Hierdoor worden de uit de nucleator 6 komende stroompjes geschuimde kunststof met kracht tegen elkaar aan gedrukt.

Het aaneenlassen van de uit de nucleator 6 komende 10 stroompjes geschuimde kunststof kan ook worden verbeterd door de uit de nucleator 6 komende smelt door een in stromings-richting gezien naar verhouding korte vernauwing 11 te leiden. Alleen als de vernauwing 11 kort is, kan het gewenste effect worden bereikt, zonder dat de schuimstructuur wordt 15 beschadigd. Goede resultaten zijn bereikt met een vernauwing met een lengte van 3-5 mm bij een diameter van de geëxtru-deerde kunststofbuis van 50 mm.

In fig. 3 en 4 is de vernauwing 11 toegepast in combinatie met een vlakke nucleator 6. Het is echter ook mogelijk 20 de vernauwing toe te passen bij een gekromde nucleator, zoals in fig. 2 is weergegeven.

Een andere mogelijkheid om het aaneenlassen van de uit de nucleator 6 komende stroompjes geschuimde kunststof te verbeteren, zonder de schuimstructuur te beschadigen, bestaat 25 uit het axiaal verstrekken van de uit de extrusiekop 1 en de nucleator 6 komende smelt. Daardoor neemt uiteraard de wanddikte van het geëxtrudeerde profiel af, zoals in fig. 4 is weergegeven. Het axiaal verstrekken van het profiel kan eventueel worden gecombineerd met het door een vernauwing 11 30 leiden van het geëxtrudeerde voorwerp.

Tijdens het door de nucleator 6 persen van de smelt wordt ervoor gezorgd dat in de nucleator een drukval optreedt ~ met een snelheid van ten minste 0,05 GPa/sec., en bij voorkeur tussen 0,2 en 1,0 GPa/sec. De druk zelf dient te 35 dalen van de in de extrusiekop 1 heersende druk, die veelal ligt tussen 10 en 50 MPa naar (vrijwel) atmospherische druk.

Het uit de extrusiekop en de nucleator 6 komende geschuimde en al of niet verstrekte profiel wordt op de »1010057 -6- ! gebruikelijke wijze afgekoeld om de vereiste vormvastheid te ί verkrijgen.

Een bij proeven gebruikte extrusielijn bestaat uit twee in tandem-opstelling geplaatste enkelschroefs-extruders 21 5 en 22 met een schroefdiameter van 120 mm, zoals zeer schematisch en in bovenaanzicht in fig. 5 is weergegeven. De eerste extruder 21 dient voor het plastificeren van de smelt en het : injecteren van het schuimmiddel, in dit geval een gas (stikstof of koolzuurgas). Op de eerste extruder 21 is een 10 vultrechter 23 gemonteerd voor het toevoeren van de kunststof. De uitgang van de eerste extruder 21 is aangesloten op de tweede extruder 22 voor het koelen van de smelt en het oplossen van het gas in de smelt. Een spuitkop 24, die normaal wordt gebruikt voor de extrusie van PVC-buizen, is 15 aan de uitstroomzijde voorzien van een nucleator in de vorm van drie zeven met een maaswijdte van 250 μπι en een draaddik-te van 200 μτη. Direct achter de nucleator is een vernauwing overeenkomstig fig. 3 met een lengte van 4 mm aangebracht.

Tijdens het vervaardigen van het geëxtrudeerde profiel, ™ 20 in dit geval een buis, wordt de extrusielijn gevolgd door de gebruikelijke apparatuur zoals vacuümkalibrering en -koeling, trekbank en zaag.

Met de hierboven beschreven extrusielijn is een poly- propeen microschuimbuis vervaardigd met een diameter van ? 25 50 mm en een wanddikte van 4 mm. Het gebruikelijke polypro- !'! peentype was een standaard co-polymeer. Het gebruikte schuimmiddel was stikstof. Bij een productiesnelheid van 50 kg/uur polypropeen werd 0,75 gew.% stikstof gebruikt. De " temperatuur van het uit de eerste extruder 21 komende mengsel U 30 was ca. 210°C. In de tweede extruder 22 werd het mengsel : ! gehomogeniseerd en gekoeld tot ca. 180°C. De buis werd na het verlaten van de extrusiekop 24 verstrekt door de trekbank op dubbele snelheid te laten lopen. De diameter van de schuim-cellen varieerde tussen 10 en 50 μπι.

35 In fig. 6 en 7 zijn schuimstructuren weergegeven die worden verkregen zonder resp. met toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding. De vergrotingsfactor is 25. Duidelijk ij; is in fig. 6 te zien dat zonder toepassing van de werkwijze 1010057 -7- volgens de uitvinding een grove, onregelmatige schuimstruc-tuur ontstaat, terwijl met toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding een zeer fijne, regelmatige schuim-structuur ontstaat.

5 Het zal duidelijk zijn dat de beschreven werkwijze en inrichting kan worden toegepast voor het extruderen van verschillende soorten voorwerpen, zoals buizen, profielen, folies, platen, buiscoatings, enz. De werkwijze kan worden toegepast bij alle mogelijke thermoplastische kunststoffen, 10 zoals polypropeen, polyetheen, polyvinylchloride, polystyreen, enz.

1010057

Claims (13)

1. Werkwijze voor het extruderen van geschuimde voorwerpen uit thermoplastische kunststof, waarbij een smelt bestaande ’ uit verwarmde, met een schuimmiddel gemengde en onder druk staande kunststof, door een nucleator en een het voorwerp 5 vormgevende opening wordt geperst en vervolgens wordt afgekoeld, met het kenmerk, dat de smelt eerst door de vormgevende opening en vervolgens door de nucleator wordt geperst.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de ” smelt direct na het verlaten van de nucleator kortstondig wordt gecomprimeerd, waarbij ervoor wordt gezorgd dat in de smelt geen of slechts geringe afschuifkrachten optreden. / 15

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de smelt door een gekromde nucleator wordt geperst, waarbij de nucleator aan de uitstroomzijde hol is uitgevoerd.

4. Werkwijze volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat 20 de smelt direct na het verlaten van de nucleator door een naar verhouding korte vernauwing wordt geleid.

5. Werkwijze volgens een der conclusies 2-4, met het kenmerk, dat de smelt na het verlaten van de nucleator wordt 25 verstrekt.

6. Werkwijze volgens een der conclusies 1-5, met het *” kenmerk, dat bij het door de nucleator persen van de smelt in de smelt een drukval van ten minste 0,05 GPa/sec. wordt 30 gerealiseerd. ' I

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de : druk van 0,2-1,0 GPa/sec. bedraagt. 101005 7 -9-

8. Werkwijze volgens een der conclusies 1-7, met het kenmerk, dat het geschuimde voorwerp een hol profiel is, in het bijzonder een buis, is. 5

9 . Inrichting voor het extruderen van geschuimde voorwerpen uit thermoplatische kunststof, omvattende een extruder voor het in de gewenste gesmolten toestand brengen van de kunststof, het mengen van de kunststof met een schuimmiddel en het op een voor het schuimen gewenste druk en temperatuur brengen 10 van het mengsel, een het te extruderen voorwerp vormgevend element en een nucleator, welke laatste beide in de extrusie-richting gezien achter de extruder zijn geplaatst, met het kenmerk, dat de nucleator in de extrusierichting gezien direct achter het vormgevende element is geplaatst. 15

10. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de nucleator een gekromde vorm heeft, waarbij de nucleator aan de uitstroomzijde hol is uitgevoerd.

11. Inrichting volgens conclusie 9 of 10, met het kenmerk, dat in de extrusierichting gezien direct achter de nucleator een vernauwing met een naar verhouding geringe lengte is aangebracht.

12. Inrichting volgens een der conclusies 9-11, met het kenmerk, dat de nucleator een of meerdere zeven met een maaswijdte van 50-500 μπι, bij voorkeur 100-300 μπι omvat.

13. Inrichting volgens een der conclusies 9-11, met het 3. kenmerk, dat de nucleator een of meerdere geperforeerde platen met gaten van 50-500 μπι, bij voorkeur 100-300 μπι omvat. 1010057