CH426237A - Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen von Profilen aus thermoplastischen Kunststoffen - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen von Profilen aus thermoplastischen Kunststoffen
Die Erfindung betrifft das kontinuierliche Herstellen von Stäben und Profilen aus thermoplastischen Kunststoffen insbesondere solchen mit einem kurzen Schmelzbereich, wie Polyamiden, Polyurethanen mit wiederkehrenden Carbonamidgruppen in der Kette, Polyolefinen oder Polyacetalen.



   Die technologischen Eigenschaften dieser thermoplastischen Kunststoffe, insbesondere solcher mit einem kurzen Schmelzbereich, erschweren es, daraus Stangen oder Profile, insbesondere kontinuierlich, herzustellen. Zu diesen Eigenschaften gehören die verhältnismässig eng begrenzten Schmelz- und Erstarrungstemperaturen, die geringe Viskosität der Schmelzen, ihr gelagerter Charakter unmittelbar vor der Erstarrung und die hohe Volumenkontraktion bei der Erstarrung.



   Zur Erläuterung der Vorgänge beim Herstellen von Profilen durch kontinuierliches Erstarrenlassen der Schmelze eines der genannten Kunststoffe in einer gekühlten Formvorrichtung sei auf Fig. 1 verwiesen. Die Schmelze 1 wird der Formvorrichtung 2 zugeführt und erstarrt zunächst in einer äusseren Zone 3. Die noch flüssige Phase bildet im Innern des Körpers einen Schmelzkegel 4, dessen Spitzenwinkel a um so stumpfer ist, je grösser die Erstarrungsgeschwindigkeit der Schmelze und je kleiner die Austrittsgeschwindigkeit des Profils sind.

   Das Herstellen von Profilen aus thermoplastischen Kunststoffen mit kurzem Schmelzbereich ist daher besonders bei grossen Querschnitten schwierig, weil der Spitzenwinkel a bei grosser Austrittsgeschwindigkeit klein wird und Lunkerbildung und innere Spannungen nicht sicher vermieden werden können, auch wenn man die Schmelze der Formvorrichtung unter hohem Druck zuführt, da die erstarrende Schmelze im engen Kegel zu schwer beweglich wird. Deshalb muss die Abzugsgeschwindigkeit des gebildeten Formkörpers (Stab oder Profil) so gewählt werden, dass der   Spitzenwinw    kel a möglichst gross ist. Dies ist aber nur bei kleinen Abzugsgeschwindigkeiten möglich, die eine unwirtschaftliche Fertigung ergeben würden.



   Bei einem bekannten Verfahren dieser Art wird die Kunststoffschmelze kontinuierlich unter Druck in Formvorrichtungen gepresst, wobei eine zu grosse Reibung zwischen Form und Formling durch Schmierung der Form verhindert wird.



   In einem anderen bekannten Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung blasenfreier, durch ein ge  kühltes    Formrohr gepresster Stangen aus Kunststoff wird der erforderliche Rückdruck durch einen infolge der Kühlung sich bildenden, unter Druck an die Formwand gepressten Ring des Kunststoffes erzeugt.



  Hierbei wird bei der Verwendung von Polyamiden durch   Minderung    der Kühlung oder des Schmelzdrukkes die   Orösse    des Rückdruckes der an der Formwand reibenden Fläche des sich in der Form bildenden Ringes beeinflusst.



   Ein anderes, zum Stand der Technik gehörendes Verfahren (Schweizer Patent Nr. 415 035) zum kontinuierlichen Herstellen von Profilen besteht darin, dass man die im Inneren des äusserlich erstarrten Formkörpers den Schmelzkegel bildende Schmelze rührt.



   Schliesslich ist bekannt, Stäbe oder Profile aus thermoplastischem Kunststoff mit Hilfe eines Extruders kontinuierlich herzustellen, indem man den Druck und die Temperatur der Schmelze sorgfältig regelt und darüber hinaus eine Verbindung zwischen Zuführleitung und Formvorrichtung verwendet, die aus einem die Wärme schlecht leitenden Material besteht.



   Mit Hilfe der genannten Verfahren können Rohre  oder Profile mit grossen Querschnitten nur bei verhältnismässig kleiner Abzugsgeschwindigkeit hergestellt werden.



   Es war die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Profilen aus thermoplastischen Kunststoffen, insbesondere solchen mit kurzem Schmelzbereich, durch Einführen der Schmelze in eine gekühlte Formvorrichtung, kontinuierliches   Erstarreniassen    der Schmelze und Abführen des gebildeten Profils zu entwickeln. Erfindungsgemäss wird hierbei der im Innern des von aussen erstarrenden Profiles sich bildende Schmelzkegel durch einen Verdrängerkörper teilweise so ausgefüllt, dass an der Wand des Verdrängerkörpers eine schmale Schicht aus flüssiger Schmelze gebildet wird.



   Bei der erfindunggemässen Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Profilen ist in Richtung des Stoffzuflusses hinter der Fördervorrichtung ein in oder durch die Formvorrichtung reichender, fest und konzentrisch angeordneter, keil- bzw. kegelförmiger Verdrängerkörper mit seiner Spitze stromabwärts   angeordnet.   



   Eine besondere vorteilhafte Eigenschaft der nach der Erfindung hergestellten Profile ist ihre Lunkerfreiheit. Durch die Anordnung des im allgemeinen weder beheizten noch gekühlten Verdrängerkörpers im Schmelzkegel und die starke Aussenkühlung wer  den    die Verweilzeit des Kunststoffes im geschmolzenen Zustand und die Erstarrungszeit verkürzt und die Gelbildung weitgehend verhindert. Die Profile können daher mit hoher Geschwindigkeit hergestellt werden, ohne dass sich Lunker oder innere Spannungen bilden. Der molekulare Abbau thermisch empfindlicher Stoffe ist dabei geringer als bei Anwendung der bekannten Verfahren. Die Profile, auch solche mit grossen Querschnitten, sind homogen und besitzen bei den kristallisierenden thermoplastischen Stoffen ein feinkörniges Gefüge.



   Die zum Herstellen von Stäben oder Profilen gemäss der Erfindung geeigneten Polyamide oder Polyurethane mit wiederkehrenden Carbonamidgruppen in der Kette können nach bekannten Verfahren, gegebenenfalls in Gegenwart von neutralen oder sauren Katalysatoren, hergestellt sein. Hierzu verwendet man
1. Lactame mit 4 bis 12 Ringkohlenstoffatomen, z. B. Pyrrolidon, Piperidon, Caprolactam, Önanthlactam, Capryllactam oder   Lauriniactam,   
2. Salze aus Diaminen, wie Hexymethylendiamin, Octamethylendiamin, Decamethylendiamin, Bis(4-aminocylohexyl)methan, Dodecamethylendiamin, m-Xylylendiamin,   2,5-Diaminotoluol,    1, 4-Diaminomethylcyclohexan und Dicarbonsäuren, wie Adipinsäure, Korksäure, Acelainsäure, Sebacinsäure, Undecandicarbonsäure, Decandicarbonsäure und Heptadecandicarbonsäure,
3.

   Diisocyanate, wie Hexamethylendiisocyanat oder Toluylendiisocyanat, und Diole, wie Butandiol, Hexandiol, Octandiol, sowie Mischungen der unter 1 und 2 genannten Verbindungen.



   Polyolefine im Sinne der Erfindung sind Poly äthylen mit einer Dichte von 0,91 bis 0,96 g/cm3, isotaktisches Polypropylen sowie Mischpolymerisate von Äthylen und anderen Olefinen, die nach bekannten Verfahren hergestellt sind.



   Polyacetale im Sinne der Erfindung sind insbesondere   acetyiiertes    Polyformaldehyd und Mischpolymerisate von Formaldehyd oder Trioxan mit Alkylenoxyden.



   Als Fördervorrichtung zum   Zuführen    des Kunststoffes sind beispielsweise heiz- und kühlbare Strangpressen geeignet, in denen der Kunststoff geschmolzen und unter Druck in die gekühlte Form gefördert wird. Ferner sind Schmelzaggregate geeignet, welche die Schmelze mittels   Zahnrad-oder    Kolbenpumpen in die gekühlte Form pressen.



   Zur Herstellung von Stäben oder Profilen im Giessverfahren, bei dem die Schmelze ohne   Über-    druck in die gekühlte Formvorrichtung eingegossen wird, kann man den geschmolzenen Kunststoff mit Hilfe von Extrudern bzw. Pumpen fördern oder man kann den Kunststoff in einem Behälter schmelzen, dessen Ausflussöffnung höher liegt als die Öffnung der gekühlten Formvorrichtung, und lässt die Schmelze in diese fliessen. Unter Giessen wird dabei das Herstellen von Stäben und Profilen mit Hilfe eines senkrecht angeordneten, gekühlten Formrohres verstanden, aus welchem der Stab oder das Profil mittels einer Vorrichtung abgezogen wird.



   Als kühlbare Formvorrichtung zum Herstellen von Profilen   oder    Stäben sind die für das Extrudieren oder Giessen von thermoplastischen Kunststoffen bekannten Geräte geeignet, z. B. Formrohre mit und ohne Vakuumkalibrierung.



   Form und Länge des kegel- oder keilförmigen Verdrängerkörpers werden dem Schmelzkegel angepasst. In jedem Fall wird ein in Richtung des Stoffflusses konisch verjüngter Verdrängerkörper verwendet. Der Verdrängerkörper kann bis zur Spitze des Schmelzkegels oder Schmelzkeiles oder auch nur zu einem Teil in letztere hineinragen. Bei der Herstellung von Rundstäben kann er mit dem Vorderteil des Dornes im Spritzkopf lösbar verbunden werden. Der   Spitzenwinkels    a des Verdrängerkörpers beträgt 5 bis   30 ,    vorzugsweise 10 bis   15".    Seine Länge richtet sich in erster Linie nach dem Durchmesser oder der Schichtdicke des Profils und nach der Erstarrungszeit des Kerns des Kunststoff-Profils.



   Beim Anschluss der kühlbaren Formvorrichtung an eine Strangpresse kann zur Verminderung des Wärmeübergangs zwischen der Formvorrichtung und dem Spritzkopf eine Wärmeisolierscheibe, z. B. aus Asbest oder einem wärmebeständigen Polyfluorcarbon, verwendet   werden.    Die Kräfte zwischen dem gekühlten Formrohr und dem beheizten Spritzkopf können über eine Schneide übertragen werden, man kann aber auch den Stahlquerschnitt an der die Wärme ableitenden Verbindungsstelle zwischen Formvorrichtung und Spritzkopf verringern, soweit es die Festigkeit zulässt.  



   Zum Abführen des gebildeten Stabes oder Profiles sind die bekannten Vorrichtungen, beispielsweise Rollenpaare, Raupen oder Bänder, geeignet.   Sämtli-    che für die Vorrichtung verwendeten Teile mit Ausnahme der Wärmeisolierscheibe werden aus Metall hergestellt.



   Die Erfindung sei beispielsweise anhand der Fig. 2 näher erläutert, die die erfindungsgemässe Vorrichtung mit fest angeordnetem   konzentrischem    und konisch gestaltetem Verdrängerkörper zeigt. Die heiz- und kühlbare Strangpresse 5 trägt am   Zylinder-    kopf 6 einen Spritzkopf 7 mit einem Dorn 8. Diese Anordnung ist bei der Extrusion von dünnen Rohren oder Schläuchen üblich. Mit dem Dorn 8 ist ein kegelförmiger Verdrängerkörper 9 lösbar verbunden.



   Hinter dem Spritzkopf 7 ist in Arbeitsrichtung eine wassergekühlte Formvorrichtung 2 mit einem Innenraum 11 und Zu- bzw. Abführungsstutzen 12, 13 angebracht. Die Form 2 besteht aus einem zylindrischen Rohr und ist am Spritzkopf 7 mittels Schrauben (nicht dargestellt) befestigt. Der Wärme übergang von dem beheizten Spritzkopf 7 auf die gekühlte Form 2 wird durch eine ringförmige Schneide 15 oder durch eine (nicht gezeichnete) Isolierscheibe vermindert.



   Bei der Herstellung des Rohres oder Profils 16 wird die Schmelze 1 aus der Strangpresse 5 in den ringförmigen Kanal 17 zwischen Spritzkopf 7 und Dorn 8 und weiter in den Raum zwischen Verdrängerkörper 9 und wassergekühlter Form 2 gedrückt.



  In der Form 2 bildet die Schmelze 1 einen Schmelzkegel 4.



   In   Fig. 3    ist die Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung beispielsweise dargestellt, wenn drucklos in eine senkrechte Form gegossen werden soll.



   Die mittels Kühlflüssigkeit gekühlte Form 2, die zweckmässig mit Bohrungen 21 zur Erzeugung eines Unterdruckes versehen ist, wird über einen Einfülltrichter 22 mit niedrigviskoser Schmelze 1 gefüllt.



  Das Rollenpaar 20 zieht das festgewordene Profil 16 mit einer der Erstarrung entsprechenden   Geschwin    digkeit ab. Der kegelförmige Verdrängerkörper 9 taucht dabei in den Schmelzkegel 4. Er ist an der Form 2 befestigt und thermisch gegen diese, z. B. mit einem Ring 23 aus einer Zement-Asbest-Mischung oder von Polymerisaten aus äthylenisch ungesättigten Fluorkohlenwasserstoffen, isoliert. Eine Vorrichtung 24 sorgt zusätzlich für die Kühlung des oberflächlich erstarrten Profils. Diese Vorrichtung besteht z. B. aus einem ringförmigen Rohr mit Bohrungen 25 an der Innenseite, aus denen Kühlwasser 26 ausströmt.



   Zum Herstellen von Profilen in einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung (Fig. 2) werden Druck und Förderung der Schmelze durch Abstimmen der Länge und Tiefe der Pumpzone der Schnecke sowie der Schneckendrehzahl auf das Molekulargewicht des zu verarbeitenden Kunststoffes geregelt. Eine manometrische Drucküberwachung oder ein Druckreduzierventil sind nicht erforderlich. Dadurch ist für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens nur ein geringer apparativer Aufwand erforderlich. Es ist zweckmässig, die Temperatur in den Heizzonen des Schneckenzylinders etwa auf +20 C genau zu regeln. Das Profil wird mit Hilfe der Rollenpaare 20 in festgelegter   Ge-    schwindigkeit, die sich nach der Profildicke und der Art des verwendeten Kunststoffes richtet, geführt.



  Die Grösse des Extruders und die Schneckendrehzahl werden so gewählt, dass die Schmelze unter Druck in die Form eingepresst und das äusserlich erstarrte Profil etwa durch den gleichen Druck aus der Formvorrichtung herausgepresst wird.



   Beispiele
In den folgenden Beispielen 1 und 2 werden die Arbeitsbedingungen zum Herstellen von Rundstäben aus 6-Polyamid und Polyformaldehyd im Extrusionsverfahren gemäss der Erfindung beschrieben.



   Beispiel 1
Ein Rundstab mit 60 mm Durchmesser aus 6-Polyamid mit einer relativen Viskosität von   X    rel = 4,0 (gemessen in 96   0/obiger    H2SO4, c = 1 g/100 ml Lösung) wird mit Hilfe eines Schnekkenextruders mit einem Wellendurchmesser D = 45 mm und einer Wellenlänge L = 15 D als Schmelz- und Fördervorrichtung kontinuierlich hergestellt. Die Form, eine mit einem Kühlwassermantel ausgerüstete Düse, ist 300 mm lang und mit dem Spritzkopf fest verbunden. Der auf dem Vorderteil   des    Spritzkopfdornes befestigte Verdrängerkörper besteht aus einem konzentrisch angeordneten Stahlkegel von 350 mm Länge und einem maximalen Durchmesser von 50 mm. Die Austrittsgeschwindigkeit des Stabes beträgt 1,6 m/h.

   Arbeitet man ohne Verdrängerkörper, so wird nur eine Geschwindigkeit von   1,2 mlh    erreicht.   Lunker- und    weitgehende Spannungsfreiheit sowie ein gleichmässig feinkristallines Gefüge mit einer Sphärolithgrösse von weniger als   10 es    zeichnen den unter Verwendung des Verdrängerkörpers hergestellten Stab aus.



   Beispiel2
Auf dem in Beispiel 1 beschriebenen Schneckenextruder wird ein Rundstab mit 100 mm Durchmesser aus acetyliertem und in bekannter Weise stabilisiertem Polyformaldehyd   (r    rel = 1,4; gemessen in Phenol/O-Dichlorbenzol 3:2 bei 1000 C, C = 0,25 g/100   ml)    kontinuierlich gefertigt. Die mit dem Spritzkopf verbundene Kühldüse ist 300 mm lang. Der auf dem Vorderteil des Spritzkopfdornes befestigte Verdrängerkörper ist 400 mm lang und hat einen maximalen Durchmesser von 85 mm. Die Aus  trittsgeschwindigkeit    des Stabes beträgt 0,5   m/h;    beim Arbeiten ohne   Verdrängerkörper    erreicht man nur ca. 0,4 m/h. Der hergestellte Rundstab ist lunker- und weitgehend spannungsfrei.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCHE I. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Profilen aus thermoplastischen Kunststoffen durch Einführen der Schmelze in eine gekühlte Formvorrichtung mit Hilfe einer Fördervorrichtung, kontinuierliches Erstarreniassen der Schmelze und Abführen des gebildeten Profils, dadurch gekennzeichnet, dass der im Innern des von aussen erstarrenden Profiles (16) sich bildenden Schmelzkegel (4) durch einen Verdrängerkörper (9) teilweise so ausgefüllt wird, dass an der Wand des Verdrängerkörpers (9) eine schmale Schicht aus flüssiger Schmelze gebildet wird.

   II. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung des Stoffzuflusses hinter der Fördervorrichtung ein wenigstens teilweise durch die Formvorrichtung (2) reichender, fest und konzentrisch angeordneter, in einer Spitze konisch auslaufender Verdrängerkörper (9) mit seiner Spitze stromabwärts angeordnet ist.

   UNTERANSPRUCH Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man thermoplastische Kunststoffe mit kurzem Schmelzbereich verwendet.